유량 측정계(Flowmeter)의 원리 및 종류

 유량은 전체 공정 운전 변수의 측정 중 60 - 75%를 차지하며 이중 95%

 가 Orifice(오리피스)를 이용한다.


 (1) 차압유량계


  1) 측정원리


  유로에 유체의 압력변화를 일으킬 수 있는 방해시설을 설치하고 이 시설 전후의 압력변화를 측정하여, 유속을 얻는 방법으로 정확도는 1 ~ 2% 정도이며 방해시설(Restrictor)로는 오리피스, 벤츄리, 흐름노즐, 피토관(Annubar)등이 이용된다.

 


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  2) 특성


   ① 설치 및 유지보수가 간편하고 값이 싸다.

   ② 측정범위가 좁다.(Rangeability 가 3 : 1 정도)

   ③ 유량이 측정압력의 평방근에 비례하므로 신호변화를 위한 특별한

       기구가 필요하다.

   ④ 슬러리와 같이 점도가 높은 유체에는 사용할 수 없다.

   ⑤ 방해시설 전후에 어느 정도의 직선배관이 필요하다.


  3) 오리피스 & 흐름노즐


  오리피스 혹은 흐름노즐 전후의 Bernouli의 기계적 에너지 수지식을 

  적용하여 측정식을 다음과 같이 유도할 수 있다.

 

 

  여기서    

 

 

 

< 오리피스 계수 >

 

 

< 노즐 계수 >


  오리피스와 흐름노즐 전후에는 다음과 같은 직관거리(Straight Pipe 

  Length)를 확보하여 정상상태에서의 유속을 측정하도록 한다.

   

Cross section ratio β2

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.64

Recommended length

of straight pipe

Inlet side

10D

14D

16D

20D

28D

40D

46D

Outlet side

5D

6D

7D

7D

7D

8D

8D

/STYLE=

 측정대상유체가 가스인 경우 보정계수가 추가되어 위 ①식은 다음과 같이 된다.    

     

P2/P1 =

0.98

0.94

0.90

0.85

0.80

0.75

β2

β4

εfor k=Cp/Cv = 1.3

0

0.316

0.447

0.548

0.633

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.988

0.987

0.985

0.982

0.979

0.965

0.960

0.954

0.947

0.937

0.941

0.933

0.924

0.912

0.897

0.910

0.899

0.886

0.870

0.850

0.878

0.865

0.848

0.828

0.804

0.846

0.829

0.810

0.788

0.760

β2

β4

εfor k=Cp/Cv = 1.4

0

0.316

0.447

0.548

0.633

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.989

0.988

0.986

0.983

0.980

0.967

0.963

0.957

0.950

0.941

0.945

0.938

0.929

0.918

0.904

0.916

0.906

0.893

0.878

0.859

0.887

0.873

0.858

0.839

0.815

0.856

0.840

0.822

0.800

0.773

β2

β4

εfor k=Cp/Cv = 1.66

0

0.316

0.447

0.548

0.633

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.991

0.990

0.988

0.986

0.983

0.972

0.969

0.964

0.958

0.950

0.953

0.947

0.939

0.930

0.918

0.929

0.920

0.909

0.895

0.878

0.903

0.892

0.878

0.861

0.840

0.877

0.863

0.846

0.827

0.802


  4) 벤츄리미터


  오리피스에 비해 압력손실이 적으나 값이 상대적으로 비싸고 유량변화에 따라 Throat직경을 변화시킬 수 없다. 측정식의 형태는 위 ①식과 같으며 값은 이 0.77보다 적고 레이놀즈수가 만족되면 다음식을 적용하여 계산할 수 있다.

 

   

  5) 피토관


  대구경의 관에 설치할 수 있으나 평균속도를 구하기 어렵고 가스에 대해 측정범위가 좁다. 피토관의 설치전단을 50D 가량의 직관거리가 필요하다. 국부속도(Local velocity)를 다음식에 의해서 구한 다음 흐름단면 전체에 대해 평균 를 얻는다.

