Control Instru mentation

Flow Meter

Abstract

A flowmeter is a device that measures the rate or quantity of a fluid, such as a liquid or gas, that passes through it. Flowmeters are commonly used in industrial and scientific applications to measure the flow of various fluids in pipes, ducts, and other channels. They are also used in many other settings, such as in medical equipment, environmental monitoring, and food processing.
There are many types of flowmeters, including turbine flowmeters, electromagnetic flowmeters, ultrasonic flowmeters, mass flowmeters, and differential pressure flowmeters, each with its own set of advantages and disadvantages. The choice of flowmeter depends on the specific application, the properties of the fluid being measured, and other factors such as accuracy requirements and cost.
- Electromagnetic flowmeters: These measure flow by passing a conductive fluid through a magnetic field and measuring the induced voltage.
- Ultrasonic flowmeters: These measure flow by transmitting ultrasonic waves through the fluid and measuring the time it takes for the waves to travel upstream and downstream.
- Differential pressure (DP) flowmeters: These measure flow by creating a pressure drop across a constriction in the flow path and using the pressure difference to calculate the flow rate.
- Positive displacement (PD) flowmeters: These measure flow by repeatedly filling and emptying a chamber of known volume as the fluid passes through the meter.
- Turbine flowmeters: These measure flow by spinning a rotor in the flow path and using the rotational speed to calculate the flow rate.

Ⅰ. 유량계(Flow Meter)

유량계란?

유량계란액체 또는 기체의 유량을 측정하는 계기로유량을직접측정하는 것은 어렵기 때문에 유체 흐름에 따른 물리량 변화, 유체 흐름에 따른 전기적 현상 등을 기초로 평균유속을 측정하여 간접적인 유량을 산출하는 형식이다. 일반적으로 유량산출에는산출된 평균유속을 연속방정식(Q=CAV)에 적용하여 유량이 산출되어 진다. (Q: 유량(㎥/S), C : 유량계수, A : 단면적(㎡), V : 평균유속)
상수도에서의 유량계는 생산량의 기초 자료인 송수량 산출, 단위급수구역별 급수량 산출 등을 위하여 공급관망에 설치되어 효율적인 유지관리를 목적으로 이용한다.
- 유량계는 한번 설치되면 장기간 사용됨에 따라 유지관리성, 현장 여건 등을 고려하여 선정하여야 한다.
- 또 한, 400mm 이상의 대구경은 초음파 유량계, 그 이하 관경은 전자식 유량계가 경제적이고 유지관리가 편리한 것으로 알려져 있다.
  ※ 상수도의 경우 수용가에 공급량을 계량하는 계기의 법정용어는 수 도미터(W ater Meter)이며 호칭지름이 350mm 이하인 것에 한정하고 있으며,규격에 따라15-50mm 는 나사식 , 65-350mm 는플랜지식 이음 형식이다.(계량에 관한 법률시행령 별표9)
- 반면, 도수, 송수, 배수, 급수관에 설치하여 유량제어, 유수률 제고 등에 이용되는계기는 유량계로 통일하고 있으며, 기능면에서는 수도 미터와거의동일하나, 규격면에서 보면 수도미터보다 대구경이 많은 특징을 가지고 있다.

♣ 유량계 선정시 고려사항

① 사용목적 : 제어용(정수장의 유입 및 유출), 감시용(여과 유량 등)
② 측정의 정도
③ 유량 측정 장소(수로, 관로)
④ 유량 측정 형태(순간량, 적산량)
⑤ 유량 측정 범위
⑥ 수리적 상황(손실수두)
⑦ 감시방법(현장감시, 원거리감시)
⑧ 유량 측정 대상 수질(원수, 정수, 슬러지 등)
⑨ 보수 점검의 난이성 등

(여러종류의 유량계)

