8.유량계측의 방식과 특성

2.4 유량

유량계측의 방식과 특성이 표 2-6에 나타나 있다. 그중 건축설비에 많이 사용되는 것에 대해 알아보기로 한다.

 

가. 기계식(용적식) 유량계

가) 용적식
용적식은 유량계의 본체 케이스에 내장된 갖가지 형태의 회전자가 통과하는 유체의 에너지에 의해 회전함으로써 유량을 계측하는 방법이다. 회전자의 형태에 대해서는 그림 2-12와 같다. 그림에서도 알 수 있듯이 이러한 종류의 유량계는 본체 케이스와 회전자와의 사이에 있는 공간이 하나의 계량실을 형성하며 회전자의 회전에 의해 어느 일정량의 유체가 배출되기 때문에 회전자의 회전수를 계측하면 통과체적을 알 수 있는 구조로 되어 있다.
이는 측정 정밀도가 매우 높기 때문에 주로 거래용으로 사용된다. 예컨대 지역냉난방 지역에서 열원 플랜트로부터 각 수요처(빌딩)에 공급되는 증기나 냉• 온수의 유량은 거의 이 형식의 유량계로 그 양을 계측하고 있다.

나) 날개 바퀴식
그림 2-13에 표시했듯이 원통형의 유로 안에 로우터를 설치한다. 그 부분을 유체가 흐르면 로우터는 통과하는 유체의 속도에 비례하는 빠르기로 회전한다.
이 회전속도를 전기신호로 변환하여 유량을 알 수 있다.

나. 차압식 유량계

 

유체가 관로 안을 고르게 흐를 때 관로 안에 조리개 시스템을 삽입하여 관로의 일부를 조이면 그 조리개 시스템 앞뒤에 압력 차가 생긴다. 이 압력 차는 일반적으로 유량과 일정한 관계가 있으므로 압력 차를 측정하면 유량을 알 수 있다.
조리개 시스템으로서는 오리피스, 벤츄리관, 플로우노즐 등이 있다. 여기서는 가장 일반적인 오리피스에 관해 설명하기로 한다.

가) 장점
•  구조가 간단하다. 따라서 가격이 저렴하다. 차압을 검출하는 다른 방식(플로우 노즐이나 벤츄리관 등)에 비해 구조가 간단하기 때문에 제작 정밀도가 높았지만 제작비가 싸다.
•  부착 • 분리가 간단하다. - 시방을 변경할 때 대체품 제작을 단기간에 할 수 있으며, 그 부착도 간단하다.
나) 단점
•  레인지어빌리티(측정 가능한 최대유량과 최소유량의 비)가 3 : 1로 작다.
•  유로 안에 조리개를 넣기 때문에 압력손실이 크다.
•  오리피스 앞뒤에 상당한 직관부가 필요하다. 구부러지는 부분이나 밸브를 통과하는 유체는 속도분포가 일정하지 않기 때문에 정확한 측정을 할 수 없다. 정확한 측정을 하기 위해서는 오리피스와 그것들의 흐름을 문란하게 하는 부분을 충분히 분리할 필요가 있다. 예컨대, 오리피스의 상류측에 전개의 공 모양 밸브가 있는 경우에 필요한 직관부는(조리개 지름 비 B=0.5인 경우) 상류 쪽에 12D 하류 쪽 에 6D로 ISO에 규정되어 있다. (다만, 조리개 지름 비 B라 함은 B=d/D, 여기에 d 는 오리피스 안지름, D는 상류 쪽 관 지름임)

다. 전자식 유량계

 

이는 『자계 안을 도전성인 물체가 움직이면 기전력이 발생한다」는 패러데이의 전자 유도 법칙을 측정 원리로 하고 있다. 패러데이 자신이 1832년에 이 원리를 실증하기 위해 테임즈강의 유속을 측정하려 시도했다. 그는 워털루 다리 위에서 금속 전극을 늘어뜨리고 그 전극 사이에 발생하는 기전력을 측정하려 했지만 결국 실패했다고 한다.
그림 2-15는 전자식 유량계의 원리를 나타내는 그림이다. 자극 간에 배치된 안지름 d(m)의 파이프 안에 균일한 자계 B(Gauss)를 흐름과 직각이 되게 부여한다.
파이프 안의 유체의 평균 유속을 V(m/s)라 하면 자계와 흐름 각각에 직각인 중심 선상에 발생하는 기전력 E(V)는 다음 식으로 나타낼 수가 있다.

