온도, 압력, 유량, 액면의 계측

1. 온도의 계측

① 온도의 단위 : 온도에는 섭씨온도, 화씨온도 등의 단위가 사용되지만 ISO 기본기본단위로서 캘빈(K) 단위가 사용된다.

     열역학적 온도는 물의 3중점 (얼음, 물, 수증기의 공존하는 상태점)에 있어서 온도를 캘빈 273.16 K이라 한다.

② 온도계의 종류와 측정범위 : 일반 공업 프로세스에서 사용되는 온도는 대부분 특수한 경우를 제외하면 - 200 ~ + 2,000

     ℃ 의 범위에 속하며, 이들의 계측과 제어에는 주로 접촉방식인 저항 온도계와 열전 온도계, 비접촉 방식인 방사온도계

      가 사용된다.

온도계의 분류

전기 온도계	금속	측온 저항계	온도 변화에 따른 금속의 저항 변화량을 이용	접촉식
		열전대	열전대의 열전 효과를 이용
	반도체	서미스터	반도체 중 열에 민감한 저항체를 이용
고온계	흑체	광고온계	흑체의 방사 중 가시광선을 눈으로 측정	비접촉식
		광전 고온계	흑체의 방사중 가시광선을 광전관으로 측정
		방사 고온계	흑체 방사의 법칙을 이용

가. 접촉식 온도계

  ▣ 피측정 물체에 측온부를 접촉, 열평형 상태에 도달할 때 감온부의 물리적 변화량, 즉 전기적인 신호를 측정함으로써

       피측정 물체의 온도를 감지하는 방식으로 측정범위가 넓고, 정밀하게 측정할 수 있다. 유리체 온도계, 압력식 온도계,

       열절대, 바이메탈식 온도계, 저항식 온도계 등이 있다.

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나. 비접촉식 온도계

  ▣ 고온의 피측정 물체로 부터 방사하는 방사에너지, 즉 빛 또는 열을 감지하여 감지 온도와 방사에너지와의 일정한 관계

       를 이용하여 온도를 감지하는 측정방식의 온도계이다.

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③ 저항 온도계 (측온 저항체 : Resistance thermo meter)

 가. 운모권 측온 저항체 소자

   ㉠ 소자의 구조는 폭이 3~ 10 ㎜ 인 가늘고 긴 운모관의 양쪽에 치형(V형)을 파고 이를 따라서 저항 소선이 감겨져 있다.

   ㉡ 이 양쪽에 절연을 위해 폭이 약간 넓은 운모판을 대고 다시 그 위에 2개를 덮어 보호관 내면에 접촉시키고 있다.

   ㉢ 이것은 저항 소자를 진동이나 충격으로 부터 견디게 하고 보호관 사이에 열전도성을 높게 해 주는 효과가 있다.

 

나. 보호관 붙이 측온 저항체 소자

  ㉠ 운모권 측온 저항체 소자에 열기전력의 발생이 없고 최고 사용온도에서 산화 변질되지 않는 재질의 내부 도선을 연결

      하여 보호관 내에 내장한 것이다.

  ㉡ 중저온용으로 온선에 불소, 수소나 유리관을 씌운 것을, 또한 고온용으로서는 니켈선에 자기 절연관을 씌운 것을 사용

       한다.

  ㉢ 내부도선은 거의 3도선식이다.

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④ 열전온도계 (Thermo electric pyrmeter)

  ㉠ 열전대는 측온 저항계와 같이 비교적 안정되고 정확하며 일부 원격 전송 지시를 할 수 있는 측징이 있으므로 공업적으

       로 널리 사용되고 있다.

  ㉡ 열전온도계의 원리 : 서로 다른 두가지 금속의 양단을 접합하면 양 접합점에는 접촉 전위차 불평형이 발생하여 열전류

       가 저온 측에서 고온 측 접합부로 이동하여 단자 사이에 기전력이 발생된다. 이것을 열기전력 (Thermo electromotive

       force)이라 하고 그 현현을 제베크 효과 (Seebeck effect)라 하며, 이 효과를 이용하여 온도를 측정하기 위한 소자가

       열전대 (thermocoulple)이다.

