유량계의 종류와 이해 2 - 초음파 유량계와 열식 질량 유량계의 특징, 용도, 적용분야

◎ 유량계의 종류와 이해

유량계의 종류와 이해 - 특징, 용도, 적용분야 (tistory.com)

유량계의 종류와 이해 - 특징, 용도, 적용분야

이전 포스팅에서 차압식 유량계, 면적식 유량계, 용적식 유량계, 터빈 유량계, 와류식 유량계, 전자 유량계에 대해 알아보았었습니다. 오늘은 초음파 유량계와 질량 유량계에 대해 알아보는 시간입니다. 유익한 시간 되셨으면 좋겠습니다.

◎ 유량계의 종류별 특징과 적용분야

1. 초음파 유량계(Ultrasonic Flowmeter)

초음파 유량계 왼쪽부터 FLUXUS-G721 / FLUXUS-F721 / FLUXUS-F532WD 아래 왼쪽부터 FLUXUS-G831 / FLUXUS-F831 / FLUXUS-F601 / FLUXUS-G601 모델

초음파 유량계는 배관 내에 있는 유체의 흐름을 초음파 신호를 이용해 유량을 측정합니다.

흐르는 유체에 초음파 신호를 송수신하여 발생되는 시간차를 유속(V)으로 측정하고, 이를 통해 유량을 나타내는 타입의 계측기입니다.

유량(Q) = 단면적(A) x 유속(V)

 

단면적(A) = 지름 x 지름 3.14 ÷ 4

유량(Q) = A(m^2) x V(m/s)

유량(Q) = Q m^3/sec) x 3,600

              = Q m^3hr

 

 

배관 내경의 지름을 기준으로 측정되어 초음파 유량계를 배관 내경 사이즈로 세팅하게 됩니다.

초음파는 투과, 굴절, 반사의 성질을 가지고 있습니다.

 

1) 초음파의 성질

•  투과 : 액체, 고체, 기체에 따라 초음파의 투과 속도가 정해져 있으며, 측정 가능한 배관의 크기, 두께에 따라 초음파 주파수(Hz)가 선정되어야 합니다.

•  굴절: 배관 내벽과 유체가 닿는 부분, 즉 초음파가 전달되는 매질의 성질이 바뀜에 따라 굴절 각도가 바뀌게 되어 한 쌍의 센서 설치 시 떼어두는 거리가 계산되어야 합니다.

•  반사 : 초음파센서를 수평상에 설치할 때 초음파가 진행하다가 배관 내부 표면에 반사되어 다음 센서에 전달되는 각도가 결정됩니다.

•  초음파 유량계는 이러한 세가지 성질을 응용하여 제작되며, 배관의 재질과 두께, 유체 종류와 온도를 정확하게 입력해야 정확한 측정을 할 수 있습니다.

초음파 유량계의 유량 계측 방식

2) 초음파 유량계의 계측 방식

• 한 쌍의 센서에서 유량이 흐르는 배관에 초음파를 송수신합니다.

• 유체의 흐르는 방향과 같은 방향으로 초음파가 진행하며 이때 서로 송수신하는 시간을 1, 유체와 반대 방향으로 송수신할 때 걸리는 시간을 2라고 합니다.

• 시간 2 - 시간 1 = 시간 차 3 발생

• 3의 시간 차는 유속에 비례하여 유량을 측정하게 됩니다.

 

3) 초음파 유량계의 파장

 

• 장파 : (Lamb Wave)

 · 파장이 길어 유량 측정 시 노이즈에 대한 부분을 고려하여야 합니다.

 · 비교적 낮은 압력의 gas에 적용하여 사용합니다.

(배관 용접 부위 밎 Flange 위치와 센서와의 거리를 피해야 함, 초음파 반사의 성질)

• 단파 : (Share Wave)

 · 파이프 벽의 진행을 보면 횡으로의 진행이 거의 없고 종으로 진행합니다.

 · 초음파 진행이 종으로 진행하기 때문에 용접부위 밒 Flange 부분에 대한 노이즈를 무시할 수 있습니다.

 · 주로 액체에 적용됩니다.

 

 

 

 

4) 초음파 유량계 설치방법

• V법 설치

• Z법 설치

 

5) 초음파 유량계의 특징

• 배관의 공사없이 센서를 배관 외벽에 설치하여 측정하며, 유지 보수가 쉽다.

• 과거에 비해 정확도가 상당히 높아졌다. (± 0.5% of R.D)

• 측정 범위가 200:1로 넓다. (0.01 m/s 이상, 25m/s 이하)

• 한 센서로 측정 가능한 배관 사이즈가 다양하다.(50 ~ 2,500mm)

• 설치 시 정확한 배관 조건과 정확한 거리 설정에 따라 정확도가 변경되어 센서 설치는 전문기업에서 설치해야한다.

• 500mm 이상의 파이프에 설치할 때 초음파 유량계가 저렴하다.

• 배관의 바이패스(별도의 우회로 배관) 구성이 필요 없다.

 

2. 코리올리스식 질량 유량계(Coriolis Mass flow meter)

코스올리스식 질량 유량계 ACF6000 Series

코스올리스식 질량 유량계는 관로(管路)를 강제로 진동시켜 흐름으로 인해 일어나는 코리올리력을 이용하여 질량 유량을 측정합니다. 이 힘은 회전하는 관 내부에 유체가 운동할 때 발생합니다.

높은 정확도와 신뢰성을 제공하는 유량 측정 장비로 화학 공정, 식음료 산업, 원유 및 천연가스, 수처리 공정에서 활용됩니다. 

 

 

1) 전원 인가 전 코리올리스 질량 유량계 구성

왼쪽의 그림과 같이 내부 구성은 튜브, 구동코일, 픽업센서 1, 2로 구성됩니다.

