차압식 유량계의 측정원리와 종류를 나열하고 각각 특성을 설명하시오.
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차압식 유량계는 유체가 흐르는 관로에 조임 기구를 설치하고, 그 전후의 압력차를 측정하여 유량을 구하는 방식입니다1. 이러한 원리를 이용한 유량계는 주로 오리피스, 노즐, 벤츄리 등이 있습니다23.
- 오리피스 (Orifice): 오리피스는 관로 내에 조임 기구를 설치하고, 유량의 크기에 따라 그 전후에 발생한 압력차를 측정하여 유량을 구하는 유량계입니다4. 이 유량계는 제작이 간단하고 가격이 저렴하지만, 정확도가 낮고 압력 손실이 큰 특징이 있습니다4.
- 노즐 (Nozzle): 노즐은 유량계 중 하나로, 오리피스에 비해 압력 손실이 적고 고속 유량 측정에 적당합니다4. 하지만 오리피스보다 가격이 높으며 유지보수가 어렵다는 단점이 있습니다4.
- 벤츄리 (Venturi): 벤츄리는 압력 손실이 작은 특징을 가지고 있습니다5. 이 유량계는 유체의 유입 및 유출 부분이 모두 유선형으로 되어 있어서 센서에서의 압력 손실이 적으며, 실제적인 유체 유동과 벤츄리의 유선형도가 잘 일치하기 때문에 유출 계수는 거의 1에 가깝습니다4.
이 외에도 엘보미터, 층류유량계 등이 차압식 유량계의 종류로 포함됩니다3. 이들 각각의 특성은 사용 환경, 유체의 종류, 필요한 정확도 등에 따라 선택됩니다4.
“`html차압식 유량계
Differential Pressure Flowmeter · Bernoulli Equation · Orifice · Flow Nozzle · Venturi
1. 차압식 유량계 측정원리
유체가 배관의 조임기구를 통과할 때 유속이 증가하고 압력이 감소한다.
Q →
────────────────┬────[ 조임기구 ]────┬──────────────
│ │
P1 P2
│ │
└──────[ DP ]──────┘
P1 > P2
조임기구 전후의 압력차를 측정하여 유량을 계산한다.
ΔP
=
P1
–
P2
2. Bernoulli 관계
필기에서는 Bernoulli 식을 이용하여 압력과 속도의 관계를 설명한다.
P
+
1/2 ρv²
+
ρgh
=
Constant
여기서
v : 유체 속도
ρ : 유체 밀도
g : 중력가속도
h : 높이
같은 높이의 수평 배관에서는 위치에너지 항이 같으므로 압력이 감소하면 속도는 증가한다.
조임부에서 유속이 증가하면
정압은 감소한다.
3. 차압과 유량 관계
필기에서는 유량을 차압의 제곱근에 비례하는 관계로 정리한다.
Q
=
K
√{
(P1-P2)
/
ρ
}
즉
Q
∝
√ΔP
ΔP
∝
Q²
K는 배관 및 조임기구의 형상, 면적비 등에 의해 결정되는 계수로 기록되어 있다.
차압식 유량계에서는
유량 Q가 차압 ΔP의 제곱근에 비례한다.
4. Orifice / Nozzle / Venturi 구조 비교
① ORIFICE
────────────│ ● │────────────
좁은 개구
구조 : 간단
② FLOW NOZZLE
────────────\ /───────────
\___/
완만한 수축
구조 : 중간
③ VENTURI
───────────\ /──────────
\_____/
\ /
\_/
완만한 수축/확대
구조 : 복잡
5. 필기 비교표
| 항목 | Orifice | Flow Nozzle | Venturi |
|---|---|---|---|
| 구조 | 간단 | 중간 | 복잡 |
| 가격 | 저가 | 고가 | 가장 고가 |
| 측정범위 | 변경 시 교환 필요 | 넓은 범위 측정 가능 | 넓은 범위 측정 가능 |
| 압력손실 | 많음 | 중간 | 가장 적음 |
| 내구성 | 낮음 | 중간 | 가장 좋음 |
| 오염/마모 | Edge 마모 영향 큼 | Orifice보다 양호 | 상대적으로 양호 |
6. Orifice 장점
- 구조가 간단하고 가격이 저렴하다.
- 사용조건에 따라 다르나 거의 반영구적으로 사용할 수 있다.
- 측정유량 범위 변경 시 Plate 변경만으로 대응 가능하다.
- 검도는 일반적으로 약 1~2% 수준으로 기록되어 있다.
- 액체, 가스, 증기의 유량 측정이 가능하다.
- 광범위한 온도와 압력 조건에서 사용할 수 있다.
7. Orifice 단점
- 충분한 정도를 보증하기 위해 정확한 제작이 필요하다.
- 배관 내경비가 커지면 압력손실이 증가한다.
- Rangeability가 낮으며 약 4:1 정도로 기록되어 있다.
- Edge 마모가 정확도에 영향을 준다.
- 유체 중 고형물 함유 시 주의가 필요하다.
8. Flow Nozzle 장점
- Orifice에 비해 소량의 고형물이 포함된 유체 측정에 적용 가능하다.
- Orifice에 비해 차압 손실은 작으나 Venturi보다는 크다.
- Orifice보다 마모가 정확도에 미치는 영향이 작다.
- 고온, 고압, 빠른 유속의 유체에도 적용 가능하다.
- 같은 사양의 Orifice보다 유량계수가 약 60% 이상 높다고 기록되어 있다.
9. Flow Nozzle 단점
- 같은 구경의 경우 Orifice보다 Rangeability가 작다.
- 유량 측정범위 변경 시 교환이 Orifice보다 어렵다.
- Orifice에 비해 가격이 높다.
10. Venturi 장점
- 고형물이 포함된 유체 측정에 적합하다. 단, 차압 취출구 막힘에 대한 대책이 필요하다.
- Orifice 및 Nozzle에 비해 압력손실이 적다.
- 유체 체류부가 적어 마모에 의한 내구성이 좋다.
- 대유량 측정이 가능하다.
11. Venturi 단점
- 가격이 Nozzle이나 Orifice보다 높다.
- Rangeability가 낮다.
- 유량 측정범위 변경 시 교환이 어렵다.
- 취부 범위가 크다.
- 동일 사양의 Orifice에 비해 발생 차압이 작다.
12. 이미지 핵심 관계
| 항목 | 이미지 내용 |
|---|---|
| 측정원리 | 조임기구 전후의 압력차 측정 |
| Bernoulli | P + 1/2ρv² + ρgh = Constant |
| 유량 관계 | Q ∝ √ΔP |
| Orifice | 간단 · 저가 · 압력손실 큼 |
| Flow Nozzle | 고온·고압·고속 유체에 적용 가능 |
| Venturi | 압력손실 적음 · 고가 · 구조 복잡 |
Differential Pressure Flowmeter,
Bernoulli Equation, Orifice,
Flow Nozzle, Venturi,
Differential Pressure, Flow Rate,
Pressure Loss, Rangeability