5. 초음파유량계 가. 초음파유량계원리 1) 개요 초음파유량계는 1880 년압전효과가발견된이후 1918 년초음파진동 소자가선박의항해때에암초, 빙산, 등의탐지를위해처음으로사용되었 으며, 초음파를이용한유량측정은 1920 년경반전파기술을이용한유량계 가나왔고점차기술의발달로 1970 년부터산업현장에서유량측정에폭 넓게응용되기시작하였다. 이와같은초음파유량계는음향식유량계라고도부르며, 유체가흐르고 있는관내에음파를보내면그전반속도는유체의흐름영향을받아흐름 과동일방향에대해서는정지되어있을때의음속에유속을가한속도로전 해지고, 반대방향에는반대로유속을뺀속도로전해진다. 이두가지방향 의음속의차를측정하면유속이구해지고, 이것을이용하여유체의체적 유량을측정할수있도록한것이초음파유량계이다. 초음파를이용한유속유량측정방법은아래와같이많으며, 현재실용화 되고있는것이전반속도차법과도플러법이있다. 전반속도차법은정수 공업용수, 농수등비교적맑은물을대상으로하고, 도플러법은하수, 공장폐수, 공장배수등이물을다량함유한오수를측정대상으로한다. 구분초음파유량계 능동. 수동별 유량계종류 능동형 측정원리 검출하는량 측정법의약칭 비고 전반속도의변화 전반속도차법가장넓게사용위상차위상차법시간차시간차법상수도용주파수차싱어라운드법 빔의변위 수파감도차 빔의편위법 도플러효과 변화주파수 도플러법 하수, 배수용 수동형유체발생음음의크기청음법주파수도관계 특징은대유량측정에이용되고, 이방식은두꺼운금속관외부로부터 유량측정이가능하므로기존설치된배관에별도의가공을하지않고도 유량측정이가능하다.
또한유체유속방해없이유속측정이가능하고초음파가전달되는유체라면어떠한유체유속측정도가능하며, 고점도액, 비전도체액또는가스의유속측정도가능하며, 측정대상의외형적크기와도무관해서하천등의유속도측정이가능하다. 2) 측정원리 가 ) 전반속도차법 유체가흐르고있는유체동일면상의서로반대방향에서초음파를발사 하면유체의흐름과같은방향인하류측으로발사된초음파와그반대방향 인상류측으로발사된초음파가같은거리를통과하여각각반대편의수신 기까지도달하는데걸리는시간의차가생기게된다. 이와같은차를직접 시간차로검출하느냐위상차로검출하느냐또는주파수로검출하느냐에따라서각각시간차법, 위상차법, 주파수법으로구분한다. (1) 전반시간차법초음파가유체를통과할때유체가흐르고있는상태에서는정지경우에비해유속분만큼초음파진행속도는변화한다. 즉, 그림에서와같이 2조의초음파송수신기 T 1, R 1 및 T 2,R 2 를유체중에대응해서설치한후한쪽은흐름과동일방향으로다른쪽은흐름과역방향으로초음파를발사시킨다. 정지유체중의음속을 C, 유체유속을 v라하면은순방향초음파의진행속도는 C + vcosθ, 역방향초음파의진행속도는 C - vcosθ가되고, T 1 - R 1 및 T 2 -R 2 간거리를 로동일한상태에서 T 1 R 1 순방향초음파도달시간은 t 1, T 2 R 2 역방향초음파도달시간을 t 2 라하면다음과같이나타낼수있다. t1 C + v cosθ t2 C - v cosθ 여기에서유체를액체로생각하면일반적으로액중음속 C는 1500 m/s정도유속 v는공업적용도로서수 m/s를넘지않으므로 C 2 v 2 가되고, 따라서시간차 (Δt) 를구하는방법은아래와같으며, 결과식에서, C 값을알면시간차를측정하므로서유속 v를구하는것이다.
