초음파 흐름계 작동 원리와 캘리브레이션

초음파 유량계는 유체의 흐름을 측정하기 위해 초음파 펄스를 사용하는 속도형 유량계입니다. 비접촉 동작, 넓은 측정 범위, 이동 및 설치의 용이성, 관경에 대한 강한 적응성, 사용의 간편함 및 디지털화 용이성이란 특징을 가지고 있습니다. 현장에서 가스 및 유체 속도와 유량 측정에 널리 사용됩니다. 본 문서에서는 가장 일반적으로 사용되는 초음파 유량계의 설계 원리를 소개하고, 측정 오차의 측정 불확도를 분석 및 평가하며, 현장 측정 정확도 향상 방법에 대해 논의합니다.

I. 초음파 유량계의 측정 원리

초음파 유량계의 작동 원리는 그림 1에 나타나 있습니다. 두 개의 초음파 프로브가 설치되어 있으며, 하류 트랜스듀서 A가 초음파 펄스 신호를 송신하고, 상류 트랜스듀서 B가 이를 수신합니다. 트랜스듀서는 외부 클램프 Z 방식으로 설치되며, 유체 파이프 라인의 양쪽에 일정한 거리를 두고 각각 설치됩니다. 파이프의 내경은 d이며, 하류 초음파 속도는 V이고, 초음파 전파 방향과 유체 흐름 방향 사이의 각도는 θ입니다.

2. 측정 불확도 분석

공식 (3)에 따른 유체 유량은 파이프의 내경 d, 측정 유체 내 이론 음속 C, 음파 굴절 각도의 탄젠트 tanθ, 그리고 트랜스듀서 AB를 통과하는 유체의 정방향 및 역방향 흐름 시간차 Δt의 네 부분으로 구성됩니다. 이에 대한 측정 불확도 분석은 다음과 같습니다.

1. 관의 내경 d 측정 반복성에 의해 유발된 불확도 평가

** 규격에 따르면, 관의 공칭 직경 D와 관의 두께 s는 근사적인 공칭 치수일 뿐이다. 관의 외경 D와 관의 두께 s는 매번 측정해야 한다. 따라서 이 불확도에는 측정 대상의 측정 반복성과 현장에서 사용하는 측정 기구의 측정 불확도라는 두 가지 요소가 있다. 당사의 실제 현장 측정 경험에 따르면 관의 내경 d 측정 불확도는 일반적으로 Urel (d) = 0.5% (k = 2)이다. 따라서 관의 내경 d 측정으로 인해 발생하는 표준 불확도는 다음과 같다.

urel(d) = urel(d) / k = 0.5% / 2 = 0.25%

2. 유체 음속 C 측정으로 인해 유발된 불확도 평가, urel(C)

기술 데이터에 따르면, 이 불확실도는 등급 B로 평가됩니다. 측정된 유체에서 음속 측정의 불확실도는 다음과 같습니다.

Urel(C) = 0.6% (k = 2). 이 값을 직접 인용할 수 있습니다.

urel (C) = Urel (C) / k = 0.6% / 2 = 0.3%

3. 트랜스듀서 A와 B 사이의 거리 l 측정 반복성에 의해 유발된 불확실도

Urel (l)의 불확실도 평가 트랜스듀서 A와 B 사이의 거리 l의 측정 불확실도는 두 가지 요소를 포함합니다: 측정 대상의 측정 반복성 및 현장에서 사용된 측정 기기의 측정 불확실도. 당사의 실제 현장 측정 경험에 기반하여 트랜스듀서 A와 B 간의 거리 l 측정 반복성에 의해 유발된 표준 불확실도는 일반적으로

Urel(l) = 0.6% (k = 2):

Urel(l) = s/k = 0.5%/2 = 0.25%

4. 트랜스듀서 AB를 통한 정류 및 역류 흐름 사이의 시간 차이 Δt 소개

불확도 u(Δt)의 평가 초음파 유량계에서 트랜스듀서 AB를 통한 정류 및 역류 흐름 사이의 시간차 Δt는, 유속 방향으로 트랜스듀서 A에서 B로 전송된 펄스의 시간 t1과 역류 방향으로 B에서 A로 전송된 펄스의 시간 t2의 차이를 계산하여 측정한다(그림 1 참조). 식 (1)에 따라 이 불확도 성분은 주로 하류 트랜스듀서 A와 상류 트랜스듀서 B 사이의 거리 l, 파이프 내경 d, 측정 유체 내 음속 C에 의해 결정된다. 시간 및 주파수 측정의 정확도는 모든 측정 분야 중에서 가장 높다. 초음파 유량계의 펄스 타이밍 측정으로 인한 오차는 무시할 수 있다. 측정 유체 내의 거리 l, 파이프 내경 d, 음속 C는 다른 불확도 성분에 포함된다. 따라서 상류 및 하류 유체가 트랜스듀서 AB를 통과할 때 발생하는 시간차 Δt로 인한 불확도 u(Δt)는 무시할 수 있다.

