가스미터

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1. 개요

가스미터는 가스 사용량을 측정하는 기기이다. 1815년 습식 가스미터가 처음 실용화되었고, 이후 건식 가스미터가 개발되었다. 가스미터는 막식, 회전식, 터빈식, 오리피스식, 초음파식, 코리올리식, 열 질량 유량계 등 다양한 종류가 있으며, 측정 방식과 용도에 따라 분류된다. 최근에는 스마트 미터링 기술이 발전하여 실시간 모니터링과 데이터 분석이 가능해졌으며, 특히 열 질량 유량계와 RF 기술, 애플리케이션 계층 프로토콜을 활용한 스마트 가스 미터가 보급되고 있다. 한국에서는 가스미터의 유효 기간이 만료되면 교체되며, 안전을 위해 마이컴 미터가 사용된다.

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가스미터

2. 역사

1792년 영국의 과학자 윌리엄 머독에 의해 석탄의 건류에 의한 합성 가스가 발명되었다. 1812년, 독일 태생의 실업가 프레데릭 A. 윈저에 의해 런던 웨스트민스터 가스라이트 앤드 코크사가 설립되어 세계 최초의 도시 가스 사업이 시작되었다. 처음에는 주로 조명용으로 사용되었고, 사용 시간과 등수에 따라 가스 요금이 결정되었지만, 공업용으로 대량 사용되면서 정확하고 자동적으로 소비량을 측정할 필요가 생겼다. 1815년, 영국의 기술자 새뮤얼 클레그/Samuel Clegg^영어가 개발한 습식 가스미터가 처음 실용화되었지만, 압력 손실 및 출력 변동이 크고, 고가이며, 동결에 약하다는 단점이 있었다. 1843년, 윌리엄 리처드는 두 개의 원형 다이어프램과 두 개의 슬라이드 밸브를 가진, 건식 가스미터의 원형이 되는 미터를 고안했다. 다음 해, 리처드와 크롤은 이를 개량하여 정확성을 향상시킨 미터로 특허를 취득했다. 몇 년 후, 토마스 글로버가 더욱 개량을 가하여 글로버의 2막식 슬라이드 밸브 미터라고 불리는 미터를 개발했다. 이 기본 원리는 현재 널리 사용되는 가스미터와 거의 동일하다. 습식 미터에 대해서는 1896년에 찰스 A. 하인만이 저항 감소와 대용량화의 개량을 한 '하인만 드럼'이 개발되었다. 대부분 주철로 만들어졌으며, 주로 가스 제조소에서 제조량 및 송출량 계량에 사용되었다. 가장 큰 것은 직경과 길이가 약 5.4m 정도였다.

일본에서는 메이지 초기까지 가스 미터를 수입에 의존했으나, 1904년 금문제작소 창업자인 십문자 대원이 일본 최초의 건식 가스 미터인 '십문자 건식 가스 미터 A형'을 제조했다. 1922년 B형이 개발된 이후, 계량막 재질 변경, 표시부 개선 등 지속적인 개량을 통해 1932년 C형, 1957년 H형, 1976년 NH형, 1965년 T형 등이 개발되었다. 1970년 전후 천연 가스 전환에 따라 N형 미터가 개발되었다.

1980년 시즈오카역 앞 지하상가 폭발 사고를 계기로 마이컴 미터 개발이 가속화되었다. 차단기와 유사한 안전 장치 연구가 이전부터 진행되었지만, 사고 이후 1983년 지진 및 이상 유량을 감지하여 자동으로 가스를 차단하는 '마이컴 미터 I형(애칭: 마이세이프 I)'이 개발되었다. 마쓰시타 고노스케가 개발에 협력하였다. 이후 통신 기능이 추가된 III형까지 발전했다.

1953년경부터 실린더를 통해 프로판 가스 공급이 시작되었고, 초기에는 실린더 단위로 판매되다가 잔량 표시 미터가 개발되었다. 재일 미국인들의 요구로 도시 가스용 미터가 유용되기도 했으나, 1958년 프로판 전용 미터가 개발되었다. 1983년 쓰마고이 가스 폭발 사고 이후 프로판 가스 사업자들은 마이컴 미터 도입을 빠르게 진행했다.

2. 1. 초기 발전

1792년 영국의 과학자 윌리엄 머독에 의해 석탄의 건류에 의한 합성 가스가 발명되었다. 1812년, 독일 태생의 실업가 프레데릭 A. 윈저에 의해 런던 웨스트민스터 가스라이트 앤드 코크사가 설립되어 세계 최초의 도시 가스 사업이 시작되었다. 처음에는 주로 조명용으로 사용되었고, 사용 시간과 등수에 따라 가스 요금이 결정되었지만, 공업용으로 대량 사용되면서 정확하고 자동적으로 소비량을 측정할 필요가 생겼다. 1815년, 영국의 기술자 새뮤얼 클레그/Samuel Clegg^영어가 개발한 습식 가스미터가 처음 실용화되었지만, 압력 손실 및 출력 변동이 크고, 고가이며, 동결에 약하다는 단점이 있었다. 1843년, 윌리엄 리처드는 두 개의 원형 다이어프램과 두 개의 슬라이드 밸브를 가진, 건식 가스미터의 원형이 되는 미터를 고안했다. 다음 해, 리처드와 크롤은 이를 개량하여 정확성을 향상시킨 미터로 특허를 취득했다. 몇 년 후, 토마스 글로버가 더욱 개량을 가하여 글로버의 2막식 슬라이드 밸브 미터라고 불리는 미터를 개발했다. 이 기본 원리는 현재 널리 사용되는 가스미터와 거의 동일하다. 습식 미터에 대해서는 1896년에 찰스 A. 하인만이 저항 감소와 대용량화의 개량을 한 '하인만 드럼'이 개발되었다. 대부분 주철로 만들어졌으며, 주로 가스 제조소에서 제조량 및 송출량 계량에 사용되었다. 가장 큰 것은 직경과 길이가 약 5.4m 정도였다.

