PID 제어를 이용한 유량측정 자동화 시스템 구축 및 불확도에 관한 연구 = Establishment of flow measurement automation system using PID control and a study of uncertainty

국문 초록 (Abstract)

음속노즐을 이용한 유량측정은 노즐에서 발생한 기준유량을 유량계에 주입하여 측정하는 방법이다. 이러한 방법은 일반적인 유량측정에는 문제가 없으나 특정 압력조건 하에서 측정해야 하는 유량장치나 작동압력이 높은 질량유량계(Mass Flow Controller:MFC) 측정에는 한계가 있다.
이러한 한계를 보완하고자 PID제어와 층류유량계를 이용하여 유량측정 자동화 시스템을 구축하였다. 시스템 구축에 사용된 층류유량계는 유체흐름에 비례하는 압력차의 신호로부터 유량을 측정하는 장비로 차압유량계의 한 종류이다. 흐르는 양을 측정하기 때문에 들어가는 양을 측정할 수도, 나오는 양을 측정할 수도 있어 다양한 방법이 가능하다. 또한 유량계에 의한 압력 손실이 적고, 동등한 수준의 다른 유량계에 비해 측정 결과의 반복성과 및 재현성이 뛰어나며 다양한 압력조건을 가할 수 때문에 자동화 시스템 구축에 적합하다.
본 논문에서 개발된 자동화 시스템은 유량을 측정하는 위치에 따라 대기압 방출 조건, 전.후단 차등 압력조건, 전.후단 동등 압력조건의 3가지 조건으로 유량측정이 가능하며, 이를 통해 실사용 환경을 반영한 측정결과를 산출할 수 있다. 4개의 flow control valve와 valve 각각의 PID제어를 통해 목표유량을 정밀하게 조정하며, Labview를 이용한 자동화 소프트웨어를 이용하여 측정의 효율성을 향상시켰다.
본 논문에서 개발한 유량측정 자동화 시스템을 사용하여 위치와 압력에 따라 유량 측정이 가능해졌으며, 측정시간을 단축하여 작업효율을 향상시켰다. 추후에 실제 해당유체를 사용하여 측정의 정확성을 높이고 범위가 큰 층류유량계와 밸브를 연결하여 측정의 확장성도 기대할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Flow measurement using a sonic nozzle is a method of measuring by injecting the reference flow rate generated from the nozzle into a flow meter.
Although this is the general method for measuring flows, it has obvious limitations under specific pressure conditions or a mass flow controller (MFC) having a high operating pressure.
To compensate for these limitations, an automated flow measurement system was built using PID control and a laminar flow meter. The laminar flow meter used in the system construction is a device that measures the flow rate from the signal of the pressure difference proportional to the fluid flow, and is a kind of differential pressure flow meter. Since it measures the amount flowing, it is possible to measure the amount that goes in or the amount that comes out. In addition, the pressure drop caused by the flow meter is small, the repeatability and reproducibility result is excellent compared to other flow meters of the same level, and various pressure conditions can be applied, making it suitable for an automation systems.
The automation system enables the flow rate measurement in three different ways:atmospheric pressure release condition, front and rear differential pressure condition, and front and rear equal pressure condition according to the relative positions of the device to be measured. Through this, it is possible to calculate measurement results reflecting the actual use environment. The target flow rate is precisely adjusted through the four flow control valves and PID control of each valve, and the automation software using Labview improves the efficiency of the measurement.
By using the flow measurement automation system developed in this paper, it is possible to measure the flow rate according to location and pressure, and improve the work efficiency by shortening the measurement time. In the future, it is possible to increase the accuracy of measurement by using the actual corresponding fluid, and to expand the measurement by connecting a laminar flow meter with a large range and a valve.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 유량 이론 6
• 2.1 음속노즐(Sonic nozzle) 6
• 2.1.1 음속노즐 규격 8
• 2.2 층류유량계(Laminar Flow Elements, LFE) 10
• 2.2.1 작동원리 11
• 2.2.2 유량 계산 13
• 2.2.3 설치 및 작동 고려 사항 14
• 제3장 유량측정 시스템 설계 15
• 3.1 하드웨어 구성 15
• 3.2 소프트웨어 구성 21
• 3.2.1 통신모듈 21
• 3.2.2 PID 모듈 22
• 3.3 교정방법 및 세부교정절차 25
• 3.4 측정불확도 산출 26
• 3.4.1 수학적 모델링 26
• 3.4.2 불확도 요인 27
• 3.4.3 불확도 총괄표 30
• 3.5 시스템 적합성 검증 31
• 3.5.1 적합성 평가방법 31
• 3.5.2 적합성 평가결과 32
• 제4장 실험결과 및 고찰 34
• 4.1 시스템 생산성 34
• 4.2 시스템 재현성 37
• 4.3 시스템 다양성 40
• 제5장 결론 49
• 참고문헌 51