기존 산업 오토메이션 분야의 증기·천연가스 등의 유체 관리나 거래 등에 더해, 최근에는 탄소 중립에 대한 대응 등 유량 계측의 고정도화 요구는 여전히 중요시되고 있다.

 

여기서는 디지털 통신을 활용해 관리 호스트 경유로 유체 정보를 다운로드함으로써 고정도 계측을 실현한 차압 전송기 기반 질량 유량계의 최신 기술, 실류 시험 결과를 소개한다.

 

또한 IoT화·스마트화를 바탕으로 한 장래 동향에 대해 디지털 트랜스포메이션(DX) 실현을 위한 상위 시스템의 유량계 데이터 유효 활용의 관점에서 가능성을 설명한다.

 

차압·압력 전송기 기반 유량계

 

측정기기로서 차압·압력 전송기의 용도는 그림 1에 나타낸 바와 같이 유량 측정, 압력 측정, 레벨 측정의 세 가지 용도로 분류된다. 측정 대상의 종류는 액체, 가스, 스팀 등 폭넓게 대응할 수 있으며, 기기의 비용이 비교적 저렴하다는 특징이 있다. 또한 기기의 보수·조정 작업이 제로점 조정 등으로 끝나고, 가동 중에 정기적으로 기기를 현장 교정에 보낼 필요도 없어 관리가 용이한 특징도 있다.

 

 

이 차압·압력 전송기에 오리피스판 등의 조리개 기구로 대표되는 유량 프라이머리 기기를 조합해 유량 계측에 사용한다. 이 경우 조리개 기구에서 발생하는 차압과 유동 상태의 정압·온도를 개별 차압·압력·온도 전송기로 측정한다. 측정된 차압·압력·온도를 바탕으로 유량 규격으로 정해진 수식에 따라 유량 연산기로 유량을 계산한다. 이 구성을 그림 2 왼쪽 측에 나타냈다.

 

한편, 앞에서 말한 차압과 정압·온도를 1대의 전송기로 측정할 수 있는 멀티 배리어블 전송기를 사용하면 저비용으로 고정도의 측정이 가능해진다. 이 구성은 그림 2 오른쪽 측에 나타냈다.

 

디지털 통신을 활용한 고정도 차압식 질량 유량계

 

1. 개요

여기서 소개하는 멀티 배리어블 전송기(EJX910)는 그림 3과 같이 하나의 실리콘 진동식 센서로 차압과 정압을 동시에 측정하고 있어 코스트 퍼포먼스가 우수하고 고정도 측정이 가능하다. 또한 진동식 센서의 출력은 주파수 신호이기 때문에 압력 검출에서 데이터 처리까지 일관된 디지털 처리로 고정도의 데이터를 안정적으로 측정할 수 있다.

 

이 경우, 그림 4의 연산 블록도에 나타낸 것처럼 차압식 유량 연산에 관련된 ‘차압’과 밀도 보정에 관련된 ‘정압’․‘온도’ 등 3종류의 물리량을 1대의 전송기로 처리하고, 디지털 통신에 의해 동기해 연산 처리하고 있으므로 멀티 배리어블 전송기 내부의 플로 컴퓨터에 의해 유량 연산할 때의 데이터 동시성이 보증된다.

 

 

2. 시스템 구성

그림 5에 시스템 구성을 나타냈다. 멀티 배리어블 전송기 내부의 플로 컴퓨터에 대한 차압식 유량 연산의 설정을 디지털 통신을 통해 접속된 관리 호스트 상에서 동작하는 소프트웨어인 유량 파라미터 설정 툴(FlowNavigator EJXMVTool)을 사용해 실시한다.

 

이 소프트웨어는 FDT 규격(IEC 62453)에 준거하는 DTM으로서 실장하고 있으며, FDT 규격에 준거한 호스트 상에서 실행할 수 있기 때문에 유연한 시스템 구성이 가능하다. FDT 규격은 다양한 네트워크가 공존하는 산업 오토메이션 생산 시스템의 디바이스 관리를 벤더나 통신 프로토콜의 벽을 넘어 통합하는 소프트웨어 인터페이스 기술이다.

 

3. 대응하는 유량 프라이머리 기기와 유체

이하와 같이 폭넓게 대응하고 있다.

