KR20000005423A - 유동액체의 체적유량 측정방법 및 액체 계량기 - Google Patents

유동액체의 체적유량 측정방법 및 액체 계량기 Download PDF

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모건 데이비드 제이
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Abstract

물과 같은 액체의 체적유량을 측정하기 위한 계량기(2)는 낮은 전력 전기히터(12)가 포함된 액체 유동 경로를 형성하는 파이프(4)를 형성하고, 온도 센서(19)는 히터의 상류 단부에 근접한 액체의 온도( T1 )를 측정하고 온도 센서(20)는 히터의 하류 단부에 근접한 액체의 온도( T2 )를 측정하고, 히터(12)는 열전력값(P)를 액체에 부가시키고, 제어 장치(18)는 식(a)를 사용하여 유량(Q)을 계산하는 컴퓨터 수단을 포함하고 여기서 ST1 DT1 은 각각 액체의 비열용량과 센서(19)에 의해 측정된 온도( T1 )에서 액체의 밀도를 나타낸다.

Description

유동액체의 체적유량 측정방법 및 액체 계량기
본 발명은 액체 계량기에 관한 것으로, 특히 경로를 따라 유동액체의 체적유량을 측정하는 방법과 경로를 따라 유동액체의 체적유량을 측정하기 위한 액체 계량기에 관한 것이다.
액체는 물일 수 있다.
종래의 물 계량기는 다양한 기술이 사용된다. 물 계량기는 터빈 회전 속도에서 유량에 관련된 공지의 특징을 지니면서 유동하는 물의 체적과 반응을 잘 일으키는 터빈이나 다른 회전요소들을 사용한다. 또는 물 계량기는 초음파 속도 측정을 이용하는데 여기서 초음파 펄스의 송신에서 수신까지의 "시간의 경과"가 유동하는 물의 속도와 관련된다. 또는 물 계량기는 전자기의 속도 측정을 이용할 수 있는데, 여기서 물에 부유하는 마그네틱 입자나 이온의 통과 평균속도는 부피 유동 측정에 관계된다.
현존하는 저가의 유동 계량기는 신뢰성 및 정확성이 낮고 다수의 부족한 점이 있지만 가정용 물 소비를 측정하는데 적합하다.
신뢰성의 문제는 주로 오랜 기간에 걸쳐서 공급되는 물로부터 침전되어지는 오염물질에 영향을 쉽게 받기 때문이다. 특히 터빈 계량기는 베어링/축의 마찰에 영향을 주는 스케일링에 영향을 받기 쉽고, 이러한 문제는 낮은 유량에 대한 구경측정에 더욱 영향을 준다.
그러나 전자기 계량기는 이온이 없는 매우 깨끗한 물을 사용하는 것에 의해 악영향을 줄 수 있다, 여기서는 측정 원리가 전혀 작용되지 않는다.
낮은 정확성은 부분적으로 불순물, 질이 나쁜 장치 및 특별한 기술을 사용함으로서 발생되어질 수 있다.
스케일링은 주어진 체적유량에 대한 액체 속도를 번갈아 영향을 주어 유동 채널의 범위를 변화시키기 때문에 터빈, 초음파 및 전자기 미터의 구경측정에 영향을 준다.
터빈 임펠러의 특성은 생성된 스케일에 의해 변경되어진다.
장치 에러는 속도를 측정하는 모든 물 계량기의 정확성에 영향을 줄 수 있다. 특히 이러한 것을 막기위해서는 직선 파이프의 충분한 길이가 계량기의 상류와 하류에서 충분히 설치되어져야 한다.
많은 종래의 물 계량기에서 제공되는 유동 측정에 제한된 작동 범위는 큰 오차를 일으킨다. 특히 이러한 계량기는 특별한 설치를 하기위해 크기가 대형화되고 또는 실제 유량이 큰 폭으로 변화한다.
