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문제 정의
- 국가간 핵심비교를 위한 사전 준비와 기름유량 표준장치의 측정 특성을 확인하고 신뢰도를 향상하는 것이 연구의 목적이다. 연구는 이동용 기준기(transfer standard)인 터빈유량계 페케지를 이용하여 순회 비교실험 방법으로 수행하였으며 물 유량 표준장치, 국가교정기관의 기름유량교정장치 및 터빈유량계 제작사의 교정데이터를 비교하였다.
가설 설정
- 2 cSt 의 범위에서 변화를 보이고 있다. JO 사가 측정한 유체의 밀도와 점도는 20 ℃에서만 표기되어 있으며 석유류 제품의 특성상 다른 온도 범위에서도 비슷한 경향으로 변화 할 것으로 추정하였다.
제안 방법
- 유량계는 일반적으로 중량측정법(gravimetric method), 부피측정법(volumetric method), 기준유량계법(master meter method)으로 교정되고, 부피측정법을 응용한 파이프형 푸루버(pipe prover)는 현장용 교정장치로 활용되고 있다. 비교 실험(round robin test)에 사용된 교정장치는 모두 서로 다른 방법으로 기준 유량을 결정하며 ISO 에서 권고하는 방법에 따라 불확도를 평가하였다.
- 1 은 기름유량의 국가표준장치인 경질유 표준장치를 나타낸 것으로 각국의 표준기관에서 채택하는 중량측정법으로 유량계를 교정하는 장치이다. 자이로스코픽(gyroscopic) 저울을 사용하여 수집된 유체의 중량을 측정하며 standing start and finish 방법으로 유량계를 교정한다. 발화 온도가 높고 비교적 물성이 안정된 calibration oil 을 작동 유체로 사용하며 측정유량 범위는 20 – 120 m3 / h 이고 유동량(flow quantity) 결정의 불확도는 0.
- 그리고 경질유 교정장치는 측정범위의 확장을 위해 기준유량계법을 이용하여 측정범위를 확장하였다. 측정범위 20-100 m3/ h인 기준유량계(mast -er flowmeter) 2 대를 병열로 연결하여 유량계를 교정하게 된다.
- 본 연구에서 경질유교정장치는 중량식측정법과 기준유량계법, 물 유량 교정장치의 중량측정법, KO 사의 소형피스톤 푸루버, JO 사의 기준유량계법 교정장치로 터빈유량계 페케지를 교정하여 비교하였다.
- 직관부와 유동 직류화 깃은 교란된 유동이 일정한 속도 분포를 가지도록 역할을 한다. 실험에서는 페케지 상류에 최소 직경의 22 배 이상의 충분한 직관부를 설치하여 속도 분포의 영향을 배제하였다.
- 터빈유량계는 유동율 43 m3/ h 이상의 범위에서 실험할 것을 권고하고 있으나 반복성과 재현성을 확인한 후 경질유 표준장치의 측정범위인 20~240 m3/ h 에서 실험하였다. Table 1 에 실험에 사용된 교정장치의 측정범위와 불확도를 나타냈다.
- 터빈유량계의 반복성과 재현성은 안정된 경질유 표준장치에서 중량식 교정장치로 실험하였으며 Fig. 7 은 K 상수를 레이놀스 수의 함수로 표시한 것이다. 실험은 약 1 주일 간격으로 1 달 동안 임의의 유동율에서 실험하였고 레이놀즈 수 50,000(유동율 50 m3/h)에서 반복성(repeatability)과 특성 변화를 확인하였다.
- 7 은 K 상수를 레이놀스 수의 함수로 표시한 것이다. 실험은 약 1 주일 간격으로 1 달 동안 임의의 유동율에서 실험하였고 레이놀즈 수 50,000(유동율 50 m3/h)에서 반복성(repeatability)과 특성 변화를 확인하였다. 그림에서 알 수 있듯이 터빈 유량계는 반복성이 ±0.
- 경질유표준장치의 측정불확도에 대한 신뢰성 확인을 위해 3 개의 서로 다른 측정 윈리와 측정유체의 물성이 다른 교정장치와 비교 실험하였다. 비교 실험에는 터빈유량계가 사용되었으며 상하류의 유동 조건에 따른 특성의 변화를 배제하기 위해 상류 쪽에 tube bundle 형 유동직류화 깃이 부착된 직경의 22 배, 하류에는 5 배인 직관부를 사용하였다.
- 국가간 핵심비교를 위한 사전 준비와 기름유량 표준장치의 측정 특성을 확인하고 신뢰도를 향상하는 것이 연구의 목적이다. 연구는 이동용 기준기(transfer standard)인 터빈유량계 페케지를 이용하여 순회 비교실험 방법으로 수행하였으며 물 유량 표준장치, 국가교정기관의 기름유량교정장치 및 터빈유량계 제작사의 교정데이터를 비교하였다. 본 연구는 한국표준과학연구원 역학 측정표준확립 및 유지향상의 연구(6)의 일부로서 수행하였다.
