액체용 중량식 유량계 교정장치의 일방향 Diverter 특성연구

2.1 구조 및 원리

Fig. 1은 중량식 유량계 교정장치의 일반적인 형태로 저울, 수집탱크, 디버터, 시험배관, 유동발생장치인 펌프, 저수조로 구성되어 있다. 펌프를 사용하여 저수조의 물을 순환시키며 유량계를 통과한 물은 디버터에 의해 수집탱크 또는 저수조로 선택적으로 흐르게 된다. Fig. 2는 스윙식 디버터의 일반적인 구조를 보여주고 있다. 준비상태에서는 물이 저수조로 바이패스(by-pass) 되다가 교정이 시작되면 순간적으로 디버터가 동작하여 물을 수집탱크로 흘리게 되며 동시에 유량계 출력 펄스의 수집을 시작한다. 설정한 시간 또는 수집량이 되면 디버터가 동작하여 저수조로 바이패스 되며 동시에 유량계의 펄스 수집을 멈춘다. 저울에 표시된 양과 유량계의 표시값을 비교하여 유량계의 오차를 계산하는 방법으로 교정을 한다.

Fig. 1

Schematic diagram of gravimetric flowmeter calibration system

Fig. 2

Examples of diverter design

Fig. 3은 디버터가 수집 또는 바이패스 위치로 동작할 때 수집탱크로 유입되는 유동율 곡선과 구간별 시간을 보여주고 있다. 중량식 교정장치로 유량계를 1회 교정하는 전체시간(T_T)은 수집동작구간(t₀ ≤ t ≤ t₂), 수집구간(t₂＜t＜t₃), 바이패스동작구간(t₃ ≤ t ≤ t₅)으로 나눌 수 있다. 이 때 탱크로 들어가는 유량(Q_C)은 수집동작구간에서는 증가하고 바이패스동작구간에서는 감소하며, 바이패스 유량(Q_B)은 반대의 경향을 보인다. 따라서 시험유량(Q_T)은 수집탱크로 수집되는 유량(Q_C)과 바이패스 유량(Q_B)의 합으로 나타낼 수 있다(Q_T=Q_C+Q_B).

Fig. 3에서 A와 D는 유량계의 펄스를 수집하는 측정시간(T_M) 외의 구간에서 수집탱크에 수집된 부피를 나타내며 B와 C는 측정시간 내에 바이패스 된 부피를 나타낸다. 따라서 A+D=B+C인 경우에는 디버터의 오차가 전혀 없게 된다. 그러나 디버터 동작속도와 노즐에서 분출되는 유속분포에 따라 수집 시의 유량곡선(C_O)과 바이패스 시의 유량곡선(C_C)이 일치하지 않는다.

Fig. 3

Liquid flow collected as function of time

2002년 미국의 국가표준기관인 NIST와 남아공의 국가표준기관인 CSIR가 공동으로 스윙식 디버터를 사용하는 중에 발생할 수 있는 여러 가지 오차요인을 분석하고 이러한 오차요인을 제거할 수 있는 대안을 제시하였다.⁽⁷⁾ Table 1은 참고문헌 (7)에서 언급한 내용으로 스윙식 디버터를 사용하는 경우에 나타날 수 있는 디버터의 동작속도와 노즐에서 분출되는 유속분포의 사례들이 나타나 있다. 각 사례에 따른 유량곡선은 Fig. 4와 같으며 노즐에서 분출되는 유속분포가 균일하고 디버터의 동작 속도가 일정한 사례 a를 제외하고는 수집 시의 유량곡선(C_O)과 바이패스 시의 유량곡선(C_C)의 형태가 다르게 나타나고 있다. 따라서 Case a의 경우 시간측정 위치를 조정하여 측정시간(T_M)을 변경하면 A+D=B+C가 될 수 있는 구간을 찾을 수 있다. 그러나 현실적으로 스윙식 디버터의 동작속도가 일정하지 않고 노즐에서 분출되는 유속분포도 대칭형태가 아니기 때문에 A+D≠B+C가 되며 디버터에 의한 오차가 발생하게 된다.

