자기식유량계 작동원리 및 페러데이 법칙

1. 자기식 유량계의 작동 원리

가. 기본 구조

• 자기식 유량계는 전도성 유체가 흐르는 관 내부에 자기장을 생성하는 코일과, 유체에 의해 유도된 전압을 측정하는 전극으로 구성됩니다.
• 유체는 전도체 역할을 하며, 관의 양쪽에 설치된 전극이 전압 변화를 감지합니다.

나. 전자기 유도

• 유체가 자기장 내에서 이동할 때, 자기장(자기 유도 B)과 유체의 속도(v)의 상호작용으로 인해 유체 내에서 전기장이 형성됩니다.
• 이 전기장은 전도성 유체 내 전자를 움직이게 하며, 유도 전압(기전력)을 생성합니다.

다. 유도 전압 식

자기식 유량계에서 유도 전압은 다음 식으로 계산됩니다

• E=B⋅d⋅v
• E : 유도 전압 (기전력)
• B : 자기장의 세기 (Tesla, T)
• d : 유체가 흐르는 관의 직경(전극 간 거리)
• v : 유체의 평균 속도

여기서, 전압 E는 유체의 속도 v에 정비례하므로, 유도된 전압을 측정하면 유체의 속도를 알 수 있습니다.

라. 유량 계산

유량은 속도와 단면적의 곱으로 계산됩니다.

Q=v⋅A

• Q: 유량
• v: 유체 속도
• A: 관의 단면적

따라서, 유도 전압을 통해 속도 v를 구하면 유량 Q도 계산할 수 있습니다.

2. 유속 측정을 위한 유량계 내의 자기장 생성

가. 자기장 생성

 1) 자기장 생성 원리

 

• 자기식 유량계 내부에는 코일(coil)이 설치되어 있습니다.
• 이 코일에 전류를 흘리면, 전자기 원리에 의해 코일 주변에 자기장이 형성됩니다.
• Ampeˋre 법칙 : 전류가 흐르는 도선 주위에 자기장이 발생한다. 

 2) 교류 또는 펄스 전류

• 자기장을 안정적으로 생성하고, 외부 간섭(잡음)을 줄이기 위해 보통 교류(Alternating Current, AC)나 펄스 직류(Pulsed DC)를 사용합니다.
• 이렇게 하면 자기장이 지속적이면서도 제어 가능해집니다.

 3) 자기장의 방향과 크기

• 자기장은 유체가 흐르는 관에 직각 방향으로 생성됩니다.
• 자기장의 세기(BBB)는 코일에 가해지는 전류의 크기로 조절할 수 있습니다.
• 전류가 강할수록 자기장의 세기도 커지므로, 필요에 따라 자기장 강도를 제어할 수 있습니다. 

나. 유체 속도와 자기장의 관계

자기장이 만들어지면, 유체가 그 자기장을 가로질러 이동하며 다음과 같은 현상이 발생합니다:

• 유체가 움직이는 속도(v)가 빠를수록 더 큰 로렌츠 힘을 받습니다.
• 로렌츠 힘이 강하면 전자들이 더 멀리 밀려나 전압이 커집니다.

E=B⋅v⋅d

 

• E: 유도 전압
• B: 생성된 자기장의 세기
• v: 유체의 속도
• d: 전극 간 거리

다. 자기장은 무대의 배경

유체가 움직이는 환경에서 자기장은 유도 전압을 만들어내기 위해 꼭 필요한 배경 역할을 합니다.

• 자기장을 켜지 않으면, 유체가 움직여도 아무런 변화가 감지되지 않습니다.
• 자기장은 축구 경기장처럼 유체 속 전도성 입자(전자, 이온 등)들에게 특정한 경로를 강제합니다.
• 유체가 움직이면 전자들이 자기장에 반응하여 한쪽으로 몰려가고, 이로 인해 전압이 발생합니다.

3. 자기식 유량계에서의 페러데이 법칙 적용

가. 패러데이 법칙의 의미

 1) 자기선속 변화가 기전력을 생성한다.

• 자기장이 강해지거나 약해지는 등 시간에 따라 변하면, 전도체에 전압이 유도됩니다.
• 자기장의 세기, 면적, 각도 중 하나라도 변화하면 자기 선속이 변하고, 이에 따라 기전력이 발생합니다.

 2) 기전력의 크기는 자기 선속 변화율에 비례한다.

• 자기 선속 변화가 빠를수록, 유도 전압도 더 커집니다.

나. 패러데이 법칙의 예시

 1) 발전기

• 코일이 자기장 내에서 회전하면, 자기 선속이 주기적으로 변하여 교류 전압이 유도됩니다.
• 예: 수력발전, 풍력발전.

 2) 변압기

• 1차 코일에 교류 전류를 흘리면, 시간에 따라 변하는 자기장이 생성되고, 이는 2차 코일에 유도 전압을 발생시킵니다.

 3) 전기 모터와 유도기기

• 회전하는 자기장에 의해 전류가 유도되어 전동기 또는 유도 기기가 작동합니다.

 4) 자기식 유량계

• 유체가 자기장을 통과하며 운동하면, 패러데이 법칙에 따라 유체 내부에서 유도 전압이 발생합니다. 이를 통해 유량을 측정합니다.