와류식 유량계의 작동 원리

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1. 작동 원리: 유체 내에 소용돌이 발생체(저항체)를 설치하여, 소용돌이 발생체 양쪽에서 교대로 규칙적인 소용돌이가 생성됩니다. 이러한 소용돌이를 카만 소용돌이 줄이라고 하며, 그림 1에 나타나 있습니다.소용돌이들은 소용돌이 발생체 하류에서 비대칭적으로 배열된다.왜곡의 발생 주파수를 f라고 하고, 측정 대상인 유체의 평균 속도를 U라고 한다. 또한, 왜곡이 발생하는 부분의 너비를 d, 그 부분의 내경을 D라고 한다. 카만 왜곡 줄기 원리에 따르면, 다음과 같은 관계식이 성립한다: f = SrU₁/d = SrU/m·d (1) 여기서 U₁은 왜곡이 발생하는 부분 양쪽의 평균 유속으로, 단위는 m/s이다；Sr--스트라우할러 수；m--소용돌이 발생체 양쪽의 아치형 면적과 파이프의 단면적의 비율. 그림 1 카만 소용돌이 줄기 내부의 부피 유량 qv는 qv=πD²U/4=πD²mdf/4Sr (2)이며, K=f/qv=-1 (3)입니다. 여기서 K는 유량계의 계수로, 펄스 수/m³(P/m³)입니다.K는 소용돌이 발생체와 파이프의 기하학적 크기와 관련이 있을 뿐만 아니라, 스트로하우어 수와도 관련이 있습니다.스트라우할 수는 무차원 파라미터로, 소용돌이 발생체의 형상과 레이놀즈 수와 관련이 있습니다. 그림 2는 원통형 소용돌이 발생체의 스트라우할 수와 파이프의 레이놀즈 수 간의 관계를 나타낸 그래프입니다.그래프에서 알 수 있듯이, ReD=2×104～7×106 범위에서는 Sr을 상수로 간주할 수 있으며, 이는 계측기가 정상적으로 작동하는 범위입니다.가스 유량을 측정할 때, VSF의 유량 계산식은 그림 2의 스트로하우어 수와 레이놀즈 수의 관계 곡선에 나와 있습니다. 여기서 qVn과 qV는 각각 표준 상태(0°C 또는 20°C, 101.325kPa)와 실제 작동 조건 하에서의 부피 유량을 나타내며, 단위는 m³/h입니다；Pn, P는 각각 표준 상태와 실제 작동 조건에서의 절대 압력을 나타내며, 단위는 Pa입니다；Tn, T는 각각 표준 상태와 실제 작동 조건에서의 열역학적 온도를 나타내며, 단위는 K입니다；Zn, Z는 각각 표준 상태와 실제 작동 조건에서의 기체 압축 계수입니다.위 식에서 알 수 있듯이, VSF가 출력하는 펄스 주파수 신호는 유체의 물성이나 성분 변화의 영향을 받지 않습니다. 즉, 계수는 특정 레이놀즈 수 범위 내에서는 소용돌이 발생체와 파이프의 형태 및 크기 등과만 관련이 있습니다.하지만 유량계는 물질 균형 및 에너지 측정에서 질량 유량을 측정해야 하므로, 이때 유량계의 출력 신호는 부피 유량과 유체 밀도를 동시에 모니터링해야 합니다. 유체의 물성과 성분도 유량 측정에 직접적인 영향을 미칩니다.二、구조 VSF는 센서와 변환기의 두 부분으로 구성되어 있으며, 그림 3과 같다.센서는 소용돌이 발생체(저항체), 검출 소자, 계기 본체 등을 포함한다；변환기는 프리앰프, 필터 및 형성 회로, D/A 변환 회로, 출력 인터페이스 회로, 단자, 브라켓 및 보호 커버 등을 포함합니다.최근에는 스마트 유량계에 마이크로프로세서, 디스플레이 및 통신 기능 등의 모듈들도 변환기 내부에 탑재되고 있습니다.