KR100492308B1 - 초음파 유량 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

초음파 유량측정 방법에 있어 유량측정에 필요한 유체의 단면적을 유속을 측정하는 초음파 전파 궤도선에 대해 직각으로 되는 단면적을 선택하고 초음파로 직접 측정되는 초음파 전파궤도와 일치되는 방향의 유속성분을 선택한 단면적에 곱하여 유량을 연산하는 방법이다. 이와 같은 방법으로 유량을 측정하면 유속 측정오차와 단면적 측정오차를 현저히 감소시킬 수 있어 유량측정 정도를 높이는 효과가 있다.

Description

초음파 유량 측정 방법{ULTRASONIC WAVE FLOW MEASURING METHOD}
본 발명은 초음파 유량 측정 방법에 관한 것이며, 특히 유체 흐름 단면의 여러 부분에서의 유속을 초음파로 측정하여 유량을 연산하는 방법에 있어서 이미 배관된 파이프 관에 초음파 변환기(ultrasonic transducers)들을 설치하여 유량을 측정하는 방법에 관한 것이다.
초음파 유량 측정 방법의 기본은 다음과 같다. 초음파를 이용하여 유체 단면의 일부분, 예를 들어 관로(파이프)의 내경에서의 유속 VD 를 측정하여 유량계수 K 와 유체의 단면적 S 와 함께 곱하여 유량을 계산하는 초음파 1회선 유량계 또는 VD 외에 유체단면 S를 여러 개로 분할하는 현 (chord) 선상에서의 유속을 초음파를 이용하여 측정하여 단면 평균유속 Vs 를 계산하여 단면적 S 를 곱하여 유량을 계산하는 "초음파 다회선 유량 측정방법"이 널리 알려져 있다.
한편, 개수로에서 여러 수심에서의 수평 평균유속을 측정하여 유량을 계산하는 방법도 알려져 있다.
이와 같은 대표적인 초음파 유량측정 방법과 장치들은 다음과 같은 특허에 공개되어 있다: US Patent No. 5,531,124 (1996. 7. 2. 발행), US Patent No. 4,646,575 (1987. 7. 25), US Patent No. 4,860,593 (1989. 8. 29), US Patent No. 5,780, 747 (1998. 7. 14), Patent No. 4,676,321 (1998. 7. 25), Russian Patent No. 2138782 (1999. 9. 27).
알려진 모든 초음파 유량 측정방법의 공통점은 다음과 같다:
1) 유량 측정단면을 유체흐름 방향에 대해 직각으로 되는 단면 S 를 선택하고 있으며, 관로(파이프)인 경우에는 관로(파이프) 중심선에 대해 직각으로 되는 단면을 선택하고 있다.
2) 따라서 초음파로 1차적으로 측정되는 유속을 선택한 단면에 대해 직각으로 되는 유속으로 환산하고 있다. 이렇게 환산된 유속의 방향이 유체흐름 방향과 일치된다고 가정하고 있다.
3) 초음파 유속측정 방법으로서 주파수차, 위상차 방법들이 있으나 모든 방법들은 초음파 전파시간차 방법에 근거한 것이다. 그리고 전파시간차 (transit time difference) 유속 측정 방법이 가장 많이 사용되고 있다.
대표적인 전파시간차 유속 측정식은 다음과 같다.
여기서, L은 변환기(transducer) 쌍 1 과 2 간의 간격 길이이고 d 는 L 의 사영(projection) 의 길이고 (d=L cosφ), t1 은 유속방향으로 변환기 1에서 2 까지 초음파가 전파한시간, t2 는 유속 방향 반대로 변환기 2 에서 1 까지 전파한 시간이다 (도 1 참조).
초음파 1 회선 유량 측정 방법의 유량 계산식은 다음과 같다.
Q = K·VD·S
여기서, K - 유량계수, VD 는 식 1에 의하여 측정되는 직경선 상의 유속이고, S 는 위에서 언급한 유체의 단면적(파이프 관의 내부 단면적)이다.
초음파 다회선 유량 측정 방법의 유량 계산식 중 하나는 다음과 같다.
