Fig. 6은 개선된 계측 방법의 구성도이다. 초음파 발신, 수신 회로에서 12 V, 2 MHz의 음파를 발진 시키고 발진된 초음파는 마주보고 있는 초음파 센서에 전달된다. 초음파 센서에서 수신된 진동 신호는 초음파센서에 의해 전압으로 수신되는데 그 크기가 수십 mV로 작기 때문에 증폭회로에서 약 2-3 V로 증폭시킨다. 증폭된 초음파 신호는 Fig. 7의 상부 파형과 같이 사인파(Sine Wave) 형태이다. 사인파 형태로 수신된 초음파 신호는 시간을 계측하기 위하여 구형파(Square Wave) 형태로 변환하는데 이 과정에서 사인파의 0 V를 기준으로 구형파로 변환한다. Fig. 7의 하부 파형이 제로크로싱(Zero Crossing)에 의해 변환된 구형파를 나타내고 있다. 기존 계측 방법은 구형파로의 변환 과정에서 수신된 신호의 진위 여부를 판단하기 위하여 1.5-2 V 이상의 전압 신호만 정상 파형으로 판단하여 계측에 활용한다. 기준 전압 이하의 신호는 노이즈로 간주하고 필터링하기 때문에 일정 전압 이하로 진폭 감쇄가 발생하면 계측된 신호를 모두 노이즈로 간주하기 때문에 계측 에러(Error)가 발생하게 된다. 하지만 개선된 계측 방법은 진폭이 수십 mV로 수신되더라도 동일한 구형파를 생성 시킬 수 있기 때문에 버블에 의한 계측 오류를 감소시킬 수 있다.

Fig. 6 
Zero-crossing block diagram of ultra sonic flow measurement

Fig. 7 
Ultrasonic waveform zero crossing method

개선된 계측 방법에서는 노이즈성 신호 여부를 판단하기 위해 주파수 비교 방법을 적용하였다. 변환기에서 초음파 센서로 2MHz의 진동을 발진 시키고 초음파 센서 또한 2 MHz의 고유 진동수를 갖는 센서를 사용하기 때문에 수신된 신호가 2 MHz의 주파수를 띠고 있어야만 한다. 따라서 구형파 형태로 변환된 신호의 주파수를 계측하여 그 신호의 주파수가 2 MHz의 특정 오차 범위 이내에 계측된다면 그 신호를 활용하여 음파 도달 시간차를 계측할 수 있게 된다.⁹

그리고 계측 유량의 정확성을 증가시키기 위해 Fig. 7과 같이 유량계측을 위한 시간차 측정 및 노이즈 판단을 위한 주파수 측정을 A (Positive Edge), B (Falling Edge) 부분에 대한 측정의 평균치로 활용한다. 또한 A, B 부분의 각각 4점 측정하여 연속적으로 3주기의 신호가 모두 정상 범위 이내의 주파수가 측정되어야만 정상 신호로 인식하고 유량 연산에 활용한다.

개선된 계측 방식으로 유체가 정지되어 있는 상태에서 계측 성능을 실험하였다. Figs. 8부터 10은 배관 내부에 함유되어 있는 버블의 함유량에 따른 초음파 파형 및 정지 상태 유량계측값에 대한 결과이다. 실험 방법은 개선 개발된 초음파 유량계 배관체 내부에 과산화수소(30%)를 주입하고 시간에 따라 과산화수소에서 발생되는 버블에 의한 정지 상태의 유량 값과 진폭의 변화를 측정하였다. 과산화수소의 산소 분자가 시간이 지남에 따라 결합하여 버블로 변화한다. 시간이 지나면 지날수록 산소의 양이 증가하여 배관내의 버블 양이 증가함을 알 수 있다. 버블이 증가하면 할수록 진폭은 감소하였으며 진폭이 2 V 이하로 감소하여도 개선된 계측 방법은 정지 유량을 정상적으로 계측하였다. 단, 버블 양이 증가할수록 정지 유량(0 mL/min) 계측값이 최대 ±3 mL/min 범위 이내에서 변화하는 결과를 얻었다. 이는 Zero Crossing 과정에서 발생되는 미세한 주파수의 변화 때문으로 판단 된다. 그러나 정지 유량의 Offset 값은 허용 계측 오차 범위(Full Scale 1%)에 비하면 무시할 수 있는 값으로 반도체 제조 공정에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.

