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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 유량계 현장교정 및 비교측정 시 필요로 하는 최소한의 직관거리가 확보되지 않았을 경우에도 측정정확도를 향상시킬 수 있는 대안을 제시하고자 하였다. 실험대상은 K-water의 각 현장에 설치된 초음파유량계의 수량을 기준으로 상위 3개사의 2회선을 선정하였으며, 각 제작사의 1회선 및 2회선과 각 사의 2회선을 조합한 4회선에 대한 특성실험을 실시하였다.
제안 방법
- 1회선은 각 제작사별로 0°, 45°, 90°, 135° 각각에 대하여 유량별 실험을 실시하였으며, 2회선은 센서를 45° + 135°, 0° + 90° 등 2가지 경우를 선정하였다.
- ISO 4185 규정(8)에 따르면 중량측정방식에 의한 실험의 경우 최대유량에서 최소 30초 이상, 국제공인교정기관의 표준교정절차서에는 중량측정방식은 60초 이상, 기준유량계 방식은 100초 이상의 수집시간을 요구하고 있으나, 본 연구에서는 실험의 편리성을 고려하여 기준유량계 방식으로 실험하되 측정시간은 200초를 기준으로 하였다. 실험횟수는 제작사, 센서부착위치, 유량 및 유동교란인자를 조합한 각각에 대하여 3회 실시한 후 그 평균값을 적용하여 특성을 분석하였다.
- K-water는 한국인정기구에서 인정한 유체유동분야의 국제공인교정기관이며, 동 설비를 활용하여 초음파유량계의 특성을 실험하였다. 시스템의 개략도는 Fig.
- 각 제작사의 2회선을 조합하여 4회선으로 구성한 위치는 135°-0°-45°-90°의 순서이며, 실험의 편의상 A-B-A-B, C-A-C-A, C-B-C-B로 조합한 3개 경우에 대한 특성을 실험하였다.
- 게이트밸브가 100% 열려 있는 경우에 1회선 초음파유량 계가 나타내는 편차특성을 실험하였다. 센서를 배관 상부 즉, 0° 위치에 설치한 경우 A사의 5d, B사의 5d, C사의 10d와 5d, 15d의 최소유량인 50 m3/h를 제외한 위치에서 ±2%의 편차를 나타냈다.
- 모든 실험결과는 서론에서 언급된바와 같이 수도법을 만족시키는 ±2% 이내의 측정편차를 기준으로 회선수, 직관거리 및 센서의 설치위치를 고찰하였다.
- 버터플라이밸브가 50% 열려 있는 경우에 1회선 초음파유량계가 나타내는 편차특성을 실험하였다. B사의 센서가 45°, 90°, 135°에 설치되고 직관거리 15d 지점에서 ±2% 이내의 편차를 나타내고 있다.
- 에 따르면 중량측정방식에 의한 실험의 경우 최대유량에서 최소 30초 이상, 국제공인교정기관의 표준교정절차서에는 중량측정방식은 60초 이상, 기준유량계 방식은 100초 이상의 수집시간을 요구하고 있으나, 본 연구에서는 실험의 편리성을 고려하여 기준유량계 방식으로 실험하되 측정시간은 200초를 기준으로 하였다. 실험횟수는 제작사, 센서부착위치, 유량 및 유동교란인자를 조합한 각각에 대하여 3회 실시한 후 그 평균값을 적용하여 특성을 분석하였다. 실험용 유량계는 실험을 시작하기 전에 직관거리를 배관직경(d)의 40배인 40d를 확보한 상태에서 기준기인 전자기유량계와 비교하여 고유특성을 확인한 후 실험에 사용하였다.
대상 데이터
- 제작사별로 분류하면 A사 27%, B사 27%, C사 12%, D사 22%, E사 6% 및 기타 6%이다. D사 제품은 초음파 센서가 물과 접촉하는 습식방식이므로 본 연구대상에서는 제외하였으며, 건식방식 중에서 K-water의 점유율이 높은 A사, B사, C사의 2회선을 대상으로 하였고 일반 사양은 Table 1과 같다.
- K-water는 한국인정기구에서 인정한 유체유동분야의 국제공인교정기관이며, 동 설비를 활용하여 초음파유량계의 특성을 실험하였다. 시스템의 개략도는 Fig. 1과 같이 펌프와 정압탱크를 포함한 유동발생장치, 구경별 기준유량계, 압력계, 온도계를 포함한 실험관로 및 다이버터, 로드셀, 수집 탱크를 포함한 중량측정장치 등으로 구성되어 있다.(7)
- 따라서 본 연구에서는 유량계 현장교정 및 비교측정 시 필요로 하는 최소한의 직관거리가 확보되지 않았을 경우에도 측정정확도를 향상시킬 수 있는 대안을 제시하고자 하였다. 실험대상은 K-water의 각 현장에 설치된 초음파유량계의 수량을 기준으로 상위 3개사의 2회선을 선정하였으며, 각 제작사의 1회선 및 2회선과 각 사의 2회선을 조합한 4회선에 대한 특성실험을 실시하였다. 실험결과에 따라 유동교란 인자인 게이트밸브와 버터플라이밸브 하류에서 측정정확도가 수도법이 규정하는 ±2% 이내의 편차를 충족시키는 회선수, 직관거리 및 센서의 설치위치를 제시하였다.
- 실험횟수는 제작사, 센서부착위치, 유량 및 유동교란인자를 조합한 각각에 대하여 3회 실시한 후 그 평균값을 적용하여 특성을 분석하였다. 실험용 유량계는 실험을 시작하기 전에 직관거리를 배관직경(d)의 40배인 40d를 확보한 상태에서 기준기인 전자기유량계와 비교하여 고유특성을 확인한 후 실험에 사용하였다. 유동을 교란시키는 인자로는 밸브 2종류(게이트밸브, 버터플라이밸브)를 선정하였으며 게이트밸브는 유량차 단용으로 100% 열고 사용하며, 버터플라이밸브는 유량조절용으로 사용되고 있으나 실험시간 등 실험의 편의를 위하여 50% 열림, 100% 열림 등 2가지 경우로 한정하였다.
