논문 Original Paper DOI: http://dx.doi.org/10.5293/kfma.2015.18.6.057 ISSN (Print): 2287-9706 방류수유량계 ( 전자기유량계, 파샬플룸 ) 의특성평가연구 안양기 * 김지영 ** 김금희 ** 장희수 * 정정필 * 최종우 ** 1) A Study on Comparison of the Characteristic Test of Discharge Water Flowmeters (Electromagnetic Flowmeter, Parshall Flume) Yang-ki An *, Jee-young Kim **, Kum-hee Kim **, Hee-soo Jang *, Jung-pil Jung *, Jong-woo Choi * Key Words : Closed Channel( 관수로 ), Electromagnetic Flowmeter( 전자기유량계 ), Flowmeter( 유량계 ), Liquid Flow Calibration System( 액체유량교정시스템 ), Open Channel( 개수로 ), Parshall Flume( 파샬플룸 ) ABSTRACT The test of comparing liquid flow calibration system (approved by KOLAS) for accuracy and structure change test was performed in the test bed in order to evaluate the typical characteristics of the electromagnetic flow meters and parshall flume that are generally used in the water discharging facilities. The results of the accuracy comparing test with liquid flow calibration system showed the error of less than 2%. Pharshall plume got error up to 8.3% (low flow) from the flow rate test, but less than 4% from the accumulated flow test because of offset error at high flow rate and low flow rate. Evaluation of structual change test was tested with only parshall flume using structure and it consisted of installation angle (parshall flume and level sensor) and position change. Installation angle, water level sensor angle and position changing test for parshall flume had errors of 3.1%~-9.2%, 0.4%~-5.6% and 0.2%~1.3% respectively. Especially, the error showed the largest increase when the water level sensor measured the point of decreased flow by the structure change. Therefore, error factors (change of straight pipe length, installation of obstacle or effect of foreign substances on water level sensor) that can often occur in the field should be derived and the research for optimized installation method should be carried out continuously. 1. 서론우리나라는 수질및수생태계보전에관한법률 을통해수질방류시설에서배출되는오염물질을관리하고, 지속적으로수생태계를보존하기위해 2006 년부터수질원격감시체계 ( 수질TMS) 제도를운영하고있다. 