수리 및 신뢰성을 위해서는, 많은 비용이 지출된다. 가스 또는 전기 계량기에 의해 제공되는 것처럼 ±1%내에 정확성을 가지기 위한 유용한 물 계량기는, 가격이 다섯배에서 열배정도 든다. 그러나, 이러한 투자를 했더라도 오랜기간동안의 신뢰성은 가스나 전기 계량기에 의해 제공되는 것만큼 좋지는 않다. 독일에서는 계량기의 신뢰성이 낮은 이유로 요금을 목적으로 사용되는 모든 물 계량기는 5년마다 재구경측정과 서비스를 받기 위해서 제거되어져야 한다.
본 발명의 하나의 목적은 액체의 체적유량을 측정하는 방법을 제공하는 것이고, 만일 액체가 물이라면 상기 언급된 단점들을 피할 수 있다. 또다른 목적은 상기 언급된 단점들을 피할 수 있는 물의 체적유량을 측정하기 위해 사용되는 액체 계량기를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 의 관점에 따라 경로안에 장소에서 액체에 열전력값(P)의 열을 부가하고, 상기 장소를 통과하는 액체의 유동의 방향에 관하여 상류 및 하류가 존재하고, 상기 장소의 상류끝에서 근접한 제 1 위치에서 상기 경로안에 액체의 온도( T1 )와 상기 장소의 하류끝에서 근접한 제 2 위치에서 상기 경로안에 액체의 온도( T2 )사이에서 온도차 값( T2 - T1 )을 측정하고, 다음과 같은 식에 따라 액체의 체적유량(Q)를 계산하는 것이 포함되는 것을 특징으로 하는 상기 경로를 따라 액체의 체적유량을 측정하기 위한 방법이 제공되어지는 것이다.
(여기서, ST1 은 상기 제 1 위치에서 액체의 비열용량이고,
DT1 은 상기 제 1 위치에서 상기 액체의 온도에 따른 유체의 밀도이다)
본 발명의 두 번째 관점에 따라, 액체를 유동시키기 위한 경로, 계량기가 사용될 때 상기 경로안에 위치에서 상기 액체에 열전력값(P)의 열을 부가하기위한 열 부가 수단, 계량기가 사용될 때 상기 장소를 통과하는 액체의 유동의 방향에 관하여 상류 및 하류가 존재하고 상기 장소의 상류끝에서 근접한 제 1 위치에서 상기 경로안에 액체의 온도( T1 )와 상기 장소의 하류끝에서 근접한 제 2 위치에서 상기 경로안에 액체의 온도( T2 )사이에서 온도차 값( T2 - T1 )을 측정하기 위한 온도차 측정수단; 및
다음과 같은 식에 따라 액체의 체적유량(Q)를 계산하기 위한 계산수단을
(여기서, ST1 은 상기 제 1 위치에서 액체의 비열용량이고,
DT1 은 상기 제 1 위치에서 상기 액체의 온도에 따른 유체의 밀도이다)
포함하는 것을 특징으로 하는 액체의 체적유량을 측정하기 위한 액체 계량기를 제공하는 것이다.
본 발명의 각 관점은 첨부된 도면을 참고하여 더욱 자세히 기술되어질 것이다.
도 1은 제 1 관점에 따른 방법을 실행할 수 있고 본 발명의 제 2 관점에 따른 액체의 체적유량을 측정할 수 있는 액체 계량기의 바람직한 실시예를 섹션에서 개략적으로 또는 부분적으로 도시하고,
도 2는 섭씨℃ 차원의 물의 온도에서 물의 밀도 DT1 (in kg per ㎥)의 변화와 섭씨 차원의 물의 온도에서 물의 비열 ST1 (in Joules J per kg per ℃)의 변화를 도시하는 그래프이고,
도 3은 섭씨(℃)의 물의 온도에서 물에 대한 계수 K의 변화를 도시하는 도면이다.
여기서
K = ST1 × DT1
첨부된 도면을 참고하면, 체적측정의 액체 유량 계량기(2)는 좋은 열절연재(6)에 의해 둘러싸여지고 액체가 공급되는 급수관안에서 적당한 커플링을 통해 연결하기 위해, 예를 들면 스크류 나사(8, 10)에 의해, 각 단부에서 적당한 경로 또는 파이프를 포함한다.