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⑤ 방사온도계

  ▣ 물체에서 방출하는 방사에너지 (물체가 빛이나 열 같은 에너지를 밖으로 방출하는 에너지)는 물체가 뜨거워짐에 따라

       많은 에너지를 방출하고, 물체가 식어감에 따라 보다 작은 에너지를 방출하는 방사에너지를 이용하여 물체의 온도를

       측정하는 온도계를 방사온도계 (radiation pyrometer)라 한다.

  ㉠ 광 온도계 : 단색 파장에 대한 방사 휘도를 측정하고 흑체 온도를 구하는 온도계로서 방사선 중에서 가시광선을 이용하

       는 것이며, 700 ~ 4,000 ℃ 까지 측정할 수 있다. 고온의 물체에 직접 닿지 않고 측정할 수 있으므로 화염이나 용광로

       등의 온도 측정에 사용되지만 시각에 의한 오차가 생기기 쉽다.

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2. 압력의 계측

 ① 압력의 측정

  가. 절대압력 (Absolute pressure) : 완전 진공상태를 "0"으로 보았을 때의 압력으로 표현할 때에는 단위 끝에 "abs"를 붙여

                                                          표시한다. (㎏f / ㎠ abs)

  나. 게이지 압력 (Gauge pressure) : 표준 대기압으로 기준점 "0"으로 하여 측정되는 압력으로 공업적으로 측정되는 압력

                                                           은 주로 게이지 압력으로 표시되고 있다.

  다. 차압 (differential pressure) : 대기압 이외의 압력을 기준으로 하여 측정하는 것으로 서로 다른 압력 중 어느 한 쪽을

                                                     기준으로 다른 압력과의 차를 차압이라고 하며, 차압식 유량 측정이나 레벨 측정시 이용

                                                     한다. 단위 끝에 'diff"를 붙여 표시한다. (㎏f/㎠ diff)

 

② 압력 센서

 

 가. 압전형 압력센서

  ㉠ 측정원리

    ⊙ 압력체는 기계적인 왜형이 생기면 전기 신호를 발생시키며, 이 신호 전압은 왜형의 크기에 비례한다.

    ⊙ 다이어프램에 공정의 압력이 걸리면 기계적인 연결 장치에 의해 압전체에 다이어프램의 변위가 전달된다. 이 때 압전

         체에서 아주 미세한 전압이 발생된다.

  ㉡ 압전체 : 압전효과를 이용하여 압력을 측정할 수 있는 소자를 압전체라 한다.

  ㉢ 압전효과 (Piezo effect) : 외부에서 압력이 증가하면 압전체의 기전력이 양단자에 힘이 전달되어 인가 압력의 크기에

                                              비례하는 기전력이 양단자에 나나타는 효과이다.

  ㉣ 역압전 효과 : 압전 효과와 반대로 결정에 전기를 인가하면 (+)극의 방향에 따라서 결정이 수축하거나 팽창하는 효과

                             이다.

 

나. 정전용량형 압력 센서

  ㉠ 측정원리

    ⊙ 감압 다이어프램의 가동 전극과 고정전극 사이의 정전용량이 고압 쪽과 저압 쪽 사이에 차압에 비례하여 변화하므로

         정전용량의 차인 변화를 전송부의 증폭부에서 통일 전류 신호 (4~20 mA DC)로 변환하여 전송한다.

    ⊙ 정전 용량식은 차압 전송기는 물론 게이지압 전송기, 절대압 전송기에도 사용되지만 구조적으로 차압 전송기에 가장

         적합하다.

  ㉡ 특징

   ⊙ 콘덴서의 전극 간격, 전극의 대항 면적, 전극 간 유전체 (절연체 : 전기가 통하지 않는 물질)의 상태가 변화함에 따라

        정전용량 (콘덴서에 전기를 담아 둘 수 있는 크기)이 변화하는 현상을 이용하여 변위를 정전용량으로 변환시키는

        센서이다.

   ⊙ 전극 간격에 반비례하고, 정전용량 C는 C=εA / ℓ 로 전극 면적에 비례한다.

 

 다. 반도체 왜형 게이지식 센서

  ▣ 반도체의 응력이나 신장력이 어떤 방향으로 작용했을 때 반도체의 길이, 면적이 변화하여 저항값이 변화하는 피에조

       저항 효과를 이용하여 생긴 저항값의 변화를 검출하여 입력 압력에 비례한 신호를 얻는 것이다.

