5-1. 유량의 개요 및 특징
5-1-1. 유량이란 ?
하천이나 개수로 또는 배관 속을 흐르는 유체에 대해
특정 단면을 단위시간에 통과하는 유체의 양을 말한다.
5-1-2. 유량의 표현 종류
a. 체적유량 : 단면적 × 유속 => Q = A × V [㎥/s]
b. 질량유량 : 체적유량 × 밀도 => M = Q × ρ [kg/s]
c. 중량유량 : 체적유량 × 중력가속도 × 밀도 => W = Q × g × ρ [N/s]
d. 적산유량 : 일정시간 × (체적유량 × 밀도) => G = ∫ (Q × ρ) [㎥ 혹은 kg]
5-1-4. 관로 내 유체의 일반적 특성
a. 층류 (Laminar Flow) : 유체가 흐를 때 층을 유지한 채 흐르는 상태
(레이놀즈 수 2,000 이하)
b. 전이류 (Transition Flow) : 층류와 난류가 공존하여 흐르는 상태
(레이놀즈 수 : 2,000∼4,000 사이)
c. 난류 (Turbulent Flow) : 흐름 중 와류 등을 발생시키며 흐르는 상태
(레이놀즈 수 4,000 이상)
■ 레이놀즈 수 (Reynolds Number)
유체 흐름의 상태를 표현할 수 있는 무차원 수, 즉 액체의 정상력에 대한 관성력의 비[무차원계수]
혹은 관로 내 흐름상태를 수치로 표현한 것을 말한다.
RD = ( v × D × ρ ) / μ
여기서 v = 속도
D = 배관직경
ρ = 밀도
μ = 점도
5-2. 차압식 유량계
5-2-1.차압식 유량계의 기본원리
차압식 유량계는 그림에 표시된 h 즉, 유체의 높이차를 읽어서 특정한 수식 (베르누이정리)에 적용함
으로써 유량을 측정하는 계측기를 말한다.
배관상에 유속이 증가하였다는 것은 유속이 빨라졌다는 것을 의미한다. 배관상에 차압기구를 설치하면
전단과 후단의 유체압력은 유속에 따라 변동되며, 이를 차압이라고 한다. 이때 발생되는 차압은 유량의
2승에 비례하며 베르누이의 정리를 적용하여 차압기구 전 후의 차압 Δp를 측정함으로써 유량 Q를 구
할 수 있다.
■ 베르누이(Berlounni)의 정리
유체역학의 기본법칙의 하나이며, 1738년 D.베르누이가 발표하였다. 유체가 가지고 있는 에너지보존
의 법칙을 관속을 흐르는 유체에 적용한 것으로서 유체의 흐름 내에서는 유속이 빠를수록 정압이 낮고,
유속이 느릴수록 정압이 높아지므로 정압을 측정하면 유속을 알 수 있다.
Q = √ Δp
유체의 유속을 v, 밀도를 ρ, 중력가속도를g , 임의의 수평면에서 높이를 h, 유체의 정압(靜壓)을 p라고 하면 유체
의 어떤 부분에 대해서도
ρgh＋p＋1/2ρv2=const.(일정)
이라는 관계가 성립된다. 유체가 동일 수평면을 흐른다고 하면, 이 식은 p＋1/2ρv2=const.라는식으로 단순화된다.
이 식의1/2ρv2의 항은 유체의 흐름에 기인하는 동압(動壓)으로서 유체의 운동에너지에 해당하고, ⑦h＋p는 유체의 위
치에너지에 해당한다. 즉, 이 정리는 유체의 위치에너지와 운동에너지의 합은 항상 일정하다는 내용을 담고 있다.
그러나 이 법칙이 적용되는 것은 점성을 무시할 수 있는 이상유체(理想流體)가 규칙적으로 흐르는 경우에만 한정되
고, 실제의 유체에 대해서는 적당히 변형된다.
이 정리에 의하면 유체의 흐름 내에서는 유속이 빠를수록 정압이 낮고, 유속이 느릴수록 정압이 높아지므로 정압을
측정하면 유속을 알 수 있다. 일반적으로 차압식유량계(差壓式流量計)라 하는 유량측정장치는 이것을 원리로 한
것이다.
