초음파 유량계의 작동 원리 및 교정

초음파 유량계는 초음파 펄스를 이용하여 유체의 유량을 측정하는 유속식 유량계입니다. 비접촉식 작동, 넓은 측정 범위, 간편한 휴대성과 설치, 배관 직경에 대한 뛰어난 적응성, 쉬운 사용성 및 디지털화 용이성을 갖추고 있습니다. 이는 가스 및 유체의 현장 속도와 유량 측정에 널리 사용됩니다. 이 논문은 가장 널리 사용되는 초음파 유량계의 설계 원리를 소개하고, 그 측정 오차에 대한 측정 불확도를 분석·평가하며, 현장에서의 측정 정확도를 향상시키기 위한 방법을 논의한다.

Ⅰ. 초음파 유량계의 측정 원리

초음파 유량계의 작동 원리는 그림 1에 나타나 있다. 두 개의 초음파 프로브가 설치되어 있으며, 하류 쪽 송신기 A는 초음파 펄스 신호를 송신하고 상류 쪽 수신기 B는 이를 수신한다. 변환기는 외부 클램프 Z 방식으로 설치되며, 유체 배관의 양측에 각각 하나씩 정해진 간격을 두고 부착됩니다. 파이프라인의 내부 직경은 d이며, 하류 쪽 초음파 전파 속도는 V이고, 초음파 전파 방향과 유체 흐름 방향 사이의 각도는 θ이다.

2. 측정 불확도 분석

식 (3)에 따라 구한 유체의 유속은 관 내경 d, 측정 대상 유체의 이론 음속 C, 그리고 음파 굴절각의 탄젠트 tanθ의 네 가지 요소로 구성된다. 그리고 트랜스듀서 AB를 통과하는 유체의 정방향 흐름과 역방향 흐름 간의 시간 차이 Δt. 그 측정 불확도 분석은 다음과 같다.

1. 파이프의 내경 측정 반복성에 의해 유발되는 불확도 평가 d

** 표준에 따르면, 파이프의 공칭 직경 D와 파이프 두께 s는 근사적인 공칭 치수에 불과하다. 배관의 외경 D와 배관 두께 s는 매번 측정해야 합니다. 따라서 이러한 불확도는 두 가지 구성 요소를 갖는데, 하나는 측정 대상의 측정 반복성이고, 다른 하나는 현장에서 사용되는 측정기기의 측정 불확도이다. 현장 실측 경험에 따르면, 관 내경 d의 측정 불확도는 일반적으로 Urel(d) = 0.5%이며(k = 2), 따라서 관 내경 d의 측정으로 인한 표준 불확도는 다음과 같다:

urel(d) = urel(d) / k = 0.5% / 2 = 0.25%

2. 유체 음속 C의 측정에 의해 유발되는 불확도 평가, urel(C)

기술 자료에 따르면, 이 불확도는 B급으로 평가된다. 측정 대상 유체에서 음속 측정의 불확도는 다음과 같다:

Urel(C) = 0.6% (k = 2). 이는 그대로 인용할 수 있다:

urel(C) = Urel(C)/k = 0.6% / 2 = 0.3%

3. 송수신기 A와 B 간 거리 l의 측정 반복성에 의해 도입되는 불확도

urel(l)의 불확도 평가 하류 측 송수신기 A와 상류 측 송수신기 B 간 거리 l의 측정 불확도는 두 가지 구성 요소로 이루어진다. 즉, 피측정물의 측정 반복성과 현장에서 사용된 측정기의 측정 불확도이다. 실제 현장 측정 경험에 기반하여, 변환기 A와 B 간의 거리 l의 측정 반복성에 의해 유발되는 표준 불확도는 다음과 같다. 일반적으로

Urel(l) = 0.6% (k = 2):

Urel(l) = s/k = 0.5%/2 = 0.25%

4이다. 트랜스듀서 AB를 통과하는 정방향 유량과 역방향 유량 간의 시간 차이 Δt에 대한 개요

불확도 u(Δt)의 평가 초음파 유량계에서 트랜스듀서 AB를 통과하는 정류와 역류 간의 시간 차이 Δt는, 정류 방향으로 트랜스듀서 A에서 B로 전송된 펄스의 시간 t1에서 역류 방향으로 B에서 A로 전송된 펄스의 시간 t2를 뺌으로써 측정된다. (그림 1 참조). 식 (1)에 따르면, 측정 불확도의 구성 요소는 주로 하류 측 변환기 A와 상류 측 변환기 B 간의 거리 l, 관 내경 d, 그리고 측정 대상 유체의 음속 C에 의해 결정된다. 시간 및 주파수 측정의 정확도는 모든 측정 분야 가운데 가장 높다. 초음파 유량계의 펄스 타이밍 측정에 의해 발생하는 오차는 무시할 수 있다. 측정 대상 유체에서의 거리 l, 관 내부 직경 d 및 음속 C는 기타 불확도 항목에 포함된다. 따라서, 초음파 변환기 AB를 통과하는 상류 유체와 하류 유체 간의 시간 차이 Δt에 의해 유발되는 불확도 u(Δt)는 무시할 수 있다.

