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문제 정의
- 또한 유량계 현장교정 및 비교 측정 시 곡관 등의 유동교란인자로 인해 관로 내부의 유동특성이 변화하여 초음파유량계 1회선을 사용하는 경우 측정의 신뢰성이 떨어져 수익 감소 및 유수율 관리에 악영향을 초래 할 수 있다. 본 연구의 목적은 유량계 현장교정 및 비교 측정 시 측정정확도를 향상시키기 위해 K-water에서 주로 사용하고 있는 상위 3개사의 각 2회선을 실험대상으로 선정하고 충분한 직관거리가 확보된 상태에서 각 유량계가 갖는 고유편차와 2중 곡관에 후단에서의 편차에 대한 실험을 통하여 회선수 증가와 직관거리 뿐 아니라 센서의 설치위치를 고려한 유량 측정기술을 고급화하고자 하였다.
- 현장 출장용 기준기로 사용하고 있는 건식 초음파유량계의 편차특성을 확인하기 위한 실험을 실시하였다. 실험은 2가지 즉, 직관거리가 충분히 확보된 상태에서 유량계가 가지고 있는 고유 편차와 유동교란인자인 2중 곡관 후단에서의 직관 거리별 편차실험을 실시한 결과 각사의 최적설치 위치가 다르게 분석되었으며, 편차특성의 개선을 위해서는 단순히 회선수와 직관거리뿐 아니라 센서의 설치위치를 고려하여야함을 확인하였다.
제안 방법
- (6) 그러나 2중 곡관에 대한 기준이나 연구 수행결과가 없으므로 동 조건 중 동일 평면에 90° 곡관이 2개 설치된 경우의 편차특성 실험을 계획하였다.
- 2중 곡관 후단의 실험을 위한 직관거리는 3D, 5D, 10D 및 15D로 선정하였고 센서부착위치는 1회선과 4회선은 고유특성실험의 경우와 같고 2회선은 45 ° + 135 ° , 0 ° + 90 ° 등 2개소에 대하여 실험을 하였다.
- 2회선 건식 초음파유량계의 편차실험은 센서 위치를 0 ° + 90 °와 45 ° + 135 °에 설치한 2가지 경우에 대하여 실시하였고 실험결과는 Fig. 12와 Fig. 13에 나타냈다.
- 2회선은 각 사의 2회선을 45 ° +135 °에 부착하고, 4회선은 3개사 중 2개사의 각 2회선을 조합, 센서를 Fig. 6과 같이 135 ° , 0 ° , 45 ° , 90 °의 순서로 부착한 후 실험을 실시하였다.
- 피교정유량계는 상류측에는 직경의 50배, 하류측에는 직경의 10배의 직관부를 확보하여 관내 속도분포의 영향이 최소가 되도록 하였다. 관로의 입출구에 유체의 온도와 압력을 측정하기 위한 온도계와 압력계가 구비되어 있으며 유량을 단계적으로 원활하게 조절하기 위한 주밸브와 바이패스밸브를 병렬로 설치하였다. 시험관로의 끝은 짧은시간에 유로전환장치가 통과할 수 있도록 폭은 좁고 길이가 긴 장방형으로 만들어져 있다.
- 실험배관의 규격은 D = 300 ㎜이며 실험설비의 구조상 최대 가능유량은 1,000 ㎥/h이다. 따라서 실험유량을 1,000 ㎥/h, 500 ㎥/h, 250 ㎥/h, 100 ㎥/h 및 50 ㎥/h 등 5단계로 구분하여 저유량에서의 편차특성 실험에 초점을 맞추었다. 실험 환경조건은 압력 (2.
- 범례에는 센서를 부착하는 각도인 135 ° , 0 ° , 45 ° 및 90 ° 위치에 제작사 기호를 표기하였다.
- 범례에는 유량계 제작사와 센서의 부착위치를 조합하여 표기하였다. A사의 경우 최대편차는 4.