III. 초음파 유량계의 현장 측정 정확도 향상 방법

현장 측정에서는 다양한 요인들을 종합적으로 분석하는 것이 첫 번째 단계입니다. 이러한 요인들은 아래와 같이 최종 측정 결과에 일정한 영향을 미칩니다.

1. 음속 C의 불확실성의 영향과 현장 측정 정확도 향상을 위한 경험적 방법

측정을 시작하기 전에 측정 매질에 대한 정보를 제공해야 한다. 매질이 기체일 경우, 특정 기체의 조성과 작동 온도, 작동 압력에 대한 정보를 제공해야 한다. 상기 정보를 이용하여 관련 표준을 참조함으로써 초음파 음속을 얻을 수 있다. 작동 매질의 음속 C가 초음파 유량계에 미치는 영향은 측정 결과에 거의 영향을 미치지 않는다. 매질이 액체일 경우, 구체적인 액체명, 작동 압력, 작동 온도, 액체 내부의 부유입자 존재 여부 등의 정보를 제공해야 한다. 음속 설정 시에는 온도 영향을 고려해야 한다. 수용액의 음속은 물보다 더 빠르며, 대부분의 유체에서 온도가 높을수록 음속은 더 빨라진다. 유체 내에 입자가 많을 경우(측정 범위 내에서), 두 가지 접근 방법이 있다: 1. 균일하게 분포된 입자. 이 경우 신호가 상대적으로 안정적이며 측정을 통해 감지하기 어렵다. 측정 매질은 입자의 원인과 종류에 대한 정보를 제공해야 한다. 입자의 종류를 알게 되면 유체의 음속을 적절히 조정하고, 신호 품질을 비교하여 보다 정확한 측정 결과를 얻을 수 있다. ② 불균일한 입자의 경우, 신호 세기가 크게 변동된다. 이 경우에는 장기간 동안 측정하여 양호한 신호 품질을 보이는 여러 지점의 측정값을 평균내는 것이 가장 효과적인 방법이다.

2. 초음파 변환기 A와 B 사이의 거리 l과 관 내경 d

측정 반복성의 영향 및 현장 측정 정확도 향상 방법: 측정용 관로를 선정할 때, 펌프역에서 떨어진 지점의 매질이 직선적이고 안정된 구간을 선택하십시오. 만약 관로 내 매질이 액체라면 바닥에 침전물이 생기기 어려운 구간과 상부에 공기가 모이지 않는 구간을 추가로 선택하십시오. 처음에는 프로브를 수직으로 설치하여 측정한 후 수평으로 설치하여 다시 측정하십시오. 두 측정값의 차이가 초음파 유량계의 최대 허용 오차 이내이고 다른 매개변수가 변경되지 않았다면 추가 매개변수 설정 후 다음 측정으로 진행하십시오. 그렇지 않으면 관로를 다시 선정하여 측정하십시오 (두 측정값의 차이가 초음파 유량계의 허용 오차를 초과하면 해당 관 구간이 작업 매질로 완전히 채워지지 않았음을 나타냅니다).

다음 측정을 위한 상세 파라미터를 설정할 때, 측정 정확도에 영향을 주는 주요 요인은 송수신기 A와 B 사이의 거리 l과 관의 내경 d입니다. 거리 l은 일반적으로 거리 l에 따라 강철 자 또는 버니어 캘리퍼스로 측정합니다. 관의 내경 d를 측정할 경우, 관의 외경이 작다면 버니어 캘리퍼스를 직접 사용할 수 있습니다. 더 큰 관의 경우, 둘레를 정밀 강철 자로 측정한 후 지름을 계산하는 것이 가장 좋습니다. 내부 침전물과 오염이 심한 관을 측정할 때는 관벽 파라미터 s를 증가시키고, 벽면 음속은 감소시킬 수 있습니다. 내부 부식이 심한 관의 경우, 관벽 파라미터 s는 감소시킬 수 있지만 벽면 음속은 변함없이 유지됩니다.

초음파 유량계의 이행 시간 원리를 기반으로 하여, 본 논문은 초음파 유량계 오차의 측정 불확도를 분석하고 평가합니다. 당 연구소의 초음파 유량계 현장 검증에 대한 다년간의 경험을 바탕으로, 초음파 유량계의 현장 측정 정확도 향상을 위한 몇 가지 핵심 사항을 제안하고 설명합니다.