III. 초음파 유량계의 현장 측정 정확도 향상을 위한 방법

현장 측정에서는 우선 여러 요인에 대한 종합적인 분석을 수행하는 것이 첫 번째 단계이다. 이러한 요인들은 모두 최종 측정 결과에 일정한 영향을 미치며, 이는 아래와 같다.

1. 음속 C의 불확실성이 현장 측정 정확도에 미치는 영향 및 이를 향상시키기 위한 경험적 방법

현장 측정을 시작하기 전에 피측정 매체를 제공해야 합니다. 매질이 기체인 경우, 해당 기체의 조성, 운전 온도 및 운전 압력을 제시해야 합니다. 초음파 음속은 위의 정보를 바탕으로 관련 표준을 참고하여 구할 수 있다. 작동 유체의 음속 C가 초음파 유량계에 미치는 영향은 측정 결과에 비교적 작은 영향을 미친다. 매질이 액체인 경우, 해당 액체의 명칭, 운전 압력, 운전 온도, 그리고 액체 내에 부유 입자가 존재하는지 여부를 반드시 제시해야 합니다. 음속 설정은 온도의 영향을 고려해야 합니다. 수용액의 음속은 순수한 물의 음속보다 크며, 대부분의 유체에서는 온도가 높아질수록 음속이 증가한다. 유체 내에 입자가 다수 존재하는 경우(단, 측정 범위 내에서)에는 두 가지 접근 방식이 있다. 1. 균일하게 분포된 입자. 이 경우 신호가 상대적으로 안정적이어서 측정을 통해 이를 탐지하기 어렵다. 측정 대상 매체는 입자의 발생 원인과 유형을 제공해야 합니다. 입자 유형을 파악한 후에는 유체의 음속을 적절히 조정하고 신호 품질을 비교함으로써 보다 정확한 측정 결과를 도출할 수 있다. ② 불균일한 입자의 경우, 신호 강도는 크게 변동하게 된다. 이 경우 가장 좋은 방법은 장기간에 걸쳐 측정한 뒤, 신호 품질이 양호한 여러 지점에서의 측정값을 평균하는 것입니다.

2. 변환기 A와 B 간의 거리 l 및 배관 내경 d

측정 반복성에 미치는 영향과 현장 측정 정확도 향상을 위한 방법: 측정용 배관을 선정할 때는 작동 유체가 흐르는 직선 구간 중 안정적인 부위를 선택하고, 펌프장이나 밸브에서 가능한 한 멀리 떨어진 곳을 선택해야 한다. 배관 내 매체가 액체인 경우, 하부에서는 침전이 발생하기 어렵고 상부에서는 공기 축적이 일어나기 쉬운 배관 단면을 선택해야 합니다. 처음에는 프로브를 수직으로 설치한 상태에서 측정한 다음, 수평으로 설치한 상태에서도 측정하십시오. 두 측정값 간의 차이가 초음파 유량계의 최대 허용 오차 범위 내에 있고, 기타 매개변수가 변경되지 않은 경우, 추가적인 매개변수 설정을 거친 후 다음 측정으로 진행하십시오. 그렇지 않은 경우, 측정을 위해 배관을 다시 선택하십시오(두 번의 측정값 간 차이가 초음파 유량계의 허용 오차를 초과하면 해당 배관 구간에 운전 매체가 충진되어 있지 않음을 의미합니다).

다음 측정을 위한 세부 파라미터를 설정할 때, 측정 정확도에 영향을 미치는 주요 요인은 변환기 A와 B 간의 거리 l 및 배관의 내경 d입니다. 거리 l은 일반적으로 자 또는 버니어 캘리퍼스를 사용하여 측정됩니다. 배관의 내경 d를 측정하기 위해서는, 파이프의 외경이 작을 때는 버니어 캘리퍼를 직접 사용할 수 있습니다. 큰 직경의 관일 경우, 정밀한 강철 자를 사용하여 둘레를 측정한 후 지름을 계산하는 것이 가장 좋습니다. 내부에 심한 침착물이나 오염이 있는 배관을 측정할 때는 관벽 매개변수 s를 증가시키고, 관벽 음속을 감소시킬 수 있습니다. 심한 내부 부식이 있는 배관을 측정할 때, 배관의 벽두께 파라미터 s는 감소시킬 수 있으나, 벽면 음속은 변하지 않는다.

전파시간식 초음파 유량계의 원리에 근거하여, 본 논문에서는 초음파 유량계 오차의 측정 불확도를 분석하고 평가하였다. 본 연구소의 수년간에 걸친 초음파 유량계 현장 시험 경험을 바탕으로, 초음파 유량계의 현장 측정 정확도를 향상시키기 위한 몇 가지 핵심 사항을 제안하고 이를 설명합니다.

에단 리우

Ethan Liu는 JUJEA의 기술 콘텐츠 전문가로서 복잡한 센서 통합 및 산업 자동화 개념을 전 세계 엔지니어, 시스템 통합 업체, 조달 전문가 및 의사 결정권자를위한 실용적인 통찰력으로 변환합니다.