일본에서는 메이지 초기에 모두 수입에 의존했지만, 1904년 (메이지 37년)에 금문제작소 창업자인 십문자 대원이 일본 최초의 가스미터 '십문자 건식 가스미터 A형'을 제조했다. 1922년에는 내구성과 가스 통과 능력을 향상시킨 B형이 개발되었다.

2. 2. 일본의 가스 미터 역사

일본에서는 메이지 초기까지 가스 미터를 수입에 의존했으나, 1904년 금문제작소 창업자인 십문자 대원이 일본 최초의 건식 가스 미터인 '십문자 건식 가스 미터 A형'을 제조했다. 1922년 B형이 개발된 이후, 계량막 재질 변경, 표시부 개선 등 지속적인 개량을 통해 1932년 C형, 1957년 H형, 1976년 NH형, 1965년 T형 등이 개발되었다. 1970년 전후 천연 가스 전환에 따라 N형 미터가 개발되었다.

1980년 시즈오카역 앞 지하상가 폭발 사고를 계기로 마이컴 미터 개발이 가속화되었다. 차단기와 유사한 안전 장치 연구가 이전부터 진행되었지만, 사고 이후 1983년 지진 및 이상 유량을 감지하여 자동으로 가스를 차단하는 '마이컴 미터 I형(애칭: 마이세이프 I)'이 개발되었다. 마쓰시타 고노스케가 개발에 협력하였다.^[13] 이후 통신 기능이 추가된 III형까지 발전했다.

1953년경부터 실린더를 통해 프로판 가스 공급이 시작되었고, 초기에는 실린더 단위로 판매되다가 잔량 표시 미터가 개발되었다. 재일 미국인들의 요구로 도시 가스용 미터가 유용되기도 했으나, 1958년 프로판 전용 미터가 개발되었다. 1983년 쓰마고이 가스 폭발 사고 이후 프로판 가스 사업자들은 마이컴 미터 도입을 빠르게 진행했다.

3. 종류

도시 가스 및 프로판 가스 모두 현재 가정용 및 업무용으로 설치된 것 중 많은 부분이 막식이라고 불리는 유형이며, 막식 미터에 소형 컴퓨터를 탑재하여 가스 밸브 잠금 잊음이나 가스관 손상 등으로 인한 유량 이상 및 지진을 감지하여 가스를 차단하거나, 통신 회선을 통해 자동 검침 및 이상 시 자동 통보를 하는 마이컴 미터의 보급도 진행되고 있다. 2005년경부터는 가스관 내 초음파의 전도 시간을 이용하여 유속을 측정하는 초음파식 가스 미터도 프로판 가스 계량에 사용되고 있다.

가스 제조소나 대량 수요처에서는 가스의 압력으로 물로 밀봉한 회전 드럼을 돌려 유량을 측정하는 습식이라고 불리는 미터가 설치되었지만, 설치 비용이 높고 공간을 많이 차지하기 때문에 두 개의 고치형 회전자를 가진 루츠식이라고 불리는 미터로 대체되었다. 막식 미터는 주로 1 - 160m³/h, 회전자식은 주로 40 - 4000m³/h 정도의 수요가 있는 곳에서 사용된다. 습식 미터는 정밀도가 높기 때문에 기준기용이나 실험용으로 현역이다.

공동 주택이나 온천 등 불특정 다수가 가스 기구를 공유하는 장소에서는 코인식 미터가 설치되어 있는 경우도 있다. 투입구에 동전을 넣으면 일정 시간 동안만 가스가 흐르고, 그 동안 가스레인지 등을 이용할 수 있다. 이 미터는 시설 소유주가 요금 징수를 위해 설치하는 것으로, 가스 공급 회사가 사용료 산정을 위해 설치하는 계량기인 가스미터와는 다르다.

3. 1. 측정 방식에 따른 분류

가스미터는 측정 방식에 따라 다음과 같이 분류된다.

막식 (Diaphragm/bellows meters): 가장 일반적인 유형의 가스미터로, 주거 및 소규모 상업 설비에 주로 설치된다.^[17] 미터 내부에 다이어프램으로 형성된 두 개 이상의 챔버가 있으며, 내부 밸브에 의해 가스 흐름이 제어되면서 챔버가 번갈아 가스를 채우고 배출한다. 다이어프램의 팽창 및 수축 운동은 크랭크에 연결된 레버를 통해 크랭크 축의 회전 운동으로 변환되고, 이는 주요 유량 요소 역할을 한다. 이 샤프트는 적산계와 같은 계수기를 구동하거나 유량 계산기에 전기 펄스를 생성한다. 막식 가스 미터는 용적식 유량계이다.

