유량계의 종류와 이해 - 특징, 용도, 적용분야

기체, 액체, 질량의 유량을 계측하는 다양한 유량계

 

◎ 유량계의 종류와 이해

1. 검출부의 구조

구조 분류			유량계 종류	유량계 특징
접촉식	가동부 O		• 용적유량계 • 터빈유량계 • 면적유량계	• 고정확도(용적, 터빈) • 직관부 불요(용적, 면적) • 가격 저렴(면적) • 측정 유체에 제약(Slurry) • 압력 손실 • 대유량 경유 고가
	가동부 X	장애물 O	• 차압 유량계 • 와류 유량계 • Weir 유량계 • 열 유량계	• 측정 대상 넓음 • 비교적 가격 저렴 • 압력 손실 • Slurry 불가
		장애물 X	• 차압 유량계(벤츄리) • 전자기 유량계	• 압력 손실 적음 • Slurry가능 • 비교적 고가
비접촉식			• 초음파 유량계 • 전자기 유량계	• 압력 손실 없음 • 측정 대상 넓음 • 배관 영향 큼

 

유체가 흐르는 파이프에 부착된 유량센서

2. 측정량의 종류

측정량		유량계 종류
부피	실측식	용적식(Oval, root, Rotary piston, Diaphragm 등)
	추측식	차압식, 면적식, 터빈식, 전자식, 초음파식
질량		열선식, Coriolis식, 차압식 등

 

3. 측정 유체와 에너지 관계

	유체의 에너지를 이용	별도의 에너지원 필
유량계 종류	•  용적 유량계 •  터빈 유량계 •  차압 유량계 •  와류 유량계 •  면적 유량계	•  전자기 유량계 •  초음파 유량계 •  열 유량계
특징	•  압력 손실, 수두 손실 발생 •  전원 등의 에너지원 불요 •  검출부가 유체와 접촉	•  압력손실이 적음 •  전원 등의 에너지원이 필요 •  비접촉식의 검출부

유체가 흐르는 파이프에 연결하여 유량을 측정하는 유량계

◎ 유량계의 종류 별 특징과 적용분야

1. 차압식 유량계(ORIFICE PLATE FLOWMETER)

차압식 유량계 왼쪽부터 DELTAFIT / DELTAFLOW / DELTAFLOW C 모델

차압식 유량계는 유체의 속도에 의해 자연적으로 발생되는 차압의 평균 값을 측정합니다. 

파이프의 유체가 흐르는 중간에 오리피스 플레이트(가운데가 뚫린 칸막이)를 설치하면 관로의 단면적이 감소되어 유체 흐름에 압력이 발생하고, 여기서 발생하는 차압정보에서 유량을 산출하게됩니다.

배관안에 들어관 오리피스 홀의 압력을 계산하는 차압식 유량계

종류	장점	단점	용도
오리피스	• 간단하고 긴 수명 • 가격 저렴 • 다양한 규격 • 교정 없어도 ±3%	• 이물질 축적 우려 • 마모 • 고압관 막힘 • 높은 압력 손실 • 긴 직관부	액체, 기체, 증기
벤튜리관	• 우수한 정확도 (±1%) • 교정 없이도 ±2% • 다양한 규격 • 낮은 압력 손실	• 고압관 막힘 • 고가 • 마모 • 긴 직관부	액체, 기체, 증기
원추형	• 우수한 정확도 (±1%) • 교정 없이도 ±2% • 다양한 규격 • 낮은 압력 손실	• 고압관 막힘 • 마모	액체, 기체, 증기
유동노즐	• 우수한 정확도 (±1%) • 교정 없이도 ±2% • 다양한 규격 • 낮은 압력 손실	• 고압관 막힘 • 마모 • 고가 • 긴 직관부	주료 기체용
쐐기형	• 매우 우수한 정확도 (±0.5%) • 저렴한 가격 • 고압관 막힐 우려X • 짧은 직관부	• 마모	액체, 기체, 증기

 

• 베르누이 법칙과 질량보존의 법칙을 이용하여 유량 측정

• 관로 내에 유체가 흘러가는 관로의 단면적을 감소시켜 압력차 발생

• 발생한 차압을 측정하고, 이 측정된 차압 정보로부터 유량을 산출

• 유량은 측정된 차압의 제곱근에 비례

(부피유량=비례상수*측정된 차압)

• 특징

 · 압력 손실이 큼 :  구동부의 전력 손실을 높이고, 최대 토출량을 줄인다.

 · 측정 범위가 낮음 : Turn down ratio 5:1

 · 측정 원리가 오래 되었고, 유량 적정 범위에서 신뢰성이 높다.

 · 액체, 기체, 스팀 대부분의 유체에 적용이 가능하다.

