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유량계

유량계 개요

유량계는 액체 또는 기체의 선형, 비선형, 질량 또는 체적 유량율을 측정하는데 사용되는 장비입니다. 유량계를 선택할 때에는 특정 플랜트 사업장에서의 교정 및 유지관리에 대한 플랜트 작업인원의 친숙도와 경험, 예비부품의 가용성 그리고 고장이력 간의 평균시간 등과 같은 무형적 요인들을 고려하여야 합니다. 이러한 단계를 거친 후에 설치 비용을 추산하는 것이 바람직합니다.

유량계의 종류를 선택할 때 할 수 있는 가장 흔한 실수 중 한가지는 이러한 과정을 반대로 하는 것입니다. 제대로 기능하는 센서를 선택하는 대신에 더 저렴한 가격의 장비를 사용하여 그 장비의 레벨에 맞추려는 경우 잘못된 측정에 의한 유지 보수 또는 교체 비용으로 더 많이 비용을 쓰게 될 수도 있습니다. 본 문서에서는 유량계의 선택과 사용을 돕고자 유량계의 기원, 원리, 종류 및 특성을 소개합니다.

유량계 flowmeter

유량계에 관한 더 자세한 정보

유량계의 기원

공기와 물의 흐름 측정에 대한 우리의 관심은 세월이 흘러도 변하지 않습니다. 바람의 방향 및 속도에 대한 지식은 고대 항해사들에게 있어서 필수적인 정보였고 물의 흐름을 측정하는 능력은 기원전 약 5,000년에 티그리스와 유프라테스 강 주변에 위치하였던 수메르인들의 도시인 우르, 키시 그리고 마리와 같은 초기 공동사회의 수로를 통한 물의 공평한 분배에 반드시 필요했습니다.

유량 측정의 원리와 요소 이해

유량을 정확히 측정하기 위해서는 기본적으로 유량계 적용분야의 환경에 대해 명확한 이해해야 합니다. 그러므로 공정 유체의 특성과 설치 환경을 온전히 파악하기 위하여 충분한 시간을 투자하여야 합니다.

올바른 유량계의 선택을 위한 첫 단계

유량 센서의 선택에 있어 첫 단계는 유속 정보가 연속적이어야 하는지 누계되어야 하는지, 그러한 정보가 국지적 또는 원격적으로 필요한지를 결정하는 일입니다.
원격이라면 전송이 아날로그, 디지털 또는 공유되어야 하는지를 결정하여야 합니다. 공유되어야 한다면 필요한 최소 데이터 갱신주기는 얼마인지를 결정하여야 합니다.
이러한 질문들에 대한 답이 이루어지면 공정 유체의 속성과 유량 특성 그리고 유량계를 사용할 배관에 대한 조사가 이루어져야 합니다.
이러한 작업에 체계적으로 접근하기 위한 문서양식들이 개발되어 왔으며 각 적용분야 별로 다음 유형의 데이터를 입력하여야 합니다. (유량계 평가 양식을 다운로드 하실 수 있습니다.)

질량유량계 massflowmeter

유체 및 유량 특성

유체와 유체의 압력, 온도, 허용 압력 감소치, 밀도(또는 비중), 전도, 점도(뉴턴 또는 비뉴턴 점도) 그리고 최대 작동 온도에서의 증기압이 이러한 속성들이 어떻게 변화하고 상호작용 하는지에 대한 설명과 함께 열거되어 있습니다. 추가로 모든 안전 또는 독성 정보 또한 유체의 구성, 버블의 존재, 고형물(마모성 또는 연성, 미립자의 크기, 섬유질), 코팅 경향 그리고 광투과 속성(불투명, 반투명 또는 투명)과 함께 제공되어야 합니다.

압력 및 온도 범위

유량계를 선택할 때 일반적인 작업 수치에 더하여 예상되는 최소 및 최대 압력과 온도 수치가 주어져야 합니다. 유량이 역전되는지 여부, 유량이 항상 배관을 채우는지 여부, 슬러그 유량(기체-고체-액체)이 발생하는지 여부, 통기 또는 맥동의 가능성이 높은지 여부, 급작스러운 온도 변화가 발생할 가능성 여부 또는 세척 및 유지관리 중에 특별한 예방책이 필요한지 여부 등과 같은 정보들이 언급되어야 합니다.