Table 1

Test results of coriolis mass flowmeter

Fig. 4

The collection flow as function of time for the six example

2.2 스윙식 디버터의 유량시험

스윙식 디버터는 구조적으로 오차가 발생할 수 밖에 없지만 최소화하기 위한 방법이 제시되어 있다.⁽¹⁾ 디버터의 동작시험을 통해 시간오차(△t)를 줄이는 방법이다. 이 시험에는 성능이 우수한 유량계를 사용하여야 한다.

중량식 교정장치의 최대유량에서 디버터를 사용하여 수집탱크를 가득 채우는 시간을 기준시간으로 하여 기준시간의 20%, 10%, 5%의 시간에서 시험을 실시한다.

시험결과를 이용하여 식 (1)에 따라 시간오차를 구할 수 있다.

여기서 t_qi : 짧은 수집시간

            t_qn : 기준 수집시간

            q_i : 짧은 수집시간동안의 계산된 유량

            q_n : 기준 수집시간동안의 계산된 유량

            $$ \bar{q}$$ : 짧은 수집시간동안의 유량계 평균유량

            $$ \overline{q_{nt}}$$ : 기준 수집시간동안의 유량계 평균유량

시간오차(△t)를 도식화하면 Fig. 5와 같이 기울기로 표시되는데 반복시험을 통해 디버터의 동작속도와 시간측정 위치를 조정하며 기울기를 가급적 가로축과 수평이 되도록 하여 사용하고 있다. 그러나 이와 같은 조정을 하더라도 시험에 사용된 유량계의 정확도와 성능에도 영향을 받게 된다.

Fig. 5

Plotting of results of diverter timer (Swing Type)

4.1 일방향 디버터의 설계 및 제작

중량식 교정장치를 보유하고 있는 국내의 모든 기관들은 스윙식 디버터를 사용하고 있으며 일방향 디버터에 대한 연구가 진행되지 않았다. 그러나 일본에서는 이미 국가표준기관인 계량표준종합센터에서 일방향 디버터에 관한 연구결과를 발표하였으며 현재까지 사용하고 있다. 참고문헌 (7)에 기술되어 있는 것처럼 일방향 디버터는 다양한 형태로 설계할 수 있으며 본 연구에서는 국내 최초로 새로운 형태의 일방향 디버터를 설계․제작하여 유량시험을 통해 성능을 평가하였다. 새로운 형태의 일방향 디버터의 동작형태는 Fig. 8과 같으며 동작순서는 아래와 같이 왕복하며 사용하도록 설계되었다.

Fig. 8

Uni-directional diverter for gravimetric facility

① 바이패스 → ② 수집 → ③ 수집 → ④ 수집 → ⑤ 수집 → ⑥ 바이패스 → ⑤ 수집 → ④ 수집 → ③ 수집 → ② 수집 → ① 바이패스

① 바이패스에서 ② 수집으로 동작할 때 가이드 채널(guide channel)이 왼쪽으로 움직이고 ⑤ 수집에서 ⑥ 바이패스로 동작할 때도 가이드 채널이 왼쪽으로 움직여 시작과 끝의 동작방향이 동일한 일방향 디버터이다. 일방향 디버터는 제작 후 디버터의 동작속도나 시간측정 위치의 조정을 거치지 않고 사용하였으므로 시험에 사용하는 유량계의 성능에 따른 영향도 받지 않는 장점도 있다. 가이드 채널과 디버터의 구동은 유공압 장치를 사용하였다. Fig. 9는 시험에 사용한 디버터 및 중량식 교정장치이다.

Fig. 9

Photograph of gravimetric calibration facility

4.2 유량시험

일방향 디버터는 기존의 스윙식 디버터처럼 사용 전에 시간오차(△t) 보정을 시험을 실시하지 않고 설치 후 그대로 유량시험에 사용하였으며 두 가지 방법으로 진행되었다.

첫 번째는 일방향 디버터가 설치된 50 ton 중량식 교정장치에서 1대의 100mm 코리올리 질량유량계를 교정하고 동일한 유량계를 표준과학연구원의 중량식 교정장치에서 교정하여 두 결과를 비교하였다. 코리올리 질량유량계는 유량계가 설치된 전⋅후단 배관형상에 의해 측정특성이 영향을 받지 않기 때문에 시험장소 변경에 대한 영향을 배제할 수 있다.

