다양한 산업 현장에서 다양한 유체가 사용되며, 유체의 속도는 많은 현장에서 관리 포인트입니다.
편의상 2 ~ 30m/s의 범위를 기체 중유속이라 하고 그 미만은 저유속이라 합니다.
반도체나 특수 금속 제조, 정밀 화학제품 제조 공정은 클린룸에서 이뤄지며 클린룸내 공기흐름을 모니터링하고 제어하는 것은 제품 품질 관리에 중요한 요소입니다.
공공장소, 건물에서 중앙 공급방식으로 실내 공기 온도를 조절할 때도 공급되는 냉, 온풍의 유속이 균일하게 유지되어야 에너지를 효율적으로 사용할 수 있습니다.
유속계(풍속계)는 작동원리에 따라 피토튜브, 열선 유속계, 회전형 유속계 등으로 구분합니다.
(1)피토튜브
피토튜브는 베르누이의 원리로 압력 차이를 측정하고 이를 유속으로 환산합니다. 정확한 유속 측정을 위해서는 정밀한 차압계(분해능 0.2 Pa 이상)를 사용해야 합니다.
피토튜브는 배관 내부를 흐르는 유체의 정압(靜壓, static pressure)과 전압(全壓, total pressure)의 차이를 측정하여 유속을 계산합니다. 유속을 측정할 때는 온도, 대기압, 습도를 측정하여 공기 밀도를 계산합니다.
피토튜브는 Pitot-static probe 뿐만 아니라 S형 피토튜브 (reverse Pitot-static probe), 부스트 벤츄리 프로브(boost venturi probe), 킬 프로브(Kiel probe), 경계층 프로브(boundary layer probe), 2차원 및 3차원 프로브(directional probe)등 여러 가지 종류가 있습니다.
(2)열선 유속계
열선 유속계는 일정한 전류 또는 일정한 온도가 유지되는 열선 주위를 유체가 흘러갈 때 발생하는 대류 열전달을 이용하여 유속을 측정하는 장치입니다.
열선은 상온에서 약 4 Ω ~ 5 Ω 정도의 저항을 가지고 있는데, 전류에 의해 가열되면 저항은 선형적으로 증가합니다. 열선 주위로 흐르는 유체에 의해 대류 열전달이 발생하면 온도가 감소하면서 저항이 변하기 때문에 이를 전류 또는 전압으로 감지하여, 유속에 대응되는 측정값을 계산할 수 있습니다. 열선식 유속계 중에는 열선 주위에 석영(石英, quartz)으로 코팅한 제품도 있는데, 이는 열선의 내구성을 높이고 산화 방지를 방지하는 효과가 있습니다. 산업 현장에서 사용되는 열선 유속계도 열선 주위에 코팅이 되어 있어서 내구성을 높이고 산화를 방지합니다.
열선 센서에 온도 센서가 함께 부착된 경우도 있는데, 이는 유체의 온도를 측정하여 열선에서 출력되는 측정값을 보정하여 보다 정확하게 유속을 측정할 수 있도록 합니다.
열선 유속계를 사용한 유속 측정에 영향을 미치는 인자들은 1) 유속, 2) 열선과 열선 주위의 온도 차이, 3) 열선의 직경 및 길이, 4) 열선의 열전도도, 5) 유체의 열전도도입니다.
(3)회전형 유속계
회전형 유속계는 구조가 단순하며, 가격이 비교적 저렴합니다. 회전형 유속계는 대구경 배관 내부의 유속 분포, 강이나 해류의 유속, 대기의 풍속을 측정하는 장치로서 널리 사용되고 있습니다. 회전형 유속계는 사용하기가 간편하고 산업 현장에서 요구되는 정확도를 쉽게 얻을 수 있습니다. 회전형 유속계에는 회전축에 알루미늄이나 플라스틱으로 제작된 날개가 부착되어 있습니다. 회전축의 회전 속도는 유속에 비례하므로 회전축에 연결된 코일에 의해 발생되는 주파수를 측정 하거나 기어를 연결하여 유속에 대응하는 측정값을 구합니다. 회전축은 마찰력에 의해 매우 낮은 속도에서는 회전을 하지 못하며 마찰력을 이겨내는 속도 이상에서 동작하게 됩니다. 특히 코일이나 기어가 물려있는 경우에는 마찰력이 증가하게 됩니다. 이러한 마찰저항을 최소화하기 위하여 광센서(photo diode)를 사용하여 펄스를 발생시키기도 합니다.
회전형 유속계에는 프로펠러형(propeller) 유속계, 바람개비형(vane) 유속계, 컵형(3-cup) 유속계 등 여러 종류가 있습니다.
회전형 유속계를 사용하면, 유동 방향에 크게 영향을 받지 않고 유속을 측정할 수 있는 장점이 있습니다. 예를 들어, 회전형 유속계의 회전 중심축과 유동 방향이 10° ~ 12° 만큼 차이가 나면, 회전형 유속계의 측정 편차는 약 1 % 정도입니다.
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