회전식 (Rotary meters): 다이어프램 미터보다 더 많은 양과 압력을 처리할 수 있는 정밀 계측기이다. 미터 내부의 두 개의 "8"자 모양 로터(임펠러 또는 피스톤)가 정밀하게 정렬되어 회전하며, 회전할 때마다 특정 양의 가스를 통과시킨다. 작동 원리는 루츠 송풍기와 유사하다. 크랭크 샤프트의 회전 운동은 1차 유량 측정 소자 역할을 하며, 유량 컴퓨터에 전기 펄스를 생성하거나 적산계와 유사한 계수기를 구동한다.

터빈식 (Turbine meters): 미터 내부를 통과하는 가스 속도를 측정하여 가스 부피를 추정한다. 가스 부피는 유량으로부터 추정되므로 유량 조건이 양호해야 한다. 작은 내부 터빈이 가스 속도를 측정하고, 이는 기계적으로 기계식 또는 전자식 카운터로 전달된다. 낮은 유량 측정에는 제한이 있다.
오리피스식 (Orifice meters): 정확하게 알려진 오리피스 플레이트가 설치된 직선 파이프에서 발생하는 압력 강하를 측정하여 가스 흐름 속도를 추정하는 차압식 미터의 일종이다. 가스 정압, 밀도, 점도 및 온도를 측정하거나 알아야 정확한 측정이 가능하다. 큰 유량 범위를 처리하지 못하는 경우가 많지만, 현장 서비스가 용이하고 가동 부품이 없어 산업 응용 분야에서 널리 사용된다.
초음파식 (Ultrasonic flow meters): 파이프 내부의 기체에서 소리가 이동하는 속도를 측정하여 가스 이동 속도를 측정한다. 미국 가스 협회^[1]는 이러한 미터의 올바른 사용 및 설치를 다루고 있으며, 알려진 압력, 온도 및 조성의 가스에서 음속을 예측하는 표준화된 음속 계산을 명시하고 있다. 가장 정교한 유형은 파이프 내 여러 경로에서 음속을 평균화하며, 각 경로의 길이는 공장에서 정밀하게 측정된다. 각 경로는 한쪽 끝에 초음파 변환기, 다른 쪽에 센서로 구성된다. 미터는 변환기를 사용하여 '핑'을 생성하고 센서가 음파 펄스를 수신하기까지 경과된 시간을 측정한다. 상류 및 하류 속도의 차이를 비교하여 가스 흐름의 속도를 계산한다. 초음파 미터는 고가이며 측정된 가스에 액체가 전혀 없을 때 가장 잘 작동하므로, 유틸리티 파이프라인 미터 스테이션과 같은 고유량, 고압 응용 분야에서 주로 사용된다. 턴다운 비율이 가장 크며, 고품질 초음파 미터는 정확도 및 범위 능력이 입증된 터빈 미터보다 더 크다. 저렴한 종류는 클램프 온 유량계로 사용할 수 있으며, 천연 가스, 질소, 압축 공기 및 증기를 포함한 거의 모든 건조 가스를 측정하는 데 사용 가능하다. 클램프 온 미터는 액체 흐름 측정에도 사용 가능하다.
코리올리식 (Coriolis meters): 공진 주파수로 진동하도록 유도되는 종방향 또는 축 방향으로 변위된 섹션이 하나 이상인 파이프를 사용한다. 액체 및 기체에 사용되며, 변위된 섹션 내부 유체가 정지 상태일 때는 상류 및 하류 부분이 서로 위상이 일치하여 진동한다. 이 진동 주파수는 파이프의 전체 밀도(내용물 포함)에 의해 결정되므로, 미터는 가스의 유동 밀도를 실시간으로 측정할 수 있다. 유체가 흐르기 시작하면 코리올리 힘이 작용하여 상류 및 하류 섹션의 진동 위상차와 파이프에 포함된 유체의 질량 유량 간의 관계를 통해 질량 유량을 측정한다. 작동, 감지, 전자 및 계산 요소가 필요하며, 질량 유량을 출력하는 고유한 기능을 가지고 있어 현재 질량 유량 측정에 사용 가능한 가장 높은 정확도의 유량 측정을 제공한다. 유동 밀도를 측정하기 때문에 유동 조건에서 가스 유량을 추론할 수도 있다. 미국 가스 협회 보고서 No. 11은 코리올리 미터로 천연 가스를 측정할 때 좋은 결과를 얻기 위한 지침을 제공한다.
열 질량 유량계 (Thermal Mass Flow meter): 열 전달 원리를 활용하여 가스 유량을 정확하게 측정한다. 가스 흐름에 소량의 열을 가하고 다운스트림에서 온도 변화를 측정하여 작동하며, 열 방출 속도는 가스의 질량 유량과 직접적인 상관관계를 가지므로 낮은 유량에서도 정확한 측정을 제공한다.^[2] 높은 정확도, 넓은 유량 범위, 소형 설계, 최소 유지보수 등의 장점을 가지며, 온도 및 압력 보상 시스템과 함께 사용되어 정확한 측정을 보장한다. MEMS 기반 센서 등 혁신 기술은 소형화, 감도 향상, 낮은 전력 소비를 제공하여 IoT 지원 가스 계량 시스템에 이상적이다.

도시 가스 및 프로판 가스는 현재 가정용 및 업무용으로 설치된 것 중 많은 부분이 막식이며, 막식 미터에 소형 컴퓨터를 탑재한 마이컴 미터의 보급도 진행되고 있다. 2005년경부터는 가스관 내 초음파의 전도 시간을 이용하여 유속을 측정하는 초음파식 가스 미터도 프로판 가스 계량에 사용되고 있다.

