원격검침용 수도미터의 자기장 영향에 관한 실험적 연구

2.1 국내 수도미터 개발 현황

국내에서 개발 및 설치되는 수도미터 종류에는 Fig. 2에서 볼 수 있듯이, 접선류 임펠러식, 수직윌트만식, 수평윌트만식, 터빈식, 와류식, 전자기식, 초음파식, 차압식, 로터리피스톤식, 바이패스식, 플루이딕식 등이 있다. 이 중 원격검침용 수도미터는 주로 임펠러 디지털식 및 수직월트만 디지털식이 주로 적용되어 사용되고 있다.

Fig. 2

Flow type of water meter for type approval

수도미터는 Table 1과 같이 연평균 200건 이상의 신규 형식승인이 이루어지고 있다. 2020년 이전에 신규 형식승인을 취득한 수도미터는 대부분 기계식 접선류 임펠러식이었다. 그러나 2020년 이후, 원격검침용 수도미터 보급 사업과 연계하여 디지털식 접선류 임펠러 방식의 신규 형식승인 취득이 전체 수도미터 형식승인의 약 50 %를 차지하게 되었다. 원격검침 사업이 완료된 2022년 이후에는 신규 형식승인 건수가 감소하고 있다.

Table 1

The number of type approvals for new water meters

연간 임펠러 방식 수도미터는 Table 2에서 볼 수 있듯이,전체 검정 대수의 약 99 %를 차지하고 있다. 원격검침용 수도미터가 보급되기 이전인 2017년도에는 임펠러 기계식 수도미터 비중이 약 71 %, 임펠러 디지털식 수도미터는 약 27 % 수준이었다. 그러나 2021년도부터 임펠러 기계식 수도미터가 약 45 %로 감소하고, 임펠러 디지털식 수도미터가 약 51 %로 증가하며 보급 추이가 전환되었다.

Table 2

The number of verification water meters

2.2 수도미터의 차폐 구조

수도미터는 외부 자기장에 노출되었을 때 오차에 영향을 받을 수 있기 때문에, 유량 측정부에 차폐 구조가 적용되어 있다. 단갑 수도미터는 1차식 차폐 구조 형식이 적용되었다. Fig. 3(a)와 같이 원통형으로 생긴 차폐 구조물이 격판에 삽입되는 형태를 갖추고 있다. 복갑 수도미터의 차폐 구조는 원통형, 구형이 있으며, 측정 센서가 자기장에 영향을 받지 않도록 격판 위에 2겹의 구조물을 설치하여 차폐하는 방식이 있다. 또한, Fig. 3(b)와 같이 외부 자기장에 취약한 PCB(Printed Circuit Board)의 MR센서 주위를 차폐하는 2차식 차폐 구조 형식도 존재한다.

Fig. 3

Structure of water meter for shielding magnetic field

3.1 수도미터의 자기장 시험

OIML R 49와 수도미터 기술기준에서는 센서부가 외부 자기장에 미치는 영향을 평가하기 위해 Table 3에 제시된 정적자기장 시험을 규정하고 있다. 정적자기장 시험에서는 정격작동 조건에서 수도미터의 표면(윗면, 아랫면, 옆면)에 자석을 놓았을 때, 모든 기능이 정상적으로 작동해야 하며, 최대유량(Q₃)에서 최대허용오차를 초과해서는 안 된다. 또한, 2차 지시부가 있는 경우, 1차 지시부 표면에 자석을 놓았을 때도 정상적으로 작동해야 한다. 이에 본 연구에서는 자석으로 인한 원격검침용 수도미터의 자기장 영향을 확인하기 위해, 자석별 자기장 특성에 대해서 실험하였다.

Table 3

Static magnetic field test condition under OIML R 49

3.2 자석별 자기장 시험

본 연구의 실험에 사용된 영구자석(Permanent magnet)은 Table 4에 나와 있는 5종류로, 국제표준에서 정적자기장 시험에 적용되는 이방성 페라이트 자석과 산업용으로 많이 사용되고 있는 희토류계(Nd-Fe-B, 이하 네오디뮴) 자석으로 선정하였다.

