초음파 가스 유량계라고도 알려진 초음파 가스 유량 센서는 가스 매체(천연 가스, 압축 공기 및 공정 가스 포함)에 대한 고급 측정 기술을 나타냅니다. 이러한 비-침습적 장치는 초음파를 활용하여 유체 매질과의 물리적 접촉 없이 가스 흐름을 측정하므로 다양한 산업 응용 분야에서 탁월한 정확성과 신뢰성을 제공합니다. 이 가이드에서는 초음파 가스 유량 센서의 작동 원리, 구조 설계 및 실제 적용을 살펴봅니다.
초음파 가스 유량 센서의 작동 원리:
초음파 가스 유량 센서의 핵심은 음파를 사용하여 가스 속도를 측정하는 것입니다. 기본 방법은 초음파 변환기(센서)가 가스 흐름을 통해 이동하는 펄스를 방출하는 통과-시간 원리입니다. 두 개의 변환기는 하나가 다운스트림(흐름과 함께) 신호를 보내고 다른 하나는 업스트림(흐름에 반대)으로 신호를 보내도록 배치됩니다. 이러한 경로 사이의 시간 차이(Δt)는 가스 속도(V)에 비례하며 다음 공식을 사용하여 계산됩니다.
여기서 L은 경로 길이이고 t0는 평균 전송 시간입니다. 그런 다음 파이프의 단면적을 곱하여 체적 유량을 계산합니다.- 또 다른 변형은도플러 효과, 여기서 파동은 가스 내의 기포나 입자에 반사되며, 주파수 이동은 불순물이 포함된 가스에 이상적인 속도-를 나타냅니다. 고급 모델은 직접 전송을 위해 전단파를 사용하거나, 파이프 벽이 공진하여 저압 또는 감쇠 가스에서 신호를 증폭시키는 램파를 사용합니다. 다중-경로 구성(예: 4개 또는 6개 경로)은 파이프 전체의 평균 측정을 통해 난류 또는 비대칭 흐름을 처리하여 정확도를 향상시킵니다. 이 다이어그램은대중교통-시간 설정, 흐름에 따라 업스트림 및 다운스트림 신호가 어떻게 다른지 보여줍니다.
다중-채널 초음파 가스 유량 센서 구조
다중-채널 가스 초음파 유량계의 구성은 주로 초음파 유량계 본체, 압력 트랜스미터, 지능형 온도 트랜스미터 및 유량 컴퓨터의 네 부분으로 구성됩니다. 초음파 유량계는 주로 두 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. 하나는 여러 쌍의 초음파 변환기(기본 기기라고도 함)가 장착된 측정 파이프 섹션입니다. 다른 하나는 측정, 순간 유량 표시 및 통신 기능을 갖춘 신호 처리 장치(SPU)로 일반적으로 보조 기기라고 합니다. 다음 다이어그램은 다중-채널 초음파의 블록 다이어그램을 보여줍니다.
유량계.
보조 장비는 파이프라인의 가스 압력 및 온도 센서에 직접 연결할 수 있으며 내부 신호 변환 및 보상 계산을 통해 파이프라인의 온도 및 압력이 가스 체적 유량에 미치는 보상 효과를 완료하여 유량 컴퓨터에 의존하지 않고 체적 유량 측정을 독립적으로 완료할 수 있습니다. 또한 지능형 온도 트랜스미터와 압력 트랜스미터를 통해 파이프라인의 온도 및 압력에 대한 디지털 신호를 유량 컴퓨터로 전송하여 보조 장비에서 측정한 순간 유속 및 체적 유량 값을 보상할 수도 있습니다.
다채널 가스 초음파 유량계의 센서 부분은 주로 측정 파이프라인 부분을 나타내며, 유량 센서의 구조 분석은 주로 측정 파이프라인의 연결과 각 초음파 변환기의 설치 분포 위치를 나타냅니다. 유량 측정 파이프라인은 직선 이송 파이프라인에 연결된 플랜지 끝면으로 설계 및 제조되었습니다. 1998년 미국 가스 협회에서 공식화한 AGA No. 9 문서 "천연 가스 유량을 측정하기 위한 다중 채널 초음파 유량계"에서 연구 작업은 이미 발생 지점에서 최대 50D 또는 하류까지 비대칭 속도 분포가 지속되고 와류가 있는 속도 프로파일이 200D 이상(D는 측정 파이프라인의 내경)에서 존재할 수 있음을 지적했습니다.
따라서 일반 산업용 가스 유량 측정 현장에서는 유량계의 설치 위치가 유속 측정에 대한 복잡한 흐름 상태의 영향을 고려해야 합니다. GB/T 18604-2023 표준에 따르면 다채널 가스 초음파 유량계의 설치 위치에 대해 다음 권장 사항이 제안됩니다. 업스트림의 최소 직선 파이프 길이는 10D이고 다운스트림의 최소 직선 파이프 길이는 5D입니다. 이 권장 사항은 업스트림 조건이 상대적으로 이상적인 경우(예: 매우 작은 와류 강도 및 약간 비대칭적인 속도 분포)에만 설정할 수 있으며 측정 요구 사항을 충족하기 위한 최소 요구 사항으로 간주되어야 합니다. 아래 그림에 표시된 것처럼 다중 채널 가스 초음파 유량계는 측정 파이프라인에 내장 및 설치되는 초음파 변환기를 채택하여 초음파의 전파 효율을 고려해야 합니다.