가스 제조소나 대량 수요처에서는 습식 미터가 설치되었지만, 설치 비용이 높고 공간을 많이 차지하기 때문에 루츠식 미터로 대체되었다. 막식 미터는 주로 1 - 160m3/h, 회전자식은 주로 40 - 4000m3/h 정도의 수요가 있는 곳에서 사용된다. 습식 미터는 정밀도가 높기 때문에 기준기용이나 실험용으로 사용된다.

공동 주택이나 온천 등 불특정 다수가 가스 기구를 공유하는 장소에서는 코인식 미터가 설치되어 있는 경우도 있다.

3. 2. 용도에 따른 분류

가스미터는 용도에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

가정용: 주로 막식 미터가 사용되며, 최근에는 소형 컴퓨터를 탑재하여 가스 밸브 잠금 잊음, 가스관 손상 등으로 인한 유량 이상 및 지진 감지 시 가스를 차단하거나, 통신 회선을 통해 자동 검침 및 이상 시 자동 통보를 하는 스마트 미터 기능이 탑재된 마이컴 미터가 보급되고 있다. 2005년경부터는 가스관 내 초음파의 전도 시간을 이용하여 유속을 측정하는 초음파식 가스 미터도 프로판 가스 계량에 사용되고 있다.

업무용/산업용: 가스 제조소나 대량 수요처에서는 대용량 가스 측정을 위해 회전식, 터빈식, 오리피스식 등이 사용된다. 막식 미터는 주로 1 - 160m³/h, 회전자식은 주로 40 - 4000m³/h 정도의 수요가 있는 곳에서 사용된다. 과거에는 가스의 압력으로 물로 밀봉한 회전 드럼을 돌려 유량을 측정하는 습식 미터가 설치되었지만, 설치 비용이 높고 공간을 많이 차지하기 때문에 두 개의 고치형 회전자를 가진 루츠식 미터로 대체되었다.

기준기용/실험용: 정밀도가 높은 습식 미터가 사용된다.

공동 주택이나 온천 등 불특정 다수가 가스 기구를 공유하는 장소에서는 코인식 미터가 설치되어 있는 경우도 있다. 투입구에 동전을 넣으면 일정 시간 동안만 가스가 흐르는 방식으로, 가스 공급 회사가 사용료 산정을 위해 설치하는 가스 미터와는 다르다.

3. 3. 기타

도시 가스 및 프로판 가스에는 막식 미터가 주로 사용되며, 소형 컴퓨터를 탑재하여 안전 기능을 강화한 마이컴 미터도 보급되고 있다. 2005년부터는 초음파식 가스 미터도 프로판 가스 계량에 사용된다. 가스 제조소나 대량 수요처에서는 습식 미터가 설치되었지만, 설치 비용과 공간 문제로 루츠식 미터로 대체되었다. 막식 미터는 1 - 160m³/h, 회전자식은 40 - 4000m³/h 정도의 수요가 있는 곳에서 사용되며, 습식 미터는 정밀도가 높아 기준기용이나 실험용으로 사용된다.

공동 주택이나 온천 등에서는 코인식 미터가 설치되기도 한다. 동전을 넣으면 일정 시간 동안 가스를 사용할 수 있으며, 가스 공급 회사가 설치하는 가스미터와는 다르다.

일본에 설치된 가스미터에는 안전 장치가 내장되어 있어, 설정된 이상의 가스 유량, 장시간 가스 흐름 지속, 진도 5 상당 이상의 지진 발생 시 자동으로 가스 공급을 차단한다. 이러한 기능을 가진 것을 "마이컴 미터"라고 하며, 일반 가정용으로 주로 설치된다. 마이컴 미터 차단 시 사용자가 복구 조작을 할 수 있으며, 이상이 없으면 다시 가스 사용이 가능하다.

4. 작동 원리

가솔린미터의 측정부는 흘러드는 가솔린의 압력에 따라서 피스톤이 좌우로 움직인다.^[17] 입구로부터 흘러드는 가솔린은 피스톤을 오른쪽으로 밀고, 반대쪽의 실린더 속에 있는 가솔린을 출구로 내보낸다.^[17] 피스톤이 오른쪽 끝에 가면, 교환판(交換瓣)이 90° 회전하여, 실린더 속으로 가솔린이 흘러드는 방향이 바뀌므로, 피스톤의 움직임이 반대로 된다.^[17] 이 피스톤의 왕복운동을 치차 장치로써 지시부(指示部)에 전달하고, 지침의 회전을 읽음으로써 유출된 가솔린의 체적을 측정하는 것이다.^[17]

다이캐스팅으로 제작된 외함의 중앙에 칸막이를 설치하고, 그 양쪽에 두 개의 계량실을 만든다. 각 계량실 내부에는 계량 멤브레인을 설치한다. 밸브를 통해 멤브레인의 외부와 내부에 가스를 번갈아 채우고 배출함으로써 왕복 운동을 발생시키고, 이 운동을 크랭크 축의 회전 운동으로 변환하여 카운터를 구동한다. 계량 멤브레인은 초기에 양의 가죽을 사용했으나, 나중에 합성 고무로 대체되었다. 카운터는 초기에 지침식이었으나, 나중에 숫자 휠을 사용한 직독식으로 바뀌었고, 최근에는 액정 표시도 채택되고 있다. 내부 기구는 오랫동안 금속 부품을 사용해 왔지만, 내 가스성 수지의 개발로 플라스틱 부품도 사용되기 시작했다.