두 번째는 부피식 교정장치인 파이프 푸루버를 사용하여 2대의 250mm 터빈유량계를 교정하고 동일한 유량계를 일방향 디버터가 설치된 50 ton 중량식 교정장치에서 교정하여 두 결과를 비교하였다. 파이프 푸루버는 유체종류 및 유량에 영향을 받지 않는 특성을 가지고 있어 유량계의 교정에 널리 쓰이는 장치이다.⁽⁸⁾

터빈 유량계는 유량계가 설치된 전․후단 배관형상에 의해 측정특성이 영향을 받지만 이번 시험에서는 터빈유량계가 동일한 장소에 설치된 상태에서 부피식 교정장치와 중량식 교정장치를 사용하여 교정하였으므로 영향을 받지 않았다.

3대의 시료 유량계를 일방향 디버터가 설치된 50 ton 중량식 교정장치로 교정한 결과와 보유중인 부피식 교정장치, 그리고 표준과학연구원의 중량식 교정장치로 교정한 결과를 비교함으로써 일방향 디버터의 성능을 평가하였다.

4.3 시험결과 분석

기준설비와 평가대상설비로 각각 교정한 유량계의 오차와 측정불확도를 이용하여 En 값을 계산함으로써 일방향 디버터의 성능을 평가하였다. 이 En 값은 적합성 평가의 숙련도시험 일반 요구 사항에 언급되어 있고, 교정설비의 측정능력을 평가하는 방법으로 국제적으로 널리 사용하고 있으며 식 (2)와 같이 정의된다.⁽⁹⁾ 식(2)에서 유량계의 측정불확도 U_lab와 U_ref는 유량계 교정에 사용한 설비의 불확도, 유량계의 반복오차에 의한 불확도, 유량계의 분해능에 의한 불확도가 포함되며 참고문헌 (10)에 따라 계산하였다.

여기서 x_lab : 평가대상설비로 교정한 유량계의 오차

            x_ref : 기준설비로 교정한 유량계의 오차

            U_lab : 평가대상설비로 교정한 유량계의 측정불확도

            U_ref : 기준설비로 교정한 유량계의 측정불확도

참고문헌 (9)에 따르면 |E_n| ≤ 1이면 평가대상이 되는 설비의 측정능력이 만족스럽다는 것을 의미하고 |E_n| > 1이면 평가대상이 되는 설비의 측정능력에 문제가 있음을 의미하며 시정조치가 필요하다는 것을 의미한다.

Table 2에는 코리올리 질량유량계를 이용한 비교시험결과가 나타나 있다. En 값을 보면 모두 1 이내에 있는 것을 알 수 있다. 이것은 아무런 보정작업도 하지 않은 일방향 디버터를 사용한 중량식 교정장치의 오차가 충분히 작음을 의미한다. 또한 Table 3과 4에는 부피식 교정장치와 비교한 결과가 나타나 있다. 터빈유량계는 부피를 측정하기 때문에 중량식 교정장치로 측정한 양을 측정온도의 물 밀도로 나누어 부피로 환산 후 비교하였다. 표준과학연구원의 중량식 교정장치와 비교한 결과와 마찬가지로 부피식 교정장치로 비교한 결과도 En 값이 모두 1 이내인 것을 확인하였다.

Table 2

Test results of coriolis mass flowmeter

Table 3

Test results of turbine flowmeter #1

Table 4

Test results of turbine flowmeter #2

두 가지의 서로 다른 형태의 비교시험을 통해 일방향 디버터가 디버터의 속도나 노즐에서 분출되는 유속분포, 시간측정 위치 등에 영향을 받지 않는 것을 알 수 있었다.또한 일방향 디버터가 설치된 중량식 교정장치의 사용범위가 최소 40 m³/h에서 최대 1200 m³/h로 기존 스윙식 디버터의 사용범위보다 3배 이상 넓은 것을 알 수 있다.