면적식 유량계는 프로세스 유량계 중에서 두번째로 많이 사용되고 있으며 측정 원리는 Taper 모양의 관내에 Float 를 띄워서 유체를 아래에서 위로 흐르게 하면 Float는 유량의 증감에 따라 위 아래로 이동한다. 이 Float의 이동으로 유량을 구하는 것이 면적식 유량계이며 Torricelli의 법칙을 이용하여 유량을 구한다.
면적식유량계는 선형 스케일, 상대적으로 넓은 측정 범위 그리고 차압이 크지 않기 때문에 보편적으로 쓰이며, 설치와 유지관리도 간편하다. 이중 Rotameter의 주요 장점은 단순성과 정확성에 있다. 전기나 외부 전원이 필요 없으며, 전기가 없다는 말은 따로 전기 케이블과 conduit 같은 시스템을 구축안해도 되므로 투자비를 줄일 수 있다. 또한, 다양한 유체와 온도 범위에서도 안정적인 측정이 가능하며 투명한 튜브를 통해 유체의 흐름을 직접 관찰할 수도 있어, 시스템의 상태를 신속하게 파악할 수 있다.
유량이 변함에 따라 플로트(float), 피스톤(piston) 또는 날개(vane)와 같은 지시계의 위치가 위 아래로 이동하게 되어 균형이 이루어지며, 테이퍼드(tapered) 튜브를 이용한 유량계를 로터미터(rotameter)라고 하며, 로터미터를 제외하고는 다른 종류의 튜브는 일직선으로 되어 있다.
유체의 흐름은 테이퍼형 관의 플로트를 떠오르게 하고 유체가 통과하는 영역을 증가시킨다. 유량이 커지면 플로트의 높이도 올라가며, 플로트의 높이는 유속에 직접적으로 비례한다. 액체의 경우 플로트는 액체의 부표와 유체의 속도 헤드의 결합으로 상승하며, 기체의 경우 부표는 무시해도 되며 플로트는 속도 헤드에만 반응한다. 플로트는 관 안에서 유속 그리고 플로트와 관의 벽면 간의 고리영역이 비례하여 상승 및 하강한다.
흐르는 유체가 가하는 양력이 플로트가 가하는 아래로 향하는 중력과 같아지면 플로트는 관 안에서 안정적인 위치에 도달하게 되며, 유속의 변화는 이러한 힘의 균형을 뒤집게 된다. 플로트는 그 이후 위 아래로 움직이고 다시 힘의 균형이 이루어지는 위치에 도달하기 전까지 고리영역을 변화시킨다. 힘의 균형을 만족시키기 위하여 면적식 유량계의 플로트는 모든 일정 유속에 대한 별도의 위치를 상정하며, 플로트의 위치가 중력에 의존적이므로 면적식 유량계는 수직방향으로 장착되어야 한다.
면적식 유량계를 선택 시 고려사항으로는 최소 유량과 최대유량을 확인하고 배관의 크기도 확인한다. 그리고 유량을 조절하는데 밸브가 필요한지 여부와 back pressure가 어느 정도인지 확인한다.
차압식 유량계는 유체의 유동 통로가 고정되어 있으며, orifice 상하류에서 측정된 차압이 유량과의 함수관계를 가지고 있지만 면적식 유량계는 유체의 통로가 유량에 따라 변할 수 있는 구조로 되어 있기 때문에, 플로트 상하의 압력차가 항상 일정하게 유지된다.
즉, 면적식 유량계에서는 유체가 흐르는 유로의 면적 변화가 유량의 함수이기 때문에 테이퍼관을 사용하면 유량과 유로면적 변화를 선형인 관계로 만들수 있다.
유체가 관의 하부로 흘러 들어오면 플로트는 위로 상승하게 되고 플로트에 작용하는 압력차, 부력, 중력 및 점성력 등이 평행을 이루는 위치에서 정지하게 된다. 따라서 플로트가 어느 위치에서 균형을 잡고 있을때, 플로트가 밑으로 미는 힘과 윗쪽으로 미는 힘이 같으므로 관내에 흐르는 체적 유량은 아래와 같이 계산할 수 있다.