Q = Vs·S
여기서, Vs 는 여러 현 선상에서의 유속을 식 1로 측정하여 유체단면 총 평균 유속을 구한 것이다.
초음파 유량계의 가장 큰 특징은 다른 유량계와는 달리 이미 배관되어 있는 파이프 관에 변환기들을 설치하고 유량측정을 시작 할 수 있다는 것이다. 그리고 파이프 관을 통해 유체가 수송되고 있는 조건에서도 변환기들을 파이프 관에 착공(drill)하여 설치하는 기술도 발달되어 있다. 이러한 이유로 초음파 유량계가 많이 사용되고 있다.
특히 초음파 다회선 유량측정 방법은 유량계수 K = const 가 되는 조건(예를 들어 직관 부분의 길이가 최소 25D 가 되야 하며 Re > 104 가 되어야 한다는)이 보장되지 않아 유속분포가 정상 상태가 되지 않는 경우, 그리고 파이프 관의 내경이 매우 큰 경우에도 유량을 정확히 측정 할 수 있다. 이 때문에 내경이 큰 파이프관에 적용하는 유량계로 많이 사용되고 있다.
도 2에 5 회선 유속측정 회선도를 일 예로 나타내었다. 회선수는 필요에 따라 더 증가시킬 수 있다. 도 2 에서, d =Li·cosφi= const 로 하기 위해 변환기 쌍 (1,2)i 들의 설치 각도 φi 가 동일 하지 않다.
상기 수학식 2 및 3에서 알 수 있는 바와 같이 유량 측정오차 δQ 는 유속 측정오차 δV ,와 단면적 측정오차 δS 의 합으로 볼 수 있다.
1 회선 유량 측정방법에서의 유량 측정오차는 다음 식과 같다.
δQ = δK + δVD + δS
다회선(multipath) 유량 측정방법에서는 δQ 는 다음과 같다.
δQ = δVi + δM + δS
여기서,δK 유량계수의 오차이고, δM 은 여러 현 선상에 측정된 유속 Vi 를 이용하여 단면 평균유속 Vs 를 연산하는 오차이다. (예 의 근사 적분오차)
상기 식 4 및 5에서 유량 측정오차 δQ 는 유속 측정오차 δV 와 단면적 S 측정오차 δS 에 의해 결정된다. 따라서 δV 와 δS 를 현저히 감소시켜야 유량 측정 정도(精度)를 높일 수 있다.
유속 측정식1 에서 전파 시간 측정오차들은 우연오차 성분으로 구성되어 있다고 보면 유속측정 오차는 다음과 같다.
( )
여기서, δL은 L 측정 오차, δd 는 d 측정 오차를 나타내며, L 과 d 는 한번 측정하여 유속 연산장치에 입력시키는 정수(constant)이다. 따라서 δL과 δd 의 부호는 변하지 않는다. 즉, 고정 오차이다. 그리고 δt1, δt2, 는 전파 시간 t1 과 t2 그리고 Δt = t2 -t1의 오차이다.
식 6에서 알 수 있는 바와 같이 t1, t2 를 매우 정확하게 측정하여 A 가 무시 할 정도로 작아진다 하여도 δL 과 δd 가 크면 유속 측정 오차 δV 도 커진다. (δL 이 2배로 되는 것은 L2 이기 때문)
파이프 관인 경우 단면적 S 는 내경 D 를 측정하여 통상적으로
으로 계산된다. 따라서, 단면적 계산 오차 δS 는 다음과 같다.
δS = 2δD
여기서, δD 는 내경( 평균내경) D 의 측정오차이다.
따라서, 기하학적 정수 L , d , D 측정오차가 유량 측정오차로 나타나는 것은 다음과 같다.
δQ = (2δL + δd + 2δD)+ A
이들의 오차는 고정 오차이고, 이들 부호를 모르는 조건에서 산수적 합으로 표현한 것이다.
플랜지형으로 유량계를 제작하는 경우에는 내경 D 의 둘레를 따라 여러번 측정하여 평균치 를 구할 수 있어 δS = 2δD 를 상당히 작게 보장 할 수 있다.
