계장기술(PROCON)

기획특집 대수용가용 수도미터에 ICT와 압력센서 결합, 관망의 다항목 측정 시스템 구현

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 58회 작성일 21-10-15 11:36

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개발된 초음파식 수도미터는 최근의 녹색 기술 분야(스마트시티, 스마트그리드, 누수 절감 등) 요소 기술 및 제품으로 국내 최소 유량 측정 능력의 판매 인증과 조달청 제품 등록까지 완료하여 판매를 개시하고 있으며, 해외 진출을 위한 다양한 마케팅 활동을 시작한 제품임으로서 배터리 전원만으로 요구 수명 기간 이상을 상회하는 수준으로 동작하며(요구 수명 6년, 동작 수명 : 8년 이상), 스마트한 측정 기술인 완전한 저전력 신호처리와 지능형 진단 기술인 온도, 유량 변화에 따른 전력관리 등을 구현하는 기술로 플랜지 교체를 통해 상이한 규격의 급수관에 편리하게 적용 가능, 지하 맨홀 환경에서 무선통신이 가능한 원격 검침기를 채택함으로써 설치 비용을 최소화할 수 있다. 특히, 스테인리스 재질을 적용하여 위생적인 운영 및 재검정 활용 가능한 기술로 평가된다.


1. 초음파식 수도미터(유량계) 제조 기술

초음파 신호를 이용하여 왕복 전파 시간, Δt(㎱) 측정으로 초음파 유량계 자동 신호, 회선 거리 및 유속 측정 방법 개량을 통한 정밀 유량 측정할 수 있는 초음파식 수도미터(유량계) 제조 기술로서, 유체의 유속에 따라 전파 도달 시간이 변하므로 이를 활용하여 유체의 유속을 측정(V≅△t), 단면적을 곱하여 유량을 연산할 수 있다. (Q = A×V)

이러한 예로서 제트기류에 의한 왕복 비행시간 차이, 하천에서 상하류 도착 시간 차이 발생 등을 통해 시간차 개념을 이해할 수 있다.
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대수용가용 초음파식 수도미터에 ICT와 압력센서를 결합, 관망의 다항목 측정하는 “ICT 다기능 초음파식 수도미터”를 기반으로 하며, 핵심 기능은 250 고배율, 2등급의 대수용가용 초음파 수도미터에 Lte-m(NB-IoT) 저전력 통신과 압력계가 내장되며, 실시간 다항목의 관망 계측을 주기적 통신으로 전송하며, 사용처는 주로 수도사업자/대용량 수도사용자(빌딩, 병원, 학교, 군부대 등)이다.

배터리 독립전원형 수도미터(50~350 ㎜)는 초음파 전파시간차법 원리를 디지털 신호처리와 피코초 정밀 시간측정 기술로 구현한 제품으로서, 지시부를 이중화하여 고장에 대비하고, 압력센서를 함께 내장하여 유량과 압력을 동시에 실시간으로 측정할 수 있다. 고성능 ICT 무선통신 기능을 내장함으로써 지하 맨홀과 같은 통신이 열악한 환경에서 동작이 가능하고, 크기를 최소화함으로써 설치 작업이 용이하다.

플랜지 교체형으로 제작하여 플랜지 규격이 상이한 국내외 모든 환경에 적용할 수 있으며, 초저전력 회로를 적용하여 배터리 전원만으로 8년간 외부 전원 없이 동작할 수 있다.

강조되는 핵심 사양을 정리하면 2등급(250배율), 환경등급C, 50~350㎜ 구경, 위생안전 스테인리스 몸체, 면간 거리 최소화(기계식과 동일), 플랜지 규격(교체형으로 주문자 요구 대응 가능), 시동 유량 범위가 매우 낮으므로 불감 수량을 획기적으로 개선하여 야간 최소유량 계측을 통한 누수 절감 기여 등이다.

재질 측면에서는 국내 허용 기준은 물에 닿는 부분인 계량기에 물을 흘려보낸 뒤 일정 시간 흐른 뒤 정지하여 그 물속에 포함된 납 성분이 0.01mg/L 이하면 물인증원으로부터 수도 음용수용 국가 위생인증을 받는다. 실제로 재질 속에 있는 납 성분에 대한 제한이 미국의 0.25% 함유량 이하 등의 제한이 없어 실제로 친환경 제품이라고 하더라도 용출시험에서 용출이 되지 않았다고 하는 것이지, 없다는 것을 의미하지는 않는다. 따라서 본 제품 개발 시 전량 STS-304 사용으로 위생안전을 실현하였고, 고가이므로 재사용이 가능하도록 수명을 늘려서 에너지 절감에 기여하였다.

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2. 최소유량(유속)에 대한 이해

1) 수도미터 기술 기준(2018, 4.4절의 지시기구 참조)
① 4.4.1 지시부
4.4.1.1 미터의 지시기구는 응축 등의 발생으로부터 통과 부피의 지시량을 쉽고 명백하게 읽을 수 있어야 하며, 신뢰성과 명확성이 있어야 한다.
4.4.1.2 미터의 지시기구는 자동화된 검사설비에 의하여 시험 또는 교정이 가능하도록 추가적인 기능을 가질 수 있다.
② 4.10 지시기구의 분해능
지시기구의 분해능은 최소유량의 시험 시간이 1시간 30분을 초과하지 않도록 계측하여도 확신을 가질 수 있도록 충분히 작아야 한다. (예를 들어, 1L 등 최소유량의 분해능을 알 수 있도록 충분한 분해능을 가질 것)

2) 적산열량계 기술 기준(2018)
6.2 유량 범위 이외의 요구사항 공급자가 제시한 시동 유량(Threshold value) 미만의 유량은 표시하지 않아야 한다.
[비고] 명목상의 차단 밸브를 통한 유량이나, 차단 밸브의 열팽창이나 수축에 의한 관내의 유체 유동은 기록되지 않는 것이 바람직하다. qs 이상의 유량에서 허위 신호 또는 영점 신호와 같은 미터의 작동 상태를 제조자는 제시하는 것이 좋다. qs 이상의 유량은 10.0% 이상의 양(+)의 오차가 발생되지 않는 것이 바람직하다.

