드론 연료 유량 측정 방법은?

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How to Measure Drone Fuel Flow Rate?

작성자: Yasmin Elkalish

연료 유량 측정은 가솔린 엔진 무인 항공기(UAV) 엔진을 평가하는 데 중요한 부분입니다. 이를 통해 엔지니어는 다양한 스로틀 설정에서 연료 소비를 모니터링하고 엔진 작동 조건에 따라 연료 공급이 어떻게 변화하는지 이해할 수 있습니다.

이 글에서는 연료 유량이 무엇인지 설명하고, 다양한 센서 기술을 살펴본 후, Tyto Robotics Flight Stand 60과 연료 유량 센서를 사용하여 연료 유량을 측정하는 방법을 보여드립니다.

목차

1. 연료 유량이란 무엇인가?

1.1 체적 연료 유량

1.2 질량 연료 유량

2. 연료 유량 센서의 종류

2.1 터빈 유량 센서

2.2 정량 유량 센서

2.3 통과 시간 초음파 유량 센서

2.4 열 유량 센서

3. Flight Stand 60으로 연료 유량 측정하기

3.1 하드웨어 설치

3.2 소프트웨어 설정

4. 결론

1. 연료 유량이란 무엇인가?

연료 유량은 단위 시간당 시스템을 통과하는 연료의 부피 또는 질량입니다. 엔진 연료 시스템 내에서 적절하게 측정되면 연료 소비량을 결정하는 데 사용할 수 있습니다.

1.1 체적 연료 유량:

기호 Q로 표시되는 체적 연료 유량은 단위 시간당 시스템을 통과하는 유체의 부피를 측정합니다. SI 단위는 초당 세제곱미터(m³/s)이지만, 유량은 일반적으로 분당 밀리리터(mL/min)로 표시됩니다.

체적 유량을 계산하는 간단한 방법은 드론을 비행한 다음 비행 시간과 소비된 연료의 부피를 기록하는 것입니다. 소비된 연료 부피를 경과 시간으로 나누면 해당 시간 동안의 평균 체적 유량을 얻을 수 있습니다. 이 방법은 대략적인 추정치를 얻는 데 유용하지만, 스로틀, 비행 조건 또는 엔진 부하가 변함에 따라 연료 유량의 단기적인 변화를 보여주지는 않습니다.

연료 라인을 흐르는 유량의 경우, 체적 유량은 다음과 같이 표시할 수 있습니다:

Q = A × v

여기서:

Q = 체적 유량

A = 단면적

v = 해당 면적을 가로지르는 평균 연료 속도

1.2 질량 연료 유량 

기호 ṁ로 표시되는 질량 연료 유량은 단위 시간당 특정 지점을 통과하는 연료의 질량을 측정합니다. 본질적으로 유체가 차지하는 공간을 측정하는 대신, 시스템을 통해 실제로 이동하는 "물질"의 양을 측정합니다. SI 단위는 초당 킬로그램(kg/s)이지만, 때때로 초당 그램(g/s)으로 표시되기도 합니다.

질량 유량은 연료 밀도를 고려하기 때문에 다양한 조건에서 연료 소비를 비교하는 데 특히 유용하며, 엔지니어가 연료의 부피뿐만 아니라 실제 공급된 연료의 질량을 비교할 수 있게 해줍니다.

연료의 밀도를 사용하여 체적 유량으로부터 계산할 수 있습니다:

ṁ = Q × ρ

여기서:

ṁ = 질량 유량

Q = 체적 유량

ρ = 연료 밀도

연료 효율 평가 및 비행 조건 재현에 대한 자세한 내용은 UAV 연료 소비 개선 방법에 관한 글을 읽어보세요.

2. 연료 유량 센서의 종류

연료 유량을 측정하는 방법은 여러 가지가 있으며, 각 센서 유형은 조금씩 다르게 작동합니다. 작동 방식을 알면 드론 테스트 요구 사항에 맞는 적절한 센서를 선택하는 데 도움이 됩니다. 아래에서 UAV 응용 분야에서 가장 흔히 사용되는 연료 유량 센서 중 일부를 살펴보겠습니다.

