유량계의 원리 > 계측기 및 자동화 제어기기

플로미터(면적식 유량계)는, 아래 그림에 나타낸 바와 같이, 상단이 하단보다 넓어진 원뿔 형상의 통(테이퍼관) 중에, 부자(플로트)를 넣은 것으로, 유량의 대소에 의해 플로트 가 위아래로 그 균형 위치를 읽고 유량을 구하는 것입니다.

여기서 다음과 같이 기호와 단위를 결정합니다.
Vf : 플로트의 용적 [cm3]
ρf : 플로트의 밀도 [g/cm3]
af : 플로트의 최대 단면적 [cm2]
P1 : 플로트 바로 아래의 압력 [Pa]
P2 : 플로트 바로 위의 압력 [Pa]
ρ : 액체의 밀도 [g/cm3]
U1 : 플로트 바로 아래
의 유속 [cm/sec] U2 : 플로트 간극의 유속 [cm/sec]
A1 : 플로트 바로 아래의 단면적 [cm2]
A2 : 플로트 간극의 단면적 [cm2]
Q : 유량 [cm3/sec]
g : 중력의 가속도
플로트를 밀어 올리는 힘은 af(P1‒P2)
플로트의 중력은 부력을 차감하고 Vf(ρf‒ρ)g

A1A2는 플로트 위치에서 결정되며, C는 환상로의 상당 직경을 이용한 레이놀즈 수의 함수가 됩니다. (그래프 참조)

❺식에 있어서 A1A2, af는 플로트의 위치에 의해 정해지므로 정리하면

이 표현식은 모든 조건의 기본 표현식입니다.

【액체의 경우】

❻ 식은 그대로 활용됩니다. 예를 들면 물용의 플로미터를 비중이 다른 등유로 사용했을 경우, 그 지시는 이하와 같이 변화해 버립니다.

에서 요구됩니다.

【기체의 경우】

기체의 경우는 플로트 밀도 ρf에 대해 기체 밀도 ρ는 무시할 정도로 작기 때문에 식은 다음과 같이 간략화할 수 있습니다.

여기서 플로트의 밀도 ρf, 체적 Vf는 일정하기 때문에 더욱 간략화하여

이와 같이 기체의 경우, Re수가 가까운 조건이면 C˝는 일정으로 간주되므로 기체 밀도 ρ에 의해 유량이 결정됩니다.
단, Re수도 기체 밀도 점도의 함수이므로 C˝가 바뀌고 너무 밀도 점도 조건이 다른 경우에는 상당히 복잡한 해석이 필요합니다.
기체 밀도는 기체의 종류에서는 무론의 일입니다만, 압력·온도에 따라서도 변화합니다. 따라서 동일한 유량계를 사용하여 다양한 조건의 다른 측정을 수행하면 이론적으로 다음과 같은 유량 관계가 성립합니다.
우선 기체 상태식

밀도는 절대 온도 T에 역비례, 절대 압력 P에 비례합니다. 이것을 ❼식을 맞추어 다음과 같이 식을 할 수 있습니다.

다음에 구체적인 보정식에 대해서 예를 나타냅니다.

(예 1) 기체의 종류가 다른 경우
H₂의 플로미터를 He로 이용하는 경우, P1·P2·T1·T2는 동일하므로 위 식을 대입하여,

가 되어, 지시 눈금보다 실유량은 작아집니다.

(예 2) 압력의 조건이 다른 경우
N₂ 의 대기 눈금의 유량계에서 (P1G=OPa), N₂ ·0.3MPa(=P2G)의 측정을 하는 경우, ρ1·ρ2·T1·T2는 동일하므로,

가 되어, 지시 눈금보다 실유량은 커집니다.

(예 3) 온도의 조건이 다른 경우
20℃ 기준으로 교정된 플로우 미터를 25℃에서 사용하는 경우,
(T1=20℃) (T2=25℃)
ρ1·ρ2·P1·P2는 동일하므로,

가 되어, 지시 눈금보다 실유량은 작아집니다.

이상과 같은 보정은 근사식이므로 실제 조건에서는 유량지와 이론값이 맞지 않는 경우가 많습니다. 이론과 실제가 다른 경우도 있다는 것을 근거로 보정식을 활용해 주세요.

일반적으로 플로미터에서 많이 사용되고 있는 것은 표준 상태의 20℃ 1atm(std,stp등), 또는 기준 상태의 0℃ 1atm(normal,nor.ntp등)의 표기입니다. 당사에서는 다음과 같이 정의부를 하고 있습니다. 원칙, 폐사 플로미터의 카탈로그 사양표 등에서의 유량 표기는 표준 상태 유량입니다.

