용적식 유량계
A. 용적식 유량계 원리
a) 개요
용적식 유량계는 액체용과 기체용이 있고 계량법상 적산 유량계의 일종으로 분류된다. 유량측정방법은 내부 회전자나 피스톤등의 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 계량 정도가 높음에 따라 공업 계기용으로 부터 가정의 가스 소비량 및 주유소의 판매기 등에 다양하게 이용되고, 최근 센서기술의 발달로 계수기 전자화를 통한 고기능화가 이루어지고 있다.
b) 측정원리
케이스와 가동부에 의해서 형성되는 계량 공간부 형식에 따라 회전자형 피스톤형,로터리 벤형등 여러가지가 있는데, 회전자형에서 가장 많이 프로세스에 사용되는것은 오발 기어형, 루츠형, 대용량의 석유화학 제품용으로 사용되고 있는 스파이럴 기어형이 있다.
용적식유량계 원리를 설명하면 아래 그림에서와 같이 유체가 유입되면은 회전자 O1 및 O2 표면에는 입구측압력 P1 및 출구측 압력 P2 가 a)와 같이 작용한다. P1 〉P2 조건하에서 회전자 O2 는 회전력이 발생하지않으나, 회전자 O1 에서는 화살표 방향으로 회전력이 발생하고 서로 맞물린 상태의 양 회전자는 외측으로 회전을 하게된다. 회전이 증가함에 따라 회전자 O1 회전력은 점차 감소하고, 반대로 회전자 O2 측에 회전력이 발생 증가하여 그림 b)와 같이 양측 힘이 동일한 상태를 이루게 된다.그림 c)와 같이 되면은 곧,)양쪽 회전자가 90°회전된 상태에서 O1 의 회전력은 0이 되고 O2 측의 회전력은 최대가 된다. 이때 계량실의 일정한 유체는 O1 회전자 측에서 1회 배출되며, 이러한 현상은 양 회전자가 90°회전시마다 다음 O2 측에서 1회 토출된다. 따라서 연속적으로 회전자가 360°회전시 계량실 용적유량을 4번 밖으로 토출하게 되는 것과 같다. 즉, 회전자 회전수는 유체 통과량과 일정 관계를 이루게 되는 것이다.
오발 기어형 유량계는 0.2리터 소유량으로 부터 100 ㎥/h까지 각종 용량의 것이 있고, 스파이럴 회전자형은 비교적 대용량인 2,700 ㎥/h 석유제품 출하, 수입 관리용으로 사용된다. 루츠형은 회전자 오발형과 달리 기어 부분이 없는 대신 2개 회전자 축에 각각 파이롯트 기어를 취부 사용하고 있으며, 회전자 회전원리는 오발 기어형과 동일하다.
스파이럴 회전자형은 회전자에 2개의 스파이럴 기어를 사용하며, 따라서 등속 회전이 되고 유출량에 맥동이 없고, 진동 및 소음발생이 적은 특징을 가지고 있다.
이와같이 오발 기어형, 루츠형, 파이럴 기어형등은 측정정도가 좋아 0.5％정도이고, 표준형은 0.2 ％정도로서 타 유량계의 표준기로 사용될 뿐만아니라 레인지어빌리티가 100∼10:1 정도로 넓다.
그밖의 실용화된 용적 유량계로서는 왕복동 피스톤식 및 선회 피스톤식, 원판식,로타리식 및 드럼식 가스메터와 격막식 가스메터가 있다.
왕복동 피스톤식은 4행정 기관과 동일하다. 계량실이 피스톤과 실린더로 구성되고,사용 피스톤 수는 1∼4개 피스톤까지 다양하게 사용되며, 형식은 가솔린 판매 급유기,석유제품 공급라인으로 부터 일반 부식의 위험이 적고 점도가 비교적 낮은 액체의 소유량 정밀한 계량에 이용되는 것으로 특히 운동자와 케이스간의 누설을 최소로 하는 형이다.
선회 피스톤형은 내통, 외통으로 구성되어져 있고 고정된 실린더 케이스중에 링 형태의 피스톤을 삽입시키고 액체의 흐름과 함께 릴 피스톤이 반시계방향으로 가운데를 중심으로 회전 진동과 동시에 계량실 1.2를 나누는 격벽을 따라 직선운동을 하는 것이다.