2.1 터빈 유량 센서

터빈 연료 유량 센서에는 연료가 통과할 때 회전하는 작은 로터가 포함되어 있습니다. 터빈은 유량에 비례하는 속도로 회전합니다. 자기 또는 광학 픽업이 이 회전을 감지하고 유량 수치로 변환합니다.

그림 1: 터빈 유량 센서의 개략도

터빈 센서는 가솔린과 같은 저점도 연료에 특히 적합하여 내연 기관(ICE)으로 구동되는 UAV에 좋은 선택이 됩니다. 이 센서는 넓은 유량 범위에서 좋은 반복성과 높은 측정 정확도를 제공합니다.

그러나 터빈 센서에는 움직이는 부품이 포함되어 있습니다. 연료에 이물질과 기포가 없는지 확인하고 움직이는 부품의 마모를 정기적으로 점검하십시오.

2.2 정량 유량 센서

터빈 유량 센서와 마찬가지로, 정량(PD) 유량 센서는 체적 유량을 측정합니다. 그러나 임펠러의 회전 속도를 측정하는 대신 기어 또는 피스톤과 같은 움직이는 구성 요소를 사용하여 흐르는 연료를 작고 고정된 부피로 분리합니다. 각 움직임은 미터기를 통해 알려진 양의 연료를 전달합니다. 유량은 이 과정이 시간에 따라 몇 번 반복되는지 세어 계산됩니다.

그림 2: 정량 유량 센서의 개략도

기계적 설계 덕분에 PD 센서는 낮은 유량을 측정하는 데 적합하며 높은 측정 정확도를 제공할 수 있습니다.

그러나 저점도 유체는 작은 틈새를 통해 누출될 수 있어 측정 정확도에 영향을 미칩니다. 디젤과 같이 점도가 더 높은 유체는 내부 슬립을 줄이고 정확도를 향상시킵니다.

2.3 통과 시간 초음파 유량 센서

이 초음파 센서는 연료 흐름 방향과 반대 방향으로 음파 펄스를 보냅니다. 이동 시간의 차이는 유속을 결정하고 체적 유량을 계산하는 데 사용됩니다.

그림 3: 초음파 유량 센서의 개략도

초음파 유량 센서는 연료 흐름을 방해하는 움직이는 부품이 없기 때문에 일반적으로 추가적인 압력 손실을 거의 유발하지 않습니다.

그러나 통과 시간 측정에는 연료를 통한 충분한 음향 전달이 필요합니다. 과도한 기포나 부유 물질은 신호를 산란시킬 수 있습니다.

2.4 열 유량 센서

열 센서는 가열된 감지 요소를 사용하여 통과하는 유체에 의해 얼마나 많은 열이 운반되는지 측정하여 유량을 추론하며, 이를 통해 센서가 질량 유량을 결정할 수 있습니다.

그림 4: 열 유량 센서의 개략도

초음파 센서와 마찬가지로 열 센서는 움직이는 부품이 없어 기계적 마모가 적습니다. 측정값이 연료의 열적 특성에 의존하기 때문에, 이 센서들도 측정되는 유체에 맞게 적절히 보정되어야 합니다. 또한 낮은 유량에서 좋은 감도를 제공합니다. 

그러나 오염 물질이 감지 요소에 쌓여 측정 정확도에 영향을 줄 수 있습니다. 연료 호환성도 중요한 고려 사항입니다. 많은 열 센서가 액체 연료보다는 가스용으로 설계되었기 때문입니다.

3. Flight Stand 60으로 연료 유량 측정하기

Tyto Robotics Flight Stand 60은 측정 범위가 20 ~ 800 mL/min인 인라인 터빈형 연료 유량 센서를 사용합니다. 자세한 내용은 여기의 데이터 시트를 참조하세요.

연료 유량 측정은 추력, 토크, RPM, 온도, 대기 속도와 함께 내연 기관 테스트 중에 기록될 수 있습니다.

이러한 동기화된 측정값을 통해 엔지니어는 다양한 엔진 작동 조건에서 연료 공급을 조사할 수 있습니다.