 

라. 진공센서

 ㉠ 피라니 게이지 (pirani gauge)

   ⊙ 측정 저항에서 방생되는 열과 기체 분자 사이의 전도율은 완전 진공에 가까울 수록 떨어지며 이에 따라 측정 저항의

        저항값이 변화된다.

   ⊙ 일정한 열에너지를 받아 가열되는 물체의 온도는 열전쌍에 의해 주위 기체로 방출되는 열량에 따라 정해지므로 열전

        도율의 변화를 가열체의 온도 변화로 부터 측정할 수 있다.

 ㉡ 열전자 진리 진공계

   ⊙ 압력이 높을 수록 기체 분자가 증가하여 이온이 많이 생긴다. 전자의 충돌에 의해 생긴 이온량을 측정하여 진공도를

        구할 수 있다.

 

마. 스트레인 게이지

  ▣ 금속체를 잡아 당기면 늘어 나면서 전기저항이 증가하며, 반대로 압축하면 줄어 들며 전기저항이 감소한다. 이 전기저

       항의 변화원리를 이용한 것이다.

스트레인 게이지의 종류

 

재질	종 류		구 조
금속	접착형	저항선	기판 위에 저항선을 접착
		금속막	기판 위에 금속박을 접착
	비접착형		절연판 사이에 저항선을 감은 형태
반도체	푸시 풀		전극부 뒷면이 N형 모재에 첨부되어 입력이나 힘의 센서로 동작
	확산 형		N형 모재에 SiO2 막을 포토 에칭한 후 열 확산으로 P형을 인출

 

바. 로드셀

  ㉠ 로드셀은 스트레인 게이지를 붙여 사용하기 곤란한 경우에 범용적으로 사용하기 위해 제작된 물체 중량을 측정하는

      변환기이다.

  ㉡ 스트레인 게이지를 이용한 하중 감지 센서로서 힘이나 하중에 대해 변형을 발생시키는 탄성 변형체 (elastic strain

       member)인 감지부에서 발생하는 물리적 변형을 스트레인 게이지를 이용하여 전기저항의 변화로 변환시키고 휘스톤

       브리지 (wheatstone bridge) 전기 회로를 구성하여 정밀한 전기적 신호로 변환시켜 하중을 측정한다.

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③ 압력의 종류와 측정방법

  ⊙ 압력의 측정법에는 크기를 알고 있는 무게와 평형시키는 방법, 탄력성과 평형시켜 스프링의 변위로 압력을 재는 방법,

       압력에 의하여 변화하는 물리적 현상을 이용하는 방법 등이 있다.

  ⊙ 무게와 평형되는 압력계에는 물, 수은 등의 액체 기둥을 사용하는 액체 기둥 압려계와 금속제의 추를 사용하는 분동식

       압력계가 있고 이외에 침종식, 환상식 압력계 등이 있다.

  ⊙ 탄성식 압력계는 압력에 평형된 수압체의 힘에 의해 압력을 측정하며 휨이 아주 작으므로 이것을 여러 방법으로 확대

       해서 지시 또는 기록한다.

  ⊙ 수압체 탄성은 온도 압력 크기에 따라 힘의 상태가 다르므로 장시간 사용하면 휘이 점차 증가하는 것이 이 형식의 압력

       계에 공통된 결점이다.

 

 가. 액체 압력계

  ㉠ 액주식 압력계 (liquid type manometer) : 양 끝이 열려진 U자관에 물, 수은 등의 액체를 넣어 좌우관 두 개에 압력을

       가하면 액면이 높고 낮게 되며, 그 높이의 차로 부터 양쪽 압력의 차를 구하는 것이다. 모세관 현상이나 관 지름의 불균

       일 등으로 확대율은 10배 정도까지만 하는 것이 좋다. 일반적으로 수주 또는 수은주는 10 ~ 2,000 ㎜ 범위에서 사용한

        다.

  ㉡ 침종식 압력계 (Inverted bell jar type manometer) : 침종(浸鐘)이라 불리는 용기를 액면에 엎어서 띄워 놓고 용기 내부

       및 외부에 압력이 도입되도록 한 구조의 것을 싱글 벨 압력계 (single bell manometer) 또는 단종 압력계라 한다.