그러나, 변환기들 간의 간격 Li 측정은 간단하지 않다. 내경을 정확하게 측정할 수 있는 계측기는 있지만, 파이프 축에 대해 각도 φ 로 배치된 변환기간의 초음파 전파거리 Li 를 직접 측정 할 수있는 정밀한 계측기는 없다. 따라서 간접적으로 측정 하게된다. 이로 인하여 δLi 를 무시 할 정도로 작게 보장 하기는 어렵다.
그리고, 사영의 길이 d = L cos φ는 L 을 측정하고 변환기 설치 각도 φ 를 측정하여 계산한다면 δd 는 다음과 같다.
δd = δL + δcosφ
여기서,
따라서 δd 는 다음과 같다.
δdMAX = δL + (cosα + tanφ·sinα-1)
여기서, α는 각도φ 측정 절대 오차이다. 예를 들어 φ=45˚, α=0.25˚이라면, δcosφ 0.44% 가 된다.
만일에 각도φ 를 매우 정확하게 측정 할 수 있어 δcosφ 를 무시 할 수 있다면 δd δL 이 될 것이고, 기하학적 거리 측정 오차δW는 다음과 같다.
L + 2δD
그러나, 이미 배관돼 있는 파이프 관에 변환기들을 설치하는 경우에는 내경 D 를 직접 측정할 수 없다. 다만 파이프 규격 표에 지적된 내경을 이용 할 뿐이다. 그러나 파이프 제조업체가 지적한 내경은 일정한 편차가 있고 또 내벽에 방수층(anticorr)이 코팅되어 있는 경우 두께는 정확히 알 수 없다. 이로 인하여 내경의 절대오차가 2 - 4 mm 정도 되는 것이 일반적이다. 만일, 내경 가 600 mm 이고 ΔD =4 mm 라고 하면, δD = 4 × 100 / 600 0.67% 가 되고 단면 오차는 δS=2×0.67 = 1.34 % 가 된다.
전파거리Li 를 초음파를 이용하여 정확히 측정하는 방법은 있다. 파이프관내의 유체의 음속 C 를 3 지점 방법으로 측정하고 변환기 쌍간의 전파 시간 t1,2 를 측정하여 L = C×t1,2 의 계산으로 L 값을 비교적 정확하게 알 수 있다.
예를 들어 US Patent No. 5,531,124호에 소개된 방법은 다음과 같다:
내경선상의 유속을 측정하는 변환기 쌍간의 전파시간 t1,2 를 측정한 후 변환기 1개를 파이프관 안으로 ΔL 만큼 삽입하고 다시 전파시간 t를 측정한다.
Li = C`(t1,2)i
만일, 전파시간 t1,2, t 그리고 ΔL 을 매우 정밀하게 측정 할 수 있다면 Li 의 오차는 매우 작아진다. 그러나, 내경이 클 경우 식 12 와 13에 의해 구해지는Li 의 오차가 커질 수 있다.
그 원인을 살펴보면, 식 12 에서 구해진 음속 C 는 ΔL 구간에서의 음속이고, ΔL 구간에서의 음속과 동일하지 않는 경우가 있다. 예를 들어, ΔL 구간, 즉 관벽 부근에서의 유체의 온도가Li 전체구간에서의 평균온도와 일치하지 않으면 식 12 에서 구해진 음속 C 가Li 구간에서의 음속CLi와 동일하지 않게 된다. 만일에 만큼 된다면 C=CLi 로 될 것이다. 그러나 파이프 내경이 클 경우 Li 도 커지기 때문에 음속 측정용 변환기의 길이가 상당히 길어지는 단점이 있다.
본 발명은 유속과 유량을 측정, 연산하는데 필요한 기하학적 정수들의 오차 성분을 현저히 감소시키는 유속, 유량측정 방법을 제공하는데 기본 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따라 초음파 유속측정 다회선을 구성 할 경우 변환기 쌍들의 설치각도를 동일하게 하여 이들 변환기의 설치를 쉽게 하는 데 있다. 종래의 기술에 따르면 변환기 쌍들의 설치각도가 다양해야 하는 바 설치작업이 복잡하다.
