유량계 FLOWMETER에 관하여

유량계 (Flowmeter)의 종류와 기본적인 측정원리에 대해 알아보겠습니다.

 

1. 벤튜리미터( Venturi Meter )
2. 유량측정용 노즐( Nozzle )오리피스(Orifice) -차압식유량계
3. 용적식 유량계
4. 피토우( Pitot )관
5. 자기식 유량측정기(Magnetic flow meter)
6. 볼텍스유량계 (와류 유량계)
7. 초음파유량계
8. 전자기 유량계전자기 유량계
9. 파아샬플루움(Parshall flume)

 

▶벤튜리미터( Venturi Meter )

벤튜리미터(Venturi Meter)는 긴관의 일부로써 단면이 작은 목(throat)부분과 점점 축소, 점점 확대되는 단면을 가진 관으로 축소부분에서 정력학적 수두의 일부는 속도수두로 변하게 되어 관의 목(throat)부분의 정력학적 수두보다 적게 된다. 이러한 수두의 차에 의해 직접적으로 유량을 계산할 수 있다.

 압력 손실에 민감한 유체에 적용 할 수 있도록 특수하게 설계 된 벤츄리 튜브 유량계로 오리피스나 노즐 타입의 유량계에 비해 압력 손실이 적은 특징을 가지고 있습니다. 유량 신호를 외부로 송신하여 확인 할 수 있으므로 여러 주변기기와 연동하여 제어 가능 합니다. 대부분의 유체(액체⦁기체 및 포화증기)에 적용 할 수 있고 고온, 고압의 현장에도 사용 가능하여 거의 대부분의 산업 현장에서 이용 할 수 있습니다. 배관 적용 시 수평 및 수직으로 자유롭게 설치가 가능하며 소구경부터 대구경까지 제작되기 때문에 용이합니다.

 

▶유량측정용 노즐( Nozzle )

유량측정용 노즐은 수두와 설치비용 이외에도 벤튜리미터와 오리피스 간의 특성을 고려하여 만든 유량측정용 기구로서 측정원리의 기본은 정수압이 유속으로 변화하는 원리를 이용한 것이다. 그러므로 벤튜리미터의 유량 공식을 노즐에도 이용할 수 있으며, 또한 노즐은 약간의 고형 부유물질이 포함된 폐하수에도 이용할 수 있다.

▶오리피스(Orifice) -차압식유량계
오리피스는 설치에 비용이 적게들고 비교적 유량측정이 정확하여 얇은 판오리피스가 널리 이용되고 있으며 흐름의 수로내에 설치한다. 오리피스를 사용하는 방법은 노즐(Nozzle)과 벤튜리미터와 같다. 오리피스의 장점은 단면이 축소되는 목(throat)부분을 조절하므로써 유량이 조절된다는 점이며, 단점은 오리피스(Orifice) 단면에서 커다란 수두손실이 일어난다는 점이다.

▶용적식 유량계

일정한 용적의 용기에 유체의 유입, 유출을 반복하여 단위 시간당 유입 및 유출 회수와 용기의 용적을 적산하여 유량을 측정하며, 유체의 유속이나 압력을 이용한 간접적인 측정 방식이 아닌 직접적인 부피를 측정하므로 높은 측정 정확도를 가지고 있습니다. 로터와 케이스, 피스톤과 실린더 등을 이용하여 유체를 일정 용적 내에 가두어 넣고, 다음에 방출하기를 반복하여 단위 시간당의 횟수에서 유량을 얻는다. 적산유량계에 많이 쓰인다. 정밀도가 높다. 압력손실이 크다.

