유량계란?
유량계(영어: Flowmeter)는 배관 등을 흐르는 유체의 체적 유량이나 질량 유량을 측정하기 위한 장치입니다.
다양한 흐름을 압력, 온도 등의 조건에 따라 적절하게 측정하기 위해 많은 측정 원리가 개발되고 있습니다. 흐름의 종류로는 기체, 액체, 혼합상 흐름 등이 있습니다.
일부 제품은 배관 외부에 설치하여 유량을 측정할 수 있습니다. 그러나 많은 제품이 배관 내부에 설치하여 유량을 측정하기 때문에 배관 설치 전이나 설계 시 유량계 장착을 고려해야 합니다.
유량계의 사용 용도
유량계는 화학제품이나 석유 플랜트, 자동차, 반도체, 의약품, 식품 등 유체를 사용하는 제조에 광범위하게 사용되고 있습니다.
유량계는 10가지 이상의 작동 원리가 개발되어 있으며, 취급하는 유체에 따라 적합한 유량계를 선정해야 합니다.
관 내에 설치하는 유량계는 흐름을 방해할 수 있습니다. 그 영향이 어느 정도인지 검토하여 선정해야 합니다. 또한, 유지보수 빈도, 시간, 비용도 고려해야 합니다.
유량계의 종류
아래 유량계의 종류와 각 유량계의 구조, 원리 및 장점에 대해 간략히 소개합니다.
- 용적식 유량계
- 코리올리식 유량계
- 초음파식 유량계
- 전자기식 유량계
- 열식 유량계
- 칼만 와류식 유량계
- 면적식 유량계
- 터빈식 유량계
- 차압식 유량계
- 와류식 유량계
- 플로우셀 유량계
1. 용적식 유량계
용적식 유량계는 측정 대상 배관과 동일한 내경의 관과 회전자, 회전 감지기로 구성됩니다. 배관을 흐르는 유체에 의해 회전자가 회전하고, 회전수를 감지하여 유량을 측정할 수 있습니다.
구조가 간단하고 정확도가 높지만, 기어를 사용하기 때문에 끼임 등의 문제가 발생합니다.
용적식 유량계는 유체의 부피를 직접 측정하기 때문에 밀도가 잘 변하지 않는 연료유나 윤활유의 유량 측정에 사용합니다. 고정밀 유량계이기 때문에 연료유 거래 등의 용도에 적합합니다.
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2. 코리올리식 유량계
코리올리식 유량계는 2개의 U자형 튜브와 진동기, 힘 센서로 구성되어 있습니다. 코리올리의 힘, 즉 유체가 흐르는 진동하는 두 개의 U자형 관에는 서로 반대 방향으로 힘이 발생한다는 원리를 이용한 유량계 입니다.
코리올리 유량계는 측정 원리상 전체 길이가 길어지는 단점이 있지만, 질량 유량을 직접 측정할 수 있는 유량계입니다. 정확도가 높고 응답성이 높아 유체의 밀도도 동시에 측정하고 싶은 경우 등에 널리 사용됩니다.
반면, 진동이 있는 곳이나 기포가 있는 유체의 유량 측정은 불가능하다는 단점이 있습니다.
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3. 초음파식 유량계
초음파식 유량계는 초음파 발생기와 계측기로 구성되어 있습니다. 초음파의 전파 시간과 초음파의 반사에 의해 발생하는 도플러 효과를 측정하여 유량을 산출합니다. 배관 외부에서 측정할 수 있는 유량계입니다.
초음파식 유량계는 비접촉으로 유체 유량을 측정할 수 있는 장점이 있습니다. 배관에 유량계를 후장하는 것도 가능하며, 대구경 배관에도 저렴한 비용으로 설치가 가능하다는 장점도 있습니다.
다만, 배관의 벽 두께 등에 따른 오차가 발생하기 때문에 고정밀 유량 측정이 필요한 경우에는 적합하지 않습니다.
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4. 전자기식 유량계
전자기식 유량계는 측정 대상 유체 내부에 배치한 자성체의 속도를 전자기식 유량계의 구성요소인 코일에 의해 발생하는 기전력을 측정하여 유량을 산출하는 유량계입니다.
관내에 설치할 필요가 없는 경우가 많아 오염수 등 관내에 설치하는 유량계는 유지보수 비용이 많이 드는 경우에 활용됩니다.
