이번에 계측자동제어 학회지에 표기 해설 기사의 의뢰를 받았는데 유체 계측 분야 자체가 상당히 넓은 영역이기 때문에 객관적인 기사를 제공할 수 있을지는 의문이지만, 적어도 TC30(관내유량계측 위원회)의 위원장 및 TC131 공기압기기시스템 위원회의 위원장을 15년 이상 맡은 경험을 바탕으로 이 분야의 최신 화제를 소개하고 싶다.
전반에는 등온화 압력 용기를 이용한 비정상 유량 계측 제어의 화제를 소개하고, 후반에는 대형 층류식 유량계와 오리피스 유량계의 비교 검토 및 카르만 와류식 유량계의 수치해석을 소개한다.
최근 20여 년 유량 계측은 에너지 절감을 위해, 또한 공기압 시스템에서는 공기 유량을 적분하면 압력이 되기 때문에 동특성 관리의 목적으로 이루어져 왔다. TC131에는 유량계측 위원회라는 명칭이 붙어 있다. 따라서 최근 10년 유량 계측에 관한 요망이 강해지고 있다고 생각한다.
압축성 유체 시스템의 동특성 관리
등온화 압력 용기는 그림 1과 같다. 이 용기 내에는 아주 작은 직경의 구리선이 봉입되어 있다. 봉입률은 체적 밀도가 4%이지만, 압력 변화에 따른 열 변화를 구리선이 흡수할 수 있다. 이 특징으로부터 기체의 상태방정식에서 용기 내로 충전하거나 혹은 용기로부터 방출하는 질량 유량은 용기 내 공기의 압력 변화에 비례하기 때문에 이것을 계측함으로써 등온화 압력 용기의 질량 유량을 동적으로 도출할 수 있게 된다.
그림 2와 같이 등온화 압력 용기에 압축 공기를 충전하고, 그 후 서보 밸브를 경유해 대기로 방출시킨다. 이때 서보 밸브에 주는 지령 전압에 대응해 비정상 유량을 발생할 수 있어 하류에 설치한 피시험 유량계의 동특성을 계측하는 것이 가능해진다.
또한 음속 노즐 혹은 서보 밸브 내의 초크 흐름에 의해 일정한 유량을 생성하는 기술과 앞에서 말한 등온화 압력 용기의 특징을 조합함으로써 비정상 유량을 연속적으로 발생시킬 수 있게 된다. 그림 3에 장치 구성 예를 나타냈다.
여기서 유량 발생의 한 예로서 바이어스 유량을 갖는 진동류의 발생을 생각한다. 밸브 1에서는 진동 유량의 평균값에 상당하는 유량을 생성하고 등온화 압력 용기 내로 그 공기류를 유입시킨다. 한편 밸브 2에서는 등온화 압력 용기 내의 압력 변동을 제어함으로써 바이어스 유량값으로부터의 변동 유량 성분을 비정상 유량 파형의 형태로 부여할 수 있으며, 결과적으로 연속적으로 진동류를 발생시킬 수 있다.
등온화 압력 용기를 이용한 전자밸브의 특성 계측
앞에서도 소개했듯이 등온화 압력 용기의 특징은 용기 내 기체가 압축 혹은 팽창할 때의 기체 온도 변화를 흡수해 용기 내 압력 변화로부터 충전 혹은 방출하는 질량 유량을 산출할 수 있다는 것에 있다.
이 특징을 살려 JIS B 8390-1의 대체 측정법을 제안해 JIS B 8390-2를 2018년에 제정할 수 있었다. 시험장치의 구성은 그림 4에 나타낸 대로이다.
또한 TC131에서 논의한 것을 바탕으로 일본발 국제표준으로 ISO 6358-2가 2019년에 발행됐다.
한편 압축기의 성능시험에서는 등온화 압력 용기를 이용하지 않고 압력 변화로부터 구하는 JIS가 1995년에 정해졌으며 2008년에 개정됐다. 그림 5에 범용 압축기에서 11kW 이하의 압축기 성능을 구하는 방법을 나타냈다. 온도 계측의 어려움이 계측제도에 미치는 영향이 클 것으로 추측된다.
