차압식 유량 측정 범위 비율 분석

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　공정 제어에서는 자주 차압식 유량계를 접하게 되는데, 고급 원판형 유량계, 일반 원판형 유량계, 굽은관 유량계, 벤츄리관 등 다양한 형태가 있지만 원리는 모두 동일하여 베르누이 방정식에 기반을 두고 있습니다.제조업체의 홍보 자료에서는 이러한 유량계의 측정 범위 비율에 대한 설명을 자주 볼 수 있습니다. 예를 들어, 10:1, 20:1, 심지어 40:1, 100:1과 같은 비율들이죠. 즉, 측정되는 소량의 유량이 대량의 유량의 1/40 혹은 1/100에 해당하더라도 여전히 공칭판의 정밀도를 유지할 수 있다는 것입니다.그렇다면 과연 사실은 어떨까요?측정 범위 비율은 도대체 얼마나 클 수 있을까요?아래에서는 공판을 예로 들어 분석합니다.　　　　1. 공정판의 정격비에 영향을 미치는 파라미터 분석　　　차압식 계측기의 유량 계산 공식은 다음과 같다.　　　　　　 （1）　　　이 식으로부터 알 수 있듯이, 유량은 유출 계수 C, 개구비 β, 팽창 계수 ε, 차압, 밀도 ρ 등과 관련이 있다. 따라서 공정판의 정격비도 이러한 파라미터들과 관련이 있다.범위 비율 문제를 논의하려면 먼저 그 안의 각 파라미터를 논의해야 합니다.　　　　1.1 유출 계수 C　　　　유출 계수는 실제 유량과 이론적 유량의 비입니다.1990년대 초부터 서구의 여러 연구소에서 수많은 실험이 진행되었으며, 방대한 양의 실험 데이터가 축적되면서 국제 표준도 마련되었습니다. 그래서 홀판식 유량계는 지금까지 알려진 모든 유량계 중에서, 기하학적 크기만을 정확하게 유지하면 측정 정밀도를 보장할 수 있으며 실제 유체를 사용한 교정이 필요 없는 유량계입니다.또한, 공정판이 유체와 접촉하는 부분은 거의 전부 순수한 기계적 부품이기 때문에 고온·고압 등을 견딜 수 있는 특성을 가지고 있어, 다양한 분야에서 널리 사용될 수 있습니다.특히 고급형 교체 가능한 공정판의 등장으로 **그 활용 범위가 넓어졌습니다.　　　　다른 요인은 고려하지 않을 경우, 오리피스의 유출 계수의 불확실성은 일반적으로 0.6%입니다.　　　　표 1은 ISO5167에 명시된 각접형 압력 측정용 오리피스의 유출 계수가 유량에 따라 어떻게 변화하는지를 나타낸 것입니다.　　　　표에 사용된 것은 레이놀즈 수입니다.동일한 매체가 동일한 파이프 내에서는 레이놀즈 수가 유량에 비례한다.β=0.5, 레이놀즈 수=3′105와 레이놀즈 수=3′104의 경우를 예로 들면, 유량이 10배 변화할 때 유출 계수는 0.6037에서 0.6096으로 변하며, 그 오차는……. 유량이 변함에 따라 유출 계수가 상당히 크게 변하는 것을 알 수 있으며, 유량이 10배 변할 때 유출 계수의 변화량은 약 1%에 달한다.현재 많은 사람들이 밀도만 보상하면 넓은 범위에서도 정밀도를 유지할 수 있다고 생각하는데, 이는 과학적이지 않다.전체 유량 범위에서 계산용 구멍판의 개구 시 유출 계수를 사용할 경우 반드시 큰 오차가 발생할 것입니다.따라서 유출 계수의 보상 잠재력은 반드시 필요하다.　　　　현재 ISO5167에는 유출 계수의 공식이 제시되어 있습니다.각접형 압력 측정을 위한 공식은 다음과 같습니다. 여기서, 유량이 변함에 따라 ReD가 변수가 됩니다.이 공식을 컴퓨터에 입력함으로써 유출 계수 보정 문제가 기본적으로 해결된다.　　　　