연료 유량을 측정하려면 먼저 사용 설명서를 따라 Flight Stand 60을 설정하고 ICE 엔진과 프로펠러를 장착하세요. 그런 다음 아래 단계를 따라 연료 유량 센서를 설치하고 구성하세요.

3.1 하드웨어 설치:

  1. Flight Stand 60 보조 센서 박스(SKU: FP37)에서 다음 항목을 꺼내세요:

  • 연료 유량 센서 키트:
    • 연료 유량 변환 장치
    • Jeti 연료 유량 센서 및 증폭기
    • 전선 및 나사 단자 
    • 연료 유량 센서 및 연료 탱크 지지판

  1. 연료 유량 센서 키트를 열고 지지판을 꺼내 아래 그림에 표시된 것처럼 작업대에 평평하게 놓으세요:

그림 5: 왼쪽에 6개 구멍, 오른쪽에 4개 구멍이 있는 지지판

  1. 왼쪽에 입구, 오른쪽에 출구가 오도록 연료 유량 센서를 지지판에 설치하세요. M3 나사와 잠금 너트를 사용하고, 아래에 표시된 것처럼 너트를 유량 센서와 같은 쪽에 장착하세요:

그림 6: 지지판 위의 연료 유량 센서, 왼쪽 입구, 오른쪽 출구

  1. 두 개의 M5 - 10 mm 버튼 머리 나사와 두 개의 M5 너트를 사용하여 연료 유량 변환 장치를 지지판에 장착하세요.

그림 7: 연료 유량 센서 및 연료 유량 변환 장치가 장착된 지지판

  1. 2단 나사 단자에 연결할 5 V DC 전원 출력을 준비하세요. 시판되는 모든 5 V 전원 어댑터 또는 VCC와 GND가 나사 단자의 올바른 위치에 연결된 USB 연장 코드를 사용할 수 있습니다. 나사 단자가 완전히 조여졌는지 확인하세요.

그림 8: 연료 유량 변환 장치에 연결된 5V 및 GND USB 케이블

  1. Jeti 증폭기 장치의 한쪽을 JST 흰색 헤더에, 다른 쪽의 2.54 mm 헤더를 변환 장치의 Brown - Red - Orange (BRO) 입력에 연결하세요.

그림 9: 연료 유량 변환 장치에 연결된 Jeti 증폭기 [B: Brown, R: Red, O: Orange]

  1. Green-terminal-JST-케이블(SKU: 47CG)을 통해 Jeti 유량 센서를 연료 유량 변환 장치에 연결하세요.

  2. 5 V 전원(USB 또는 전원 어댑터)을 연결하세요.

그림 10: 지지판에 연료 유량 센서 및 변환 장치가 완전히 설치되고 연결된 모습

  1. 연료 탱크를 장착할 준비가 될 때까지 연료 라인을 삽입하지 마세요.

  2. 유량 센서와 변환 장치가 조립된 지지판을 FMU 뒤쪽의 Flight Stand 60 상단 L자형 브래킷에 장착하세요. 연료 유량 변환 장치와 연료 유량 센서가 아래를 향하고 FMU 뒤쪽 지지판 위에 빈 공간이 있는지 확인하세요. 그 후에 지지판에 연료 탱크를 장착할 수 있습니다.

그림 11: 센서가 아래를 향하도록 지지판을 장착하세요 

체결 토크:

  • M6 - 30 mm 플랜지 소켓 헤드 나사 및 너트: 12 Nm

  1.  연료 유량 변환 장치를 측면의 FMU(RPM 포트)에 연결하세요.

그림 12: 연료 유량 변환 장치의 3단 JST 케이블을 FMU의 RPM 포트에 연결

  1. (선택 사항): 연료 센서 지지판 위에 연료 탱크를 장착할 수 있도록 맞춤형 지지판을 설계할 수 있습니다.

그림 13: 맞춤형 지지판(미포함) 위에 장착된 FMU 후면 연료 탱크

  1. 이제 엔진용 연료 라인을 준비할 수 있습니다. 참고: 연료 라인을 준비할 때는 스로틀을 OFF로 설정하고, 초크(CHOKE)를 닫고, 점화 장치가 꺼져 있는지 확인하십시오.

