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기획특집 <특집: 최신 초음파 유량계와 그 응용> 초음파 유량계에서의 계측 기술 개발과 시험 설비

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작성자 댓글 0건 조회 386회 작성일 21-10-06 11:04

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그림 1. 


서론

초음파 유량계가 범용적으로 이용된 지 반세기 정도 지나면서 지금은 공업적으로도 널리 이용되고 있다. 초음파 유량계의 큰 특징은 역시 압력 손실이 없다는 점과 대구경 배관에도 쉽게 적용할 수 있다는 점일 것이다. 소구경 배관에 적용하는 사례도 꽤 볼 수 있게 되었지만 초음파 유량계의 매력은 역시 대구경, 대유량 현장에서의 측정이라고 생각된다.


특히 클램프온에 의한 배관 외부 설치를 통한 계측 방식은 장소나 구경을 가리지 않는다는 점에서 모든 현장에 적용할 수 있다. 신호 처리에 대해서는 다양한 방법이 있으며 가장 범용적인 것이 전파 시간차 방식이다. 대상으로 하는 현장은 한정적이지만 기포 등의 혼입물이 많은 곳에서는 도플러 방식이 효과적이다.


이 초음파 유량계는 많은 매력을 가지고 있다는 이유 때문에 산업기술종합연구소, 계량표준종합센터의 저자가 속한 연구 그룹(이하 산총연)에서는 전파 시간차 방식, 도플러 방식에 관한 정밀도, 그리고 그 개선도 포함하여 다양한 연구를 해왔다(1)~(10). 국가 표준을 제공하고 있는 입장으로서 유량이나 유체 온도의 고도 관리뿐만 아니라 관내에서의 유속 분포에 있어서 이상적인 흐름장에 의한 교정을 해온 한편으로, 실제 현장과 교정 현장에서의 환경 차이에 대해서는 항상 주시를 해왔다. 특히 대구경이나 대유량에 적용할 수 있는 것은 유동장, 특히 유속 분포의 영향을 강하게 받는다. 이상적인 유동장에서의 교정값은 반드시 실제 사용 현장에 적용할 수 있는 것은 아니다. 그렇다면 어떤 방법으로 현지에서의 교정, 이른바 온사이트 캘리브레이션을 실시할 수 없을까 하는 것은 산총연이 아니더라도 교정에 종사하는 연구자나 기술자 공통의 관심사일 것이다. 우리는 클램프온 방식의 초음파 유량계에 주목하여 온사이트 캘리브레이션의 가능성을 찾아왔다.


그러나 원래 초음파 유량계의 최대의 약점은 유속 분포의 영향을 받기 쉽다는 점이다. 이러한 유량계를 온사이트 캘리브레이션에 이용할 수 있는지, 방향성이 잘못된 것이 아닌지 하는 생각을 하는 것은 당연한 의문이다. 하물며 클램프온 방식 초음파 유량계의 정밀도가 온사이드 캘리브레이션을 견딜 수 있는지 하는 것은 초음파 유량계에 종사하는 연구자와 기술자라면 답하기 어렵지 않을 것이다. 그러나 이 방식 이외에 플랜트에 이미 설치된 유량계를 어떤 배관에 가공을 더하지 않고 쉽게 교정할 수 있는 방법은 현실적으로 존재하지 않는다. 초음파 유량계를 온사이트 캘리브레이션에서의 참조 유량계에 이용하려면 큰 어려움이 있지만 원리적으로는 유일한 가능성을 찾아낼 수 있는 방식이다. 우리 연구 그룹은 우선 도플러 방식에 의한 유속 분포 측정을 온사이트 캘리브레이션에 이용하는데 착안하여 그 응용을 위한 기술 개발을 해왔다. 그리고 여기서 얻어진 지식을 전파 시간차 방식에 전개하는 연구 활동을 하고 있다.


이러한 연구 활동에는 고도의 첨단 장비가 필수적이다. 외부 요인을 제거하고 파라미터 하나하나에 대한 불확실성 요인을 밝히려면 고도로 안정된 이상 상태에 가까운 유동장이 필요하다. 산총연에서는 유량 표준에 관한 설비를 다수 보유하고 있으며 이들 설비를 이용한 연구 활동을 하고 있다. 여기에서는 산총연에서의 액체 유량 표준 설비의 개요를 설명하고 이 설비가 어떤 점에서 초음파 유량계의 고도화에 이바지하는지, 특히 대유량이나 높은 레이놀즈수에서의 유속분포로부터 최근의 결과를 바탕으로 설명하도록 한다. 또한 본 연구 그룹에서 실시하고 있는 초음파 유량계에 관한 연구 성과 중 일부를 소개하도록 한다. 에너지 수송에서는 앞으로 초음파 유량계의 역할은 더 중요해질 것이다. 이 연구의 목적은 온사이트 캘리브레이션의 고도화이며, 에너지 수송에서 크게 기여할 수 있을 것을 목표로 하는 것이다.