- 실험환경인 배관 내의 압력범위는 (0.25∼0.29)MPa, 수온범위는 (22∼32)℃이며 레이놀즈수는 약 62,000∼1,500,000 범위로 잘 발달된 난류영역에서 실험이 이루어졌다.
- 실험용 유량계는 실험을 시작하기 전에 직관거리를 배관직경(d)의 40배인 40d를 확보한 상태에서 기준기인 전자기유량계와 비교하여 고유특성을 확인한 후 실험에 사용하였다. 유동을 교란시키는 인자로는 밸브 2종류(게이트밸브, 버터플라이밸브)를 선정하였으며 게이트밸브는 유량차 단용으로 100% 열고 사용하며, 버터플라이밸브는 유량조절용으로 사용되고 있으나 실험시간 등 실험의 편의를 위하여 50% 열림, 100% 열림 등 2가지 경우로 한정하였다.
- 정압탱크를 이용하는 K-water 교정시스템의 구조로는 구경 300 mm인 실험배관에 최대 1,000 m3/h의 공급이 가능하므로 실험유량은 50 m3/h, 100 m3/h, 250 m3/h, 500 m3/h, 1,000 m3/h 등 5단계로 구분하였다. 유속으로 환산하면 0.
데이터처리
- 설명력은 다소 낮지만 유량측정시 편차에 영향을 주는 변수들 사이의 경향은 파악이 가능하였다. 1차 회귀분석결과 회선수와 제작사가 편차에 영향이 없는 것으로 나타났기 때문에 이 변수를 제외시킨 후 다시 회귀분석을 실시하였다. 그 결과 Table 2와 같이 밸브형식이 상대적으로 편차에 가장 많은 영향을 주며 센서위치, 직관거리, 열림 각도의 순서로 나타났고, 실험결과와 비교해도 게이트밸브보다는 버터플라이밸브의 편차가 상대적으로 크며 특히 50% 열림의 짧은 직관거리에서 편차가 크게 나타나고 있다.
- 유량측정 결과 편차에 영향을 주는 변수들인 회선수, 센서의 설치위치, 직관거리, 밸브의 종류 및 열림 각도와의 상관 관계를 알아보기 위하여 편차를 종속변수, 기타 인자들을 독립변수로 두고 엑셀프로그램을 이용하여 다중상관분석을 실시하였다. 분석결과 상관계수는 약 0.
성능/효과
- 1) 버터플라이밸브가 100% 열려있고 1회선인 경우, A사는 센서위치 0°에서 10d, 135°에서 5d 지점에 설치하고, B사는 센서 45°와 90°에서 15d, 135°에서는 10d 이상에 설치하며, C사는 센서 45°, 90° 위치의 5d에 설치하여야 한다.
- 2) 버터플라이밸브 50% 열림과 1회선인 경우, B사의 유량계를 직관거리 15d, 센서 45°, 90°, 135°에 설치하여야 하며, 2회선은 센서위치 45°와 135°의 15d 지점에 B사의 유량계를 설치하여야 한다.
- 3) 게이트밸브가 100% 열려있고 1회선인 경우, 센서위치 0°에서는 A사 5d, B사 5d, C사 10d에 설치하여야 하며, 센서위치 45°에서는 C사 5d, 90°에서는 A사 5d, B 사 5d 및 C사 3d와 5d, 135°에서 A사는 5d와 10d, C 사는 3d와 5d에 설치하여야 한다.
- 4) 게이트밸브 50% 열림과 1회선인 경우, 센서 0°에서 A사와 C사는 5d, B사는 유량 100 m3/h 이상이면 3d에 설치하여야 하며, 센서 45°에서 C사는 유량 100 m3/h 이상이면 5d, 센서가 90°에서는 B사와 C사가 유량 (50∼500) m3/h에서 5d, 센서 135°에서는 A사와 C사가 5d에 설치되어야 한다.
- 1차 회귀분석결과 회선수와 제작사가 편차에 영향이 없는 것으로 나타났기 때문에 이 변수를 제외시킨 후 다시 회귀분석을 실시하였다. 그 결과 Table 2와 같이 밸브형식이 상대적으로 편차에 가장 많은 영향을 주며 센서위치, 직관거리, 열림 각도의 순서로 나타났고, 실험결과와 비교해도 게이트밸브보다는 버터플라이밸브의 편차가 상대적으로 크며 특히 50% 열림의 짧은 직관거리에서 편차가 크게 나타나고 있다.
- 유량측정 결과 편차에 영향을 주는 변수들인 회선수, 센서의 설치위치, 직관거리, 밸브의 종류 및 열림 각도와의 상관 관계를 알아보기 위하여 편차를 종속변수, 기타 인자들을 독립변수로 두고 엑셀프로그램을 이용하여 다중상관분석을 실시하였다. 분석결과 상관계수는 약 0.55, 결정계수는 약 0.3으로 나타났다. 상관계수는 변수들간의 관련성이 높을수록 1 에 가까우며, 변수들의 설명능력을 나타내는 결정계수도 1에 가까울수록 설명력이 높다.
- 실험결과에 따라 유동교란 인자인 게이트밸브와 버터플라이밸브 하류에서 측정정확도가 수도법이 규정하는 ±2% 이내의 편차를 충족시키는 회선수, 직관거리 및 센서의 설치위치를 제시하였다.
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