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기술동향 <기술동향: 유량계> 초음파 둑식 유량계의 특징과 설치 시 주의점

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작성자 댓글 0건 조회 2,375회 작성일 22-05-09 14:15

본문

서론

수로 안에 삼각형이나 사각형 등 일정한 모양의 둑이나 플륨을 설치하여 상류측 수두값(수위)을 측정하고 수로 안을 흐르는 유량을 연산 및 출력하는 둑식 유량계는 비교적 공사가 쉽고 저렴하다는 점 때문에 상하수도국, 화력발전소, 화학 플랜트 등 각종 공정에서 찾고 있다.


수위를 측정하는 방식으로 수면과 접촉한 플로트의 상하 이동을 파악하는 플로트식과 센서를 물 안에 설치하여 수압 변화를 통해 수중 거리를 측정하는 투입 압력식, 센서를 수로 위쪽의 공중에 설치하여 공간 거리를 측정하는 공중 초음파식 등이 있다. 원리적으로는 매우 오래된 측정 방법이지만 각 방식 모두 측정 정밀도나 메인터넌스성 향상을 위한 연구가 이루어져왔다. 여기에서는 공중 초음파를 이용한 둑 유량계에 관하여 소개한다.


수두값(수위) 측정 방법

초음파 둑식 유량계는 수로 위쪽에 설치한 센서로부터 초음파 펄스를 발신하고 초음파 펄스가 수면에서 반사되어 돌아올 때까지의 시간을 측정하여 전파 속도를 통해 수두값(수위)을 측정한다.

초음파 펄스가 전송되어 올 때까지의 전파 시간을 t, 공기 중 전파 속도(음속)를 v, 센서에서 수면까지의 거리를 h라고 하면 <수식 1>과 같이 나타낼 수 있다.


h=v·t/2   ...(1)


공기 중에서는 전파 속도 v가 온도에 따라 바뀌기 때문에 센서에 온도 보정용 센서가 들어있다. 전파 속도와 온도의 관계는 <수식 2>로 나타낸다.


v=331.45+0.65×공기 중의 온도(℃) m/sec   ...(2)


둑 유량계를 지원하는 둑 및 플륨

일반적으로는 4종류의 둑과 Parshall flume 및 Palmer Bowrus flume이라고 하는 2종류의 플륨이 있다. 4종류의 둑과 Parshall flume에 대해서는 둑(또는 슬로트)의 각 치수와 수두값(수위)에서 수량을 구하는 계산식이 JIS에 의해 정해져있다. Palmer Bowrus flume에 대해서는 유량과 수두값의 관계가 알려져 있는 경우 그 테이블 데이터를 계기에 넣어 적용할 수 있게 된다. <표 1>은 둑의 종류와 계산식이다.


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표 1.



초음파 둑식 유량계의 설치 시 주의 사항

초음파 둑식 유량계는 가동부가 없고 비접촉으로 측정하기 때문에 센서를 설치하기 쉽고 메인터넌스성이 뛰어나다는 등의 특징이 있지만, 설치 조건이 잘못되면 양호한 정밀도의 안정적인 측정이 어려워지기 때문에 몇 가지 설치 시 주의 사항을 지키는 것이 중요하다.


(1) 센서는 최대한 측정 액면에 가깝게

둑 유량계의 수두값 범위는 50~400㎜로 비교적 작은 값인 경우가 많다. 초음파 둑식 유량계는 센서에서 수면까지의 초음파 펄스 전파 시간을 정확하게 측정할 필요가 있으며, 센서를 수면에서 멀리 떨어진 곳에 설치하게 되면 측정에 불필요한 공간도 함께 측정하게 되어 정밀도 저하의 원인이 된다. 센서 설치 거리는 최대 유량 시의 수두값+300㎜(센서의 불감 거리만큼)이 이상적이다.


(2) 센서 주변과 수면 부근의 온도차 제거

초음파 펄스의 전파 시간(음속)은 공기 온도에 따라 변한다. 당사 센서의 경우에는 센서 본체에서 측온 저항체를 직출하여 주변 온도를 검출함으로써 주변 온도를 검출하여 음속을 보정하지만, 온도 검출 위치 부근과 수면 부근(초음파 펄스 전달 경로)의 온도에 큰 차이가 있으면 온도 보정이 올바르게 이루어지지 못해서 측정 오차로 이어진다.

