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기획특집 <특집: LNG 서플라이체인을 위한 기술의 최근 동향>LNG 유량 계측에 적용한 클램프온 타입 초음파 유량계

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작성자 댓글 0건 조회 1,459회 작성일 21-01-07 14:15

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그림 1. 전파 시간차 원리 


서론

초음파 유량계의 종류로는 배관 외부에서 유체에 접촉하지 않는 클램프온 타입과 배관 피스에 센서를 부착하여 배관 공사가 필요한 접액 타입의 두 가지가 있다. 이 접액 타입에서는 측선을 많이 두어 정밀도가 높은 거래미터도 있다. 두 타입 모두 가동부마모부가 없는 점, 메인터넌스성도 뛰어나고 차압 없이 플러싱이 잘 일어나지 않는 점, 유량계측의 경년 드리프트가 없는 점, 유익한 진단 파라미터 등의 장점을 많이 들 수 있으며, 클램프온 타입은 여기에 추가적으로 배관 공사가 필요없다는 장점을 가진다. 플렉심에서는 클램프온 타입을 특화시켜 제품 개발을 진행하고 있으며 LNG선 유량 측정에도 실적이 있다. 원리, 주의 사항, 우위성에 관해 설명하고 제품 및 실적을 소개하도록 한다.

 

클램프온 타입 초음파 유량계의 전파 시간차 원리

초음파는 주파수가 높은 음파이며, 이 음파는 고체, 액체, 기체로 전달된다. 물체 그 자체가 이동하는 것이 아니라 진동이 멀리 떨어진 곳으로 전해지는 파이다.

초음파 유량계는 그 송수신을 통해 신호 파형을 분석하고 전파 시간을 구하며 계산식을 통해 최종적으로 유체의 체적 유량을 구한다.


유체의 흐름 방향을 타고 초음파를 보내면 전파는 빨라지고 반대로 이 유체를 거슬러 초음파를 보내면 전파는 느려진다. 이 빠름과 느림을 통한 전파 시간과 유체 속도가 상관 함수식을 만들기 때문에 비행 및 전파는 빨라지고 반대로 이 유체를 거스르는 초음파 비행 및 전파는 늦어진다. 이 빠름과 느림에 의한 전파 시간 및 유체 유속을 상관계가 있는 함수식으로 나타낼 수 있기 때문에 전파 시간을 통해 유체 속도를 구할 수 있다.


센서를 상류측과 하류측에 두고 배관 바깥쪽에서부터 유체로 초음파를 보내어 서로 교대로 송신과 수신을 한다. 상류 하류와 하류 상류의 전파 시간을 측정한다.

전파 시간차 원리의 기본 식은 아래와 같으며 <그림 1>의 설명과 같다.


상류 하류:

전파 속도 = 초음파 경로 ÷ 전파 시간

= 음파 속도 + 유체 유속 COSθ

하류 상류:

전파 속도 = 초음파 경로 ÷ 전파 시간

= 음파 속도 - 유체 유속 COSθ



초음파 경로는 송신과 수신 사이의 초음파가 전파하고 있는 경로다. 센서의 설치 위치와 배관 외경을 통해 삼각함수를 이용하여 그 경로가 구해진다. 이 경로는 계산식에 사용되므로 유량 계측의 정밀도는 그 정확성에 영향을 준다. 정확성은 도면에 그려져 있는 배관 치수를 정확하게 입력하는 것을 의미하는 것이 아니라 현장에 있는 배관의 실제 치수가 정확히 반영되어 있는지를 의미한다.

전파 시간은 트랜스미터에서 수신기까지의 초음파 도착 시간이며, 수신한 파형을 분석하여 계산한다.


초음파 경로를 전파 시간으로 나눈 것이 전파 속도이며, 이 연산 처리에서는 상수로 구해진다. 또한 전파 속도는 변수인 음파 속도와 유체 유속을 벡터 계산한 것이기도 하며 유체 유속은 돌입 각도에 따라 벡터 분해하고 음파 속도 방향으로 벡터를 가감한다. 위의 두 가지 기본식을 통해 연립방정식을 풀 수 있도록 음파 속도로 빼면 유체 유속을 구할 수 있다.


이렇게 구한 유체 유속은 배관 안의 초음파 경로부 평균 유속이기 때문에 배관 내 전체 원부의 평균 유속으로 환산하는 보정계수를 곱하게 된다. 이 보정 계수는 유속 분포에 의해 바뀌며 Re수에 따름 함수 실험식이다. 배관 내 유속 분포는 정리되어 있을 것이 전제가 된다. 유체 유속이 구해지면 배관 단면적을 곱하여 체적 유량을 구한다. 그 식은 아래 식과 같다.

 

체적 유량=F(Re) × 측정 유체 유속 × 단면적

*F(Re): Re수에 따른 유속 분포 보정 계수

 

클램프온 타입 초음파 유량계의 주의점

카탈로그 정밀도는 배관 안의 유체는 유속 분포가 균일하며 배관은 원형으로 내벽에 부착물이나 부식이 없는 단상 유체를 전제로 한다. 기본적으로 교정 설비에서의 설비 운전 사향이 기본이다.


배관 안을 흐르는 유체는 배관 벽의 마찰을 받기 때문에 배관 벽에 가까운 부분은 마찰에 의해 유체 유속이 느려지고 중심으로 갈수록 빨라지는 유속 분포를 보인다. 이것을 패턴화하기 위해서는 정리된 조건이 필요하다. 이 패턴화가 Re수에 따른 유속 보정 계수이며, 배관 전체 단면적부의 유속을 평균화한다. 정리되지 않은 경우 너무 복잡해서 함수식으로 패턴화를 할 수가 없다. 카탈로그에서의 권장 필요값 관 길이는 유속 분포를 정리하기 위한 수단이다.


기존 배관을 이용하기 때문에 그 상태에서 정밀도는 영향을 받는다. 흠집이 나기 쉬운 재질에서의 경년열화로 녹이나 부착물이 있다면 배관 단면적은 규격과 다른 값이 된다. 초음파 유량계는 구한 평균 유속에 대하여 배관 단면적을 곱하여 체적 유량을 구하므로 규격 원의 단면적과 실제 단면적이 다르면 정밀도는 영향을 받는다. , 구경이 커질수록 이 오차 비율은 작아진다. 예를 들어 100A 배관과 1000A 배관에 대하여 2의 스케일이 전체 원에 부착된 경우 단면적으로 말하면 100A92%, 1000A99.2%의 축소 비율로 큰 차이가 생긴다.


유체의 거품과 불순물은 보정 계측할 수 없기 때문에 존재한다면 정밀도는 영향을 받을 것이다. 그러나 액체 안에서 변동하는 거품이나 불순물의 양을 자동으로 정확하게 보정할 수 있는 유량계는 세상 어디에도 존재하지 않는다.



..(후략)



小橋 雅彦 / 플렉심 재팬 

  본 기사는 2021년 1월호에 게재되었습니다. 

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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