유량 Q 는 곧 유체 통과 단면적만의 함수이므로 이러한 의미에서 면적식 유량계라 부른다. 식에서 유량결정 상수에 제곱근이 있으므로 계기 눈금이 차압식과 동일하게 자승눈금이 되는 것이므로 이를 직선화 눈금으로 하기위해 자승적 성분에 해당되는 부분을 테이퍼관을 경사지게 제작함으로써 계기눈금이 직선 눈금으로 되는 것이다.
면적식 유량계의 단점으로는 반드시 수직으로 설치해야 하기때문에 불필요한 배관이 생겨나서 부가적인 압력손실을 발생케 할 수도 있고, 유량을 지시하는 프로트의 위치는 점도 또는 밀도에 대한 영향을 받기 때문에 측정대상이 다른 유체의 체적유량을 측정하면은 큰 오차를 유발하게 되므로 표준 유체를 통해 교정을 해야 한다. 면적식 유량계는 주로 소용량의 유량 측정에만 사용되고 있으며, 일반적으로 최대 유량측정 범위는 물의 경우 초당 1리터이고, 공기의 경우는 초당 수십 리터 정도이다.
면적식 유량계 특징으로는
- 기체,액체의 유량측정이 가능하고, 특히 소유량,고점성 유체 및 부식성 유체에 적합하며, 맥동류에서도 오차 발생이 적다.
- 스케일 눈금이 직선적이다.
- 유효 측정범위가 10:1 로서 넓다.
- 설치시 많은 직관부를 필요하지 않고, 일반적으로 수직 취부한다.
- size가 크면 비경제적이므로 주로 4"이하에 적용한다.
- 실제 유량 시험으로 교정해야 한다.
Rotameter의 정확성에 영향을 미칠 수 있는 요인들
Rotameter는 단일 흐름 조건에만 설계되었기 때문에, 다양한 운전조건에서 측정 오류가 발생할 수 있다. 이러한 상황에는 온도, 압력, 습도, 점도(Viscosity)의 변화, 가스 또는 유체의 종류, 진동, 설치 불일치, 먼지, 플로트 손상, 맥동, 플로트의 불안정성 및 알려지지 않은 조건들이 포함된다.
예를 들어, 온도나 압력의 변화는 유체의 밀도와 점도에 영향을 미치며, 이는 플로트의 위치와 유량 측정값에 영향을 줄 수 있다. 또한, 가스나 액체의 다른 종류는 각각 특유의 물리적 특성을 가지고 있어, 같은 Rotameter가 서로 다른 유체에 대해 다른 측정 결과를 낼 수 있다.
진동이나 설치 불일치 같은 기계적 문제들은 Rotameter의 정확한 작동을 방해할 수 있으며, 이는 특히 산업 환경에서 중요한 고려사항으로 먼지나 이물질, 플로트의 손상도 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있다.
이러한 모든 요인들에도 불구하고, Rotameter는 여전히 많은 산업 분야에서 유용하게 사용되는데 그 이유는 이 장치가 비용 효율적이며 사용이 간단하고, 적절한 유지보수와 환경 조건 하에서는 높은 신뢰성을 제공하기 때문이다. 따라서 Rotameter를 사용할 때는 이러한 여러 요인들을 고려하여 적절한 조치를 취하는 것이 중요하다.
종류 및 구조
유량계 구조
1) 현장 지시형 유리관 테이퍼관식
투명재질인 경질 그라스 및 아크릴 수지등 테이퍼관과 부자로 구성되어 있으며,수직으로 설치되어 바로 부자의 위치를 투시,직접 테이퍼관상의 눈금을 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.
