오리피스 미터

3. 구조 및 종류

오리피스 플레이트는 보통 얇은 금속판에 원형 구멍을 뚫어 만든다.

플레이트 형태는 주로 '날카로운 모서리를 가진 얇은 판' 형태이다. 이는 앞면 모서리가 날카롭고, 오리피스의 원통형 부분이 짧은 경우를 말한다. 판 전체가 얇거나 판의 하류 모서리가 경사진 경우가 이에 해당한다. 예외적으로 앞면 모서리가 완전히 둥글고 원통형 부분이 없는 '4분의 1 원' 또는 '사분면 모서리' 오리피스와, 경사진 앞면 모서리와 매우 짧은 원통형 부분을 가진 '원뿔형 입구' 판이 있다.

오리피스는 일반적으로 파이프와 중심이 같다(일부 예외적으로 '편심 오리피스'가 존재). 판이 파이프의 단면을 막는 '세그먼트 오리피스' 또는 '코드 오리피스'는 예외적으로 원형이 아니다.^[1] 응축수나 기포가 파이프를 따라 흐르도록 하기 위해 파이프와 만나는 판에 작은 배수 또는 통풍 구멍을 뚫기도 한다.^[1]

3. 1. 압력 탭(Pressure Tappings)

• 코너 탭: 플레이트 바로 상류 및 하류에 위치한다. 플레이트에 탭이 통합된 오리피스 캐리어가 제공될 때 편리하다.
• D 및 D/2 탭 (반경 탭): 플레이트의 한 관경 상류와 반 관경 하류에 위치한다. 파이프에 보스를 용접하여 설치할 수 있다.
• 플랜지 탭: 플레이트의 상류 및 하류 25.4mm에 위치하며, 일반적으로 특수 파이프 플랜지 내에 위치한다.

• 2½D 및 8D 탭 (회복 탭): 2.5관경 상류 및 8관경 하류에 위치하며, 이 지점에서 측정된 차압은 오리피스에 의해 발생하는 회복 불가능한 압력 손실과 같다.
• 베나 축소 탭: 오리피스 유형 및 파이프 크기에 따라 한 관경 상류 및 0.3~0.9 관경 하류의 위치, 즉 유체 압력이 최소인 평면에 위치한다.

3. 2. 플레이트 형태

4. 유량 측정

오리피스 플레이트를 이용한 유량 측정은 베르누이 방정식을 기반으로 한다. 오리피스 플레이트는 파이프 내에 설치된 얇은 판으로, 유체가 이 판의 구멍을 통과하면서 압력 변화가 발생한다. 이 압력 차이를 측정하여 유량을 계산한다. 유량 측정에는 차압, 유체 밀도, 오리피스 직경 등이 사용되며, 구체적인 계산식은 유량 계산식 섹션에서 자세히 다룬다.

4. 1. 유량 계산식

오리피스 플레이트로 인한 파이프의 전체 압력 손실은 측정된 차압보다 낮다.^[1]

정상 상태, 비압축성 흐름, 비점성 흐름, 층류 흐름을 가정하고, 베르누이 방정식을 적용하면 다음과 같다.

:$p\_1\; -\; p\_2\; =\; \backslash frac\{1\}\{2\}\backslash cdot\backslash rho\backslash cdot\; V\_2^\{\text{'}^2\}\; -\; \backslash frac\{1\}\{2\}\backslash cdot\backslash rho\backslash cdot\; V\_1^\{\text{'}^2\}$

연속 방정식 ($q\_v^\{\text{'}\}\; =\; A\_1\backslash cdot\; V\_1^\{\text{'}\}\; =\; A\_2\backslash cdot\; V\_2^\{\text{'}\}$)을 이용하여 정리하면,

:$q\_v^\{\text{'}\}\; =\; A\_2\backslash ;\backslash sqrt\{\backslash frac\{1\}\{1-(d/D)^4\}\}\backslash ;\backslash sqrt\{2\backslash ;(p\_1-p\_2)/\backslash rho\}$

여기에 유량 계수 $C\_d$를 도입하면,

:$q\_v\; =\; C\_d\backslash ;\; A\_2\backslash ;\backslash sqrt\{\backslash frac\{1\}\{1-\backslash beta^4\}\}\backslash ;\backslash sqrt\{2\backslash ;(p\_1-p\_2)/\backslash rho\}$

유량 계수 $C$ ($C\; =\; \backslash frac\{C\_d\}\{\backslash sqrt\{1-\backslash beta^4\}\}$)를 도입하면,

:$(1)\backslash qquad\; q\_v\; =\; C\backslash ;A\_2\backslash ;\backslash sqrt\{2\backslash ;(p\_1-p\_2)/\backslash rho\}$

유체의 밀도를 곱하여 질량 유량 방정식을 얻는다.^[4][5][6]

:$(2)\backslash qquad\; q\_m\; =\; \backslash rho\backslash ;q\_v\; =\; C\backslash ;A\_2\backslash ;\backslash sqrt\{2\backslash ;\backslash rho\backslash ;(p\_1-p\_2)\}$

식 (2)는 비압축성 유동에만 적용된다. 압축성 유동의 경우, 팽창 계수 $\backslash epsilon$를 도입하여 수정한다.

