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기획특집 <특집: 최신 초음파 유량계와 그 응용> 최신 천연가스·기체 측정용 초음파 유량계

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작성자 댓글 0건 조회 2,318회 작성일 21-10-06 12:24

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사진 1. 초음파 유량계 라인업 


서론

엔드레스하우저에서는 전자 유량계, 코리올리 질량 유량계, 와류 유량계, 초음파 유량계, 열식 질량 유량계와 많은 측정 원리에 따른 유량계를 자체 개발 및 생산하고 있다. 2017년에는 차세대 플랫폼이 될 유선 LAN, 무선 LAN을 내장하고 고도의 진단 기능을 가진 Proline 300/500 시리즈 판매를 시작하였다. 여기에서는 이 차세대 플랫폼을 사용한 최신 초음파 유량계 관하여 소개하도록 한다.


초음파 유량계 라인업

엔드레스하우저에서는 1998년에 최초의 초음파 유량계 판매를 시작한 이후 20년 동안 항상 새로운 제품을 개발하여 다양한 산업 분야에 기여해왔다. 초음파 유량계의 최대 장점인 비침습으로 측정할 수 있는 클램프온 타입으로 방폭을 지원하는 상설용(Prosonic Flow 93P)과 전지로 구동하는 일시적인 측정용의 포터블 타입(Prosonic Flow 93T)을 출시했다. 또한 물 등을 높은 가성비로 측정할 수 있는 타입(Prosonic Flow 91W)도 갖추었다.  배관과 하나가 된 인라인 타입에서는 액체용으로 2선식 Prosonic Flow 92F, 기체 측정용으로는 바이오 가스 전용으로 2선식 Prosonic Flow B200이 있다. (사진 1) 이렇게 많은 라인업을 갖추고 있는 초음파 유량계이지만, 이번에는 천연가스 및 프로세스 가스, 바이오 가스에도 폭넓게 사용할 수 있는 기체 전용 Prosonic Flow G 센서를 개발하였으므로 이에 관하여 소개하도록 한다.


신개발 센서 Prosonic Flow G

Prosonic Flow G는 석유 및 가스, 화학 등의 산업을 대상으로 천연가스, 탄층 가스, 공정 가스, 혼합 가스, 바이오 가스, 소화 가스 등 다양한 가스 측정에 이용할 수 있는 강력한 초음파 유량계이다. 압력 손실 없이 측정이 가능하다. 건식 가스뿐만 아니라 습식 가스도 측정할 수 있다.


<측정 원리>

Prosonic Flow G의 측정 원리는 초음파의 전달 시간차 방식을 이용한다. 구경 25A에서는 한 쌍의 트랜스듀서, 50A 이상에서는 두 쌍의 트랜스듀서가 흐름에 대하여 대각선으로 마주보도록 설치되어 있으며 쌍을 이루는 트랜스듀서 사이에서 초음파를 송수신한다. 트랜스듀서는 송수신을 할 수 있기 때문에 송신과 수신을 교체함으로써 초음파가 흐름을 따랐을 때의 전파 시간과 흐름에 역행했을 때의 전파 시간을 측정할 수 있다. 측정한 전파 시간의 차이를 구하여 기체의 유속을 계산하고 유속에 측정관의 단면적을 곱하여 체적 유량을 구하였다. 옵션으로 온도계, 압력계를 내장할 수 있다. <사진 2>는 온도계, 압력계를 넣은 경우이다. 초음파 유량계에 관한 자세한 작동 원리는 당사에서 만든 동영상을 참고 바란다.

https://www.youtube.com/watch?v=PqQEwrg37Bs


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사진 2. Prosonic Flow G 300/500



센서의 사양

센서의 주요 사양과 차세대 변환기의 주요 사양은 <표 1>, <표 2>와 같다. 센서 구경은 25A부터 300A이다. 재질은 측정관이 316L, 트랜스듀서가 티타늄으로 이루어져 있다. 측정 정밀도는 유속이 3m/s 이상이며 Re>10000인 경우에 표준 사양에서는 ±10% 판독값, 옵션의 고정밀도 사양에서는 ±0.5% 판독값이 된다. 최대 유속은 40m/s였다. 유체 온도는 –50℃에서 +150℃로 폭이 넓다. 일본 국내 방폭을 비롯하여 ATEX, IECEx, cCSAus 등 많은 방폭 규격을 지원한다. 


센서 구조는 <그림 1>과 같다. 쌍을 이루는 초음파 센서(그림 1 ①)가 있으며 온도 센서(그림 1 ④), 압력 셀(그림 1 ③)은 각각 옵션이다. 이렇게 유량계 본체에 온도 센서, 압력 셀이 내장되기 때문에 사용자에게 있어서 설치의 번거로움은 없다. 변환기는 일본어 표시, RJ-4 5 LAN 커넥터를 표준으로 탑재하였으며 PC에서 웹브라우저를 사용하여 쉽게 기기 설정이나 측정값 확인, 설정 파일 저장, 읽기를 할 수 있다. PC에서의 설정에 특별한 하드웨어나 소프트웨어가 필요 없다. 


옵션으로 무선 LAN을 지원할 수 있으며 태블릿이나 스마트폰에서 기기 설정이나 측정값 확인이 가능하다. 기기 진단 기능 Heartbeat Technology를 통해 상시 유량계의 건전성을 진단한다. 또한 옵션의 검증 기능을 실행하면 출하 시에 기록한 기준값과 검증 실행 시 각 테스트 포인트의 측정값을 비교하여 유량계가 출하 시와 동일한 상태를 유지하고 있는지 검증한다. 기기를 분리하기 위한 비용, 수고, 기기 분리에 따른 오염 위험성, 프로세스 다운 타임 등에 대한 걱정 없이 기기의 건전성이나 프로세스의 상태를 확인할 수 있다. 


변환기에는 진단을 위한 전용 회로를 탑재하여 센서 신호에서 변환기 출력까지 모든 신호 경로를 시험하였다. 앞서 이야기한 검증 기능은 프로세스를 멈추지 않고 인라인 상태를 실행할 수 있으며 그 결과를 판정한 테스트 보고서를 PDF 형식으로 변환 장치에 저장할 수 있다. 저장된 테스트 보고서는 웹서버를 통해 PC에 업로드 할 수 있다. 이 테스트 보고서는 ISO 9001의 ‘감시 기기 및 측정 기기의 관리’에서 정의된 검증으로 사용할 수 있기 때문에 큰 비용 절감으로 이어진다.


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그림 1. 센서 구조


..(후략) 


仁科 好雄 / 엔드레스하우저재팬

  본 기사는 2021년 10월호에 게재되었습니다. 

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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