유량계 기술분야의 동향과 전망

산업이 발달함에 따라 유량측정은 온도, 압력, 레벨, 습도 등의 공업계측 중에서 가장 중요한 계 측이 되어가고 있다. 그러나 유량측정은 그 대상이 유체로서 정적이 아닌 동적인 관계로 측정이 매우 어렵고 정확도 또한 다른 계측에 비해 낮다고 할 수 있다. 유량계의 원리는 유체역학적으로 간단하 지만 이를 실현시키기 위해서는 수많은 실험과 시 행착오를 거쳐야만 한다. 그래서 하나의 유량계가 개발되어 산업현장에서 잘 적응하여 자리 잡기까지 는 몇 십년, 몇 백년이 소요되기도 하고 때로 현장 적응성이 떨어져 사장되기도 한다. 다행히 90년대 들어 전자공학이 급속하게 발달 하여 전자적인 유량계 즉 초음파유량계, 전자기유 량계, 질량유량계 등이 현저히 성능이 향상되어 각 분야에서 자리 매김을 하고 있다. 유량계의 종류는 매우 다양하지만 산업현장에 주 로 사용되는 유량계는 차압식, 면적식, 용적식, 터 빈, 전자식, 초음파, 코리오리스, 열선형, 와 유량계 등 10여 종이 있다. 이들 유량계는 측정원리가 각각 다르고 정확도, 측정범위 등이 달라 유량측정 목적, 유체의 종류, 요구되는 정확도, 측정범위, 경제성을 고려하여 가장 적합한 유량계를 선정하여야 하고 선 정된 유량계는 유량계가 요구하는 설치조건에 맞게 전·후단의 직관부가 잘 형성되고 기포가 생성되지 않는 지점에 설치하여야 한다. 또한 유량계는 사용 환경에 따라 그 특성변화가 다르므로 일정주기마다 교정검사를 받아야 만이 측정오차를 최소화하고 신 뢰성을 유지할 수 있다. 유량계 사용 동향을 살펴보면 다음과 같다. 상·하수의 물 유량계는 종전에 많이 사용하던 벤 츄리 유량계를 탈피하고 구경 400mm를 기준으로 작은 구경에는 전자기유량계를 큰 구경에는 초음파 유량계를 사용하고 있다. 이는 정확도, 경제성, 유지 보수 측면을 감안한 사용자들의 현명한 선택으로 보 인다. 석유화학 분야에서는 주로 작은 구경으로 구 성되어 있고, 전도도가 떨어져 전자기유량계를 사용 하기가 어려워 정확한 유량측정을 위해 용적식 유량 계, 코리오리스 질량유량계가 많이 사용되어 왔다. 최근에는 원유 하역, 브랜딩 라인 등 큰 구경을 중심 으로 초음파유량계가 사용되고 있으며 특히 장거리 원유이송 파이프라인에는 Leak 감지 시스템으로 초 음파유량계를 사용하고 있다. 도시가스 이송라인은 종전의 오리피스유량계를 탈피하고 터빈(Turbine) 유량계를 사용하여 정확도를 향상시키고 측정범위 를 확장하고자 하고 있다. 본고에서는 각 유량계의 기술동향과 전망에 대하 여 자세히 기술하여야 하나 지면 관계상 요즈음 특히 각광을 받고 있는 초음파유량계, 전자기유량계, 코리오리스질량유량계 등을 중점적으로 기술하겠다.

 

차압식유량계

차압식유량계는 시장점유율이 20%정도로 유량 계중 가장 높은 유량계로 오리피스, 벤츄리 등 유량 을 측정하는 측정부의 상·하류차압이 유량에 비례 하는 기계식유량계를 말한다. 이 유량계는 측정부 가 간단하고 수은주나 수주를 이용하여 차압을 눈 으로 확인할 수 있다는 장점 때문에 전자적인 유량 계가 신뢰를 확보하기 전 단계에서 많이 사용되어 왔다. 최근에는 차압측정기 하나로 온도, 압력을 동 시에 측정하여 유량정확도를 향상시키고 측정비용 을 절감시켰다. 그러나 이러한 기능을 가진 스마트 형 차압전송기의 출현에도 불구하고 차압발생부의 마모상태, 차압측정기 및 신호전송기의 정확도, 도 관의 누수 등 오차요인이 많고 측정범위가 1:5 정 도로 매우 작아 점차 시장규모가 작아지고 있는 실 정이다. 사용시 차압계의 영점을 확인할 필요가 있 으며 너무 낮은 유량(1:5 이하)에서는 운용을 하지 않는다.

