3. 유량의 측정 방법

가. 직접 계량법

유체의 용적과 질량을 직접 계량하는 방법인데, 대체로 정밀도는 낮은 편이다. 직접 계량법에 의한 유량 측정은 유체의 용적에 의하므로, 압력 변동이 있는 가압 유체의 측정은 곤란하다.

습식 가스미터, 피스톤형 유량계, 회전 원판형 유량계 등이 이에 속한다.

나. 간접 계량법

유속에 관계되는 다른 양을 측정해서 유량을 구하고, 이로부터 실제 유량을 산출하는 방법으로 피토관, 오리피스미터, 벤투리미터, 노즐, 전자 유량계, 로터미터 등의 유량계가 있다.

특히, 벤투리계, 오리피스, 피토관 등은 관로를 흐르는 유체의 유량을 측정하는 유량계이며, 위어는 개수로를 흐르는 유체의 유량 측정에 사용된다.

1) 벤투리미터(venturi meter)

그림 1과 같이 관로의 도중에 단면적이 좁은 목(throat) 부분을 설치하면 이 부분에서 유속이 변하고 압력차가 생기는데, 이 차압을 측정하여 유량을 구한다.

그림 1 벤투리 미터의 원리

그림 1에서 관 입구의 단면 ①과 가장 좁은 목 부분의 단면 ②에서의 단면적을 , 두 점 사이의 압력 수두의 차를 (차압은 )라 하고, 두 점 사이의 베르누이의 정리를 적용하면

     .............................................................. (6)

여기서, 이므로, 면적비 이라고 하면,

     .................. (7)

그리고 유량 Q는

    ........ (8)

이 되며, 의 압력차(수두차 )를 측정하면 유량 를 산출할 수 있다. 이와 같은 종류의 유량계를 차압 유량계한다.

실제 유량 는 관로의 마찰이나 저항 등의 손실 때문에 이론값 보다 작아지므로 보정 계수 v를 곱하여 보정한다.

     .... (9)

여기서 를 유량 계수라고 하는데, 보통 Cv = 0.97~0.99의 값을 가진다. 벤투리미터는 장치가 간단하고, 적은 손실 수두로 관 내의 유량을 측정할 수 있는 이점이 있다.

2) 오리피스 미터(orifice meter)

오리피스 미터의 구조와 원리는 그림 2와 같이 오리피스관이라고 부르는 중앙에 원형 구멍을 가진 얇은 판을 관에 끼워 넣어 그곳에 유체가 흐르게 하면 유속에 빨라지고 압력은 낮아진다.

그림2 오리피스미터의 원리

이 오리피스 판의 앞쪽과 뒤쪽의 압력차를 마노미터로 측정하거나 액주관의 수두 높이차로 구하여 이로부터 유속과 유량을 구한다.

오리피스의 직전, 직후에서의 압력차 를 측정하면 유량 는 다음 식으로 구한다.

     ...... (10)

여기서 는 유량 계수로서 이 값은 실험 결과에 의하면 0.6 ~ 0.8 정도이다.

 

3) 피토관(pitot tube)

피토관은 국부 유속을 측정하는 장치이다. 이중관으로 이루어져 한쪽 끝에서는 두 관이 서로 밀봉되어 있고, 또 다른쪽은 각각 마노미터의 다른 쪽에 연결되어 있다. 안쪽 관의 열려진 구멍은 유체의 흐름 방향과 같은 방향에 위치하여 충격 압력을 바깥관에 있는 작은 구멍들은 유체의 흐름 방향과 직각 방향에 위치하여 운동에너지에 상당하는 정압을 각각 마노미터에 전달한다.

그림 3에서 점 ①과 점 ②사이의 위치 에너지차를 무시하고 이므로 기계적 에너지 수지식으로부터 마찰 손실을 피토관 계수 에 포함시켜 나타내면

.... (11)

여기서, : 피토관 입구 부분의 유속(m/s)

             : 피토관 계수

             : 마노미터의 읽음(m)

             : 마노미터액 및 유체의 밀도(kg/m³)

와 같이 국부 유속이 구해진다.

그림3 피토관의 원리

피토관으로 평균 속도나 유량을 측정하려면 각 지점에서의 속도를 구하여 속도 분포 곡선을 적분함으로써 구할 수 있으나 번거롭다. 일반적으로 피토관을 사용 하여 유량을 측정하려는 경우(압력 손실이 적으므로 공업적으로 사용되고 있다.)에는 관 중심에서의 속도인 최대 유속과 평균 유속과의 관계를 사용하여 평균 유속과 구한다. 피토관을 사용하여 유량 를 구하려면 유체의 각 점에서의 유속을 측정하고 그 평균 유속의 단면적을 곱하면 된다.

이러한 피토관은 공업적으로 많이 이용되고 있으며, 특히 비행기의 속도, 수력 발전소의 수량 측정, 송풍기의 풍량 측정 등에 쓰이고 있다.

4) 로터 미터(roto meter)

로터 미터는 위로 갈수록 지름이 넓어지는 것과 그림4와 같이 일정한 면적을 가지고 압력차만큼의 높이를 유지하는 것이 있다. 그 속에 플로트(float)가 있으며, 측정하려는 유체가 밑으로부터 위로 올라가면 플로트는 뜨게 되어 있고, 그 때 가리키는 눈금이 유량을 나타낸다. 플로트의 위쪽에는 몇 개의 구멍이 있어서 저절로 회전하여 수직 방향을 유지하며, 수직관에 달라붙는 것을 방지하는 역할을 한다.

그림4 로터 미터

로터 미터는 사용하기는 매우 간단하나, 온도 및 압력의 영향을 받으며 값이 비싸다. 또 사용하는 유체의 종류와 상태에 따라 수시로 점검해야 하는 결점이 있다.