수질원격감시체계는수질방류시설 ( 공공하수처리시설, 폐수종말처리시설, 폐수배출사업장 ) 최종방류구에환경측정기기와액체유량계를설치하여배출되는오염물질의농도와방류유량을실시간으로감시하기위한제도이다. 오염물질의농도를측정하는환경측정기기는 환경분야시험 검사등에관한법률 에따라형식승인제도및주기적인정도검사로지속적인신뢰성을확인하 고있다. 하지만수질방류시설의최종방류구에설치된유량계 ( 방류수유량계 ) 에대해서는아직까지체계적인관리제도가없는실정이다. 수질원격감시체계에서유량계는오염물질의총량을산정하는측정기기로서, 유량값은환경측정기기의오염물질측정값과함께수질원격감시체계제도에서매우중요하게다뤄져야한다. 유량계는설치구조를기준으로크게관수로 (Closed channel) 와개수로 (Open channel) 방식으로구분할수있다. (1) 관수로는유체가압력이있는만관상태로배관에서흐르는구조를의미하고, 대표적인유량계로는전자기유량계와초음파유량계 ( 단회선, 다회선 ) 등이있다. 개수로는낮은압력의유체가수로에부분적으로채워지면서흐르는구조 * 한국환경공단 (Korea Environment Corporation) ** 국립환경과학원 (National of Environmental Research) 교신저자, E-mail : anbear@keco.or.kr The KSFM Journal of Fluid Machinery: Vol. 18, No. 6, December, 2015, pp.57~62(received 03 Sep. 2015; revised 19 Nov. 2015; accepted for publication 20 Nov. 2015) 한국유체기계학회논문집 : 제 18 권, 제 6 호, pp.57~62, 2015( 논문접수일자 : 2015.09.03, 논문수정일자 : 2015.11.19, 심사완료일자 : 2015.11.20) 57
안양기 김지영 김금희 장희수 정정필 최종우 로정의할수있는데크게구조물을이용하는파샬플룸, 위어와사각수로에서사용하는복합센서방식이있다. 전자기유량계는관수로의대표적인유량측정방법으로일부액체유량계교정기관의교정시스템에기준유량계방법 (master meter method) 으로사용되고있다. 따라서유량계교정방법에주로사용되는중량측정법 (gravimetric method), 부피측정법 (volumetric method) 에비해측정불확도는크지만저비용으로시설을구축할수있어서경제적으로유량계를교정할수있는방식이다. (2) 전자기유량계의정확도에대해서수질오염공정시험기준에서는지시값오차를 ±1%~ ±2% 로규정하고있고, (3) KS에서는만관및직관부를유지하기위한설치조건등을규정하고있다. (4) 개수로의대표적인유량계인파샬플룸은저비용으로설치할수있는이점이있으나압력손실이크고상류에퇴적되는모래나침전물이유량측정에영향을미치는것으로알려져있다. ISO 와 JIS 에서는파샬플룸의제작규격과설치규격 ( 직관부, 하류조건, 퇴적물등 ) 을규정 (5) 하고, 측정오차는 ±4%~±8%, (6) 직관부길이는목직경의 5배에서 10배로제시하고있다. (7) 한국표준과학연구원은터빈유량계 ( 기준유량계 ) 와파샬플룸의정확도를비교하는특성평가를실시하였는데직관부길이변화와다공판, 소용돌이시험을실시하였다. 직관부가목직경의 10배이상인경우 ±1% 이내의오차를보였고, 다공판이있으면직관부가짧더라도 ±5% 이내의오차를보였다. 또한직관부가없는경우에유체가유입되는면적이넓으면 ±2% 부근의오차가관측되었다. (8) 이번연구에서는 KOLAS 로부터인정받은액체유량교정시스템에방류수유량계로주로사용되고있는전자기유량계와파샬플룸을직렬로연결하여정확도시험과파샬플룸의구조가변경되었을때발생할수있는특성을확인하였다. 이를위하여 Test bed 를구축한후연구를진행하였다. 2. 재료및방법 2.1 Test bed 준비 Test bed는액체유량교정시스템과전자기유량계, 파샬플룸을직렬로연결하여펌프에서공급되는유량을동시에측정할수있는구성으로설계하였다. 액체유량교정시스템은 KOLAS 에서인정받은중량측정법을활용하고, 다수의교정기관이사용하는표준측정방식을적용하고있다. 전자기유량계는현장에서많이사용되고있는 Endress+ Hauser 제품으로공단이보유하고있는액체유량교정시스템의비교용유량계를활용하였다. 