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과학기술 전문자료/계측 & 측정 & 실험 장비

유량 계측기기 - 초음파 유량계 (Ultrasonic Flow Meter)


유량계의 종류는 약 100여 가지로, 실제로 산업현장에 널리 사용되고 있는 것은 차압 유량계, 전자기 유량계, 용적식 유량계, 초음파 유량계 등 10여 가지이다. 그 중 초음파 유량계는 단수 없이 관 외벽에서 유량을 측정할 수 있다는 큰 장점 때문에 역사가 짧은 반면 놀라운 성장을 하고 있다. 초음파유량계는 주로 시간차 방법을 이용하고 있으며, 초음파의 발신 및 수신을 할 수 있는 2개의 초음파 진동자 및 신호처리 회로로 구성되어 있다. 시간차 방법을 이용하는 초음파 유량계는 유동방향 및 유동 역방향의 초음파 전달 시간이 다르다는 것을 이용하여 이 두 경로에서 초음파가 전달되는 시간차이를 측정하여 유량을 측정하는 원리를 이용한 것이다.




초음파 유량계 (Ultrasonic Flow Meter) 의 개요

초음파는 1900년대 초반 산업계에 도입된 이후, 초음파를 측정분야에 적용하고자 하는 노력이 많이 있었다. 이후 1955년 처음으로 초음파 유량계가 개발되어 실용화 되었다. 그후 초음파유량계는 시간차 방법, 주파수차 방법, 도플러 방법 들이 개발되어 실용화 되었으며, 정확도는 다른 정확한 유량계에 비하여 뒤떨어지는 편이지만 지금은 비접촉으로 유량을 측정 할 수 있다는 초음파유량계 특유의 장점을 살려 많이 적용되고 있는 편이다. 지금의 초음파 유량계는 1회선 뿐만 아니라 다회선 초음파 유량계까지도 개발되어 적용되고 있으며, 처음에는 주로 액체의 유량측정에만 적용되었으나, 최근에는 기체의 유량을 측정학수 있는 초음파유량계가 개발되어 약간의 문제점은 있으나 적용되고 있다.


초음파가 유량측정에 처음으로 사용된 때는 1920년 중반으로 그 이후 초음파를 이용한 유량측정기술이 점진적으로 개발되어 왔으며, 특히 1970년대 이후 전자공학 및 그에 관련된 기술이 획기적으로 발전함에 따라 산업현장에서 자주 쓰이는 유량계로써 자리를 잡게 된다. 현재 초음파 유량계를 생산하고 있는 업체는 미국의 CONTROLOTRON, POLYSONICS, PANAMETRICS, 영국의 MICRONICS, 일본의 TOKYO KEISO, FUJI, YOKOGAWA 등이 있으며 이들 회사들은 초기의 낮은 정확도를 극복하려고 많은 노력을 기울여 왔으며 최근에는 정확도를 향상시킴은 물론 두께측정기능, 도플러와 전달시간차법을 동시에 사용 가능한 기능 등을 추가시켜 2-3년 주기로 신제품이 나올 정도이다. 최근에는 전문요원이 제대로 유량계를 설치하면 전자기유량계와 같은 정확도를 발휘할 수 있어 요금고지용에까지 널리 사용되고 있다.

초음파유량계는 주로 시간차 방법을 이용하고 있으며, 초음파의 발신 및 수신을 할 수 있는 2개의 초음파 진동자 및 신호처리 회로로 구성되어 있다. 시간차 방법을 이용하는 초음파 유량계는 유동방향 및 유동 역방향의 초음파 전달 시간이 다르다는 것을 이용하여 이 두 경로에서 초음파가 전달되는 시간차이를 측정하여 유량을 측정하는 원리를 이용한 것이다.





초음파 유량계의 측정 원리

초음파 유량계의 원리는 유체중에 초음파를 전파(傳播)시켜 배관안의 유속을 측정하여 여기에 배관의 단면적을 곱하고 다시 유속분포에 대응하는 보정연산을 하여 유량을 산출한다.