  ㉢ 환상식 압력계 (ring manometer) : 측정범위는 2 ~ 200 torr이고, 구동력이 지시 발진기 (oscillator)나 기록계 등을 직접

       움직일 수 있고, 또 추의 무게나 중심으로 부터 거리를 바꾸면 감도의 조절도 할 수 있다.

 

나. 탄성 압력계

  ㉠ 부르동 관식 압력계 (bourdon-type pressure gauge) : 단면이 원 또는 타원형인 관을 환상으로 구부려 만든 부르동

       관의 한쪽 끝을 고정시키고 다른 쪽 끝을 밀폐시킨 것이다. 고정시킨 끝으로 부터 압력을 관 안에 작용시키면 관의

       단면은 원형에 가깝게 되고 링의 반지름을 크게 변화사여 자유단이 이동한다. 이 변위는 거의 압력에 비례하므로

       이것을 링크와 기어로 확대해서 바늘을 회전시킨다.

  ㉡ 다이어프램식 압력계 (Diaphragm type manometer) : 다이어프램은 가해진 미소압력의 변화에 대응된 수직방향으로

       팽창 수축하는 압력소자이다. 또한 그 압체를 분리하는 역할 및 가압체를 용기로 부터 외부로 밀봉시켜 주는 역할을

       한다.

  ㉢ 벨로스식 압력계 (bellows type manometer) : 벨로스는 그 외주에 주름상자형의 주름을 갖고 잇는 금속 박판 원통상으

       로 그 내부 또는 외부에 압력을 받으면 중심축 방향으로 팽창 및 수축을 일으키는 압력센서이다. 재료는 인청동, 황동

       이 사용되며, 그 두께는 0.1 ~ 0.35 ㎜ 이다.

 

다. 분동식 압려계 (dead weight tester) : 기름의 압력 p [㎏f/㎠] 에 의해 단면적 A [㎠]의 램이 떠 오를 때 램 위에 분동

      W [㎏f]를 얹어서 기름의 압력과 평형시키면 p =W/A이다. 이 압력계는 약 3,000 [㎏f/㎠]까지의 표준 압력계로서 교정용

      으로 많이 쓰이며, 2 [㎏f/㎠] 이상의 고압측정에 적당하다. 램과 실린더, 기름의 압력과 가압 펌프로 구성되어 있다.

 

④ 압력 전송기

  ▣ 측정 대상의 유체 압력을 그 측정 범위에 대응하여 표준화된 신호로 변환하는 기기가 압력 전송기이다.

 

가. 공기식 압력 전송기

  ㉠ 차압 전송기 : 고압측 PH 와 저압측 PL 의 차를 측정하여 출력으로 PH - PL에 비례한 DC 전류 신호 4 ~ 20 mA 를 보낸

                              다.

  ㉡ 게이지압 전송기 : 저압 대기를 개방하여 게이지 압력 PH - PL에 비례한 DC전류 신호  4~ 20 mA를 보낸다.

  ㉢ 절대압 전송기 : 저압측을 진공으로 하여 절대 압력에 비례한 DC 전류신호 4~20 mA 를 보낸다.

 

나. 노즐 플래퍼 (nozzle - flapper)

  ㉠ 변위를 압력으로 변환하기 위해 일반적으로 사용되는 것으로 공급 압력이 일정한 경우 출력압력은 플래퍼와 노즐 간의

       간격에 의존한다.

  ㉡ 이 입력과 출력 압력의 관계는 다소 비선형적이 되지만 공기식 계기에 적용된다.

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3. 유량의 계측

① 차압식 유량계

  ▣ 관로 내에 차압 기구를 설치하여 그 전후 (상류측과 하류측)의 차압으로 부터 유량을 구하는 방법으로 만들어진 유량계

       로 차압 기구로는 오리피스 (orifice), 노즐 (flow nozzle), 벤츄리 (venturi)관, 피토관 (pitoe tuber) 등이 있다.