전자식 유량계의 특징은 다음과 같다.
•   오리피스식과 같은 축소부가 없으므로 압력손실이 없다.
•  오리피스식에서는 유량이 평방근 눈금이지만 전자유량계는 등분 눈금이다. 또한, 변환기의 조절에 의해 측정 렌즈의 변     환을 쉽게 알 수 있다.
•  레인지어빌리티가 크다. (일반적으로 20 : 1)
•  유체의 온도, 점도, 압력, 비중, 레이놀즈수 등에 영향을 받지 않고 높은 정밀도로 체적유량을 측정할 수 있다.
•  미생물 등 혼입 물을 포함하는 유체의 유량도 측정이 가능하다.
•  유량과 비례 되는 출력신호를 유량 제로(O)에서부터 얻을 수 있다. 전체 측정 범위에 걸쳐 동일한 정밀도가 보장된다. (±1%)
•  다른 방식의 유량계에 비해 직관부가 짧아도 된다. 일반적으로 상류 쪽에 10D, 하류 쪽은 직관 부가 필요 없다.

 

라. 소용돌이식(와류식 ; VORTEX type) 유량계 

 

그림 2-16은 유체 관로 안에 삽입된 원주의 하류 쪽에 형성된 규칙적인 소용돌이계의 상태를 보여 준다. KARMAN은 이 소용돌이열의 안정성을 조사하고 소용돌이열의 간격 b와 소용돌이의 거리 a가 b/a=0.281인 관계를 충족시킬 때 한하여 안정임을 증명했다. 소용돌이가 지름 d인 원주의 한쪽 면에서부터 단위시간에 1개 방출되었다면 유속 U와의 관계는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

St는 스트로 할 수(Strouhal Number)라 불리는 무차원의 정수이다.
실험에 따르면 이 St 수는 레이놀즈수가 10 2.5~10 5의 범위에서는 약 0.2의 일정한 값이 되므로 그 범위 안에서는 소용돌이 주파수 f를 계측하면 유속 U를 알 수 있다. 

 

 

2.5 기타 측정법

가. 열선풍속계

 

전류로 가열한 열선의 온도는 가열입력과 유체의 흐름에 의해 빼앗기는 열과의 균형에 의해 결정된다. 이 열을 측정함으로써 풍속을 알 수 있다. 열선풍속계에는 저항선의 가열 방법과 제어방식에 의해 정전류법과 정온도법 두 가지가 있다.
전자는 열선에 대한 전류를 일정하게 하고 열선의 저항 변화로부터 풍속을 구하는 방법이며, 후자는 열선의 저항이 일정하게 되도록 전류를 제어하고 공급 전류로부터 풍속을 구하는 방법이다.
열선풍속계에는 ① 기체, 액체 모두 측정이 가능하다. ② 적게 흐르는 구역에서 부 더 많이 흐르는 구역까지 넓은 측정 범위를 가지고 있다. ③ 센서가 매우 작기 때문에 응답이 빠르다는 등의 특징을 가지고 있다.

 

나. 피토우관식 유속계

 

덕트 안을 통과하는 공기량을 알려면 피토우관(그림 2-18)이 흔히 사용된다.
피토우관에 의해 유속을 측정하려면 센서의 앞뒤에 충분한 직관부를 두고 편류 등 이 없게 해야 한다. 

 

다. 액면의 측정

액면을 측정하는 방법은 여러 가지가 있지만, 건축 기계 설비 분야에서 많이 사용하는 것에 관해 설명한다.
가) 전극식
도전성이 있는 액체에 그림 2-20과 같이 전극을 삽입하고 그 도전체를 전기회로의 일부로 이용함으로써 액면 위를 측정하는 방식이다. 길이가 서로 다른 3개의 전극을 사용하면 릴레이 회로에 의해 「상한 경보』, 『중간 표시」, 『하한 경보」의 신호 또는 액면에 의한 펌프의 기동/정지 제어 등을 할 수 있다.
나) 정전용량식
측정물의 유전물을 그림 2-21과 같이 측정함으로써 레벨 변화를 구하는 것으로 구조가 간단하고 견고하며 유지보수가 필요 없고 내습성의 향상 등에 의해 빌딩 안에서의 액면의 원격지시(경보)계로서 중요시되고 있다.
다) 부자식
그림 2-22와 같이 액면에 띄운 부자가 액면의 변화에 의하여 변위 되는 것을 그 어떤 방법으로 검출하여 액면 위를 인식하는 방법

그림