유량계 종류

측정방식, 즉 평균유속 산출 방식에 따른 분류
- ① 전자식 유량계(Electrmagnetic Flow Meter)
- ② 초음파식 유량계(Ultrasonic Flow Meter)
- ③차압식 유량계 (Differential Pressure Flow Meter) : Orifice, Venturi, Nozzle Type 등
- ④ 용적식 유량계 (Positive Displacement Flow Meter)
- ⑤면적식 유량계(Area Flow Meter) : Rota Meter, 플로트형, 피스톤형 등
- ⑥ 터빈 유량계(Turbine Flow Meter)
- ⑦ 와류 유량계(Vortex Shedding Flow Meter)
- ⑧ 질량 유량계(Mass Flow Meter)
- ⑨ 가변면적 유량계(Variable Area Flow Meter, Rorameter)
- ⑩ 개수로 유량계(Open Channel Flow Meter) : 웨어, 파샬플륨식 등
  ※ 수도미터측정방식에 따른 분류별 특징(유속식=추측식, 용적식=실측식)

①유속식:추측식으로흐르는 물의 유속을임펠러의회전속도 ,초음파 ,관단면축소에 의한 속도수두차 등에 의하여 계량
하는형식으로국내 사용수도미터대부분 차지한다.

접선류 임펠러식 수도미터 :계량실내에 장치된임펠러가그 접선방향으로부터 물의흐름에 의하여 회전하면서 통과수량
을적산 표시하는 구조이다.(단갑식과 복갑식 ,건식과 습식)
축류 임펠러식 수도미터:수직월트만식 ,수평월트만식 ,더블터빈
벤튜리관분류관식:대유량용 ,공장 등의 수량관리에 많이 적용된다.
바이패스식 수도미터 :유량 측정 폭이 큰 경우 ,병원 ,학교 등에 많이 적용됨
복합식 수도미터
전자기식수도미터
초음파식 수도미터 :단회선 초음파식 ,다회선 초음파식

①용적식:실측식으로됫박으로 물의 부피를 측정하여 계량하는 형식이다.

(접선류 임펠러식 수도미터)

종류별 특징

1)전자식 유량계(Electrmagnetic Flow Meter)

전자식 유량계는 페러데이(Faraday) 전자기유도법칙을 응용한 것으로 전자유도를 이용하여 유속을 측정하여 유량을 산출하는 유량계
측정원리는 자장에 직각으로 도전체가 이동하면 평균유속에 비례하여 신호기전력이 발생하는데 전기량으로 유속을 간접측정하여 유량 을계측하는 계기이다.
※ 전자기유도법칙 : 전자기유도에 의해 회로 내에 유발되는 기전력의 크기는, 회로를 관통하는 자기력선속의 시간적 변화율에 비례한다.
※평균유속 : 관로내를 흐르는 유체의 부피유량을 그 관로의 단면적으로나눈 값
특징
- 기전력이 수질 및 수온에 영양을 받지 않고 유속에 의하여 절정 됨에 따라 물, 하수도, 슬러지 등 측정범위 넓고 정밀도가 높다.
- 기전력을 검출하는 형식으로 전도성 유체에 한하여 적용이 가능하다. 또한, 약품 주입부 근처에 설치하는 경우 약품에 의하여 도전율 불균일이 예상됨으로 설치 위치를 주입 전 상부에 설치하는 것이 바람직하다.
- 검츨기에 흐름 저항요소가 없어 손실수두는 없으나 만관 상태 유지가 필요하다. 또한적정유속범위 0.3m/s 이며, 최저 0.1m/s이상 확보가필요하다.
- 설치에는 정밀도를 위하여 상류측 5~10D, 하류측 2~5D 이상의 직선부 유지 필요하며 고가이다.
- 검출기 내부에 적절한 재질 선정 또는 lining 등을 하는 경우 부식성 액체의 측정도 가능하다.
- 전자식은 전자유도를 이용한 것으로 모터, 변압기 및 배관에 전류가 흐르고 있는 장소에 설치하는 경우 유도장애를 일으킬 수 있음으로 위치선정시 고려하여야 한다.