•  베르누이 Bernoulli’s Equation (Convervation of Energy)

Pipe안 유체에 대한 에너지의 보존

 

2. 면적식 유량계(Variable area flow meter)

면적식 유량계는 Taper관(유리, 플라스틱, 금속 소재의 내부 지름이 일정하게 변하는 관) 안에 Float(부표)를 띄워 유량의 변화를 Float 위치로 측정하는 유량계입니다.

유량이 변하면서 관 안의 부표 위치가 상승 또는 하강하며, 가변하는 부표의 움직임을 전기신호 또는 공기압신호로 변환하여 유량을 측정하는 방식이다.

면적식 유량계 이미지 (출처 : https://www.blue-white.com/educational/variable-area-flow-meters/)

 

• 장점

 ·  선형 출력

 ·  간단하고 견고함

 

• 단점

 · 수직으로 설치

 · 정확도 낮음

 · 용량의 한계 (소량 위주)

 

 

 

 

 

• 수직형으로 Taper관과 내부에 설치된 Float로 구성

• 유체가 Taper관 내부를 흐를 때 유량에 비례하여 Float가 상승

• Float가 조임기구 역할을하여 Float 전후에 차압이 발생하기 때문에 Float가 상승

• Float가 상승을 하게되면 Taper관의 면적이 넓어지고 차압이 줄어들어 Float의 무게와 Balance가 되어 Float가 정지

• 특징

 · 유리관 타입의 경우 최대 허용 압력 범위가 낮다.

 · 직관거리가 필요없다.

 · 정확도는 2% of R.D 이지만, 보는 관점에 따라 유량 오차가 크다.

 · Metal tube 타입의 경우 근래에 들어 순간 유량을 전기적으로 출력이 가능하다.

 · 맥동이 있는 라인에 적용이 곤란하다.

 

3. 용적식 유량계(PD Meter, Positive Displacement flow meter)

용적식 유량계 왼쪽부터 MOGF / SOGF / LOGF 모델

적산 체적계이며, 직접적으로 측정되는 방식의 유량계입니다.

유량계 내부에 측정을 위한 운동자(Gear)가 있어 유체의 흐름에서 발생하는 힘으로 운동자가 움직이게 됩니다. 운동자의 회전 수를 측정하여 유량을 측정하며, 주유소의 주유기에서 터빈이 돌고있는 설비가 용적식 유량계라고 볼 수 있습니다.

Ovar gear와 Roots meter 두 타입이 있습니다.

용적식 유량계 Ovar gear type (출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Positive_displacement_meter / https://zeroinstrument.com/the-structure-and-working-principle-of-oval-gear-flowmeter/)

용적식 유량계 Roots meter type (출처 : https://www.researchgate.net/figure/Schematic-structure-of-Roots-flow-meter_fig5_315907438)

• 계량실 내부의 기어 타입에 따라 여러 방향으로 바뀌며, 액체의 유입과 방출 시 기어의 회전으로 픽업센서에서 주파수를 발생합니다. 이때 발생되는 주파수는 유량에 LINEAR성을 가지게되며, 주파수를 측정하여 유량을 측정하게 됩니다.

• 석유 및 가스, 수도 및 폐수, 화학, 전력, 제약, 식품 및 음료, 펄프 및 제지, 금속, 광업 및 항공 우주산업에서 활용됩니다.

• 특징

 · 고점도 액체의 유량 측정이 가능하다. (oil류)

 · 깨끗한 유체에 적용하여야 한다. (이물질로 인한 기어파손, Strainer 필요)

 · 사이즈에 따라 금액이 높아진다.

 · 직관거리에 크게 영향이 없다.

4. 터빈 유량계(Turbine flow meter)

터빈 유량계 (출처 : https://flowmeterdirectory.com/flow-meter-types/mechanical-types/flowmeter_turbine/)

•  유량에 따라 안쪽에 Turbine wheel이 회전하면 Pick up 센서가 주파수를 측정합니다. 측정된 주파수는 Linear 성을 띄며, 주파수를 측정하여 유량을 측정합니다.

• 본체, 터빈, 축, 베어링, 픽업 코일 센서로 구성되어 유체가 흐르면 터빈이 회전하고, 회전 속도를 센서로 측정해 전기신호로 변환하는 원리입니다.

• 액체와 기체 모두 측정할 수 있으며, 오일, 물, 화학물질, 연료 등 다양한 유체의 유량을 측정하는데 사용됩니다.

석유 및 가스 등 원유 측정, 화학 물질의 정확한 계측, 정수 및 폐수 처리 시설 공정에서 유량관리 등 다양한 산업에서 활용됩니다.

