유량 측정의 모든 것: 질량 유량, 체적 유량, 표준 체적 유량 그리고 E+E 열선 유량계, 유량 센서 원리

MEASUREMENT/유량 FLOW 2025. 5. 9. 14:01

유량이란?

기체나 액체가 얼마나 많이 흐르고 있는지를 나타내는 지표로, 공장 자동화, 압축 공기 관리, 배관 시스템 설계 등 다양한 산업 현장에서 매우 중요한 요소입니다.

이번 글에서는 유량(Flow)의 개념과 함께, 질량 유량(Mass Flow), 체적 유량(Volumetric Flow), 표준 체적 유량(Standard Volumetric Flow)에 대해 알아보고, E+E 열선식 유량 센서의 측정 원리도 함께 소개합니다.

유량 계산의 기반은 기체의 상태를 수학적으로 단순화한 이상기체 법칙에서 시작되는데요.

기체의 양은 보통 몰(mol) 단위로 표현되며, 1몰(mol)은 6.023x10²³개의 분자 수(아보가드로 수)를 의미합니다.

🌀이상기체 법칙(이상기체 상태 방정식)

기체의 성질을 설명할 때는 다음의 이상기체 방정식을 따릅니다.

p: 압력 (Pa 또는 bar)

V: 부피 (m³, L 등)

n: 기체의 몰 수 (mol)

R: 보편기체상수=8.3145 J/(mol·K)

T: 절대온도(K)

여기서 기체의 조성이 명확할 경우, mol 수 n 대신 질량 m과 개별기체 상수 Ri를 사용합니다:

<개별 기체 상수 예시>

기체	개별기체상수
공기(Air)	287
산소(O₂)	259.8
질소(N₂)	296.8
수소(H₂)	1241
이산화탄소(CO₂)	188.9

기체의 양(mol)을 구하는 방법으로 아래 두 가지가 있는데요.

1️⃣질량(무게)을 통한 계산

기체의 분자량을 알고 있다면, 질량을 통해 mol 수를 계산

계산 방법: 질량(g)=몰 수(mol)x분자량(g/mol)
단위: kg, g
Mass
예: 질소(N₂)의 분자량=28g/mol, 질량=56g이면→몰 수=56÷28=2 mol

2️⃣상태(압력, 부피, 온도)를 통한 계산

이상기체 방정식을 통해 n=PV/RT라는 공식이 나옴. 기체의 압력, 부피, 온도 상태를 통해 mol 수 계산

부피 단위: m³, L, cm ³ 등
Volume
예시: P 1atm, V=22.4L, T=273.15K, R=0.0821L·atm/(mol ·K) →n=1 mol

📍기체 밀도( ρ , Density)의 개념

위 두 가지 물리량(질량과 부피)의 비율이 밀도( ρ )를 정의합니다.

밀도는 기체의 상태를 나타내는 특성 중 하나이며 물질의 단위 부피 당 질량을 나타냅니다.

단위: kg/m³, g/ m³ 등

이상 기체의 경우, 밀도는 다음과 같이 표현할 수 있어요.

즉, 밀도는 압력에 비례하고 온도에 반비례합니다.

예를 들어 완전히 밀폐된 실린더에 기체가 들어있습니다. 이때 질량과 기체 종류는 일정하지요.

피스톤을 눌러 압력을 증가시키면, 부피는 감소하고 밀도는 증가합니다. 또는 기체를 가열하면 부피는 증가하고 밀도는 감소하게 됩니다.

기체의 조성이 정해져 있다면 질량을 재는 것만으로도 기체가 얼마나 있는지 알 수 있습니다. 하지만 기체의 부피는 온도와 압력에 따라 달라지기 때문에, 단순히 부피만으로는 기체가 얼마나 있는지 정확히 알기 어렵습니다.

그래서 온도와 압력의 영향을 받지 않는 "표준 상태"라는 기준을 정해서 실제로 측정한 부피를 '표준 상태일 때의 부피'로 다시 계산합니다. 이렇게 환산한 표준 부피는 기체의 종류, 온도, 압력에 관계없이 언제나 같은 조건에서 비교할 수 있는 공통 기준이 되는 것이지요.

👉표준 체적 유량을 구하는 이유!

🌏DIN 1343에 따른 표준 상태

standard temperature=0℃=273.15K

standard pressure=101325 Pa=1.01325bar

그렇다면 유량은 어떻게 구할까요?

✅유량(Flow)이란?

유량은 일정 시간 동안 어떤 면적 A를 통과하는 기체 분자의 수를 의미하고 다음과 같이 세 가지로 구분됩니다.

