유량 측정의 원리와 요소 이해
유량을 정확히 측정하기 위해서는 기본적으로 유량계 적용분야의 환경에 대해 명확한 이해해야 합니다. 그러므로 공정 유체의 특성과 설치 환경을 온전히 파악하기 위하여 충분한 시간을 투자하여야 합니다.
올바른 유량계의 선택을 위한 첫 단계
유량 센서의 선택에 있어 첫 단계는 유속 정보가 연속적이어야 하는지 누계되어야 하는지, 그러한 정보가 국지적 또는 원격적으로 필요한지를 결정하는 일입니다.
원격이라면 전송이 아날로그, 디지털 또는 공유되어야 하는지를 결정하여야 합니다. 공유되어야 한다면 필요한 최소 데이터 갱신주기는 얼마인지를 결정하여야 합니다.
이러한 질문들에 대한 답이 이루어지면 공정 유체의 속성과 유량 특성 그리고 유량계를 사용할 배관에 대한 조사가 이루어져야 합니다.
이러한 작업에 체계적으로 접근하기 위한 문서양식들이 개발되어 왔으며 각 적용분야 별로 다음 유형의 데이터를 입력하여야 합니다.
유체 및 유량 특성
유체와 유체의 압력, 온도, 허용 압력 감소치, 밀도(또는 비중), 전도, 점도(뉴턴 또는 비뉴턴 점도) 그리고 최대 작동 온도에서의 증기압이 이러한 속성들이 어떻게 변화하고 상호작용 하는지에 대한 설명과 함께 열거되어 있습니다. 추가로 모든 안전 또는 독성 정보 또한 유체의 구성, 버블의 존재, 고형물(마모성 또는 연성, 미립자의 크기, 섬유질), 코팅 경향 그리고 광투과 속성(불투명, 반투명 또는 투명)과 함께 제공되어야 합니다.
압력 및 온도 범위
유량계를 선택할 때 일반적인 작업 수치에 더하여 예상되는 최소 및 최대 압력과 온도 수치가 주어져야 합니다. 유량이 역전되는지 여부, 유량이 항상 배관을 채우는지 여부, 슬러그 유량(기체-고체-액체)이 발생하는지 여부, 통기 또는 맥동의 가능성이 높은지 여부, 급작스러운 온도 변화가 발생할 가능성 여부 또는 세척 및 유지관리 중에 특별한 예방책이 필요한지 여부 등과 같은 정보들이 언급되어야 합니다.
배관 및 설치 영역
배관 및 유량계가 위치할 영역에 관하여 다음 사항을 고려하여야 합니다.
배관의 경우 방향(액체의 경우 아래로 흐르지 않도록 할 것), 크기, 재료, 세부구조, 플랜지 압력 등급, 접근성, 업 또는 다운스트림 전환, 밸브, 조절기 그리고 가용한 직관의 길이.
이를 규정하는 엔지니어는 전기 또는 공압 전력을 사용하는 경우, 해당 영역이 폭발의 위험이 있는 것으로 분류되는 경우 또는 위생 및 제자리 세정 규정의 준수와 같은 기타 특별한 요구사항이 존재하는 경우 해당 영역에 진동 또는 자기장이 존재하거나 존재할 가능성이 있는지를 파악하여야 합니다.
유속과 정밀도
다음 단계는 측정하여야 하는 최소 및 최대 유량(질량mass 또는 체적volume)을 파악하여 필요한 측정 범위를 결정하는 일입니다. 그 이후 필요한 유량측정의 정밀도가 결정됩니다. 보통 정밀도는 실측정치(AR), 교정 범위(CS) 또는 최대크기(FS) 단위의 퍼센티지로 표시됩니다. 정밀도는 최소, 보통 및 최대 유량에 대하여 별도로 언급되어야 합니다. 이러한 요구사항을 파악하지 못하면 유량계의 측정결과는 전체 범위에 대해서 수용 가능하지 않을 수도 있습니다.
제품이 판독에 기반하여 판매 또는 구매되는 적용분야에서는 절대 정밀도가 중요합니다. 기타 적용분야에서는 반복성이 절대 정밀도보다 중요할 수도 있습니다. 그러므로 각각의 적용분야에 대해서 정밀도와 반복성 요구사항을 별도로 규정하고 기술 사양에 두 가지 모두 언급하는 것이 바람직합니다.
