기체유량 측정시스템

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기체유량 측정시스템

산업기반 및 생활 환경이 변화하므로서 가스의 사용이 매년 크게 증가하고 있습니다. 이에 따라 유량 측정의 정확도가 산업현장에서의 제조공정과 제품의 성능 및 신뢰도를 결정짓는 매우 중요한 요소가 되고 있으며, 일상 생활에서의 가스량 측정 또한 매우 중요시되고 있습니다.

가스유량계는 사용압력, 사용온도, 유동율 범위가 다르면 오차가 크게 발생하기 때문에 유량계를 실제 사용조건에서 교정한 후 사용해야 정확한 유량 측정이 가능합니다. 따라서 가스 유량계를 생산 및 공급하는 업체는 유량계의 측정 정확도를 유지하고 이에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 생산되는 유량계 전량에 대해 특성 시험을 실시한 후 수요자에게 공급해야 합니다. 이때 업체에서 사용하는 유량계 시험설비도 가스 유량의 국가표준으로부터 소급성을 갖춘 공인된 것이어야 합니다.

선진국의 경우 가스 유량계를 생산ㆍ판매하는 업체는 각각의 업체에서 생산 된 유량게에 적합한 용량과 정확도 수준의 가스 유량계 시험 시설을 갖추고 국가 규격이나 국제규격에서 권장하는 시험 방법에 따라 유량 특성 시험을 실시한 후 판매하고 있습니다.

사용중인 유량계 또한 주기적인 관리(측정/교정)을 통해 신뢰성을 확보 함으로써 문제 발생의 원인을 제거하고 순조로운 공정 진행이 가능해지므로 유지보수 측면에서도 큰 장점이 있습니다.
구성/규격
주요구성

Sonic Nozzle Bank의 구성은 상류 측으로부터 정체온도 측정구, 정체압력 측정구, 노즐 고정판, Sonic Nozzle, 정밀볼 밸브, 누설 체크 포트, 하류측 고정판 등으로 구성되어 있습니다.

Sonic Nozzle의 설계사양 노즐은 임계음속노즐의 국제규격(ISO 9300)에 따라 제작되었으며, 실 가스가 임계음속노즐 내부로 흐를 때 노즐 목에서의 유속은 음속이 되며 유동율은 다음과 같습니다. A*는 음속노즐 목 단면적, P0는 정체압력, T0는 정체온도, 0는 정체밀도, Z는 압축계수, C*는 임계유동함수, C는 유출계수:실제 유동유과 이상 유동율의 비입니다.

Toroidal 형 임계음속노즐의 설계 기준은 그림2와 같으며 각 부분의 기준은 다음과 같습니다.

  • 노즐의 입구는 직경의 2.5 d±0.1 d 되는 곳까지이다.
  • 노즐 축소부의 원환체(torus)로서 반경 r0은 1.8~2.2d 번위 이고 원환체 형상으로부터 ±0.001d 이상 벗어나면 안된다.
  • 노즐 확대부의 원추 각 절반(표면과 중심선 사이)은 2.5~6º 범위여야 한다.
  • 노즐 축소부에서는 먼지, 유막 등 오염이나 불순물이 부착되면 안 된다.
  • 노즐 확대부에서는 평균 표면 거칠기가 15 x 104d 를 초과하여서는 안 된다.
  • 노즐 축소부에서는 평균 표면 거칠기가 15x 10-6d를 초과하여서는 안 된다.
  • 재질 - 요구되는 표면 마무리 가공을 할 수 있는 재질 - 사용조건에서 부식이 일어나지 않는 재질 - 열팽창에 따른 노즐 목의 직경을 정확히 예측할수 있어야 한다.
그림2
주요기능/특징
주요 기능 Sonic Nozzle Bank

노즐의 탈ㆍ부착을 쉽게 하기 위해서 one-touch 접속이 되도록 만들어 졌으며, 5개의 노즐을 조합하여 유동율을 자유롭게 조절 할 수 있도록 설계되어 있고, 밸브의 누설 시험을 위해 밸브와 밸브 사이에 test post를 두고 있습니다. 상류 정체압력과 정체온도 측정구가 ISO설계 기준에 맞게 설치되어 있고, Compact한 구조이며 경량으로 이동성을 고려하여 제작되었습니다.

부대시설

상류 압력의 조절을 위해 압력 조절기를 작렬로 설치하여 설정 압력의 변화를 최소화하였으며, 온도 Control Loop를 실내에 형성시켜 기체온도를 일정하게 유지하도록 하였고, Dryer를 설치하여 기체중의 습기를 제거하고 있으며, 5㎛, 0.5㎛필터를 직렬로 연결하여 이물질을 제거하고 있습니다.

