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유량 계측기기 - 터빈식 유량계 (Turbine Flow Meter)
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유량계의 종류는 약 100여 가지로, 실제로 산업현장에 널리 사용되고 있는 것은 차압 유량계, 전자기 유량계, 용적식 유량계, 초음파 유량계 등 10여 가지이다. 터빈 유량계는 오래된 기술이기는 하지만 현재는 석유제품의 과세수량 계측용이나 거래용을 비롯하여 석유, 가스, 화학, 약품 등 각종 유체의 거래나 행정관리용으로서 많이 사용되고 있다. 또한 원리가 매우 간단하며 또한 구조도 상대적으로 간단하기 때문에 국제적으로도 많이 사용되고 있다. 특히 산업계에서 액체용보다는 기체용으로 많이 사용되고 있다.




터빈 유량계 (Turbine Flow Meter) 의 개요



터빈 유량계는 1950년대부터 항공, 우주산업으로부터 사용되기 시작하여 현재는 에너지 산업에까지 광범위하게 적용되고 있다. 그러나 현재는 액체용으로도 많이 사용되고 있다. 기체용으로 사용하는 경우에는 기체가 압축성 유체이므로 측정하는 기체의 온도 및 압력에서 유량을 기준온도 및 압력에서의 유량으로 변환시켜주어야 한다.

이를 위하여 온도 및 압력을 보상해주는 온도압력보상장치를 부착하여 사용하는 경우가 많으며 이 또한 필수적인 터빈유량계의 유량측정 원리는 금속으로 제작된 회전자가 유량계의 하우징 내에서 회전을 하며 이 회전수를 자석 또는 Hall Effect 소자를 이용하여 검출하며, 교정을 통하여 구한 회전수당 통과하는 부피에 회전수를 곱하여 유량을 측정하는 방식이다.


터빈 유량계는 원리가 매우 간단하며 또한 구조도 상대적으로 간단하기 때문에 국제적으로 많이 사용되고 있으며 특히, 석유제품의 과세수량 계측용이나 거래용을 비롯하여 석유, 가스, 화학, 약품 등 각종 유체의 거래나 행정관리용으로서 많이 사용되고 있다.





터빈 유량계 (Turbine Flow Meter) 의 역사

지금으로부터 30년 전 터빈 유량계는 미국에서 로켓 엔진의 연료유 유량을 계측하는 장치로서 사용되고 있었는데, 현장에서의 적산값과 테스트하는 곳에서의 교정 결과가 일치되지 않는다는 문제가 발생했다. 그래서 ICRPG(국내 화학 로켓 추진 그룹)가 미터 성능에 영향을 미치는 파라미터를 고려해 넣은 터빈 미터 개발에 관한 해석 프로그램을 개발하고, 앨라배마에 있는 미 육군 미사일 사령부가 1967년 4월 26일 뉴저지의 Greyrad Corp.와 터빈유량계 연구에 관한 공탁을 체결했다.

이 연구 결과가 불과 반년 후인 1967년 10월 11일 Greyrad의 RichardE.Thompson에 의하여 사령부에 보고되었다. 장장 200페이지에 달하며, 아마도 현존하는 문헌 중에서는 가장 체계적이고 해석적인 터빈 유량계의 기술자료일 것이다. 이연구에는 Fisher & Potter社, poter社, Cox社, Foxboro社 등이 협력하고 있다.

터빈 미터 이론은 운동량 이론 또는 날개 이론에 의해 다뤄지고 있다. 초기 이론으로서는 Lee & Evans가 운동량 이론에서 터빈 회전자의 이론 회전각속도 wi에 대한 지연 회전자 슬립비(Δw/wi)의 개념을 제공했다. 또한 Rubin, Miller, Fox는 운동량 이론과 날개 이론을 사용하여 로터의 회전 토크 식을 도출하고 있다.

현재의 이론 식은 이들 유체에 의한 제동 토크와 베어링 마찰에 의한 제동 토크를 가미하여 구축되고 있다. 터빈 유량계의 회전자 날개(블레이드) 모양은 크게 두가지로 분류된다. 하나는 Potter社에서 유래하는 직선 날개(Straight blade), 또 하나는 Fisher & Potter社나 Rockwell社에서 유래하는 나선 날개(Helical blade)이다.

측정 이론식에 대하여 더욱 자세히 알고 싶다면,
http://www.chomdan.co.kr/webzine/fa/2000/07/200007-8398.pdf 글을 참고하기 바란다.





터빈 유량계 (Turbine Flow Meter) 의 구조

터빈 유량계는 그림과 같이 유로의 일부를 형성하는 단관 중에 유체의 흐름으로 회전하는 로터, 이를 위한 축, 베어링과 그것을 지지하는 서포트 핀이 있으며 단관의 외측에는 로터의 회전을 검출하는 픽업, 신호를 전송하는 프리앰프를 가지고 있다. 이와 같이 구성이 매우 간단하며, 따라서그다지 장소를 많이 차지하지 않는 유량계측 장치이다.






터빈 유량계 사용 시 주의사항

터빈 유량계의 정밀도 정격에서 거래용은 표시하는 양의 ±0.2%, 일반용은 표시하는 양의 ±0.5%이며 유량범위는 대체로 5:1~10:1인 경우가 많다. 또한 콤팩트한 구조라서 공간을 그다지 차지하지 않으므로 각 업계에서매우 요긴하게 사용되고 있다. 사용시에는 최소한 다음 사항에 주의해야 한다.


① 유체 유속분포의 영향을 받기 때문에,
    유량계를 교정한 배관조건과 사용조건이 동일조건인지를 확인해야 한다.
   (고정밀도 계측을 요구하는 경우에는 가능하면 유량계 전 후의 배관을 포함하여 미터런으로 취급)

② 교정유체 점도와 사용유체 점도의 차이는 어떤가?
    다른 경우의 보정방법은 확립되어 있는가?
    (고정밀도 계측이 요구되는 경우에는 스몰 볼륨 풀루바에 의한 현지 교정등을 배려)

③ 고형물, 이상 유체의 혼입은 없는가?
    (유체계측의 경우 가스 혼입, 기체계측의 경우 액체 혼입의 제거, 이물의 제거)

④ 유량 측정장소에서의 유체 압력은 충분한가?
    만일 유체 압력이 너무 낮으면 로터 후방에서 캐비테이션이 발생하여 성능에 영향을 미친다.




 

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본 내용은 여러 서적 및 웹 공유 자료나 전문 자료 등을 참고하여 제가 직접 수정, 작성한 내용입니다.
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