층류형 유량계와 오리피스 유량계의 맥동장 비교 검토
기체의 유량 변동을 직접 계측할 수 있는 기술 개발은 변동류나 맥동류가 발생하고 있는 현장의 검증에 필수적이다. 그래서 필자의 오랜 경험을 바탕으로 고속응답성이 우수한 층류형 유량 센서를 개발했다. 앞에서 소개한 등온화 압력 용기를 이용한 검증을 통해 약 50Hz까지의 동특성을 갖는 유량계인 것을 확인했다.
그림 6에 당시 제작한 고속응답성이 우수한 층류형 유량 센서의 층류 소자 단면을 나타냈다. 1inch의 내경에 약 800개의 세관이 채워져 있다. 세관 지름은 0.8～0.4mm로, 세관 사이에 생기는 틈새는 접착제로 굳힘으로써 흐름 방향으로 세관이 어긋나거나 혹은 세관이 튀어나오는 것을 방지하는 구조로 했다.
이 유량 센서를 이용함으로써 동적 특성을 파악할 수 있다는 것은 소구경 유량계에서 확인할 수 있었다. 그래서 새로운 도전으로서 대유량이 되는 1.6m3/s의 유량역을 측정할 수 있는 고속응답성을 갖는 층류형 유량계를 시제작했다. 층류 엘리먼트 내의 흐름이 충분히 층류 상태인 것과 엘리먼트 내의 응답성을 사전에 검증해 설계한 직경 400mm의 층류 엘리먼트를 갖는 유량계를 그림 7에 나타냈다.
이 유량계에 대해서 산업종합연구소가 소유한 교정설비에서 표준유량계와 비교 시험을 했다. 그 결과를 그림 8에 나타냈다. 층류형 유량계의 특징인 발생하는 차압과 통과 유량 사이에 높은 선형성을 확보할 수 있다는 것을 알 수 있다.
또한 대용량의 공기를 내보내는 것이 가능한 루트 블로어에 밸브, 사일렌서, 층류형 대용량 유량계(QFS)와 오리피스 유량계의 순으로 설치하고, 루트 블로어에 의해 생기는 맥동류에 대해 층류형 대용량 유량계와 오리피스 유량계 각각에서 그림 9에 나타낸 기기 구성에 의해 유량 계측을 실시했다.
대용량 층류형 유량계의 유량값은 내장된 나가노(長野)계기제 차압 센서(KL17)에서 출력 신호를 이용해 연산 처리해 산출했다. 블로어의 동작에 의해 공기는 압축되기 때문에 측정 시의 공기 온도는 55℃까지 상승하므로 체적 유량을 산출할 때는 적절한 온도 보정을 했다.
산업종합연구소에서 유량 교정 시에는 약 22℃의 공기로 확인했기 때문에 해당 시험에서는 상당한 온도차가 발생했다. 큰 온도 변화가 발생하면 공기의 점성계수와 밀도 변화를 무시할 수 없게 된다. 층류형 유량계는 그 측정 원리로부터 점성계수와 밀도의 영향을 크게 받는다. 공기의 물성값은 이미 알고 있지만, 층류형 유량계의 층류 엘리먼트가 열변형 등을 일으킨 경우에는 그 유량 특성이 큰 영향을 받는 것을 생각할 수 있다. 그림 10에 블로어의 회전수를 바꾼 경우의 온도 보정을 실시한 실험 결과를 나타냈다. 그 결과, 맥동류에서도 두 유량계에 의한 계측 결과가 거의 일치한다는 것을 확인했다.
CFD 해석을 이용한 장해물 유무에 따른 카르만 소용돌이 주파수
일반적으로 유량계를 설치하는 경우에는 전후 직관 길이를 충분히 확보하는 등 여러 가지 조건이 규정되어 있다. 그러나 실제 현장에서는 배관 내에 장해물이 혼입되는 사례도 있다. 따라서 이하에서는 최근에 추진되고 있는 배관 내 장해물 등에 의한 와류식 유량계의 측정 정도에 대해 CFD 해석을 이용해 카르만 소용돌이의 주파수 비교로부터 검증을 진행하고 있는 사례를 소개한다.
