1. 측정 원리
MagneW™ 전자기 유량계는 패러데이의 전자기 유도 법칙을 측정 원리로 했습니다. 패러데이의 전자 유도의 법칙은 「자기장 내에서 도선이 움직이면 그 물체 내에 기전력이 생긴다」는 것입니다.
이를 전자기식 유량계의 측정 원리에 적용하는 경우, 전도성 물체 대신 전도성 유체를 고려하여,발생한 기전력을 외부로 꺼내기 위해 전극을 설치합니다.
그림 1의 경우, 평균 유속 v(m/s)와 기전력 es(V)의 관계는 다음과 같습니다.
가 되어, 유량 Q(m3/s)에 비례한 기전력 es(V)를 얻을 수 있습니다.
기본식인 (1)식은 이론상에서 유도되는 식으로, 이것에는 아래의 조건이 필요합니다.
- 자기장 B, 양 전극 축, 파이프 축은 서로 직교한다.
- 유체는 전기적으로 질이 균일하다.
- 유체는 비압축성이다.
- 모든 물리량은 Z 방향으로는 균일하다고 가정합니다. 자기장은 관축 방향으로 무한한 길이에 걸쳐 존재합니다.
- 파이프의 내벽은 절연물이며, 여기서의 유속은 0입니다.
- 흐름은 중심 대상이며 반경 r만 함수입니다.
- 자기장은 균일하고 그 크기는 일정합니다.
2. 유량과 기전력
유체의 흐름과 이에 의해 발생하는 기전력의 관계를 유로의 단면에 대해 관찰합니다.
그림 2는 유로 단면의 점 P에만 유체의 이동이 있는 경우의 기전력과 전류의 관계를 나타내고 있습니다. 이 경우와 같이 점 P에만 유체의 이동이 있으면, 이 점에는 '플레밍의 오른손의 법칙'에 따라 자속 밀도 B, 유속 V에 비례한 기전력 E가 발생합니다. 이 기전력 E는 전도성 유체를 전달하고 전극 a, b에 의해 감지됩니다. 이것은 점 P만을 보았을 경우입니다만, 유체가 유로를 흐르고 있는 경우의 각 점에 발생하는 기전력은 동일한 크기라도 전극에 의해 검출될 때에는 가중치 W가 달라 그림3에 표시된 것과 같은 관계가 됩니다. 1 측정 원리의 항에서 언급한 조건 하에서는 관 중심에서 일정한 거리 γ에서의 가중 계수를 평균내면, γ에는 무관하고 일정하며 W=1.0이 됩니다. 이와 같이 흐름이 관축에 대해 대칭이면, 유체의 점도, 밀도, 온도, 유속 분포, 전기 전도도에는 관계 없이, (1)식과 같이 유속 즉 유량을 측정할 수 있습니다.
3. 여자 방식
전자 유량계의 여자 방식의 경우, 70년대에는 직류 여자 방식과 교류 여자 방식이 있었는데, 당시 공업용 전자 유량계는 거의 교류 여자 방식이었습니다. 교류 여자 방식은 일반적으로 제로점의 안정성이 부족하고, 직각 위상 잡음의 영향을 받기 쉽고, 전원 잡음의 영향을 받기 쉬운 등의 단점이 있었습니다. MagneW™ 전자기 유량계에서는 이러한 단점을 없애고자 세계 최초로 구형파 여자 방식을 채용했습니다.
矩形波励磁方式は図4 に示すように、定電流回路よりの定電流をパルス発生回路よりの指令パルスによりスイッチングして正負の定電流を励磁コイルに流しています。
이 펄스 발생 회로에서 보내는 지령 펄스는 전원 주파수와 동기화되어 있으므로 전력 공급 노이즈의 영향을 덜 받습니다.
여자 전류는 그림 5와 같이 여자 코일의 시정수에 의해 스위칭 시에 지연을 동반된 후에 정전류가 됩니다.
자기장은 여자 전류에 비례하므로 여자 전류와 유사한 직사각형 모양입니다.
기전력은 자기장의 강도와 평균 유속에 비례하는데, 전극과 유체와 리드선으로 구성되는 폐회로에 진교하는 자속도의 변화에 의해, 전자 유도 잡음이 유도되어 그림 5와 같은 신호가 됩니다.
이 유량 신호가 정상값에 도달한 시점에서 샘플링하므로 전자기 유도 잡음의 영향을 받지 않습니다.
정확한 정밀도를 얻기 위한 기본 조건
- 전기적으로 균일한 도전성 유체일 것: 비도전성으로는 기전력의 측정이 어렵습니다.
- 관내가 가득 채워져 있을 것 : 채워지지 않은 체적 부분이 오차가 됩니다.
- 유체는 균질할 것 : 전도율 분포가 불균일하면 접지가 불균일하여 오차가 발생합니다.
- 유체가 비자성일 것: 유체가 자성체이면 자속 밀도 분포가 변화하므로 보정이 필요합니다.