(전자식 유량계)

2)초음파식 유량계(Ultrasnic Flow Meter)

측정원리는 관로내를 흐름는 유체에 관 외부에서 초음파를 투사하여 유체흐름 정방향과역방향에서 음파를 측정하여 도달시간차로 유속을 측정하여 유량을 산출하는 방식으로 전달시간차 방식과 도플러 방식이 있다
전달시간차 방식은 정수 공업용수, 농수 등 비교적 깨끗한 물에 적용하고, 도플러 방식은 하수, 공장폐수, 공장배수 등 이물질을 다량 함유한 오수의 개수로 등에 적용되고 있다.
※ 전달시간차 방식 : 초음파가 유체내를 통과하는 속도는 유체의 평균유속과 일정한 관계가 있다. 이 통과 시간을 측정하여 평균유속을 산출하여 유량을 산출
※ 도플러 방식 : 진동원과 관측점의 상대운동에 의해 음, 광 등의 주파수가 변화한다고 하는 도플러 효과를 이용하여 초음파로 평균유속을 산출하여 유량을 산출

(초음파식 유량계)

초음파 유량계는 초음파를 투사하고 측정하는 센서의 수량에 따라 단일빔(Single Beam) 방식과 멀티빔(Multi Beam) 방식이 있다. 또한 센서의 설치 방식에 따라 습식(Wet type)과 건식(Clamp on type 또는 휴대형)이 있다.
- 단일빔 방식은 관내의 한면이나 점에서 1쌍의 검출기로 평균유속을 측정방식이고 멀티빔 방식은 3~5 쌍의 검출기를 이용하여 평균유속을 측정하는 방식이다.
- 멀티빔(Multi Beam) 방식은 직관부가 충분하지 않을 경우 적절하며, 한쌍의 변환기가 고장 났을 경우에도 신호 처리 장치에서 적절한 조작을 통하여 나머지 변환기만으로 유량을 측정할 수 있는 장점이 있다, 반면 온도나 압력 등의 영향으로 파이프가 불균일하게 변경될 가능성이 있는 경우 다중빔 방식은 초음파 전파 경로 변화의 영향으로 측정상 오차가 발생된다.
- 습식은 관사이에 유량계를 삽입하는 In-Line 형식으로 Flange에 의하여 설치되는 방식이다.
- 건식은 관 외부에 센서를 올려놓고 클램프 등으로 밴딩된 형식으로 기존관에 설치하는 경우 관 절단 없이 설치 할 수 있어 이동이 자유로운 장점이 있다.
특징
- 검츨기에 흐름 저항요소 없어 손실수두가 없고, 검출기는 유체와 비접촉 형식으로 부식 및 오염물질 부착에 의한 우려가 없다.
- 유속분포의 혼란이 측정 정도에 영향을 줌으로 정밀도를 위하여 상류측 5~10D, 하류측 2~5D 이상의 직선부 유지 필요하다.
- 건식의 경우 관로 외벽에 검출기를 부착하는 방식으로 이미 설치된 관로에 단수나 관로 가공 없이 설치가능하다. 다만 건식은 설치는 편리하나 측정상 정확도, 정밀도 등에서 습식 보다 떨어진다는 단점이 있다.
- 관내 흐름은 만관을 유지해야 정밀도가 높으며, 기포 혼입시 정밀도 떨어질 수 있다.
- 유량계의 전기 계장 배선은 출력 값의 간섭을 막기 위해 각각의 전선관을 사용하여야 한다.

(건식 초음파 유량계)

3)차압식 유량계 (Differential Pressure Flow Meter)

측정원리는 베르누이 방정식을 응용한 것으로 관내 단면이 축소된 목을 설치하고 축수부분에서 압력수두 일부가 속도수두로 변환됨에 따라 발생하는 수두차를 이용하여 유속을 측정하여 연속방적으로 유량을 산출한다. 목 부분의 직경은 입구부 직경의 1/2~1/4 정도로 하며 대표적인 유량계는 오리피스, 벤츄리관, 노즐 등이 있다.
차압식 유량계는 과거 정수처리 공정에서 주로 적용되어져 왔으나, 최근에는 전자식 및 초음파식이 주를 이루고 있다.
※ 베르누이 방정식 : 유체가 유선(흐름선)을 그리며 흐를 때, 두 점 A와 B의 높이 그리고 두 점에서의 압력과 흐르는 속도 사이의 관계를 두 점에서 역학적 에너지가 보존됨을 바탕으로 수식으로 나타낸 방정식, 즉 흐르는 유체에 대하여 유선(streamline) 상에서 모든 형태의 에너지의 합은 언제나 일정하다는 점을 설명하고