액체는 물일수 있고 상술한 급수관은 급수본관일 수 있는데, 이것은 계량기(2)가 물 계량기인 것이다. 급수본관은 가정용을 전제로 하기 때문에, 이러한 경우의 계량기는 가정용 계량기이다.
측정된 액체는 화살표 A 방향으로 파이프(4)에 들어오고 화살표 B방향으로 나간다.
파이프(4) 안에서는 전기 히터(12)가 존재하는데, 5와트의 상태비율를 가지는 낮은 전력의 히터가 바람직하다. 히터(12)는 계산수단으로서 작용하는 컴퓨터 수단을 포함하는 전기 또는 전자장치인 제어장치(18)로부터 신호 경로(16)상에 신호에 대응하도록 작동하는 적당한 전원장치(14)로부터 전기적 전원이 공급되어진다. 온도센서(19)는 히터(12)의 파이프(4) 상류에서 부착되고 또다른 온도센서(20)는 히터의 파이프 하류에서 부착되어진다. 이것은 히터가 파이프(4)안에서 두 온도센서(19, 20) 사이에서 부착되어지고, 두 온도센서는 액체에 열을 가하는 히터에 대향하는 단부의 위치에서 근접하게 배치되어진다.
온도센서(19, 20)는 파이프(4) 안에서 액체의 온도를 관측하여 나타내는, 각각의 신호경로(22, 24)상에서, 신호를 제공하는 전기적 또는 전자적 장치이다. 온도센서(19, 20)는 바람직하게 정확성을 가지고 또한 0.001℃와 같은 작은 증가도 정확하게 측정할 수 있는 능력인 높은 분해능력(resolution)을 포함한다.
센서(19)에 의해 측정된 액체의 온도는 섭씨 T1 (℃)이고 센서(20)에 의해 측정된 액체의 온도는 섭씨 T2 (℃)이다. 열은 P와트인 히터(12)에 의해 액체로 입력된다. 센서(19)에서는 액체의 밀도가 DT1 (kg/㎥)이고 비열용량은 ST1 (J/kg/℃)이다. 제어장치(18)는 본 식에 따른 초당 입방미터(㎥)에서 액체의 체적유량을 계산한다.
-(1)
제어장치(18)는 측정된 온도 T1 이 변화함으로서 ST1×DT1 의 변화값이 계산되어지는 것에의해 표현되는 프로그램이고, 또는 T1 의 다른 측정값에 대하여 ST1×DT1 에 대하여 각각의 값을 제공하는 룩업(look-up) 테이블이 제공되어진다. 제어장치(18)에 공급하기 위하여 얻어지는 이러한 정보는 액체로서 측정되는 물에 관련된 도 2 및 3으로부터 이해될 수 있다. 도 2에서는 온도 T1 에 대한 물의 밀도 DT1 의 변화를 도시하고 있고 동시에 온도 T1 에 대한 비열용량 ST1 의 변화를 도시하고 있다. 도 2로부터 K = ST1 × DT1 에서는, T1 의 각각의 값에 대한 K의 값이 계산되어질 수 있고, 도 3의 그래프에 의해 나타내어진다. 예를들면, 물의 온도 T1 이 10℃일 때 K는 4200× 103 J/㎥/℃이다.
제어장치(18)는 그 즉시 액체 유량의 표시 또는 기록을 주는 기록기 및/또는 표시기 수단(28)으로 경로(26)를 통해 신호를 보내고, 여기서 제어장치는 시간에 관현된 체적유량의 성공적인 계산값을 평균하여 시간의 시점에서 공급된 액체의 양의 기록 또는 표시를 위해 경로(26)상에 신호를 보낸다. 또한 제어장치(18)는 액체가 공급되어질 때 가격율 및/또는 가격을 초과하여 공급된 액체의 가격비용을 계산하기 위하여 비용 입력 데이터를 구비하고, 이러한 비용 및/또는 가격율은 기록기 및/또는 표시기 수단(28)에 의하여 기록되어지거나 표시되어진다. 히터(12)에 의해 공급되는 전원 출력(P)은 실질적으로 상수로서 합계되어지고 또는 제어장치(18)가 P=i×v 식으로부터 P의 값을 계산한다. 여기서 v는 히터에 걸친 전압이고 i는 히터를 통해 흐르는 전류이다. v 및 i 의 동시적인 값으로 표현되는 신호는 전원(14)으로부터 제어장치로 경로(30)를 통해 공급되어진다.