3) 해 설
현재 수도미터 계량기에 대한 법적으로 최소유량 이하에 대한 표시 방법 및 표시 정확도 등과 관련하여 해당 규정이 존재하지 않는다. 다만 4.4.1.1 규정의 “응축 등 ~신뢰성이 있어야 한다”를 적산열량계 규정 6.2로 유추하여 판단하는데 합리적일 것이다.
다만, 모든 회사의 제품이 형식승인 받은 범위 이하의 유량이 흐르더라도 계량값에 영향을 주고 있으므로 제조사별로 해당 유량에 대한 허용오차나 표시 유무를 활용하고 있다.
따라서, 실제 유량이 흐르지 않는데 온도가 변하거나 조건 변화에서 흐름이 표시되지 않도록 해야 하므로 기계식의 경우 시작하거나 멈추거나 할 때 시동 유량의 크기가 다르고, 시간이 경과함에 따라 그 크기가 더욱 커지는 경향을 갖는다.
초음파식이나 전자기식 계량기의 디지털 방식이므로 제조사별로 한계값을 설정하고, 한계값 이하에서는 인위적으로 지시값을 0으로 처리하여야 할 것이다.
초음파식의 경우 제품 사양과 생산 규정은 다음과 같다.
구경별로 다르지만 시동 유량의 크기가 약 ±0.015 ㎧(±1.5㎝/s) 이상만 적산되도록 하며, 실제로는 배관의 내경이 공칭구경보다 조금 크므로 그보다 약간 작을 수 있다.
*시동 유량의 특징은 “측정 한계유속으로서 유속 0.015㎧ 수준이며, ±10%를 초과할 수 없다”를
만족하여야 한다.

4) 구 성
① 재질
•배관 및 플랜지 : STS 304
•초음파 진동자 : STS 304
② 방수 등급 : IP68
③ 내압 : PN 15
④ 정확도 : 2등급(Q2 이상 : ±0.5% RD 이내)
⑤ 유량 범위 : 250:1 이상(감지 범위는 400:1 이상)
      정방향 및 역방향 측정이 가능하다. 또 순간 유량, 적산량 및 진단 내용을 저장하고 보존하여야 한다.
⑥ 데이터 저장 장치 : 기본으로 제공된다.
      데이터 저장 장치는 유량 변환기에 내장되어 시간, 순간 유량, 적산량 및 압력 신호 등을 설정한 시간 간격으로 보존하여야 한다. 또한 유량과 압력의
기록은 일체형이어야 한다.
⑦ 데이터의 기록 및 보호를 위한 기계적 외부 봉인을 포함하여 SW적으로도 봉인 구조다.

3. 시장의 이해

대형 수도관망 및 수도계량기 적용 분야에서 점유율 향상을 위한 제품 사업화 추진이 가능할 것으로 예상된다. 스마트 EMS, 스마트 상수관망 현대화 사업, 스마트 관망관리(수도, 열, 하수) 시스템 도입으로 스마트 미터링 분야 및 구역 유량계 시장에서도 성장 기여를 찾을 수 있다. 또 이러한 미터링 분야의 데이터를 활용한 빅데이터 및 AI 적용을 통한 상수도 관망 기술의 고도화로 저전력 IoT 최적화 및 상용화 기술 요구로 시장이 새롭게 확대될 것으로 기대된다.

코로나 팬데믹, 그린뉴딜 등 환경에 대한 관심 급증으로 보다 효율적이고 효과적인 환경 대응 기술 수준이 요구되므로 국내외 배터리 전원 기반 스마트 수도계량기 및 원격검침 솔루션 사업화(상수도 현대화 사업 및 SWM 사업 등)와 물 관련 시장의 지속 확대를 기대할 수 있으므로 전 세계 물 시장 성장률이 높고, 특히 누수 절감 및 효율적 물관리 시장 진입에 새로운 기회를 만들 수도 있을 것이다.
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국내 수도미터 제품을 조달청 쇼핑몰에 등록한 업체 수(2021년 기준)는 총 48개 업체에 달한다.
•가정용(50A 이하) : 38개사
•기계식 수도미터(80A 초과) : 19개사
•디지털 수도미터 제작 : 10개사
•전자식 수도미터 제작 : 8개사(5개사는 전자식 주력)
전자식은 초음파와 전자기 방식을 의미한다. 또한 기계식에 전자적 지시부를 부착한 제품을 디지털 수도미터로 칭하고, 모든 측정 원리가 전자적 센싱 수단을 통해 구성되는 것을 스마트 수도미터라 칭하여 용어의 혼동을 제거하여야 한다.
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또한 조달청 쇼핑몰 기준, 수도미터에 부여된 각종 인증 현황을 살펴보면 매우 다양한
인증을 확인할 수 있다.

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