튜브 외부에 온도 센서 가 장착되어집니다.

 

 

 

 

2) 전원 인가 후 코스올리스 질량 유량계 공진

전원이 인가 되고 튜브 내부에 유체가 채워진 상태에서는 구동 코일의 전원 유, 무에 따라 튜브가 기본 공진을 하게됩니다. 이때에 픽업 센서에서 공진 주파수를 측정합니다.

 

 

 

 

3) 전원 인가 후 유체의 흐름 발생 시 튜브 진동

2)와 같이 기본 공진을 하고있는 상태에서 유체의 흐름에 따라 질량이 튜브로 진행하게되면 코리올리스 힘의 원리에 의해 공진이 깨지고 SIGN파를 그리며 튜브가 진동하게 됩니다.

이때 튜브의 SIGN파 크기는 질량에 비례하여 그 폭이 커지고, 픽업 센서에서 주파수를 측정하여 질량 유량을 측정하게 됩니다. 

 

4) 코리올리스 힘의 원리 예시

회전하고 있는 원판 위에 직선 방향으로 공을 밀었을 때 원래 목표한 지점으로 공이 진행하지 않고 회전하는 방향의 반대로 변경되는 힘이 발생하는데, 이때 작용하는 힘을 코리올리스의 힘이라 합니다.

예시) 지구 북반부 하수구의 물이 빠지는 방향은 시계방향이다. 남반부는 반시계 방향으로 물이 빠집니다.

공이 회전하는 방향과 반대 방행으로 움직이는 물방울

코리올리스 질량 유량계는 코리올리 질량 유량계, 코리올리스식 질량유량계로 불리기도 합니다.

직선이 아닌 U자 형태의 배관 내의 유체가 흐를 때 파이프가 구부러진 구건에서 역방향 힘이 작용해 관이 꼬이게 되고 관의 꼬임각을 측정해 유량을 알 수 있습니다.

회전을 통해 코리올리 가속을 받으면 코리올리 관성 효과에 의해 발생하는 편향력은 유체에 영향을 주며, 이 원리로 유량을 측정하게 되는 것입니다.

 

5) 코리올리스식 질량 유량계의 특징

• 질량과 밀도를 실시간으로 측정할 수 있습니다.

• 상용되는 유량계 중 정확도가 가장 좋습니다. (0.12% of R.D)

• 온도 보상이 자동으로 이루어집니다.

• 비교적 고점도 적용이 가능합니다.

• Straight 타입은 Omega 타입에 비해 압력 손실이 작습니다.

• 진동에 약합니다.

• 관로는 항상 유체로 채워져 있어야 합니다.

• 밀도계로 사용 가능합니다.

• 직관거리에 영향이 적습니다.

• 고온, 고압 적용이 가능합니다.

 

3. 열식 질량 유량계(Thermal Mass flow meter)

열식 유량계 왼쪽부터 EPI의 GEN 8600&8700MP / 8000&8100MP / 8000&8100MPNH / 8600&8700 MPNH 8200 & 8800 MP / 8200 & 8800 MPNH / ValuMass™ 500 시리즈

 

열식 질량 유량계는 열 질량 유량계로도 불리는 계측장비입니다.

Utility 가스, Stack 배기가스, 압축 공기, LNG 가스 및 각 플랜트 현장의 기체 라인에서 유량을 측정하는데 사용됩니다.

배관 안에 측정 센서가 삽입되어 있을 때 유체가 흐르면 유속에 따라 가열된 센서가 냉각되며, 이때 냉각율은 유속과 뮤체의 비열, 유체의 밀도에 따라 측정 값이 결정됩니다.

여기서 측정 센서는 두개의 RTD 센서가 사용되는데 하나는 기준 센서, 다른 하나는 히팅센서입니다.

유체가 흐를 때 두 센서의 온도차가 발생하면서 온도를 원래대로 유지하기위해 전류가 공급되고, 소모되는 전류를 계측하여 유속을 측정합니다.

 

열식 질량 유량계 역시 다른 타입과 마찬가지 이유료 직관거리가 필요합니다.

 

비교적 작은 배관 (1/4” ~ 4”)에서 배관에 단관형 타입으로 제작, Flow conditoner가 자체 포함되어 있는 타입은 센서 삽입 위치 선정에 큰 영향을 받지 않습니다.

 

비교적 큰 배관 4" 이상 배관은 센서 타입형으로 선정되며, 센서의 삽입 위치는 유량의 평균지점에 설치하게 됩니다.

때문에 직관거리 확보를 통해 유선을 만들어 설치위치를 결정하는 것이 중요합니다.

 

 

• 열식 질량 유량계의 특징

 · 온도와 압력의 보상이 필요없이 질량 유량을 측정할 수 있습니다.

 · 설치가 간편합니다. (삽입형의 경우 바이패스 라인 구정이 필요 없습니다.)

 · 측정범위가 100:1 이상으로 넓습니다. (0.076Nm/s 이상, 250Nm/s 이하)

 · 다양한 가스에 적용이 가능합니다. (근래에는 액체에도 적용)

 · 100% 주문 제작으로 현장에서 사용되는 가스, 온도, 압력 조건을 그대로 적용합니다. 제작 시 Calibration하는 wetted 방식을 채택하고 있습니다.

 · 수분에 약합니다.

 · 최소 직관거리가 필요합니다.

액체, 기체 등 여러가지 유체를 측정하는 다양한 유량계의 종류

지금까지 유량계의 종류와 특징을 알아보았습니다. 

유익한 시간이 되셨길 바라면서 초음파 유량계, 질량 유량계에 대해 궁금하신 점 있으시면 언제든지 문의주시기 바랍니다.

산업용 계측장비 전문기업 아이엠테크였습니다.

감사합니다!

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