1️⃣질량 유량(Mass Flow Rate)

정의: (밀도를 고려한) 주어진 시간 동안 흘러가는 유체의 질량(무게)
단위:

-SI 단위: kg/s

-그 외: g/min, g/h, lb/min 등

계산 공식: 질량 유량=실제 유량*실제 밀도 or 표준 체적 유량*표준 밀도

2️⃣체적 유량(Volumetric Flow Rate)

정의: (밀도를 제외한) 주어진 시간 동안 흐르는 유체의 부피, 주어진 상태(온도와 압력)에 따라 정의됨
단위:

-SI 단위: m³/s

-그 외: L/min, ㎥/h, ft³/min 등

계산 공식: 체적 유량=유속x흐름 단면적(A)

3️⃣표준 체적 유량(Standard Volumetric Flow Rate)

정의: 기체의 부피가 표준 조건(온도 0℃, 압력 1.01325 bar)에서 얼마인지 환산한 유량
특징: 기체의 온도, 압력, 조성 등에 영향을 받지 않는 정규화된 부피 유량
단위: Nm³/s, SLPM 등
계산 공식: 표준 체적 유량=체적 유량x(273.15+측정 온도)/273.15x(1.01325/측정 압력)

📏유량계 유량 공식(Flow Formulas)

유량계에서의 체적 유량(Volumetric flow rate)은 유체가 평균 유속(Velocity)을 가지고, 단면적 A를 통해 흐르는 양입니다.

1️⃣체적 유량(Volumetric Flow Rate)=평균 유속x흐름 단면적

👉단위 시간당 흐르는 유체의 부피는 유속X유체가 흐르는 면적

2️⃣표준 체적 유량(Standard Volumetric Flow Rate)=실제 체적 유량을 표준 상태로 환산한 것

👉실제 체적 유량을 온도와 압력을 기준으로 표준 상태(0℃, 1.01325bar)에 맞게 보정한 값

3️⃣질량 유량(Mass Flow Rate)=표준 체적 유량x표준 상태에서의 공기 밀도

👉공기 기준: 0℃, 1.01325bar 상태에서의 밀도는 1.292kg/Nm³

🔥E+E 열선식 풍속계를 사용한 질량 유량 측정

아래 사진을 클릭하면 E+E 열선식 질량 유량계 페이지로 이동합니다. 🔽

🧪측정 원리:

Hot-film anemometer(열선식 풍속계)는 히터 센서 위를 통과하는 기체 분자의 수를 측정해 유속을 파악합니다. 센서 내부에는 열선과 주위 온도를 측정하는 온도 센서가 함께 설치되어 있습니다.

기체가 흐르면서 열선의 열을 빼앗아가고 이 열 손실량이 바로 유량과 비례합니다. 열선과 주변 온도 차이를 일정하게 유지하기 위해 보상 전류가 필요하게 되는데요. 이때 소비되는 전력을 측정하여 질량 유량을 측정합니다.

기압이 높아질수록 기체 밀도가 커지고, 같은 유속에서도 더 많은 분자가 센서를 지나감.
따라서 정확한 유속을 측정하려면 압력 보정이 필요함.

하지만 E+E 풍속 센서는 기본적으로 1.01325 bar(표준 압력)으로 보정되어 있기 때문에 별도의 압력 보정이 필요하지 않습니다.👍 (단, 표준 압력과 실제 압력이 다를 경우, 보정 필요)

온도 역시 센서의 열전달에 영향을 주는데요.

하지만 E+E 센서는 이를 자동으로 보정하는 내부 온도 보정 기능을 탑재하고 있어 온도 영향을 최소화합니다. 👍

👇 열선식 질량 유량계 EE741 영상으로 보기 👇

https://youtu.be/nqWYw_X9zVY

소형 모듈 질량 유량 센서 EE741

💨공기 유속(Air velocity) 공식

실제 유속=센서가 측정한 유속X(표준압/실제압력)

📌 체적 유량(Volumetric Flow Rate)

체적 유량=유로 면적 A*센서 측정 유속*실제 압력 값

📌 표준 체적 유량(Standard Volumetric Flow Rate)

유량을 0℃, 1atm 상태로 환산한 값
실무에서 공장 설계나 유량 비교를 위해 자주 사용됨.

📌 질량 유량(Mass Flow Rate)

표준 체적 유량X공기 밀도(표준 상태에서 1.292kg/Nm³)
실제 질량 흐름(kg/s)을 계산 가능

열선식 질량 유량계는 온도, 압력 보정 없이 질량 유량을 직접 측정 가능하다는 장점이 있는 반면 설치 시 고려해야할 사항도 몇 가지 있습니다.

👁‍🗨열선식 질량 유량계의 장점과 사용 시 고려 사항

장점	고려 사항
온도, 압력 보정 없이 질량 유량 직접 측정 가능	고온, 고압 환경에서 제한적으로 사용 가능
오염에 강함	설치 방향이나 조건에 영향을 받음
기체에 매우 민감하고 정밀함	액체에는 부적합
다양한 기체 측정 가능	기체 종류에 따라 보정이 필요

질량 유량계를 사용하실 환경에 열선식 질량 유량계가 적합한지 고민되신다면, 아래 링크로 문의 주세요. 풍부한 설치 경험을 가진 전문가가 파트너분께 가장 알맞은 솔루션을 함께 설계해드리겠습니다.

또는 E+E 홈페이지에서도 문의를 남기실 수 있습니다. 🙌

https://www.epluse.com/ko/support/support-request/

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이번 포스팅에서는 유량의 개념부터 유량의 종류, 각 유량을 계산하는 공식, 그리고 질량 유량계의 측정 원리와 열선식 질량 유량계에 대해 함께 살펴보았습니다.

👉다음 포스팅에서는 다양한 유량계의 종류와 각각의 특장점에 대해 좀 더 자세히 알아보겠습니다.