 

면적식유량계

면적식유량계는 액체, 기체 모두에 적용이 가능하 고 가격이 저렴하다는 장점 때문에 매우 광범위하 게 사용되고 있다. 주로 계장용, 유량 확인용 등 정 확도를 중요시하지 않는 분야에 사용되어 왔다. 최근에 위치 검출 마그네틱, 또는 광학소자를 이용 하여 유량을 전기적인 신호로 전송하고 제어에 활용 하고자 하나 기본적인 오차가 있기 때문에 제어유량 계로의 활용은 어려움이 있으리라 본다. 다만 테이퍼 관의 길이를 500mm 이상으로 하고 Rotor의 균형 을 잘 맞춘다면 정확도를 향상시킬 수 있지만 이 또 한 수요가 그리 크지 않으리라 본다. 사용시 테이퍼 관에 기록된 압력, 온도, 유체종류를 잘 맞추어야 정 확한 유량을 계측할 수 있다.

 

코리오리스질량유량계

코리오리스질량유량계는 지구의 자력(코리오리스 힘)을 이용하여 유량을 측정하는 원리로 가장 최근 에 실용화되었다. 이 유량계는 유체의 점도나 밀도에 영향을 받지 않고 정확도가 우수하여 석유화학 분야에 급속하게 사용되기 시작하여 이제 자리를 잡고 있다. 그러나 구경에 비하여 크기가 크고 가격 이 비싸다는 단점이 있다. 최근에는 U자형 감지관을 개선하여 1개의 일자형 감지관으로 개발하여 크기를 축소하고 가격 또한 점 차 싸지는 경향이 있어 사용자의 호응을 얻고 있다. 사용시 직관부는 필요하지 않지만 영점 확인이 꼭 필요하다.

 

전자기(ElectroMagnetic)유량계

전자기유량계는 감지영역에 자장을 형성하고 전 도체(유체)가 자기장을 지나 갈 때 유도되는 전압을 측정하여 유속, 유량을 측정한다. 5년전만 하더라 도 저 유속(0.3m/s), 저전도율(0.5S/cm) 이하에 서는 측정이 곤란하였다. 그러나 코일에 여자하는 방식을 개선하여 유속은 0.1m/s 이상, 전도율은 0.1S/cm 이상까지 측정할 수 있는 능력을 갖게 되었다. 이로써 명실상부한 물 유량계로써 자리를 잡게 되었고 시장 점유율이 20% 정도로 차압식유량계에 이어 두 번째로 크다. 앞으로 이 유량계는 압력 손실이 없고 사용하기 편 리하며 가격이 저렴하다는 큰 장점 때문에 구경 400mm 이하의 물 유량계에 더 많은 비중을 차지 할 것으로 보고 있다. 유량계 선정시 유체의 종류에 따라 전극 및 라이닝의 선정이 중요하며 사용시 반 드시 링 접지를 하고 주기적인 전극 청소가 바람직 하다.

 

초음파유량계

초음파유량계는 유체와 접촉하지 않고 관 외벽에 초음파센서를 설치함으로써 유량을 측정한다는 큰 장점 때문에 점차 그 수요가 크게 증가하고 있다. 초 창기에는 도플러효과에 의한 도플러형태였지만 지 금은 정확도를 향상시키기 위해 시간차법을 사용하 고 있다. 또한 초기에는 경계면에서 초음파의 반사 와 굴절에 의해 초음파의 세기가 미약해지고 방향이 달라질까봐 파이프에 구멍을 뚫고 센서를 취부하는 습식방법이 많이 사용되어 왔다. 이 습식방법은 파이프에 구멍을 뚫고 용접을 해야 하므로 파이프의 부식은 물론, 설치시 센서의 거리, 각도에 따라 큰 오차가 발생할 수 있으며 점차 센서 발신부에 녹찌꺼기가 부착되어 센서의 감도를 떨어 뜨린다. 이러한 습식방법은 유지보수시 센서의 탈착 이 용이하지 않아 유량계 센서 고장시 교체가 불가 능해질 수도 있다. 이제 대부분의 초음파유량계는 관외벽부착식으로 기존에 설치된 파이프라인의 어 디에서든 쉽게 유량측정이 가능하므로 설비의 유량 진단이 가능해졌다. 또한 초음파유량계는 정확도나 기능이 짧은 시간에 놀라울 정도로 향상된 대표적인 유량계로 최근에는 휴대형 초음파유량계의 크기가 손바닥 정도로 작아지고 파이프의 두께 측정기능, 파이프면의 탐상기능까지 탑재되어 사용자의 선택 의 폭을 더욱 넓혀주고 있다. 초음파유량계는 앞서 기술한 바와 같이 구경 400mm 이상의 상·하수도 유량계로써 자리를 잡았다. 최근에는 외벽부착식 가 스 초음파유량계가 개발되어 시험 시판되고 있으며 새로운 기능이 추 가된 초음파 질량 유량계가 개발되 어 석유화학 분야 에서 코리오리스 질량유량계와 경 쟁할 것으로 예상 된다.