4. 1. 막식 가스 미터

가솔린미터의 측정부는 흘러드는 가솔린의 압력에 따라서 피스톤이 좌우로 움직인다.^[17] 입구로부터 흘러드는 가솔린은 피스톤을 오른쪽으로 밀고, 반대쪽의 실린더 속에 있는 가솔린을 출구로 내보낸다.^[17] 피스톤이 오른쪽 끝에 가면, 교환판(交換瓣)이 90° 회전하여, 실린더 속으로 가솔린이 흘러드는 방향이 바뀌므로, 피스톤의 움직임이 반대로 된다.^[17] 이 피스톤의 왕복운동을 치차 장치로써 지시부(指示部)에 전달하고, 지침의 회전을 읽음으로써 유출된 가솔린의 체적을 측정하는 것이다.^[17]

이것은 거의 모든 주거 및 소규모 상업 설비에서 볼 수 있는 가장 일반적인 유형의 가스 미터이다. 미터 내부에는 가동 가능한 다이어프램에 의해 형성된 두 개 이상의 챔버가 있고, 내부 밸브에 의해 가스 흐름이 제어되면서 챔버가 번갈아 가며 가스를 채우고 배출하여 미터를 통해 거의 연속적인 흐름을 생성한다. 다이어프램이 팽창하고 수축하면서 크랭크에 연결된 레버는 다이어프램의 선형 운동을 크랭크 축의 회전 운동으로 변환하며, 이는 주요 유량 요소 역할을 한다. 이 샤프트는 적산계와 같은 계수기 메커니즘을 구동하거나 유량 계산기에 대한 전기 펄스를 생성할 수 있다.

다이캐스팅으로 제작된 외함의 중앙에 칸막이를 설치하고, 그 양쪽에 두 개의 계량실을 만든다. 각 계량실 내부에는 계량 멤브레인을 설치한다. 밸브를 통해 멤브레인의 외부와 내부에 가스를 번갈아 채우고 배출함으로써 왕복 운동을 발생시키고, 이 운동을 크랭크 축의 회전 운동으로 변환하여 카운터를 구동한다. 계량 멤브레인은 초기에 양의 가죽을 사용했으나, 나중에 합성 고무로 대체되었다. 카운터는 초기에 지침식이었으나, 나중에 숫자 휠을 사용한 직독식으로 바뀌었고, 최근에는 액정 표시도 채택되고 있다. 내부 기구는 오랫동안 금속 부품을 사용해 왔지만, 내 가스성 수지의 개발로 플라스틱 부품도 사용되기 시작했다.

다이어프램 가스 미터는 용적식 유량계이다.

4. 2. 회전식 가스 미터

로터리 미터는 다이어프램 미터보다 더 많은 양과 압력을 처리할 수 있는 정밀 계측기이다. 미터 내부에는 두 개의 숫자 "8"자 모양의 로터(임펠러 또는 피스톤이라고도 함)가 정밀하게 맞물려 회전한다. 회전할 때마다 일정량의 가스를 미터를 통과시킨다. 작동 원리는 루츠 송풍기와 유사하다. 크랭크 샤프트의 회전 운동은 1차 유량 측정 소자 역할을 하며, 유량 컴퓨터에 전기적 펄스를 생성하거나 계수기를 구동한다.

4. 3. 터빈식 가스 미터

터빈 가스 미터는 미터 내부를 통과하는 가스의 속도를 측정하여 가스 부피를 추정한다. 가스 부피는 유량으로부터 추정되므로 유량 조건이 양호해야 한다. 작은 내부 터빈이 가스의 속도를 측정하고, 이는 기계적으로 기계식 또는 전자식 카운터로 전달된다. 이러한 미터는 가스 흐름을 방해하지 않지만, 낮은 유량을 측정하는 데 제한이 있다.

5. 기술 발전

5. 1. 스마트 미터링 기술

스마트 가스 계량 기술은 디지털 및 연결 장치를 통해 가스 사용량을 실시간으로 모니터링, 데이터 수집 및 분석할 수 있는 첨단 시스템이다. 기존의 기계식 가스 계량기와 달리 스마트 계량기는 가스 흐름을 측정하고 무선으로 유틸리티 및 소비자에게 데이터를 전송하는 전자 부품을 갖추고 있다. 스마트 가스 계량기는 사물 인터넷(IoT) 플랫폼과 통합되어 보다 효율적인 가스 관리와 향상된 고객 참여를 가능하게 한다.

RF 기술과 프로토콜의 채택은 스마트 수도 계량기의 유틸리티 시스템과의 원활한 통합을 가능하게 하며, 다음과 같은 여러 가지 이점을 제공한다.

효율성 향상: 자동화된 데이터 수집은 수작업과 오류를 줄여준다.
동적 요금 청구: 실시간 사용량에 따라 더욱 정확하고 유연한 요금 청구를 가능하게 한다.

== RF 기술 및 프로토콜 ==

무선 주파수(RF) 기술은 미터와 유틸리티 네트워크 간의 무선 통신을 가능하게 하여 스마트 계량 시스템의 중추를 형성한다. 스마트 가스 미터에는 다음과 같은 여러 RF 기술 및 프로토콜이 널리 사용된다.

