마이크로 타원형 기어 유량계 저점도 액체 유량계

용적식 유량계(positive displacement meter, 줄여서 PD)는 주로 액체 유량의 정량 측정에 사용되며, 계량법상 적산 유량계의 일종으로 분류된다.

유량 측정방법은 계량실 내부의 회전자나 피스톤 등의 가동부와 그것을 둘러싸고 있는 케이스와 사이에 일정 용적의 공간부를 밸브로 하고,

그 속에 유체를 충만시켜 유체를 연속적으로 유출구로 송출하는 구조로 되어 있으며, 그 계량횟수에서 용적유량을 측정하는 원리이다.

용적 유량계에는 케이스와 가동부에 의해서 형성되는 계량 공간부 형식에 따라 회전자형, 피스톤형, 로터리 벤형 등 여러 가지가 있으며,

회전자형 중에서 가장 많이 사용하는 것이 오벌 기어(oval gear)형과 루터 기어(roots gear)형이다.

대표적인 것으로는 유량 계측방법은 유속이나 압력 등의 간접적인 방법으로 유량을 측정하는 것이 아니라 계량부의 일정체적에 따라 유량을 직접 측정하는 직접 측정방식이다.

계측 정밀도가 높아 공업용으로부터 LPG의 소비량 및 기름 판매를 위한 계량용에 이르기까지 다양하게 이용되는 방식이다.

대표적인 오발기어형과 루터미터형 용적식 유량계의 원리는 아래 그림과 같다.

다른 종류도 거의 동일한 원리로 동작을 한다.

유체가 유입되면 회전자에 회전력이 발생하게 되는데, 유체의 흐름이 빠르면 이와 비례해서 회전자가 빨리 돌게 되고,

반대로 유속이 느리면 회전자는 천천히 돌게 된다. 이때 회전자의 회전수를 측정하여 유량을 환산하는 방식이다.

즉, 유량(Q)은 다음과 같은 간단한 관계식으로부터 계산을 할 수 있다.

Q = K × N

여기서 K는 회전자가 1회전할 때 배출되어 나오는 유체의 용량이며, N은 회전자의 회전수이다.

K는 회전자를 설계하면서 알고 있는 값이므로, 결과적으로 회전자의 회전수를 측정하면 유량을 알 수 있다.

용적식 유량계의 구조는

기본적인 동작원리에 따르면 크게 계량부, 전동부, 변환부 등 3가지로 구성되며, 필요에 따라서 발신부 및 습도와 압력을 보정하는 보정연산부가 추가된다.

계량부는 내압을 받아 유지하는 외통부와 계량실을 구성하는 내통부로 되어 있다. 내통부는 회전자의 축 및 축받이를 지지할 수 있도록 되어 있다.

전동부는 유체의 흐름에 따른 회전자의 운동을 외부로 전달하는 부분이다.

변환부는 전동부로부터 전달된 계량부의 회전을 계수부(지시기)의 계수 단위량으로 변환시키기 위한 감속 기어부로 구성되어 있으며, 유속을 표현해 주는 부분이다.

용적식 유량계는

액체의 점도, 밀도 등 물리적 조건 등에 따른 영향이 작고(액체의 종류 및 성질에 의한 영향이 적음), 점도가 높은 액체에 대한 오차도 적기 때문에 특히 고점도 유체유량 측정에 최적이다.

또한 유체의 흐르는 에너지로 동작하기 때문에 외부로부터 에너지 공급 없이도 측정이 가능하며, 표준 정밀도가 ±0.5% 이내이고, 고급형은 ±0.2% 이내의 높은 정밀도를 가지고 있으며,

측정가능범위도 1:10 ~ 1:20으로 비교적 넓은 편이다.

차압식과는 달리 유량계 전단부에 직관부가 필요없는 것이 큰 장점이다. 이런 장점 때문에 다른 유량계의 표준기로도 사용된다.

단점으로는 회전자가 필요한 복잡한 구조이므로 용량이 커지면 크기가 커지는 점과 회전자와 케이스 사이의 간격이 매우 정밀하게 제작되어야 하기 때문에,

액체 중에 고체 입자가 혼입이 되면 고장 날 우려가 있으므로, 반드시 인입구 앞에 필터를 설치해야 하는 단점이 있다.

장단점을 고려한 용적식 유량계의 설치요령

① 용적식 유량계는 직관부가 필요하지 않지만, 바로 유량계 전단에 반쯤 열린 밸브가 있어 기포가 발생할 우려가 있는 경우에는 주의해야 한다.

② 액체 중 기체가 있으면 측정오차의 원인이 되므로 기체 분리기를 유량계 상류측에 설치해야 한다.

③ 여과기(strainer)는 유량계의 바로 전단에 설치한다.