 

(1) 유체 : 액체, 기체

(2) 유량 프라이머리 기기 : 오리피스판, 노즐, 벤츄리관, 다항식 피토관, 콘 플로미터, 유저 정의 모드

(3) 밀도 보정 : AIChE® DIPPR® Project No.801 물성 Database, 천연가스 / AGA No.8, ISO 12213, 증기표 / IAPWS-IF97 Water and Steam, 커스텀 유체 밀도·점도 보정

 

4. 유량 연산의 흐름

그림 6에 기능 블록도를 나타냈다. 유저는 앞에서 설명한 유량 프라이머리 기기와 유체 정보를 EJXMVTool의 모듈 Flow Conguration Wizard 내의 입력을 담당하는 유저 인터페이스부에서 입력한다. 이들 정보는 EJXMVTool 내의 연산 처리를 담당하는 비즈니스 로직에서 EJX910의 유량 연산에서 다룰 수 있는 기기 파라미터 형식으로 변환되어 EJX910에 다운로드 된다. EJX910은 측정된 차압(DP), 정압(SP), 온도(Temp)를 이용해 유량 연산을 한다. 또한 DP, SP, Temp를 직접 출력할 수도 있다. EJX910 내의 유량 연산 처리로서는 유량 프라이머리 기기나 밀도 보정에서 정해져 있는 연산방식에 따라 고주기로 재귀 계산을 포함한 처리를 하고 있다.

 

 

5. 고정도 유량 연산

그림 7에서 고정도 유량 연산의 예로서 EJX910 내부 플로 컴퓨터의 유출계수(C)와 밀도 보정(ρ)에 관해 설명한다. 간이적인 방식의 유량 연산에서는 유량 프라이머리 기기에 대해서는 고정의 유출계수를 이용하고, 밀도 보정에서는 이상 기체 보정을 이용한다. EJX910에서는 유량 프라이머리 기기에 대해서는 유출계수(C)에 관해 재귀 계산 처리를 하고 레이놀즈수에 따라 최적의 값을 구하고 있다. 밀도 보정(ρ)에 관해서도 측정된 정압·온도를 사용해 이상 기체 보정의 괴리를 나타내는 압축계수를 가미한 보정을 하고 있다.

 

실류 시험 결과

 

앞에서 말한 멀티 배리어블 전송기의 고정도 유량 연산에 관한 실류 시험 결과를 이하에 설명한다. 그림 8과 같이 영국의 천연가스 실류 라인에서 오리피스를 이용해 실류 시험을 실시, 유량기준기에 대해 ±1.0% of Reading을 만족시키는 결과를 얻었다. 여기서는 EJX910에서 측정하는 압력·온도로부터 밀도 보정을 실시해 질량 유량을 산출하고 있다. 기준이 되는 체적 유량으로는 검정된 정도 0.21%의 국가 표준에 트레이서블한 터빈미터를 사용하고 있다. 밀도 보정으로 시험 설비 상류의 가스 성분 분석계를 사용하고, 연산은 AGA No.8 Detail Method에 대응했다.

 

 

그림 9, 10에 멀티포트 애버리지 피토관을 이용한 미국 Colorado Engineering Experiment Station, Inc.(CEESI)의 공기 실류 시험의 구성과 결과를 나타냈다. CEESI 마스터미터와 비교 시험을 실시하고, 여기서는 4inch 멀티포트 애버리지 피토관과 멀티 배리어블 전송기 H 레인지 조합의 유량 정도 0.5% 15:1 turndown의 데이터를 나타냈다.

 

 

또한 멀티 배리어블 전송기의 제조 시 성능시험 결과를 바탕으로 한 탁상 견적에 의해, 앞에서 말한 시험 조건하에서 멀티 배리어블 전송기의 H 레인지에 더해 L 레인지를 사용함으로써 유량 정도 0.5% 20:1 turndown을 실현할 수 있다는 것을 나타냈다.

 

 

여기서 turndown이란 유량 정도를 만족시키는 최대 유량과 최소 유량의 비율을 가리킨다. 즉, 15:1에 비해 20:1 쪽이 미소한 유량에 이르기까지 표기하는 정도를 만족시키는 계측이 가능하다는 것을 의미한다. Turndown이 클수록 광범위한 유량 측정이 가능하다.

 

IoT화, 스마트화의 흐름

 

지금까지 디지털 통신을 활용한 고정도 차압식 질량 유량계(EJX910)의 실현 형태와 실류 시험 결과를 소개했는데, 동일한 형태로 와류식 유량계(digitalYEWFLO)에서 디지털 통신을 활용하는 사례를 소개한다(그림 11).