무선 M-Bus(WMBus): 유럽 EN 13757 표준을 준수하는 WMBus는 유럽 전역에서 물, 가스 및 전력 계량에 널리 사용된다. 유틸리티 애플리케이션에 맞게 보안, 안정적이며 에너지 효율적인 통신을 제공한다.
와이즈 기술: 169MHz 주파수 대역을 기반으로 하는 프로토콜인 WIZE는 장거리, 저전력 통신을 위해 설계되었다. 신호 침투력과 확장성이 뛰어나 유럽에서 물 및 가스 계량에 일반적으로 사용된다.
LoRaWAN: LoRaWAN은 장거리 및 저전력 기능으로 인해 농촌 및 도시 환경 모두에서 대규모 구축에 적합하다는 평가를 받고 있다. 산업 및 시립 응용 분야에서 널리 사용된다.
지그비: 메쉬 네트워크를 생성하는 기능으로 알려진 지그비는 밀집된 연결이 필요한 도시 환경에서 자주 사용된다. 에너지 효율적이며 보안 통신을 지원한다.
NB-IoT 및 Cat-M: 협대역 사물 인터넷(NB-IoT) 및 LTE Cat-M은 셀룰러 네트워크와의 직접 통신을 가능하게 하는 셀룰러 기반 기술이다. 이러한 프로토콜은 기존 셀룰러 인프라가 있는 지역에서 대규모 구축에 특히 적합하며, 배터리 수명이 연장되고 강력한 커버리지를 제공한다.

== 애플리케이션 계층 프로토콜 ==

스마트 계량에서 데이터 교환을 표준화하고, 상호 운용성을 보장하며, 장치 기능을 향상시키기 위해 RF 통신 기술 위에서 작동하는 애플리케이션 계층 프로토콜이다. 이러한 프로토콜은 계량기를 더 광범위한 유틸리티 및 사물 인터넷(IoT) 생태계에 원활하게 통합할 수 있도록 한다.

DLMS/COSEM(장치 언어 메시지 규격/에너지 계량용 보조 규격)은 스마트 계량에서 가장 널리 채택된 프로토콜 중 하나이다. 이 프로토콜은 계량 장치와 유틸리티 시스템 간의 데이터 교환을 위한 유연하고 표준화된 프레임워크를 제공한다. 이 프로토콜은 RF, 유선 및 셀룰러 네트워크를 포함한 다양한 통신 기술을 지원하며 안전한 데이터 전송, 구조화된 데이터 관리 및 원격 모니터링을 용이하게 한다.

MQTT(메시지 큐 원격 측정 전송) 및 CoAP(제한된 애플리케이션 프로토콜)과 같은 다른 애플리케이션 계층 프로토콜도 특히 IoT 중심의 배포에서 스마트 계량 시스템에 활용된다. 이러한 프로토콜은 저대역폭, 고효율 통신에 중점을 두어 다양한 환경에서 안정적인 데이터 교환을 보장한다.^[7]^[8]

5. 1. 1. RF 기술 및 프로토콜

무선 주파수(RF) 기술은 미터와 유틸리티 네트워크 간의 무선 통신을 가능하게 하여 스마트 계량 시스템의 중추를 형성한다. 스마트 가스 미터에는 다음과 같은 여러 RF 기술 및 프로토콜이 널리 사용된다.

무선 M-Bus(WMBus): 유럽 EN 13757 표준을 준수하는 WMBus는 유럽 전역에서 물, 가스 및 전력 계량에 널리 사용된다. 유틸리티 애플리케이션에 맞게 보안, 안정적이며 에너지 효율적인 통신을 제공한다.
와이즈 기술: 169MHz 주파수 대역을 기반으로 하는 프로토콜인 WIZE는 장거리, 저전력 통신을 위해 설계되었다. 신호 침투력과 확장성이 뛰어나 유럽에서 물 및 가스 계량에 일반적으로 사용된다.
LoRaWAN: LoRaWAN은 장거리 및 저전력 기능으로 인해 농촌 및 도시 환경 모두에서 대규모 구축에 적합하다는 평가를 받고 있다. 산업 및 시립 응용 분야에서 널리 사용된다.
지그비: 메쉬 네트워크를 생성하는 기능으로 알려진 지그비는 밀집된 연결이 필요한 도시 환경에서 자주 사용된다. 에너지 효율적이며 보안 통신을 지원한다.
NB-IoT 및 Cat-M: 협대역 사물 인터넷(NB-IoT) 및 LTE Cat-M은 셀룰러 네트워크와의 직접 통신을 가능하게 하는 셀룰러 기반 기술이다. 이러한 프로토콜은 기존 셀룰러 인프라가 있는 지역에서 대규모 구축에 특히 적합하며, 배터리 수명이 연장되고 강력한 커버리지를 제공한다.

5. 1. 2. 애플리케이션 계층 프로토콜

스마트 계량에서 데이터 교환을 표준화하고, 상호 운용성을 보장하며, 장치 기능을 향상시키기 위해 RF 통신 기술 위에서 작동하는 애플리케이션 계층 프로토콜이다. 이러한 프로토콜은 계량기를 더 광범위한 유틸리티 및 사물 인터넷(IoT) 생태계에 원활하게 통합할 수 있도록 한다.

