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Monthly Magazine of Automatic Control Instrumentation

연재 매스플로우 천일야화(68)

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작성자 댓글 0건 조회 1,212회 작성일 21-06-09 10:43

본문

그림 1.

  

서론

이번 회에는 매스플로우 컨트롤러(이하 MFC)의 응답성 정의에 관하여 이야기하도록 한다. MFC의 응답성에 관해서는 “SEMI Standard E17 Guide for Mass Flow Controller Transient Characteristics Tests(매스플로우 컨트롤러의 과도 특성 테스트 가이드)”에서의 정의를 기반으로 한다.(그림 1) 알기 쉽도록 그림으로 표현할 생각인데, 스텝 응답 시간(Step Response Time)과 정정 시간(Settling Time)의 정의를 확인하였으면 한다. 이것은 응답성에 한정된 내용은 아니며 사용자는 무엇을 가지고 그 요구 사양에 대한 합격 여부를 판단하고 싶은지를 고려하고 이에 대하여 제조사는 어떠한 근거로 이 스펙을 정의하였는가 하는 근본을 확실히 해두는 것이 중요하다. 필자의 경험으로는 제조사의 정의와 사용자의 요구 사항이 완전히 달라져 버리는 사례가 의외로 많다. 이러한 경우에 평가 시험이라는 의견 조정과 검증의 장이 필요하지만, 이론만 내세우고 전제를 확인하지 않은 단순하게 만연된 평가 시험으로는 올바른 결론을 이끌지 못하는 경우가 많다.


응답성이라고 하는 스펙은 매스플로우 미터(이하 MFM)MFC에서는 다른 성질이 있다.(그림 2) 매스플로우(MFCMFM의 총칭)라고 묶이는 제품에서도 그 유량을 측정하는 기기인지, 측정한 결과를 이용하여 유량을 제어하는 기기인지에 따라 그 목적이 다르며 응답성을 구성하는 요소도 달라진다는 점을 이해해주셨으면 한다.

원래 열 유량계인 매스플로우의 유량 센서는 유량을 직접 측정하는 것은 아니다. 어디까지나 열의 이동을 측정하여 이것을 유량값으로 변환한 것이다. 응답성을 논의하는 유량 측정 대상 대부분이 기체라는 점을 고려하면 이 열 이동이라는 것은 그렇게 빠른 현상은 아니다. 유량 센서의 생출력은 매우 느리다고 할 수 있다. 또한 원래 응답성이 유량계인 MFM에서는 거의 필요가 없는 것이다. 유량계는 얼마나 정확하게 유량을 측정할 수 있을까 하는 것이 본의이다.

응답 성능을 요구하는 것은 그 유량 신호를 이용하여 어떤 제어를 할 목적이 있는 경우뿐이며 이 경우에는 유량계 단독이 아니라 유량 제어 시스템에 대한 응답성을 요구하는 것이기 때문이다. “질량 유량 제어기MFC는 유량 제어 밸브를 내장하여 그 시스템을 단독으로 구성하는 특이한 구성을 이루고 있다. 그러므로 스펙에서 응답성을 강조하여 카탈로그에서도 고속응답성이 어필되는 것을 보게 될 것이다.


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그림 2.
 


 

액추에이터

MFC가 보급된 당초에는 응답성 6초 정도의 제품이 존재했었지만 현재는 일부 저렴한 제품을 제외하고 대부분의 MFC에서 응답성 1초에서 끊는 경향이 있다. 1990년대에 MFC에서의 고속 응답을 경쟁하는 시절이 있었다. 당시에는 피에조 소자(압전 소자)에서 고속 응답이라는 분위기가 업계에 퍼져 있었다. 그러나 <그림 2>에 일목요연하게 정리된 MFC의 유량 제어 차트를 보면 밸브를 구동하는 액추에이터의 응답 속도를 빠르게 높여도 이것이 영향을 주는 것은 화살표 점선 부분뿐이다.

유량 제어의 근본이 되는 센서로부터의 출력이 느리다면 당연히 화제가 되지 않을 것이다. <그림 3>MFC의 제어 흐름을 도시한 것이다. 유량 신호(PV)로서 출력된 신호는 제어 회로에 있는 조정계(PID 제어 회로 등)에서 외부로부터의 유량 설정 신호(SV)와 비교 및 판단되고 SV=PV가 되도록 밸브 조작량(MV)이 결정되고서야 비로소 액추에이터를 향하여 지시가 이루어진다. 액추에이터가 동작하기 시작하는 것은 그 후의 이야기이다.


..(후략)




黒田 誠 / EZ-Japan

본 기사는 2021년 6월호에 게재되었습니다.  

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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