P	V 2	+g h	= Constant
ρ	2

v는 유선 내 한 점에서의 유동 속도 (m/s)
g는 중력 가속도(m/s2)
h는 기준면에 대한 그 점의 높이(m)
p는 그 점에서의 압력(㎏/㎠)
ρ는 유체의 밀도(kg(질량)/m3

특징

차압방식은 구조가 간단하며 가동부가 없어 내구성 강하다.
설치 장소가 넓게 소요되나, 제작 및 설치가 최적인 경우 교정 없이정밀도 유지 가능하나, 마모가 발생 하는 등 보편적으로 정밀도는 낮다 .
유속분포의 혼란이 측정 정도에 영향을 줌으로 정밀도를 위하여 상류측 10D, 하류측 5D 이상의 직선부 유지 필요 하다.
거의 모든 종류 유체 측정이 가능하나 고형물이 있는 유체에는 적용하기 어렵다.
- 벤츄리식 유량계의 경우 유량계수가 1에 가까우며, 오리피스나, 노즐보다 압력손실 적다.

(차압식 유량계)

(차압식 유량계 특성 비교)


종류	장점	단점
오리피스 (rifice)	① 구조가 간단하고 저가격이다. ②사용조건에 따라 다르나, 거의 반영구적 ③ 측정유량 범위 변경시 플레이트 변경만으로 가능하다. ④ 점도는 일반적으로 1∼2％이다 ⑤ 액체, 가스, 증기의 유량측정이 가능하고, 광범위한 온도, 압력에서의 유량측정 가능하다.	① 충분한 정도를 보증하기 위해서는 필요한 직관부가 필요하다. ② 벤츄리관에 비해 압력손실이 큼 ③낮은 레인지어빌리티이며, 통상 4:1 정도 ④ Edge의 마모는 정도에 영향을 미치므로 유체 중에 고형물 함유를 피해야 한다. ⑤ 동절기 주기적인 응축수 배수 필요
노즐 (Nzzle)	① 오리피스에 비해 소량 고형물이 포함된 유량측정에 가능하다 ②고온,고압,빠른 유속 유체에도 측정 적당하다. ③ 같은 사양의 오리피스에 비해 유량계수가 60％ 이상 많다.	① 오리피스와 같은 구경일 경우에는 레인지어빌리티가 작다. ② 유량 측정 범위 변경시 교환이 오리피스에 비하여 어렵다. ③ 오리피스에 비해 고가이다.
벤츄리관 (Venturi)	① 고형물을 함유한 유체에 적합하다. 단, 차압입출구 막힘이 발생하므로 퍼지 등 대책 필요 ② 오리피스 및 노즐에 비해 압력 손실 적다. ③ 유체 체류부가 없으므로 마모에 의한 내구성 좋다. ④ 대유량 측정이 가능하다 .	① 가격이 노즐이나 오리피스 보다 고가 ② 낮은 레인지어빌리티를 가진다. ③ 유량의 측정 범위 변경시 교환 어렵다. ④ 취부 범위가 크다. ⑤ 동일 사이즈의 오리피스에 비해서 발생 차압이 작다.

4) 용적식 유량계 (Positive Displacement Flow Meter)

용적식은 일정 용적의 계량실을 가지고 여기에 측정 유체를 유입하여 통과 체적을 측정하는 형식의 유량계로서 계량 회수로부터 용적유량을 측정하는 원리이다.
고점성 액체에 있어서 고점도이며 거래용이나 표준 유량계로서도 사용한다.
유량계 설계부에 직관부는 필요로 하지 않으나 압력손실이 비교적 크다.