대상 데이터
- 경질유표준장치의 측정불확도에 대한 신뢰성 확인을 위해 3 개의 서로 다른 측정 윈리와 측정유체의 물성이 다른 교정장치와 비교 실험하였다. 비교 실험에는 터빈유량계가 사용되었으며 상하류의 유동 조건에 따른 특성의 변화를 배제하기 위해 상류 쪽에 tube bundle 형 유동직류화 깃이 부착된 직경의 22 배, 하류에는 5 배인 직관부를 사용하였다. 실험 유동율은 20~240 m3/ h (레이놀즈수; 20,000~900,000)이었으며 물성이 다르기 때문 측정값의 비교는 레이놀즈 수를 기준으로 비교하였다.
데이터처리
- 여기에서 k 는 포함인자(coverage factor)로서 유효 자유도(effective degree of freedom)와 신뢰구간 (confidence level)로부터 t-분포표에서 구 할 수 있다. 평가된 불확도는 순회비교 측정기기인 터빈유량계 페케지를 매개로 K 상수를 측정하여 평가 결과의 타당성을 확인하였다.
- Table 2 는 비교 실험한 교정장치를 각각 비교한 En 수를 평가한 것이다. 평가 기준은 레이놀즈 수가 중복되어 비교 가능한 값에서 레이놀즈 수가 가장 가까운 값으로 선택하였고, 2 개의 교정장치 측정값의 편차가 가장 큰 값을 비교하였다. 따라서 비교한 측정값 이외의 측정값은 Table 2 에서 평가된 En 수 보다 작은 값이 된다.
- 비교 실험에는 터빈유량계가 사용되었으며 상하류의 유동 조건에 따른 특성의 변화를 배제하기 위해 상류 쪽에 tube bundle 형 유동직류화 깃이 부착된 직경의 22 배, 하류에는 5 배인 직관부를 사용하였다. 실험 유동율은 20~240 m3/ h (레이놀즈수; 20,000~900,000)이었으며 물성이 다르기 때문 측정값의 비교는 레이놀즈 수를 기준으로 비교하였다.
- 비교 실험의 결과는 경질유표준장치를 포함한 교정장치의 최대 편차는 0.15 % 이었으며 정량적인 평가를 위해 En 수를 평가하였다. En 수는 1 보다 작았으며 이는 경질유표준장치 및 비교 대상인 교정장치의 불확도 평가가 적절하였음을 확인할 수 있었다.
이론/모형
- 비교에 사용된 물 유량교정장치도 중량식측정법으로 유량계를 교정하며 유동방향전환장치(divert -er) 를 사용하여 flying start and finish 방법으로 교정한다. 물 유량표준장치는 측정범위는 최대 400 m3/ h 이며 측정불확도는 0.
성능/효과
- 발화 온도가 높고 비교적 물성이 안정된 calibration oil 을 작동 유체로 사용하며 측정유량 범위는 20 – 120 m3 / h 이고 유동량(flow quantity) 결정의 불확도는 0.04 %로 평가되었다.
- 그림에서 알 수 있듯이 터빈 유량계는 반복성이 ±0.03 % 이내의 값을 보이며 레이놀즈 수가 감소함에 따라 K 상수가 증가하고 반복된 실험에서도 안정된 재현성(reproducibility) 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 03 % 이내의 값을 보이며 레이놀즈 수가 감소함에 따라 K 상수가 증가하고 반복된 실험에서도 안정된 재현성(reproducibility) 특성을 보이고 있음을 알 수 있다. Fig. 7 의 결과로부터 터빈유량계 페케지는 안정된 특성을 보이고 있으며 비교실험을 통해서 측정불확도를 확인하는데 적절하다고 판단되었다.
- 그리고 물을 측정한 결과는 레이놀즈 수가 감소함에 따라 K 상수가 현저하게 감소하는 경향을 보이고 있다. 이는 교정장치의 특성이라기 보다는 낮은 유동율에서 측정유체인 물의 점성이 터빈유량계의 베어링 마찰력 및 회전 저항에 의한 영향이라고 판단된다.
- 78 의 En 수를 보이고 있다. 따라서 경질유표준장치의 불확도 평가는 물론 비교 실험에 사용된 교정장치의 불확도 평가도 타당성이 입증되었다고 판단하였다.
- 15 % 이었으며 정량적인 평가를 위해 En 수를 평가하였다. En 수는 1 보다 작았으며 이는 경질유표준장치 및 비교 대상인 교정장치의 불확도 평가가 적절하였음을 확인할 수 있었다. 국제비교 실험을 위한 예비연구로서 경질유교정장치의 불확도 평가의 적절함과 장치의 안정성을 확인할 수 있었다.
후속연구
- (5) 국가표준장치인 경질유 유량표준장치는 아시아태평양지역 국가간 핵심비교 프로그램(Asia Pacific Metrology Program)을 수행예정이다.
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