 

 

 

  6) 차압유량계 설계기준


   ① 차압은 System Hydraulic 이 허용하는 범위내에서 500 ~ 20,000 까지 이용할 수 있지만 가능한 2,500     를 이용한다. 차압이 높을수록 Transmitter인 입라인에서의 밀도변화영향을 줄일 수 있다.

   ② 기체의 유량을 측정하는 경우에는 다음 조건이 만족되도록 한다.

    

   ③ 최대유량은 상용유량(Normal Flow)의 1.2 ~ 1.5배가 되도록 하고

      가능하면 상용유량이 최대유량의 70%가 되도록 한다.

   ④값은 0.1 ~ 0.7 범위에 있도록 한다. 이 범위 밖에서의

        실험

       자료가 많지 않으므로 정확도가 떨어진다.

   ⑤ 압축기 흡입라인과 같이 압력손실이 중요한 곳에서는 벤츄리 미터

       를 이용한다.

   ⑥ 차압 유량계가 설치되는 배관과 플랜지는 2" 300# 이상으로 한

       다.  1/2" ~ 1 1/2"의 경우 통합형(Integral Type)플랜지가 이용 될

       수 있다.

   ⑦ 오리피스의 구경은 1/4"이상으로 한다.

   ⑧ 차압유량계를 수평배관에 설치해야하는 경우 액체측정에는 45°하

      단탭을 이용하고 기체측정에는 상단탭을 이용한다. 수직배관에 설

       치시에는 설치 및 유지보수가 용이하고 임의의 방향에 탭을 설치

      할 수 있다.

   ⑨ 평형조건에 있는 유체유량의 측정시에는 최대 및 최소설계유량에

       서 플래싱(Flashing)이 일어나는지 점검할 필요가 있다.

   ⑩ 오리피스와 흐름노즐의 경우 12"까지는 플랜지 Tap을 이용하고

       14"이상은 파이프 Tap을 이용한다.


 (2) 면적식 유량계(Rotameter)


  1) 측정원리


 

  관로중에 그림과 같이 Taper관에 Float를 넣어 유속에 따른 Float의 위치를 읽음으로서 유량을 측정한다. 3 ~ 150mm의 배관에 설치되며 액체의 경우 0.0003 ~ 200 , 기체의 경우 0.005 ~17,000까지 측정이 가능하다.


  2) 장단점


   ① 측정범위가 넓고 비교적 적은 유량도 측정이 가능하다.

   ② 압력손실이 적고 측정눈금이 균등하다.

   ③ Slurry와 같은 고점성유체에 적합하다.

   ④ 측정대상유체가 깨끗해야 한다.

   ⑤ 측정 가능한 최대유속이 타 유량계에 비해 상대적으로 낮다.


 (3) 용적식 유량계


  1) 원리

 


  그림과 같이 2개의 타원형의 Rotor가 P1-P2 의 차압에 의해 서로 맞물

  려 회전하면서 빗금친 부분의 용적 V만큼 회전수 n에    비례하여 유체

  가 흐르므로 Rotor의 회전수를 측정하여 유량 Q를 구한다.

 

    

 


  2) 특성


   측정대상이 액체인 경우에 이용된다.

   ① Rangeability 가 100 : 1 정도이다.

   ② Pulse출력을 얻을 수 있어 유량적산에 적합하다.

   ③ 직관거리가 필요 없다.

   ④ 수평․수직 배관에 영향을 안 받는다.

   ⑤ 압력손실이 적다.

   ⑥ 소유량에서 대유량의 범위에 걸쳐 정밀도가 높은 유량을 측

       정할 수 있다.


  3) 용도


   ① 값이 고가이므로 특히 높은 정밀도를 요구하는 곳에 쓰인다.

      (원가관리를 필요로 하는 원료 및 제품의 수송line, 외부로부터 공급

       는 Utility Line등)

   ② Sludge를 함유하는 유체는 피하는 것이 좋다.


