[논문]액체용 유량계교정시스템의 교정측정능력 평가

이동근; 김종섭; 박태진; 박종호

doi:10.5293/kfma.2014.17.4.005

[국내논문] 액체용 유량계교정시스템의 교정측정능력 평가
CMC Evaluation of Flowmeter Calibration System for Liquid 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.17 no.4, 2014년, pp.5 - 10

이동근 (한국수자원공사 K-water연구원) , 김종섭 (한국수자원공사 K-water연구원) , 박태진 (한국수자원공사 K-water연구원) , 박종호 (충남대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

It is possible for the nation's largest flowmeter calibration system in K-water to calibrate flow rate up to $2,700m^3/h$ and diameter 800mm. However, the calibration and measurement capability of K-water's system is not satisfied in comparison with other developed countries. In this study, we find the dominant factors related to the uncertainty of weight and time measurement for gravimetric flowmeter calibration system. As a results of improving the system, the combined standard uncertainty has been improved $1.099{\times}10^{-3}$ to $2.332{\times}10^{-4}$. So calibration and measurement capability got 0.08 percent of the relative expanded uncertainty for maximum flow rate using the coverage factor(k=2).

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문제 정의

따라서 본 연구는 교정시스템의 측정능력을 국가표준수준으로 향상시키기 위하여 선행 연구⁽³⁾에서 검토된 불확도 요인 들의 면밀한 검토와 유동율 안정화방안 및 측정시간에 관련된 불확도 요인을 줄이기 위해 교정시스템의 시설을 개선하였다. 시설개선 후 불확도를 재평가하여 K-water 교정시스템의 측정능력과 기술수준을 국제적으로 인정받기 위한 기반을 마련하고자 하였다.
그러나 K-water의 교정설비는 측정되는 유량이나 규모는 국내 최대이지만 선진국의 기술수준과는 많은 차이를 보이고 있으므로 불확도 개선의 필요성이 절실히 요구되고 있다. 따라서 본 연구는 교정시스템의 측정능력을 국가표준수준으로 향상시키기 위하여 선행 연구⁽³⁾에서 검토된 불확도 요인 들의 면밀한 검토와 유동율 안정화방안 및 측정시간에 관련된 불확도 요인을 줄이기 위해 교정시스템의 시설을 개선하였다. 시설개선 후 불확도를 재평가하여 K-water 교정시스템의 측정능력과 기술수준을 국제적으로 인정받기 위한 기반을 마련하고자 하였다.

가설 설정

분동은 밀도가 8×103kg/m3인 스테인레스 재질로 제작되어 있으므로 유효숫자의 절반에 해당하는 2.887×10-1kg/m3의 불확도를 갖는다고 가정하였다.