전자기 유량계는 이동부가 없어 유체의 흐름을 방해하지 않기 때문에 고체가 섞인 슬러리의 유량 측정 등에 사용됩니다. 단, 오일과 같은 비전도성 유체에는 측정할 수 없습니다.
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5. 열식 유량계
열식 유량계는 2개의 온도 센서와 히터로 구성되어 있습니다. 히터로 가열하기 전의 유체 온도와 히터로 가열한 후의 유체 온도 차이를 측정하여 유량을 환산합니다. 광범위한 온도 범위에 대응하는 것이 특징입니다.
열식 유량계는 비접촉으로 가스 유량을 측정할 수 있어 부식성 가스를 측정할 수 있습니다. 또한 압력 손실이 거의 없어 질량 유량을 측정할 수 있는 것이 특징입니다. 반면, 가스에 오염 성분이 포함되어 있는 경우에는 적합하지 않습니다.
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6. 면적식 유량계
면적식 유량계는 수직의 테이퍼 튜브 내 플로트에 의해 아래에서 위로 흐르는 흐름이 차단되어 플로트 전후에 압력차가 발생합니다. 플로트의 무게와 압력차에 의한 힘이 균형을 이룬 위치에서 정지하고, 그 위치를 읽음으로써 유량을 구합니다.
면적식 유량계는 액체 또는 기체의 유량 측정, 퍼지 유체 또는 기체 측정 등에 사용됩니다. 구조가 간단하고 가격이 저렴하지만 측정 정확도는 그리 높지 않습니다.
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7. 터빈식 유량계
터빈식 유량계는 흐름 속에 놓여져 흐름과 평행한 축을 가진 임펠러의 회전속도가 유속에 비례하는 것을 이용하여 임펠러의 회전수로부터 체적 유량을 계산합니다.
터빈식 유량계는 가볍기 때문에 설치의 자유도가 높습니다. 가볍고 저렴하며, 반복 정밀도 및 응답성이 우수하여 대용량 유체 측정에 적합합니다. 단, 베어링이 열화되기 때문에 사용 수명이 짧다는 단점이 있습니다.
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8. 차압식 유량계
차압식 유량계는 오리피스에 의해 압력 손실을 발생시켜 1차측과 2차측의 압력차를 이용하여 이를 유량으로 측정합니다.
차압식 유량계는 저렴하고 폭넓게 적용할 수 있는 것이 특징입니다. 또한 실유량 보정이 필요하지 않습니다.
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9. 칼만 와류식 유량계
카르만 와류식 유량계는 카르만 와류를 발생시키기 위한 장애물인 와류 측정기로 구성되어 있다. 카르만 와류를 측정하여 유량을 산출합니다.
카르만 소용돌이는 장애물 후류에 발생하는 규칙적인 소용돌이를 말합니다.
카르만 와류식 유량계는 기계 가동부나 전극이 없어 다양한 유체를 측정할 수 있습니다. 하지만 직관 길이가 필요하고 진동 등으로 인한 오작동이 있어 진동이 심한 곳 등에서는 사용할 수 없습니다.
증기나 깨끗한 물 등의 측정에 주로 사용됩니다.
10. 와류식 유량계
와류식 유량계는 카르만 와류를 이용한 유량계입니다. 칼만 와류는 유체 흐름 속에 놓인 물체(와류 발생원)의 하류에서 발생하는 규칙적인 소용돌이 열이 번갈아 가면서 발생하는 것을 말합니다.
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11. 플로우셀 유량계
플로우셀 유량계는 오리피스 유량계의 일종으로 물이나 공기가 흐르는 배관에 오리피스를 설치하여 차압을 발생시키고, 발생된 차압을 지류 내에 설치한 플로트가 가리키는 값을 측정하는 유량계입니다.
플로우셀 유량계의 구조와 주목받는 제조사 알아보기
부록】디지털 유량계에 대하여
아날로그 사양의 유량계는 대부분 면적식 유량계로, 현장에서 유량을 확인하기 위한 유량계입니다. 가격이 저렴하고 오래전부터 사용되어 온 유량계입니다.
최근 유량계는 디지털 사양의 유량계도 많이 판매되고 있습니다. 전송 출력을 가진 유량계는 거의 디지털 사양으로, 내부에 전자 부품과 기판을 탑재하고 있습니다. 전자회로에 수명이 남아있는 단점이 있지만, 자동 영점 조정, 스팬값 변경, 적산 기능, 유량 단위 변경 등이 가능하여 편의성이 향상되었습니다.