파샬플룸은현장에많이설치되어있는 Wintec 사의제품으로구매하고, 수위센서는일반적으로사용하는초음파방식을선정하였다. Test bed Division Category Table 1 Specification of test bed Liquid flow calibration system Gravimetric method Closed channel Electromagnetic flowmeter Open channel Parshall flume Publisher Daero. Ltd. Endress+Hauser Wintec Ltd. Range (m 3 /h) 0.6~60 12~72 2~100 Diameter 80 mm 80 mm 2 inch (50.8 mm) Material STS STEEL STS304 Fig. 1 Drawings of parshall flume 의제원은 Table 1에정리하였다. Test bed 설계에서가장중요한구성요소는파샬플룸의설치조건이다. 파샬플룸의최초설치위치는전자기유량계후단에설치하여직관부가충분히확보된구조로설계하였다. 하지만이렇게설계될경우파샬플룸에서배출된유체가높은수위나강한압력이없기때문에액체유량교정시스템의중량탱크로유입되지않는다. 따라서중량탱크로유입되기바로직전의배관을분리하고파샬플룸을설치하는방식으로설계를변경하였다. Test bed 에사용된파샬플룸은 ISO 에서정한제작규격은만족하였으나설치공간이부족하여 250 mm로제작되어설치규격 ( 목직경의최소 5배이상, 254 mm) 인직관부를충분하게만족하진못했다. 또한파샬플룸을통과한유체가액체유량교정시스템으로직접유입되기위해서는흐름을자동전환할수있는 Diverter( 위치변환기 ) 가필요하다. Diverter 는유체의유입경로를중량탱크과배수시스템으로빠르게전환시킬수있는매우중요한장치이다. 따라서파샬플룸제작시기존 Diverter 를참조하여신규로제작하였고, 테스트결과기존에보유하고있는 Diverter 와유사한성능을보였다. Fig. 1 58 한국유체기계학회논문집 : 제 18 권, 제 6 호, 2015
방류수 유량계(전자기유량계, 파샬플룸)의 특성평가 연구 Fig. 2 Installation of test bed Fig. 4 Structure of parshall flume 파샬플룸의 기본원리는 수로의 형태로 된 벤튜리모양의 구조물에 유체가 유입될 때 수축부의 수위를 측정하여 파샬 플룸의 목 부위(throat) 크기에 따른 경험식에 대입하여 유 량을 산출하는 방식이다. 파샬플룸은 Fig. 4(ISO 9826 참조)과 같이 매우 세분화된 제작규격을 만족해야 한다. 크게는 상류, 구조물, 하류로 구 Fig. 3 Theory of electromagnetic flowmeter 분하고, 세부적으로는 유입부, 수축부, 목직경, 확대부, 유출 부로 구분할 수 있다. 유체가 파샬플룸의 상류에서 유입부를 은 파샬플룸의 도면이고, Fig. 2는 3종류의 유량계가 설치된 통과하면 수축부에서 속도가 빨라지게 된다. 유입부의 유선 Test bed 사진이다. 구조는 난류를 억제하고, 바닥의 경사는 수축부에서 수위 측 정을 안정적으로 할 수 있게 한다. 수축부와 목 부위를 빠르 2.2 전자기유량계와 파샬플룸의 설치조건 게 통과한 유체가 확대부와 유출부로 확장 배출되므로 수축 부의 수위에 영향을 미치지 않는다. 전자기 유량계의 기본원리는 유량계 몸체에 원형 코일을 파샬플룸은 구조물을 이용하여 유량을 측정하기 때문에 설치한 후 몸체 밖에서 자장을 발생시키면 유전체(액체)가 제작규격만큼 구조물의 설치규격도 매우 중요하다. 파샬플 이동하면서 생기는 유속에 비례하는 기전력이 수직으로 발 룸의 상류에서 유입되는 유체가 바위, 자갈, 거품 등의 흐름 생한다. 이 기전력을 측정하여 유량으로 환산할 수 있다 에 영향을 주는 이물질에 의하여 흐름의 경계층이 불규칙한 (Fig. 3 KS B 5260참조). 경우가 발생되면, 유량값의 정확도는 하락하게 된다. 따라서 전자기유량계는 관수로에 설치하기 때문에 항상 만관으로 안정적인 유속분포를 얻기 위한 일정한 단면의 직관부가 필 흘러야 하므로 배관을 설계할 때 유량계가 설치된 지점보다 요하다. 만약 흐름조건을 원활하게하기 위한 정류판이 필요 상류방향으로 유체를 배출시켜야 한다. 만약에 유체의 흐름 하다면 수위측정지점보다 약 10배 정도의 상류 측에 설치하 이 전자기유량계가 설치된 지점보다 아래 또는 수평으로 흐 는 것이 바람직하다. 