초음파를 유체중으로 발사하면, 발사된 초음파는 유체중의 부유물 또는 기포에 의해 산란 반사 된다. 이때, 기포 또는 미소한 부유물을 유체속도 로서 이용하고 있다고 볼 수 있으므로, 이 산란 반 사된 초음파를 수신하면 그때의 주파수는 Doppler 효과에 의해 다음 식으로 표현된다.

fr=ft x c+v·.cosθ/c-v·.cosθ = =ft(1+ 2·v·.cosθ/c)

여기에서, ft : 송신 초음파 주파수 / fr : 수신초음파주파수 / c : 유체중의 음속
              v : 유체속도 / θ : 초음파의 전파 방향과 유체가 흐르는 방향과의 교각 
 

현재 초음파 유량계로서 실용되고 있는 것의 대 부분은 그 원리가 전파 속도 차법 및 Doppler법 이라고 부르고 있는 것으로서, 여기에서는 전파 속도차법과 도플러법, 그리고 상호상관법, 와검출법에 대하여 설명하고자 한다.




  전파 속도차법 (Time-of-Flight, Transit Time)

전파속도차법의 기본원리는 초음파가 유체를 통 과할 때, 상류에서 하류로 향할 때와 하류에서 상 류로 향할 때와는 전파 속도가 다르다. 이 두 경우 의 속도차가 유속에 비례하는 것을 이용하고 있 다. 전파 속도의 변화를 시간차로 검출하는 가, 주 파수차 또는 위상차로 검출하는 가에 따라서 전파 시간차법, 주파수차법 또는 위상차법이라 부르고 있다.



  도플러 법 (Doppler)

Doppler 법은 Doppler 효과를 이용하여 속도를 구하는 것으로서, 공업측정 분야에서 널리 이용되고 있다. 한 개의 센서를 사용하여 초음파를 발사하고 흐르는 유체에 포함된 입자에 의해 반사되는 초음파 신호를 수집하여 초음파가 발사된 경로상의 유속 분포를 예측하여 유량을 계산한다.



  상호상관법 (Cross correlation)

두 쌍의 초음파 센서를 일정한 거리를 떨어뜨려 설치하고 상하류 수신부에 검출되는 신호의 상관 관계를 계산하여 상류 신호와 일치하는 하류 신호를 검출하고 두 신호가 수신부에 수신된 시간차를 이용하여 유속을 계산한다.



  와검출법 (Vortex shedding)

흐름 안에 와 발생 장치를 설치하고, 그 후단에 한쌍의 초음파 센서를 설치하여 유속에 비례하는 와 발생 주기를 측정하여 유량을 측정한다.





초음파 유량계의 구성

초음파 유량계는 크게 Flow Computer (본체) / Ultrasonic Sensor (초음파센서) / Mounting Track (센서 지지대) / Cable (신호선) 와 같이 4가지로 구성된다.


본체는 초음파 센서에 Pulse 신호를 송·수신하여 그 시간차를 계산하여 유속을 측정하며, 유속에 따라 Profile(유속분포)을 보상하기도 하고, 입·출력 등 거의 모든 계산 및 작업을 수행하는 일종의 컴퓨터이다. 초음파 센서는 본체에서 Pulse 신호를 받아 초음파를 생성시키거나 초음파 Beam을 받아 전기적인 신호로 변환하는 장치로 정확도를 결정하는 중요한 요소이다. 센서 지지대는 센서를 파이프 외벽에 고정시키는 장치이다. 센서 지지대는 각 회사와 유량계 형식에 따라 다른데 주로 눈금자가 부착되어 있어 파이프 외경에 따라 거리를 맞추도록 되어 있다. Wide Beam을 채택하는 유량계는 초음파 Beam이 넓게 퍼지므로 센서 지지대에 구멍이 뚫려 있어 Pin을 꽂는 Pin Stop 방식을 채택함으로써 센서 설치를 쉽게하며 설치 오차를 최소화하였다.