 

가. 차압기구의 종류

  ㉠ 오리피스 : 오리피스 판을 배관 내에 삽입하면 유체가 오리피스를 통과할 때 유속이 증가되고 차압이 발생한다. 오리피

                         스에 의한 차압을 측정하기 위해 오리피스 양측에오리피스와 근접하게 차압 전송기용 탭을 설치한다. 유체

                         유속은 오리피스 통과 전압력이 오리피스 통과 후 압력 보다 크다. 이 오리피스 통과 전후의 압력차를 측정

                         하여 유량을 측정한다.

     ⊙ 코너탭 : 오리피스의 직전과 직후에 압력을 검출하는 방식

     ⊙ 플랜지 탭 : 오리피스 전후에 ± 1 인치의 거리에서 검출하는 방식

     ⊙ 축류 탭 : 하류 측을 흐름 단면적이 최소로 되는 축류 위치에서 압력을 검출하는 방식 (보통 상류측 1D, 하류측 1/2 D)

  ㉡ 플로 노즐 : 노즐은 둥근 유입부와 이것에 이어지는 원통부로 되어 있으며, 유체는 노즐의 곡면에 따라 흐르고 하류에

                          서 축류를 일이키지 않는다. 따라서 유출계수 C는 1 에 가깝다. 그리고 노즐에서 차압을 뽑아 내는 방식은

                           코너탭을 사용한다.

  ㉢ 벤츄리관 : 원통 부분의 중간에 하류 측의 압력 탭이 있다. 벤츄리 관의 특징은 하류 부분이 확대관으로 되어 있는 1차

                         요소이며, 오리피스나 노즐의 경우 만큼 유량에 대한 차압이 크지 않아 이에 의한 압력 손실이 매우 적고,

                          침전물이 관벽에 부착하지 않아 내구성이 크다는 점 등의 많은 장점이 있다.

 

나. 차압계 : 오리피스 등의 검출 기구에서 발생한 차압은 차압계 또는 차압 변환기에서 측정 · 변환되어 유량을 지시한다.

                    가장 간단한 차압계로 액주 압력계가 있으나 원격 지시 또는 조절을 위해 힘 평형식, 정전 용량식 등의 차압

                    변환기 (d/p cell)를 사용한다. 출력 신호는 전기식에서 DC 4 ~ 20 mA 이며, 공기압식에서는 0.2 ~ 1.0 ㎏f/㎠

                    의 것이 대부분이다.

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② 면적식 유량계

  ㉠ 면적식 유량계는 부자의 이동으로 유로 면적을 변화시켜 차압을 일정하게 유지하고 이 때의 면적을 측정하여 유량을

       알 수 잇는 것으로 면적 유량계 (variable area flow meter), 로터미터 (rotameter)라고도 한다.

  ㉡ 테이퍼관 내의 상하로 이동하는 플로트의 위치가 유량을 지시한다.

  ㉢ 유리관식은 플로트의 위치에 의해 유량을 직접 읽을 수 있으므로 주로 현장 감시용으로 사용되고, 금속관식은 자석 등

       으로 플로트의 위치를 외부에 취출하여 0.2 ~ 1.0 ㎏f/㎠의 공기압 신호 또는 DC 4 ~ 20 mA 전류 신호로 변환하여 필요

       한 장소에 전송한다.

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③ 용적식 유량계

  ▣ 용적식 유량계는 관로에 흐르는 유체의 통과 체적을 측정하는 방식으로 PD 미터 (Positive displacement meter)라고도

       부르며 오벌 (oval) 기어형과 루츠 (roots)설은 적고 그 정도는 ± 0.5 %, 정밀급, 특히 석유류 (휘발류, 등유, 중유 등)에

        는 정도가 ± 0.2 % 이다.

   ㉠ 액체의 종류 · 성질에 따른 영향이 적고, 점도가 높은 액체나 점도 변화가 큰 액체의 측정에 적당하다.

   ㉡ 적산 정도가 높으므로 취인용에 사용된다.

   ㉢ 전후에 직관부를 필요로 하지 않아 맥동의 영향도 거의 받지 않는다.

   ㉣ 회전자 등의 가동 부분과 케이스의 간격을 좁게 제작하므로 액체 중에 고형물이 혼압하면 회전자가 묶여서 측정 불가

        능하게 되므로 반드시 필터를 사용한다.

   ㉤ 구조가 복잡하므로 대형이나 내식형은 가격이 비싸다.