5)면적식 유량계(Area Flow Meter) : Rota Meter

면적식은 흐름의 통로에 조절판인 플로트(Flot) 또는 스로틀(Thrttole)을 설치하고 전후의 차압(差壓)을 일정하게 유지시켜, 그 면적의 대소로 유량을 측정하는 방식의 유량계이다.
면적식 유량계는 반드시 수직으로 설치되어야 함으로 설치 조건에 제약을 받는다.
면적식은 내부 구조상 압력손실이 비교적 큰 편이다.
차압식 유량계 보다 적은 유량, 고점도의 유량측정이 가능하다.
주로 액체약품, 염소가스 등의 소용량의 유량측정에 주로 이용된다.

(면적식 유량계)

6) 터빈 유량계(Turbine Flow Meter)

터빈유량계는 관내에 로터(회전날개)를 설치하고 유체를 흘려보내면 유체 흐름과 비례하여 로터가 회전하는데, 이때 로터의 회전속도를 계수하여 유량을 구하는 방식이다. (적용식은Q = k ․ w, w : 로터의 회전수)
터빈유량계는 크게 하우징(housing), 로터(rotor) 등 직접 유체와 접촉하여 측정하는 부분, 유체와 접촉하지 않고 로터의 회전수를 검출하는 픽업 및 이를 전달하는 프리엠프로 구성된다.
큰 관경 및 넓은 온도에서 사용이 가능하며 깨끗한 유체, 유체저항이 작은 저점도 액체에 적합하다.

(터빈 유량계)

(터빈식 유량계)

(터빈식 유량계 구조)

7) 개수로 유량계(Open Channel Flow Meter)

하수처리장, 도수로 등의 개수로의 유량 측정에는 Weir(둑), Flume(수로식) 식 등이 있다.
- 위어식 유량계는 개수로에 삼각, 사각의 위어(둑)을 설치하여 위어에 흐르는 유체의 깊이(위어 수두)를 측정하여 유량을 산출하는방식의유량계이다.
- 플럼(수로식)식은 개수로 도중에축소부를 가진 파샬플륨에 물(Water)통과시키면 유속은 빨라지고, 수위는 낮아지는 현상 발생, 이때 수위 저하량을 측정하여 유량을 구하는 유량계로액위 (수위)를 측정하는 방법에는 초음파식, 투입압력식, 부유식 등이 있 다.
- 또한, 위어식 보다 손실수두가 낮아 낙차 작은 수로에도 적용이 가능하다.
- Flume(수로식) 식의 적용공식 : Q = K․ha n(k, n : 파샬플륨의 형상, 치수 정수,ha :측정위치에서의 수두(m))

(플럼식 개수로 유량계)

(삼각 웨어)

(유량계 종류별 측정 원리 및 장단점)