초음파 유량계의 일반적인 성능

 
초음파 유량계의 성능은 각 형식에 따라 약간 다르지만 일반적으로 다음과 같다.

① 정확도 : 1 - 2 %
② 유속 측정범위 : -10 - 10 m/s
③ 최소 유속 : 0.01 - 0.1 m/s
④ 유속보정 : 유속의 Reynolds 수에 따라 보정
⑤ 측정 Pipe Size : 10 - 9,000 mm
⑥ 측정유체 : 원수, 정수, 하수, 폐수, 해수, 화학약품 등
⑦ 측정온도 : -60 ℃ - 250 ℃
⑧ 출력 : 4 - 20 mA, 적산 Pulse, 0 - 10 VDC, RS - 232C 등
⑨ 측정 Pipe 두께 : 0.1 - 75 mm
⑩ 기포 함유량 측정기능





초음파 유량계의 장단점


  초음파 유량계 (Ultrasonic Flow Meter) 의 장점

① 오차는 ±2% 정도이고, 설치가 용이하다.
② 비접촉시이므로 광범위하게 사용할 수 있다.
③ Pipe size에 관계없이 설치가 가능하다.
④ 대형관로 (1,000 mm 이상)에서 주로 사용하고, 압력손실이 없다.



  초음파 유량계 (Ultrasonic Flow Meter) 의 단점

① 만수가 되어야 하고, 유체에 따라 선정에 주의해야 한다.
② 유체에 입자나 거품이 있어야 한다.
③ 직선배관이 필요하다. (상류측 : 10 ~ 20D, 하류측 : 5D)
④ 유속이 빨라야한다. (0.75 ~ 1.8 m/s)
⑤ 설치 시 세심한 주의가 필요하다.





정확한 측정을 위한 초음파유량계 설치 시 고려사항

유량계를 사용하여 정밀한 측정 작업을 수행하려면 작업 환경에 대한 이해와 적절한 설치작업이 필요하게 된다. 유체 Profile의 부정형, 유체의 성층화, 기포, Cavitation, 직관부의 길이 등은 모두 중요한 환경 요소들이다. 이런 요소들은 모든 유량계에 적용되며 이런 조건들은 원전, Custody Transfer, Tenant Billing Situation에서의 활용인 경우 더욱 중요도가 커지게 된다.


측정 작업에서 극도의 정밀도를 요구한다면 단순히 유량계를 설치하는 이상의 주의를 기울여야 한다. 최상의 데이터를 얻기 위해서는 파이프에 대한 세심한 주의가 필요하고 센서를 적절하게 설치해야만 한다.



  유체

유량계를 사용하여 정밀한 측정 작업을 수행하려면 작업 환경에 대한 이해와 적절한 설치작업이 필요하게 된다. 유체 Profile의 부정형, 유체의 성층화, 기포, Cavitation, 직관부의 길이 등은 모두 중요한 환경 요소들이다. 이런 요소들은 모든 유량계에 적용되며 이런 조건들은 원전, Custody Transfer, Tenant Billing Situation에서의 활용인 경우 더욱 중요도가 커지게 된다.

측정 작업에서 극도의 정밀도를 요구한다면 단순히 유량계를 설치하는 것 이상의 주의를 기울여야 한다. 최상의 데이터를 얻기 위해서는 파이프에 대한 세심한 주의가 필요하고 센서를 적절하게 설치해야만 한다.



  파이프

초음파 유량계는 음파전도성을 가진 모든 파이프에 활용할 수 있다. 재료로는 금속, 플라스틱, 유리, FRP 등이다. Carbon이나 Stainless Steel 등 세밀한 입자 구조를 가진 금속은 주철, Ductile Iron, Copper Based Iron 등보다 더 음파 전도성이 좋다. 하지만 후자도 별 상관은 없다. 콘크리트나 불 균일 재료로 된 파이프는 측정이 불가능하다.

