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과학기술 전문자료/계측 & 측정 & 실험 장비

유량 계측기기 - 용적식 유량계 (Positive Displacement Flow Meter)


용적식 유량계 (Positive Displacement Flow Meter) 는 타 유량계에 비하여 직접 체적유량을 측정하는 방법이다. 용적유량계 내에도 사용 목적 및 유체의 종류에 따라 그 종류는 다양하다. 용적유량계의 종류로는 오발기어방식, 루트방식, 헬리컬기어 방식, 로터리 피스톤 방식, 로터리 베인 방식, 회전디스크방식 등 매우 다양하다. 각 용적유량계는 각각 그 특성, 장단점을 가지고 있으며 또한 측정하는 유체에 따라 사용처가 다르다, 따라서 선정 및 적용에 유의하여야 한다.




용적식 유량계 (PD meter) 의 개요

용적유량계의 유량측정 원리는 유량계 내부의 운동자가 흐르고 있는 유체 자체가 가지고 있는 힘에 의하여 운동을 하며, 계량실과 운동자에 따라 주기적으로 이미 부피를 잘 알고 있는 어떤 공간을 구성하며, 이공간의 충반, 배출이라는 주기를 반복적으로 측정하여, 즉 운동자의 회전수를 측정하여 유체의 부피를 측정하는 것이다. 따라서 이 경우 직접 측정하는 변수는 부피가 아니고 운동자의 회전소이다. 따라서 회전수 당 공간으로부터 배출되는 부피를 잘 알고 있으면 부피 유량을 정확하게 측정 할 수 있다.

이 용적 유량계는 주로 소형이 많으며 점도가 높은 약체, 즉, 기름, 식품(액체)등의 유량 측정에 많이 적용되고 있다. 이 용적유량계는 유량계 중에서 가장 정확도가 놓은 것은 사실이나 주로 소형에 많이 적용되며, 압력 손실이 높은 편이고 이 물질 등에 약한 것이 옥의 티이다.


용적식 유량계는 액체용과 기체용이 있고 계량법상 적산 유량계의 일종으로 분류된다. 유량 측정방법은 내부 회전자나 피스톤 등의 가동부와 그것을 싸는 케이스와의 사이에 일정 용적의 공간부를 밸브로 하고, 그 속에 유체를 충만시켜 그것을 연속적으로 유출구로 송출하는 구조로서 그 계량 횟수에서 용적유량을 측정하는 것이다.

즉, 용적식 유량계는 타 유량계에 비하여 직접 체적유량을 측정하는 방법이다. 따라서 계량정도가 높음에 따라 공업 계기용으로부터 가정의 가스 소비량 및 주유소의 판매기 등에 다양하게 이용되고, 최근 센서기술의 발달로 계수기 전자화를 통한 고기능화가 이루어지고 있다.





용적식 유량계 (PD Meter) 의 작동원리

PD Meter(용적 용량계)는 기본적으로 전기 등의 외부 에너지가 필요하지 않으며 유체의 에너지를 이용하여 운동자를 동작시켜 측정을 하고, 일정한 용적의 용기에 유체의 유입, 유출을 반복하여 단위 시간당 유입, 유출 횟수와 용적의 부피를 적산하여 유량을 구한다. 운동자의 회전 수는 보통 Magnetic Pick-up Coil에 의해 측정되어 Counter 등에 표시하고, Output Signal로 Pulse나 Analog신호를 보낸다.


 일반적으로 용적식 유량계는 액체에 의해 작동되는 두 개의 회전식 열가소성 임펠러를 이용한다. 임펠러 안에는 자석이 들어있고, 자석은 펄스 출력 신호를 만들어내는 비유도성 (n on-inductive) 센서를 움직이게 한다. 각각의 펄스는 일정한 부피를 나타낸 후, 원격 자료 수집 및 디지털 표시를 위해 K-계수는 펄스를 처리 단위로 변환시킨다.

용적유량계는 다른 유량계와 비교하여 점도, 밀도 등 유체의 물리적 영향을 받는 일이 적고 측정 정밀도가 높은 용적 유량을 측정할 수 있다. PD Meter는 보통 적산 부피를 구하는데 이용되지만, 단위 시간 운동자의 작동 횟수로부터 순간 유량을 구할 수도 있다.





용적식 유량계 (PD Meter) 의 구조

용적 유량계 구조는 기종 및 제작 회사에 따라 다를 수는 있으나 크게 구분하면 계량부, 전동부, 변환부로 주로 구성되고 필요에 따라서 발신부 및 습도와 압력을 보정하는 보정 연산부가 추가된다. 또한 발신부에는 사용 조건에 따라 수신부가 결합되는 경우도 있다.



  계량부

계량부(본체부)는 내압을 받아 유지하는 외통부와 일정체적에 해당하는 계량실을 구성하는 내통부로 되어 있다. 외통부는 계측 유체의 압력, 습도 부식성에 따라 주철, 주강 등의 용기로 충분한 강도를 가져야 하며, 내기부는 운동체와 그 축 및 축받이를 포함하고 있다.



  전동부

운동체(회전자)의 운동을 외부로 취출시키는 부분으로 자기 연결 방식과 기밀 방식이 있다. 용적 유량계는 위험물을 계량할 경우가 많으므로 위험방지의 관점으로부터 봉십성의 확실한 자기 연결 방식을 이요하며, 이 것은 계량 부분의 운동을 외부로 전달시 기어 등이 없기 때문에 유체 누설이 적다.



