관로에서의 유량 측정

 초음파 방식을 이용한 관로(파이프)에서의 유량측정
현재 현장에서 기설치 되어 있는 각종 유량계의 점검 및 보수용 등으로 사용분야가 다양한 휴대형 도플러 및 전파 시간차 방식 초음파 유량계, 개수로용 초음파 유량계를 중심으로 유량 측정 기본 원리에 대해 알아보고자 한다.
도플러 방식과 전파 시간차 방식의 초음파 유량게의 가장 큰 공통적인 특징은 트랜스듀서(센서)가 유체에 직접 접촉하지 않고 측정할 수 있다. 배관을 절단하지 않고 트래스 듀서(센서)를 설치할 수 있으며 유체에 접촉하지 않고 유량을 측정할 수 있다는 것이다.

 전파 시간차법을 이용한 관로용 휴대형 초음파 유량계- (Transit-Time Flowmeters)
전파 시간차법은 초음파가 직접적으로 유체를 통과하는 투과파를 이용하는 방법으로 유체의 흐르는 방향의 정방향과 역방향으로 초음파를 투과(전파)시키면 일정한 거리(관경)를 각각 전파(투과)하는 시간이 유속에 따라 다르게 나타난다. 이러한 정방향과 역방향의 초음파 전파시간차를 이용하여 변환기를 거쳐 전기적인 신호로 바꾸어 평균 유속(V)을 구하며, 관(Pipe) 내면의 단면적과 곱하여 현재 유량값을 나타내거나 적산 유량값을 나타낸다.
전파시간차법의 단점으로는 투과파를 이용하므로 유체 속에 초음파를 교란시키는 입자나 기포가 많으면 측정하기 어렵다. 즉, 유체 속에 입자가 섞여 있지 않은 비교적 깨끗한 물이나 상수의 측정에 적합하다.

	* 평균유속을 V라고 하면 V = 평균 유속 K = 유량 보정 계수 D = 관로의 내경 q = 유동 방향과 전파 경로의 각도 T0 = 정지 상태인 유체 내의 초음파 전파시간 D T = T2 - T1 (전파시간차) T1 = 순방향 전파시간 T2 = 역방향 전파시간 t = 관벽, 라이닝 재료의 전파시간

                  트랜스듀서의 취부방법

Z 법의 사용경우 : 트랜스듀서 취부 공간이 협소할 때, 탁도가 높은 경우, 모르타르 라이닝의 배관, 배관이 노화되어 스케링이 심한경우, 일반적으로 트랜스듀서의 거리는 관경의 D/2이다. 관경이 작은 경우 정밀도가 낮아질 수있다.  V 법의 사용경우(표준 사용방법) : 가장 일반적인 취부 방법, Z법에 비하여 측정 오차의 감소로 좋은 정밀도를 요구할 때 사용, 취부용 Rail을 이용한다. W법의 사용경우 : 관경이 작을 경우(2인치 이하일 경우), 탁도가 높은 경우 적용이 불가하다.

                  트랜스듀서를 설치하기 적합한 위치의 예

최소한의 필요 직관부의 길이는 유체의 흐름상태로 층류로 만들어 유체 흐름의 종단면도를 예측 가능하게 하며, 또한 난류의 흐름으로 인한 오차를 최소화할 수 있다.

현재 국내에 판매되고 있는 아래와 그림과 같은 초음파 유량계는 10여종에 이르고 있으며 본사에서 취급하는 전파시간파법 휴대형 초음파 유량계(Polysonics 사의 Model DCT-7088)를 중심으로 특성을 알아보고자 한다.

 순수, 생산 공정상의 유체, 오일, 기타 균질의 유체, 일반적인 조건으로는 측정유체가 초음파의 전파가 가능하고 그 음속을 알아야 한다.

 Clamp-on형(부착법)으로 트랜스듀서(센서)가 직접적으로 유체와 접촉하지 않아 부식과 유체에 의해 트랜스듀서(센서)의 성능이 저하되지 않는다.

 Clamp-on형(부착법)은 유량계의 설치를 신속하게 할 뿐만 아니라 유지보수비용을 격감시킨다.
휴대형 초음파 유량계는 유량 측정값의 저장(data logging)혹은 기설치되어 있는 유량계의 유량 측정값의 확인을 위해 사용되고 있다.
 모델에 따라 차이는 있지만 측정배관(Pipe)은 직경 25mm~5m, 유체온도는 -40℃∼150℃, 측정유속은 ±0∼15 m/sec 이다.
측정 정밀도는 유속의 ±0.5%이다.

 마이크로 프로세서 내장, 현장에서 사용자 프로그램 입력가능, 문자와 숫자의 표시 가능한 40자 2행, LCD Disply, 현재유량, 적산유량, 유속표시, 계기 운영 상황 표시, 자가진단 기능, 신호 강도 표시가 가능하다.

 유량 측정값을 최대 65,000개 저장, Controller, DCS, PLC, 기로계 등을 위한 Isolated DS 4-20mA, Max 1000Ω 를 출력 PC 인터페이스로 RS-232 Serial Port를 제공한다.

 정방향, 역방향, 순유량 측정기능, 충전지를 내장하고 있어 연속측정시 최대 8시간(옵션:16시간) 사용이 가능하다.


      도플러법을 이용한 관로용 휴대형 초음파 유량계- (Doppler Flowmeters)

도플러법은 송시너기에서 초음파 발생시키고 액체 속의 부유입자나 기포로 산란되는 초음파(즉, 반사파)를 수신하는 방법이다. 즉 유체 속에 고체입자나 기포등을 표적으로 삼아 그 이동속도를 측정한다. 도플러법에서는 유체속에 부유하는 입자가 섞여 있는 것이 필요하므로 유체가 깨끗하면 측정이 곤란하므로 하수나 오수등 슬러리액의 측정에 적합하다.

	------------------ (1)
	------------------ (2)
	------------------ (3)
VT = 진동자 재질의 음속 qT = 진동자의 입사각 K = 유량 보정 계수 VF = 유속 Df = 도플러 주파수(발진주파수와 수신주파수의 차이) Vs = 유체의 음속 f T = 진동자의 주파수 q = 유체내 입사각 따라서 유량은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

따라서 유량은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Volumetric flow =

K = VF 와 D의 단위에 따른 상수

본사에서 취급하는 도플러법 휴대형 초음파 유량계(Polysonics 사의 Model SX-30)의 특징을 간단하게 몇가지만 설명하면 다음과 같다.

 측정 유속은 0.06 ~ 5.5m/sec, 적용가능한 배관은 직경 12mm ~ 5m이다.

 마이크로 프로세서 내장하고 있어 현장에서 사용자 프로그램 입력이 가능하다.

 문자와 숫자의 표시 가능한 40자 2행, LCD Display, 현재유량, 적산유량, 유체유속표시, 계기 운영 상황표시, 자가진단 기능, 입력 신호 강도 표시

 유량 측정값을 최대 90,000개 저장, Controller, DCS, PLC. 기록계 등을 위한 Isolated DC4-20mA, Max 1000Ω를 출력, PC 인터페이스로 RS-232 Serial Port를 제공한다.

 충전지 내장하고 최대 12시간 동작 (옵션:24시간) 가능

출철 : 세창인스트루먼트(주)