당사 유량계의 대상 표준 가스는 Air, N₂ , O₂, He, H₂, Ar, CO₂의 7 종류의 가스입니다. 이러한 가스에 대해서는 조건에 따라 실제 가스를 사용하여 유량계를 눈금 교정합니다. 다른 특수 가스에 대해서는 가스를 당사 혹은 고객 수배에서 실제 가스 교정을 하거나 보정식을 이용한 Air나 N₂ 등에 의한 환산 눈금 교정을 실시하고 있습니다 . 질량, 성상이 비슷한 가스의 경우, 거의 환산 눈금 방식에서는 문제 없습니다만, 역시, 실제 가스 교정 눈금 방식에 비하면 오차는 커질 가능성이 있습니다. 또한 특수 가스의 경우 재질면에서도 특수한 것을 사용할 필요가 생기는 경우나 결정 등이 부착되어 계측 불가능한 경우가 생기므로 표준 가스 이외의 가스 사양 시에는 반드시 사전에 상담해 주십시오.
또한 액체용 유량계는 원칙수(H₂O)에 의한 교정이 됩니다.

유량계의 일반적인 사용 방법은 그림 A에 나타낸 바와 같이 유량계의 후단을 대기 개방 또는 부하가 없는 상태(압력 손실 저항이 없는 상태)로 사용하는 방식입니다. 이러한 플로미터를 「대기압 눈금」이라고 합니다.
그러나, 실제로 사용해 보면 그림 B와 같이 부하 압력 저항이 걸린 상태가 되는 경우가 종종 있습니다. 부하 압력 저항이 걸린다는 것은, 전술한 플로미터의 원리 설명으로 나타냈듯이 지시는 실제의 유량과 벗어나 버립니다. 이 수식에서 계산하여 기준을 얻는 방법도 있지만 이론과 실제로는 갭이 있고 오차가 생깁니다. 이것은 가압의 경우도 진공압의 경우도 발생합니다.
이러한 경우, 유량계에 걸리는 압력이 알고 있으면 미리 이 압력 상태에서 눈금 교정할 수 있습니다. 예로 해서 그림 C와 같이 유량 제어 밸브 등을 플로우 미터의 후단으로 하고, 플로우 미터에 걸리는 압력을 압력 조정 밸브 등으로 컨트롤하고, 항상 일정한 압력이 걸린 상태로 합니다. 그리고, 이 압력 조건하에서 눈금 교정 하겠습니다. 이러한 플로미터의 눈금을 「부하 압력 눈금」이라고 합니다.

기체는 앞서 설명한 유량계의 원리 설명에 나타난 바와 같이 온도에 따라 그 밀도가 달라집니다. 이로 인해 유량계 눈금과의 지시 오차가 발생합니다. 원칙적으로, 당사 플로우 미터는 교정 온도 20℃에서 제작하고 있습니다. 교정 온도와 실제 사용 온도가 다르므로 지시 오차가 상정되는 경우는, 상기의 보정식에서 기준으로서 보정 계산 받을 수 있도록 부탁드립니다.

유량계의 정밀도는 풀 스케일 유량(그 유량계로 계측할 수 있는 최대 유량)에 대한 오차의 %값으로 표기하고 있습니다. 예를 들어 100mL/min의 RK1400의 경우 정밀도가 풀 스케일의 ±2%이므로 ±2mL/min의 오차라고 합니다. 캘리브레이션 포인트는 각 유량 범위에 대해 지정되며 정확도는 이러한 포인트의 값입니다. 교정 포인트 이외의 포인트는 균등 배분하고 있어 대부분의 경우 이러한 포인트도 정밀도내에 들어갑니다만, 보증의 대상외가 됩니다.

폐사제 유리 테이퍼관의 내부는 단순한 원통이 아니고, 트라이 플랫형·리브 가이드형이라고 불리는 특수한 성형 형상이 되어 있는 것이 특징입니다. 대략 Air 최대 유량 5mL/min~500mL/min 이하의 미소 유량역은 트라이플랫형이며, 최대 유량 1L/min~50L/min의 유량역에는 리브 가이드형을 채용해, 보다 안정된 유량계측을 가능합니다.

<KOFLOC>은 정밀 유량 계측과 정밀 유량 제어의 종합 메이커입니다. 이 2개의 기술의 도킹에 의해, 각종 밸브 부착의 플로미터를 제조하고 있습니다. 유량제어에는 반드시라고 해도 좋을 만큼 유량계측이 수반됩니다. 밸브와 플로우 미터를 따로 어셈블하여 조합하는 방법도 사양 변경에 편리 등의 메리트가 있습니다만, 밸브 부착의 플로미터가 배관의 수고, 스페이스, 종합 조정을 취할 수 있는 등의 메리트가 많이 나온다 괜찮습니다. <KOFLOC>에서는 이러한 요구에 부응하여 수많은 밸브 부착 유량계를 제작하고 있습니다. 이 밸브 부착에도 간이 타입, 정밀 타입, 대유량 타입, 벨로우즈 타입, 또한 입구측 설치, 출구측 설치 등 다양한 것이 있습니다.