 (4) 전자유량계(Magnetic Flowmeter)


  1) 측정원리

 


 

  Faraday의 전자유도법칙을 이용한 것으로 그림과 같이 관로 중에 자속밀도 B를 형성시키고 유량 Q에 따른 기전력 e를 측   정하여 체적유량을 산출한다.

 

 

 

  

  2) 사양


   ① 측정유체 : 전기전도도가 20 마이크로 지맨/cm2 이상인 액체

   ② 측정범위 : 0.00001  ~  10,000 

   ③ Accuracy : ± 0.5% ~ 2%

   ④ Size      : 2.5mm ~ 2.4 m

   ⑤ 적용압력 : 최대  200

   ⑥ 적용온도 : 최대 180℃

   ⑦ 가    격 : $3,200 ~ $110,000


  3) 특 징


   <장 점>

   ① 압력, 온도, 밀도, 점성의 영향을 받지 않는다.

   ② 층류, 난류의 영향을 받지 않으므로 직선배관이 필요치 않다.

   ③ 압력손실이 없다.

   ④ 소유량(1/8") 및 대유량(3.04m이상)에 적합

   ⑤ 부식성, 침식성 유체에 적합


   <단 점>

   ① 전기전도도가 있어야 한다.

   ② 유속에 비례하는 전압을 발생시키기 때문에 Pipe내에 만수가 되어

       야 한다.

   ③ Gas나 기포를 포함한 액체에서는 오차가 발생

   ④ Pipe내에 물질이 쌓이는 유체에는 정기적으로 청소.

   ⑤ 유지보수가 어렵다.


  4) Recommendable Supplier


   Brooks, Foxboro, Honeywell, Endress & Hauser.

 

(5) Thermal 유량계


  1) 측정원리


  두 개의 온도 sensor를 측정유체에 설치하여 이들 두점(Reference

  Sensor, Heated Sensor)의 온도차에 의하여 유량을 산출하는 방식.


  2) 사 양


   ① 측정유체 : 액체, 기체

   ② 측정범위 : 0.00001 ~ 1000  (액체)

                       0.000001 ~ 1000 (기체)

   ③ Accuracy : ±2%

   ④ 가    격 : $3,000 ~ $6,000

   ⑤ Size      : 0.03 ~ 2"

   ⑥ Rangeability : 20 : 1

   ⑦ Repeatability : 1.0 %


  3) 특 징


   <장점>

   ① 저유량 측정용으로 적합

   ② 충격과 진동에 강하다.

   ③ 부식성 유체에 적합.


   <단점>

   ① 고점도성 유체에 부적합

   ② 찌꺼기를 포함한 유체에 부적합

   ③ 반복도가 좋지 않다. (1.0%)


  4) Recommedable Supplier


   Gould Inc, Emerson Electric, Brooks


 (6) Turbine 유량계


  1) 측정원리

 

  배관 내부에 회전자를 설치하고 축상의 전자기적인 검출기(Pickup Coil)로 회전수를 측정하여 유량으로 환산하는 방식


  2) 사 양


   ① 측정유체 : 액체, 기체(Light Oil 계통)

   ② 측정범위 : 0.0005 ~ 10,000 

   ③ Accuracy : ± 0.25%

   ④ Output Signal : Analog, Pulse, Contact

   ⑤ 적용압력 : 최대  200 

   ⑥ 적용온도 : 최대 260℃

   ⑦ Rangeability : 20 : 1

   ⑧ Repeatability : 0.02%

   ⑨ 가    격 : $ 2,500(1"),  $6,000(8")


  3) 특 징


   <장점>

    실제 운전조건에서 자동 온도 보상이 가능하다.

    넓은 범위의 압력 ( 5,000 PSIG)과 온도 ( -200 ~ 450℃)에 사용.

