온도 등 외부 변화에도 안정적인 초음파 유량계의 미래를 열다

 에프엠테크㈜

초음파 유량계는 하수처리시설 등에서 많이 활용된다. 최근에는 연료전지에 사용되는 기체와 액체 유량계를 초음파 유량계로 대체하려는 시도도 이어지고 있다. 다양한 분야에 적용 가능한 기술이지만, 온도 등 외부 환경 변화에 민감해 정밀도 향상이 꾸준히 요구된다. 이에 초음파 유량계의 자체 설계와 제작에 도전 중인 에프엠테크㈜ 최해길 대표와, 기술 개발을 지원한 KRISS 전세종 박사를 만나 봤다.

외부에 부착해 유체의 흐름을 분석하는 초음파 유량계 기술 

관 속을 흐르는 물이나 가스의 흐름을 실시간으로 측정하는 핵심 기술은 바로 초음파에 있다. 초음파를 유체의 흐름 방향과 역방향으로 각각 보내면, 흐름 방향으로 이동하는 초음파는 더 빨리 도착하고, 역방향으로 이동하는 초음파는 더 늦게 도착한다. 이때 두 신호의 도달 시간 차이를 측정하면, 이를 통해 유체의 속도를 계산할 수 있다. 해외 메이저 제작사인 에머슨의 제품을 주로 납품해 오던 에프엠테크㈜는 이 기술의 높은 시장성과 외산 의존도를 고려해 자체 설계와 제작에 본격적으로 뛰어들었다. 이 과정에서 외벽 부착형 초음파 유량계 개발에 협력한 KRISS 전세종 박사에게 전반적인 측정 기술에 대한 설명을 먼저 들어보았다

전세종 박사: “물 유량 측정표준은 수도미터의 유량 측정 범위인 10 L/h에서 2000 m³/h까지 측정 불확도 0.06 % (k = 2) 수준으로 확립되어 있어요. KRISS의 물 유량 교정 측정 능력(CMC)은 세계 6~8위권에 해당할 텐데요. 2025년 현재는 측정 불확도를 0.04 % (k = 2) 수준으로 향상하기 위해 가변 폭 유동 노즐을 개발하고 있습니다.”

사실 국내 초음파 유량계 제작 회사로는 ㈜수인테크, ㈜에이치에스씨엠티, 자인테크놀로지㈜ 등이 있다. 뒤늦게 뛰어든 에프엠테크㈜는 고유 기술을 확보하기 위해 자체적으로 연구·개발을 수행하고 있으며, 주력하고 있는 부분은 외부 환경, 특히 온도 변화에도 정확하게 측정할 수 있도록 하는 것이다.

최해길 대표: “외국 제품인 Flexim은 센서 내에 온도 보정 칩을 사용하고 있고, Panametrics는 컨트롤러에 온도 보상 기능이 있어요. 국내에는 온도 보상 기능을 갖춘 제품이 없는 것으로 알고 있습니다. 저희가 초음파 유량계 기술에서 욕심을 내는 이유입니다.”

애로기술 해결로 온도 변화에도 안정적인 초음파 유량계 개발 

에프엠테크㈜와 KRISS의 협력은 2021년과 2024년, 두 차례에 걸쳐 이루어졌다. 외벽 부착형 초음파 유량계는 주로 열악한 현장에 설치되며 외부에 노출되기 때문에, 유체 온도뿐 아니라 외부 환경의 온도 변화에도 영향을 받는다. 게다가 대부분의 외벽 부착형 초음파 유량계는 설치 당시 설정한 온도 조건에 맞춰 운용되기 때문에, 이후 온도가 변하면 설치 오차와 측정 오차가 누적되는 문제가 발생한다. 이런 현상을 정확히 확인하고 개선하기 위해서는 기초적인 실험이 필수였으며, 이는 에프엠 테크㈜가 KRISS와 협력하게 된 배경이다. 