배관 및 설치 영역

배관 및 유량계가 위치할 영역에 관하여 다음 사항을 고려하여야 합니다.
배관의 경우 방향(액체의 경우 아래로 흐르지 않도록 할 것), 크기, 재료, 세부구조, 플랜지 압력 등급, 접근성, 업 또는 다운스트림 전환, 밸브, 조절기 그리고 가용한 직관의 길이.
이를 규정하는 엔지니어는 전기 또는 공압 전력을 사용하는 경우, 해당 영역이 폭발의 위험이 있는 것으로 분류되는 경우 또는 위생 및 제자리 세정 규정의 준수와 같은 기타 특별한 요구사항이 존재하는 경우 해당 영역에 진동 또는 자기장이 존재하거나 존재할 가능성이 있는지를 파악하여야 합니다.

유량계를 선택하기 위한 핵심 질문


1. 측정 대상 유체는 무엇이고 속성은 어떠한가?

2. 유속 측정 및/또는 누계가 필요한가?

3. 액체가 물이 아니라면, 점도는 얼마인가?

4. 유량계에 로컬 디스플레이 또는 전자 신호 출력이 필요한가?

5. 최소 및 최대 유속은 얼마인가?

6. 최소 및 최대 프로세스 압력은 얼마인가?

7. 최소 및 최대 프로세스 온도는 얼마인가?

8. 유량계의 유체 접촉부는 측정 유체가 닿았을 때 손상 되지 않고 화학적으로 양립 가능한가?

9. 공정 라인에 적용되는 경우라면 배관의 크기는 얼마인가?

유속과 정밀도

다음 단계는 측정하여야 하는 최소 및 최대 유량(질량mass 또는 체적volume)을 파악하여 필요한 측정 범위를 결정하는 일입니다. 그 이후 필요한 유량측정의 정밀도가 결정됩니다. 보통 정밀도는 실측정치(AR), 교정 범위(CS) 또는 최대크기(FS) 단위의 퍼센티지로 표시됩니다. 정밀도는 최소, 보통 및 최대 유량에 대하여 별도로 언급되어야 합니다. 이러한 요구사항을 파악하지 못하면 유량계의 측정결과는 전체 범위에 대해서 수용 가능하지 않을 수도 있습니다.

제품이 판독에 기반하여 판매 또는 구매되는 적용분야에서는 절대 정밀도가 중요합니다. 기타 적용분야에서는 반복성이 절대 정밀도보다 중요할 수도 있습니다. 그러므로 각각의 적용분야에 대해서 정밀도와 반복성 요구사항을 별도로 규정하고 기술 사양에 두 가지 모두 언급하는 것이 바람직합니다.

유량계의 정밀도가 % CS 또는 % FS 단위로 표시되는 경우 측정된 유속이 감소함에 따라 절대 오류율이 증가할 것입니다. 미터 오류율이 % AR로 표시되는 경우 절대 수치에서의 오류율은 유속이 높든 낮든 동일할 것입니다. 전체 범위(FS)는 언제나 교정 범위(CS)보다 양적으로 크기 때문에 % FS 측정 센서는 동일한 % CS 사양을 가진 센서보다 언제나 더 높은 오류율을 가지게 됩니다. 그러므로 모든 수치를 공평하게 비교하려면 언급된 모든 오류구문을 동일한 % AR 단위로 변환하는 것이 바람직합니다.

제대로 구축된 유량계 기술사양에는 정밀도에 관한 모든 내용이 동일한 % AR 단위로 변환되어 있으며 이러한 % AR 요구사항과 수치는 최소, 보통 및 최대 유속에 대하여 별도로 표시되어 있습니다. 모든 유량계 기술사양과 수치는 최소, 보통 및 최대 유속에서의 미터의 정밀도와 반복성 모두를 명확하게 언급하여야 합니다.