산업기술종합연구소의 시험 설비 및 유속 분포

(1) 시험 설비

산업기술종합연구소에서는 유량으로서 물과 석유, 가스 유량에 관한 국가 표준 설비를 보유하고 있으며, 그 표준을 공급하고 있다. 여기에서는 저자가 소속된 연구 그룹 내의 유량에 관한 국가 표준 설비를 소개한다. 설명을 위한 흐름도가 <그림 1>이며 그 외에 몇 가지 사진을 아래에 게재하였다. 이 교정 시설에서의 유량 범위는 0.3~12,000㎥/h이다. 여기에 게재되지 않은 소유량 설비는 0.002㎥/h부터 교정이 가능하도록 되어 있으며, 산총연에서의 물 유량 교정에서의 유량 범위는 세계적으로 보더라도 최대 규모이다. 교정은 정적인 칭량법(3,000㎥/h까지) 및 이 칭량에 의해 교정된 유량계에 의한 비교법에 따라 실시된다. 교정의 불확실성은 0.04.~0.1%(포함 계수 k=2)이다.


본 설비는 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 오버플로우 헤드 탱크와 칭량 시스템을 기본으로 하는 설비, 그리고 대유량의 순환 라인(11)이다. 전자의 특징은 유동장으로서 중요한 유량, 수온, 압력의 안정성이다. 오버 플로우 헤드 탱크를 사용함으로써 유량이나 압력의 안정성이 매우 높고 또한 대유량의 물탱크가 지하에 설치되어 있기 때문에 시험 중 수온 변동이 매우 작다. 그리고 상류 측 직관의 길이이다. 그림에서 보는 바와 같이 시험부 길이는 50m이며, 선회류나 편류가 없는 이상적인 유동 상태를 만들 수 있다. 초음파 유량계는 앞서 이야기한 바와 같이 유속 분포에 강하게 영향을 받는다. 그 영향, 즉 이상 상태의 보정 계수에서의 불균일을 조사하려면 이상적인 유동 상태, 그 때의 조건을 재현할 수 있는 수온, 압력 상태 등이 없으면 이것을 실시하기 어렵다.


후자의 순환 라인은 통칭 고(高)레이놀즈수 실류 설비(Hi-Retf)라고 부른다. 이 설비의 특징은 대유량에서의 시험이 가능하다는 점과 가온에 의해 레이놀즈수를 2×107이라고 하는 일반적인 유량 교정 설비로서는 매우 높은 영역에서의 교정을 가능하게 해준다는 점이다. 이 특징은 발전 플랜트의 급수 라인 등의 높은 레이놀즈수 조건에서의 교정을 가능하게 해주는 세계적으로도 드문 설비이다. 초음파 유량계가 영향을 받는다고 여겨지는 유속 분포는 레이놀즈수의 함수이다. 따라서 실제 플랜트에서의 레이놀즈수에 맞춘 실험을 실시할 수 있는 것은 이 설비가 초음파 유량계의 개발에 이바지하는 대표적인 예이다. 또한 굽은 관 하류의 시험을 여기에서 들어본다. 400㎜ 구경의 배관에서 실제 플랜트의 곡선 관을 모의한 시험이 <사진 1>이다(12). 시험 결과의 내용은 참고 문헌에 자세히 나와 있으므로 참조하기 바란다. 굽은 관의 영향은 초음파 유량계에 강한 영향을 주는 것이 분명하지만, 이러한 실험을 하지 않고는 고정밀화를 기대할 수 없다. 이러한 대규모의 배관 구성을 만들고 더 나아가 양호한 정밀도와 대유량, 고(高)레이놀즈수에서 시험을 실시할 수 있는 설비는 세계적으로 유일하다.



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사진 1. 굽은 관 시험 예

(흰색 선이 흐름의 경로, 건물 내에 피시험 유량계 설치)



..(후략) 


古市 紀之 和田 守弘 小野 満里絵 / 산업기술종합연구소

  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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