- 실험대상 유량계의 규격이 D = 300 ㎜이므로 유량계 교정시스템의 기준유량계인 전자식유량계의 하류방향으로 구경의 40배를 이격시킨 지점에 실험방법에 따라 초음파센서를 제작사별로 1회선, 2회선, 4회선 등으로 부착한 후 각 유량별 편차 특성이 분석되도록 하였다.
- 실험배관의 개략도는 Fig. 7과 같이 유량측정의 기준이 되는 기준유량계의 하류에 유동형태의 변화가 상대적으로 클 것으로 예상되는 90 °곡관 2개를 동일평면상에 설치한 후 직관거리별 실험유량계를 설치하기 위한 직관을 확보한 후 다시 90 ° 곡관을 통해 유량계 교정 관로로 복귀하는 것으로 구성하였다.
- 국제교정기관운영지침에 의하면 측정시간은 60초 이상을 기준으로 하고 있으나 실험시간단축 및 편리성을 고려하여 기준유량계 방식으로 실시하되 측정시간은 200초를 기준으로 실시하였다. 실험횟수는 제작사, 센서부착위치 및 유량을 조합한 각각에 대해 3회의 실험을 실시한 후 그 평균값을 적용하였다. 편차실험의 기준기로 사용하게 될 기준유량계인 전자기유량계는 중량측정법을 이용하여 최대유량 1,000 ㎥/h으로 교정하였으며, 측정 불확도는 0.
- 실험횟수는 제작사, 센서부착위치 및 유량을 조합한 각각에 대해 3회의 실험을 실시한 후 그 평균값을 적용하였다. 편차실험의 기준기로 사용하게 될 기준유량계인 전자기유량계는 중량측정법을 이용하여 최대유량 1,000 ㎥/h으로 교정하였으며, 측정 불확도는 0.4 %이다. 실험 대상은 직관거리가 40D 이상 충분히 확보된 상태에서 유량계가 갖는 고유특성과 2중 곡관후단의 직관거리별 특성에 대한 실험으로 결정하였다.
대상 데이터
- 1회선의 고유특성 실험은 제작사 3개, 센서부착위치 4개소(0 ° , 45 ° , 90 ° , 135 ° ) 및 5가지 유량에 대해 실험을 실시하였다.
- 피교정유량계를 통과한 유체를 수집하여 기준으로 사용하기 위한 장치이며 수집탱크와 로드셀로 구성되어 있다. 수집탱크는 유량과 피교정유량계의 규격에 따라 선택하여 사용할 수 있도록 4종류(1톤, 6톤, 10톤 및 50톤)를 설치하였다. 탱크에 유체를 수집하는 방법은 유로전환장치인 다이버터를 이용하는 Flying Start and Finish 방법 (유통법)을 사용하였다.
- 4 %이다. 실험 대상은 직관거리가 40D 이상 충분히 확보된 상태에서 유량계가 갖는 고유특성과 2중 곡관후단의 직관거리별 특성에 대한 실험으로 결정하였다. 1회선의 고유특성 실험은 제작사 3개, 센서부착위치 4개소(0 ° , 45 ° , 90 ° , 135 ° ) 및 5가지 유량에 대해 실험을 실시하였다.
- 실험 유량에 따라 선택운전이 가능하도록 원심 펌프 5대가 설치되어 있으며, 펌프에 의한 맥동과 진동을 흡수하고, 흡입수두의 변화에 영향을 받지 않고 안정된 유량이 실험관로에 공급되도록 지상 27.5 m 높이에 월류배관과 위어가 구비된 원형의 정압유지탱크로 구성되어 있다.
- 이것을 제작사별로 구분하면 A사 27 %, B사 27 %, C사 12 %, D사 22 %, E사 6 % 및 기타 6 %로 구분된다. 이 중 D사 제품은 초음파센서가 유체와 접촉하는 습식방식이므로 실험대상에서 제외한 나머지 중에서 점유율이 높은 A사, B사, C사 제품을 선정 하였으며 일반적인 사양은 Table 2와 같다.
