스마트계측기[blog]

초음파 유량계 

 1. 개요  

 초음파 유량계는  1880년 압전효과가 발견된 이후 1918년 초음파 진동소자가 선박의 항해때에  암초, 빙산,등의 탐지를 위해 처음으로 사용되었 

으며, 초음파를 이용한 유량측정은 1920년경 반전파 기술을 이용한 유량계가  나왔고 점차 기술의 발달로 1970년 부터 산업현장에서 유량측정에 

폭넓게 응용되기 시작하였다. 
이와 같은 초음파 유량계는  음향식 유량계라고도 부르며, 유체가 흐르고 있는 관내에 음파를 보내면 그 전반 속도는 유체의 흐름 영향을 받아  

흐름과 동일방향에 대해서는 정지되어 있을때의 음속에 유속을 가한 속도로 전해지고, 반대방향에는 반대로 유속을 뺀 속도로 전해진다.  

이 두가지 방향의  음속의 차를 측정하면 유속이 구해지고, 이것을 이용하여 유체의 체적유량을 측정할 수 있도록 한 것이  초음파 유량계이다. 

초음파를 이용한 유속유량 측정방법 중 현재 실용화되어 많이 사용되고 있는 것이 전반 속도차법과 도플러법이다. 

전반 속도차법은  정수,공업 용수, 농수등 비교적 맑은물을 대상으로 하고, 도플러법은 하수, 공장폐수, 공장배수등 이물을 다량 함유한 오수를  

측정 대상으로 한다.   

특징은 대유량 측정에 이용되고, 이 방식은 두꺼운 금속관 외부로 부터 유량 측정이 가능하므로, 기존 설치된 배관에 별도의 가공을 하지 않고도  

유량 측정이 가능하다. 
또한  유체 유속 방해없이 유속측정이 가능하고 초음파가 전달되는 유체라면 어떠한 유체 유속 측정도 가능하며, 고점도액,비전도체액 또는  가스 

의 유속 측정도 가능하며, 측정대상의 외형적 크기와도 무관해서 하천등의 유속도 측정이 가능하다. 
 

2. 측정원리   

=> 전반 속도차법 : 유체가 흐르고 있는 유체 동일면상의 서로 반대방향에서 초음파를  발사하면 유체의 흐름과 같은 방향인 하류측으로 발사된  

    초음파와 그 반대방향인 상류측으로 발사된 초음파가 같은 거리를 통과하여 각각 반대편의 수신기까지 도달하는데 걸리는 시간의 차가 생기게 

    된다.  이와 같은 차를 직접 시간차로 검출하느냐  위상차로 검출 하느냐 또는 주파수로 검출 하느냐에  따라서 각각 시간차법, 위상차법, 주파  

    수법으로 구분한다.   

=> 도플러법 : 도플러란 달리고 있는 기관차가 정지하고 있는 관측자에게  접근할 경우 기관차가 내는 기적의 진동 주파수는 기관차가 관측자를  

    지나 멀어져 갈때에 비해 높게 되는 것과 같은 도플러 효과를 이용하여 유속이나 유량을 측정하는 원리이다. 
    측정 방법은 초음파를 배관내 흐르고 있는 있는 유체중에 조사하면 조사된 초음파는 유체중의 부유물이나 기포로 부터 산란,반사된다. 

    이때 기포나 미소한 부유물은 유체와 함께 같은 속도로 이동하고 있는 것으로 볼 수 있으므로, 기포나 부유물에 의해 산란 및 반사된 초음파를 

    이용하여 유속이나 유량을 측정할 수 있다. 

    도플러법 초음파 유량계를 사용함에 있어 여러 부유물로부터 반사파를 수신하게 되는데 이들 부유물 가운데는 관의 벽면에 매우 근접한 것들    

    도 있어서 관내의 평균 유속과의 상관 관계가 매우 부정확할 우려도 있다.
    도플러 유량계는 깨끗한 물에 대해서 사용할 수 없으며, 유체중에 어느 정도 크기의 부유물이 있어야 한다.

    현재는 부유물의 입자크기가 약 30㎛ 정도만 되면 사용할 수 있는 도플러 초음파 유량계가 상품화 되어 있다. 