제안 방법

로드셀의 교정은 분동과 물을 치환하는 방법을 사용하므로 교정성적서에는 구간별 최대편차와 평균의 표준편차를 선형으로 합성한 값이 불확도로 표기된다. 따라서 교정 불확도를 줄이기 위하여 로드셀 출력의 비직선성과 재현성이 0.02%로 우수한 정밀 로드셀을 도입하였다. 비직선성은 하중 증가에 따른 이상적인 출력과 실제 나타나는 출력과의 차이, 즉 최대편차로 비직선성이 작을수록 이상적인 출력에 근접하기 때문에 구간별 최대편차를 줄일 수 있다.
따라서 설계 유동율 범위 내의 모든 유동율을 안정적으로 제어하기 위한 기술검토를 거쳐 공기압으로 작동되는 구경 300mm 세그먼트 볼밸브를 선정하였다. 또한 밸브의 상류에는 콘형 정류기를 설치하여 낮은 개도에서도 유속분포가 왜곡되지 않도록하였으며 밸브변경에 따른 배관을 수정하였다.
4와 같은 형상의 정류기를 설치하였다. 정류기 설치의 효과를 확인하기 위하여 CFD 분석을 수행하였으며, Fig. 5에 정류기 설치전후의 속도 유선도에 나타난 것 같이 정류기를 설치했을 때, 잘 발달된 난류영역이 상대적으로 짧은 거리에서 나타나고 있음을 CFD 모사를 통하여 확인하였다. 또한 정류기 전후의 스월 저감 효과를 확인한 후 구경 800mm에 2개, 600mm와 400mm에 각 1개의 정류기를 설치하였다.
5에 정류기 설치전후의 속도 유선도에 나타난 것 같이 정류기를 설치했을 때, 잘 발달된 난류영역이 상대적으로 짧은 거리에서 나타나고 있음을 CFD 모사를 통하여 확인하였다. 또한 정류기 전후의 스월 저감 효과를 확인한 후 구경 800mm에 2개, 600mm와 400mm에 각 1개의 정류기를 설치하였다.
분동의 불확도는 확장불확도가 11g인 분동 5개를 조합하여 10회 사용한 양과 경년변화, 즉 교정성적서에 나타난 편차 중에서 가장 큰 값을 합성하여 계산하였다. 로드셀의 불확도는 교정성적서에 나타난 불확도 뿐 아니라 경년변화, 온도특성, 분해능, 우연효과, 크리이프 및 히스테리시스에 관련된 불확도를 합성하여야 한다.
로드셀의 불확도는 교정성적서에 나타난 불확도 뿐 아니라 경년변화, 온도특성, 분해능, 우연효과, 크리이프 및 히스테리시스에 관련된 불확도를 합성하여야 한다. 경년변화는 제작사 시험성적서의 정확도를 사용하였고, 로드셀이 사용되는 환경조건인 온도범위에 시험성적서 상의 온도특성을 고려하였다.
우연효과는 분동을 이용한 10회의 반복측정 결과의 표준편차를 적용하였으며, 크리이프는 로드셀에 45,000kg의 하중을 인가한 다음 6분이 경과 후에 지시값 기록, 하중 제거후 인가하는 과정을 10회 반복 측정한 값의 표준편차를 이용 하였다. 하중 증가와 하중의 감소 사이에 동일한 하중 작용시 로드셀 출력 사이의 차이를 나타내는 히스테리시스는 10회 측정한 결과 중 편차의 변화량이 가장 큰 값을 불확도 계산에 적용하였다.
시간측정불확도는 시간을 측정하는 카운터와 유로전환장치인 다이버터의 불확도로 구성된다. 카운터의 불확도는 교정성적서에 표기된 불확도와 교정구간 중 편차의 변화가 가장 큰 값을 선택한 경년변화를 합성하였다.
다이버터의 불확도는 시간편차, 유동율에 따른 반복성의불확도 및 기준유량계의 경년변화를 합성하여 구한다. 다이버터 시스템이 이상적으로 설계되었다면 다이버터 동작에 따라 시간 카운터를 동작 및 정지시키는 동작, 즉 시간측정오차는 줄일 수 있다.
설정된 유동율에서 주어진 전환시간별로 10회의 실험을 실시한 후 나타나는 최대 표준편차를 반복성 불확도로 간주 하였다. Fig.
물 밀도의 불확도 성분은 방정식과 온도측정에 관련된 온 도계, 교정 시의 수온변화 및 온도계의 경년변화에 관련된 양이다. 본 논문에서는 방정식의 불확도를 한국표준과학연구원에서 제시하는 0.01kg/m³를 적용하였다. 온도계의 교정 성적서에 표기된 불확도와 10회 측정결과의 온도변화량 및 교정결과 중 평균편차의 변화량이 가장 큰 값을 경년변화로 간주하고 계산한 결과 3.
2kg/m³을 적용하거나, 불확도 계산식을 사용하여 계산하더라도 그 값은 유사한 결과를 얻는다. 따라서 한국표준과학연구원의 실험결과(7)인 대기압 1,010mbar, 온도 20℃ 및 습도 50%R.H.에서의 밀도인 1.196kg/m³을 적용하였다.
K-water에서 사용하고 있는 유량계 교정시스템 중 중량측정에 의한 방법의 교정측정능력을 향상시키기 위하여 불확도에 영향을 미치는 변수들을 찾아 설비를 개선한 후 그 능력을 재평가하였다.
중량측정의 기준인 로드셀을 출력의 선형성이 우수한 정밀한 계기로 교체한 후, 설치되는 환경을 고려한 모든 불확도를 고려하였다. 스윙식 다이버터의 특성을 고려하여 트리거링을 보다 쉽고 정확하게 할 수 있도록 설비를 개선하였다.
중량측정의 기준인 로드셀을 출력의 선형성이 우수한 정밀한 계기로 교체한 후, 설치되는 환경을 고려한 모든 불확도를 고려하였다. 스윙식 다이버터의 특성을 고려하여 트리거링을 보다 쉽고 정확하게 할 수 있도록 설비를 개선하였다. 그리고 유동율을 안정화시키기 위해 관로에는 정류기, 유동율을 정밀 제어하기 위해 밸브의 형식을 변경하고 교정 측정능력을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
스윙식 다이버터의 특성을 고려하여 트리거링을 보다 쉽고 정확하게 할 수 있도록 설비를 개선하였다. 그리고 유동율을 안정화시키기 위해 관로에는 정류기, 유동율을 정밀 제어하기 위해 밸브의 형식을 변경하고 교정 측정능력을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