관은 정밀하게 성형된 붕규산 유리 (borosilicate glass)이며 플로트는 금속, 유리 또는 플라스틱으로 정밀하게 가공된다. 사실상 유리 테이퍼 관과 스테인레스 스틸 플로트의 조합은 대부분의 사용환경과 요구조건에 부합하는 유형이므로 면적식유량계를 사용 시에는 거의 대부분 유리관 면적식유량계가 사용된다. 다만, 유리 측정관을 파손시키는 90°C가 넘는 액체, 높은 pH 수치의 액체이며 유리를 분해시키는 가성소다, 유리에 식각작용을 일으키는 불화수소산, 고온다습한 증기는 유리관 면적식유량계로 측정이 어려운 매질이다. 유리관 면적식유량계의 또다른 제약은 유리 측정관의 압력 및 온도 제약으로, 1/4”의 작은 관은 최대 500 psig의 압력까지는 적절하나 2"의 큰 관은 100 psig 정도로 낮다. 유리 면적식유량계의 실질적인 온도 한계는 204°C이나 그러한 높은 온도에서 작동하게 되면 유량계의 작동 압력을 상당히 감소시킨다.
2) 현장 지시형 금속관식
이것은 테이퍼관을 금속으로 만들어 외부에서 직접 플로트의 위치를 볼 수 없기 때문에 플로트의 위치를 외부로 취출한 방식으로 현장 지시형 금속관식(local indicating metal tube type)이라 부른다. 금속테이퍼 등과 같이 플로트축에 플로트가 일체형으로 구성되어 있으며, 가동부로 된 형식으로 테이퍼관 상부에 투명직관을 설치 투시되는 가동부 위치를 판독함으로써, 직접 유량을 구하는 것과 외부로 인출 간접적으로 유량을 지시하는 것이 있으며, 장점으로는 유리관식에 비해 금속관은 보통 알루미늄, 황동 또는 스테인리스 강으로 제조되어 온도, 압력에 대한 기계적 강도가 우수하고 불투명 유체에서도 적용할 수 있다. 또한한 워터 해머 또는 기타 힘이 유리 측정관을 손상시킬 수 있는 환경에서 사용되며, 유리관이 사용 불가능한 증기 분야에 적절하다.
이 방식은 플로트의 위치가 직접 보이지 않으므로 취출을 위한 다른 기술이 필요하며, 대표적인 방법은 플로트의 위아래 직선운동을 회전운동으로 변환시키는 방법이다.
3) 전송형 금속 테이퍼관식
금속 테이퍼관내 가동부의 움직임을 자기 결합에 의해 외부 인출 지침에 의해 지시함과 동시에 전기신호인 4∼20 mA 또는 공기압신호(0.2∼1.0kgf/㎠)로 변환하여 유량신호를 원격 전송하는 것이다.
4) 플라스틱 재질의 면적식유량계는 저렴한 비용과 우수한 내충격성, 내화학성이 있어, 금속이 부식되는 유체를 측정할 때 또는 경제적인 솔루션이 필요할 때 사용한다.
플로트
부자의 형상은 유체의 종류, 물성 및 레이놀즈수의 범위에 따라 적절한 형태의 것이 선택 되어져야 하고, 플로트의 눈금 판독 위치는 일반적으로 부자의 단면적이 가장 큰부분이다. 또한 플로트의 비중량은 유체 비중량의 2배정도가 제작시 적당하다. 대부분의 플로트에는 경사진 홈이 파져 있는데 그 이유는 부자 주위 유체흐름이 변하게 되면 부자가 회전 하면서 유량 변화에 따른 상승, 하강시 점도등에 의한 마찰오차를 줄이고 부자가 평행 상태를 유지하도록 하기 위함이다.
설치 및 주의사항
① 진동이 적은 장소를 택하며, 테이퍼관의 중심측이 수직이 될 수 있게 설치한다.
② 필요에 따라 By-Pass 관로를 설치하여 사용하기에 편리하도록 한다.
③ 설치 시, 교환 및 청소에 필요한 공간을 확보하여 설치한다.
④ 유리관을 사용하는 유량계 설치 시 배관으로 인하여 생기는 응력이 유리관에 전달되지 않도록 유량계에 접속하는 배관을 확실히 고정한다.
⑤ 유량계가 무거운 경우 배관이 휘지 않도록 유량계를 지지한다.
⑥ 역류 및 수축 작용이 있을 때는 하류측의 밸브 뒤쪽에 check valve를 설치한다.
⑦ 필요에 따라 상류측에 스트레이너를 설치하며 관로에 부착한 상태로 내부를 세척할 경우 세척관을 설치한다.
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