④ 유량계의 전후 및 우회 파이프(by-pass line)에는 밸브를 설치한다.

⑤ 유량계 본체의 입구 및 출력 플렌지는 설치시까지 더미 플랜지를 설치하여 먼지 등 이물질이 유입되지 않도록 유의해야 한다.

⑥ 유량계의 점검이 가능하도록 아래 그림과 같이 반드시 우회 파이프를 설치하고, 우회파이프의 크기는 주 파이프와 동일하게 한다.

⑦ 수직설치의 경우, 유량계는 우회 파이프에 설치한다. 이것은 파이프 중량에 의한 응력이 유량계에 직접 가해지는 것을 피하기 위함이다.

⑧ 유량계는 펌프의 배기(discharge) 쪽에 설치해야 한다. 펌프의 흡기(suction) 쪽은 압력이 낮기 때문에 유량계의 압력손실보다 압력이 낮은 경우에는 유량계가 회전하지 않는 경우가 생길 수 있다.

⑨ 설치시 유량계를 떨어뜨리거나 충격을 주지 않도록 유의해야 한다. 특히 플렌지 표면에 흠이 나지 않도록 유의해야 한다.

⑩ 유량계의 흐름방향과 실체 유체의 흐름방향이 일치하도록 해야 한다.

2. 오벌 기어 타입 

오벌 기어 타입(oval gear type)은 맞물린 2개의 타원형의 기어를 유체 흐름 속에 놓고, 유체의 압력으로 생기는 기어의 회전을 계수하는 방식의 유량계이다.

아래 그림의 맞물린 위치에서는 유입하는 유체의 압력으로 밑쪽의 기어가 회전 토크를 받아 화살표 방향으로 회전을 일으키고,

1/4회전하면 이번에는 같은 식으로 위쪽의 기어에 회전토크가 작용하여 회전을 계속한다.

기어 1회전에 대하여, 반달모양 부분의 4배 체적의 유체가 통과하기 때문에, 기어축의 회전수를 알면 통과하는 유체의 부피를 알 수 있다.

회전자가 1회전하는 동안에 배출하는 양을 ‘토출양’이라고 한다.

기계적 가동부분이 있지만, 정밀도가 ±0.2~0.5%RD로 유량계 중에서 가장 우수하다.

이러한 장점으로 기어와의 마찰로 인한 마모로 불순물 발생과 이물질 유입시의 걸림에 의한 작동불능이 자주 발생하는 문제가 있어 수도 계량기로는 거의 사용되지 않는다.

오벌 기어 타입의 내부와 외부 형상은 아래 그림과 같다. 

3. 루트 기어 타입

루트 기어 타입(root gear type)은 케이스 내에 2개의 회전자로 구성되어 있으며, 회전자의 표면이 미끄러지지 않도록 땅콩 모양으로 되어 있다.

루트 기어 타입의 동작원리와 내부구조는 아래 그림과 같다.

측정원리는 오벌 기어 타입 거의 유사한데, 회전자 전후의 압력차에 의하여 2개의 회전자가 서로 회전하며 케이스와 회전자 사이에 형성되는

계량실의 부피와 회전수로부터 통과부피를 측정한다.

단, 내부에 있는 2개의 회전자는 서로 접촉하지 않으며, 수십에서 수백 마이크로미터 정확도의 간격을 유지하며 회전하고 있다.

이를 위해 회전자 축에 별도로 파이롯트 기어라는 한 쌍의 기어가 설치되어 있어 회전자가 회전하는 위상을 유지하면서 서로 회전력을 전달하고 있다.

루트식에서 회전자가 서로 접촉하지 않는다는 것은 다른 용적식과는 다른 점으로 다음과 같은 장점이 있다.

① 일반적으로 용적식 유량계의 경우 유체의 점도가 커지면 유량계의 압력 손실이 커지므로 특정 점도이상의 유체는 측정이 곤란하지만,

루트식의 경우는 회전자와 케이스 사이의 간격을 크게 하면 압력손실이 적어지므로 측정이 가능하다.

② 유체의 온도가 높더라도 열팽창에 의해 회전자가 접촉하지 않으므로 고온 유체의 유량측정도 가능하다.

③ 회전자가 비접촉이므로 회전자가 마모되는 경우가 없어 유지보수에 유리하다.

④ 회전자가 비접촉이므로 다소의 슬러리(부유물)를 포함한 유체나 고점도 유체의 측정도 가능하다.

그러나 회전자 사이에 미세한 간격이 있기 때문에 다른 용적식 방식에 비해 유체의 누설이 있을 수 있으며, 저점도 유체에서는 유량 측정범위가 좁아진다는 단점이 있다.