  변환부

전동부로부터 전달되어진 계량부 회전을 계수부(지침부)의 계수단위량으로 변환시키기 위한 감속 기어부로서 기종에 따라서는 감속기어부 일부 또는 전부가 계량부내에 장착 되어진 것도 있다. 이 부분의 구성은 필요에 따라 모든 기어열을 교환하는 고정 기어식과 일부분을 기어열 또는 무단 변속기를 내장해서 노브만 조정, 소정의 변속비를 얻을 수 있는 연속 기어조정 장치가 있다.



  계수부

용적 계수부는 용도에 따라서 많은 종류가 개발되어 있으며, 단순 적산형, 영루형, 자동 정량형 등이 있다. 단순 적산형은 통과된 전체유량을 단순히 적한하는 것으로 장기간에 거쳐 통과량을 정기적으로 체크하기 위하여 이요된다.

영루형은 카운터 표시를 임의 필요에 따라 계량 개시 초기의 상태로 돌이킬 수 있는 것으로서 지침식과 숫자식이 있다. 배치 프로세스에서 수동에 의한 소정량의 주입 또는 방출시의 계량 등에 넓게 이용되고 또한 원격식도 있다.

끝으로, 자동 정량형은 계측용적이 초기에 임의로 정한 일정량에 달하면 신호를 발생, 자동적으로 계량을 정지 또는 경보를 발생시키는 것으로 배치 프로세스 및 방출시 계량의 자동화에 이용하기 위한 것이다.





로터에 따른 구분 (Type Of Rotor Unit)



  Oval Gear (액, 기체용) : 대표적인 PD Meter Type

기어가 달린 계랸 모양의 두 회자가 엇갈려 회전하면서 유량을 측정한다.
주로 작은 유량의 측정에 쓰인다.
측정 정확도는 액체의 경우 ±0.5% 이내이며, 기체의 경우 ±1.0% 정도이다.



  Oscillating Piston (액체용)

계량실의 반경 방향에 한 개의 격막이 있고, 이 격막 좌우에 입출구가 나있다.
회전자에는 격막에 끼울 수 있도록 갈라진 부분이 있고,
유체의 압력에 의해 회전하게 되고 반대편의 출구로 유체를 내보낸다.

회전자 자체는 회전을 하지만 갈라진 부분은 격막을 축으로 왕복운동을 한다.
1회전당 토출량이 크며, 가공이 손쉬워 비교적 저가이다. 주로 중소형으로 사용된다.
계량실과 회전자 사이가 커 고점도의 유체에 적합하다.
분해조립이 쉽고, 설치방법(수평, 수직, 시울임)에 제한이 없어
삭품용으로도 사용하며, 진동 소음이 적다.



  Helical Gear (액체용)

나선형 기어 형태이며, Pilot Gear 방식으로 회전자가 비 접촉으로 동작한다.
다른 Gear Type(Oval)의 경우 맥동을 발생시키지만,
helical gear는 등속회전, 등유량이기 때문에 맥동이 없다.
맞물리는 부분이 없어 톱니에 부하가 적어 내구성이 뛰어나며, 소음이 적다.
1회전당 토출량이 크며, 회전속도가 빠르기 때문에 소형이라도 대용량 측정이 가능하다.



  Rotating Vane (액체용 / 기체용 별도)

Vane이 유체의 흐름에 따라 원활히 회전하면서 유량을 측정한다. 대용량에 적합하다.



  Reciprocating Piston (액체용)

계기가 복잡하다는 단점이 있으나, 누설량이 적고 측정 정확도가 높다.
일반적으로 1" 이하의 소형이 많으며, 등유, 경유 등 윤활성 높은 유체에 적합하다. 이물질에 약하다.



  Diaphragm Type (기체용)

대표적인 Gas Meter로서 4개의 계량실과 두 개의 Diaphragm으로 이루어져 있다.
판매용 Gas 측정에 사용한다.



  Nutating Disc

기울어진 Ball Bearing Disc가 Flow의 힘으로 회전하면서
일정한 양의 유량을 내보내게 되어 있다.
주로 Residential Water Service에 사용된다.





용적식 유량계 (PD Meter) 의 특징

① 원리적으로 적산형 유량계이다.

② 액체의 점도, 밀도 등 물리적 조건 등에 따른 영향이 작으므로 폭넓게 사용되고,
    특히 고점도 유체 유량 측정에 최적이다.

③ 유체에너지에 의해 작동되므로
    외부로부터 에너지공급 없이 유량 계량 및 계수 출력이 가능하다.

④ 직접 유량을 측정하는 실측식이므로 정확도가 상당히 높다. (±0.2% ~ ±0.5%)

⑤ 먼지나 이물질에 상당히 약하다.
    유체에 이물질이 있으면 운동자에 끼어 기능을 저하시키므로 Strainer(여과기)를 설치해야 하며,
    액체중의 기포에 의한 오차를 막기위해 Air Eliminator 등을 설치하는 경우도 있다.

⑥ 차압식, 터빈식, 와류식 등에 비하여 배관조건에 의한 오차가 작으므로,
    유량계 전후에 Meter Run(직관부)가 거의 필요없다.

⑦ 사용하는 유체의 범위가 광범위하며 특히 고점도의 유량측정에 적합하다.

⑧ 압력 손실이 크다.
   회전자 작동 사이클의 작동 제한에 의해
   대유량 측정영역에서 유량계 설치 단면적이 상당히 커진다.




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