다른 압력 측정 방식의 공식도 표준에 따라 컴퓨터에 입력하여 보정할 수 있다.　　　　1.2 개구비 β　　　　개구비란, 개구부의 면적과 파이프의 내경과의 비율을 말합니다.공판이 완성되면 그 개구비는 이미 확정됩니다.하지만 파이프와 슬리브는 보통 서로 다른 재질로 만들어지기 때문에 팽창 계수가 다릅니다. 그래서 압력과 온도가 변함에 따라 개구비도 어느 정도 변하게 됩니다.공판 계산 시에는 일반적으로 공정에서 제공된 공판의 작동 온도와 작동 압력을 기준으로 공판의 개구부 크기를 산출한 다음, 이를 1기압, 20°C 조건에서의 공판 개구부 비율로 환산합니다.유량과 범위 비율 사이의 관계는 그다지 크지 않지만, 작동 온도나 압력이 정확하게 주어지지 않으면 계산의 정확도에 직접적인 영향을 미치며, 당연히 유량 비율도 영향을 받습니다.압력 손실 요구사항을 충족하는 경우, β값은 가능한 한 0.5~0.6 정도로 설정하는 것이 권장됩니다.　　　　1.3 팽창계수　　　팽창계수도 차압에 따라 변하며, 즉 유량에 따라 변합니다.전체 유량 범위에 동일한 팽창 계수 ε를 사용하면 큰 오차가 발생합니다.현재 ISO5167에는 팽창 계수에 관한 공식이 제시되어 있습니다. 컴퓨터의 발전에 따라, 유출 계수와 유사한 보정이 가능해졌으며, 이 공식을 중앙 제어 장치의 공극판 계산 공식에 포함시킬 때에만 측정 정확도를 **높일 수 있습니다.　　　　1.4 차압 값　　　　잘 알려져 있듯이, 차압 변환기의 정밀도와 측정 범위는 오리피스의 정밀도와 측정 범위에 상당한 영향을 미칩니다.그래서 최근에는 각 제조업체들이 차압 변환기의 정확도와 측정 범위를 지속적으로 향상시키고 있습니다.아래에서는 일반적으로 사용되는 ROSEMENT3051CD2-5 차압 변환기를 예로 들어 분석합니다.　　　　이 변환기는 10:1의 측정 범위에서는 정확도가 0.065%이며, 10:1을 초과하는 측정 범위에서의 정확도는 그보다 낮습니다.　　　　식(1)로부터 유량은 차압의 제곱근에 비례함을 알 수 있으므로, 차압 변환기의 유량비가 10:1일 때 유량 범위비는 1:3.6:1이 됩니다.그리고 3.16:1이라는 비율은 현장의 요구사항을 전혀 충족시킬 수 없습니다.　　　　아래에서는 유량이 1/10인 더 큰 유량점을 예로 계산해 보겠습니다.유량은 더 큰 유량의 1/10이며, 차압은 더 큰 차압의 1/100입니다.그렇다면 위 식에 따라 계산된 차압 변환기의 해당 지점에서의 정밀도는 0.515%입니다.만약 스케일의 유량에 해당하는 큰 차압이 100kPa라면, 그 지점의 차압은 1kPa가 되어야 합니다. 따라서 1±1*0.515% = 1±0.00515이므로, 그 지점의 차압은 0.99485~1.00515kPa가 됩니다. 제곱근을 구하면 0.9974~1.00257이 되며, 이는 실제 유량의 99.74%~100.26%에 해당합니다. 오차는 0.26%입니다.여기에 유출 계수 C, 팽창 계수와 같은 파라미터의 영향까지 더해지면, 1/10Qmax 시의 유량 측정 정밀도가 1% 혹은 0.5%에 이를 정도로, 해당 지점에서 정밀도를 보장하는 것은 매우 어렵습니다.관심이 있는 독자라면, 유량이 최대 유량의 1/20일 때 차압 변환기의 오차가 그 지점에서 이미 1%를 훨씬 상회한다는 것을 계산해 볼 수 있습니다.