3. 초음파 유량계 선정 
 
(1) 습식과 건식의 비교 
초음파 유량계는 센서의 설치 방법에 따라  배관내에 직접 설치하는 습식(Wet type)과 배관 외부에 클램프등을 이용하여 설치하는 건식(Clamp 

on  type 또는 휴대형)이 있다.  
단관형(습식)은 유량계측, 제어등 공정 프로세스 라인에 설치되어 연속적으로 가동하는 것을 목적으로 설계 되었지만, 건식은 짧은 기간의 간이
측정을 목적으로 하고 있다.  

따라서 측정 목적을 명확하게 하여 습식으로 할 것인지, 건식으로 할 것인지를 결정해야 한다. 
건식이 습식에 비해서 설치가 간편하다는 점을 제외하고는 측정상  정확도, 정밀도 등의 모든 면에서 습식과 비교할 때 떨어진다는 단점을 가지고
있다.  

                            <초음파 센서 부착방법> 

습식 초음파 유량센서는 유체를 통과하는 초음파가 원래의 파형을 그대로 유지할수 있으나 건식의 유량 센서는 일단 관벽을 통과하는 과정 

에서 원래 파형을 잃어버리게 되어 결과치인 양 끝의 신호에 의해 동기됨으로서 신호 처리상 재현성이 나빠지게 된다.
그외에 습식은 미리 배관의 정확한 내경을 측정할 수 있어서 칫수측정의  부정확으로 인한 오차를 줄일 수 있는 장점이 있다.
특히 소구경 배관에서 오차를 현저히 줄일 수 있게 된다. 

(2) 단일빔과 다중빔 방식
단일빔 방식의 초음파 유량계에서는 원리상 초음파가 통과하거나 반사하는 관내의 한면이나 점에서의 평균유속을 측정하여 여기에 관의 단면적 

을 곱하여 유동율을 구하게 된다. 그러나 실제로 관내의 유속 분포는 유동율의 변화에 따라 달라지게 되어 유속 분포의 변화에 따른 보정계수의  

사용이 필요하다.  특히 유동이 층류에서 난류로 바뀌는 천이 영역에서는 보정 계수값의 변화가 최대 30 ％ 정도까지 될 수 있다.
비록 충분히 확립된 난류 유동 상태에서도 레이놀즈수가 104 ∼107 범위로 변함에 따라 보정계수 값도 최대 3.5 ％ 정도 변하게 된다.
이와같은 유속 분포에 의한 오차는 비대칭 유동이나 소용돌이에서는 더욱 복잡한 양상을 띠게 된다.  

유속 분포에 의한 영향은 기본적으로 변환기를 관의 중심선에서 벗어난  위치에 적절히 설치함으로서 그 오차를 어느정도 최소화할 수 있는데  

단일빔만을 사용할 경우에는 그림과 같이 Mid-radius 한쪽에 변환기의 위치를 설정하는 것이 가장 적합한 것으로 평가되고 있다.  

그러나 단일빔 방식으로는 유량계 상류측에 설치된 곡관, 티이, 밸브등으로 인한 비대칭 와류등에서는 그 효과를 기대할 수 없기 때문에 같은  

상태에서의 측정 정확도 향상을 위해 다중빔 방식을 채택하게 되었다.
다중빔 방식에서 변환기의 위치는 한조의 변환기가 고장 났을경우 신호 처리 장치에서 적절한 조작을 통하여 나머지 변환기만으로 유량을 측정할 

수 있는 점이다. 그러나 다중빔 방식은 다음과 같은 단점을 가지고 있다는데 유의 하여야 할 것이다. 
 
 

                      <초음파 유량계의 여러가지 빔 전파방식>

 

아래 그림에서 보는것과 같이 이중빔의 경우 변환기 설치또는 검사과정에서 L1 또는 L2 의 거리가 변경될 수 있으며, 이 경우 영점이 변하게 되어  

전체적인 측정에 영향을 미칠 수 있다. 단일빔의 경우 거리 L1 이 변하더라도 상류 또는  하류측 방향으로의 초음파 전파 거리는  항상 동일하게
유지할 수 있다.  따라서 온도나 압력 등의 영향으로 파이프가 불균일하게 변경될 가능성이 있는 경우 다중빔 방식은 초음파 전파 경로 변화의  

영향으로 측정상 오차가 발생된다. 
 

                           < 이중빔과 단일빔 방식의 비교> 

 출처 :  자인테크놀로지(주) 홈페이지 제품소개 내용 정리