그림 3 와류 유량계 (1) 와류 발생체 와류 발생체는 센서의 핵심 부품으로, 계측기의 유량 특성(계수, 선형성, 측정 범위 등)과 저항 특성(압력 손실)과 밀접한 관련이 있습니다. 이에 대한 요구사항은 다음과 같습니다.1) 소용돌이가 소용돌이 발생체의 축 방향으로 동기적으로 분리되도록 제어할 수 있음；2) 넓은 레이놀즈 수 범위에서 안정적인 소용돌이 분리점이 존재하여 스트로하우어 수가 일정하게 유지된다；3) 강한 와류 스트리트를 생성하여 신호의 신호대잡음비가 높음；4) 형태와 구조가 단순하여 가공이 용이하며, 기하학적 파라미터의 표준화가 가능합니다. 또한 다양한 검출 부품들을 쉽게 설치하고 조합할 수 있습니다；5) 재질은 유체의 특성에 부합해야 하며, 내식성, 내마모성, 온도 변화에 대한 저항성을 가져야 한다；6) 고유 주파수는 소용돌이 신호의 주파수 대역 밖에 있다.다양한 형태의 소용돌이 발생체가 개발되었으며, 이는 그림 4에 나타난 바와 같이 단일 소용돌이 발생체와 다중 소용돌이 발생체 두 가지로 분류됩니다.단일 소용돌이 발생체의 기본 형태는 원통, 직사각뿔, 삼각뿔이며, 그 외의 형태들은 모두 이러한 기본 형태들의 변형에 해당한다.삼각뿔형 소용돌이 발생체는 가장 널리 사용되는 형태로, 그림 5에 나타나 있습니다.그림에서 D는 계기의 직경입니다.와류 스트립의 강도와 안정성을 높이기 위해 여러 개의 와류 발생체를 사용할 수 있지만, 그 적용은 그다지 널리 이루어지지 않습니다.d/D=0.2～0.3; c/D=0.1～0.2; b/d=1～1.5; θ=15°～65° ⑵ 검출 소자인 유량계는 와류 신호를 검출하는 데 5가지 방법이 있다.1) 소용돌이 발생체 내에 설치된 검출 소자를 이용하여 발생체 양쪽의 압력 차를 직접 측정함；2) 소용돌이 발생체에 압력 유도용 구멍을 만들고, 이 구멍에 센서를 설치하여 발생체 양쪽의 압력 차이를 측정한다；3) 소용돌이 발생체 주변의 교번 순환을 검출하기；4) 소용돌이 발생체 뒷면의 교번 차압 측정；5) 꼬리흐름 내 와류 열 검출.이 5가지 검출 방식에 따라, 열감응, 초음파, 응력, 변형률, 전기용량, 전자기, 광전, 광섬유 등과 같은 다양한 검출 기술을 활용함으로써 표 1에 나타난 것과 같은 다양한 유형의 VSF를 구성할 수 있다.표 1 소용돌이 발생체와 검출 방식 일람표
검출 소자는 소용돌이 신호를 전기 신호로 변환합니다. 이 신호는 매우 약하며, 다양한 성분의 노이즈가 포함되어 있습니다. 따라서 유량에 비례하는 펄스 신호를 얻기 위해서는 증폭, 필터링, 형태 조정과 같은 처리가 반드시 필요합니다.⑶ 변환기의 각각의 검출 방식에는 표 2에 명시된 바와 같이 서로 다른 특성을 가진 프리앰프가 필요합니다.⑷ 계기 본체는 그림 7에 나타난 바와 같이 클램프형과 플랜지형으로 나눌 수 있습니다.그림 7 계기 본체 3. 설치 시 주의사항 VSF는 파이프라인 내 유속 분포의 왜곡, 회전 흐름, 유동의 진동 등에 민감한 유량계입니다. 따라서 현장의 파이프라인 설치 조건을 충분히 고려해야 하며, 제조업체가 제공하는 사용 설명서의 요구사항을 준수해야 합니다.VSF는 실내나 실외에 설치할 수 있습니다.지하실에 설치할 경우 물에 잠길 가능성이 있으므로, 침수형 센서를 선택해야 합니다.