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▶피토우( Pitot )관
피토우관의 유속은 마노미터에 나타나는 수두차에 의하여 계산한다. 왼쪽의 관은 정수압을 측정하고 오른쪽관은 유속이 0 인 상태인 정체압력(Stagnation Pressure)을 측정한다. 피토우관으로 측정할 때는 반드시 일직선상의 관에서 이루어져야 하며, 관의 설치장소는 엘보우(elbow), 티(tee)등 관이 변화하는 지점으로 부터 최소한 관지름의 15～50배 정도 떨어진 지점이어야 한다. 또한 피토우관은 부유물질이 많이 흐르는 폐하수에서는 사용이 곤란하나 부유물질이 적은 대형관에서는 효율적인 유량측정기이다. 구조가 간단하고 배관 및 덕트의 크기에 대한 영향을 받지 않으며 비교적 적은 유속에서 큰 유속까지 측정 가능하고 구동부가 상대적으로 크지 않기 때문에 압력 손실이 거의 없다.

▶자기식 유량측정기(Magnetic flow meter)
고형물이 많아 관을 메울 우려가 있는 폐하수에 이용할 수 있는 유량 측정기기로 측정원리는 패러데이(Faraday)의 법칙을 이용하여 자장의 직각에서 전도체를 이동시킬때 유발되는 전압은 전도체의 속도에 비례한다는 원리를 이용한 것으로 이경우 전도체는 폐하수가 되며, 전도체의 속도는 유속이 된다. 이때 발생된 전압은 유량계 전극을 통하여 조절변류기로 전달된다. 이 측정기는 전압이 활성도, 탁도, 점성, 온도의 영향을 받지 않고 다만 유체(폐하수)의 유속에 의하여 결정되며 수두손실이 적다.

 

▶볼텍스유량계 (와류 유량계)
온⦁압 센서가 내장된 와류식 유량계. 유량측정 메커니즘에 온도와 압력 보정기능을 일체화하여 배관 조건이 유동적인 환경에 적용가능하여 다양한 산업 현장에 적용 가능합니다.

 원리-유동장 내부에 강체가 존재하면 유체의 점성에 의해 유동은 경계층(boundary layer)이 형성되고 경계층이 발달함에 따라 유동의 박리(spearation)가 발생하여 측정관 내부에 설치된 하류쪽에 그림 1과 같이 karman 와류가 형성이 된다. 이렇게 형성된 와의 발생빈도 즉 와류 주파수가 유동의 속도 즉, 평균유속에 비례하기 떄문에 와류 주파수를 측정하여 유량신호를 얻을 수 있다. 이론적으로는 강체의 하류쪽에 와가 동시에 발생하게되나 일반적으로 균형이 깨어지게 되므로 양쪽으로 번갈아 가면서 발생하게 된다. 이것을 와류 열 (street)이라고 부른다. 일반적으로 유동 내부에는 유체의 저항을 줄이기 위해 유선형으로 강체가 존재하나 와류 유량계의 경우는 이와 반대로 박리가 일어나도록 하여야 하므로 와 발생체는 삼각 또는 사각 모양으로 설계한다. 이와 같이 주파수가 평균유속에 비례하는 현상은 1978년 v.strouhal에 의해 발견되어 유량측정에 응용하게 되었으며 이의 관계식은 다음과 같이 표현된다.

 

▶초음파유량계
초음파 센서가 배관 내에 삽입되어 있는 액체용 초음파 유량계로써 높은 정확도와 재현성을 가지고 있는 고정밀 계측기입니다. 

*외벽부착식 초음파 유량계

현재 일반적으로 가장 많이 활용되고 있는 초음파 기술을 응용한 전파시간차(Transit-time difference) 방식의 유량계입니다. 측정원리는 유체가 흐르고 있는 관내에 초음파를 조사하면 유체의 흐름에 따라 전파(t1;UP→DOWN)되는 초음파는 음속과 유속의 합에 비례하여 빨리 도달하고, 유체의 흐름을 거슬러서 전파(t2;DOWN→UP)되는 초음파는 음속과 유속의 차에 비례하여 느리게 도달하게 되어 시간차이(t2-t1)가 발생하게 됩니다. 이에 발생되는 전파 시간차(Δt)는 유체속도의 상관함수이므로 이를 기초로 음파 경로 내 평균 유속(V)을 연산하고 배관 내경(d)의 단면적과 함께 고려하여 다시 유량(Q)으로 계산하는 과정을 거치게 되고, 여기서 초음파는 음파의 특성을 갖고 있으며 유체에 따라 고유의 음속을 갖고 통과하게 됩니다.

