식품 제조업에서의 다양한 초음파 유량계 어플리케이션 적용 사례

식품 제조업에서 유량을 측정하는 환경은 식품의 원료를 측정하는 공정, 세정수의 관리, 제품의 충전량 측정, 또 공장배수까지 다종의 프로세스가 있다. 이러한 환경에 이용되는 유량계는 사용 용도에 따르는데, ①성능, ②가격 ,③기기의 설치 조건, ④주위 환경 조건 등을 고려해 적절한 유량계를 선정할 필요가 있다.

유량계에는, 차압식, 면적식, 용적식, 열식, 터빈식, 소용돌이식, 코리올리식, 전자식, 초음파식 등 많은 측정 방식이 존재한다. 그 중에서도, 초음파가 가지는 모든 물질 중 전반 가능한 특성을 살린 비접촉식(캠프온형) 초음파 유량계는 기설 배관의 외측에 센서를 설치하는 것으로, 배관내를 흐르는 액체의 유량 측정이 가능하다. 따라서 다른 유량계와 비교해, 설치 공사의 비용 삭감·기간 단축이 가능하다. 또한 기계식이나 코리올리식과 비교해서 메인터넌스 프리로 측정하는 것이 가능하고, 측정 유체에 접촉하지 않는 것으로부터 식품 등을 측정하는 환경에 있고는 위생면에서도 적합하다.

후지 전기는 1975년의 초음파 유량계의 발매 이래, 정수장·물처리·배수 플랜트, 발전 플랜트, 식품 제조로부터 반도체 순수한 물 제조 장치까지 폭넓은 분야에서 실적이 있다. 2005년에는 파르스돕라법과 전반시간차이법의 몇 개의 측정 원리로 유량 측정이 가능한 하이브리드 초음파 유량계를 발표했다. 또 2012년에는 컴팩트 타입의 제품을 리뉴얼해, 내기포 성능의 향상이나 측정 배관 구경의 확대를 실현했다. 게다가 2013년에는 2배관 2측선측정 모델 및 소비 열량 연산 모델을 추가해, 보다 폭넓은 분야에서의 제품 적용이 가능해지고 있다. 이번 원고에서는 초음파 유량계의 측정 원리의 소개, 비접촉 초음파 유량계(캠프온형)의 식품 어플리케이션 사례에 대해 소개한다.

초음파 유량계의 측정 원리

초음파 유량계의 측정 원리는, 파르스돕라법과 전반시간차이법이 있다. 파르스돕라법은 그림 1과 같이 유체중의 기포나 이물과 측정 유체가 같은 속도로 이동하는 점을 가정해, 기포로부터의 반사파의 주파수 변화와 반사파의 시간부터 유속 분포를 측정하는 것이다. 센서로부터 측정 유체 중에 초음파를 송신해, 기포로부터의 반사파를 동일한 센서로 수신한다. 전반경로를 각각 분할해, 각 미소 영역을 통과하는 기포로부터의 에코의 주파수 변화를 계측해, 각부의 이동 속도로부터 유속 분포를 요구한다. 파르스돕라법은 전반시간차이법과 비교해서 기포나 이물의 혼입에 강한 특징을 가진다.

한편, 전반시간차이법은, 그림 2와 같이 센서가 발신하는 초음파전반경로상의 측정 유체의 평균 유속을 상류 센서로부터 하류 센서에의 전파 시간(T1)과 하류 센서로부터 상류 센서에의 전반시간(T2)과 전파 시간차이(△T=T2－T1)를 요구한다. 측선상의 평균 유속과 유속 분포로부터 배관 단면의 평균 유속을 요구해 배관의 단면적을 거는 것으로 체적 유량을 요구하는 방식이다. 특징으로서는 돕라법과 비교해서 정도가 높다(±1% of rate). 많은 기포나 이물의 혼입한 유체를 측정에는 적합하지 않고, 또 유속 분포의 영향을 받기 쉽다.
 

기능 확장 타입 초음파 유량계

후지전기의 기능 확장 타입 초음파 유량계는, 디지탈 신호 처리에 의한 advanced ABM 방식의 채용에 의해 뛰어난 내기포 성능을 가지므로 기능면에서도 2013년에 발매한 2배관 2측선측정 모델 및 소비 열량 연산 측정 모델의 추가에 의해 여러 가지 장면에 대해 대응 가능한 초음파 유량계이다. 기능 확장 타입 초음파 유량계의 주된 사양을 표 1이 나타낸다.

적용 배관은 내경으로Φ13mm~Φ6000mm의 금속이나 플라스틱관에 대응하고 있다. 센서는 적용하는 배관 구경이나 유체 온도에 의해 여러 종류 중에서 최적인 센서를 선택할 수 있다(표 2). 센서는 배관의 대항면을 반사해 튀어올라 온 신호를 수신하는 V법부착에 의해,Φ13mm~Φ3000mm까지의 구경에 대응 가능하다. 또 배관을 사이에 두고 센서를 설치하는 Z법부착에 의해 최대Φ6000mm까지의 구경 측정이 가능하다. 일부의 센서에 대해서는 배관내의 증기 세정을 상정한 내열 충격(150℃, 30분간)을 설정한 구성이 되고 있다.

출력 사양은 아날로그 출력, 디지털 출력을 표준 장비하고 있어, 2배관 2측선측정 모델 및 소비 열량 연산 측정 모델에 대해서는 옵션으로 출력 점수를 증가하는 것으로, 여러 가지 연산 결과에 대한 출력이 가능해지고 있다. 또한 통신 옵션으로서 RS－485(MODBUS)가 선택 가능하고, 표준으로 첨부되고 있는 PC용의 로더 소프트웨어를 사용해 각종 파라미터의 설정이나 측정 데이터의 수집이 가능하다.

