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기술동향 <기술동향: 유량계> EMS를 위한 클램프온 초음파 유량계

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작성자 댓글 0건 조회 3,071회 작성일 21-09-03 13:04

본문

그림 1. 클램프온 초음파 유량계 


서론

빌딩이나 공장의 에너지 절약과 전기 절감, 최적의 에너지 선택이나 운용 등을 위해 에너지 사용량을 ‘가시화’하여 관리하는 에너지 관리 시스템(EMS: Energy Management System)이 주목을 받고 있다. EMS는 각종 센서를 이용하여 에너지 소비를 시계열적으로 계측하고 통신 기술을 이용하여 데이터를 집계한다. 이 데이터를 분석하여 의미 없는 에너지 소비를 발견하거나 기기의 운용을 효율적으로 변경함으로써 전체의 에너지 절약을 도모할 수 있다. 이전에는 EMS에서는 전력 에너지 소비가 중점적으로 관리되는 경우가 많았지만 가스나 증기라는 열에너지의 소비에도 주목되는 경우가 많아졌다.


에너지 소비의 가시화를 고려한 경우, 전력 에너지는 클램프 방식의 전력계 등을 통해 비교적 용이하게 소비량을 파악할 수 있다. 이에 비해 기설 설비에서 가스의 소비량을 파악하기 위해서는 가스관을 가공하여 전류계를 삽입해야 하는 경우도 있다. 그러나 가스관의 가공은 가스 누설이라는 문제도 있고 비용과 시간이 소요되어 버린다. 이 때문에 가스관을 가공하지 않고 쉽게 가스 소비량을 파악하는 기술이 있다면 편리할 것이다.


과제

배관의 증기나 가스, 온수 및 냉수의 유량을 계측하는 유량계 중 하나로 초음파 유량계가 있다. 일반적으로 초음파 유량계는 이른바 ‘인라인 타입’과 ‘클램프온 타입’으로 분류된다. 인라인 타입은 초음파 센서를 내부에 삽입하거나 파이프에 구멍을 내거나 하여 초음파를 내부 유체에 넣어 유량을 계측한다. 이 때문에 이 타입의 유량계에서는 계측 시에 파이프 가공이 필요해지게 된다. 이에 비해 클램프온 타입은 초음파 센서를 파이프 위에 설치하여 파이프 바깥쪽에서부터 초음파를 송수신한다. 이 클램프온 초음파 유량계의 전형적인 이미지는 <그림 1>과 같다. 이 타입에서는 계측 시에 파이프를 가공할 필요가 없기 때문에 기설 배관에서도 쉽게 유량을 계측할 수 있게 된다.


그러나 클램프온 초음파 유량계는 초음파의 전파 경로 상에 금속 파이프가 존재하기 때문에 금속 파이프와 내부 유체의 경계면에서의 초음파 반사나 굴절이 발생한다. 특히 내부 유체가 기체인 경우에는 금속 파이프와 내부 유체와의 음향 임피던스 차이가 커지기 때문에 초음파가 경계면에서 반사되기 쉬워지는 것이 과제이다. 이 이미지는 <그림 2>와 같다(1). 특히 경계면에서 반사된 초음파는 파이프 금속 안에서 반사를 반복하여 수신 초음파 센서까지 도달하게 된다. 금속 안에 전해지는 초음파 강도는 내부 기체를 전달하는 초음파보다 커지기 때문에 내부 기체를 전달하는 초음파 신호의 식별이 어려워진다.


이 때문에 클램프온 초음파 유량계는 유일하게 액체의 유량 계측에 이용되고 있으며, 기체의 유량 계측은 어려운 것이 일반적이었다. 최근에 일부에서 압축 공기와 증기 등을 대상으로 한 고압 기체가 대상이 되는 클램프온 초음파 유량계도 볼 수 있게 되었다. 그러나 일반적인 빌딩이나 공장에서 사용되는 소위 ‘저압’ 도시가스의 압력이 거의 대기압이며 대기압 수준의 저압 기체를 계측할 수 있는 클램프온 초음파 유량계는 실용적으로는 존재하지 않는다.

이 때문에 이러한 저압의 기체 유량을 계측할 수 있는 클램프온 초음파 유량계의 개발을 목표로 하고 있다.


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그림 2. 기체용 클램프온 초음파 유량계의 과제
 


해결 방법 

클램프온 초음파 유량계는 한 쌍의 초음파 센서를 파이프 바깥쪽에 설치한다. 이 연구에서는 이른바 ‘전파 시간 차이법’에 의한 유량 계측을 상정하였기 때문에 센서는 서로 흐름에 대하여 기울어지도록 설치된다. 센서 서로의 사이에서 초음파를 송수신하며, 파이프 안에 흐름이 존재하면 내부 유체에 의해 초음파의 전파가 영향을 받는다. 즉 상류측에서 하류측으로 전파하는 초음파는 전파가 가속되고 하류측에서 상류측으로의 초음파는 전파가 감속된다. 이로 인해 초음파의 전파 시간에 차이가 생기기 때문에 이 시간 차이를 계측하여 내부 유체의 유속을 계측할 수 있다(2).


여기서 앞서 이야기한 과제로 제시한 금속 파이프를 통과하는 초음파의 수신 신호와 내부 기체를 통과하는 초음파의 수신 신호를 분리하는 것을 고려한다(3). 일반적으로 금속을 통과하는 초음파의 음속은 기체를 통과하는 초음파의 음속보다 수십 배 정도 빠르기 때문에 이 음속의 차이를 이용하여 초음파를 분리한다.


송신측의 초음파 센서로부터 전달된 초음파가 어떻게 전파하는지는 <그림 3>과 같다(4). 초음파 센서에서 발생한 초음파는 금속과 내부 기체와의 경계에서 반사하는 초음파와 투과하는 초음파로 나뉜다. 반사한 초음파는 파이프의 금속 내에서 반사를 반복하면서 전파하고 반대측의 초음파 센서로 도달한다.(그림 3의 ①) 또한, ①의 파이프 금속 안을 전파하는 초음파는 그대로 파이프의 긴 변 방향으로 계속 전파하여 파이프 끝에서 반사되어 되돌아온다.(그림 3의 ③) 이들 ①~③의 초음파가 혼재해버리면 ②의 초음파를 식별할 수 없기 때문에 계측할 수 있게 되어 버린다.


여기에서 음속의 차이를 활용하여 ①~③을 식별하는 것을 생각해본다. 수신측의 초음파 센서에서 신호가 수신되는 순서를 고려하면 금속의 음속은 기체보다 빠르기 때문에 우선 ①의 초음파가 먼저 수신된다. 내부 기체 안을 전파하는 초음파는 그보다 느리기 때문에 ①보다 늦게 ②가 수신된다. 여기에서 파이프 끝 부분을 계측 끝 부분에서 충분히 떨어뜨려놓으면 ③의 반사점이 멀어지기 때문에 ②보다 충분히 늦게 ③을 수신할 수 있다. 이렇게 하여 ①, ②, ③의 초음파를 분리하여 수신할 수 있으며, 목적인 ②의 초음파를 추출할 수 있다.

이 방법의 타당성에 대해서는 실제 실험을 통해 확인하였으며 이에 관해서는 다음 절에서 소개하도록 한다.



..(후략) 


西口 博史 / 간사이전력

   본 기사는 2021년 9월호에 게재되었습니다. 

  

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

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