DLMS/COSEM(장치 언어 메시지 규격/에너지 계량용 보조 규격)은 스마트 계량에서 가장 널리 채택된 프로토콜 중 하나이다. 이 프로토콜은 계량 장치와 유틸리티 시스템 간의 데이터 교환을 위한 유연하고 표준화된 프레임워크를 제공한다. 이 프로토콜은 RF, 유선 및 셀룰러 네트워크를 포함한 다양한 통신 기술을 지원하며 안전한 데이터 전송, 구조화된 데이터 관리 및 원격 모니터링을 용이하게 한다.

MQTT(메시지 큐 원격 측정 전송) 및 CoAP(제한된 애플리케이션 프로토콜)과 같은 다른 애플리케이션 계층 프로토콜도 특히 IoT 중심의 배포에서 스마트 계량 시스템에 활용된다. 이러한 프로토콜은 저대역폭, 고효율 통신에 중점을 두어 다양한 환경에서 안정적인 데이터 교환을 보장한다.^[7]^[8]

5. 2. 열 질량 유량계의 장점

열 질량 유량계는 가스 유량 측정 기술의 핵심적인 혁신으로, 열 전달 원리를 활용하여 가스 유량을 정확하게 측정한다.^[2] 열 유량 센서는 다음과 같은 장점을 제공한다.

높은 정확도: 정확한 요금 청구 또는 산업용 가스 유량 모니터링이 필요한 애플리케이션에 적합하다.^[2]
넓은 유량 범위: 성능 저하 없이 낮은 유량과 높은 유량을 모두 측정할 수 있다.^[2]
소형 설계: 현대적이고 공간 절약적인 스마트 가스 미터에 통합하는 데 이상적이다.^[2]
최소 유지보수: 가동 부품이 없어 마모가 줄어들어 장기적인 신뢰성을 제공한다.^[2]

이러한 센서는 일반적으로 가스 특성의 변화를 고려하여 정확한 측정을 보장하기 위해 온도 및 압력 보상 시스템과 함께 사용된다.^[2] 열 센서는 또한 유틸리티 및 최종 사용자를 위한 실시간 데이터 전송 및 분석을 가능하게 하는 첨단 스마트 미터의 필수적인 부분이다.^[2]

최근 MEMS 기반 센서 기술 혁신이 이루어져 소형화, 감도 향상, 저전력 소비를 달성하여 IoT 지원 가스 계량 시스템에 이상적이다.^[2]

6. 한국의 가스 미터

6. 1. 보급 현황

6. 2. 관련 정책 및 제도

6. 3. 가스 미터 교체 및 복구

도시가스 및 프로판가스 모두 가스미터에는 유효 기간(효기)이 존재하며, 이 효기가 만료되기 전에 가스미터는 교체된다. 효기가 만료된 프로판가스용 미터는 철거 후 재활용 업체 등에 인도되어 파쇄 후 각종 금속 등의 회수가 이루어진다. 이에 비해 도시가스용 미터는 가스 사업자가 철거 후 제조 공장으로 회수되어 재생 수리 및 검정을 거쳐 다시 가스 사업자에게 반환되어 재생 미터로 이용된다. 새 가스미터를 구매하는 것보다 저렴하기 때문에 대부분의 도시가스용 미터가 재생 이용된다. 단, 무제한으로 재사용이 가능한 것은 아니며, 1대의 미터의 재생 횟수는 최대 3~4회까지이다.

일본에 설치된 가스미터에는 안전 장치가 내장되어 있으며, 다음과 같은 조건에 따라 자동으로 가스 공급을 차단하도록 되어 있다.

설정된 이상의 가스 유량을 감지한 경우 (고무 호스 이탈 등 사고 방지)
장시간 가스가 흐르는 상태가 지속된 경우 (장시간 사용에 의한 과열 사고 등의 방지)
지진 등으로 인해 가스미터가 진도 5 상당 이상의 흔들림을 감지했을 때 (공급 설비 손상에 의한 사고 방지)

이러한 기능을 가진 것을 "마이컴 미터"라고 부르며, 주로 일반 가정용으로 설치하여 개별 수요자의 안전을 확보하고 있다. 단, 일부 대량 수요자용으로 위와 같은 안전 기능을 갖지 않은 미터 (평형 미터)도 존재한다.

마이컴 미터의 차단 기능이 작동하여 가스 공급이 중단된 경우에는 사용자가 복구 조작을 할 수 있다. 공급 설비 등에 이상이 없다면 이 복구 조작으로 다시 가스 사용이 가능해진다. 그러나 조작에 불안이 있거나, 몇 번을 복구해도 다시 차단되는 경우에는 가스 사업자나 판매점 등에 의뢰하여 직원이 방문하여 복구 작업을 해준다. 단, 복구 작업만이라면 원칙적으로 비용은 발생하지 않는다.
도시가스 마이컴 미터 복구 방법집안의 모든 가스 기기를 멈춘다. 메인 밸브를 닫거나, 점화·운전 스위치를 끄는 방식으로 모든 가스 기기를 멈추어야 한다. 가스 계량기 좌상단에 있는 검은색 플라스틱 캡을 돌려서 뺀다. 캡 안의 금속 막대를 뿌리까지 세게 누르고, 빨간 램프가 점멸에서 점등으로 바뀐 것을 확인한 후 손을 뗀다. 그 후 빨간 램프가 다시 점멸을 시작하므로, 캡을 다시 씌우고 3분 동안 기다린다. 빨간 램프 점멸이 멈춘 것을 확인한 후, 가스 기기를 점화하여 이상이 없는지 확인한다. 이상 없이 작동하면 그대로 사용 가능하다. 작동에 이상이 있으면 가스 사업자에게 연락한다.

