유량계

유량계(flowmeter)는 시간당 일정한 면적의 단면을 총과하는 유체의 체적, 질량 또는 중량의 비를 측정하는 장치이다. 유량계의 종류로는 차압식 유량계, 가변면적식 유량계, 용적식 유량계, 터빈식 유량계, 와류식 유량계, 전자식 유량계 등이 있다.

개요

유량계는 액체, 기체의 유량을 측정하는 계기이며 유량(flow rate)은 단위 시간에 일정한 면적의 단면을 통과하는 유체의 체적, 질량 또는 중량의 비를 표현한 물리량이다. 유체의 양을 체적으로 나타낼 때 체적유량계라 하고 질량으로 나타낼 때 질량 유량계라 한다.

산업에서 일반적으로 사용되는 유량계 종류로는 차압식 유량계, 가변 면적식 유량계, 용적식 유량계, 터빈식 유량계, 와류식(볼텍스) 유량계, 전자식 유량계 등이 있다.

유량계 종류

차압식 유량계

관로 내에 조임기구(오리피스, 노즐, 벤츄리관 등의 총칭)를 설치하고 유량의 크기에 따라서, 그 전후에 발생한 차압 (P1-P2)을 측정하여 유량을 측정하는 방식의 유량계이다. 유량은 측정한 압력차의 제곱근 값과 비례한다.

□ 벤츄리미터(Venturi meter) - 이탈리아 물리학자 조반니 바티스타 벤츄리(Giovanni Battista Venturi, 1746~1822)가 발견하고 명명한 벤츄리 효과(Venturi effect)를 이용한 계측장치이다. 유체역학에서 파이프 안을 흐르는 유체는 직경이 더 졻은 부분을 만나면 속도가 빨라지고 역학적 에너지의 보존을 위해 압력이 낮아진다. 속도와 압력의 관계는 베르누이(Bernoulli) 방정식에 따른다. 벤츄리미터는 단면이 작은 목(throat) 부분과 점점 축소, 점점 확대되는 단면을 가진 관으로서 유체가 벤츄리 튜브를 흘러지날 때 목 부분의 정력학적 수두와 축소 부분의 정력학적 수두는 차이가 존재하며 이 차이를 이용하여 유량을 계산한다.

□ 유량측정용 노즐 - 벤츄리미터와 오리피스의 특성을 고려하여 만든 유량측정용 기구이다. 정수압이 유속으로 변화하는 원리를 이용하였다.

□ 오리피스미터(orifice meter) - 작은 구멍이 있는 조임판(오리피스판 또는 노즐판이라 한다)을 관내에 설치하여 흐름을 조이고, 그 전후의 압력차에서 유량을 측정한다

□ 피토관(Pitot tube) - 프랑스의 공학자 H.피토(H. Pitot, 1695-1771)가 발명한 유속측정장치이며 피토 정압관(Pitot-static tube)을 이용하여 총압력과 정압력을 측정하는 방법으로 유속을 측정한다.

면적식 유량계

흐름의 통로에 조절판인 스로틀(throttle)을 설치하고 스로틀 전후의 차압(差壓)을 일정하게 유지하도록, 유량에 따라서 스로틀 면적을 증감시켜 그 면적에서 유량을 측정한다. 면적을 변화시키는 방법에 따라 여러 형식이 있는데, 테이퍼관(수직으로 장치되어 위로 올라갈수록 점점 벌어지는 관)과 플로트에 의한 플로트식 슬릿(slit)붙이 실린더와 피스톤에 의한 피스톤식이 있다. 원격지시기구(遠隔指示機構)를 장치한 것 등도 사용된다.

용적식 유량계

용적식 유량계(POSITIVE DISPLACEMENT FLOWMETER)는 계량부의 유입구와 유출구의 유체차압에 따라 회전자가 회전하면서 회전자와 본체사이의 일정용적의 공간에 충만된 유체를 출구측으로 통과시켜 회전자의 회전수를 측정함으로써 통과량을 계측할 수 있는 유량계이다. 또한 회전자의 회전속도에서 유량의 순시치를 알 수 있다. 가동부의 형상, 작동원리에 따라 다음과 같은 종류로 분류되고 있으나 OVAL GEAR형이 일반적으로 가장 넓게 사용되고 있다. 1) OVAL 회전자 또는 ROOTS 회전자 형, 2) OSCILLATING PISTON형, 3) NUTATING DISC 형, 4) ROTARY형, 5) HERICAL GEAR형, 6) 습식 GAS METER, 7) 격막식 GAS METER

용적식 유량계는 액체용과 기체용이 있으며 계측정도가 높기 때문에 공업계기용으로 부터 천연 GAS, LPG의 소비량 및 OIL 판매를 위한 계량용등에 이르기까지 다양하게 이용된다.

터빈식 유량계

유체의 흐름속에 날개가 회전자(ROTOR)터빈을 설치해넣으면 유속에 거의 비례하는 속도로 회전한다. 그 회전수를 검출하여 유량을 측정한다.

와류식 유량계

일명 볼텍스 유량계라고도 한다. 와류식 유량계는 배관 내의 유체의 소용돌이 방출로 인한 압력 변화를 감지하고, 압력 변화를 전기 신호 형태의 유량 센서 신호로 변환하여 측정한다.

기둥모양의 물체를 적당한 속도로 유체속에서 움직이거나 균일한 흐름속에 놓아 둘 때 물체의 좌우 양쪽에 번갈아 반대 방향으로 도는 소용돌이가 발생하며 규칙적으로 2줄로 늘어선다. 이 현상을 카르만의 소용돌이 또는 카르만 볼텍스(Karman Vortex Steet) 현상이라 한다. 와류는 압력펄스로서 국부적인 압력변화를 발생하며 장치의 전자시스템을 통해 계수되고 와류 주파수의 계산에 사용된다. 기록된 와류 주파수는 일정한 시간동안 측정관을 통과한 유체의 양과 같다.

전자식 유량계

패러데이의 전자기유도법칙에 따라 도체가 자계 내에서 운동할 때 그 도체 내 자계방향 및 운동방향의 양 방향에 수직방향으로 기전력이 발생하고 그 크기는 자속 밀도와 속도에 비례하는 특징을 이용하였다. 내면이 절연된 원형 측정관(내경: D)에 한 대의 전극을 설치하고 이 전극방향에 수직방향으로 자계(자속밀도: B)를 주도록 코일을 설치한 뒤 전극방향, 자장방향에 수직으로 설치된 관로에 유체가 흐르면 전극 사이에 기전력이 발생하며 기전력 값은 유량과 비례한다.

참고자료

• 〈유량계〉, 《네이버 지식백과》
• 〈유량계(Flowmeter)의 종류, 원리 및 특징〉, 《네이버 블로그》
• "Flow measurement", Wikipedia

같이 보기

• 유량
• 계기판

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