 
(주)advanced ABM은 수신 신호를 가산 처리하는 것으로 수신 파형의 디지털 데이타를 생성한다. 종래의 아날로그 신호 처리에서는 기포 등에 의한 전반장해로 수신 파형 없이 측정 에러로 하고 있었지만, 파형을 가산 처리하는 것으로 일시적인 에러를 회피 가능하다.

어플리케이션의 적용 예

과거, 초음파 유량계를 사용한 어플리케이션을 많이 경험해 오고 있다. 그 적용 예에 대해 몇 가지 소개한다.

(1)제조 라인의 유량 측정

시설 환경에 따라서는, 수많은 배관 유량을 측정하는 경우나, 서로 관련성이 있는 배관(예를 들면 식품의 원료 등)의 평균 유량이나 합계, 차이등을 연산하고 싶은 경우가 있다. 이러한 어플리케이션에서는, 그림 3과 같이 2계통의 배관에 센서를 설치하고, 1개의 변환기로 측정하는 2측선식 타입의 초음파 유량계를 사용하는 것으로 경제적으로, 또 목적에 따른 측정이 가능하게 된다. 그 이외에도, 센서 설치시의 곧 관장을 충분히 확보 할 수 없기 때문에 불균일인 흐름의 환경에서는 2개의 센서로 1개의 배관을 측정하는 것으로, 보다 안정된 측정이 가능하게 된다.

(2)열량 측정에 의한 에너지 절약 대책

공장에서 사용하는 세정수나 냉난방의 온도 관리 등, 종래, 온도만으로 관리해 온 시설에 대해서, 초음파 유량계로 열량을 측정하는 것으로써, 보다 큰 에너지 절약 대책을 실현될 수 있다. 그림 4와 같이 열원의 보내 옆의 온도(T1)와 돌아가 옆의 온도(T2)를 백금측온저항체등의 온도 센서로 측정해, 배관에 흐르는 유량(Q)을 초음파 유량계로 측정해 연산한다. 부하에 의해서 소비된 열량은 K·Q·(T1－T2)(K：계수)로서 나타내지기 위해, 초음파 유량계의 센서로부터 출력되는 소비 열량의 신호를 이용하고, 열원의 제어를 실시하는 것으로 안정된 온도 관리가 가능하고, 에너지 절약을 실현할 수 있다.

(3)인버터와 조합한 에너지 절약 대책

종래, 펌프로 물이나 기름, 식품 등을 송급하는 프로세스에서는 조절계로 설정한 값(SV)과 유량계로 계측한 값(PV)으로부터 전동 밸브의 개폐를 제어하는 시스템이 사용되어 왔다. 그러나 이 시스템에서는 모터나 펌프에 대해서 과부하를 주고 있기 때문에, 전력의 로스가 크고, 또 기기의 수명에도 영향을 준다. 에너지 절약으로서 제안하는 방법에서는, 그림 5와 같이 조절계와 전동 밸브를 인버터에 옮겨놓아 초음파 유량계의 유량 신호와 설치로부터 인버터로 모터의 회전수를 제어해, 유량을 컨트롤 한다.전동 밸브가 없기 때문에, 펌프에 과부하를 걸치는 것이 없어져, 또 모터나 펌프의 전력량을 저감 하는 것이 가능하게 된다.

(4)공장배수에 있어서의 유량 측정

배수 처리 설비에 대해 설치하는 유량계의 종류에 따라서는 처리전의 원수에 포함되는 액체의 종류로 측정이 어려운 경우나 부식 등에 의한 멘테넌스가 필요할 가능성이 있다. 또 기설 배관의 경우에는 유량계 설치의 공사기간이 필요하기 위해, 설비 정지등의 가능성이 있다. 하천 등에의 배수 유량에 대해도 자치제의 신고가 필요하기 때문에, 실제로 배수를 정확하게 측정하는 것은 중요하다(그림 6). 이러한 환경에 있어 캠프온형의 초음파 유량계를 사용하는 것으로, 배관의 외부로부터 액체의 영향을 받는 일 없이 정확하게 유량을 측정하는 것이 가능하다. 더욱 설비 공사는 불필요해져, 설비를 정지할 필요도 없다.또, 일부 센서에서는 방수 처리를 추가하는 것으로, 5일간의 침수에도 대응 가능해져, 빗물이 침입하는 장소에도 적용 가능하다.

(5)고점성 유체 측정

마요네즈나 드레싱 등의 고점성 유체의 측정에서는, 배관내의 관로에 장애물이 있는 경우나 레이놀드수가 작은  층류 상태에 대해 유량 측정의 정도에 영향이 나오는 경우가 있다. 또, 유체의 점도가 높기 때문에, 기계식의 유량계는 사용하기 어려운 경우나 마요네즈와 같이 도전성이 낮은 유체의 경우에는, 전자 유량계의 사용이 어려운 경우가 있다. 이러한 환경에서는 캠프온형의 초음파 유량계를 사용하는 것으로써, 고점성, 저류속의 유체를 유체 자체의 영향을 받는 일 없고, 정도 좋게 측정하는 것이 가능하다(그림 7).
 

 맺음말

초음파 유량계의 시장은, 측정 대상물이나 용도의 확대에 의해 한층 더 신장 해 나가는 것이 예상된다. 향후 기기를 소형화·전력 절약화한 휴대용형 초음파 유량계, 측선수를 3측선이상으로 늘린 고정밀도 초음파 유량계나 기체·증기 등의 측정이 가능한 초음파 유량계의 제품 개발에 임해 가고 싶다.

자료제공 | 후지전기기기코리아(www.fujielectric.co.kr)