Development of Three-ring Conductance Sensor Based on FPCB for Measuring Liquid Film Thickness under Non-isothermal Condition

Abstract

최근 원자력 안전 분야에서는 고정밀 2상 유동 실험에 대한 관심이 많아지면서 원자로 내에서 발생하는 액막 유동 또는 환형 유동과 같은 2상 유동에 대한 실험들이 진행되고 있다. 액막의 두께는 2상 유동 현상 연구에 있어 중요한 요소 중 하나이기에, 2상 유동 조건에서 액막의 두께를 측정하기 위한 기법에 대한 다양한 연구들이 진행되어 왔다. 하지만 기존의 일반적인 액막 두께 측정 방식으로는 원자력 발전소에서 주로 나타나는 2상 유동 조건에서 고정밀성을 갖춘 측정을 하기 어려웠다. 최근 전기적 기법을 인쇄회로기판(PCB) 혹은 연성회로기판(FPCB)에 적용시키고, 이를 Wire-mesh (Prasser et al., 1998) 회로와 연동하는 방법을 통해서 시간 및 공간에 대한 고정밀성을 동시에 만족시키는 측정 기법이 개발되었다. 이러한 측정 기법이 개발된 이후 다양한 유로 형상에서 2상 유동 실험이 진행되었다. 하지만, 일반적인 전기적 방법을 적용한 액막 센서는 유체의 온도에 의한 전기 전도도 변화로 열전달이 수반되는 유동 조건에서는 적용할 수 없고, 이런 제한으로 인해 매우 한정적인 조건에서만 실험이 되었다. 원자력 발전소에서 나타나는 대부분의 2상 유동현상은 열전달을 포함하고 있기 때문에 유체의 온도가 국부적으로 변하고 상변화 현상이 나타난다. 따라서 정확한 2상 유동 분석을 위해서는 변온 조건에서 실험이 진행되어야 한다. 본 연구는 3-전극 기법을 도입해서 유체의 온도가 변하는 조건에서도 액막 두께를 측정할 수 있는 액막 센서를 개발하는 것을 목표로 두었다. 이러한 목표를 위해 전기장 해석을 통해서 액막 유동 실험에 적합한 3-전극 센서의 전극을 설계하는 과정을 거쳤다. 또한 센서의 전극을 FPCB에 제작하는 방식을 통해서 고온 및 곡면의 실험 조건에도 적용할 수 있는 센서를 개발했으며, 시제품 제작을 통해서 액막 센서로서의 가능성을 확인했다. 시제품 센서에 대한 시험 결과를 기반으로 넓은 면적에서 액막 두께를 측정할 수 있도록 FPCB 센서를 확장 설계 및 제작했으며, 액막 센서를 활용한 기초적인 액막 유동 실험을 수행했다. 한편, 교정 과정을 통해서 기존의 3-전극 이론에서 제안된 전류비를 통한 온도 보상이 한정된 온도 범위에서만 가능한 것을 확인했으며, 센서의 온도 보상 범위를 확장시키기 위해 수정된 전류비 형태를 제안했다.

Liquid film thickness is an important factor in understanding the two-phase annular or film flow. Thus, a lot of researches have been conducted in order to measure the local liquid film thickness. Generally, measuring the liquid film thickness with high time and spatial resolution has been limited in two-phase flow experiments. Recently, simultaneous measurement of the local liquid film thickness with high time and spatial resolution have become possible by coupling electrical conductance method with wire-mesh circuitry [Damsohn et al., 2009]. After the development of the methodology, two-phase flow experiments have been conducted in various flow channels. But this conventional electrical methodology has limitation in applying dynamic temperature conditions since the conductivity of the liquid is affected by its temperature. Therefore, experiments with electrical methods have been limited to isothermal flow condition despite the fact that most two-phase flows in nuclear power plants involve heat transfer causing locally varying temperature conditions. For an accurate analysis, experiments should include the temperature varying conditions such as phase change. In this study, the limitation of the conventional electrical method is overcome by adopting a three-ring conductance method. The three-ring conductance method is proposed to measure the liquid film thickness in varying temperature condition with minimizing the error of temperature change. Electrode design of the three-ring conductance method is improved to make it suitable for patterning in dense area. To design and optimize the geometry of the sensor electrodes, the electrical potential field simulation is conducted with commercial code, COMSOL. The electrode design proposed in this paper has the ability to measure the liquid film thickness from 0.5 mm to 3.5 mm with a square spatial resolution of 15 mm × 15 mm. By fabricating the sensor on flexible printed circuit board (FPCB) the application of the sensor is extended to relatively high temperature and curved surface conditions. In order to analyze the liquid film flow accurately, multiple measuring points are necessary. However, a large number of sensor demands a huge data acquisition system. In this study, a parallel circuitry system which is a modified form of the wire-mesh circuitry is devised to apply on three-ring method. This parallel circuitry allows the data acquisition system to be reduced effectively. A prototype sensor is manufactured in 6×6 array and calibration procedure for the prototype sensor is conducted. The calibration result is cross-checked with needle probe and ultrasonic thickness gauge to ensure the accuracy of the calibration. After confirming the feasibility of the liquid film sensor, a preliminary liquid film flow experiment is conducted with an extended liquid film sensor that can cover wider film width than the prototype sensor. In this experiment, a signal switching device is adopted to measure the falling liquid film continuously. In addition, a modified current ratio form was proposed to extend the varying temperature range.