Table 4

Types of magnets for magnetic flux density test

자기장의 강도 영향을 확인하기 위해 5종류의 자석에 대해서 3가지 시험을 진행하였다. 첫째, 자석 표면의 자기력선속밀도(이하 자속밀도)를 측정하였다. 자속밀도는 자석의 표면에서 균일하게 분포하고 있지 않으며, 면과 면이 만나는 모서리 부분에서 가장 큰 값의 자속밀도가 Table 5에 제시된 바와 같이, 희토류계 자석의 자속밀도는 페라이트 자석보다 2배 이상 높았으며, 동일한 재질의 자석에서는 크기가 클수록 자속밀도 값이 더 크게 측정되었다.

Table 5

Maximum surface magnetic flux density at edge

다음으로 측정 높이 변화에 따른 자기장 강도를 측정하였다. 이를 위해 Fig. 4의 높이 측정기(Height Gauge)를 사용하였다. 높이 변화에 따른 자석의 자속밀도 측정 결과, 높이가 상승할수록 모든 자석에서 자속밀도가 선형적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 5개 자석의 표면에서 25mm까지 높이가 상승하는 동안 자속밀도는 평균적으로 –8.9mT/mm 감소하였으며, 모든 높이에서 희토류계 자석의 자속밀도가 페라이트 자석보다 더 크게 측정되었다. 5번 자석의 측정 결과, 자석의 표면에서의 자속밀도는 395mT로 4번 자석 측정값보단 작았지만, Fig. 5에서 확인할 수 있듯이 표면으로부터 10mm 이상 떨어진 후로는 가장 강한 자속밀도 값을 나타내었다.

Fig. 4

Measurement of magnetic flux density by height gauge

Fig. 5

Measuring magnetic flux density variation at the different height from surface

끝으로 자석 형태별로 위치를 Fig. 6과 같이 지정하여 각 지점의 높이 변화에 대해서 자기장의 강도를 측정하였다. 표면에서 측정한 결과, 2번 지점에서 자속밀도가 가장 크게 측정되지 않는 경우가 있다. 일부 자석의 표면이 고르지 않아 1번 지점에서 자속밀도가 크게 측정되기도 했다. 하지만, Fig. 7에서 모든 자석의 표면에서 1mm 이상 떨어진 위치에서는 2번 지점에서 가장 강한 자기장의 강도가 측정됐다. 특히, 5번 자석의 경우 표면에서의 자속밀도와 5mm 높이에서 측정한 결과를 비교했을 때, 2번 지점의 자속밀도는 299mT로 1번 지점에서 측정된 199 %, 3번 지점보다 172 % 높았다. 또한, 자석의 두께가 얇을수록 자석의 강도 변화가 크게 나타났다. 두께가 5mm인 3번 자석의 경우, 표면에서 측정한 자속밀도와 1mm에서의 위치별 변화율이 평균 –26 %였으며, 5mm 높이에서는 측정 위치별 평균 변화율이 –50 %로 가장 높았다. 반면, 두께가 25mm로 가장 두꺼운 5번 자석의 자속밀도 2번 지점에서의 측정결과, 높이에 따른 변화율이 1mm에서 –3 %, 5mm에서 –17 %, 20mm에서 –60 %로 가장 적었다.

Fig. 6

Measurement positions on different magnetic type

Fig. 7

Measuring magnetic flux density variation at the different height and position

4.1 자석의 재질에 따른 자기장 영향 시험

본 연구에서는 국내외 30개 형식의 원격검침용 수도미터를 대상으로 자기장 영향 시험을 하였다. 자석별 자기장 영향을 확인하기 위해 5종류의 자석을 사용하여 수도미터의 옆면(2곳), 윗면, 아랫면에 위치시켜 자기장의 영향을 받기 전과 받은 후의 변화량을 측정하였으며, 이 결과를 Table 6에 제시된 4가지 그룹으로 구분하였다. 첫 번째 그룹은 현행 기술기준의 정적자기장 시험에서 적용하는 최대허용오차(변화량 2 % 이내)를 만족한다. 두 번째 그룹은 계량에 관한 법률 시행령 별표 17의 수도미터의 사용오차(변화량 4 % 이내)를 만족한다. 세 번째 그룹은 사용자가 고장으로 판단하기 전 단계로, 변화량 4∼30 %이내인 경우를 포함한다. 마지막 그룹은 수도미터 사용자가 수도미터가 이상을 인지할 수 있는 정도를 나타내며, 변화량이 30 %를 초과하는 경우이다.