선택적 특징에 있어서는, 계량기의 전기적 구성요소는 재충전할 수 있는 전지에 의해 동력이되어지고, 전지를 충전하는 전지 충전기(36)에서 전력을 공급하는 전기 제네레이터(34)를 구동하기 위해 파이프(4)안에 공급되어지는 터빈(33)을 액체 유동이 회전시킨다.
측정의 정확성이 오랜 기간동안 유지되고 낮은 가열 전력을 사용되어지도록 확실하게 하기위해서는, 히터(12)에 전기공급이 어느 기간동안 제어장치(18)에 의해 반복적으로 그리고 규칙적으로 차단되어지고 그후 어느 기간동안 복원되야 한다. 예를들면 히터에 작동기간 및 차단기간이 실질적으로 동일 해야 하는데, 예를들면, 각각 실질적으로 5초동안 지속되야 한다. 히터 스위칭은 때때로 온도 센서(19, 20)가 구경을 측정할 수 있도록 한다. 히터(12)에 스위치가 오프됐을 때 센서 "19" 및 "20"의 온도 판독이 같아야 한다. 즉 T1 이 되므로서, T2 - T1 이 제로가 된다. 그러나 센서(18, 20)는 동일한 출력을 주지 않기 때문에 T1 값과 T2 값 사이에는 차이 또는 오류(e)가 있으므로, T2 = T1 ± e이다. 제어장치(18)는 만일 T2 의 값이 T1 보다 작으면(센서(20)가 센서(19)에 비교했을 때 낮은 판독이 나오면) +e를 그리고 만일 T2 의 값이 T1 보다 크면(센서(20)가 센서(19)에 비교했을 때 높은 판독이 나오면) -e인 에러(e)를 주기위하여 T2 에서 T1 을 뺀다.
다음으로 히터(12)가 스위치 온되면 센서(19, 20)의 온도 판독이 각각 T1 T2 가 되고, 이때 제어장치(18)는 센서(20)가 낮게 판독되면 T2 - T1 + e로 그리고 센서(20)가 낮게 판독되면 T2 - T1 - e로서 두 센서사이에서 히터 맞으편의 온도를 계산한다.
각 센서(19, 20)로부터의 출력 신호는 제어장치(18)에 의해 기록되어지고, 히터(12)가 온될 때 센서사이의 온도차이는, 히터가 온되는 기간동안 미리 예정된 허용오차안에 모두 위치하고 미리 예정된 기간을 넘어도 연속적으로 온도차이를 기록했을 때, 계산되어진다. 이러한 연속적으로 기록된 온도차이는 평균되어지고 평균값은 식(1)에서 ( T2 - T1 )차이로서 사용되어진다.
센서(20)에 의해 높은 온도 측정의 결과로 생성되어지는 고전기신호가 과도하게 되지않도록 수용하기 위해 액체유량의 넓은 하락을 허용하고, 히터 전력(P)은 높은 신호가 생성되는 것을 피하기 위해 제어장치(18)에 의해 제어되어진다. 히터 전력 크기(P)와 온/오프의 지속은 센서(19, 20)사이에서 히터에 걸친 안정된 액체 온도 차이의 달성에 따라 히터작동의 각각의 온/오프 사이클에 대하여 변경할 수 있다. 히터 전력(P)의 크기는 온도차이( T2 - T1 )가 유동의 두 흐름에서 실질적으로 같아지도록 하기위해서 상대적으로 높게 미리 설정된 유량 하락에서 상대적으로 높게 설정된 값(그러나, 단지 몇 와트)을 상대적으로 낮게 설정된 유량에서 상대적으로 낮게 설정된 값으로 변경되어진다. 히터-온 지속은 하류의 센서(20)에 의해 측정된 온도( T2 )가 유량이 높았을때보다 짧은 시간안에 높은 값을 포함하기 때문에 낮은 유량에서는 줄어든다.
