물, 가스, 전기 사용량 어떻게 측정하나?

물 따귀, 물레방아, 풍선 불기 놀이를 상상하자.

 
집에서 사용하는 수도, 전기, 가스 계측은 어떻게 할까? 무한히 흘러가는 액체인 물, 보이지도 않는 전류, 자유자재로 움직이는 기체인 가스의 사용량을 어떻게 측정할까? 궁금증을 해결하려 한다.
 
먼저 우리가 여름 야유회에서 벌칙으로 물 따귀를 때리는 게임을 상상하자. 물 한 바가지의 양을 1리터라고 가정하면 7번 때렸을 때에는 7리터의 물을 사용하였다. 한 바가지의 물의 양을 사전 측정했을 때 때린 횟수만 알면  물의 총량을 안다는 원리를 수도, 전기, 가스의 계측에 똑같이 적용한다.

 
수도 측정 원리

수도 계량기는 물레방아를 옆으로 세워놓은 것을 상상하자. 물레방아는 물 따귀를 때리는 사람의 손 역할이다. 수도 물이 흘러가면서 물레방아를 돌리면 돌린 횟수만 알면 사용한 물의 양을 알 수 있다. 물론 회전수에 비례하는 물의 량에 대한 사전 기준표가 있어야한다.  사용되는  물레방아  역할은 수도 계랑기 안에 있는 챔버라는 부품이 담당한다.

전기 측정 원리

전기 계량기에서 물 따귀를 때리는 사람의 손 역할은 알루미늄 원판이 한다. 우리가 중학교 때 배웠던 플레밍의 오른손 법칙에 의하여 알루미늄 원판 위 아래로 전자석을 설치하고 전류를 흘리면 원판이 회전한다. 우리가 쓰는 전기는 아래 전자석을 통과한다. 가정에서 전기를 많이 쓸수록  전류의 세기가 커지고  원판은 빨리 돌아 간다.  원판의 회전수로 전기를 쓴 양을 측정한다.

전기를 쓰는데 왜 비용이 발생할까? 야외에서 4명의 가족을 위해 장작을 태워 밥을 짓는다고 가정하면 100명으로 인원이 늘었을 때는  더많은 쌀과 장작을 태워 밥을 지어야한다. 전기는 일종의 에너지이다. 수력발전은 물의 위치에너지가, 화력이면  열에너지가 전기에너지로 바뀌어 가정에 전달되고 전기에너지가  밥솥이면 다시 열에너지로, 전등이면 빛에너지로, 에어콘이면 실외기와  회전 날개를 돌리는 운동에너지로 바뀐다. 화력발전소에서 생산한 전기를 변전소까지 보내는 것을 송전, 변전소에서 가정 등 전기소비처로 수송하는 과정을 배전이라고 한다. 전기를 아무리 많이 생산한다 해도 송배전 시설이 제대로 갖추어 지지 않으면 무용지물이다.  송배전 과정에서도 약3.9% 전기,  비용으로는 1조원이상 단위  비용이 손실된다. 송배전 선인 구리와  알루미늄을 대체  하는 상온 초전도체 전선을 만들면  이 비용을 획기적으로 줄이는게 가능하다. 전기 에너지는 축적에 한계가 있어 만들어짐과 동시에 사용하여야한다. 가정에서 여름에 에어콘  가동으로 전기 소비량이  늘면   밥짓는데 더많은 장작을  태워야하듯  화력 발전이면 더많은 석탄을 태워야한다.  더 많은 석탄을 쓰는데 드는 비용으로 이해하면된다.

 
가스 측정원리

가스 측정에서는 풍선  불기를 상상하자. 어떤 아이가 풍선을 똑같은 크기로 10개를 불었을 때 가스량은 풍선 1개의 가스 량을 알고 있으면 가능하다. 가스는 기체이기 때문에 수도물같이 물레방아 팬을 돌릴 만큼의 힘이없다.  가스 계량기계에서 풍선의 역할을 하는 장치가 다이아프램 펌프이다. 이 펌프의 작동원리는 풍선에 피스톤 하나를 깊이 찔러 넣고  분다는 상상을 하면 된다. 풍선 1개를 불면 부풀어 오르면서 피스톤을 움직이게한다. 이렇게하여  피스톤의 왕복 횟수를 알면 풍선 몇 개를 불었는지를 아는 원리와 같이 가스를 사용한 양을 정확히 안다. 그러면 피스톤이 어떻게 왔다 갔다 하게 할 수 있을까? 꽉 찬 풍선의 공기가 다 나가고 풍선이 처음 상태로 줄어들  때까지 공기가 더 이상 들어오지 않게 입구를 막아 주었다 가스가 다 나가면 다시 열어주는  것을 반복하도록 한다.