[논문]시설개선을 통한 유량계 교정설비의 불확도 평가

이동근; 박주영; 이행수

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분동밀도의 불확도 또한 중량측정식 유량계 교정시스템의 최고측정능력에 영향을 주는 기여도가 아주 작아서 발생할 수 있는 불확도의 가장 큰 값을 설정해도 무방하다. 철의 밀도는 7,800㎏/㎥이며, 유효숫자의 반너비의 불확도를 갖는 직사각형 분포로 가정하여 적용한다. 지금까지 계산된 각 인자별 불확도 총괄표를 Table 1에 나타냈으며, 이 교정설비의 합성불확도는 1.

제안 방법

그리고 교정시스템의 측정능력 향상을 위해 불확도에 지배적인 영향을 주는 중량 및 시간 측정에 관련된 장애요인을 줄이기 위한 노력의 일환으로 로드셀의 특성을 고려한 시설개선과 스윙식(swing type) 다이버터의 구조적인 취약점인 왕복운동에 의한 불확도를 최소한으로 줄이기 위한 부가 시설을 고안하였다. 그 결과 로드셀 출력의 편차를 대폭 줄임으로서 보다 정확한 측정을 할 수 있었고 다이버터의 동작속도와 트리거링 위치의 변화를 조합하여 반복적인 실험을 실시하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
그러나 수자원연구원은 유량측정분야의 선도적인 역할로 산업계의 기술발전 및 연구시설로의 활용도 제고 등을 위해 유동율별로 4종류의 중량식 교정시스템을 설치하였다. 그리고 교정시스템의 측정능력 향상을 위해 불확도에 지배적인 영향을 주는 중량 및 시간 측정에 관련된 장애요인을 줄이기 위한 노력의 일환으로 로드셀의 특성을 고려한 시설개선과 스윙식(swing type) 다이버터의 구조적인 취약점인 왕복운동에 의한 불확도를 최소한으로 줄이기 위한 부가 시설을 고안하였다. 그 결과 로드셀 출력의 편차를 대폭 줄임으로서 보다 정확한 측정을 할 수 있었고 다이버터의 동작속도와 트리거링 위치의 변화를 조합하여 반복적인 실험을 실시하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
다이버터의 동작재현성을 측정하기 위하여 다이버터 동작속도 측정기를 개발⋅제작하여 왕복 동작에 따른 속도를 동일하게 조정하였다.
시간측정의 불확도는 유체를 수집하는 시간의 시작과 끝을 결정해주는 트리거링과 유로를 수집위치에서 바이패스로, 바이패스에서 수집위치로 전환시켜주는 유로 전환장치인 다이버터의 동작시간에 따라 발생하는 불확도이다. 따라서 본 연구에서는 유량계 교정시스템의 불확도에 지배적인 역할을 하는 로드셀의 불평형 개선 및 다이버터의 전환속도와 트리거링 위치를 조합하고 ISO 4185 규정에 따른 수집시간을 변화시키면서 실험을 실시하여 불확도가 가장 작은 최적의 조건을 도출하고 밀도와 관련된 불확도를 합성하여 교정설비의 측정 능력을 평가하였다.
시간측정의 불확도는 다이버터의 시간편차와 반복성에 대한 불확도를 계산하여 합성한다. 실험은 최대유동과 최대의 50% 유동율에 대하여 3 s, 6 s, 12 s, 30 s 및 60 s 동안을 수집하며 각 유동율 및 수집시간별로 10회 실시한다. 10톤 수집탱크의 최대유동율인 500 ㎥/h에서는 Fig.
이러한 불평형은 수집탱크를 지지하는 로드셀의 위치가 기하적적으로 평형을 이루지 않았으며, 또한 탱크 하부에 설치된 밸브 및 배관의 구조적인 이유로 정확히 무게중심점에 작용하지 않기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 로드셀에 하중을 가하는 중량탱크의 받침부위에 철판을 가공하여 고임으로써 평형을 잡았고, 다음으로는 중량탱크의 기하학적인 중량불균형을 강철제 추를 이용하여 보정하였다. 이러한 불균형은 같은 중량에서 각각의 로드셀에서 나오는 출력이 동일해질 때까지 반복하여 수행하였다.
중량장치의 불균형을 개선한 후에 분동과 물치환법을 이용하여 10톤 로드셀(Weigh Bridge)을 교정한 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 교정방법은 1톤 용량의 분동을 중량장치에 올린(upload) 후 지시값을 기록한 다음, 분동을 내려놓고(download) 지시값만큼 물을 채운다.
측정능력을 향상시키기 위한 시설개선은 중량측정장치(weighing bridge), 다이버터 동작속도 및 트리거링 포인트(triggering point) 개선 등 3부분으로 나누어 시행하였다. 중량측정장치 실험결과 3개의 로드셀에 가해지는 중량이 평형을 이루지 않아 발생하는 것임을 확인할 수 있었다.