유량계의 정밀도가 % CS 또는 % FS 단위로 표시되는 경우 측정된 유속이 감소함에 따라 절대 오류율이 증가할 것입니다. 미터 오류율이 % AR로 표시되는 경우 절대 수치에서의 오류율은 유속이 높든 낮든 동일할 것입니다. 전체 범위(FS)는 언제나 교정 범위(CS)보다 양적으로 크기 때문에 % FS 측정 센서는 동일한 % CS 사양을 가진 센서보다 언제나 더 높은 오류율을 가지게 됩니다. 그러므로 모든 수치를 공평하게 비교하려면 언급된 모든 오류구문을 동일한 % AR 단위로 변환하는 것이 바람직합니다.
제대로 구축된 유량계 기술사양에는 정밀도에 관한 모든 내용이 동일한 % AR 단위로 변환되어 있으며 이러한 % AR 요구사항과 수치는 최소, 보통 및 최대 유속에 대하여 별도로 표시되어 있습니다. 모든 유량계 기술사양과 수치는 최소, 보통 및 최대 유속에서의 미터의 정밀도와 반복성 모두를 명확하게 언급하여야 합니다.
정밀도 대 반복성
만약 이동 부품(moving part)이 있는 유량계와 없는 유량계 중 선택할 수 있는 경우에는 가급적 가동부가 없는 유량계를 선택하여야 합니다. 가동부는 마모, 윤활 그리고 코팅 감도와 같은 유지 보수에 관련 된 이유 뿐만 아니라 때때로 측정 대상 유량에 영향을 끼칠 수 있는 일정 공간을 필요로 하기 때문에 잠재적인 문제 요인이 될 수 있습니다. 유지보수와 교정이 잘 이루어진 유량계의 경우에도 이러한 측정되지 않는 부분의 유량이 유체 점도 및 온도 변화와 함께 변할 수 있습니다. 온도 변화로 인해 유량계의 내부 치수를 변경과 보상 처리가 필요할 수 있습니다.
추가로 유량계와 유량 센서를 모두 사용할 수 있는 경우에도, 일반적으로 유량계를 사용하는 것이 바람직합니다. 한 지점을 측정하는 유량 센서는 전체 유량을 볼 수 없기 때문에 전체 배관에 걸쳐 유속이 속도 프로파일의 평균값을 가지는 깊이까지 삽입되었을 경우에만 정확한 측정이 가능합니다. 이러한 포인트가 교정 시에 주의 깊게 결정된다 하더라도 속도 프로파일이 유속, 점도, 온도 그리고 기타 요인에 따라 변하기 때문에 단일 센서보다는 온전한 유량계 제품 사용이 권장 됩니다.
질량 Mass 또는 체적 Volume 단위
유량계를 결정하기 전에 유량 정보가 질량 단위와 체적 단위 중 어느 쪽으로 기록 되는 것이 맞는지도 확인해야 합니다. 압축 가능한 물질의 유량을 측정하는 경우 체적 유량은 밀도와 점도가 일정하지 않는 한 큰 의미가 없습니다. 압축이 불가능한 액체의 속도, 체적 유량을 측정하는 경우 지체된 버블의 존재가 오류를 초래하게 됩니다. 그러므로 공기나 가스는 유체가 유량계에 도달하기 전에 제거되어야 합니다. 기타 속도 센서에서는 파이프 라이너가 문제(초음파)를 초래하거나 레이놀드 수(RD)가 너무 낮은 경우(와류 방출 유량계의 경우 RD는 20,000 보다 커야 합니다) 유량계가 기능을 정지할 수도 있습니다.
이러한 고려사항의 관점에서 밀도, 압력 및 점도 변화에 민감하지 않고 레이놀드 수의 변화의 영향을 받지 않는 질량 유량계Mass flowmeter를 염두에 두어야 합니다. 또한 화학산업에서 잘 쓰이지 않는 다양한 용수로들이 전체 배관의 유량을 부분적으로 측정하고 다량의 부유고체 또는 침강성 물질을 통과시킬 수 있습니다.
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