파이프 라이너가 있는 경우, 라이너가 음파 전도성이 있고 파이프 내면에 단단하게 붙어 있으면 문제가 되지 않는다. 공기방울을 없애기 위해 파이프 내부에 "spin"된 시멘트는 측정에 훌륭한 라이너이고, 부드럽게 부착된 아스팔트(bituminous)와 에폭시 코팅도 훌륭하다. 플라스틱 라이너도 파이프 내부에 완전하게 부착되어 있으면 괜찮다.



  파이프 치수

구입한 센서나 마운팅 트랙에 따라 10 mm에서 9,000 mm까지 파이프의 유량측정이 가능하다. 파이프 외경 대 두께의 비율이 10 대 1 이상인 경우 이상적인 조건이 된다. 외경대 파이프의 두께가 7 대 1인 경우에도 계측작업을 할 수 있으나 안정성이나 직선성이 떨어지게 된다. 이 비율이 클수록 높은 안정성을 보여 준다. 만약 파이프가 낮은 외경 : 두께 비율을 가지고 있을 때에는 권장 센서 사이즈 중 작은 것을 선택하도록 한다.



  Reflect 및 Direct 설치

Reflect Mounting은 설치의 간편성과 높은 정확도, 굽은 흐름의 유체조건「교차류(crossflow)를 초래할 수 있음」에서 더 나은 저항성을 보여주므로선호된다. 부가적으로 파이프의 반대편에 접근이 용이하지 않은 경우에서 이런 설치가 필요한 경우도 있다. 주의할 것은 Reflect Mounting인 경우 Direct Mounting 보다 두배 정도의 곧은 파이프의 길이가 필요하다는 점이다.

Direct Mounting에 의해 제공되는 짧은 음파 빔 경로가 보통의 경우 음파 감쇄성이 있는 유체에서 측정능력을 향상시킨다. 또한 파이프의 곧은 길이가 짧아서 Reflect Mounting Track을 설치하지 못할 경우에도 Direct Mounting을 사용해야 한다.





초음파 유량계 센서 위치 선정시 주의사항

초음파 유량계를 설치할 때에는 다음 사항들을 염두에 두고 센서의 위치를 선택해야 한다. 일단, 고온작업 시에는 일반적인 초음파 센서의 작업온도는 120℃ 정도이고 고온 초음파 센서는 250 ℃까지 사용 가능하다. 고온인 경우 온도에 맞게 센서 및 커플런트를 사용하여야 하며 본체와 거리를 멀리 띄워야 한다.


① 최적의 유체 흐름을 얻기 위해서는 파이프의 가장 긴 곧은 부위의 중간에서 아래쪽에
    설치하도록 한다. 상류측 직관거리 10D, 하류측 5D 이상 확보할 것
② 가능하면 다음의 뒤쪽에 센서를 설치하지 말 것.
    - 트로틀링 밸브나 다른 캐비테이션의 원인이 될 수 있는 곳.
    - 혼합 탱크 또는 기포를 발생시킬 가능성이 있는 곳.
③ 가능하면 파이프의 유체 흐름이 중지 되었을 때 관이 비는 곳에 센서 를 설치하지 말 것.
    그것이 불가피할 경우는 관이 완전히 찰 때까지 측정 작업을 하지 못함에 유의 할 것.
    또한 흐름은 파이프에서 공기가 완전히 빠져나갈 정도로 계속 흘려야 함.
④ 내부 스케일이 있는 곳에 설치하지 말 것. 외부 스케일은 제거해야 한다.
⑤ 센서는 심(Seam)이 Direct Mounting Track들 사이에 오도록 하고,
    또한 Reflect Mounting Track 반대편에 오지 않도록 한다.
⑥ 하나의 파이프에 직렬로 다른 센서 세트를 장착하지 않도록 한다.
⑦ 센서 케이블을 다른 통신 장비나 다른 Uniflow 시스템의 케이블과 함께 묶지말 것.
⑧ 특별히 주문한 방수 센서가 아닌 이상 센서를 물 속에 설치하지 말 것.
⑨ 센서를 파이프에 설치할 때에는 권장하는 커플런트를 사용하도록 할 것.




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