Sonic Nozzle의 설계 사양
  • 소형 경량이어서 이동이 용이하며 유량계가 설치되어 있는 현장의 좁은 공간에서도 실험이 가능합니다.
  • Bell Prover, Piston Prover 등 보다 가격이 저렴하고, 유지보수가 쉬우며, 사용이 간편합니다.
  • 연속적인 시험이 가능합니다.
  • ±0.25% 이내의 높은 정확도를 가집니다.
  • 유량 측정 범위가 넓습니다.(1:25000)
노즐 목
직경(㎜)
1Bar
Nℓ/h
2Bar
Nℓ/h
3Bar
Nℓ/h
4Bar
Nℓ/h
5Bar
Nℓ/h
6Bar
Nℓ/h
6.5Bar
Nℓ/h
0.03 0.54 1.08 1.62 2.16 2.7 3.24 3.51
0.06 2.16 4.32 6.48 8.64 10.8 12.96 14.04
0.10 6 12 18 24 30 36 39
0.14 12 24 36 48 60 72 8
0.20 24 48 72 96 120 144 158
0.28 48 96 144 192 240 288 316
0.40 96 192 288 384 480 576 624
0.56 192 384 576 768 960 1152 1248
0.80 384 768 1152 1536 1920 2304 2496
1.12 768 1536 2304 3072 3840 4608 4992
1.60 1536 3072 4608 6144 7680 9216 9984
2.24 3072 6144 9216 12288 15360 18432 19968
3.20 6144 12288 18432 24576 30720 36864 39936
4.48 12288 24576 36864 49152 61440 73728 79872
▲ Sonic Nozzle의 설계 유동 범위
적용/활용방안
적용

Sonic Flow는 교정검사 설비로서 인정받고 있으며 현재 기체유량분야 국가 교정검사기관으로 지정받은 (주)대덕기술, 대성기전, 위지트, 환경관리공단 등에서 교정검사 기준설비로 사용하고 있으며 한국표준과학연구원에서도 Sonic Flow를 사용하여 교정검사를 실시하고 있습니다. 또한 기술 표준원과 대만의 CMS, 국방과학연구소등에도 공급 예정이며 울진과 월성 원자력 발전소의 ILRT 시험 등에도 사용되었습니다.

Sonic Flow를 사용하여 교정검사를 진행 할 경우 기존방비에 비해 교정검사 시간이 1/3수준 단축되었으며, 설정된 유동율의 변화가 없어 연속적인 시험이 가능합니다. 프로그램의 변경을 통해 다양한 유량계의 시험이 가능하며 유량계의 시험이 가능하며 유량 방향전환장치가 설치되어 터빈유량계와 같이 유동율을 측정하는 유량계 뿐만 아니라 적산량을 측정하는 습식가스미터, 막식가스미터 등의 유량계도 시험이 이뤄지고 있습니다.

활용방안

Sonic Flow는 교정검사기관이나 가스미터 제조업체에서 교정검사나 자사 제품의 성능검사 등에 사용하는 기준설비로서 인식하고 있는 것이 현 실정이며 개발 취지 역시 같았습니다. 그렇지만 약간의 개량을 통해 Sonic Flow 자체를 충분한 경쟁력을 갖추고 있는 고정도의 차세대 기체유량계로 활용할 수 있을 것으로 판단하고 있습니다. 이에 Sonic Flow에 맞는 전용 flow computer를 개발 중에 있으며 이것이 완성되면 고정도의 기체유량계로서 손색이 없을 것이며 보다 저렴한 가격으로 공급이 가능할 것입니다.

Sonic Flow를 이용한 정밀 밸브제작 등 유량측정 뿐만 아닌 다른 산업 분야에도 응용이 가능하고 현재 적용 중에 있습니다.

당면과제/향후전망
당면과제 및 향후 전망

Sonic Nozzle Bank System의 수요는 꾸준히 증가할 것으로 예측되고 있습니다.

그렇지만 보다 경쟁력 있는 제품을 공급하기 위해서는 대량생산을 통해 제품원가를 낮추고 범용 유량계로 사용할 수 있도록 시스템을 개량해야 하며 Sonic Flow를 이용한 응용 기술의 개발이 이루어져야 할 것이고 일부 응용되고 있는 분야의 적극적인 활용이 필요합니다. 또한 대만의 CMS와의 수출계약을 발판으로 삼아 해외 판매에 보다 능동적인 홍보와 지원이 필요할 것으로 보이며 충분한 경쟁력을 갖추고 있다고 판단하고 있습니다.

Sonic Flow의 보급으로 인해 국내 가스 유량측정 정확도의 수준이 한 차원 높아졌으며 앞으로 산업발전에 작으나마 보탬이 될 것으로 확신합니다.


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