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4. 나선형 기어 타입

나선형 기어 타입(helical gear type)은 회전자의 기어방향이 다른 1쌍의 나선형 기어를 사용하는 것으로 회전자가 직접 맞물려 돌아가는 형식과 파이롯트 기어를 사이에

끼워서 돌아가는 형식이 있다. 대표적인 나선형 기어 타입의 내부구조와 외부형상은 위 그림과 같다.

계량실의 반지름 방향으로 한 개의 격막이 있고 회전자의 중심은 계량실의 중심에서 한쪽 방향으로 치우쳐 있다.

원통형 회전자의 한쪽이 갈라져 있으며, 이 부분이 격막에 끼워져 칸막이를 좁혀주고 있다.

회전자는 입구로부터 들어온 유체의 압력에 의해 이동하게 되며 반대 측에 가득찬 유체를 밀어내게 된다.

회전자 자체는 계량실의 회전축 주위를 회전하지만, 갈라진 틈 부분은 칸막이 위를 왕복 운동한다.

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로터리 피스톤 타입의 특징은 다음과 같다.

① 회전자가 1개이므로 회전저항이 적어 작은 유량 측정에 적합하다.

② 계량실과 회전자 사이를 크게 하였기 때문에 고점도 유체의 측정에 적합하다.

③ 수평, 수직, 기울임 설치 등 설치방법에 제한이 없다.

④ 계량부에 맞물림 기구가 없어 소음 진동이 적다.

⑤ 유체의 이동이 계량실의 회전자 내, 외부에서 동시에 실행되기 때문에 회전자 1 회전당 토출량이 다른 용적식 유량계에 비하여 큰 편이다.

⑥구조가 간단하여 분해와 세척이 쉽다.

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원통형 용기내의 피스톤이 물의 유입으로 진동궤적을 중심으로 회전할 때 용기와 피스톤 내에 있는 유체의 압력에 의해 밀어내는 방식으로 유량을 측정하는 원리이다.

국내 용적식 수도미터로 이 형식이 가장 많이 사용되고 있다.

나선형 기어는 다른 회전자 유량계와 비교하여 다음과 같은 특징이 있다.

① 오벌 기어식과 같이 맥동을 발생시키는 유량계에 비하여 등속회전이고 동일 토크이기 때문에 맥동이 발생하지 않으며, 진공 및 소음이 매우 적다.

② 토출되는 유량이 연속적이며, 1회전당 토출량이 크며 회전속도도 비교적 빠르게 할 수 있기 때문에 소형이라도 대용량의 측정이 가능하다.

③ 두 회전자 사이에 에너지 교환이 없으므로 회전자의 톱니면에 부하가 발생하지 않아 내구성이 뛰어나다.

④ 파이롯트 기어 방식에서는 회전자가 비접촉식으로 동작하므로 내구성이 매우 뛰어나다.

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5. 로터리 피스톤 타입

로터리 피스톤 타입(rotary piston type)은 세미 로터리 피스톤(semi rotary piston) 타입과 링 피스톤(ring piston) 방식으로 분류되며 대표적인 것이

위 그림과 같은 링 피스톤 방식이며, 이것을 다른 말로 진동 피스톤(oscillating piston)이라고도 한다.

계량실의 반지름 방향으로 한 개의 격막이 있고 회전자의 중심은 계량실의 중심에서 한쪽 방향으로 치우쳐 있다. 원통형 회전자의 한쪽이 갈라져 있으며, 이 부분이 격막에 끼워져 칸막이를 좁혀주고 있다. 회전자는 입구로부터 들어온 유체의 압력에 의해 이동하게 되며 반대 측에 가득찬 유체를 밀어내게 된다. 회전자 자체는 계량실의 회전축 주위를 회전하지만, 갈라진 틈 부분은 칸막이 위를 왕복 운동한다.

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로터리 피스톤 타입의 특징은 다음과 같다.

① 회전자가 1개이므로 회전저항이 적어 작은 유량 측정에 적합하다.

② 계량실과 회전자 사이를 크게 하였기 때문에 고점도 유체의 측정에 적합하다.

③ 수평, 수직, 기울임 설치 등 설치방법에 제한이 없다.

④ 계량부에 맞물림 기구가 없어 소음 진동이 적다.

⑤ 유체의 이동이 계량실의 회전자 내, 외부에서 동시에 실행되기 때문에 회전자 1 회전당 토출량이 다른 용적식 유량계에 비하여 큰 편이다.

⑥구조가 간단하여 분해와 세척이 쉽다.

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원통형 용기내의 피스톤이 물의 유입으로 진동궤적을 중심으로 회전할 때 용기와 피스톤 내에 있는 유체의 압력에 의해 밀어내는 방식으로 유량을 측정하는 원리이다.

국내 용적식 수도미터로 이 형식이 가장 많이 사용되고 있다. (출처 네이버 유량센서 블러그에서)

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