유량계 종류		측정 원리	장 점	단 점
전자유량계		도체가 자계내 운동시 그 도체내 자계방향 및 운동방향의 양방향의 직각방향으로 기전력이 발생하고 그 크기는 자속밀도와 속도에 비례하는 페러데이 전자유도법칙에 기초하여 신호기전력을 검출하여 유량으로 변환한다.	직관부 길이 비교적 짧다. 전도성인 경우 제약이 거의 없다.	전도성 액체에 국한되고 유지보수가 어렵다.
초음파유량계 (1회선/건식)		전달 시간차법을 기초로 유체 내 초음파 전파속도에 따라 변하는 전파시간차를 측정하여 배관 내 측정선상의 유속을 측정하여 유량으로 연산한다.	설치시 무단수 압력손실 전혀 없다. 기기의 조정 및 교정 가능	비교적 긴 직관부 필요. 기포, 불균일 흐름의 영향이 크다. 외부원인에 의한 오차영향
초음파유량계 (다회선/습식)		전달 시간차법을 기초로 유체 내 초음파 전파속도에 따라 변하는 전파시간차를 측정함으로써 배관 내 여러 측정선상의 유속을 측정하여 이중적분하여 유량으로 연산한다.	비교적 짧은 직관부 필요. 설치시 무단수 압력손실 전혀 없다. 기기의 조정 및 교정 가능	이동용으로 설치가 어렵다 (상설용)
차 압	벤츄리	관로 내에 조임기구(벤츄리, 노즐, 오리피스, V-cne 등)을 설치하여, 유체의 통과 면적을 좁게하면 조임기구에서 발생하는 저항에 의하여 발생된 압력차를 측정하고 베르누이원리에 의한 유량은 차압의 제곱근에 비례함을 응용하여 유량으로 연산한다.	압력손실이 비교적 작다. 이물질침전 등 영향 없다.	외형(길이)이 크다. 비교적 직관부가 길다.
	노즐		고온, 고압 급수 또는 증기유량 측정에 적합	압력손실이 크고, 긴 직관부 필요. 구조복잡
	오리피스		구조가 간단하여 제작용이	압력손실이 크다 비교적 긴 직관부 필요
	V-cone		비교적 짧은 직관부 요구 압력손실이 적다 (오리피스의 1/2 정도)	10inch이상의 대형제작이 곤란
면적유량계		유체흐름은 플로트에 의해 압축되면 전후 차압이 발생된다. 이 차압에 의해 플로트를 상승하고 이 높이에 따라 결정되는 유통단면적과 유량은 비례관계가 있음을 이용 유량을 측정한다.	직관부 불필요 대부분 유체에 사용 가능 재현성이 뛰어나다	고점성, 이물질 포함유체에 부적절. 유지보수가 어렵다 기포 혼입시 오차유발
터빈유량계		유동의 중간에 위치한 터빈의 회전속도가 유속에 비례하는 것을 이용. 측정된 유속을 유량으로 환산.	소형, 구조간단, 압력손실 적다	이물질 걸림에 의한 고장이 잦다
와류유량계 (Vortex)		유체의 유동 내에 직각으로 놓여진 물체(소용돌이 발생체)의 하류에는 유속과 비례한 주파수의 소용돌이 발생, 이 주파수를 검출 유량을 측정한다.	구조간단, 기계적인 가동부가 없다 광범위한 유체측정 가능	맥동 유체, 점성 유체에 사용제한. 이물질, 슬러지에 의한 오차발생 쉽다
프로펠라식 유량계		프로펠라 회전수가 직접 무접점으로 지시계에 전송되어 계량하는 것으로 순간 및 적산유량이 동시에 측정한다.	대구경, 대유량에서 다소 저렴	이물질 걸림에 의한 오차 크다
기타 유량계		피토관, 아뉴바(Annuber), 질량 유량계 등

유량계 검․교정 검사

설치된 유량계는 유량계 파손 여부, 유량계 접합부 등에서의 누수 여부 및 유량계실 침수상태 등을 분기에 1회 이상 정기점검 해야 한다.
- 설치된 유량계는 연1회 이상「국가표준기본법」 제3조제17호에따른 교정을 받거나 오차시험을 하여야 한다.(수도법시행규칙 별표 6)
교정 목적은 측정의 정도(지시차와 실제치와의 차가 없을 것)를 실현하기 위하여 한 대 한 대 조정하는 것으로 교정 방법에는 직접교정법과 간접교정법이 있다.
※ 직접교정법(wet calibration)은 교정하고자 하는 유량계에 직접 측정하고자 하는 유체를 흘려 기준(또는 표준)이 되는 유량계(또는 유량)과 교정하고자 하는 유량계의 지시값을 상호 비교하여 어떠한 차이가 있는지를 비교, 조정하는 방법이다.
※ 간접교정법(dry calibration)은 교정하고자 하는 유량계에 직접 측정하고자 하는 유체를 흘리지 않고 기타 다른 방법을 적용하여 교정하는 방법, 예를 들면 오리피스의 경우 길이 및 조도를 측정한다던가, 초음파 유량계의 경우 시간차 측정, 길이 측정오차 등을 사용하여 유량을 교정하는 방법이다.

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