르게 되면 만관을 형성하지 못하게 되므로 유량 측정시 오차 가 발생하게 된다. 또한 직관부가 충분하게 확보되어야만 전 2.3 특성평가 항목선정 및 시험방법 자기유량계가 유속분포의 영향을 덜 받게 된다. KS에서는 유량계 전단에 설치된 밸브, 수축 또는 확장관에 따라 필요 이번 특성평가는 크게 정확도시험과 구조변경시험으로 구 한 직관부의 길이를 제시하고 있다. 이번 연구에 사용된 전 분할 수 있다. 정확도시험은 액체유량교정시스템에서 측정 자기 유량계는 KS에서 제시한 규격을 모두 준수 하였다. 한 유량과 각 유량계에서 측정한 유량간의 정확도를 비교(오 한국유체기계학회 논문집: 제18권, 제6호, 2015 59
안양기 김지영 김금희 장희수 정정필 최종우 차 ) 하는시험으로유동율시험과적산유량시험으로구분할수있다. 유동율은단위시간에흐르는부피로순시유량이라고도한다. 유동율시험은일반적인교정절차와동일하게최소, 최대측정범위를정하고, 그사이를 5구간으로구분하여유량을비교하였다. 최대측정범위는액체유량교정시스템의교정범위를초과하지않기위하여 50 m 3 /h를결정하였고, 10 m 3 /h의간격으로 5개의유량지점 ((10, 20, 30, 40, 50) m 3 /h) 을선정하였다. 적산유량은일정시간에흐르는부피의총량으로수질방류시설에서주로사용하는 1일기준유량을의미한다. 이번연구에서적산유량시험은 2시간 30분을기준으로삼았고, 유동율을주기적으로변경하면서실시하였고, 평균값은약 25 m 3 /h였다. 파샬플룸의구조변경시험은각도변경 ( 파샬플룸, 수위센서 ), 위치변경 ( 수위센서 ), 정류판설치, 장애물설치, 직관부변경등을시험대상으로고려하였다. 시험대상을결정하기위해측정데이터의유효성을확보하기가곤란하거나, 파샬플룸의설치공간이부족하여측정값에영향을받는시험을제외한항목을선정하였다. 그결과로선정된시험은각도변경 ( 파샬플룸, 수위센서 ) 시험과수위센서위치변경시험이었다. 시험방법은먼저정상적인설치조건에서 30 m 3 /h( 공공하 폐수처리시설의최소유량범위 ) 를측정 ( 기준값 ) 한이후구조를변경시킨다음동일한유량을다시측정하였다. 특히파샬플룸의구조물의각도를변경해야하는시험은파샬플룸에부착된 Diverter 의위치가변경될경우유체가액체유량교정시스템으로정상적으로유입될수없기때문에전자기유량계를기준으로선정하여비교하였다. 모든계산은기본적으로상대오차의수식을적용하였다. 다만유동율의정확도시험중 F.S.(Full Scale) 오차는 Table 1에서정한최대유량범위로오차를나눈값의백분율로계산하였다. 3. 결과및고찰 3.1 정확도시험결과정확도시험 ( 상대오차 ) 은 5개의유량범위에서각 4회씩실시하였다. 전자기유량계의유동율오차 (F.S. 기준 ) 는 0.16% ~0.74% 이고, 상대오차기준으로도 2% 미만의결과로정확도가매우높았다. 파샬플룸의경우 (F.S. 기준 ) 2% 미만의오차를보였지만상대오차는저유량범위인 10 m 3 /h 에서만 8.27% 로높게측정되었다. 액체유량교정시스템과의기준값과유량계별측정값의상관성을 Fig. 5와같이계산한결과 R2 값이 0.999 이상으로매우높았다. 따라서 2종류의유량계는유동율을수식으로보정한다면정확한유량을측정할수있다는것을확인할수있었다. Fig. 5 Correlated formula of flowrate error test 적산유량은전자기유량계와파샬플룸을서로비교하였다. 액체유량교정시스템은중량을측정할수있는저장탱크의용량이정해져있기때문에장시간유량측정이불가능하기때문이다. 적산유량은총 2시간 30분동안측정한양의초기값과후기값을비교하였다. 공급유량은유동율시험에서사용한 5개유량범위를 10분씩단계적으로총 50분동안변환하였다. 이와같은유량변화를총 3회실시하여 2시간 30분의적산유량을계산하였고, 평균유량은 25 m 3 /h이었다. 적산유량시험결과전자기유량계는 2% 미만의오차를보였고, 파샬플룸은 4% 미만의오차를확인하였다. 파샬플룸의적산유량오차가유동율오차에비해감소된이유는오차가크게관측된저유량범위의유동율오차가적산값으로계산할때는양적으로비교하면고유량에비해적은양의오차였기때문에상쇄가된것으로판단된다. 3.2 구조변경시험결과구조변경시험은파샬플룸의구조물을변경하였을때발생하는오차를확인하는시험이다. 파샬플룸의구조를 3차에걸쳐변경하였다. 1차시험은파샬플룸의각도를변경하는시험이었다. Fig. 6와같이정상적인파샬플룸구조의각도를 3 간격으로변경하였을때측정된값을기준값과비교하였다. 