  2. 연료 탱크를 FMU 바로 뒤에 연료 탱크 및 유량 센서 지지판 위에 놓을 수 있습니다. 그림 13에서 보듯이 연료 탱크를 고정하려면 자체 고정 장치를 만들어야 합니다.

  3. 연결할 연료 라인 세 구간을 준비하십시오:

  • 연료 탱크에서 오일 필터까지
  • 오일 필터에서 연료 유량 센서까지
  • 연료 유량 센서에서 엔진의 기화기까지

  1. 연료 라인을 적절한 길이로 자른 다음, 연료 탱크로 연결되는 라인을 제외한 각 라인에 클램프 두 개를 장착하십시오.

  2.  오일 필터를 준비하고 입구와 출구 쪽을 주의 깊게 확인하십시오.

그림 14: 연료 필터 방향

  1.  연료 라인 한 구간을 오일 필터의 입구에 연결한 다음, 다른 쪽 끝을 연료 탱크에 연결하십시오. 필터의 수밀성을 유지하도록 라인을 클램프로 고정하십시오.

  2. 연료 라인 또 다른 구간을 오일 필터의 출구에 연결한 다음, 다른 쪽 끝을 연료 유량 센서의 입구에 연결하십시오. 수밀성을 유지하도록 양쪽 끝의 라인을 클램프로 고정하십시오.

  3. 마지막 연료 라인 구간을 연료 유량 센서의 출구에 연결한 다음, 다른 쪽 끝을 기화기의 오일 입구에 연결하십시오. 수밀성을 유지하도록 양쪽 끝의 라인을 클램프로 고정하십시오.

  4. 핸드 펌프를 사용하여 엔진에 연료를 공급해 엔진을 시동하십시오. 엔진은 연료 없이 시동되지 않습니다.

3.2 소프트웨어 설정:

센서는 유량을 펄스로 읽으며 하한값은 20ml/min입니다. 유량 센서 컨버터를 항상 FMU의 RPM 포트에 연결하십시오. Flight Stand DAQ 장치에도 연결할 수 있지만, 케이블 길이가 제한적이므로 권장하지 않습니다.

연료 유량 센서를 설정하려면:

  1. 센서를 연결하고 5V로 전원을 공급한 다음 Flight Stand 소프트웨어를 엽니다.

  2. Hardware 탭 -> ETS60-FMU -> Rotation speed를 찾아 오른쪽의 작은 기어 버튼을 클릭하고 divider를 1로 설정하십시오.

그림 15: 유량 센서의 divider 설정

  1.  그런 다음 아래 정보로 입력 변환 -> 새 항목으로 이동하십시오.

  • 이름: 연료 유량 센서
  • 단위 유형: 기타: ml/min

수식 입력:

  • a: ETS60-FMU - Rotation speed
  • 수식: 1.16*a
  • 시스템 제한: 0에서 0

그림 16: 유량 측정값에 대한 입력 변환

  1.  입력 변환을 저장하십시오.

  2.  Powertrain mappings -> Powertrain 1 -> Extra mapping -> Add extra input/output -> 드롭다운 메뉴에서 “Transformation - Fuel flow sensor”를 선택하십시오.

그림 17: 소프트웨어의 연료 유량 센서 추가 매핑

결론

드론의 연료 유량 측정은 연료 기반 추진 시스템을 평가하는 데 필수적인 부분입니다. 정확한 연료 소비 데이터는 엔지니어가 엔진 성능을 이해하고 UAV의 운용 지속 시간을 추정하는 데 도움이 됩니다.

추력, 토크 및 RPM 측정과 결합하면 연료 유량 데이터는 추진 성능에 대한 더 완전한 그림을 제공하여 엔지니어가 엔진 성능을 평가하고 추진 구성을 비교하는 데 도움을 줍니다.

UAV 엔진 테스트 중 연료 소비를 측정하고 싶으신가요? 동기화된 측정이 추진 테스트 프로세스를 어떻게 지원할 수 있는지 알아보려면 Tyto Robotics Flight Stand 60을 살펴보십시오.