유량 계측기기 - 면적식 유량계 (Rotameter, Areameter)

면적식 유량계 (Area meter) 는 관속의 유체량을 측정하는 유량계로서 흐름의 통로에 조절판인 스로틀을 설치하고 스로틀 전후의 차압을 일정하게 유지하도록 유량에 따라서 스로틀 면적을 증감시켜 그 면적에서 유량을 측정한다. 면적을 변화시키는 방법에 따라 여러 형식이 있는데 테이퍼관(수직으로 장치되어 위로 올라갈수록 점점 벌어지는 관) 과 플로트에 의한 플로트식 슬릿붙이 실린더와 피스톤에 의한 피스톤식이 있다. 본 주제에서는 면적식 유량계와 Rotameter에 대하여 알아보고, 구조와 특징 및 장단점에 대해서 자세히 알아보도록 하겠다.

면적식 유량계 (Area meter) 의 기본식

면적식 유량계 (area meter)는 수직으로 설치된 관내에 흐름을 방해하는 물체를 두어, 유량이 증가하면 관과 흐름을 방해하는 물체 사이의 통보가 넓어지도록 되어 있다. Rotameter는 면적식 유량계의 대표적인 것으로서 그 원리는 아래에서 보는 바와 같다. 유량이 증가하면 float가 위쪽으로 움직이며 튜브벽과 float사이의 유체가 통과하는 단면적이 증가한다. 단면적의 크기로부터 유량을 구할 수 있다. 어떤 주어진 유량에 대하여 튜브 내의 float는 다음 3가지 힘의 균형에 의해 일정한 위치에 머물러 있게 된다.

① float의 무게
② float에 미치는 유체의 부력(buoyant force)
③ float에 미치는 drag force

v_f 는 float의 부피, p_f는 float의 밀도, ρ는 유체의 밀도, F_D는 Drag force를 나타낸다.

면적식 유량계 (Area meter) 란?

면적식 유량계는 관속의 유체량을 측정하는 유량계로서 흐름의 통로에 조절판인 스로틀을 설치하고 스로틀 전후의 차압을 일정하게 유지하도록 유량에 따라서 스로틀 면적을 증감시켜 그 면적에서 유량을 측정한다. 면적을 변화시키는 방법에 따라 여러 형식이 있는데 테이퍼관(수직으로 장치되어 위로 올라갈수록 점점 벌어지는 관) 과 플로트에 의한 플로트식 슬릿붙이 실린더와 피스톤에 의한 피스톤식이 있다.

▲ 면적식 유량계의 기본 원리

면적식 유량계 특징으로는 기체, 액체의 유량측정이 가능하고 소유량 고점성 유체 및 부식성 유체에 적합하며 맥동류에서도 오차 발생이 적다. 그리고 설치 시 많은 직관부를 필요로 하지 않고, 일반적으로 수직 취부를 한다.

승직형으로 상부 방향이 넓은 Taper관과 내부에 설치된 Float 구성, 유체가 Taper관 내부를 아래에서 위로 흐를 때 유량에 비례하여 Float가 상승하게 된다. 이와 같은 동작은 유체의 흐름이 Float에서 조임기구 역할을 하여 Float 전후에 차압이 발생하기 때무에 Float가 상승을 하게 된다. Float가 상승을 하게 되면 Taper관의 면적이 넓어지고 차압이 줄어들어 Float의 무게와 Balance가 되어 Float이 정지하게 된다.

Rotameter 란?

▲ Rotameter

Rotameter는 액체통 밑이 뾰족하게 되어 있고 그 아래에 유리관이 연직으로 세워져 있는데, 이 속에 팽이처럼 생긴 부표가 장치되어 있다. 액체가 아래쪽에서 이 유리관으로 들어오면서 부표를 밀어 올리며, 부표에 작용하는 중력과 액체의 흐름에 의한 힘이 평형되는 곳에서 부표가 정지한다. 액체의 흐름이 부표에 미치는 힘은 액체의 점성과 유속의 곱에 비례한다.

▲ Rotameter 의 기본 원리

관로중에 그림과 같이 Taper관에 Float를 넣어 유속에 따른 Float의 위치를 읽음으로서 유량을 측정한다. 3 ～ 150mm의 배관에 설치되며 액체의 경우 0.0003 ～ 200 m3/h, 기체의 경우 0.005 ～17,000 m3/h 까지 측정이 가능하다.

그런데 액체통의 끝이 뾰족하기 때문에 아래쪽에서는 관벽과 부표사이가 좁아서 유속이 빠르고, 또 액체통 벽의 영향으로 유체의 점성도 곁보기에는 커지기 때문에, 부표는 액체의 유량의 대소에 따라 액체통 속에서 정지하는 위치가 달라진다.

면적식 유량계 (Area meter) 의 구조

현장 지시형 유리관 테이퍼관식

투명재질인 경질 그라스 및 아크릴 수지 등 테이퍼관과 부자로 구성되어 있으며 수직으로 설치되어 바로 부자의 위치를 투시, 직접 테이퍼관상의 군금을 판독함으로써 유량을 측정한다. 플로트 상하 이동시 경사관 중심부에 있는 가이드 축을 따라 이동하는 것과 축이 없이 자주적으로 움직이는 것이 있다. 플로트 재질로는 스테인레스, 테프론, PVC 등 측정 유체에 따른 재질이 선택된다.

현장 지시형 금속관식

금속테이퍼 등과 같이 플로트축에 플로트가 일체형으로 구성되어 있으며 가동부로 된 형식으로 테이퍼관 상부에 트명직관을 설치 투시되는 가동부 위치를 판독 함으로써, 직접 유량을 구하는 것과 외부로 인출 간접적으로 유량을 지시하는 것이 있으며, 장점으로는 유리관식에 비해 온도, 압력에 대한 기계적 강도가 우수하고 불투명 유체에서도 적용할 수 있다.

전송형 금속 테이퍼관식

금속 테이퍼관내 가동부의 움직임을 자기 결함에 의해 외부 인출 지침에 의해 지시함과 동시에 전기신호인 4~20mA 또ㅎ는 공기압신호 (0,2~1.0kgf/cm2) 로 변환하여 유량신호를 원격 전송하는 것이다.

플로트 (Float)

부자의 형상은 유체의 종류, 물성 및 레이놀즈수의 범위에 따라 적절한 형태의 것이 선택되어져야 하고, 플로트의 눈금 판독 위치는 일반적으로 부자의 단면적이 가장 큰 부분이다. 또한 플로트의 비중량은 유체 비중량의 2배정도가 제작시 적당하다. 대부분의 플로트에는 경사진 홈이 파져 있는데 그 이유는 부자 주위 유체흐름이 변하게 되면 부자가 회전하면서 유량 변화에 따른 상승, 하강시 점도 등에 의한 마찰오차를 줄이고 부자가 평행 상태를 유지하도록 하기 위함이다.

면적식 유량계 (Area meter) 의 특징 및 장단점

면적식 유량계의 특징

① 기체, 액체의 유량측정이 가능하고, 특히 소유량,
    고점성 유체 및 부식성 유체에 적합하며,
    맥동류에서도 오차 발생이 적다.
② 스케일 눈금이 직선적이다.
③ 유효 측정범위시 10:1로서 넓다.
④ 플로트 형상설계에 따라 레이놀즈수가 상당히 작은 범위까지
    유량계수가 일정한 값을 얻을 수 있다.
⑤ 설치시 많은 직관부를 필요하지 않고, 일반적으로 수직 취부한다.

면적식 유량계의 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.

 

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