5-2-2. 차압 기구의 종류
5-2-2-1. 오리피스 (Orifice Plate)
a. 표준 오리피스 구조
a 면은 상류측 b 면은 하류측으로 향하고 상류, 하류 구분은 오리피스에 새겨있는 명판 쪽이 상류
측으로 위치하면 된다.
b. 차압검출 방식의 구분
> 코너탭 (Corner Tap) : 오리피스의 직전과 직후에서 압력을 검출하는 방식
> 플랜지탭 (Flange Tap) : 오리피스의 전후에 ±25.4㎜의 거리에서 검출하는 방식
> 축류 탭 (Venna Contracta tap) : 하류측을 흐름 단면적이 최소로 되는 축류 위치에서 압력을
검출하는 방식 (보통 상류측 1D, 하류측 1/2 D]
5-2-2-2. 플로우 노즐 (Flow Nozzle)
a. 플로우 노즐의 구조
노즐은 둥근 유입부와 이것에 이어지는 원통부로 되어있으며, 유체는 노즐의 곡면에 따라 흐르고
하류에서 축류를 일으키지 않는다.
5-2-2-3. 벤튜리관 (Venturi Tube)
a. 벤튜리관의 구조
벤튜리관은 유체의 유입 및 유출부분이 유선형으로 되어있어서, 유량측정 시 압력 손실이 적다.
5-3. 면적식 유량계 (Variable Area Flow Meter)
5-3-1. 면적식 유량계의 측정원리
부자(Float)의 이동으로 흐름관로의 면적을 변화시켜 차압을 일정하게 유지하고 이때의 면적을
측정하여 유량을 알 수 있는 것으로 면적유량계 혹은 로터미터(Rotameter)라고도 한다.
테이퍼 관을 상하로 이동하는 부자의 위치가 유량을 지시하며 환상 통로를 통과하는 유량 Q는
Q = C × A × v = C × A √ (2g × Δp) / [1- (A/A′)2]
가 된다. 즉, 유량은 환상 통로면적[A]에 비례
여기서 Q : 유량 [㎡/s]
A : 부자와 테이퍼관 사이의 환상 통로 면적 [㎡]
Ao : 부자의 유효 단면적
A, A′ : 부자의 정지 위치에서 테이퍼관 내의 단면적 [㎡]
C : 유량계수
g : 중력가속도
Δp : 차압 [kgf/㎠]
v : 유체의 속도
5-4. 용적식 유량계 (Positive Displacement Meter)
5-4-1. 용적식 유량계의 측정원리
PD (Positive Displacement Meter)라고도 부르며, 오발(Oval) 기어형과 루츠(Roots) 형이 대표적이다.
(타 유량계의 기준기로 사용)
유체의 흐름에 따라 회전하는 회전자(또는 왕복하는 운동자)와 케이스(Case) 사이의 공극(계량실)에
유체를 연속적으로 취입해서 송출이라는 동작을 반복함으로써 회전자의 운동 횟수로 유량을 구한다.
용적식 유량계에는 액체형과 기체형이 있고, 액체용에는 가동부의 모양에 따라 회전자형과 피스톤형
등이 있으며 공업용으로는 회전자형을 많이 사용한다.
Qv = k × N
여기서 Qv : 용적유량
k : 회전자가 1회전할 때의 토출량
N : 회전자의 회전수
5-4-2. 용적식 유량계의 유형
a. 오발(Oval)기어형
케이스 안에 2개의 타원형 기어가 서로 맞물려 조립되고 이것은 상류측과 하류측면에 작용하는 차압으로 부터 발생하는 힘에 의해 화살표 방향으로 회전한다. 이때 케이스 내벽과 기어 사이에 끼인, 일정 용액의 유체가 ½ 회전마다 좌우 교대로 통과하게 되며 기어의 회전수로 부터 유량을 측정한다.
b. 루츠(Roots)형
2개의 회전자가 한 점에서 미끄럼 접촉을 하면서 회전하므로 회전자의 주위에는 이가 없으며, 그림의 화살표 방향으로 각각의 기어가 회전한다. 정밀한 공작과 조립으로 회전자와 케이스 벽면사이의 누설은 적고 그 정도가 ±0.5[%], 정밀급, 특히 석유류(휘발유, 등유, 중유 등)에는 정도가 ±0.2[%] 이다. 또 이들은 물, 기름, 특히 고정도 액체 등의 측정에 널리 사용하며, 루츠형은 기체의 측정도 가능하다.