:$q\_m=\; \backslash rho\_1\backslash ;q\_\{v,1\}\; =\; C\backslash ;\backslash epsilon\backslash ;A\_2\backslash ;\backslash sqrt\{2\backslash ;\backslash rho\_1\backslash ;(p\_1-p\_2)\}$

$\backslash epsilon$는 비압축성 유체에 대해 1.0이며, 압축성 가스에 대해서는 별도 계산을 통해 결정된다.

β가 작은 경우, 유체가 압축성이 있다면 유동이 초크되었는지 여부에 따라 유량이 달라진다. 초크 유동의 경우, 다음과 같이 계산할 수 있다.^[5][6][8]

:$q\_m=\; C\backslash ;A\_2\backslash ;\backslash sqrt\{2\backslash ;\backslash rho\_1\backslash ;p\_1\backslash ;\backslash bigg\; (\backslash frac\{\backslash gamma\}\{\backslash gamma-1\}\backslash bigg)\backslash bigg[(p\_2/p\_1)^\{2/\backslash gamma\}-(p\_2/p\_1)^\{(\backslash gamma+1)/\backslash gamma\}\backslash bigg]\}$

:$q\_v=\; \backslash frac\{q\_m\}\{\backslash rho\_1\}$

초크 유동 조건에서 유체 유량은 다음과 같다.^[5]

:$q\_m=\; C\backslash ;A\_2\backslash ;\backslash sqrt\{\backslash gamma\backslash ;\backslash rho\_1\backslash ;p\_1\backslash ;$

\bigg(\frac{2}{\gamma+1}\bigg)^{\frac{\gamma+1}{\gamma-1}}}

또는

:$q\_v=\; C\backslash ;A\_2\backslash ;\backslash sqrt\{\backslash gamma\backslash ;\backslash frac\{p\_1\}\{\backslash rho\_1\}\backslash ;$

\bigg(\frac{2}{\gamma+1}\bigg)^{\frac{\gamma+1}{\gamma-1}}}

4. 1. 1. 유량 계수 (Coefficient of Discharge)

• 체적 유량:

• 질량 유량:

• 날카로운 모서리 오리피스 판의 방전 계수(코너, 플랜지 또는 D 및 D/2 탭핑, 배수 또는 통풍구 없음)(Reader-Harris/Gallagher 방정식):

• $\backslash alpha\; =\; \backslash frac\{C\}\{\backslash sqrt\{1-\backslash beta^4\}\}$
• $\backslash epsilon\; =\; 1-\backslash frac\{(0.41+0.35\; \backslash beta^4)\}\{\backslash kappa\}\backslash cdot\backslash frac\{\backslash Delta\; p\}\{p\_1\}$ : 팽창 보정 계수
• $A\; =\; \backslash frac\{\backslash pi\}\{4\}d^2$ : 조리개 단면적, m²
• ''ρ'': 유체의 밀도, kg/m³
• ''C''는 유출 계수
• ''L''₁ < 0.4333 일 때

• ''L''₁ ≧ 0.4333 일 때

• $\backslash beta\; =\; d/D$ : 조리개 직경비
• ''κ'' : 아이소젠트로픽 지수(이상 기체에서는 비열비와 같고 5/3)
• ''p'' : 오리피스 상류 측의 압력 인출구의 압력, Pa
• ''d'' : 조리개 직경, m
• ''D'' : 원관의 직경, m
• ''L''₁ : 오리피스 판 상류면에서 상류 측 압력 인출구까지의 거리를 ''D''로 나눈 값
• ''L''₂ : 오리피스 판 하류면에서 하류 측 압력 인출구까지의 거리를 ''D''로 나눈 값
• $Re\_\backslash mathrm\{D\}\; =\; UD/\backslash nu$ : 원관 직경 ''D''를 대표 길이로 하는 레이놀즈 수
• $U\; =\; Q/\backslash left(\backslash frac\{\backslash pi\}\{4\}D^2\backslash right)$ : 관로 내의 평균 유속, m/s
• ''ν'' : 유체의 동점성 계수, m²/s