와류식 유량계란 배관 속에 설치한 기둥의 뒤쪽에 생기는 카르만 소용돌이의 주파수로부터 배관을 통과하는 유량을 구하는 것이다. 여기서는 카르만 소용돌이를 발생시키는 기둥의 앞쪽에 장해물을 설치하고 장해물의 존재에 의해 소용돌이 발생 주파수에 미치는 영향을 조사한다.
이번에 장해물은 얇은 판 모양의 강체를 조합해 작성한 것으로 하고, 실제 쓰레기를 본뜬 듯한 형태로 A, B의 두 패턴을 준비했다. 또한 관로 내의 시험 압력 차이, 즉 레이놀즈 수 의존성을 검증하기 위해 카르만 소용돌이의 주파수 변화를 조사했다. 구체적으로는 각각의 장해물 패턴에서 0.5MPa와 대기압의 두 가지로 시뮬레이션을 실시했다.
사용하는 소프트웨어는 scFLOW(ver.14.1)로 하고 시뮬레이션 조건을 표 1에, 모델 구축에 관한 치수를 표 2에 각각 나타냈다.
작성한 3D 모델을 그림 11(장해물 없는 유로)에, 쓰레기를 본뜬 장해물을 그림 12(장해물 있는 패턴 A), 그림 13(장해물 있는 패턴 B)에 나타냈다.
1. 수치실험 결과
유속 20m/s에서 0.5MPa와 대기압의 두 패턴으로 시뮬레이션을 실시했다. 그림 14～16은 20m/s의 배관 내 유속으로, 이것에 나타냈듯이 기둥 뒤쪽에 주기적으로 운동하는 카르만 소용돌이가 생기는 것을 확인할 수 있었다. 동 실험에서는 소용돌이의 파형이 동일한 형상이 되는 시간을 기록해 가면서 사이클 10회의 평균을 취해 주파수를 구한다.
시뮬레이션 결과를 정리해 압력 0.5MPa(게이지압)일 때의 1사이클당 시간과 주파수를 표 3과 같이 나타냈다.
이 표 3으로부터 실제 형태를 본뜬 장해물을 배치하면 주파수가 증가하고 속동이 생기는 것을 알 수 있었다. 주파수의 증가는 판자의 매수가 많을수록 커지고, 이것은 장해물에 의해 배관을 통과하는 기체가 좁혀져서 장해물이 없는 경우에 비해 흐르는 기체에 유속차가 생기는 것이 원인은 아닐까 생각된다.
이상으로 배관 내에 장해물을 설치하면 배관 내를 흐르는 기체에 유속차가 생겨 발생하는 카르만 소용돌이의 주파수에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 그러나 이번 시뮬레이션에서는 장해물을 강체로 다루고 있는데, 실제 쓰레기는 가지 등의 부드러운 소재로 기체가 흐르면 변형이나 진동할 것으로 예상된다. 따라서 이번 시뮬레이션과 실제 현상은 다른 점도 많이 있다고 생각하지만, 장해물을 통과한 기체의 흐름은 그 위치에 따라 유속의 차이가 생겨 측정부인 소용돌이 발생체에서 카르만 소용돌이의 주파수에 영향을 주는 것은 틀림없다고 할 수 있다.
맺음말
이 글에서는 유량 계측이 다른 산업 영역에서 그 중요성이 재인식되고 있다는 것을 지적하고 있다. 예를 들어 ISO/TC131에서 취급하고 있는 공기압 시스템 분야에서는 압력 응답의 속도가 공기 유량의 값에 의하기 때문에 유량 계측이 재검토되는 동시에 압축기 분야에서도 유량 계측이 중요해지고 있다.
또한 최근 유량 계측의 한 예로 펄스의 출력을 얻을 수 있는 카르만 소용돌이 유량계에 대해 실용면에서 문제가 되는 쓰레기 부착의 영향에 대해도 다루었다. 최근에는 CFD를 설계 단계에서 쉽게 이용할 수 있게 됐지만, 와류식 유량계에 쓰레기가 부착됨으로써 그것이 장해물이 되어 미세한 소용돌이를 발생시키고 주 소용돌이 발생체의 주파수를 변화시키고 있는 사례를 소개했다.
카가와 토시하루, 도쿄공업대학·공기압공학연구소
후나키 타츠야, 국립연구개발법인 산업기술종합연구소