센서는 파이프에 수평, 수직 또는 기울어진 상태로 설치할 수 있지만, 액체와 가스를 측정할 때 기포와 액적의 간섭을 방지하기 위해 설치 위치에 주의해야 하며, 그림 16과 같습니다.그림 16 혼합 상태의 유체 설치 (a) 액체가 포함된 가스의 유량을 측정하는 계기의 설치；(b) 기체를 포함한 액체의 유량을 측정하는 계측기를 설치할 때는, 그림 17에 나타난 바와 같이 상류 및 하류의 직선 구간에 충분한 길이가 확보되어야 합니다.다양한 자료에서 수치에 차이가 있는 이유는, 와류 발생체가 아직 표준화되지 않았으며 그 형태와 크기의 차이가 어느 정도 영향을 미치는지는 아직 검증되지 않았기 때문일 수 있습니다；각종 유량 제한 부품에 필요한 직관 구간의 길이에 관한 실험적 연구는 아직 충분하지 않으며, 즉 아직 미성숙한 단계입니다. 저항식 차압 유량계와 비교했을 때, 이 분야의 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있습니다.그림 17 소용돌이형 유량계가 요구하는 상류 및 하류의 직선 구간 길이 (a) 90도 꺾임부；(b) 동심 확관；(c) 동심 수축 전개 밸브；(d) 서로 다른 평면의 두 개의 90도 엘보우；(e) 조절밸브 반개방 밸브；(f) 같은 평면상에 있는 두 개의 90도 엘보 센서와 파이프의 연결 방식은 그림 18과 같다.파이프와 연결할 때는 다음 사항에 주의해야 합니다.그림 18 센서와 파이프의 연결 1) 상류 및 하류 배관의 내경 D는 센서의 내경 D`와 동일하며, 그 차이는 다음 조건을 만족한다: 0.95D≤D`≤1.1D.2) 배관은 센서와 동심이어야 하며, 동축도는 0.05D` 미만이어야 한다.3) 실링 패드는 파이프 내부로 돌출되어서는 안 되며, 그 내경은 센서의 내경보다 1~2mm 더 커도 됩니다.4) 유량 차단 검사 및 센서 세척이 필요한 경우, 그림 19와 같이 바이패스 파이프를 설치해야 합니다.그림 19 바이패스 파이프라인 개략도 5) 진동이 VSF에 미치는 영향을 줄이는 것은 VSF의 현장 설치 시 중요하게 고려해야 할 사항입니다.먼저 센서 설치 위치를 선택할 때는 진동원을 피하도록 최대한 주의해야 합니다.다음으로, 소구경에 탄성 호스를 사용하여 연결하는 것도 고려해볼 수 있습니다.셋째, 파이프 지지물을 설치하는 것은 효과적인 진동 감소 방법이며, 한 가지 파이프 지지 방법은 그림 20에 나타나 있습니다.그림 20은 파이프 지지대를 설치하는 예시입니다. 앞뒤의 직선형 파이프 구간과 유량 조절기 등이 포함된 이러한 구성 요소들은 높은 정밀도의 측정을 보장하는 데 도움이 됩니다. 특히, 이러한 부품들을 제조 공장에서 미리 조립해 두면 설치 품질을 더욱 확실히 할 수 있습니다. 그림 21은 그러한 설치 예시를 보여줍니다.그림 21 고정밀 측정을 위한 배관 설치 및 전기 설비 시에는 센서와 변환기를 연결할 때 차폐 케이블 또는 저잡음 케이블을 사용해야 하며, 그 거리는 사용 설명서에 명시된 범위를 초과해서는 안 됩니다.배선할 때는 고출력 전원선으로부터 멀리 떨어뜨려 두고, 가능한 한 별도의 금속 케이스로 보호해야 합니다.“하나의 접지점” 원칙을 준수해야 하며, 접지 저항은 10Ω 미만이어야 합니다.전체형과 분리형 모두 센서 측에서 접지되어야 하며, 변환기 외함의 접지점은 센서와 “동일한 지점”에 있어야 합니다.IV. 고장 현상 및 대처 방법