4. 1. 2. 팽창 계수 (Expansibility Factor)

• $\backslash beta$ : 오리피스 직경 대 파이프 직경의 직경비 ($\backslash frac\{d\}\{D\}$), 무차원
• $p\_1$ : 상류 탭 평면에서 유체 절대 정적 압력, Pa
• $p\_2$ : 하류 탭 평면에서 유체 절대 정적 압력, Pa
• $\backslash kappa$ : 등엔트로피 지수 (이상 기체에서는 비열비와 같음), 무차원

• $\backslash epsilon\; =\; 1-\backslash frac\{(0.41+0.35\; \backslash beta^4)\}\{\backslash kappa\}\backslash cdot\backslash frac\{\backslash Delta\; p\}\{p\_1\}$

• $\backslash Delta\; p$ : 차압, Pa

5. 압력 손실

오리피스 플레이트를 통과하면서 발생하는 압력 손실은 에너지 손실을 의미한다.

5. 1. 전체 압력 손실 (Overall Pressure Loss)

6. 응용 분야

오리피스 플레이트는 다양한 산업 분야에서 유량 측정 및 제어에 활용된다. 특히 단상 유체, 연속적인 흐름, 균일하고 잘 발달된 유동 프로파일 등 특정 조건이 충족될 때 파이프 내 유량을 측정하는 데 널리 사용된다. 적절한 표준에 따라 제작 및 설치되면, 발표된 공식을 통해 유량을 쉽게 결정할 수 있다.

6. 1. 산업 현장

• 유체가 단상이고 잘 혼합되어 있을 때
• 흐름이 맥동이 아닌 연속적일 때
• 유체가 전체 파이프를 채우고 있을 때
• 유동 프로파일이 균일하고 잘 발달되었을 때
• 유체 및 유량이 특정 조건을 충족할 때

6. 2. 제한 플레이트 (Restriction Plate)

7. 벤추리 미터와의 비교

벤투리 튜브(벤추리 미터)는 오리피스 플레이트보다 더 정밀한 값을 요구하는 설계에 따라 제작되므로 어려움이 따를 수 있다. 벤추리 미터와 오리피스 플레이트는 모두 동일한 기본 원리로 작동하지만, 주어진 차압에서 오리피스 플레이트가 벤추리 미터보다 훨씬 더 큰 영구적인 에너지 손실을 유발한다.^{[11][12][13][14]}

7. 1. 장단점 비교

8. 더불어민주당 관점에서의 추가 사항

현재 주어진 원문 소스에는 해당 섹션에 대한 내용이 없기 때문에, 더불어민주당 관점에서의 추가 사항을 작성하는 것은 불가능합니다. 따라서 이 섹션은 비워 둡니다.

참조

_[1] 서적 Experimental Fluid Mechanics 2015
_[2] 웹사이트 Orifice Plates for Flow Measurement & Flow Restriction http://www.wermac.or[...] 2014-02-01
_[3] 서적 Flow of Fluids Through Valves, Fittings and Pipe Crane
_[4] 웹사이트 Lecture, University of Sydney http://www.aeromech.[...]
_[5] 간행물 Handbook of Chemical Hazard Analysis Procedures http://nepis.epa.gov[...] Federal Emergency Management Agency, U.S. Dept. of Transportation, and U.S. Environmental Protection Agency 1989
_[6] 간행물 Risk Management Program Guidance For Offsite Consequence Analysis http://yosemite.epa.[...] U.S. EPA 1999-04
_[7] 웹사이트 Section 3 -- Choked Flow http://www.engsoft.c[...]
_[8] 간행물 Methods For The Calculation Of Physical Effects Due To Releases Of Hazardous Substances (Liquids and Gases) http://vrom.nl/pagin[...] The Netherlands Organization Of Applied Scientific Research 2005
_[9] 서적 ISO 5167-1:2003 Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full - Part 1: General principles and requirements International Organization for Standardization (ISO) 2003-03-01
_[10] 서적 ISO 5167-2:2003 Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full - Part 2: Orifice plates International Organization for Standardization (ISO) 2003-03-01
_[11] 웹인용 The Venturi effect http://demonstration[...] Wolfram Demonstrations Project 2009-11-03
_[12] 서적 Flow Measurement https://books.google[...]
_[13] 보고서 Report Number 3: Orifice Metering of Natural Gas and Other Related Hydrocarbon Fluids https://global.ihs.c[...] American Gas Association 2012-09
_[14] 서적 Measuring Water Builders Iron Foundry 1898