​

④ 전자유량계

  ▣ 도전성 물체가 자계 속을 움직이면 기전력이 발생한다는 패러데이 (faraday)의 전자 유도법칙을 이용하여 도전성 유체

       의 유속 또는 유량을 구하는 것을 전자유량계 (electromagnetic flowmeter) 라 한다. 도전성 유체가 흐르는 측정관을

       직각으로 지나는 자계를 주면 각기 직교하는 방향으로 비례하는 기전력이 발생한다. 기전력의 발생방향은 플레밍의

       오른손 법칙에 따른다.

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⑤ 와류식 유량계

  ▣ 와류식 유량계 (vortex flow meter)는 측정 대상에 제한없이 기체 · 액체의 어느 것도 측정할 수 있으며, 유체의 조성·밀

       도·온도·압력 등의 영향을 받지 않고, 유랑에 비례한 주파수로 체적유량을 측정할 수 있다. 그러나 공통적으로 깨끗한

        유체가 바람직하므로 필요에 따라 스트레이너의 설치 등의 배려가 필요하다.

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⑥ 터빈식 유량계

  ▣ 회전자의 축이 흐름에 대해서 직각으로 설치한 접선류식과 흐름에 대해서 평행으로 설치된 축류식이 있다. 접선류식은

        구조가 간단하고 싸게 만들어지나 누설이 상대적으로 커서 고정도는 기대할 수 없으며 가정용 수도미터 등에 사용되

        고 있다. 축류식은 마찰력에 대해서 구동력을 상당히 크게 얻을 수 있으므로 고정도 측정을 할 수 있으며 ± 0.2% 이상

        의 정도를 요구하는 석유류의 취인용 유량계로서 사용되고 있다.

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⑦ 초음파형 유량계

  ㉠ 도플러 (doppler)법 : 도플러법은 도플러 효과를 이용하여 속도를 구하는 것으로 유량 측정분야에서 실용화된 것은

                                        주로 연속파 방식이다. 응답은 빠르나 음속의 영향을 받는다. 초음파를 유체 중에 발사하면 발사

                                         된 초음파는 유체 중의 부유물 또는 기포에 의해 산란 반사된다. 이 산란 반사된 초음파를 수신하

                                         면 수신 초음파의 주파수를 측정, 도플러 효과에 의해 송수신 주파수 차를 이용하여 유속을 알 수

                                         있다.

  ㉡ 싱어라운드 (Sing around)법 : 동일 거리를 나가는데 요하는 초음파 펄스의 흐름과 같은 방향과 반대 방향의 시간차에

                 의해 평균 유속을 구하는 방식으로 응답은 약간 늦으나 유체를 전하는 음속에는 영향을 받지 않는 특징을 가지

                 고 있다. 이 같은 차를 직접 시간차로 하느냐, 또는 위상차로 하느냐에 따라 각각 시간차 측정법, 위상차 측정법

                  으로 구분된다.

 

㉢ 특징

  ⓐ 배관중에 삽입물이 전혀 없으므로 흐르므이 난류나 압력 손실은 생기지 않는다.

  ⓑ 기설의 배관에도 간단히 설치할 수 있어 공사비가 저렴하다.

  ⓒ 지름이 커져도 다른 유량계 만큼 가격이 올라가지 않는다.

  ⓓ 배관은 쪼개짐이 없어 하수로에도 사용된다.

  ⓔ 실제 유량 시험을 하지 않고 교정이 가능하며, 유량 눈금은 선형이다.

  ⓕ 초음파 유량계는 관로 단면의 일부분을 음파 통로로 하여 그것에 대표되는 유속이 계측되어 유량이 구해지므로 유속

       분포나 유체 중 이물의 영향을 받기 쉽다.

  ⓖ 상류측에 관지름의 10배, 하류측에 지름의 5배의 직관부가 필요하다.

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4. 액면계측

① 차압식 액면계

  ▣ 아래 그림 (a)는 밀폐 탱크 내에 있어서 액체가 증발하여 저압 측 도압관 내에 응결할 우려가 없는 경우 밀폐 탱크의

       액면 측정법을 드라이 레그 (Dry leg)법이라고 한다.