정밀도 대 반복성

만약 이동 부품(moving part)이 있는 유량계와 없는 유량계 중 선택할 수 있는 경우에는 가급적 가동부가 없는 유량계를 선택하여야 합니다. 가동부는 마모, 윤활 그리고 코팅 감도와 같은 유지 보수에 관련 된 이유 뿐만 아니라 때때로 측정 대상 유량에 영향을 끼칠 수 있는 일정 공간을 필요로 하기 때문에 잠재적인 문제 요인이 될 수 있습니다. 유지보수와 교정이 잘 이루어진 유량계의 경우에도 이러한 측정되지 않는 부분의 유량이 유체 점도 및 온도 변화와 함께 변할 수 있습니다. 온도 변화로 인해 유량계의 내부 치수를 변경과 보상 처리가 필요할 수 있습니다.

추가로 유량계와 유량 센서를 모두 사용할 수 있는 경우에도, 일반적으로 유량계를 사용하는 것이 바람직합니다. 한 지점을 측정하는 유량 센서는 전체 유량을 볼 수 없기 때문에 전체 배관에 걸쳐 유속이 속도 프로파일의 평균값을 가지는 깊이까지 삽입되었을 경우에만 정확한 측정이 가능합니다. 이러한 포인트가 교정 시에 주의 깊게 결정된다 하더라도 속도 프로파일이 유속, 점도, 온도 그리고 기타 요인에 따라 변하기 때문에 단일 센서보다는 온전한 유량계 제품 사용이 권장 됩니다.

질량 Mass 또는 체적 Volume 단위

유량계를 결정하기 전에 유량 정보가 질량 단위와 체적 단위 중 어느 쪽으로 기록 되는 것이 맞는지도 확인해야 합니다. 압축 가능한 물질의 유량을 측정하는 경우 체적 유량은 밀도와 점도가 일정하지 않는 한 큰 의미가 없습니다. 압축이 불가능한 액체의 속도, 체적 유량을 측정하는 경우 지체된 버블의 존재가 오류를 초래하게 됩니다. 그러므로 공기나 가스는 유체가 유량계에 도달하기 전에 제거되어야 합니다. 기타 속도 센서에서는 파이프 라이너가 문제(초음파)를 초래하거나 레이놀드 수(RD)가 너무 낮은 경우(와류 방출 유량계의 경우 RD는 20,000 보다 커야 합니다) 유량계가 기능을 정지할 수도 있습니다.

이러한 고려사항의 관점에서 밀도, 압력 및 점도 변화에 민감하지 않고 레이놀드 수의 변화의 영향을 받지 않는 질량 유량계Mass flowmeter를 염두에 두어야 합니다. 또한 화학산업에서 잘 쓰이지 않는 다양한 용수로들이 전체 배관의 유량을 부분적으로 측정하고 다량의 부유고체 또는 침강성 물질을 통과시킬 수 있습니다.

