초음파 유량계는 유체의 흐름 방향으로 초음파를 송신하고, 이 초음파가 유체를 통과하면서 변화하는 속도나 주파수를 측정하여 유량을 계산하는 유량계입니다.

초음파 유량계(Ultrasonic Flowmeter)

초음파 유량계는 유체의 흐름 방향으로 초음파를 송신하고, 이 초음파가 유체를 통과하면서 변화하는 속도나 주파수를 측정하여 유량을 계산하는 유량계입니다. 유체와 직접 접촉하지 않고 외부에서 측정할 수 있다는 장점이 있습니다.

작동 원리

초음파 유량계의 작동 원리는 크게 두 가지 방식으로 나뉩니다.

1. 전파 시간차 방식 (Transit Time Method 또는 Time-of-Flight Method):
   • 배관의 양쪽에 초음파 송신기와 수신기를 설치합니다.
   • 한쪽 송신기에서 다른 쪽 수신기로 초음파를 순방향 및 역방향으로 번갈아 송신하고, 각 방향으로 초음파가 도달하는 시간을 측정합니다.
   • 유체가 흐르지 않을 때는 순방향과 역방향의 전파 시간이 동일합니다.
   • 유체가 흐를 때는 유속 방향과 같은 방향으로 진행하는 초음파의 속도는 빨라지고, 반대 방향으로 진행하는 초음파의 속도는 느려집니다. 따라서 전파 시간의 차이가 발생합니다.
   • 이 시간차를 이용하여 유체의 평균 유속을 계산하고, 배관의 단면적을 곱하여 체적 유량을 산출합니다.
2. 도플러 방식 (Doppler Method):
   • 유체 내에 존재하는 미세한 입자 (부유물, 기포 등)에 초음파를 발사합니다.
   • 흐르는 입자에 반사되어 돌아오는 초음파의 주파수는 원래 송신된 초음파의 주파수와 차이가 발생합니다. 이를 도플러 효과라고 합니다.
   • 이 주파수 변화량 (도플러 편이)은 유체의 속도에 비례합니다.
   • 측정된 주파수 변화량을 이용하여 유체의 속도를 계산하고, 배관의 단면적을 곱하여 체적 유량을 산출합니다.
   • 부유 입자가 없는 깨끗한 유체에는 적용하기 어렵습니다.

특징

• 장점:
  • 비접촉식 측정: 유체와 직접 접촉하지 않아 오염, 부식의 우려가 적고 위생적인 측정이 가능합니다.
  • 압력 손실이 없음: 배관 내에 장애물을 설치하지 않아 압력 손실이 거의 발생하지 않습니다.
  • 다양한 유체 적용: 액체뿐만 아니라 기체, 증기의 유량 측정에도 적용 가능합니다 (전파 시간차 방식).
  • 넓은 유량 범위: 비교적 넓은 유량 범위에서 측정이 가능합니다.
  • 유지보수 용이: 가동부가 없어 유지보수가 간편합니다.
  • 양방향 유량 측정 가능: 순방향 및 역방향 유량 측정이 가능합니다.
  • 대구경 배관에 유리: 특히 대구경 배관의 유량 측정에 경제적이고 효과적입니다.
  • 설치 용이 (외벽 부착형): 배관 공사 없이 외부에서 설치가 가능한 모델이 있어 설치가 간편합니다.
• 단점:
  • 유체 특성 영향: 유체의 음속 변화, 온도 변화, 기포나 고형 입자 함유 정도 등에 따라 측정 정확도가 영향을 받을 수 있습니다 (특히 도플러 방식).
  • 배관 조건 제한: 정확한 측정을 위해 일정 길이 이상의 직관부가 필요할 수 있습니다.
  • 낮은 유속에서 정확도 저하: 유속이 너무 낮으면 측정 정확도가 떨어질 수 있습니다.
  • 비용: 초기 설치 비용이 다른 일부 유량계에 비해 높을 수 있습니다.
  • 배관 재질 영향 (외벽 부착형): 배관 재질 및 두께에 따라 초음파 투과율이 달라져 측정에 영향을 줄 수 있습니다.

종류

초음파 유량계는 측정 방식 및 설치 형태에 따라 다양하게 분류됩니다.

• 측정 방식에 따른 분류:
  • 전파 시간차 방식 (Transit Time Flowmeter): 깨끗한 액체, 기체, 증기 측정에 적합합니다.
  • 도플러 방식 (Doppler Flowmeter): 부유 입자나 기포를 포함한 액체 측정에 적합합니다.
  • 상관 관계 방식 (Cross-Correlation Flowmeter): 유체 내의 난류 패턴 변화를 이용하여 유량을 측정합니다.
  • 주파수 차이 방식 (Frequency Difference Method): 초음파가 유체를 통과하면서 발생하는 주파수 변화를 측정합니다.
• 설치 형태에 따른 분류:
  • 관통형 (In-line Type): 배관의 일부를 잘라내고 유량계를 직접 설치하는 방식입니다. 높은 정확도를 제공합니다.
  • 삽입형 (Insertion Type): 배관에 구멍을 뚫어 센서를 삽입하는 방식입니다. 대구경 배관에 주로 사용됩니다.
  • 외벽 부착형 (Clamp-on Type): 배관 외부 벽면에 센서를 설치하는 방식입니다. 설치가 간편하고 비침습적입니다.

적용 분야

초음파 유량계는 다양한 산업 분야에서 널리 활용됩니다.

• 상하수도 처리: 정수, 하수 처리 과정의 유량 측정
• 석유 및 화학 산업: 원유, 정제유, 화학 물질, 가스 등의 유량 측정
• 식품 및 음료 산업: 음료, 맥주, 우유 등 위생적인 유량 측정
• 제약 산업: 정제수, 공정 유체 등 정밀한 유량 측정
• HVAC (냉난방 공조): 냉수, 온수 유량 측정 및 에너지 관리
• 발전 산업: 냉각수, 연료 유량 측정
• 해양 산업: 선박 연료, 해수 유량 측정
• 농업: 관개 용수 유량 측정
• 환경 모니터링: 하천, 하구 유량 측정

초음파 유량계를 선택할 때는 측정 대상 유체의 종류, 유량 범위, 배관 조건, 요구되는 정확도, 온도 및 압력 조건, 그리고 현장 환경 등을 종합적으로 고려해야 합니다. 특히, 유체의 투명도, 점도, 부유 입자 유무 등이 측정 방식 선택에 중요한 요소가 됩니다.

 

 

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