산업 현장에서 쓰이는 다양한 형태의 계측기기

•  특징

 · 일반적으로 ±0.5% 이내의 높은 정확도를 제공하여 정밀한 유량 측정이 가능하다. (기준 유량계로 많이 사용)

 · 압력, 온도 범위의 적용 범위가 넓다.

 · 직관거리가 필요하다.

 · 깨끗한 유체에 적용가능하다.(Brade 파손 위험, Strainer 필요)

 · 일반적으로 견고한 구조로 제작되어 극한의 환경에서도 안정적으로 작동한다.

5. 와류식 유량계(Vortex flow meter)

와류식 유량계 왼쪽부터 KVTX-3000 / AVF7000(Wafer type, Flange type, Remote type, T/P sensor type) Series 모델

유체가 배관을 흐를 때 배관 절벽 몸체에 생성된 와류(난류의 회전, 소용돌이)에 대한 Von karman 이론을 기반으로 측정하는 원리의 유량계입니다. 와류의 수는 배관의 체적(부피) 흐름에 선형적으로 비례합니다.

배관 내에 회전하는 막대인 Shedder bar가 설치되어 속도를 가진 유체에 일정한 규칙을 가지고 발생한 와류를 센서가 감지합니다. 측정된 값을 주파수로 변환하여 유량을 측정하게됩니다.

칼먼 이론은 와류 발생 현상을 설명하는 유체역학 이론으로, 유체가 일정 속도 이상으로 장애물을 통과할 떄 장애물 뒤쪽에 주기적인 와류열(vortex street)이 형성됩니다. 유속에 의존하여 '유속식', 칼먼 소용돌이 열에 의하여 유량을 추측하여 '추측식', 유체진동을 이용하여 '유체진동식'으로 분류합니다.

•  와류 유량계는 광범위한 산업분야에서 액체, 가스, 스팀의 유량을 측정하는데 사용하고 있습니다.

석유, 화학, 발전소, 난방공사 등의 플랜트에서 포화스팀, 과포화스팀, 압축공기, 질소가스, 불소가스 등의 유량을 측정합니다.

석유 및 정유 시설

•  특징

 · 액체, 가스, 스팀 유량 측정에 적합.

 · 압력, 온도, 점도 변화에 영향을 적게 받음.

 · 장시간의 안정성(수명시간-k factor)과 영점의 흠들리는 현상이 없음.

 · 구동부 없음.

 · 적은 압력손실.

 · 설치 및 시운전 용이함.

 · 넓은 온도 범위 -200~400°C

6. 전자 유량계(Electromagnetic flow meter)

와류식 유량계 왼쪽부터 AMF601 / AMF900 / AMC3200 / AMC2200 / KM-200R 모델

전자기 유량계로도 불리우며, 전기 전도성 물질을 가진 유체가 배관 내부에 흐르면 기전력이 발생하여 패러데이(faraday)법칙을 응용해 유량을 측정하는 원리입니다.

측정관 내에 자석이나 전자석, 1대 이상의 전극을 배치하여 배관 내부에 가로지르는 자기장이 발생하고, 이로 인해 패러데이 법칙에 따라 유도 기전력이 발생합니다. 배관 벽의 센서가 유도된 전압을 측정하여 유체의 유동 속도를 계산하고, 도관의 면적 곱하여 유량을 구합니다.

패러데이법칙 출처 : https://www.global.toshiba/ww/products-solutions/smart-manufacturing/field-intelligent-device/product/magmeter/principle-and-feature.html

• 전도성 유체(순수한 유증기, 대부분의 가스)만 측정가능하며, 주변 전자기 간섭이 심한 환경에서는 측정 정확도가 떨어질 수 있습니다.

• 화학, 수도 및 폐수처리시설, 펄프 및 제지산업 등 다양한 산업에서 활용하고 있습니다.

• 특징

 · 비 접촉식으로 내부의 장애물이 없고, 압력손실이 적다.

 · 초기 설치비용이 높다.

 · 조절비가 크다.

 · 계측 정확도가 높다.

전자 유량계 직관거리

이외에도 초음파 유량계, 열식 질량 유량계가 있습니다. 두 가지 유량계는 내용을 더욱 알차게 준비하고 있으니 다음 포스팅에서 만나뵙도록 할께요!

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다양한 산업에 활용되고 생활 환경에서 유용하게 쓰이는 여러가지 유량계의 종류

지금까지 유량계의 종류와 특징에 대해 알아보았습니다.

각 산업 현장에 따라 다르게 사용하는 유량계는 종류도 많고 기술이 정말 다양한 것을 볼 수 있었습니다.

유량계에 대해 궁금하시거나 제품에 문의사항 있으신 경우 언제든지 편하게 연락주세요.

전문 영업진이 적용가능한 장비를 상담해드리겠습니다.

긴 글 읽어주셔서 감사드리며, 다음 포스팅에서 만나뵙겠습니다.