본 발명에 따르면, 파이프관 중심선에 대해 φ=45°로 절단되는 파이프관의 내부 단면적 Sφ를 유량측정 단면으로 선택하고, 타원으로 되는 단면적 Sφ 의 장경(長涇)을 이루는 두 지점에 변환기 쌍을 설치하고 이를 중심으로 좌우로 타원의 둘레를 따라 몇 개의 변환기 쌍을 설치하며, 타원의 여러 현 선상에서의 유속을 초음파를 이용하여 측정하고 단면 Sφ 의 평균유속을 연산하여 타원 단면적 Sφ 에 곱하여 유량을 측정하는 방법을 제공한다.
타원 Sφ 의 장경은 초음파를 이용하여 정확하게 측정된다.
유량 Q 는 유속 V 방향에 대해 직각으로 되는 단면 S 에 S 를 통과하는 단면평균유속 Vs 를 곱한 것이다.
초음파를 이용하여 1차적으로 측정되는 유속 VL 의 방향은 파이프관을 흐르고 있는 유체의 유속방향이 파이프관의 중심선방향과 일치한다면 다음과 같이 된다.
VL = Vcosφ
따라서, VL 에 대해 직각으로 되는 유체의 단면 Se⊥ 에 VL 을 곱한 q 의 값은 V 에 단면 S 를 곱한 값과 동일하다.
이와 같은 관계를 도 3을 참조하여 설명하면,
단면적 S 는 ;
타원의 단면적 Se⊥ 가 되고,
여기서, Le 은 타원 Se⊥ 의 장경, D 는 단경이며, 파이프관의 내경과 동일하다.
장경 Le 은 이므로 따라서 Se⊥는 다음과 같다.
이것을 식 15 에 대입하고 VL 대신에 식 14 의 표현을 대입하면,
로 된다.
φ = 45°인 경우의 타원면적을 Sφ 라 하고, 타원 Sφ의 장경을 이루는 정점(頂点)에 변환기 쌍 1 과 2 를 설치하면 그들 간의 간격 L 이 Sφ 의 장경이 된다. 만일 φ≠45°인 경우에는 선택해야 할 타원의 면적 Se⊥ 는 다음과 같다.
여기서, L은 타원 장경 정점(頂點)에 배치된 변환기 쌍 1과 2 간의 거리이고,
L·tanφ 는 장경 Le 이다. φ = 45°때는 (tan45°= 1.0) Se⊥ = Sφ 가 되고 이의 장경은 L 이 된다.
초음파 전파 시간차 방법으로 측정되는 유속 VL 의 방향은 변환기 쌍 1과 2 를 연결하는 선 L 의 방향과 일치하고 다음과 같다.
이 수학식 18은 다음과 같이 유도된다.
;
위의 관계식에서 다음과 같은 관계식이 성립된다.
…………………………… (a)
…………………………… (b)
를 구하면 다음과 같이된다.
즉, 식 18이 된다.
(전파시간차 방법은 음속 C²에 종속된다고 자주 말하고 있는데 사실은 그렇지 않다.)
φ = 45°인 경우 장경 L 로 되는 타원의 둘레를 따라 도 4 에 보인 것처럼 여러 개의 변환기 쌍(1,2)i 을 설치하고 타원 Sφ 에서 여러 현 Li 에서의 유속 VLi 를 측정하여 타원 Sφ 에서의 평균 유속 Vsφ 를 연산하여 단면적 Sφ 에 곱하면 파이프관을 통과하는 유체의 유량 Q ㎥/s을 측정할 수 있다.
그리고, 도 4 에서 보이는 것처럼 변환기 쌍 (1,2)i 의 설치 각도 φ는 다 같고 φ=45°로 보장하면 된다. 따라서 종래의 기술과는 달리 파이프관을 φ=45°각도로 절단하는 선을 따라 동일한 각도 φ=45°로 변환기 쌍들을 설치하기 때문에 설치 작업이 간단해진다.
이와 같이 종래의 기술과는 달리 초음파로 측정된 유속 VL 을 파이프관 중심선과 일치하는 유속방향 성분으로 환산할 필요가 없게된다.
식 18 에서 VL 측정 오차는 다음과 같다.