Δt t2 - t1 C - v cosθ - C + v cosθ 2v cosθ C 2 - v 2 cos 2 θ 2v cosθ C 2 C 2 v 2 ( 이므로 ) T1(R2) θ V V cosθ T2(R1) < 그림 6-13 전반시간차법의측정원리 > 직경 1 m의관로상에물의유속이 100 m/s 일때초음파유량센서를 45 로설치하면 Δt는약 10 4 ns이고, 관직경이 10 cm/s 인경우에는 Δt는약 100 ns가된다. 따라서 Δt를증가시키기위해 을증가시키는다중전파방법이나동축전파기술을채택하고있다. 물속에서온도변화에따른음속변화는물의온도가 20 일때 1 의온도증가에대하여음속이약 0.2 % 변하게되며, 이의영향을유속을구하는식에대입하면유속측정시약 0.4 % 오차를유발하게된다. 따라서시간차법에의한초음파유량계에있어서는음속변화의영향을시간차를측정하지않고, 그역수인주파수차이로측정하는싱어라운드방식을사용함으로서해결하고있다. 가 (2) 주파수차법 ( 싱어라운드방식 ) 초음파송파기 T 1 로부터초음파펄스가유체흐름방향으로발사되어 시간 t 초후에는수파기 R 1 에수신되는상태에서그때증폭기 A 에서수신 신호를증폭하여그출력을 T 1 에가하면 T 1 으로부터는다시초음파펄스 발사되고이후에는반복하여행해진다. 반복주기 t 는아래와같으며, 반복주파수 f 1 은아래오른쪽의식과같다. t C + v cosθ f1 1 C + v cosθ t1
따라서, 반대방향의 T 2 로부터초음파펄스가유체흐름방향쪽으로발사 되어시간 t 초후에는수파기 R 2 에수신되는상태에서반복주파수 f 2 은아래의식과같다. t C - v cosθ f2 1 C - v cosθ t2 여기에서 f 1 과 f 2 간의주파수차를 Δf 라하면 Δf f1 - f2 C + v cosθ C - v cosθ - 2 v cosθ 가구해진다. 주파수차방식은 C 를포함하고있지않으므로음속과는무관하게유속을측정할수있다. T1(R2) f1 출력 증폭기 A v f1 f2 증폭기 B f2 출력 T2(R1) < 그림 6-14 주파수차방식의초음파유량계 > (3) 위상차법 위상차법본질적인원리는시간차법과동일하며위상차법과시간차법간에는 Δφ 2πftΔt 의관계가성립하므로다음과같이표시할수있다 Δφ 2πft.2.( sinθ C 2 D )v cosθ cosθ 4πft D ( sinθ C 2 ) v 4πft D cotθv C 2 위상차는주파수에비례하므로주파수를높게하는만큼측정감도는향상되지만주파수를올리면측정가능최대유속값은내려감으로적절한주파수를선정해야한다. 또연속파를이용할경우 2개측정경계간에는상호간섭이생길우려가있다. 아래그림은위상차측정법원리도이다.
송신 수신 θ < 그림 6-15 위상차법측정원리도 > 나 ) 도플러법도플러란달리고있는기관차가정지하고있는관측자에게접근할경우기관차가내는기적의진동주파수는기관차가관측자를지나멀어져갈때에비해높게되는것과같은도플러효과를이용하여유속이나유량을측정하는원리이다. 측정방법은초음파를배관내흐르고있는있는유체중에조사하면조사된초음파는유체중의부유물이나기포로부터산란, 반사된다. 이때기포나미소한부유물은유체와함께같은속도로이동하고있는것으로볼수있으므로송신파주파수를 f t 라하면기포나미소부유물로부터산란, 반사되어들어온수신파주파수 f r 은다음과같이표시할수있다. fr( C - v cosθ ) ft ( C + v cosθ ) fr ft C + v cosθ C - v cosθ ft ( C + v cosθ ) 2 ( C - v cosθ ) ( C + v cosθ ) ft C 2 + 2v cosθ + v 2 cos 2 θ C 2 - v 2 cos 2 θ 그런데 C 2 v 2 cos 2 θ 이므로 Δf ft - fr ft. 2v cosθ C v C 2. ft cosθ. Δf 가된다. 따라서송수신주파수차이인편이주파수 Δf 및 v 는다음과같다 fr ft C 2 + 2v cosθ C 2 2v cosθ ft ( 1 + ) C