상기에서 기술된 체적측정 계량기(2)는 다수의 장점을 가지고 있다.
1. 유동에서 넓은 하락은 정확하게 측정되어질 수 있다. 종래의 계랑기 기술과 대조를 이루어, 계랑기(2)에 대한 정확성이 낮은 유동에서 증가한다. 이처럼 정확성이 증가하는 이유는 히터 전력(P)의 상수 값을 주기위하여 온도차( T2 - T1 )를 높히고, 유동을 감소시키기 때문이다.
2. 오랜기간에 걸쳐서 계랑기(2)의 내부에 침전되는 액체 불순물은 정확성의 측정에 영향을 끼치지 않는다. 이것은 내부표면이 불순물로 되어질 때, 비록 열전달에 대한 주어진 시간이 증가되지만, 하류 센서(20)에서 주입된 열을 액체에서 얻기 때문이다. 게다가 유량을 구하는 식에서, 식은 파이프(4)의 교차영역이나 유동속도에 독립적이기 때문에 스케일링은 유량(Q)을 측정하는데 아무런 영향을 끼치지 않는다.
- (1)
3. 계량기(2)는 온도를 변화시킴으로서 물의 밀도나 비열용량의 변화를 수정할 수 있다.
4. 계랑기(2)의 최종 제조비용은 간단한 전자부품, 센서 및 고정되게 사용되어지는 기계적 구성요소(터빈(32) 및 제네레이터(34), 필수적으로 사용되지 않는 것은 무시한다)들을 사용함으로서 기존의 기술과 경쟁적일 수 있다.
5. 이동하는 부품을 사용하지 않음으로서 신뢰성을 높일 수 있다.
6. ±1%의 필요한 정확성을 위해 별도의 구경측정을 할 필요가 없다. 미리 설정된 센서 구경측정, 히터 전력 측정, 및 계수( ST1 × DT1 )의 미리 프로그램된 값이 비용절감을 고려하여 그 결과가 이미 제공되어져 있다.

Claims (19)

  1. 경로안에 장소에서 액체에 열전력값(P)의 열을 부가하고;
    상기 장소를 통과하는 액체의 유동의 방향에 관하여 상류 및 하류가 존재하고, 상기 장소의 상류끝에서 근접한 제 1 위치에서 상기 경로안에 액체의 온도( T1 )와 상기 장소의 하류끝에서 근접한 제 2 위치에서 상기 경로안에 액체의 온도( T2 )사이에서 온도차 값( T2 - T1 )을 측정하고;
    다음과 같은 식에 따라 액체의 체적유량(Q)를 계산하는 것이 포함되는 것을 특징으로 하는 유동액체의 체적유량 측정방법.