복구 버튼 조작 후 3분을 기다리지 않고 점화 조작을 하면 가스 계량기가 가스 누출로 판단하여 다시 가스를 차단한다. 따라서 복구 조작 후에는 반드시 3분을 기다려 빨간 램프 점멸이 멈춘 것을 확인한 후 점화 조작을 해야 한다.
프로판 가스 마이컴 미터 복구 방법밸브를 닫거나, 점화・운전 스위치를 끄고, 모든 가스 기기를 끈다^[15]. 가스 미터 정면에 있는 복귀 버튼을 누른다. 이 결과, 「'''가스 차단'''」의 표시가 사라진다^[15]. 액정의 문자 표시와 램프가 점멸하므로, 30초 - 1분 동안 기다린다. 대기 시간은 가스 미터의 제조 회사에 따라 다르다^[15]. 액정의 A・B・C 표시와 램프가 꺼지고, 그 후에는 통상적으로 사용할 수 있음을 확인한다^[15]. 이상 없이 동작하면, 그대로 사용이 가능하다. 동작에 이상이 있으면, 가스 판매점에 연락한다^[15].

또한, 상기 복귀 버튼 조작 후에 정해진 시간을 기다리지 않고 점화 조작을 하면, 가스 미터가 가스 누출로 판단하여, 다시 가스를 차단한다^[15]. 복귀 조작 후에는 액정 화면의 A・B・C 표시가 꺼졌는지를 확인한 후에 점화 조작을 해야 한다^[15].

6. 3. 1. 도시가스 마이컴 미터 복구 방법

집안의 모든 가스 기기를 멈춘다. 메인 밸브를 닫거나, 점화·운전 스위치를 끄는 방식으로 모든 가스 기기를 멈추어야 한다. 가스 계량기 좌상단에 있는 검은색 플라스틱 캡을 돌려서 뺀다. 캡 안의 금속 막대를 뿌리까지 세게 누르고, 빨간 램프가 점멸에서 점등으로 바뀐 것을 확인한 후 손을 뗀다. 그 후 빨간 램프가 다시 점멸을 시작하므로, 캡을 다시 씌우고 3분 동안 기다린다. 빨간 램프 점멸이 멈춘 것을 확인한 후, 가스 기기를 점화하여 이상이 없는지 확인한다. 이상 없이 작동하면 그대로 사용 가능하다. 작동에 이상이 있으면 가스 사업자에게 연락한다.

복구 버튼 조작 후 3분을 기다리지 않고 점화 조작을 하면 가스 계량기가 가스 누출로 판단하여 다시 가스를 차단한다. 따라서 복구 조작 후에는 반드시 3분을 기다려 빨간 램프 점멸이 멈춘 것을 확인한 후 점화 조작을 해야 한다.

6. 3. 2. 프로판 가스 마이컴 미터 복구 방법

밸브를 닫거나, 점화・운전 스위치를 끄고, 모든 가스 기기를 끈다^[15]. 가스 미터 정면에 있는 복귀 버튼을 누른다. 이 결과, 「'''가스 차단'''」의 표시가 사라진다^[15]. 액정의 문자 표시와 램프가 점멸하므로, 30초 - 1분 동안 기다린다. 대기 시간은 가스 미터의 제조 회사에 따라 다르다^[15]. 액정의 A・B・C 표시와 램프가 꺼지고, 그 후에는 통상적으로 사용할 수 있음을 확인한다^[15]. 이상 없이 동작하면, 그대로 사용이 가능하다. 동작에 이상이 있으면, 가스 판매점에 연락한다^[15].

또한, 상기 복귀 버튼 조작 후에 정해진 시간을 기다리지 않고 점화 조작을 하면, 가스 미터가 가스 누출로 판단하여, 다시 가스를 차단한다^[15]. 복귀 조작 후에는 액정 화면의 A・B・C 표시가 꺼졌는지를 확인한 후에 점화 조작을 해야 한다^[15].

7. 같이 보기

참조

_[1] 간행물 AGA Report No. 9: Measurement of gas by multipath ultrasonic meters American Gas Association 2007
_[2] 서적 Handbook of Measurement in Science and Engineering Wiley
_[3] 법령 European directive (2004/22/EC)
_[4] 법령 the Gas (Meters) Regulations 1983
_[5] 법령 Gas Act 1976, Section 17
_[6] 법령 Limitation Act 1980, Chapter 58, Part 1
_[7] 웹사이트 Overview of Protocols in Smart Metering https://www.dlms.com[...] 2024-12-02
_[8] 웹사이트 LwM2M for IoT and Smart Metering https://www.openmobi[...] 2024-12-02
_[9] 웹사이트 List of gas meter threads http://www.gasproduc[...]
_[10] 서적 ISO General Purpose Metric Screw Threads—Tolerances International Organization for Standardization
_[11] 서적 Machinery's Handbook Industrial Press
_[12] 서적 Engineer's Handbook Engineering Standards Bureau
_[13] 문서 『計って守って50年』p121
_[14] 문서
_[15] 웹사이트 마이컴미터의 복귀 방법 http://www.jgia.gr.j[...] 2014-05-05
_[16] 글로벌2 가스미터 https://ko.wikisourc[...]
_[17] 글로벌2 가솔린미터 https://ko.wikisourc[...]

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