  ▣ 그림 (b)는 밀폐 탱크로 탱크 내의 액체가 증발하여 저압 측 도압관 내에 응결할 경우 저압 측 도압관 내에 액체를 채워

       서 도압관 내의 응결을 방지한다. 이와 같은 밀폐 탱크의 액면 측정법을 웨트 레그 (wet leg)법이라고 한다.

  ▣ 액체 내의 각 점에 있어서의 정수압은 그 점으로 부터 액면까지의 높이에 비례하므로 액체의 밀도가 일정하면 압력을

       측정하여 액면의 높이를 구할 수 있다.

 

② 기포식 액면계 (Purge type liquid gauge)

  ▣ 기포관을 액체 중에 삽입하고 공기원으로 부터 압축 공기를 적당한 유량으로 보내어 선단으로 부터 기포를 방출시키면

       기포관의 배압은 액의 정압과 같아지게 된다. 따라서 기포관의 배압을 측정하여 액면의 높이를 구할 수 있다. 이 액면

       계는 고온의 액체, 고형물을 혼입하는 액체 등에도 사용할 수 있다.

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③ 부자식 액면계

  ▣ 액면의 변화에 한 부자의 변위를 와이어(wire)나 금속 테이프, 스프로킷 (sprocket) 등 을 넣어서 폴리 또는 스프로킷의

       회전량으로서 얻어내 이 양으로 직접 바늘을 움직이거나 전기식, 공기식, 디지털식, 싱크로식 위치 발신기와 결합해서

       원격 전송한다. 측정원리가 원시적이기 때문에 고정도이고 오차가 측정범위에 관계없이 거의 일정한 것이 특징이다.

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④ 디스플레이스먼트식 액면계

 

  ▣ 단면적이 일정한 원통형의 디스플레이서 (displacer)가 액으로 부터 받는 부력이 액 중에 잠기는 체적 또는 깊이 h에

       비례한다. 이 힘을 외부로 뽑아 내어 측정하면 되며 토크 튜브 (torque tube) 등을 이용한 것도 있다. 신호변환 방식에는

       힘 평형식 또는 변위변환식의 두 가지 방식이 있다. 디스플레이먼트(displacement) 방식은 구조가 간단하고 견고하므

       로 고온 · 고압하의 사용도 가능하여 프로세스에 많이 사용한다. 다만, 구조상으로 보아서 레벨의 변화가 큰 곳은 부적

        합하다.

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⑤ 정전용량식 액면계

  ▣ 서로 맞서 잇는 두 개의 전극 사이의 정전 용량은 전극 사이에 있는 물질의 유전율 (dielectric constant)의 함수이다.

        그리고 기체와 액체의 유전율은 수 ~ 수십배 다르므로 탱크 내에 전극을 놓고 액체 높이의 변화에 따라 전극 사이의

        액체 양이 달라지는 구조로 하면 액면 높이를 정전용량의 크기로 변환시킬 수 있다. 정전용량 액면계는 가동부나 정밀

        한 기구 부분이 없으므로 견고하고 신뢰성이 높아서 두 액의 경계나 분체의 레벨도 측정할 수 있다. 반면에 측정 대상

         의 유전율 변화나 전극에의 부착물의 영향을 받는다. 액면 제어용의 검출단(sensor)으로 적합하다.

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⑥ 사운딩식 액면계

 

분립체의 경우 부자를 써서 연속적으로 레벨을 측정할 수 없다. 따라서 사일로(Silo) 등의 두부 (頭部)에 테이프 또는 와이어로 매달아 내린 추를 전동기기 동력에 의해서 아래 분입면에 이르게 하고 중량을 잃어 버릴 때까지 감아 내려 그 사이에 나온 테이프에 길이에서 레벨을 측정한다. 레벨 측정 후 추는 바로 감아 올려 사일로의 두부에 유지한다. 측정 원리는 원시적이나 측정 범위가 넓어 시멘트, 곡물 사일로, 광석 펄프, 녹차 등의 레벨 측정에 사용된다.