다만 +6 는파샬플룸의 Diverter 를분리해야만구현할수있는구조이기때문에시험에서제외하였다. 시험결과기준규격보다 + 각도로변경된경우에는기준값보다유량이증가되었고, 각도로변경된경우에는유량이감소되었다. 파샬플룸각도가 -6 일때오차가최대 -9.18% 까지증가되었다. 파샬플룸의각도가음의방향으로변경되면수위센서의측정위치가유체의흐름이하강하는지점이기때문에유량이감소된것으로판단된다. 또한양의각도로변경되면수위센서측정지점이기준보다약간높은지점의유체를측정하기때문에유량증가로이어지는것으로판단된 60 한국유체기계학회논문집 : 제 18 권, 제 6 호, 2015
방류수유량계 ( 전자기유량계, 파샬플룸 ) 의특성평가연구 Fig. 6 Angle change test of parshall flume structure Fig. 8 Position change test of level sensor Table 2 Result of test bed Fig. 7 Angle change test of level sensor 다. + 각도보다 각도의유량오차가더큰이유는수위의하강비율이상승비율보다더급격하기변했기때문일것이다. 2차시험은수위센서의각도를변경하는시험이었다. Fig. 7과같이수위센서의각도를변경하였을때발생하는오차를기준값과비교하였다. 시험결과는파샬플룸각도변경시험과유사하였다. 기준규격보다 + 각도로변경된경우에는기준값보다유량이증가되었고, 각도로변경된경우에는유량이감소되었다. 파샬플룸각도가 -6 일때오차가최대 -5.68% 까지발생되었다. 따라서각도변경시험결과수위가하강되는지점의측정오차가수위가상승되는지점보다더크다는것을확인할수있었다. 마지막 3차시험은수위센서의위치를변경하는시험이었다. ISO9826 에서는수위측정지점을수축부의 2/3지점이라고규정하고있기때문에수위센서가다른지점에설치되었을때발생할수있는오차를확인하기위한시험이다. 3차시험이중요한이유는파샬플룸이설치된방류시설에서가장흔하게관측되기때문이다. 수위센서의위치는 Fig. 7과같이변경하여시험을실시하였다. 1번지점을기준으로유량을측정하고 1/2 지점과유입지점으로수위센서위치를변경하여유량을측정하였다. 각도변경시험과마찬가지로수위가하강되는 2번지점의오차가 -1.3% 로가장크게관측되었다. 추가로수위센서위치를변경하여측정해보려고하였으나, 파샬플룸의벽면에 Division Accuracy test Structure change test Test category Flowrate error (F.S.) Flowrate error Accumulate flow error Angle change of parshall flume Angle change of level sensor Position change of level sensor Electromagnetic flowmeter (%) 0.16 0.74 1.03 1.24 0.9 1.9 Parshall flume(%) -0.35 1.54-1.74-8.27 1.5 3.2-3.11-9.18-0.39-5.63 - -0.23-1.30 수위센서의초음파가반사되어오류가발생되기때문에이번시험에서제외하였다. 3.3 결과정리및고찰 이번연구에서사용한전자기유량계는 KS규격에적합한구조 ( 직관부및만관여부 ) 로설치되었다. 하지만파샬플룸은 ISO 에서정한제작규격은만족했지만직관부가충분하게확보되는구조로설치되지않았기때문에측정값의오차와편차에영향을미쳤을것으로예상된다. 액체유량측정에서직관부는측정하는지점의안정성을확보 ( 편차감소 ) 하기위해필요하지만불충분한직관부길이도측정오차를증가시킬수있을것으로사료된다. 따라서이번연구에서도파샬플룸의측정편차가일부있었지만기준값과의상관성이매우높았기때문에정확도에는큰영향을미치지않는것으로판단하였다. 과거한국표준과학연구원의선행연구자료에서도직관부가충분하였을때 ( 목직경의 40배 ) 와짧았을때 ( 목직경의 10배 ) 오차는 ±1%( 보정값 ) 로동일하 한국유체기계학회논문집 : 제 18 권, 제 6 호, 2015 61