도플러법초음파유량계를사용함에있어여러부유물로부터반사파를수신하게되는데이들부유물가운데는관의벽면에매우근접한것들도있어서관내의평균유속과의상관관계가매우부정확할우려도있다. 도플러유량계는깨끗한물에대해서사용할수없으며, 유체중에어느정도크기의부유물이있어야한다. 현재는부유물의입자크기가약 30 μm정도만되면사용할수있는도플러초음파유량계가상품화되어있다. 도플러유량계는전형적인사용처가슬러리나기포가포함되어있는 PG 등의유체로초음파전반시간차법의초음파유량계로측정이불가능한유체의유량측정에적용할수있어서서로상호보완적인관계를가지고있다고볼수있다. 나. 유량계특성 1) 유속분포의영향 초음파유량계에서측정하게되는유속은초음파도달시간차를이용하 는방식에서는초음파전파경로상평균유속을사용하고, 도플러효과를 이용하는방식에서는초음파조사부분의유속을측정하고있다. 그러나 유체는점성의영향으로배관내의벽면부근에서는유속이떨어지고배관 중심부에서는최대유속이되는유속분포를가지고있기때문에초음파 유량계에서검출하는유속은배관단면의실질적인평균유속과는차이가 있게된다. 초음파전반시간차법에의한초음파유량계에서검출되는유속은초음 파의전파경로상직경의유속분포를평균화한값, 즉관내유속분포도에서사선친면적을관직경으로나눈값으로다음과같이표시할수있다 Y X 유체흐름 Z 아래식은유속및평균유속 (v') 이다. < 그림 6-16 관내의유속분포 > v 1 D u(x) dx v' 1 S u(x,y) dx dy
따라서일반적으로 v' C 이다. 이런이유로검출유속 V 와실제적인 관내의평균유속 v' 의비를유량보정계수 K 라하여실제유량계에의해검출한유속값을유량보정계수로보정하여유량을계산하고있다. Q 2) 배관조건에따른영향 A. v πd 2. 4 초음파유량계는관내유속분포가충분히발달된축대칭인것을전제로 하고있어검출기전후에는적절한배관길이가필요하다. 이는초음파전달 시간차의경우배관단면의직경상의평균유속을측정함에따라면유속을측정하는전자유량계와비교할때유속분포의영향을받기쉽기때문이다. v K 본체 전원 AC 100V 60 Hz 출력신호펌프밸브 E 전선관케이블 5 D 이상 초음파검출기 30 D이상 50 D 이상 10 D 이상 < 그림 6-17 초음파유량계구성및설치방법 > 다. 초음파유량계선정및설치 1) 초음파유량계의선정가 ) 습식과건식의비교초음파유량계는센서의설치방법에따라아래그림과같이배관내에직접설치하는습식 (Wet type) 과배관외부에클램프등을이용하여설치하는건식 (Clamp on type 또는휴대형 ) 이있다. 단관형 ( 습식 ) 은유량계측, 제어등공정프로세스라인에설치되어연속적으로가동하는것을목적으로설계되었지만, 건식은짧은기간의간이측정을목적으로하고있다. 따라서측정목적을명확하게하여습식으로할것인지, 건식으로할것인지를결정해야한다.
건식이습식에비해서설치가간편하다는점을제외하고는측정상정확도, 정밀도등의모든면에서습식과비교할때떨어진다는단점을가지고있다. 초음파검출기 유체 유체 건식 습식 < 그림 6-18 초음파센서부착방법 > 습식센서는실제적으로초음파의전파경로를임의로선정할수있지만일반적으로단관길이를짧게하기위하여유체흐름과의교차각도를 45 로하는것이보통이다. 이경우초음파도달시간차로감지되는유동벡터성분은 0.707 (45 의 cosine 값 ) x 장치의감도가된다. 건식센서에있어서만약센서를강관상에부착시키는경우강관에서액체로초음파가진행할때생기는굴절현상으로인하여유체흐름과의교차각도가 60 70 정도되는데이경우감지되는유동벡터의성분은 (0.5 0.25) x 장치의감도가되어서두방식으로사용된전자회로의감도가동일하다면습식의경우가크고감도가좋은신호를얻을수있게된다. 