오리피스 유량 측정

왜 배우는가: 오리피스는 배관 유량 측정과 TAB(시운전 조정) 현장에서 가장 단순하고 값싼 유량계다. 탱크 압력과 액주계 값으로 유량을 계산하는 과정은 베르누이 방정식을 실제 측정에 적용하는 대표 문제라서 기술사 시험에 반복해서 나온다.

출제 이력: 제103회 1교시 9번, 제98회 1교시 4번, 제92회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 오리피스 유량 측정은 탱크나 관에 뚫은 작은 개구부를 지나는 유체의 압력차나 수두를 재어 베르누이 방정식으로 유량을 구하는 방법이다.

핵심 키워드

• 오리피스(Orifice): 유로 단면을 얇은 판의 작은 구멍으로 줄인 기구
• 수축단면(Vena Contracta): 구멍 바로 뒤에서 제트 단면적이 가장 작아지는 위치
• 유량계수(Discharge Coefficient, c): 수축과 마찰을 반영하는 보정 계수
• 베르누이 방정식(Bernoulli's Equation): 에너지 보존으로 압력·속도·위치 수두를 연결하는 식
• 토리첼리 정리(Torricelli's Law): 자유 유출 속도가 수두의 제곱근에 비례한다는 법칙
• U자관 액주계(U-tube Manometer): 액체 기둥 높이차로 압력을 읽는 계기
• 수은 액주계: 밀도가 큰 수은으로 짧은 기둥으로도 큰 압력을 재는 액주계

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 물탱크 밑에 작은 구멍을 내고 물을 빼는 상황이다. 구멍이 작으면 물줄기가 구멍 바로 뒤에서 더 가늘어진다. 이 가장 가는 곳이 수축단면이다. 이 단면에서 속도가 가장 빠르고 압력은 가장 낮다. 그래서 구멍 앞뒤의 압력차를 재면 유량을 알 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 오리피스는 유로 단면을 얇은 판에 뚫린 개구부로 줄여, 유속을 높이고 압력을 떨어뜨리는 기구다. 이때 생기는 압력차 또는 수두차를 측정해 체적유량을 구하는 것이 오리피스 유량 측정이다.

핵심 용어 사이의 관계는 다음과 같다. 수축계수 C_c = A_{vc}/A 는 수축단면적과 오리피스 면적의 비다. 속도계수 C_v 는 실제 속도와 이론 속도의 비다. 두 값을 곱한 c = C_c \cdot C_v 가 유량계수다. 유량계수는 레이놀즈수와 오리피스 형상의 함수라서 실험으로 정한다.

자유 유출의 경우 토리첼리 정리에 따라 최대 유량은 다음과 같다.

$Q = cA\sqrt{2gh}$

여기서 Q는 체적유량(m³/s), c는 유량계수, A는 오리피스 면적(m²), g는 중력가속도(m/s²), h는 오리피스 중심선 위의 수두(m)다. 점성이 크면 유출이 느려지고, 그 효과는 유량계수에 반영된다.

밀폐탱크의 경우 수면에 압력이 작용하므로 수두에 압력수두가 더해진다. 압력 p 를 측정하면 h 대신 p/\rho g 를 함께 고려한다. U자관 액주계는 두 가지 압력을 높이차로 비교한다. 수은의 밀도는 약 13,600kg/m³로 물의 약 13.6배이다. 같은 압력을 재는 데 수은 기둥은 물 기둥보다 훨씬 짧아진다.

3. 등장 배경과 필요성

건축설비에서 유량 측정이 필요한 이유는 설계 유량과 실제 유량을 비교해 시스템을 조정하기 위해서다. 펌프와 밸브가 설계대로 작동하는지, 말단 기기에 필요한 유량이 들어가는지 확인해야 한다. TAB 과정에서는 이 확인이 핵심 작업이다. 유량을 직접 재기 어려운 배관에서는 압력차로 유량을 간접 계산하는 방법을 쓴다.

오리피스는 구조가 단순하고 설치 비용이 적다. 관로 중간에 얇은 판을 끼우기만 하면 되므로 현장 적용이 쉽다. 또한 가공이 쉬워 원형으로 많이 만든다. 국제적으로는 ISO 5167 에 따라 오리피스판의 계수를 계산하는 체계가 정리돼 있다. 이 때문에 오리피스는 표준화된 유량계로 인정받는다.