센서 설치 장소가 실외인 경우에는 차양 커버를 이용하여 직사광선으로 인한 센서 및 측온 저항체의 불필요한 온도 상승을 피하고 미리 센서 설치 장소와 초음파 펄스의 전파 경로 온도차가 크다고 판명된 경우에는 이를 고려한 온도 보정 계수를 설정하는 등의 연구가 필요하다.


(3) 물 흐름이 안정된 위치에서 측정

측정 위치에 대해서는 아래 조건에 주의한다.

① 수로 중앙을 측정 위치로 한다.

② 둑 판에서 상류에 Lm에 설치한다.


L=3h′~ B   ...(3)

(3h′: 최대 수두값, B: 수로 폭)


③ 게이지 웰 사용 시에는 Φ300㎜ 이상을 사용한다.

상류측 정류 장치 부분 등에 대한 자세한 내용은 JISB 8302 및 JIS B 7553을 참조하기 바란다.


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그림 1. 센서 설치에 관하여




당사 초음파 둑식 유량계의 특징

당사 ULM-501형 초음파 둑식 유량계는 초음파 레벨 측정이 가지는 기본적인 특징 이외에 유량 측정에 적합한 몇 가지 사양, 특징을 가진다. 다음은 그 개요에 대한 설명이다.


(1) 높은 메인터넌스성

공중 초음파식이기 때문에 액면과 접촉하지 않고 측정이 가능하다. 또한 기계적인 가동부가 없고 소모 부품도 없어 메인터넌스성이 뛰어나다.


(2) 정밀한 유량 환산

리니어라이저 h-Q 곡선을 200 포인트의 근사 곡선 데이터로 만들어 변환기 내부 테이블 위에 가지기 때문에 0.2㎜라고 하는 고분해능으로 고정밀도의 유량 환산을 실현하였다.


(3) 수두값에 대응한 출력

전류 출력(DC 4~20mA)은 유량에 맞는 출력에 더하여 수두값에 맞는 수위 출력도 동시에 준비하여 실측값과의 대응을 쉽게 확인할 수 있다.


(4) 새로운 신호 처리 방식

기존 초음파 둑식 유량계에서는 센서로부터 방사된 초음파 펄스가 측정하는 면에서 반사하고 거기에서 얻어진 수신 신호가 일정한 임계값을 초과한 시간을 직접 검출하기 때문에 순간적으로 임계값을 초과해버리는 전기적 노이즈나 탱크 안의 교반 날개 등으로부터의 반사를 측정하는 면으로부터의 반사로 잘못 인식해버리는 경우가 있었다. 이에 비해 당사의 초음파 둑식 유량계 ULM-501은 액면으로부터의 수신 신호 패턴을 디지털 데이터로 변환하여 기억시킴으로써 순간 데이터만으로 판단하지 않고 과거의 데이터도 참조하여 통계처리하고 더 나아가 수신 파형의 평균화 처리를 하였기 때문에 높은 정확도의 측정을 가능하게 하였다.


다양한 측정 환경에서는 센서 자신이나 설치부의 장애물로부터의 불필요한 반사 혹은 외부 노이즈 등이 존재하는데, 이들의 노이즈 성분이 반드시 일정한 것은 아니며 환경이나 운전 상황에 따라 바뀐다. 이들 노이즈를 감지해버려 안정적으로 측정하기 어려운 경우가 있었지만 DGL(Dynamic Gain Limit) 기능을 이용하여 불필요한 반사를 노이즈 패턴으로 항상 자동 학습하여 바뀌는 노이즈에 대해서도 동적으로 추종 제한함으로써 노이즈를 잘못 감지하지 않도록 하였다. 이 기능을 통해 불필요한 반사 등의 노이즈 성분에 의한 오동작을 방지할 수 있으며 또한 고정 장애물의 영향이 제거되어 좁은 공간에서도 측정 능력이 뛰어나다.



..(후략) 


三枝 福徳 / 초음파유량계

본 기사는 2022년 5월호에 게재되었습니다. 

  

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

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