또한습식초음파유량센서는유체를통과하는초음파가원래의파형을그대로유지할수있으나건식의유량센서는일단관벽을통과하는과정에서잃어버리게되어결과치인양끝의신호에의해동기됨으로서신호처리상재현성이나빠지게된다. 그외에습식은미리배관의정확한내경을측정할수있어서칫수측정부정확으로인한오차를줄일수있는장점이있다. 특히소구경배관에서오차를현저히줄일수있게된다. 나 ) 단일빔과다중빔방식단일빔방식의초음파유량계에서는원리상초음파가통과하거나반사하는관내의한면이나점에서의평균유속을측정하여여기에관의단면적을곱하여유동율을구하게된다. 그러나실제로관내의유속분포는유동율의변화에따라달라지게되어유속분포의변화에따른보정계수의사용이필요하다특히유동이층류에서난류로바뀌는천이영역에서는보정
계수값의변화가최대 30 % 정도까지될수있다. 비록충분히확립된난류유동상태에서도레이놀즈수가 10 4 변함에따라보정계수값도최대 3.5 % 정도변하게된다. 10 7 범위로 이와같은유속분포에의한오차는비대칭유동이나소용돌이에서는더욱 복잡한양상을띠게된다. 유속분포에의한영향은기본적으로변환기를관의중심선에서벗어난 위치에적절히설치함으로서그오차를어느정도최소화할수있는데단일 빔만을사용할경우에는그림과같이 Mid-radius 한쪽에변환기의위치를 설정하는것이가장적합한것으로평가되고있다. 그러나이같은것으로 는유량계상류측에설치된곡관, 티이, 밸브등으로인한비대칭와류등에 는그효과를기대할수없기때문에같은상태에서의측정정확도향상을 위해다중빔방식을채택하게되었다. 다중빔방식에서변환기의위치는한조의변환기가고장났을경우신호 처리장치에서적절한조작을통하여나머지변환기만으로유량을측정할 수있는점이다. 그러나다중빔방식은다음과같은단점을가지고있다는데유의하여야할것이다. DIAMETARA BEAMS MID - RADIUS BEAMS MUTIPE BEAMS < 그림 6-19 초음파유량계의여러가지빔전파방식 > 아래그림에서보는것과같이이중빔의경우변환기설치또는검사과정에서 1 또는 2 의거리가변경될수있으며이경우영점이변하게되어전체적인측정에영향을미칠수있다. 단일빔의경우거리 1 이변하더라도상류또는하류측방향으로의초음파전파거리는항상동일하게유지할수있다. 따라서온도나압력등의영향으로파이프가불균일하게변경될가능성이있는경우다중빔방식은초음파전파경로변화의영향으로측정상오차가발생된다.
2 1 1 < 그림 6-20 이중빔과단일빔방식의비교 > 2) 초음파유량계설치초음파유량계가좋은측정정도를가지며장기간에거쳐안정되게사용하기위해서는다음과같은점에유의하여설치하여야한다. 가 ) 일반적인조건 1 주위온도가급격하게변화하지않는장소 2 설치된주위습도가 90 % 이하인장소 3 진도이나충격이가급적적은장소 4 물이차지않는장소 5 스위치및전기기기류의접점등의전자기장해가없는장소 6 부식성이아닌장소 7 유지보수를위한공간이확보되어있으며, 설치작업공간이있는장소나 ) 배관및설치상주의점 1 배관안에는항상유체가곽차흐르도록되어야한다. 2 유체중에기포가혼입되지않아야하며, 만일혼입될우려가있을경우에는기체분리기를상류측에가급적멀리떨어진지점에설치한다. 3 배관내면은깨끗하고요철이나부착물이없어야하며, 검출기가접촉하는배관표면도깨끗한상태로하고돌출부가없도록한다. 4 검출기의상류측과하류측에는충분한길이의직관부를두어야한다. 5 배관재질의외경치수, 배관두께, 배관내, 외면 ( 특히내면 ) 의재질과두께를정확히실측하여알아야한다. 6 변환기를취급시부주의로떨어뜨리거나충격을주게되면, 정확도에영향을미치므로주의를해야한다. 7 검출기와배관과의접촉부에는음향결합재 ( 구리스또는접착제등 ) 을칠한다. 이때기포나이물질이혼합되지않도록한다. 8 수평배관일때는기체의체류, 모래의퇴적등에의한영향을배제하기위해수평면에서 ±45 이내에설치하며배관이구부러졌거나프랜지및용접부위등이있는장소는피한다. 9 출력신호용배선및전원용배선은반드시별개의전선관을사용한다.