액체의 초음파 측정

이 애플리케이션 노트에서는 직접 수준 측정의 비침습적 방법을 사용하여 용기 또는 파이프의 액체 수준을 측정하는 방법을 살펴봅니다. 유무 테스트를 사용하여 밀봉 용기 내 액체의 유무를 감지하는 방법에 대해서도 설명합니다.

액체 수준 측정 방법

액체 수준을 측정하는 가장 간단한 방법은 계량봉 또는 보정된 플로트를 사용하여 직접 관찰하는 것입니다. 그러나 이 방법은 밀봉된 용기를 열 수 없거나 내용물을 공기에 노출시킬 수 없는 경우 적합하지 않습니다. 초음파 액체 수준 측정은 충전 과정을 거치는 많은 용기의 수준을 신속하게 자동으로 측정해야 하는 상황에 적합한 솔루션입니다. 

초음파 액체 수준 측정은 다음 영역에서도 유용합니다.

• 안전상의 이유로 용기를 열 수 없고, 화학물질 또는 공정의 성격상 내부 플로트 게이지를 설치하지 못하는 화학 처리 작업에서 부식성 또는 반응성 유체 수준 측정.
• 유지관리 절차 중 개봉하거나 자르는 파이프를 조사하기 위해 파이프에 유체가 고여 있는지 탐지.
• 연료 탱크, 변속기 어셈블리, 엔진 오일 팬 및 차동장치와 같은 다양한 자동차 구성요소의 조립 라인 유체 수준 확인. 신속하고 신뢰할 수 있는 비침습적 측정이 필요합니다. 충전된 용기의 온라인 측정을 위해 트랜스듀서를 배치할 수 있도록, 측정기는 경우에 따라 자동 조작기와 함께 사용됩니다. 게이지의 출력은 충전 수준이 허용 범위를 벗어난 용기를 표시하도독 페인트 분무기를 활성화하는 데 사용됩니다.
• 석유 처리 시스템에서 물 위에 떠 있는 기름 층 측정. 원칙적으로는 다른 음향 임피던스의 액체가 두 번째 액체 위에 떠 있는 상황에서 모든 단일 층의 액체를 측정할 수 있습니다.

일반적으로 액체 수준 작업은 실제 액체 수준(깊이 또는 높이)을 측정해야 하는 작업과 특정 지점에서 액체의 유무를 탐지해야 하는 작업의 두 가지 범주로 나뉩니다. 두 테스트 모두 아래 섹션에서 따로 설명합니다.

직접 수준 측정에 사용되는 장비

액체 수준은 일반적으로 기존 펄스-에코 두께 측정 기법으로 측정하며, 더 큰 범위가 필요한 경우 표준 초음파 두께 측정기 또는 결함 탐상기를 사용합니다. 트랜스듀서는 특정 작업 요구 사항에 따라 선택하지만 일반적으로 1MHz 또는 2.25MHz입니다. 다음 계기를 권장합니다.

• 액체 수준 측정을 위해 39DL PLUS^™ 및 단일 요소 소프트웨어가 설치된 45MG 두께 측정기를 설치할 수 있습니다. 두 계기에는 디지털 디스플레이를 비롯하여 기록 및 문서화를 위한 고/저 알람 및 데이터 저장장치가 있습니다. 측정 범위는 일반적으로 대략 최대 5인치 또는 125mm입니다.
• EPOC 650^™ 및 EPOC 6LT 결함 탐상기는 매우 긴 액체 경로(잠재적으로 4피트 또는 1.25m 이상)를 측정할 수 있습니다.

이러한 계기의 범위와 정확도는 특정 테스트 조건에 따라 결정되며 개별 사례를 기준으로 인용해야 합니다. 대부분의 액체에서 ± 0.1인치(± 2.5mm)의 정확도가 가능합니다.

직접 수준 측정 절차

용기의 액체 수준은 접촉매질로 변환기를 용기 바닥에 접촉시켜 측정합니다. 전기 임펄스는 두께 게이지에서 트랜스듀서로 전송되어 짧은 초음파 사운드 펄스를 생성하며, 용기 벽을 통해 액체로 전달됩니다. 펄스는 반사되는 표면에 도달할 때까지 액체를 통과하여 트랜스듀서가 수신할 액체를 통해 복귀합니다.