적합한 유량계 선택하기

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로터미터 Rotameter 로터미터 (가변 면적 유량계)
면적유량계는 테이퍼 관과 부유체로 이루어집니다. 저비용과 간편성, 낮은 압력 감소, 상대적으로 폭넓은 조절성 그리고 선형 출력으로 인하여 가스 및 액체 유량 측정에 가장 보편적으로 사용됩니다.
오리피스유량계 오리피스 유량계 (스프링 피스톤 타입)
오리피스 유량계는 피스톤과 테이퍼형 원추에 의하여 형성된 고리모양의 오리피스를 사용합니다. 피스톤은 교정 스프링에 의하여 원추의 아래 부분(“유량이 없는 위치”)에 위치합니다. 척도는 오일 유량계의 경우 0.84의 비중 그리고 수량계의 경우 1.0의 비중에 근거합니다. 전기 신호를 전송하기 위하여 장착 가능한 피스톤식 유량계의 단순한 구조와 간편함은 유속 표시 및 제어를 위한 면적유량계의 경제적인 대안으로 만들어줍니다.
가스유량계 가스 유량계 (면적 유량계)
기체 유량을 측정하는 질량 유량계는 밀도, 압력 그리고 유체 점도에 대한 의존성이 낮습니다. 이러한 가스 질량 유량계는 실질적인 질량의 유속을 판단하기 위하여 차동 압력 변환기와 온도 센서 또는 가열 감지 소자와 열역학 열전도 원칙을 활용합니다. 이러한 다수의 질량 유량계는 데이터 로깅을 위한 내장 디스플레이와 아날로그 출력을 갖추고 있습니다. 자주 쓰이는 적용분야는 유출 시험과 분당 밀리리터 단위의 저유량 측정을 포함합니다.
초음파유량계 초음파 유량계 (도플러 유량계)
초음파 도플러 유량계는 일반적으로 전통적인 센서에 손상을 주는 폐수와 기타 오염 유체 및 슬러리와 같은 오염 환경에서 주로 사용됩니다. 작동의 기본원칙은 초음파 신호가 미립자 또는 가스 버블의 움직임이 지체될 때(불연속) 해당 신호의 주파수 변화(도플러 효과)를 활용합니다.
터빈유량계 터빈 유량계
터빈 유량계는 0.5%의 높은 정밀도를 보여줍니다. 매우 정확하며 깨끗한 액체와 최대 100 센티스토크의 높은 점도를 가진 액체에 대해서 사용됩니다. 유입구의 직관은 최소 10 파이프 직경을 필요로 합니다. 가장 보편적인 출력은 사인파 또는 구형파 주파수이나, 신호 처리기를 아날로그 출력 상부에 장착할 수 있으며 방폭 등급을 갖추고 있습니다. 이 유량계는 유량의 오른쪽 앵글에 장착되고 자유동작 베어링의 유체 스트림 내에서 정지하는 다익식(multi-blade) 모터로 이루어져 있습니다.
Paddlewheel 외륜 유량계 (패들휠 센서)
외륜 유량계는 물 또는 물과 유사한 유체에 쓰이는 가장 보편적이고 비용 효율적인 유량계 중 하나입니다. 다양한 제품들이 유량용 부품과 함께 또는 삽입형으로 제공됩니다. 터빈 유량계와 같은 유량계는 유입구에 최소 10 파이프 직경 그리고 배출구에 최소 5 파이프 직경의 직관을 필요로 합니다. 물이 아닌 유체를 사용하는 경우에는 화학물질과의 공존성을 검증하여야 합니다. 사인파와 구형파 펄스 출력이 일반적이나 내장 또는 패널 장착 송신기를 사용할 수 있습니다. 패들휠 센서의 로터는 유량에 수직으로 위치하며 접촉은 유량의 단면으로 제한됩니다.
용적유량계 용적유량계 (양변위 유량계)
양변위 유량계는 직관을 사용할 수 없고 터빈 유량계와 패들휠 센서가 과도한 난류를 보게 되는 경우에 물을 유체로 하여 사용합니다. 양변위 유량계는 또한 점성을 가진 유체에 사용합니다.
볼텍스유량계 볼텍스 유량계 (와류 유량계)
볼텍스 유량계가 가진 주된 장점은 프로세스 환경 변화에 대한 감도가 낮으며 오리피스 또는 터빈 유량계에 비하여 마모도가 낮다는 점입니다. 또한 최초 설치 및 유지관리 비용이 낮습니다. 이러한 이유로 볼텍스 유량계는 사용자들 사이에서 사용빈도가 점차적으로 증가하고 있습니다. 볼텍스 유량계는 크기가 다양하니 당사의 엔지니어에게 연락 주시기 바랍니다.
피토관유량계 액체 및 가스용 피토관 또는 차동 압력 센서
피토관은 간편하고 저비용의 설치, 매우 낮은 영구압력, 낮은 유지비용 및 뛰어난 마모저항과 같은 장점을 제공합니다. 다양한 크기의 피토관을 홈페이지에서 확인하실 수 있습니다.
전자유량계 전도성 유체용 마그네틱 유량계
마그네틱 유량계는 인라인 또는 삽입형으로 제공됩니다. 마그네틱 유량계에는 가동부가 없으며 폐수 또는 기타 전도성의 오염 유체에 이상적입니다. 원격 모니터링 또는 데이터 로깅을 위하여 디스플레이가 내장되어 있거나 아날로그 출력이 사용될 수 있습니다.
풍속계 풍속계 (Anemometer)
기체의 유량과 유속을 측정하는 풍속계 중 열선 풍속계(Hot wire anemometer)는 가동부(Moving part)가 없는 탐침기(Probe) 형태의 기체 유량계의 일종 입니다. 기류는 소형 또는 영구장착형 풍속계를 가지고 배관 및 도관 내부에서 측정 가능합니다. 날개형 풍속계 또한 사용 가능합니다. 날개형 풍속계는 보통 열선 풍속계보다 크지만 더 튼튼하고 저렴합니다. 본 제품은 온도 및 습도 측정 기능도 가지고 있습니다.