 

 

여기서는 와류식 유량계로 측정한 체적 유량과 온도 전송기, 압력 전송기로 측정한 유동 상태의 온도․압력으로부터 와류식 유량계 내부의 플로 컴퓨터에 의해 밀도 보정을 실시하고 유량 측정을 한다. 이 경우, 와류식 유량계 내부의 플로 컴퓨터의 밀도 보정에 관한 설정에 관해 디지털 통신을 통해 접속된 관리 호스트 상에서 동작하는 소프트웨어(FlowNavigator DYFMVTool)로 실시한다. 이 소프트웨어도 DTM으로서 실장하고 있다.

 

앞에서 말했듯이 차압식 질량 유량계와 와류식 유량계에 관해 DTM으로서 실장한 유량 설정 소프트웨어를 디지털 통신을 통한 관리 호스트 상에서 동작시킴으로써 고정도화를 실현하고 있다. 이 형태는 그림 12의 Case 3에 해당되며, 필드 기기에 대응해 전용으로 구축하는 드라이버 소프트웨어인 DTM의 특징을 활용하고 있다.

 

 

기존의 예로는 Case 1로서 유량 연산 애플리케이션의 전형적인 사례인 상위의 DCS, PLC, 플로 컴퓨터 등에서 유체 정보를 참조해 유량 연산을 실시한 예가 있다. 이에 비해 Case 3에서는 유량계 내부에 내장되어 있는 플로 컴퓨터 내에서 동기된 차압·압력·온도를 이용해 고주기로 유량 연산을 실시하기 때문에 응답이 좋고 고정도이다.

 

또한 Case 2로서 유량계 내부의 플로 컴퓨터에 내장되어 있는 유체 정보를 사용해 유량 연산을 실시한 사례가 있다. 이 경우는 플로 컴퓨터의 능력 한계도 있어 포화 증기표 등의 한정된 유체에 한한 대응이 된다. 이에 비해 Case 3에서는 관리 호스트 상에서 동작하는 유량 설정 소프트웨어가 참조하는 유체 정보를 유량계 내부의 플로 컴퓨터에서 사용할 수 있는 형식으로 변환해 사용한다. 따라서 Case 2에 비해 폭넓은 유체 종류에 대응할 수 있다.

 

그림 13에 나타냈듯이 미래적으로는 Case 3의 사례를 확장해 센서 정보와 상위계의 연계를 활용함으로써 IoT화, 스마트화에 대한 흐름을 생각할 수 있다. DTM은 필드 기기에 대응해 전용으로 구축하는 드라이버 소프트웨어로, 입력을 담당하는 유저 인터페이스부와 연산 처리를 담당하는 비즈니스 로직부로 이루어진다. 이 중 FDT의 최신 버전 3.0에서는 비즈니스 로직부는 기존의 Windows 기반에 더해 Linux에도 대응해 에지 컴퓨터나 클라우드 상에서 실행할 수 있다.

 

 

앞에서 말한 사양을 활용함으로써 DX 실현을 위한 상위 시스템의 유량계 데이터를 효과적으로 활용할 수 있게 된다. 예를 들어, 앞에서 설명한 고정도 질량 유량계에 필요한 유량 설정 기능으로서 활용 흐름을 확장해 유량 연산 시에 밀도 보정을 동적으로 보정하는 기능을 DTM과 유량계로 연계해 정도 향상을 도모하는 것을 생각할 수 있다.

 

또한 Industry 4.0에서 권장되고 있는 Open Platform Communications(OPC) Unified Architecture(UA)를 통해 오토메이션 시스템의 상위 IT계로서 Manufacturing Execution System(MES)이나 Enterprise Resource Planning(ERP)에 전송해 에너지 관리나 중요한 과제인 카본 중립에 공헌하는 것 등을 생각할 수 있다.

 

맺음말

 

디지털 통신을 활용해 관리 호스트 경유로 유체 정보를 다운로드함으로써 고정도 계측을 실현한 차압 전송기 기반 질량 유량계의 최신 기술, 실류 시험 결과를 소개했다. 또한 IoT화·스마트화를 바탕으로 한 그 미래 동향에 대해 DX 실현을 위한 상위 시스템의 유량계 데이터 유효 활용의 관점에서 가능성을 설명했다. 앞으로도 유량 계측 분야의 IoT화·스마트화를 위한 검토를 추진해 갈 것이다.

 

伊藤 章雄·守屋 昌彦, 요꼬가와전기 주식회사 & 와세다대학 산업용 오픈 네트워크 래버러토리 & FDT Group 5