안양기 김지영 김금희 장희수 정정필 최종우 였고, 직관부가없는경우에오차가 2% 부근이었다. 정확도시험과구조변경시험결과는 Table 2에정리하였다. 정확도시험결과전자기유량계는 2% 미만의오차로정확도가높은것을확인하였다. 파샬플룸은저유량범위에서오차가발생되었지만수질방류시설에서적용하는적산유량은 4% 미만의오차를보이고있고, 시간이증가될수록오차는감소될것으로판단된다. 구조변경시험결과파샬플룸의수위센서가기준 ( 수축부의 2/3 지점 ) 보다흐름이하강되는지점을측정할경우오차가더크게증가하는것을알수있었다. 이현상은총 3종류의시험에서동일하게관측되었다. 4. 결론본연구에서는수질방류시설에주로설치된전자기유량계와파샬플룸을 KOLAS 로부터인정받은액체유량교정시스템과다양하게비교하는특성평가 ( 정확도시험, 구조변경시험 ) 를실시하였다. 아직까지수행된사례가없었던액체유량교정시스템과여러유량계의정확도시험을위하여별도의 Test bed 도구축하였으며, 이번연구를통해얻은결론은다음과같다. 전자기유량계와파샬플룸은액체유량교정시스템과의상관성이매우높았고,(R 2 =0.999 이상 ) 보정식을이용하면정확한유량을측정할수있다. 수질방류시설의유량값으로적용하는적산유량시험결과전자기유량계는 2% 미만의오차를보였고, 파샬플룸은 4% 미만의오차를확인하였다. 파샬플룸의경우유동율오차가최대 8% 까지측정되었지만적산유량오차는저유량과고유량의오차가서로상쇄되어감소되었다. 구조물을이용하는파샬플룸은설치규격이변경될경우오차가더욱증가된다. 특히수위센서가흐름이하강되는지점을측정하도록구조가변경될경우오차가더욱증가하였다. 본연구결과에따라향후수질방류시설에설치된유량계의신뢰성확보를위해서는유량계의제작규격준수여부를가장먼저확인해야할것으로판단된다. 그리고유량계설치시발생할수있는구조변경건에대해서는추가연구가필요할것이다. 직관부길이변경, 장애물설치, 수위센서영 향, 이물질등과같이현장에서흔히발생할수있는오차요인을도출하고, 최적설치방안을제시하기위한연구를지속적으로추진해야할것이다. 후기이연구사업은국립환경과학원환경측정분석기반구축예산으로수행되었고, 높은연구성과를달성할수있도록도움을주신감독위원및자문위원님들께감사드립니다 ( 과제번호 NIER-SP2014-133). References (1) US Environmental protection agency, 2004, NPDES Inspection Manual, part 6. (2) Lim, K. W., Choi, J. O., and Lee, W. K., 2004, A study on the uncertainty estimation of flowmeter calibrator with two master flowmeters, The Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 1219 1230. (3) 환경부, 2012, 수질오염공정시험기준 ES04140 (4) 기술표준원, 2009, KS B 5260 전자유량계 (5) ISO, 1992, ISO 9826 Measurement of liquid flow in open channels-parshall and SANIIRI flumes. (6) 기술표준원, 2009, KS B ISO 8368 수리량측정-구조물을이용한개수로의유체흐름측정-구조물선택지침 (7) JIS, 1993, JIS 7553 Parshall flume type flowmeters. (8) 과학기술처, 1995, 오폐수유량계교정기술개발 ( 제1차년도 ). (9) Lee, D. K. and Park, J. H., 2008, Uncertainty characteristics of diverter for flowmeter calibration system, The KSFM Journal of Fluid Machinery Vol. 11, pp.50 55. (10) Kim, S. Y. and Lee, S. O., 2013, Dimensionless discharge formula of parshall flumes with arbitrary shape, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 33, pp. 1777 1783. (11) Park, Y. C., Nam, K-H., Park, J-G., 2013, Characteristics for Straight Running Length of Flow Meter for Calibration, The Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 124 129. 62 한국유체기계학회논문집 : 제 18 권, 제 6 호, 2015