유량계 관련 자주 묻는 질문

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질량 유량계와 면적 유량계 중 선택하기

유량을 측정하고자 한다면 유량계를 구입하여야 할 것입니다. 유량은 주어진 위치를 지나가는 유체의 양으로 정의되므로 이는 당연한 말일 수 있습니다. 어떠한 종류의 유량계도 그러한 목적에는 충분합니다. 하지만 배관 내의 유속을 설명할 때 다음과 같은 질문들을 고려하시기 바랍니다.

Q = A x v

Q는 유속이며 A는 배관의 단면적, v는 배관 내의 평균 유속입니다. 이 공식을 적용하면 1평방미터(square meter)의 단면적을 가진 배관을 초당 1미터의 평균속도로 이동하는 유체의 유량은 초당 1입방미터(cubic meter)입니다. Q는 단위시간 대비 부피이며 흔히 체적 유속volumetric flow rate으로 표시됩니다.
이제 다음의 공식을 살펴보시기 바랍니다.

W = rho x Q

W는 유속, rho는 유체 밀도입니다. 이 공식을 적용하면 1입방미터당 1킬로그램의 밀도를 가진 초당 1입방미터의 유체가 흐르는 경우 유속은 초당 1킬로그램입니다. 흔히 사용되는 질량 단위인 파운드에도 동일하게 적용 가능합니다. W는 단위시간 대비 질량이며 흔히 질량 유속 mass flow rate 으로 표시됩니다.
이제 유량 측정 시 선택하여야 하는 단위 파악이 가능할 것입니다. 일부 적용분야에서는 유속 측정은 체적 유량을 측정하는 것을 말합니다. 이제 체적 유량 적용 예시와 질량 유량 적용 예시를 들어보겠습니다.

탱크를 채운다고 생각해보시기 바랍니다. 서로 다른 밀도를 가진 액체로 채우는 경우 탱크가 넘치는 것을 방지하려면 체적 유량을 고려하여야 합니다. (이 경우, 유량 트랜스미터와 플로우 스위치를 사용할 수도 있을 것입니다.) 유량을 단위시간 대비 제한된 부피만을 수용할 수 있는 프로세스로 제어한다고 생각해보시기 바랍니다. 체적 유량 측정이 필요할 것입니다.

이번에는 질량 유량이 필요한 공정의 예시를 들어보겠습니다. A, B 및 C 물질에 반응하는 것이 필요한 화학반응을 생각해보시기 바랍니다. 관심사는 현존하는 분자의 개수(질량)이며 부피가 아닙니다. 그와 유사하게 제품을 사고 팔 때(소유권 이전) 중요한 것은 질량이지 부피가 아닙니다.

유량계의 유지 보수 관리

여러 요인이 유량계의 유지관리 요구사항과 제품수명에 영향을 줍니다. 주요 요인은 물론 특정 적용분야에 알맞은 장비를 사용하는 것입니다. 잘못 선택된 장비는 필연적으로 초기에 문제를 발생시킵니다. 가동부가 없는 유량계는 보통 가동부를 갖춘 유량계보다 주의를 덜 기울여도 됩니다. 그러나 모든 유량계는 궁극적으로 일정 수준의 유지관리를 필요로 합니다.