종래기술에서 유속 V 측정오차를 나타내는 식 5 와 대비해 보면 다음과 같다.
δV - δVL = (2δL + δd + A) - (δL + A) = δL + δd
즉, VL 측정오차는 동일한 조건에서 δLd 만큼 작아진다.
다음에 단면적 계산오차 δs 와 δsφ를 대비해 보면,
δs = 2δD
δsφ = δL + δD
가 되는데 δL << δD 인 경우에는 타원 면적 Sφ 측정오차가 2배나 감소된다.
이와 같은 효과는 이미 배관된 파이프관에 변환기 쌍들을 설치할 때 파이프관의 내경 D 를 직접 측정하지 못하여 δD 가 커질 수 있는 경우에 더욱 크다.
예를 들어 δD = 1% 라면 δs = 2δD= 2.0 이 되는데, Le = L 을 정확히 측정하여 δL 을 무시할 수 있다면 δ = δD = 1% 가 된다.
L 을 정확히 측정하는 방법은 다음과 같다:
a. 파이프관에 변환기 쌍들을 설치할 때 파이프관에 밸브를 설치해 둔다.
b. 파이프관을 액체로 충만 시킨 다음에 밸브를 열고 도 5 에 보인 것처럼 용기(3) 에 액체를 충만 시킨다.
이 용기(3) 에 채워진 액체에서의 음속을 다음과 같이 측정한다;
a. 변환기(4, 5)를 일정한 간격으로 유지하는 설치대(6)를 용기(3)에 넣어 놓는다.
b. 처음에 ℓ₁간격에 놓인 변환기(4)와 (5) 간의 초음파 전파시간 tℓ₁을 측정한 다음 변환기(5)를 ℓ₁만큼 이동시켜 변환기(4)와 (5) 간의 간격을 ℓ₂= 2ℓ₁로 하고 전파시간 tℓ₂ 를 측정한다.
여기서, τ 는 전파시간 측정회로에서의 전기신호의 지연시간이고, Δt 는 전파시간 측정장치의 고정 절대오차이다. tℓ₁과 tℓ₂를 이용하여 음속 C를 다음과 같이 구한다.
tℓ₁과 tℓ₂의 우연오차가 라면 Δt = tℓ₂- tℓ₁의 오차는 다음과 같다.
상기 우연오차 정도 보장하는 것은 어렵지 않다. 여기서, ℓ₁= 0.5m, C = 1500 m/s 이라면,
정도 된다.
1= 0.5m 를 ±0.05mm 정도의 오차로 측정하는 것도 쉽다.
따라서 가 된다.
음속측정오차 δc 는,
δc = δ + δΔtℓ = 0.01 + 8.4·10-3 = 0.01% 가 된다.
이와 같이 측정된 음속 C 에 파이프관 내에서 변환기 쌍들간의 초음파 전파시간 ti 를 측정하여 Li= C×ti 로 변환기 쌍들간의 간격을 매우 정확하게 측정할 수 있다.
초음파 유량계의 변환기 쌍들이 설치되 있는 파이프관 부분을 프렌지형으로 제작하는 경우에는 파이프관 한쪽을 액체가 새지 않게 막고 파이프관을 수직으로 세우고 액체를 충만 시킨다. 그리고 도 5 에 보인 음속 측정기구를 파이프관에 삽입하여 음속을 측정하여 Li 를 구한다.
이와 같은 음속 측정방법을 3 지점 측정방법이라고 하고 음속측정에 사용되고 있다.
본 발명에 따르면, 파이프관을 통과하고있는 유체의 유속 V 를 초음파를 이용하여 V 방향에 대해 일정한 각도를 이루는 초음파 전파궤도 L 과 일치되는 V 의 유속성분 VL 을 측정하고, L 선에 대해 직각으로 되는 유체 단면 Se⊥에 곱하여 유량을 연산하게 된다.
따라서, V 의 방향이 파이프관 중심선과 일치하지 않는 경우, 예를 들어 엘보에서 가까운 지점에서 유량을 측정할 때 큰 오차를 초래하지 않는다.
본 발명의 유량측정방법은 개수로에서도 이용된다.