유로전환장치인 다이버터, 수집탱크, 유체의 무게를 측정 하기 위한 로드셀 및 로드셀을 세팅하기 위한 분동장치로 구성된다. 다이버터에는 수집시간의 시작과 끝을 결정하는 광센서가 부착되어 있으며 수집탱크는 유량에 따라 선택하여 사용할 수 있도록 4종류가 구비되어 있다.
기존의 유동율 조절은 버터플라이밸브를 사용하기 때문에 디스크가 유선의 중심에 위치하는 구조적인 특성으로 인하여 소유량 제어 즉, 밸브의 열림 각도가 작을 경우 난류에 의한 요동현상으로 제어 안정성이 좋지 않았다. 따라서 설계 유동율 범위 내의 모든 유동율을 안정적으로 제어하기 위한 기술검토를 거쳐 공기압으로 작동되는 구경 300mm 세그먼트 볼밸브를 선정하였다. 또한 밸브의 상류에는 콘형 정류기를 설치하여 낮은 개도에서도 유속분포가 왜곡되지 않도록하였으며 밸브변경에 따른 배관을 수정하였다.

데이터처리

우연효과는 분동을 이용한 10회의 반복측정 결과의 표준편차를 적용하였으며, 크리이프는 로드셀에 45,000kg의 하중을 인가한 다음 6분이 경과 후에 지시값 기록, 하중 제거후 인가하는 과정을 10회 반복 측정한 값의 표준편차를 이용 하였다. 하중 증가와 하중의 감소 사이에 동일한 하중 작용시 로드셀 출력 사이의 차이를 나타내는 히스테리시스는 10회 측정한 결과 중 편차의 변화량이 가장 큰 값을 불확도 계산에 적용하였다.

이론/모형

정류기의 규격은 ISO 5167-1의 부속서⁽⁵⁾에 따른 관 다발형 정류기를 적용하였다.
공기밀도의 불확도는 공식 자체가 갖는 불확도와 측정시스템에 의한 불확도 및 측정값의 불확도를 포함하므로 한국표준과학연구원의 연구결과인 측정불확도 표현지침에 따라 2.22×10-4kg/m3을 적용하였다(8).
물의 밀도를 계산하기 위하여 한국표준과학연구원의 질량 그룹에서 설정한 밀도방정식(7)인 식 (5)를 인용하였으며, 수온은 실험 시 물의 평균온도인 27.1℃를 적용하여 밀도를 구하였다.
포함인자 k를 구하기 위한 유효자유도는 식 (6)으로 표현되는 Welch-Satterthwaite의 식을 이용하여 계산한다.

