유체의 속도 분포를 고려한 전자기 유량계의 여자 코일 시스템 성능 개선에 관한 연구 :A Study on the Design of Excitation Coil System of Electromagnetic Flowmeter Considering Fluid Velocity Distribution

김경윤

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김경윤 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수: 박관수

발행연도: 2019

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

유체의 속도 분포를 고려한 전자기 유량계의 여자 코일 시스템 성능 개선에 관한 연구

김경윤 전기전자컴퓨터공학과 2019.01 학위논문

2018

3차원 유한요소법을 이용한 전자기 유량계의 자기장 분포 해석

김경윤 , 임상현 , 박관수 대한전기학회 학술대회 논문집 2018.07 학술대회자료

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현대 산업 공정에서 유량 측정은 공정 과정의 신뢰성과 안정성을 담보하는 중요한 계측 분야 중 하나이다. 하지만 유체의 특성 상 형태가 일정하지 않기 때문에 다른 계측에 비해 정확하게 측정하는 것이 매우 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 지난 수 십년간 다양한 방식의 유량계가 생산되고 있지만, 측정 방식 및 원리에 따라 측정 범위 및 정확도가 다르기 때문에 목적에 맞는 적합한 유량계의 선정이 필수적이다. 전자 부품의 발달로 인해 정확성이 향상되어온 전자기 유량계는 오늘날 발달해나가고 있는 자동화 제어 시스템 및 사물인터넷 등과 연계하기 쉽다는 이점으로 인해 연구 수요가 꾸준히 증가해나가는 추세이다. 국내에서의 연구 수요는 기타 선진국에 비해 상당히 늦게 시작되었지만 정부 및 연구기관의 꾸준한 연구 개발을 바탕으로 성장해나가고 있다. 하지만 고도의 정밀성을 요구하는 산업 공정 제어용 전자기 유량계 분야에 있어서는 여전히 국내 개발 제품보다는 오랜 세월 신뢰성을 구축해온 해외 유량계 전문 기업들의 제품을 선호하는 현실이다.
따라서 본 논문에서는 유량계 내부 자속 밀도 분포의 균일도 향상을 통한 정확성 높은 전자기 유량계 여자 코일 시스템 설계 방안에 대하여 연구를 진행하였다. 우선 상용 전자기 유량계를 연구 모델로 선정하여 기존 전자기 유량계의 내부 자속 밀도 분포에 대하여 분석하고 여자 코일 시스템을 구성하는 요소들이 전자기 유량계 내부 자속 밀도 분포에 미치는 영향을 분석하였다. 분석한 결과를 바탕으로 기존의 자기장 분포보다 더 균일한 자기장을 형성할 수 있는 여자 코일 시스템 개선 방안을 유한요소해석을 통해 먼저 제시한 다음, 실제 테스트 모델을 제작하여 측정, 비교를 통해 개선 방안의 타당성을 살펴보았다.

Flow measurement in modern industrial processes is one of the important measurement fields that ensure the reliability and stability of the process. However, since the shape of the fluid is not constant, it is very difficult to measure it accurately compared to other measurements. To solve these problems, various types of flowmeters have been produced over the past several decades. However, since the measurement range and accuracy are different according to the measurement method and principle, it is necessary to select a flowmeter suitable for the purpose. Electromagnetic flowmeter, which have been continuously improved in accuracy due to the development of electronic components, are in a trend of steadily increasing their research demand due to their ease of linking with the automation control system and the Internet of things that are developing today. Demand for research in Korea has begun considerably later than other developed countries, but it is growing on the basis of steady research and development by government and research institutes. However, in the field of electromagnetic flowmeter for industrial process control requiring high precision, it is still a reality that foreign flow meter companies that have built reliability for a long time rather than domestic developed products are preferred.
Therefore, in this paper, we have studied the design method of electromagnetic coil system with high accuracy by improving the uniformity of flux density distribution inside the flowmeter. Firstly, commercial electromagnetic flowmeter was selected as a study model and analyzed the distribution of internal magnetic flux density in the existing electromagnetic flowmeter. The effect of the elements constituting the excitation coil system on the magnetic flux density distribution inside the electromagnetic flowmeter was analyzed. Based on the results of the analysis, we propose a method of improving the excitation coil system which can form a more uniform magnetic field than the existing magnetic field distribution through the finite element analysis. Then, we demonstrated the feasibility of improvement design through the prototype actually produced.

#유한요소해석 #전자기 유량계 #여자 코일 시스템 #자기장

제 1 장. 서론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구의 개요 4
제 2 장. 전자기 유량계의 이론 6
2.1 유체의 기본 특성 6
2.2 전자기 유량계의 측정 원리 10
2.3 코일 여자 방식 15
제 3 장. 전자기 유량계의 여자 코일 시스템 및 유량계 내부 자속 밀도 분석 19
3.1 전자기 유량계의 구조 및 3차원 Modeling 19
3.2 전자기 유량계 내부 자속 밀도 분포 27
3.2.1 유한요소해석(FEM)을 통한 유량계 내부 자속 밀도 분석 27
3.2.2 Gauss Meter를 활용한 유량계 내부 자속 밀도 측정 30
제 4 장. Core 및 Yoke가 전자기 유량계 내부 자속 밀도 분포에 미치는 영향 32
4.1 Core에 의한 유량계 내부 자속 밀도 분포의 변화 32
4.2 Yoke에 의한 유량계 내부 자속 밀도 분포의 변화 34
제 5 장. 균일한 자계 형성을 위한 전자기 유량계의 여자 코일 시스템 개선 설계 37
5.1 유량계 내부 자기장의 균일도 향상을 위한 개선 설계 방안 37
5.2 최종 개선 모델 선정 및 검증 44
제 6 장. 결론 46
참고문헌 48
ABSTRACT

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