본고에서는 최근 각광받고 있는 외벽부착식 초음파 유량계의 측정 방식과 특징를 소개하고자 한다.

여러 산업 현장에서는 스팀이 공정에 다수 사용되고 있다. 스팀의 양을 측정하기 위해서 볼텍스 유량계 및 여러 유량계가 주로 사용되어 왔지만, 최근에는 배관 외벽에 설치하는 클램프 온 타입의 초음파 유량계가 대두되고 있는 추세다.

외벽부착식 초음파 유량계는 배관 수정이 필요 없으며, 유지보수가 아주 용이해 사용 중 문제가 발생할 경우에는 조치가 바로 가능하다는 장점이 있다. 또한 온도, 압력을 보상함으로써 Normal Flow, Mass  Flow, Actual  Flow 등의 측정이 가능하다.

시간차 방식을 이용한 Shear Wave 파장으로 배관에 초음파의 전달 시간차를 이용하여 유속을 측정하고, 측정된 유속에 단면적과 온도, 압력이 계산되어 유량을 산출해낸다.

1. 두 쌍의 센서를 이용한 측정 원리

Clamp-on 방식은 유량계 설치 방법 중 하나로, 배관 공사 없이 배관 외벽에 센서를 설치하여 유량을 측정하는 것을 말한다. 기존의 Liquid와 Gas 측정에 한정되었던 기술이 업그레이드되어 Steam 측정에도 적용이 가능하다.

초음파 유량계는 초음파의 투과, 반사의 성질을 유량 측정에 이용하는 타입으로, 가스 측정의 주파수 영역대는 0.2 MHz~4MHz의 범위에서 사용되고 있다. 이때 사용되는 주파수 영역대는 배관의 크기와 두께에 따라 센서가 구분되어 있으며, 초음파를 이용하여 배관 안에 스팀의 유속을 측정하고, 측정된 유속의 배관의 단면적을 계산하여 유량으로 나타낼 수 있다.

그림 1과 같이 초음파의 투과, 반사의 성질을 이용하여 배관 외벽에 초음파 센서를 설치하면, 한 쌍의 초음파 센서는 초음파를 송수신하게 된다. 또 1차로 흐름의 앞쪽에 위치한 센서에서 스팀의 난류 신호를 측정한다. 이 난류가 흐름에 따라 이동하기 때문에 2차로 뒤쪽에 위치한 센서가 시간 차이를 두고 같은 난류를 측정하고, 이때 발생되는 시간 차이를 이용하여 유속을 측정하게 된다.

스팀의 경우 온도가 높기 때문에 기존의 외벽부착식 유량계들과는 센서 부착 방식이 다르다. 높은 온도로 인해 센서의 무리가 갈 수 있기 때문이다. 이를 보완하기 위해 그림 3과 같이 생긴 WaveInjector라는 툴을 이용하여 센서를 부착한다. 이 툴은 그림 4에서 볼 수 있듯 효과적으로 센서의 직접 가해지는 열을 낮춰준다.

2. 특장점

외벽부착식 초음파 유량계의 특장점은 다음과 같다.
•파이프 외벽에 설치로 유지보수가 용이하고, 높은 정확도로 신뢰할 수 있다.
•온도, 압력 보상으로 Normal Flow, Mass Flow, Actual Flow 측정이 가능하다.(온도, 압력 입력 시)
•파이프 절단 및 수정 없이 간단히 설치가 가능하다.
•누출의 위험과 압력 손실이 없으며, 양방향 측정이 가능하다.
•측정 압력 범위가 넓다.(1~110bara)
•Saturated 스팀뿐만 아니라 Superheated 스팀까지 측정 가능하다.(100~400°C)

3. 전 망

유량 측정은 사용자의 목적에 따라 다양한 분야에 사용되고 있다. 생산에서 있어 유량 측정은 공정의 효율성을 높이고, 실제 공정에서 사용하는 에너지 양과 직접적인 관계가 있다. 이렇듯 정확한 유량 측정으로 공장에서 사용하는 에너지 소비량이 얼마가 되는지, 또 에너지 소비를 줄일 수 있는 운전 방법은 어떤 것인지를 알 수가 있다.

외벽부착식 스팀용 초음파 유량계는 다른 측정 방식의 유량계와는 달리 하나의 센서를 이용하여 다양한 배관을 측정할 수 있어 매우 경제적이고 효율적이며, 사용자의 기대감을 증폭시킨다.

aiden@flowmeters.co.kr