성능/효과

분동과 로드셀의 영향인자를 모두 합성한 중량측정의 불확도는 8.338kg으로 계산되었다.
시간측정에 관련된 불확도는 시간측정용 카운터, 다이버터의 시간편차, 유동율에 따른 반복성과 기준유량계의 경년 변화를 고려한 불확도 성분을 모두 합성하여 1.480×10-2 s 로 계산되었다.
온도계의 교정 성적서에 표기된 불확도와 10회 측정결과의 온도변화량 및 교정결과 중 평균편차의 변화량이 가장 큰 값을 경년변화로 간주하고 계산한 결과 3.420×10-2kg/m3을 얻었다.
1) 중량측정방식을 채택한 유량계 교정시스템의 불확도는 중량측정과 시간측정에 관련된 변수가 지배적임을 확인하였다.
3) 시간측정의 불확도는 유동율에 따른 반복성이 지배적이므로 트리거링 위치가 노즐에서 분출되는 유동의 중심에 최대한 근접되도록 정확하게 세팅하여야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다이버터 시스템에서 시간 측정오차에 영향을 미치는 요인은 무엇인가?	다이버터 시스템이 이상적으로 설계되었다면 다이버터 동작에 따라 시간 카운터를 동작 및 정지시키는 동작, 즉 시간측정오차는 줄일 수 있다. 그러나 이 오차는 유동율, 전환속도, 노즐 출구의 유동형태 및 트리거링 위치의 세팅여부에 따라 다르게 나타나므로 반드시 보정을 하여야 한다. 보정은 ISO 4185에서 제시된 방법에 따라 교정시스템의 최대 유동율에 근접하도록 밸브를 조절하여 세팅 시킨 후 기준 수집시간과 기준의 20%, 10%, 5%의 짧은 시간으로 수집한 후 식 (4)를 이용하여 오차를 산출한다(6).
	국내의 유량계 교정시설은 어떻게 운영되고 있나요?	국내의 유량계 교정시설은 국가표준인 한국표준과학연구원과 한국인정기구로부터 KS Q ISO/IEC 17025의 요건을 충족시킨 후 공인교정기관으로 인정된 20여개 기관이 운영 되고 있다. 그러나 아직은 규모와 측정능력이 독일, 스위스, 일본 등의 선진국에 비해 열악한 것이 현실이다.
	유동발생장치는 무엇으로 구성되는가?	유동발생장치는 저수조, 펌프모터 및 정압유지탱크로 구성되며 저수조의 역할은 교정시스템에 사용되는 유체를 반복적으로 사용하기 위해 유체를 저장하는 수조로 사용 중 유체의 온도상승을 최대한 억제하기 위한 1,000m3 규모이다. 펌프모터는 저수조에 저장된 유체를 정압유지탱크로 송수하기 위하여 설치하며 교정되는 유량에 따라 병렬운전이 가능하도록 5대가 구비되어 있다.

참고문헌 (8)

이동근, 김종섭, 이행수, 심동혁, 추성훈, 2012, "유량계 교정시스템 교정측정능력 향상 연구," KIWE-FE-12-06, 한국수자원공사.
이동근, 조용, 2012, "유동교란인자(축소.확대관, Tee관) 상하류에 설치된 다회선초음파유량계의 특성," 대한기계학회 논문집 B권, 제36권, 제8호, pp. 877-883.

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이동근, 박주영, 이행수, 2008, "국가표준수준의 유량계 교정시스템 개발 연구," KIWE-WFERC-08-03, 한국수자원공사.
이동근, 박종호, 2008, "액체용 유량계 교정시스템의 Diverter 불확도 특성연구," 유체기계저널, 제11권, 제3호, pp. 50-55.

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ISO 5167-1, 2003, "Measurement of Fluid Flow by means of Pressure Differential Devices Inserted in Circular Cross-section Conduits Running Full - Part 1 : General Principles and Requirements."
ISO 4185, 1980, "Measurement of Liquid Flow in Closed Conduits - Weighing Methods."
이광복, 2002, "물 유량 표준시스템 불확도 평가," 유체기계저널, 제5권, 제4호, pp. 93-102.

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정낙삼, 최종오, 1999, "측정에서의 불확도 표현에 대한 지침," Report of KRISS, KRISS-99-070-SP.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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