아래 그림은 다중-채널 초음파 가스 유량계 센서의 채널 레이아웃에 대한 개략도를 보여주며, 4-채널 교차 초음파 가스 유량계로 측정한 링-형 파이프라인 구조를 보여줍니다.
4개의 채널은 각각 서로 다른 흐름층에 배열되어 있으며, y 방향에서 보면 서로 교차하고, z 방향에서 보면 서로 평행하다. 측정 파이프라인은 작동 주파수가 200-250kHz인 초음파 변환기 쌍으로 형성된 4개 채널이 있는 복합 센서로 구성됩니다. 파이프 직경 D= 300mm, 각 채널과 축 방향 사이의 각도 ψ는 60도입니다.
다중-채널 초음파 가스 유량 센서 구조의 응용 시나리오
다중-채널 초음파 가스 유량 센서는 정밀한 가스 측정이 필요한 산업에서 매우 중요합니다.
석유 및 가스 산업: 천연 가스 시스템의 상거래, 파이프라인 모니터링, 압축기 스테이션 및 누출 감지.
화학 및 석유화학: 열악한 환경에서의 공정 가스 측정.
발전 및 제조: 배출 모니터링, 재고 관리 및 효율성 최적화.
HVAC 및 유틸리티: 건물이나 폐수 처리 시 압축 공기 및 바이오가스가 흐릅니다.
FAQ
Q: 초음파 가스 유량 센서는 얼마나 자주 교정이 필요합니까?
A: 초음파 가스 유량 센서는 시운전 시 초기 교정이 필요하며 일반적으로 응용 분야의 중요도에 따라 2~5년마다 재교정을 권장합니다. 상거래용 애플리케이션의 경우 AGA-9는 최대 유량의 100%, 75%, 50%, 25%, 10%, 5% 및 2.5%의 7가지 유량에서 교정을 권장하며 각 테스트 포인트는 평균 90-300초 이상입니다. 제조 변형 및 배관 설치 차이는 정확도에 영향을 미칠 수 있으므로 최적의 성능을 위해서는 교정이 필수적입니다. 크게 표류하는 기계식 계측기와 달리 초음파 계측기는 움직이는 부품이 없기 때문에 시간이 지나도 안정적인 정확도를 유지하므로 재교정 간격이 더 적습니다.
질문: 초기 비용과 장기-총 소유 비용은 얼마인가요?
A: 초음파 유량계에 대한 초기 투자는 기존 유량계를 초과할 수 있지만 유지 관리 감소, 가동 중지 시간 최소화 및 서비스 수명 연장으로 인해 총 소유 비용이 더 낮은 경우가 많습니다. 단일 초음파 가스 계량기는 두 개의 병렬 터빈 계량기(소형 및 주 부하 레일)를 대체하여 인프라 비용을 절감할 수 있습니다. 초음파 측정기는 초기 비용이 비싸지만 움직이는 부품이 없기 때문에 유지 관리가 최소화되어 일부 대안에 비해 설치 비용이 낮습니다. 최적화된 신호 감지는 값비싼 소음 감쇠 인프라를 제거하고 측정 지점의 유지 관리 및 수리 비용을 줄여 높은 초기 투자를 상쇄합니다. 직경이 큰-애플리케이션의 경우 클램프-버전을 사용하면 설치 비용을 크게 절감할 수 있습니다.
Q: 어떤 정기적인 유지 관리가 필요하며 얼마나 자주 수행해야 합니까?
A: 초음파 가스 흐름 센서는 현장 조건에 따라 1-6개월 간격으로 프로브 표면 청소, 퍼지 시스템 및 공기 필터 점검, 필요한 경우 간헐적인 재보정 등 일반적인 유지 관리를 통해 유지 관리가 적게 필요한 작업을 위해 설계되었습니다. 연도 가스 응용 분야와 같이 먼지가 많은 환경에서 3-6 L/min의 0.1-0.6 MPa 청정 기기 공기를 사용하는 자동 퍼지 시스템은 센서 표면을 깨끗하게 유지하고 측정 드리프트를 방지합니다. 센서는 플러그 앤 플레이 구성을 사용하여 압력이 가해지는 현장에서 교체할 수 있으며 계기 작동은 파이프 벽의 불순물로 인해 직접적인 영향을 받지 않습니다.
Q: 초음파 가스 유량 센서의 작동 온도 및 압력 제한은 무엇입니까?
A: 변환기는 LNG 계량의 경우 -260°F부터 발전소 애플리케이션의 경우 500°F까지의 온도를 견딜 수 있도록 개발되었습니다. 최신 센서는 일반적으로 표준 응용 분야의 경우 -40도 ~ +170도(-40도 F ~ +338F)를 처리하며 특수 고온 버전은 150도 ~ 550도(+302화씨 ~ +1022화씨)를 처리할 수 있습니다. 압력 범위는 1bar ~ 300bar(14.5 ~ 4350psi)이며 센서는 120 또는 200kHz의 표준 주파수에서 작동합니다. 저압 응용 분야의 경우 소리 전송에는 최소 가스 밀도가 필요하며 Lamb Wave 기술을 사용하면 대기압에 가까운 압력까지 측정할 수 있습니다.