액체 표면의 에코는 용기 벽을 통과하는 통과 시간을 뺀 전자 제로 시점에서 정확하게 타이밍됩니다. 펄스의 왕복 통과 시간은 다음 계산을 전자적으로 수행하여 액체 수준으로 변환됩니다.
 

h = vt/2

여기에서,
h = 액체 수준
v = 액체 내 음속
t = 왕복 통과 시간
 

액체 수준은 디지털 디스플레이에 표시됩니다. 이 측정 기법을 효과적으로 사용하려면 아래에 나열된 특정 요인을 고려해야 합니다.

1. 용기 재질 유형 및 두께 : 유체 특성 및 수준 범위와 관련하여 이 요인을 먼저 고려하십시오. 두꺼운 벽의 강철 용기는 벽의 링다운 효과로 인해 측정할 수 있는 최소 수준을 크게 제한할 수 있습니다. 플라스틱 용기는 여러 액체와 음향 특성이 유사하므로 트랜스듀서에서 액체로 소리를 효율적으로 전달하여 링다운을 최소화합니다.
2. 용기 벽의 표면 상태: 부식되거나 팬 곳이 있는 용기 표면은 소리 펄스의 전달을 왜곡하고 측정을 어렵게 하거나 불가능하게 만들 수 있습니다.
3. 용기의 곡률: 심하게 휘어진 용기는 소리 펄스를 왜곡하거나 트랜스듀서와 용기의 부적절한 접촉을 유발하여 신뢰할 수 있는 측정을 방해할 수 있습니다.
4. 장애물 : 탱크 바닥과 액체 상단 사이의 소리 경로에는 칸막이나 충전 파이프와 같은 물리적 장애물이 없어야 합니다.
5. 액체의 음향 특성: 액체의 초음파 감쇠 정도에 따라 최대 수준 측정값이 결정되는 경우가 많습니다. 일반적으로 고점도 액체와 고체 농도가 높은 액체가 초음파를 가장 많이 감쇠시킵니다.
6. 온도 영향: 액체의 온도 변화는 액체의 음속 변화를 일으킵니다. 이러한 속도 변화를 보정하기 위해 계기의 속도 보정을 재조정하지 않으면 수준 판독값이 잘못됩니다.
7. 기체 기포: 공기나 기타 기체의 기포는 음파를 산란시켜 잘못된 판독값을 생성하거나 전혀 판독되지 않게 할 수 있습니다.
8. 액체 표면의 움직임: 판독 가능한 표면 에코를 생성하기 위해서는 일반적으로 용기의 액체 표면을 움직이지 않는 상태로 유지해야 합니다.
9. 액체 구성: 정확한 측정을 위해서는 액체의 구성과 온도가 균일해야 합니다.
10. 용기 벽에 대한 트랜스듀서의 접촉: 소리 펄스를 트랜스듀서에서 용기 벽을 통과하여 액체로 전달하기 위해서는 트랜스듀서가 용기 벽에 적절하게 접촉해야 합니다.
     

유무 측정에 사용되는 장비

펄스-에코 유무 측정에 적합한 EPOCH 시리즈와 같은 결함 탐상기를 사용하는 것이 좋습니다. 사용되는 트랜스듀서의 유형은 액체의 유형과 소리 경로 길이에 따라 달라집니다.
 

유무 측정 절차

멀리 떨어진 벽에서의 에코가 예상되는 시점에 게이트를 설정하면 작업자는 액체의 상태를 모니터링할 수 있습니다. 액체가 있으면 오른쪽 그림과 같이 게이트 내에서 에코가 감지될 것입니다.

이 유형의 테스트는 일반적으로 지연선 트랜스듀서로 수행합니다. 아래 그림은 V206-RB 지연선 트랜스듀서(5MHz)를 사용한 강철 탱크의 일반적인 링다운 테스트를 나타냅니다. 위쪽 파형은 액체로 덮인 벽에서 나오는 에코 링다운 패턴을 나타냅니다. 에코 엔벨로프를 추적하는 데 DAC 함수를 사용했습니다. 아래쪽 파형은 공기로 덮인 벽에서 수신된 더 큰 에코를 보여주는데, 여기서 내부 표면에 대한 액체의 감쇠 효과는 더 이상 영향을 미치지 않습니다. 작동자는 트랜스듀서를 탱크의 측면 위 아래로 움직이며 이 두 패턴 사이의 전환점을 찾아서 내부에 있는 액체의 상단을 나타내는 지점을 식별할 수 있습니다.