Table 6

Classification of failure for change rate of Maximum permission error

자석의 재질별 영향을 분석하기 위해 2가지 제한된 조건에서 결과를 평가하였다. 첫 번째로, 유량을 수도미터마다 지정된 최대유량(Q₃)으로 설정하였다. 두 번째로, 자석의 위치를 수도미터의 왼쪽 면으로 설정하였다. 자석 재질별 자기장 영향 시험 결과는 Table 7에서 보듯이, 페라이트 재질보다 희토류계(네오디뮴) 자석에서 비정상 작동 수도미터 수가 증가하였다. 특히, 희토류계(네오디뮴) 재질의 5번 자석에서 비정상 작동 수도미터의 수는 페라이트 재질의 1번 자석보다 1300 % 증가했으며, 허용오차 안에 들어오는 수도미터는 약 62 % 감소했다. 반면, 원격검침용 수도미터에 최대유량(Q₃)이 흐를 경우, 페라이트 재질 자석에는 영향을 받지 않았다. 바깥지름과 안지름이 다른 2개의 페라이트 재질 자석에서는 고장 단계로 분류된 수도미터의 수는 1개에 불과했다.

Table 7

Classification of failure by magnetic field test with magnet material

4.2 유량부 형식에 따른 자기장 영향 시험

자기장 영향 시험에 활용된 총 30개의 원격검침용 수도미터 중, 유량 측정에 사용하는 센서를 확인할 수 있는 수도미터는 총 28개였다. 이 중 절반 이상인 18개의 수도미터는 MR 센서를 사용하였으며, 초음파 센서를 사용하는 수도미터가 6개였다. LC 센서, 전자기 센서가 각각 2개씩 사용됐다. Table 8은 초음파식 센서와 MR 센서를 장착한 21개의 수도미터에 대한 결과를 보여준다. 국내에서 가장 많이 사용되는 임펠러식 MR 센서 수도미터 15개는 최대유량(Q₃)에서 5번 자석이 왼쪽 면에 있을 때 큰 영향을 받았다. 이들 임펠러식 MR 센서 수도미터는 자기장 영향을 받아 86 %가 그룹 4에 포함되었다. 반면, 초음파 센서를 사용한 수도미터는 그룹 4에 속하는 사례가 없었다.

Table 8

Classification of failure by magnetic field test with flow part type

4.3 유량에 따른 자기장 영향 시험

수도미터가 유량에 따른 자기장 영향을 확인하기 위해, 이방성 페라이트 재질의 두께 15 mm, 바깥지름 70 mm, 안지름 32 mm인 고리형 자석을 사용하였다. 30개의 수도미터 왼쪽 면에 자석 1번을 부착한 상태에서 자기장 영향을 평가하였으며, 결과는 Table 9와 같다. 사용 유량이 줄어들수록 고장 수준으로 판단되는 수도미터의 수가 늘어났다. 최대유량(Q₃)에서는 단 1개의 수도미터만 그룹 4에 속했고, 나머지 29개의 수도미터는 허용오차 이내에 들어왔다. 전이유량(Q₂)에서는 그룹 1에 속하는 수도미터가 최대유량(Q₃)에서보다 45 % 감소하여 16개로 줄어들었다. 또한, 최대유량(Q₃)에서 최소유량(Q₁)으로 변할 때, 정상 작동하지 못하는 수도미터가 400 % 증가하였다.

Table 9

Classification of failure by magnetic field test with different flow rate

4.4 자석 위치 변화 따른 자기장 영향 시험

자석 위치 변화에 따른 자기장 영향을 분석하기 위해, Table 10에서 나타난 바와 같이 30개의 수도미터 중 15개의 결과를 비교하였다. 이 15개의 수도미터는 임펠러식이며 MR 센서가 탑재된 형식들이다. 수도미터에 최대유량(Q₃)이 흐르는 상태에서, 5번 자석을 왼쪽 면, 오른쪽 면, 윗면, 아랫면 4면에 부착하여 오차를 측정하였다. 15개의 수도미터는 5번 자석에 의해 모든 면에서 비정상 작동하는 경우가 있었다. 5번 자석을 수도미터의 윗면에 부착했을 때 정상 작동하는 수도미터는 60 %를 차지했지만, 옆면에 부착했을 경우는 13 %의 수도미터만 정상 작동하였다.

Table 10

Classification of failure by magnetic field test with different side