Fig. 8 
The amount of bubbles in the tube over time

Fig. 9 
Waveform changes according to bubble amount

Fig. 10 
Result graph of wave sensitivity and flow rate

개선된 계측 방법을 적용한 유량계의 유체 흐름 시 마이크로버블 유입에 따른 계측 성능 개선 여부를 확인하기 위하여 국내 반도체 제조 설비사(S사)와 마이크로버블 제너레이터 개발 연구원(K연구원), 일본 유량계 제조사(T사)와 함께 공동 실험을 진행하였다. K연구원은 마이크로버블 발생기와 버블 카운터를 제작하여 마이크로버블 유입 실험을 진행할 수 있는 평가 장비를 제작 하였고, T사는 기존 방식의 유량계 시료를 제공하여 개선된 방식의 유량계와 비교 실험을 진행하였으며, S사는 참관 하에 실험을 진행하였다.

Fig. 11은 마이크로버블 유입 실험 장치로 마이크로버블 발생기에서 발생된 마이크로버블은 버블카운터를 통과하여 버블의 크기와 개수를 카운팅 한다. 마이크로버블이 유입되어 있는 유체는 배관을 통하여 유량계 검출부에 전달 되고 유량계는 버블이 유입되고 있는 상태에서 유량을 계측하는 실험을 진행하였다. 유량계로 공급되는 유량은 약 800 mL/min으로 설정하여 공급하였다. Table 1은 마이크로버블 발생기에 공급된 에어(Air)의 량에 따른 마이크로 버블의 개수를 정리한 것이며, Fig. 12는 발생된 마이크로 버블의 에어 공급 량에 따른 버블 사이즈 별 개수를 카운팅(Counting)한 결과이다. 실험 결과 Table 2에서 볼 수 있듯이 기존 방식의 유량계 대비 개선된 유량계에서 버블 유입에도 정상 계측 되는 시간이 긴 것을 알 수 있다. 개선된 계측 방법을 적용한 유량계의 경우 100 cc 에어 공급 시에 가장 짧은 정상 계측 시간을 볼 수 있었는데 이는 Table 1, Fig. 12에서 볼 수 있듯 공급된 마이크로 버블의 양이 에어 량 100 cc일 때가 가장 많았기 때문이다. 본 실험에서 사용된 버블카운터는 마이크로버블의 수를 250 μm 미만의 크기만 계측하였다. 마이크로버블 발생기에 공급된 에어의 량이 100 cc일 때 두 유량계 모두 약 25초까지 정상 계측 후 계측 에러가 발생하였으며, 200 cc에어 공급 시에는 약 2배 이상, 300 cc 에어 공급 시에는 약 30% 이상 길게 개선된 유량계가 정상 계측 됨을 알 수 있었다.

Fig. 11 
Micro-bubble experiment system

Fig. 12 
Number of bubble for different bubble size according to the amount of air volume

Fig. 13은 개선된 방법을 적용한 유량계의 버블 유입 실험 시계측된 유량값으로 계측 에러 발생 전 계측 유량의 헌팅이 발생한 후 계측 에러로 인해 계측 값이 0 mL/min으로 떨어지는 것을 확인하였다. 계측 유량의 헌팅 및 에러는 Fig. 15의 적색 원으로 표현한 250 μm 이상의 큰 사이즈의 버블에 의해 발생된 것으로 판단되며 마이크로버블이 배관을 통하여 이동 중 서로 결합하여 버블의 크기가 커져 계측에 영향을 미친 것으로 판단된다. 배관 내 흐르는 버블의 모양은 Fig. 15와 같이 LED등을 활용하여 확인하였다. Fig. 14는 100 cc의 에어 공급에 의한 마이크로 버블 유입 시 파형의 변화를 나타낸 것으로 버블 유입 시간이 증가하면 할수록 파형의 형태 변화 또한 증가하였다. 이 또한 마이크로버블이 서로 결합하여 그 크기가 커지므로 발생된 것으로 보인다. 비교 실험 시료 관련 유량계측 데이터(Data)는 T 사 기업 비밀로 공개되지 않아 본 논문에는 첨부하지 못하였다.

Fig. 13 
Flow rate for maximum measuring time by the different supplied micro-bubble air volume (cc)

Fig. 14 
An example of waveform changing steps due to the micro-bubble inflow until the error signal happen

Fig. 15 
Micro-bubbles mixed with a large size of bubbles in flow-meter tube