5-5-2. 터빈 유량계의 특징
a. 정도가 좋다. [지시치의 ±0.2%∼±0.5% 이내]
b. 저점도 액체일수록 유량범위가 넓다.
c. 적용온도 범위가 넓다. [-250℃∼500℃]
d. 고압 유체에도 적용한다.
e. 디지털 출력이 용이하다.
f. 소형으로 대용량의 측정이 가능하다.
g. 재현성이 우수하고 내구성이 강하다.
h. 구조가 간단하여 보수, 점검이 용이하다.
I. 응답성이 대단히 용이하다.
5-5. 터빈 유량계 (Turbine Flowmeter)
5-5-1. 터빈 유량계의 측정원리
유체의 흐름속에 날개가 있는 회전자(Rotor)를 설치해 놓으면 유속에 거의 비례하는 속도로 회전하는데, 그 회전수를 검출해서 유량을 구하는 것이 터빈식 유량계이다.회전자가 회전하면 회전자의 가동날개에 의하여 자계가 영향을 받
는데, 회전자의 날개는 자성체로 구성되어 회전자 날개가 자계 내를통과하면, 보다 용이한 자계 경로를 제공하므로 자계가, 왜형되어,코일 권선을 가로질러 이동하게 된다.따라서 자계와 코일 권선간의 상대적인 움직임에 의하여 교류 펄스전
압이 발생하고, 이 교류전압의 주파수는 회전자의 회전속도 즉 유량에 비례한다.
이와 같은 관계를 아래와 같이 나타내며 계기 상수 k는 터빈유량계 의 특성으로서, 이미 알고있는 체적유량에 대한 펄스 수로 정의 된다.
K = 단위시간당 펄스 수 / 단위시간당 체적유량
= 펄스 수 / 체적유량
= 계기상수
5-6. 전자 유량계 (Electromagnetic Flowmeter)
5-6-1. 전자유량계의 측정 원리
측정원리는 “자계내를 도체가 움직이면 도체의 양쪽 끝에 기전력이 유기된다.” 는 패러데이의 전자 유도법칙 이다.
도전성 유체가 흐르는 공정배관을 직각으로 횡단하도록 자계를 걸어주면, 공정배관과 자계에 직교 하는 방향으로 체적유량에 비례하는 기전력이 발생한다. 이때, 기전력의 발생 방향은 플래밍의 오른손 법칙에 따르면
기전력의 크기는
E = k × B × D × va
여기서 E : 신호기전력 [V]
k : 정수
B : 자속밀도 [Wb/㎡]
D : 측정관의 내경 [m]
va : 평균유속 [m/s]
체적유량을 Q [㎡/s] 라고 하면, Q = π/4 × D2 × va 로 표현할 수
있으며, 다음과 같은 계산식을 유도할 수 있습니다.
E = 4/ π × [ (k × B) / D ] × Q
여기서 자속밀도 B를 일정하게 하면, 관내의 유량은 기전력을 측정하므로서 구할 수 있음을 알 수 있다.
5-6-2. 전자 유량계의 특징
a. 유체의 도전율이 어떤값 이상이면 온도, 압력, 밀도 및 점도 등의 영향을 받지 않고 유량 측정이 가능하다.
b. 압력손실이 없다.
c. 가동부분이 없다.
d. 응답속도가 빠르고, 출력전압은 체적유량에 비례하며 레인지어빌리티가 넓다.
e. 정, 역 양방향의 흐름 측정이 가능하다.
f. 접액부의 재질 선택에 따라 부식성이 강한 액체나 슬러리 등도 측정이 가능하다.
5-6-3. 전자 유량계의 분류
변환기와 검출기의 구성에 의해 다음과 같이 분류할 수 있다.
a. 일체형 : 검출기와 변환기가 일체형으로 되어있으므로 배선공사가 간단하고 비교적 가격이 싸다.
b. 분리형 : 검출기는 현장 배관라인에, 변환기는 계기실내에 또는 현장 콘트롤박스에 설치 된다.
5-6-3. 전자 유량계의 설치상의 유의사항 및 방법
검출기는 수직, 수평 기타 어떤 각도로도 설치할 수가 있습니다. 단, 액체가 검출기내에 항상 충만해서
흐르도록 배관을 해야 하며, 검출기를 수평 또는 경사를 두고 설치하는 경우 전극은 수평이 되도록 하
여 항상 전극과 액체가 접촉 되도록 한다.
유체의 상부에 떠 있는 기포가 전극과 액체의 접촉을 방해하거나, 아랫쪽의 전극에 부착물이 쌓여 유량
측정에 나쁜 영향을 줄 때가 있다.