이론/모형
- 수집탱크는 유량과 피교정유량계의 규격에 따라 선택하여 사용할 수 있도록 4종류(1톤, 6톤, 10톤 및 50톤)를 설치하였다. 탱크에 유체를 수집하는 방법은 유로전환장치인 다이버터를 이용하는 Flying Start and Finish 방법 (유통법)을 사용하였다. 유로전환장치는 완충기능이 부가된 공기압실린더에 의해 작동된다.
성능/효과
- 초음파는 지향성, 투과, 반사, 굴절 등의 특성을 갖고 있으므로 고체, 액체, 기체에서도 파동이 잘 전달된다.(1) 이런 특성을 이용하여 전파시간을 측정하고 각종 연산에 의하여 유량을 구하는 초음파유량계는 측정관 내부에 기계적인 구동부나 돌출부가 없어 측정면이나 유동 흐름 측면에서 매우 유리하다. 따라서 초음파유량계는 구조적으로 유지보수가 용이하고, 측정관의 구경이 커져도 제작비용이 증가하지 않는 장점을 갖고 있으므로 유량측정분야에서 적용범위가 해마다 넓어지고 있다.
- (2) 2중 곡관후단의 실험결과는 센서위치가 1회선의 경우 A사는 0 ° , 45 °이고 직관거리 3D, 5D 지점이며 B사는 0 ° , 45 ° , 90 ° 위치에 15D를 이격시킬 경우 허용편차를 유지할 수 있다.
- (3) 초음파유량계 전단에 2중 곡관이 설치되어 있는 경우의 최적의 유량계 설치조건은 1회선 A사 제품으로 센서설치 위치는 45 ° , 필요직관거리는 3D 지점에서 측정할 때 가장 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있다.
- 그러나 B사의 경우에는 오히려 2회선이 편차가 커졌으며 특히 유량 100 ㎥/h이하에서는 ±2 % 이상의 편차를 나타내고 있다. 따라서 2회선을 사용할 경우, A사와 C사의 제품을 사용하는 것이 바람직함이 확인되었다.
- 센서설치 위치에 따른 편차는 유량이 감소할수록 증가하는 추세를 보이고 있으며, 전체 유량에 대하여 수도법이 제시하는 허용편차인 ±2 % 이내를 보이는 지점은 센서위치가 45 ° 되는 지점으로 나타났다.
- 센서의 위치가 45 °인 경우 에 가장 양호하게 모든 영역에서 ±1 % 내외의 편차를 나타냈으며 센서가 135 °에 설치된 경우에 (0.81 ~ -3.92) %의 큰 편차범위를 나타내는 등 센서위치의 중요성을 확인하였다.
- 실험결과 모든 위치에서 “-” 편차와 허용편차 범위를 크게 벗어난 것이 확인되었다.
- 현장 출장용 기준기로 사용하고 있는 건식 초음파유량계의 편차특성을 확인하기 위한 실험을 실시하였다. 실험은 2가지 즉, 직관거리가 충분히 확보된 상태에서 유량계가 가지고 있는 고유 편차와 유동교란인자인 2중 곡관 후단에서의 직관 거리별 편차실험을 실시한 결과 각사의 최적설치 위치가 다르게 분석되었으며, 편차특성의 개선을 위해서는 단순히 회선수와 직관거리뿐 아니라 센서의 설치위치를 고려하여야함을 확인하였다.
- 위의 시험결과를 보면 모든 유량에서 허용편차를 만족시키기 위한 센서의 설치 위치는 A사, B 사는 45 ° , C사는 0 °로 나타나는 등 센서설치 위치의 중요성을 확인하였다.
- 허용편차인 ±2 % 이내를 유지하기 위해서는 10D의 직관거리가 필요함이 확인되었다.
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