회전자의 1회전당 토출량이 타형에 비해 크고, 소형 보일러 연료 계측용, 수도메터, 우유 메터등으로 사용된다. 끝으로 원판형은 디스크형이라고도 부르며, 원판형과 로타리형 또한 회전자의 회전수와 토출량과의 일정 관계를 이용하여 유량을 측정한다.
B. 용적식 유량계 구조
용적 유량계 구조는 기종 및 제작 회사에 따라 다를수는 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.
a) 계량부
계량부(본체부)는 내압을 받아 유지하는 외통부와 일정체적에 해당하는 계량실을 구성하는 내통부로 되어 있다. 외통부는 계측 유체의 압력,습도 부식성에 따라 주철,주강등의 용기로 충분한 강도를 가져야 하며, 내기부는 운동체와 그 축 및 축받이를 포함하고 있다.
b) 전동부
운동체(회전자)의 운동을 외부로 취출시키는 부분으로 자기 연결 방식과 기밀 방식이 있다. 용적유량계는 위험물을 계량할 경우가 많으므로 위험 방지의 관점으로 부터 봉입성이 확실한 자기 연결 방식을 이용하며,이것은 계량부분의 운동을 외부로 전달시 기어등이 없기 때문에 유체누설이 적다.
c) 변환부
전동부로 부터 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 기어열를 교환하는 고정 기어식과 일부분을 기어열 또는 무단 변속기를 내장해서 노브만 조정, 소정의 변속비를 얻을 수 있는 연속 기어조정 장치가 있다.
d) 계수부
용적 계수부는 용도에 따라서 많은 종류가 개발되어 있으며, 단순 적산형,영루형,자동 정량형 등이 있다. 단순적산형은 통과된 전체유량을 단순히 적산하는 것으로 장기간에 거쳐 통과량을 정기적으로 체크하기 위하여 이용된다. 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 계량등에 넓게 이용되고 또한 원격식도 있다. 끝으로, 자동 정량형은 계측 용적이 초기에 임의로 정한 일정량에 달하면 신호를 발생, 자동적으로 계량을 정지또는 경보를 발생시키는 것으로 배치 프로세스 및 방출시 계량의 자동화에 이용하기 위한 것이다.
C. 유량계의 일반적 특성
용적유량계는 다른 유량계와 비교하여 점도, 밀도등 유체의 물리적 영향을 받는 일이 적고 측정 정밀도가 높은 용적 유량을 측정할 수 있다. 다음 그림은 점도가 다른 여러가지의 액체의 유량을 측정한 경우의 오차와 발신기에 의해 생기는 압력 손실을 나타낸 것이다. 이것을 보면은 유량이 적을수록 또 점도가 적을수록 오차는 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 그 이유로는 구조적으로 완전 밀폐하는 것은 어렵고, 회전자와 케이스 내부의 계량부로 부터 유체의 누수가 발생하기 때문이다.
루츠 유량계는 주로 기체용으로써 사용되고 있지만 액체에도 사용할 수 있다. 그밖에 용적 유량계로서 서보형 용적 유량계가 있는데, 고압 가스등에서 점도가 낮고 차압이 큰 경우에 정밀도가 좋은 특성을 나타낸다. 특징으로는 서보형 용적 유량계는 차압이 0이 되도록 동작하므로 오차가 매우 적고 유량 측정시 정밀도를 좋게 할수 있는 것이다. 끝으로 용적 유량계의 일반적 특징으로서는
a.원리적으로 적산형 유량계이다.
b.액체의 점도, 밀도등 물리적 조건등에 따른 영향이 작으므로 폭넓게 사용되고 특히 고점도 유체 유량 측정에 최적이다.
c.유체 에너지에 의해 작동되므로 외부로 부터 에너지 공급 없이도 유량 계량 및 계수 출력이 가능하다.
d.표준정도가 일반적으로 ±0.5 ％ 이내이고, 정밀급은 ±0.2 ％ 이내로 고정도이므로 다른 유량계의 표준기로 사용한다.
e.차압식, 터빈식, 와류식등에 비해서 배관조건에 의한 오차가 작으므로 유량계 전후에 직관부가 필요없다.
f.단점으로는 유체중에 이물질이 많은 경우에는 구조상 보조기기인 여과기등의 설치가 필요하다.
g.회전자 작동 사이클의 작동 제한에 의해 대유량 측정영역에서 측정하고자 할때에는 유량계 설치 단면적이 커지는 단점이 있다.
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