유량계로 상부와는 출구측, 하부는 입구측이 됩니다.
상단 밸브와 하단 밸브 플로우 시트는 그림과 같습니다. 유량계의 압력 손실은 매우 작고, 유량계 단독의 경우에는 그다지 문제는 없지만, 밸브 부착의 경우에 중요해져 오는 것이 입구측 압력과 출구측 압력입니다. 밸브를 붙이면 밸브에서 압력 손실이 일어나 입구압과 출구압에 차이가 나옵니다. 유량계는 전술 한 유량계의 원리 설명 에서 나타낸 바와 같이, 이러한 압력에 의해 지시값이 바뀌므로, 밸브 부착의 경우 유량계에 걸리는 압력이 어떻게 되는지 특히 주의를 요합니다.
하부 밸브의 경우, 입구압 P1은 니들로 좁혀 출구에서는 P2가 됩니다. 이 P2가 유량계에 가해지는 압력이 됩니다. 출구 이후에 부하 저항이 거의 없는 경우(대기 개방과 같은 경우) P2=0MPa(G)로 간주할 수 있으므로 플로미터에 가해지는 압력은 없음이라고 생각하고(대기압 눈금)으로 교정합니다. 단 밸브는 사용압력조건이 필요하므로 P1, P2는 주문시 명시가 필요합니다. 물론 부하저항이 있는 경우(P2의 압력이 있는 경우)는 P2도 명시해 주십시오.
상단 밸브의 경우 입구 압력, P1이 유량계에 걸립니다. 밸브 선정에는 상기와 같이 P1, P2가 필요합니다만, 플로미터의 눈금은 P1의 부하 압력 눈금으로 할 필요가 있습니다. 따라서 P1이 변동하지 않도록 압력조절밸브 등으로 압력조정하여 이 플로미터를 이용하는 것이 일반적인 사용법입니다. 특히 후단에 의해 진공 감압 등하는 경우는 플로미터가 감압이 되지 않는 모양 상부 밸브식이 아니면 대부분의 경우 지시 오차가 발생하므로 주의해 주십시오.

유체가 액체인 경우, 유량계의 계측시에 플로트에 기포가 부착되어 정확한 측정 정밀도가 나오지 않는 경우가 있어 주의가 필요합니다. 밸브의 후단의 압력 개방시에 용존하고 있던 공기가 나오기 때문에, 정밀한 계측을 목적으로 하는 경우는, 상부 밸브 타입을 선정 받는 것을 추천 합니다. 또, 이물이나 부식의 관점에서 정확한 유량의 계측을 필요로 하는 경우는 유량계의 블록 재질 선정은 스테인리스 사양을 선정 받는 것을 추천 합니다.

【리드 스위치에 관하여】
리드 스위치는 아래 그림과 같이 한 쌍의 자성체 리드가 일정한 접점 간극을 가지고 유리 튜브 안에 불활성 가스와 함께 봉입되어 있습니다. 리드 스위치가 외부에서 자계를 가하면 리드가 자화되어 흡인하여 접촉하여 회로가 닫힙니다. 자계가 없어지면 리드의 탄성에 의해 회로를 엽니다.

【폐사 플로미터에서의 동작】
플로트 내의 자석과 리드 스위치 내의 자석의 극성을 아래 그림에 나타냅니다. 플로트 내부에 내장된 자석의 극성이 상측에 S극을 세트한 경우에는, 리드 스위치 내에 내장되어 있는 바이어스 자석은, 플로트가 상승하면 플로트 내의 자석 N극과 바이어스 자석의 S극 와 자계의 강도가 증가하고, 리드 스위치는 ON 상태가 됩니다. 반대로 플로트가 하강한 경우에는 플로트 내의 자석 S극과 바이어스 자석의 S극에서 반발하여 리드 스위치의 자계의 강도가 약해져 OFF 상태가 됩니다.
이와 같이 플로트 내부에 내장되어 있는 자석의 극성에 의해 리드 스위치의 동작이 바뀝니다. 또한 리드 스위치의 감도(동작 상태)는 플로트 내부 자석과 바이어스 자석의 거리(Xa)와 바이어스 자석과 리드 스위치의 거리(Xb)에 의해 크게 영향을 받습니다.

※사용 방법 리드 스위치를 검지시키고 싶은 유량 눈금 위치에 고정합니다.
플로트가 설정 개소보다 상승하면 ON이 되는 A접점, 혹은 하강하면 ON이 되는 B접점이 있어, 접점이 들어가면 플로트가 역방향으로 이동하지 않는 한 신호를 계속 유지합니다(자기 유지 기능형 스위치) .

