사각관로 초음파 유량계의 성능 향상 :A study on the performance improvement of square-pipe ultrasonic flow meter and management system

박덕우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박덕우 (서울시립대학교, 서울시립대학교 대학원)

지도교수: 김규식

발행연도: 2018

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2019

무선 원격 검침시스템이 장착된 소구경 초음파 유량계 연구

박덕우 , 이석훈 , 강재호 대한전자공학회 학술대회 2019.06 학술대회자료

2018

사각관로 초음파 유량계에 관한 연구

박덕우 , 김규식 전자공학회논문지 2018.02 학술저널

사각관로 초음파 유량계의 성능 향상

박덕우 전자전기컴퓨터공학과 2018.01 학위논문

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현재 열 에너지 공급 현장에서 사용하는 기계식 유량부가 가지고 있는 구동부 문제를 해결하기 위하여 내부에 구동부가 없는 초음파 전파시간차법을 이용한 초음파식 유량부로 구현하여 적용하였다. 기계식 구동부로 인하여 이물질이 협착하여 유량측정이 불가능 하거나 구동부의 파손 또는 마모에 따라 오차가 발생하는 등의 문제가 발생하곤 하여 민원발생과 요금부과의 신뢰성에 영향을 받았으나 이번 연구를 통해 근원적으로 해결할 수 있게 되었으며, 또한 유체가 흐르는 힘으로 터빈을 기동시킬 수 있는 충분한 유속이 발생하지 않으면 터빈이 회전하지 않아 미소유량에서의 측정 성능이 현저하게 나빠지고 그 특성 또한 사용 연수에 따라 점점 나빠지는 현상을 해결할 수 있게 되었으며 본 연구를 이용하여 산업 전반에 활용하고자 한다.
본 논문에서는 위에서 언급한 문제점을 해결하기 위해 지역난방공사에서 사용하는 초음파 유량계에 대해서 연구하였다. 일반적으로 유체 이송관로는 원형이지만, 초음파 유속측정 경로의 설계에 도움이 될 수 있도록 관로의 단면을 사각관로로 하여 수평으로 다중 분할하여 측정회선을 배치한 전파시간차를 이용한 초음파 유량측정기술은 정밀시간측정회로와 알고리즘을 내장하고 있으며, 구해진 다지점의 선유속 값들과 관 내부의 유속분포를 계산하여 유량을 산출하는 회로와 장치로 구현하였다. 아울러 다회선의 형상으로 유량, 온도, 압력을 동시에 측정할 수 있도록 구현하였다. 특히 소구경, 저 유속에 적합한 측정 단면 구조로서 유체가 흐르게 되는 측정관 내부의 관로는 원형에서 사각 형상으로 축소하였으며, 상 하류 초음파진동자들로부터 각각 발신된 초음파는 측정관의 내벽 면에서 반사된 후 각각 개별 초음파 진동자로 수신되는 구조이다. 또한 초음파유량계 관리를 위해 NFC칩이 내장된 봉인을 활용하여 초음파 유량계 정보를 관리할 수 있게 하였다. 기존의 물리적 봉인에서 벗어나 새로운 형태의 봉인을 사용하여 소비자와 공급자의 균형을 맞추고 계량정보를 보호할 수 있는 관리 시스템을 연구 하였다.
본 논문에서 구현한 사각관로 초음파 유량계에 대해 원형관로와 사각관로의 비교, 시간측정 효과, 신호측정 효과에 대해 실험 하였다. 그리고 산업계에 어떠한 파급효과를 줄 수 있고 향후 과제에 대해 논하였다.

When an ultrasonic wave propagates in the fluid such as water or oil, its propagation speed increases to the amount of the fluid speed if their travels are of the same directions. On the other hand, the propagation speed of an ultrasonic wave decreases to the amount of the fluid speed if their travels are of the opposite directions. Transit time ultrasonic flow meters send and receive ultrasonic waves between transducers in both the upstream and downstream directions in the pipe. At no flow conditions, it takes the same time to travel upstream and downstream between the transducers. Under flowing conditions, the upstream wave will travel slower and take more time than the (faster) downstream wave. When the fluid moves faster, the difference between the upstream and downstream times increases. The transmitter processes upstream and downstream times to determine the flow rate.
In most energy supply sites, mechanical flow meter is used which is characterized by the turbine or the rotary existing inside the fluid flow. Sometime the mechanical meter with rotation part caused problems such as foreign substance absorption, tear and wear of turbine until the flow measurement become impossible or result in errors and changes, which led to the civil complaints and low reliability in slow flow rate. So meter industry needs ultrasonic flowmeter which without moving rotation part(turbine, rotary) and the ultrasonic flow meter can be used in various applications. For example, it can be used in monitoring purpose in water and sewage areas and measurement of flow of various industrial fluids (oil, coolant, and other various petrochemical products).
In this study, the shape of the reduction pipe was naturally reduced from round to square, which brought about reduction of the fluid flow effect caused by the changes in the ultrasonic flow meter cross section from round to square as well. This created a type of wing in the fluid flow that is assumed to perform two functions, which are rectification of the rotating components and the rectification of the asymmetric velocity distribution as the velocity increases. Also, a comparison test was made on the square pipe conduit and round pipe conduit, from which it was concluded that the square pipe conduit is superior in error performance in small diameter than the round counterpart.
Square-pipe ultrasonic flow meter seal devices are embedded with NFC chips. Using proximity wirelesscommunication technologies and mobile phones, we could check the information of testings and type approvals of meter seal devices which are at remote locations. Using mobile phones and NFC tags, we could share information of meter and the reliability of transactions using NFC technology, which allows users to perform multiple tasks simultaneously and communicate securely with NFC technology to communicate only about a wide range of tasks that can be performed within a distance of one centimeter. And we can implement ultrasonic flow meters manage system on the web which has a lot of meter information. And we expect that the development of this technology will help us to comply with the commercial order of commerce.
The transit time measurement effect, flow increase effect, the fluid flow effect of the contraction pipe, and the performance effect of the square pipe and round pipe are discussed.

제1장 서론 1
1.1 연구배경 1
1.2 논문의 구성 2
제2장 사각관로 초음파 유량계 구현 3
2.1 유량계의 산업계 응용 3
2.2 기계식 유량계 4
2.3 초음파 유량계 8
2.4 사각관로 초음파 유량계 구현 28
제3장 실험 및 토의 52
3.1 실험 구성 52
3.2. 사각관로 초음파 유량계 실험 55
3.2.1 기본 유량 실험 및 저 유속 평가 실험 55
3.2.2 사각관로 초음파 유량계 실험 62
3.2.3 곡관부 성능 실험 66
3.2.4 이중곡관부 성능 실험 70
3.2.5 기계식 계량기와 사각관로 초음파 유량계의 최소 유량 개선 실험 74
3.3 원형관로와 사각관로의 비교 실험 75
3.4 시간측정 효과 실험 82
3.5 신호측정 효과 실험 83
3.6 CFD 유동 분석 84
제4장 NFC를 활용한 초음파 유량계 관리시스템 90
4.1 초음파 유량계 관리 봉인 개요 90
4.2 계량기 관리 봉인 필요성 91
4.3 NFC 개념 및 기술동향 92
4.4 초음파 유량계 관리 시스템 구현 95
제5장 실험 결과 및 향후 과제 103
5.1 결론 103
5.2 향후 과제 104
참고문헌 105
Abstract 116
감사의 글 119

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