도 6을 참조하면, 개수로에서 유량 측정방법이 도시되어 있다. 개수로 에서 여러 수심에서의 수평 평균유속을 측정하는 쌍을이룬 변환기 1i와 2i 들을 개수로 중심선에 대해 φ = 45°를 이루는 선상에 배치한다. 그리고 유량측정 단면은Li 선을 따라 수심을 측정하여 계산한 Sφ 를 이용한다.
다만 d = L·cosφ 의 개수로 구간에서 수로 단면이 동일하게 분포되어 있다가정하고, 개수로의 상류, 하류측이 직선이 아니고 곡율이 있어 사류(斜流- skew flow) 성분의 유속이 발달되어 있다고 하여도 종래의 기술과는 달리 사류의 각도를 모른다 할 지라도 충분한 정확도로 유량을 측정할 수 있다.
이에 따른 부가적인 효과는 다음과 같다; 종래의 방법에 따라 도 6 에 점선 을 따라 변환기 쌍들을 설치하게 된다면 변환기 쌍들의 설치 각도가 모두 다르게 되어 현지에서 변환기 쌍들의 각도를 조절해야하는데, 변환기 쌍들이 물에 잠겨있어 각도 조절 작업이 매우 힘들다. 그러나, 본 발명에 따르면 변환기 쌍들이 L 직선 상에 배치되고 배치 각도도 동일하기 때문에 변환기 지지대를 지상에서 조절하여 각도 φ 만 보장하면 된다.
상기와 같이 유속 VL 을 전파시간차 (Transit time difference) 방법으로 측정하는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나 다른 방법인 예를 들어 위상차 방법을 사용 할 때도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 초음파 유속측정 방법을 설명하기 위한 간략도.
도 2는 종래의 초음파 다회선 유속측정 회선 구성을 설명하기 위한 간략도.
도 3은 본 발명에 따른 유량측정 단면 선택 방법을 설명하는 간략도.
도 4는 본 발명에 따라 여러 개의 변환기 쌍을 설치하여 유량을 측정하는 방법을 설명하는 간략도.
도 5는 본 발명에 따라 변환기 쌍들 간의 거리를 정확히 측정하기 위한 음속측정기구를 나타내는 개략 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 개수로에서의 유량 측정방법을 나타내는 개략도로서, 도 6a는 여러 수심에서의 수평 평균유속을 측정하는 변환기 쌍들의 배치방식을 나타낸 평면도이고, 도 6b는 도 6a의 단면도이다.

Claims (4)

  1. 유체의 단면에서 여러 현 선상에서의 유속을 초음파를 이용하여 측정하여 단면 평균 유속을 계산한 다음 유체단면에 곱하여 유량을 연산하는 초음파 유량 측정방법에 있어서,
    유체흐름 방향에 대해 φ=45°로 유체흐름을 절단하는 단면적 Sφ 를 유량측정 단면으로 선택하는 단계와;
    단면적 Sφ 를 분할하는 여러 선상에서의 유속을 초음파를 이용하여 측정하는 단계와,
    단면적 Sφ 에서의 단면 유속을 연산하여 단면적 Sφ 에 곱하여 유량을 연산하는 단계를 포함하는 초음파 유량 측정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기의 유량측정 단면 Sφ이 타원이 되게 선택하고, 유속 측정용 변환기 쌍을 타원의 장경을 이루는 정점에 설치하고 이를 중심으로 타원의 둘레를 따라 좌우로 다른 변환기 쌍들을 설치하여 초음파 유속측정 다회선을 구성하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량 측정방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    개수로에서 양쪽기슭 경사면과 일치하는 단면 Sφ의 유체와 접촉하는 내측면을 따라 여러 수심에서의 수평 평균유속 측정용 변환기 쌍들을 배치하여 초음파 유속측정 다회선을 구성하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량 측정방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    타원 Sφ의 장경을 이루는 두 정점(頂点)에 배치된 변환기 쌍간의 간격 L 을 3 지점 방법으로 유체에서의 음속을 측정하고, 변환기 쌍간의 초음파 전파시간에 곱하여 타원의 장경을 구함으로써 단면적 Sφ 을 계산하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량 측정방법.
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