성능/효과

⑵ 다이버터의 동작속도가 빠를수록, 트리거링 위치가 정확할수록 즉, 트리거링 포인트가 노즐에서 분출되는 유동의 중심에 가까워질수록 불확도는 줄어든다.
완충장치를 설치함에 따라 공기압실린더에 더 많은 공기 유량을 부가할 수 있게 되고 결국 동작속도를 증가시킬 수 있게 되었다. 결과적으로 동작속도 측정기를 이용하여 수집 및 바이패스 양방향의 속도는 동일하게, 트리거링 위치는 정확하게 설정된 상태에서 다이버터의 동작속도를 빠르게 함으로서 교정장치의 불확도를 낮출 수 있었다.
다이버터는 공기압 실린더에 의하여 작동되며, 공기압 실린더의 공기의 유량을 조절할 수 있는 교축밸브와 레귤레이터에 의하여 동작속도를 조절할 수 있다. 이 장치들에 의한 동작속도의 재현성은 아주 우수하여 동작속도를 반복하여 측정한 결과 0.01초의 분해능에서 차이가 없는 것으로 나타났으며 이 장치를 이용하여 다이버터가 유체를 수집하는 공정과 수집을 끝내는 공정의 속도를 동일하게 세팅하였다. 다이버터는 스윙(swing) 운동을 하면서 유체의 흐름을 수집 또는 바이패스 상태로 전환한다.
그러나 강철구조물로 되어있는 노즐, 다이버터 내부의 수집과 바이패스 분기구조물(threshold)이 정확히 일직선상에 위치하기가 어렵기 때문에 시간트리거가 수평이 되는 지점에서 광센서에 접점을 발생시켜도 시간상에 오차가 발생할 수 있다. 이러한 구조적 결함을 보완하기 위하여 트리거링 신호를 발생시키는 광센서의 위치를 조절할 수 있도록 구조를 변경하고 반복실험을 통하여 가장 이상적인 위치에 광센서를 고정시킴으로서 시간측정에 의한 불확도를 줄일 수 있었다. 그리고 다이버터 및 노즐의 구조적 결함에 의해서 발생하는 불확도를 줄이는 가장 간단한 방법은 다이버터의 동작시간을 짧게 하는 것이다.
측정능력을 향상시키기 위한 시설개선은 중량측정장치(weighing bridge), 다이버터 동작속도 및 트리거링 포인트(triggering point) 개선 등 3부분으로 나누어 시행하였다. 중량측정장치 실험결과 3개의 로드셀에 가해지는 중량이 평형을 이루지 않아 발생하는 것임을 확인할 수 있었다. 이러한 불평형은 수집탱크를 지지하는 로드셀의 위치가 기하적적으로 평형을 이루지 않았으며, 또한 탱크 하부에 설치된 밸브 및 배관의 구조적인 이유로 정확히 무게중심점에 작용하지 않기 때문이다.

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