    (여기서, ST1 은 상기 제 1 위치에서 액체의 비열용량이고,
    DT1 은 상기 제 1 위치에서 상기 액체의 온도에 따른 유체의 밀도이다)
  2. 제 1 항에 있어서,
    온도 T1 은 상기 장소의 상류에서 제 1 온도 센싱수단을 이용함으로서 측정되어지고 온도 T2 는 상기 장소의 하류에서 제 2 온도 센싱수단을 이용함으로서 측정되어지고, 열의 부가는 간헐적이며, 열의 부가가 중단되는 동안에 제 1 및 제 2 온도 센싱 수단의 온도측정이 구경측정이 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    식에서 사용되는 (T2-T1) 항은 미리 설정된 간격내에서 존재하는 제 1 및 제 2의 위치사이에서 다수의 연속적으로 측정한 온도차의 평균(주로 열은 상기 장소에서 부가되어진다)인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    액체유량이 높을 때 열이 부가되어지는 시간 주기의 길이를 비교했을 때보다 액체유량이 낮을 때 열이 부가되어지는 시간주기가 짧아지는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    액체 유량(Q)은 시간 주기에서 경로에 따라 통과되는 액체의 체적을 주기위하여 시간에 관련되어 평균되어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    유량(Q) 데이터와 가격 비용 데이터는 상기 시간 주기에서 경로에 따라 통과되어지는 액체의 가격값을 계산하도록 이용되어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    액체는 물인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 첨부된 도면을 참고하여 기술된 경로를 따라 유동액체의 체적유량을 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 액체를 유동시키기 위한 경로;
    계량기가 사용될 때 상기 경로안에 위치에서 상기 액체에 열전력값(P)의 열을 부가하기위한 열 부가 수단;
    계량기가 사용될 때, 상기 장소를 통과하는 액체의 유동의 방향에 관하여 상류 및 하류가 존재하고, 상기 장소의 상류끝에서 근접한 제 1 위치에서 상기 경로안에 액체의 온도( T1 )와 상기 장소의 하류끝에서 근접한 제 2 위치에서 상기 경로안에 액체의 온도( T2 )사이에서 온도차 값( T2 - T1 )을 측정하기 위한 온도차 측정수단; 및
    다음과 같은 식에 따라 액체의 체적유량(Q)를 계산하기 위한 계산수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체의 체적유량을 측정하기 위한 액체 계량기.
    (여기서, ST1 은 상기 제 1 위치에서 액체의 비열용량이고,
    DT1 은 상기 제 1 위치에서 상기 액체의 온도에 따른 유체의 밀도이다)
  10. 제 9 항에 있어서,
    제어수단은 상기 계산수단을 포함하고,
    온도차 측정수단은 상기 제 1 위치에서 제 1 온도 센싱수단과 상기 제 2 위치에서 제 2 온도 센싱수단을 포함하고,
    상기 제어수단은 상기 열 부가 수단이 열의 부가를 단속하거나 열을 부가하도록 조정되어지고, 열 부가 수단이 단속되어짐과 동시에 제 1 및 제 2 온도 센싱수단의 온도를 판독하여 구경측정을 할 수 있도록 조정되는 것을 특징으로 하는 액체 계량기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    열 부가 수단은 상기 경로에서 전기 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 계량기.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    제어 수단은 미리 설정된 간격내에서 존재하는 상기 제어수단에 의하여 기초되는 제 1 및 제 2위치 사이에서 다수의 연속적으로 측정한 온도차의 평균(주로 열은 상기 장소에서 부가되어진다)을 이끌어내는 것에의해 상기 식에서 사용되는 항 (T2-T1) 을 이끌기 위하여 조정되는 것을 특징으로 하는 액체 계량기.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
    제어수단은 액체유량이 높을 때 열이 부가되어지는 시간 주기의 길이를 비교했을 때보다 액체유량이 낮을 때 열이 부가되어지는 시간주기가 짧아지는 열 부가 수단의 작동을 제어하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 액체 계량기.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서,
    제어수단은 상기 시간 주기에서 경로에 따라 통과되는 액체의 체적을 주기위하여 시간에 관련되는 액체 유량(Q)을 평균하기 위하여 조정되어지는 것을 특징으로 하는 액체 계량기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    제어수단은 상기 시간 주기에서 경로에 따라 통과되어지는 액체의 가격값을 계산하기 위하여 유량(Q) 데이터와 가격 비용 데이터를 사용하기 위하여 조정되는 것을 특징으로 하는 액체 계량기.
  16. 제 9 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서,
    경로는 외부 열 절연재를 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 계량기.
  17. 제 9 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 있어서,
    계량기는 전력을 제공하기 위하여 재충전할 수 있는 전지를 사용하고, 전지는 경로를 따라 유동액체에 대응하여 구동되어지도록 조정되는 전력 발생기 수단에 의해 전력을 공급하는 전지 충전 수단에 의해 재충전할 수 있는 것을 특징으로 하는 액체 계량기.
  18. 제 9 항 내지 제 17 항중 어느 한 항에 따른 물 계량기.
  19. 첨부된 도면을 참고하여 기술된 경로를 통해 유동액체의 체적유량을 측정하는 것을 특징으로 하는 액체 계량기.
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