에프엠테크㈜와 KRISS는 센서를 물리적으로 조정하기에 앞서 소프트웨어를 통한 보정 방식을 먼저 시도했다. 또한 항온·항습이 유지되는 파이프라인 환경에서 개선된 초음파 센서를 부착한 후, 안정성과 측정 정확도의 향상 여부를 실험했다. 1회선, 2회선, 4회선 초음파 유량계를 모두 활용해 실험을 진행했고, KOLAS 교정 성적서를 통해 유량계의 신뢰성 확보도 추진했다.

전세종 박사: “우선 초음파 센서의 전기적 특성을 평가하기 위해, 전자파측정그룹이 보유한 KeySight 네트워크 분석기를, 음향 특성 평가를 위해서는 열유체측정그룹이 자체 제작한 음향 수조를 활용할 수 있도록 지원했습니다. 기술 토의도 함께 진행했죠.” 

에프엠테크㈜는 KRISS의 시설을 활용, 초음파 센서를 배관에 설치한 후 물 유량 측정표준과 비교하여 정확한 측정이 가능한지 검증을 진행하고 있다. 또한, 길이 2 m, 폭 1 m, 높이 1.5 m 규모의 수조에 물을 약 1.2 m 높이로 채우고 외벽부착형 센서와 수신전용 하이드로폰 센서를 음향수조 중심 위치에 설치한 뒤, 외벽부착형 센서에서는 전기 신호로 초음파를 발생시키고, 하이드로 폰 센서에서는 이를 측정하여 파형분석 및 음장특성 실험을 수행했다. 이런 실험을 통해 에프엠테크㈜의 초음파 센서는 정확도를 한층 높일 수 있었다.

최해길 대표: “2019년부터 초음파 유량계를 조달청에 등록하여 판매하기 시작한 건 버전#3이었어요. 지금은 버전#5까지 업그레이드했죠. 독자적으로 했다면 훨씬 오래 걸렸을 거예요. 다행히 KRISS와 함께 실험할 수 있었고, 그 과정에서 얻은 데이터를 실제 제품에 적용했습니다. 버전#5가 완전히 개발되면 더 나은 제품이 나올 것이라고 생각해요.” 

2024년에는 이렇게 수행한 연구를 바탕으로, 배관 주변 온도에 따른 초음파 센서의 특성 변화를 분석한 논문을 작성해 투고했다. 향후 실험 결과를 추가하여, 내년 5월 일본 나라에서 열리는 국제 유량 측정 학술대회 (FLOMEKO)에서 발표할 계획이다. 한편, 에프엠테크㈜는 개발한 제품을 바탕으로 조달청이 공고하는 상수도 배관망 관리 사업에 입찰할 계획이다. 해당 사업에는 KOLAS 인정 교정기관의 인증을 받은 제품과 자체 브랜드로 개발된 유량계가 요구된다. 에프엠테크㈜의 초음파 유량계는 현재 수준에서도 충분한 성능을 갖추고 있어, 이 요구사항을 충족할 수 있다.

기술을 전달함으로써 새로운 시장을 열어주는 토탈 솔루션 프로바이더 

기업에 기술 자문을 제공하거나 장비를 대여하는 일은, 어찌 보면 KRISS가 수행하는 여러 역할 중 하나에 불과할 수 있다. 그러나 에프엠테크㈜의 외벽 부착형 초음파 유량계 사례는 그 이상의 의미를 지닌다. KRISS의 기술 지원을 통해 에프엠테크㈜는 국내 상수도 분야에 진입할 수 있고, 나아가 국내 판매를 통한 기술 축적을 기반으로 제품의 차별성과 기술성으로 해외 수출의 기반까지 마련할 수 있다. 이는 단순한 기술 이전을 넘어, 기업의 시장 진출과 사업모델 확장으로 이어지는 대표적인 사례다. 물론 이런 미래를 실현하기까지는 여전히 많은 과제가 남아 있다. 그러나 단순한 지식 공유를 넘어, 새로운 산업적 가치와 기술 기반 자산을 함께 창출해 나간다면, 에프엠테크㈜는 기술의 벽을 하나씩 넘어설 수 있을 것이다. 그리고 그 여정에서 KRISS는 단순한 조력자를 넘어, 토탈 솔루션 프로바이더(Total Solution Provider)로서의 역할을 분명히 해낼 것이다.