【투과형 포토 센서에 대해서】
투광기와 수광기가 한 쌍이 되어, 투광기로부터 발하는 빛이 수광기에 닿도록, 쌍방이 마주하는 구조의 광 센서입니다.
투광기와 수광기 사이에 검출물 등으로 투광기의 빛이 차단됨으로써 물체 유무를 검지합니다.

【폐사 플로미터에서의 동작】
라이트 온 : 투광기에서 발하는 빛이 수광기에 입광했을 경우에 동작 표시등이 점등합니다. (폐사에서 표준 채용하고 있는 모드입니다)
다크 온: 투광기에서 발하는 빛이 수광기에 입광하지 않은 경우(물체에 차단되는 등), 동작 표시등이 점등합니다.
동작 표시등(녹색/적색): 수광기에 입광하면 점등 상태가 됩니다. (표시등의 상반부가 녹색, 하반부가 적색으로 점등합니다)
안정 표시등(녹색): 플로트 등으로 빛을 차단 수광하지 않는 상태. 켜져 있으면 사용상의 문제가 없습니다. 소등하고 있는 경우, 광축의 어긋남, 더러움 등이 발생. 또는 전원 연결되지 않음.

※사용 방법 포토 센서 본체를, 검지시키고 싶은 유량 눈금 위치에 고정합니다.
유체를 흘리고 플로트가 센서 위치에서 감지되는지 확인합니다. 필요한 경우 볼륨에서 감도를 조정합니다. 포토 센서는 리드 스위치와 달리 정점만 접점입니다.

• 설치시에는 습기가 적은 장소를 선택하고 수직으로 설치하십시오.
• 배관은 유체, 유량, 압력에 따라 적당한 재질, 지름을 선정해 주십시오.
• 플로트 읽기는 아래 그림을 참조하십시오.

※이 그림은 눈금 판독 위치를 나타내기 위한 것이며, 가동부의 형상 및 구조를 규정하는 것은 아닙니다.

• 유량 계측 시에는 테이퍼관의 파손을 방지하기 위해 내압의 70% 이하의 압력으로 사용해 주십시오. 또한 온도에 대해서도 테이퍼관 및 기타 부품의 파손을 방지하기 위해 60℃ 이하의 환경에서 사용해 주십시오. 급격한 온도 변화 또는 반복 사이클에 의한 열충격(히트 쇼크)에 의해 테이퍼관이 깨질 가능성이 있습니다. 이러한 부하가 걸리는 사용법을 하지 않도록 하십시오. 테이퍼관에 표기한 유체 이외의 유독가스나 유독액을 사용하거나, 최고한도를 넘는 온도나 압력으로 사용하면 인체의 손상에 이르는 위험성이 있으므로, 절대로 이러한 사용법을 하지 말아 주세요.
• 갑자기 압력, 유량이 변하면 플로트가 날아가 테이퍼 튜브가 깨질 수 있습니다. 그림과 같이 솔레노이드 밸브와 직렬로 배관하면 낮은 압력에서도 갑자기 유체가 상당량 흐릅니다. 가능한 한 레귤레이터를 넣는 등 직접 압력 변화가 걸리지 않도록 주의하십시오.

• 당사 플로우 미터는 미소 유량을 계측하기 때문에 테이퍼관과 플로트와의 틈새가 매우 좁아지고 있습니다. 쓰레기, 수분 등이 들어가면 막히거나 불안정해지거나 합니다. 테이퍼관 단면에 필터를 장착하고 있는 경우도 있습니다만, 쓰레기가 유입되지 않는 듯 깨끗하고 드라이한 가스를 사용해 주세요.
• 니들 밸브는 「유량 제어」하는 밸브입니다. 제로 셧은 보증하지 않습니다. 유체의 흐름을 멈추는 경우, 별도 스톱 밸브의 설치를 부탁합니다. 또한 필요 이상으로 니들 밸브를 회전시킨 경우 제품이 파손되는 경우가 있습니다. 주의해 주십시오.
• 패널 표면에 설치하는 경우 그림과 같이 제공된 너트를 사용하여 설치하십시오. 패널 가공 치수는 치수도를 참조하십시오.

• 패널 매립 설치를 할 경우에는 그림과 같이 바디 전면의 나사 구멍을 사용하여 설치해 주십시오.

• 너트 및 나사류는 필요 최소한도의 힘으로 조여 주십시오.
• 패널 설치 시나 배관 피팅의 설치 분리에는 풀림 방지를 위해 플로미터 피팅을 스패너로 고정하여 작업을 하십시오. 설치 후에는 비누수 등으로 누설시험을 반드시 실시해 주십시오.