1. 유량계의 종류 및 선정 기준
1. 유량 측정
1.1 목 적
유량을 측정하는 것은 온도, 압력 들과 함께 Process량 측정상 중요한 측정량의 하나이다.
유체가 이동하는 양을 측정하는 것은 다른 Process 양을 측정하는 것에 비해 매우 어렵다. 왜냐하면 측정 목적이나 측정 대상 유체의 종류나 성질, 흐르는 상태에 알맞게 많은 종류의 유량계를 적절히 나누어 사용하지 않으면 정확한 유량을 측정할 수 없기 때문이다. 또한 Process의 변동에 관계없이 유량이 변동할 때도 있으므로 사용 목적에 맞는 정확한 유량 값을 얻기 위해서는 여러 가지 보정이 필요하기 때문이다. 예를 들면 측정 유체의 종류로서는 기체, 액체, 증기, 기름 등과 같이 여러 종류가 있고 또한 저온 저압이나 고온 고압 상태에서의 측정, 미소 유량에서 대유량까지의 측정, 또한 유량을 측정하는 장소가 한랭한 곳 또는 고온 지역, 위험한 장소 등 환경이 달라서 여러 가지 측정 조건이 동일하지 않다. 따라서 유량 측정의 목적은 어떤 유량계를 사용하여 얼마만큼 정확하게 그 측정 목적에 알맞게 안전하고 경제적으로 유량을 측정하는가 하는 것인가 라고 말할 수 있다.
1.2 정 의
유체가 흐르는 곳의 임의의 단면을 생각해 볼 때 그 단면을 통하여 흐르는 유체의 체적 또는 질량의 시간에 대한 비율 등을 그 단면에 대한 유량이라고 한다. 전자는 체적 유량(또는 부피 유량)이라 하고 뒤의 것은 질량 유량이라고 한다. 유량계는 이러한 유량을 측정하는 계측기를 말하며 체적 유량을 측정하는 유량계를 체적 유량계, 질량 유량을 측정하는 유량계를 질량 유량계라 한다. 또한 I어떤 시간에 흐르는 유량 즉 통과 유량을 측정하는 것을 목적으로 하는 적산 유량계도 있다.
1.3 유체의 성질
일반적으로 유량을 측정하려고 할 때 제작 회사에서 지시하는 대로 유량계를 설치, 조정하면 된다. 그러나 실제로 유량계를 선정할 때에는 유체의 성질에 관련하여 몇 가지 사항을 검토할 필요가 있다. 즉 밀도, 점도, 압축 계수 또는 유체의 온도, 압력 등을 알아야 한다. 그러므로 때에 따라서는 이러한 물성치나 유체의 상태량을 측정 또는 구하는 방법을 알아야 하며 왜 필요한가를 이해하는 것이 매우 중요하다. 그러면 유체의 성질에 대해 살펴보자.
1.3.1 점도(Viscosity : μ)
a. 의미 : 유체 속에는 내부 저항, 즉 마찰이 있고 이러한 유체의 흐름에 저항하는 정도를 표현한 것이 점도이다. 다시 말하면 끈적끈적한 정도를 나타낸다고도 할 수 있다. 액체의 점도는 온도가 하강함에 따라 커지게 되고 기체의 점도는 온도가 상승함에 따라 커진다. 이는 기체의 분자간 마찰이 온도가 상승함에 따라 증가하기 때문에 기체의 흐름에 더 많은 저항을 받기 때문이다. 또한 기체의 점도는 기체의 밀도에 따라 변화하며 밀도가 크면 점도도 커진다. 석유 유분의 점도는 밀도에 따라 변화하는 경향이 있으나 모든 액체의 점도가 반드시 밀도에 정비례하여 변한다고는 볼 수 없다. 물은 유분 보다 큰 밀도를 가지고 있으나 물의 점도는 유분의 점도 보다도 작다. 액상 석유 유분의 점도는 유분의 비점(boiling point) 범위에 따라 변하며 비점이 높은 중질 유분은 큰 점도를 가지고 있다. 액체의 점도는 점도계를 사용해 측정하는데 점도계의 구간을 흘러 나가는데 소모되는 시간이 길수록 이 액체의 점도는 큰 것이 된다.
b. 단위 : 점도의 기본 단위는 centiPoise(cP)이고 100cP = 1Poise이다. 20℃ 물의 점도는 1cP이다.
1Poise = 1g/cm·second
c. 운동 점도(kinematic viscosity, ν) : 유체 점도의 밀도에 대한 비. 즉 유체의 점도를 그 유체의 밀도로 나누어 준 값을 말한다. 운동 점도의 단위는 centistoke(cSt)이다.
ν = μ/ρ [㎠/s]
1.3.2 밀도(Density : ρ)
a. 의미 : 단위 부피 당의 무게 (g/㎤)로 정의
b. 온도 및 압력의 영향 : 액체의 경우 수 천 psi가 넘을 경우를 제외하고 압력의 영향은 무시되며, 기체는 온도와 압력의 영향을 많이 받는다.
1.3.3 비중(Specific Gravity)
a. 의미 : 액체의 비중이란 표준 온도인 60ºF(또는 4℃)에서 물의 밀도에 대한 측정하고자 하는 액체의 밀도의 비를 말하며, 특별한 언급이 없는 한 측정하고자 하는 액체의 표준 온도도 60ºF가 된다. 또 기체의 비중은 공기 밀도에 대한 그 기체의 밀도 비이다.
1.3.4 압축성(Compressibility)
a. 의미 : 유체의 부피가 온도, 압력에 따라 변하는 성질
b. 액체는 비압축성으로 액체 유량 측정에 고려되지 않으나 기체는 Flow 측정에서 압축성이 중요한 요소가 되므로 반드시 고려되야 함.
1.3.5 온도(Temperature : T)
a. 점도, 밀도, 압축성에 영향을 미치는 중요한 성질이다.
b. 차압 및 Head 유량 측정 시 온도, 압력은 일정한 것으로 간주한다.
c. 부피 유속 보다는 질량 유속 측정 시 온도 보상이 더 필요하다.
1.3.6 압력(Pressure : P)
a. 정의 : 단위 면적 당 미치는 힘을 말한다. kg/c㎡, ㎩, psi 등을 기호로 사용한다.
b. 기체의 경우 밀도, 비중, 압축성에 영향을 주므로 반드시 고려해야 한다.
1.3.7 층류(Laminar)와 난류(Turbulent)
Flow가 생기게 하는 원동력은 압력차이다. 유체가 흐르는 경로의 양단에 압력 차이가 있기 때문에 유체는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러가게 된다. 관로 안을 흐르는 유체의 양을 측정할 때, 흐름의 상태, 유속 분포를 고려하지 않으면 안될 때가 많다. 유량이 적은 범위에서는 압력 강하는 유량에 거의 비례하나, 유량이 증가하면 유량의 제 곱에 비례하여 증가함을 볼 수 있다. 압력 강하가 유량에 비례하는 범위를 층류라고 하고, 유량의 제곱에 비례하는 범위를 난류라 한다. 좀 더 알기 쉽게 설명하자면, 층류는 유속이 낮아서 와류나 요동이 없이 고른 Stream Line을 형성하면서 흐르는 것이고, 난류는 유속이 일정 수준을 넘어설 경우 관찰할 수 있는 것으로 와류나 요동 등이 형성되어 유색 잉크를 흘려 넣었을 때 불규칙하게 분산되어 버린다.
난류, 층류를 구분하는 데는 Reynolds Number(Re)라고 하는 무 차원 수가 사용된다.