    Totalizing, Indicating, Analog control (4 ~20 mA)이 가능


   <단점>

   ① 고체를 포함한 유체는 부적합

   ② 유체의 밀도가 변하면 정확한 측정이 어렵다.

   ③ 직선배관이 필요하다. (전단 15D, 후단 6D정도)

   ④ Pipe size가 작은 경우 Viscosity가 Accuracy에 영향을 미친다.

   ⑤ Low range(Full range의 30%이하)에서는 반복도가 떨어진다.

  4) Recommendable Supplier


   Smith Meter, Brooks, Oval, Fisher


 (7) Vortex 유량계


  1) 측정원리


  유체의 흐름에 수직으로 원통형 또는 사각형 물체를 두면 뒷단에 유속에 비례하여 소용돌이가 발생하며 이 소용돌이에 의해 발생하는 주기적인 힘이 도압공 내부에 저항변화를 일으키며 이 저항변화에 의하여 주파수를 측정함으로서 유량을 산출하는 방법이다.


  2) 사양


   ① 측정유체 : 액체, 기체, 증기

   ② Size     : 1 ~ 8"

   ③ 측정범위 : 0.001   ~  1000  (액체)

                           3.0  ~  10,000 

   ④ Accuracy : ± 0.75%

   ⑤ Output Signal : Digital, Analog (Option)

   ⑥ 적용압력 : 최대 200

   ⑦ 적용온도 : 150 ℃

   ⑧ 가    격 : $1,300(2"). $2,000(6")


  3) 특징


   <장점>

   ① 밀도, 압력, 온도의 영향을 받지 않는다.    

   ② 위험하거나 유독성 유체에 적합.


   <단점>

   ① 고체를 포함한 액체에는 부적합

   ② 10D정도의 직선배관이 필요

   ③ 배관의 진동이 accuracy에 영향을 미친다.

   ④ 1"이하 및 8" 이상의 meter는 Accuracy가 좋지않다.

   ⑤ 교정이 힘들어 유지보수가 어렵다.


  4) Recommendable Supplier


   Foxboro, Fisher, Yokogawa, Brooks


 (8) 초음파 유량계(Doppler 식)


  1) 측정원리


  입자를 가진 유체에 음파를 투과시켜 입자의 반사파를 측정하여 유량

 을 산출


  2) 사양


   ① 측정유체 : 입자나 거품을 포한한 액체.

   ② 측정유속 : 0.06 m/s ~ 18 m/s

   ③ Size     : 12.5mm ~ 1.8 m

   ④ 측정범위 : 0.05  ~  5,000 

   ⑤ Accuracy : ±2% ~ ±5%

   ⑥ Output Signal : Analog( 4~ 20mA), Pulse

   ⑦ 적용온도 : 최대 260℃

   ⑧ Repeatability : 0.1 %

   ⑨ Rangeability : 제한 없음

   ⑩ 가  격  : $2,000


  3) 특징


   <장점>

   ① 설치가 용이하다.

   ② Pipe size에 관계없이 설치가 가능

   ③ 압력손실이 없다.


   <단점>

   ① 만수가 되어야 한다.

   ② 유체에 입자나 거품이 있어야 한다.

   ③ 직선배관이 필요하다. (상류측 ; 10~20D, 하류측 ; 5D)

   ④ 유속이 빨라야 한다. ( 0.75 ~ 1.8 m/s)


  4) Recommendable Supplier


   Polysonics, Leads & Northrup, Mapco Inc.


 (9) 질량유량계


  1) 측정원리


  유체가 meter내를 통과하게 되면 meter의 sensor tube를 진동하게 되고 이때 tube가 진동하면서 tube양쪽이 Coriolis force가 발생하며 이 힘에 의한 tube의 뒤틀림 각도로 유량을 산출하는 방식


  2) 사 양


   ① 측정유체 : 액체, 기체(high density), slurry

   ② 측정범위 : 0.05 kg/min ~ 9,090 kg/min

   ③ Accuracy : 0.4 ~ 1.0%

   ④ Output Signal : 4 ~ 20 mA, 1 ~ 5 V, Pulse

   ⑤ 적용온도 : -240℃ ~ 200℃

   ⑥ 적용압력 : 최대 400 

   ⑦ 가    격 : $2,500 ~ $6,000


  3) 특징


   <장점>

   ① Mass를 측정하기 때문에 밀도, 점도, 온도, 압력의 영향을 받지 않

       는다.