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⑦ 방사선식 액면계

  ▣ 방사선 동위우너소에서 방사되는 γ선이 투과할 때 흡수되는 에너지를 이용한 것으로 탱크 외벽에 방사선원을 놓고

        강한 투과력에 의해 탱크별을 통해서 투과해 오는 측정방식이기 때문에 비접촉 측정이다. 이 때문에 고온, 고압 용기

        내의 액면 측정, 고점도 액체, 분립체의 레벨 측정을 할 수 있고 다른 액면계에서 측정할 수 없는 매우 까다로운 조건

        의 레벨 측정에서 진가를 발휘한다. 그러나 방사선을 사용하고 있기 때문에 법적 규제 및 취급에 주의가 필요하며 고

        가이기 때문에 특정 용도에 한정되고 있다.

 

⑧ 초음파식 액면계

 

  ▣ 초음파의 송 · 수신기를 설치하고 발신기로 부터 발신되는 초음파 펄스가 액면에서 반사하여 수신기로 되돌아 오는

       왕복시간을 측정하면 액면의 위치를 구할 수 있다. 초음파 송 · 수신기로 부터 액면까지의 거리를 h, 초음파의 매질 중

       의 전파속도를 c, 발사된 초음파 펄스가 수신될 때까지 걸린 시간을 t라 하면, t= (2h) / c, h= (ct) / 2이다. 따라서 미치

       전파속도 c를 알고 있으면 시간 t를 측정하여 레벨 h가 구해진다. 초음파 액면계 (ultrasonic liquid level gauge)는 액면

       에 접촉하지 않고 측정할 수 있으므로 식품이나 고압 또는 부식성이 있는 액체용의 탱크에 사용된다. 그러나 음파의

       전파속도가 온도에 의해 현저하게 변하는 경우는 보정이 필요하다.

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【 회전수의 계측】

 

1. 펄스 출력형 검출기

    회전체의 회전수에 비례한 전기 펄스수 (주파수)의 신호를 인출하는 검출기이다. 그 대표적인 검출방식으로 전자식과 광

    전식이 있다.

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① 전자식 (電磁式) 검출법

 

자속밀도의 변화를 이용하여 펄스 모양의 전압 신호를 인출하는 것으로서 정지에 가까운 저속에서는 출력 전압이 감소되므로 저속 회전의 검출은 할 수 없지만 내구성ㅇ디 우수하고 전원을 필요로 하지 않는 등의 특징이 있다.

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② 광전식 검출법

광원과 포토트랜지스터 등의 광전 변환 소자를 사용하여 회전수를 펄스수로 변환시키는 방법이다. 광전 검출 소자로서 광원에는 발광 다이오드나 통상의 램프가 사용되며, 수광소자에는 포토트랜지스터 등이 사용된다. 측정 축에 비접촉으로 회전수를 검출할 수 있으므로 고속 회전수의 검출에 사용된다.

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2. 디지털 계수식 회전계

  ① 펄스수 (주파수) 계수 방식 : 이 방식은 펄스 신호를 일정 시간 직접 계수하여 이 시간 내의 평균 회전수를 구하는 방법

                                                   이다.

  ② 회전주기 측정 방식 : 회전체의 회전 주기를 측정하여 그 역수로 회전수를 구하는 방법이다. 회전체에 회귀성(回歸性)

                                         반사테이프(테이프 표면에 구면 렌즈를 나열한 것으로 투사광이 테이프면에 수직이 아니더라도

                                         광원 방향으로 빛을 반사한다)를 붙이고 초점조정이 용이한 적색 가시광의 LED (발광 다이오드)

                                         를 광원으로 이용하여 그 반사광을 포토트랜지스터로 검출하여 펄스 신호를 변환시킨다.

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3. 각도 검출용 센서

 

각도 검출용 센서로는 퍼텐쇼미터, 싱크로(synchro), 레졸버(resolver), 로터리인코더(rotary encoder) 등이 각각의 용도로 이용되고 있는데 그 중에서도 퍼텐쇼미터는 구조가 간단하며 출력할 때에 큰 전압을 직접 얻게 되고 고정밀도와 고분해도가 가능하며 필요에 따라 출력파형을 함수형으로 할 수 있는 이점이 있고 설계상 유리하여 각도 센서로 널리 사용된다.

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【전기의 계측】

 

▣ 전류 검출용 센서

 

전류를 검출하기 위한 센서에는 분류기, 변류기 등의 피측정 전로에 직접 삽입되며 연결되는 방식과 클램프식 전류 센서로 전로의 절단이 없이 검출하는 방식의 센서가 있다.

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