 

외부부착식 유량계

 

▶전자기 유량계전자기 유량계
전기 전도가 있는 유체를 사용하는 프로세스에서 유량 측정을 위해 특별히 설계된 전자기 유량계입니다. 패러데이(Faraday)의 전자유도의 법칙을 응용한 유량계. 지름 d(m)인 절연관 안에 균일 자속밀도 B(T)와 수직방향으로 속도 U(m/s)로 도전성 유체가 흐르면, 자계 및 흐름방향에 직교하는 전극 간에는 기전력 e=BUd가 생기고, 이것을 측정하면 유량을 얻게 된다. 유체에 약간의 도전성이 있으면 온도, 압력, 밀도, 점성도 등의 영향을 받지 않고 체적유량을 측정할 수 있다. 또 가동부가 없고, 압력손실이 적으며, 응답이 빠른 것 등의 장점이 있어서 검출부의 재질을 선택하면 슬러리나 부식성 유체의 측정도 가능하다. 따라서 프로세스 공업용의 유량계로서 중요한 지위를 차지하고 있다. 자계를 발생시키기 위해서는 종래 상용 주파수의 교류 전원이 사용되어 왔다. 그러나 이 방식으로는 전원 노이즈나 측정 유체 내에 흐르는 와전류에 의한 노이즈의 영향을 받기 쉬운 것이 결점이었다. 그 후, 주파수 여자형 전자 유량계가 등장하여 이와 같은 문제를 해결하여 널리 보급되고 있다

 전자유량계는 자기장의 내부를 도체가 이동하거나 유체가 흐를 때 그 이동 속도나 유속에 비례하는 기전력이 도체나 유체의 내부에 발생한다는 [페러데이의 전자기유도의 법칙]을 이용하여 유량을 측정하는 유량계이다. 내면이 절연된 내경 D(m)의 원형 측정관에 전극을 설치하고, 코아 및 여자코일 설치하여 이 전극방향에 수직방향으로 자기장(자속밀도 : B 스텔라)를 형성시킨 후 관로 내부에 유체가 평균유속 V(m/s)로 흐르게 할 때 전극 사이에는 아래의 식과 같은 신호 기전력 E(Volt)가 발생한다

 

 

 

▶파아샬플루움(Parshall flume)
수두차가 작아도 유량측정의 정확도가 양호하며 측정하려는 폐하수중에 부유물질 또는 토사등이 많이 섞여 있는 경우에도 목(throat)부분에서의 유속이 상당히 빠르므로 부유물질의 침전이 적고 자연유하가 가능하다. 

재질-부식에 대한 내구성이 강한 스테인레스 강판, 염화비닐합성수지, 섬유유리, 강철판, 콘크리이트 등을 이용하여 설치하되 면처리는 매끄럽게 처리하여 가급적 마찰로 인한 수두 손실을 적게 한다.
유량측정-그림과 같이 상류측 관측점(Ha)과 하류측 관측점(Hb)에서 수위를 측정, 다음의 표에 있는 경험식을 이용하여 표 2의 공식에 대입하여 계산한다. 그러나 파아샬플루움 내의 흐름이 정부(頂部)에서 사류(射流) 혹은 잠긴 수로의 상태가 되면 유량계산은 매우 복잡해지므로 항상 자유흐름이 발생되도록 플루움을 설치하여야 한다. 이렇게 하기 위하여는 상류측 측정 수심 Ha에 대한 하류 측정수심 Hb의 비( Hb / Ha )가 최소한 95 ％이하이어야 한다. 이러한 흐름조건에서 목부분의 여러가지 칫수(W)에 대한 유량측정 그래프는 그림 20과 같다.