   ② 응답속도가 빠르다.

   ③ 소유량 정밀 측정에 유리하다.


   <단점>

   ① 진동 및 Slurry를 포함한 유체에 대하여 설치시 주의를 요망

   ② Sensor Tube에 air 발생시 오차를 유발. Tube 내에 만수가 되어야

       함.

  4) Recommendable Supplier


      Agar Instrument, Foxboro, Mocro Motion Inc


 (10) 유량계의 선정


  1) 유량계 비교


*    Electronic transmitters only


**  Some piping restriction must be observed


*** Suitability depends on types of orifice plate


 

 

 

Differential Pressure with

Turbine*

Mag Flow*

Vortex*

Orifice

Venturi

Nozzle

Annubar

Accuracy

Good

Good

Good

Good

V.Good

V.Good

V.Good

Differential Produced

V.Good

Good

Good

Fair

NA

NA

NA

Pressure Loss

High

Moderate

High

Low

High

None

Low

Service

․Dirty

․Corrosive

․Slurries

․Viscous

․Liquid with

 Vapors

․Vapors with

 Condensate

 

Poor

Good

V.Poor

***

Good**

 

Good**

 

Good

Good

Good

Good

Good

 

Good

 

Good

Good

Poor

Good

Good

 

Good

 

 

V.Poor

Good

Poor

NA

Fair

 

Poor

 

Poor

Poor

V.Poor

Fair

Poor

 

Poor

 

V.Good

V.Good

V.Good

V.Good

V.Good

 

NA

 

V.Good

Good

Fair

Poor

V.Good

 

V.Good

Calibration

sq. Rt.

sq. Rt.

sq. Rt.

sq. Rt.

Linear

Linear

Linear

Initial Cost

Low

High

Moderate

Low

Moderate

High

Low

Ease of changing

capacity

Good

Fair

Fair

Fair

Good

V.Good

Good

ease of Installation

Good

Fair

Fair

Good

Fair

Fair

V.Good


  2) 유량계 사용현황


유량계

추천적용유체

정확도

현황 및 동향

Mass Flowmeter

고체와 액체가 혼합된 액상원료, LNG제품, 액화가스, 일반액체

0.4%

질량을 직접측정하기 때문에 온도, 밀도, 압력의 영향을 받지 않으며 최근 계속기술의 발전으로 정밀도가 향상되어 사용빈도가 증가하는 추세임

Vortex Meter

도시가스, 천연가스,

LNG, 액화산소,

액화질소

0.75

~

1.2 %

오리피스유량계의 단점을 보완한 유량계로 아직 상대적 활용도는 낮으나 급성장추세에 있으며 마이크로프로세서 탑재에 의한 통신의 다기능화 및 광전송 계장시스템으로의 대응도 시도되고 있음

Turbine Meter

Light Oil 계통

0.25%

실제 운전조건에서 온도보상 및 적산, Batch 제어가 가능하며 Process 및 Loading시스템에 사용된다. 또한 오리피스에 비해 정밀한 측정에 사용되고 있음

Ultrasonic

Flowmeter

폐수, 식수, 산업용수, 상하수도

1~5%

상하수도등 공공사업에 많이 사용되고 있으며 마이크로 프로세서에 의한 정밀도 향상 및 기능확충으로 성장이 기대됨

Thermal

Flowmeter

Flare Gas, 일반액체

2%

저유량측정용으로 적합하며 최근 마이크로프로세서를 내장한 계기가 많이 개발되고 있다.