따라서 데이터량 비율이 10:1이라면 아직 정확도를 어느 정도 보장할 수 있지만, 20:1이라면 정확도를 보장하기가 매우 어렵습니다.저정밀도의 차압 변환기를 사용할 경우, 그 자체의 정밀도와 정격 범위가 중간 정밀도의 차압계보다 낮기 때문에, 유량이 변할 때 출력되는 오차의 변동폭도 더 커집니다.여기서 더 이상 자세히 설명하지 않겠습니다.　　　　1.5 밀도 ρ　　　밀도의 변화는 유량에 매우 중요한 영향을 미치며, 특히 가스나 증기와 같은 매체의 유량 측정에서 그렇습니다.컴퓨터 기술의 발전에 따라 밀도 보정은 매우 쉬운 일이 되었습니다. 온도와 압력에 따라 기체 상태 방정식이나 증기의 밀도 표, 혹은 액체의 밀도를 나타내는 공식들을 컴퓨터에 쉽게 입력할 수 있습니다.따라서 밀도는 매우 중요하지만, 관련된 보상 방법을 잘 적용한다면 밀도가 정밀도에 미치는 영향은 비교적 적습니다.하지만 모든 범위의 온도와 압력 변화가 밀도의 보상을 통해 상쇄될 수 있는 것은 아닙니다.　　　　또한, 설치 위치, 설치 동심도, 직관 구간, 저항 요소, 변환기의 온도 드리프트, 제로 드리프트와 같은 문제들도 유량에 큰 영향을 미칩니다.자연스럽게 정격비에도 영향을 미칩니다.　　　　　　　　2. 확장형 유량계의 비율을 조절하는 몇 가지 방법　　넓은 비율 범위를 가진 유량계는 여전히 연구해볼 가치가 있는 주제입니다. 밀도 보정만으로는 넓은 비율 범위 내에서의 측정 정확도를 보장할 수 없습니다.밀도 보정 외에 위에서 논의된 다른 파라미터들도 보정되었으며, 현장 설치 조건도 표준 요구사항을 충족하고 유량 범위가 10:1 이내라면, 전체 공판 유량계의 정확도는 일반적으로 1.0%~1.5%에 달할 수 있습니다.만약 유량비가 이미 10:1을 초과했다면, 필자는 매체의 특성에 따라 다른 형태의 유량계를 사용하거나, 유량비를 높이는 다른 방법을 선택하는 것이 좋다고 제안합니다.　　　　홀판의 측정 범위를 확대하는 방법은 일반적으로 세 가지로 나뉩니다. 1) 대유량을 여러 구간으로 나누어 병렬로 연결하여 측정하는 방법입니다；일반적으로 교정 장비에서 이 방법을 사용합니다.각기 다른 파이프라인은 서로 다른 유량 범위를 가지고 있습니다. 더 큰 유량을 얻으려면, 필요한 유량에 맞는 파이프라인을 사용하면 됩니다.2) 구멍이 뚫린 판을 교체하여 β값을 변경함으로써 측정할 수 있으며, 이를 통해 구멍이 뚫린 유량계, 즉 흔히 말하는 구멍판 밸브를 교체할 수 있다；3) 한 대의 공판 유량계에 서로 다른 정격의 차압계를 병렬로 연결하여 측정한다.실제 공정에서는 한 대의 홀판 유량계에 미세차압, 중간차압, 고차압 세 대의 차압 변환기를 병렬로 연결하여 사용하며, 세 대의 차압 변환기가 동시에 작동하여 측정값을 동시에 계산 장치로 전송합니다.계산 유닛은 프로그램을 통해 세 개의 차압 데이터를 선별하며, 동시에 매개변수인 유출 계수 C와 팽창 계수 ε도 선별합니다. 온도와 압력의 경우에는 여전히 온라인 보정 방식이 사용됩니다. 이러한 방법을 통해 유량 측정 시스템의 불확실성을 ±1.2% 이내로 억제할 수 있으며, 측정 범위는 15:1까지 확대될 수 있습니다.　　　　3 결론　　　　요약하자면, 차압식 유량계는 여전히 매우 발전 가능성이 높은 유량 측정 장비입니다. 그 단점들을 극복하기 위해 새로운 방법들을 지속적으로 모색한다면, 이 장비를 더욱 널리, 그리고 보다 정확하게 활용할 수 있을 것입니다.