1.1 서론
Process Instrumentation 프로세스 계측
훌륭한 제어(control)를 위해서는 정확하고, 신뢰할 수 있으며, 반응성이 좋고(responsive), 유지보수하기 쉬운 측정(measurements)이 필요합니다. 이러한 요소들은 측정에 사용되는 원리(principle), 선정 및 명시된 기기(instrument)의 세부 사양(specifications)과 특징, 기기 및 설치의 유지보수 상태, 특히 설치 세부사항에 의해 영향을 받습니다.
공정에서 이루어지는 대부분의 물리적 측정은 유량(flow), 압력(pressure), 수위(level), 온도(temperature)의 ‘네 가지’에 해당됩니다. 이 주제에서는 이러한 변수들을 측정하는 가장 보편적인 방법에 초점을 맞출 것입니다. 분석적 측정(Analytical measurements)은 다음 주제에서 다룹니다. 이 주제의 제목은 ‘공정’ 계측(process instrumentation)이지만, 더 많은 응용 분야가 공정 및 유틸리티(utility)에 있기 때문이며, 이러한 계측기 대부분은 연속적인 측정이 필요한 다른 많은 자동화(automation) 응용 분야에서도 사용됩니다.
이 주제의 많은 초점은 센서(sensor)와 통신 전자장치(communicating electronics)가 하나의 패키지에 결합된 소형 ‘트랜스미터(transmitters)’에 맞춰져 있습니다. 온도 측정의 일부는 예외인데, 이러한 장치들은 종종 센서와 통신 전자장치가 분리되어 있기 때문입니다. 이러한 트랜스미터는 때때로 다른 이름으로 불리기도 합니다. 예를 들어, 수위 트랜스미터는 수위계(level gauges)로, 유량 트랜스미터는 유량계(flowmeters)로 불립니다.
1.1.1 측정 개념
모든 연속적인 측정에는 정확도(accuracy), 반복성(repeatability), 선형성(linearity), 턴다운(turndown), 응답 속도(speed of response)라는 공통된 매개변수(parameters)가 있습니다.
정확도는 오차(error)와 최대 출력(full-scale output)의 비율로, 일반적으로 스팬(span)에 대한 백분율로 표현됩니다.
반복성은 동일한 입력(input)이 동일한 방식으로 짧은 시간 동안 가해졌을 때, 기기가 얼마나 동일한 출력(output)을 제공하는지를 나타냅니다. 이 또한 종종 스팬에 대한 백분율 오차로 표현됩니다.
선형성은 선형적이어야 하는 측정에만 적용됩니다. 이는 실제 값(actual value) 대비 측정값의 편차(deviation)가 직선에서 얼마나 벗어나는지를 스팬에 대한 백분율로 나타냅니다.
응답 속도(Response speed)는 실제 값에 계단식 변화(step change)가 발생했을 때, 측정값(measured value)이 최종 값의 일정 백분율 내로 상승하는 데 필요한 시간을 의미합니다. 예를 들어, 98% 응답 시간은 좋은 측정값을 얻기까지의 시간을 나타내지만, 1차 시정수(first order time constant)보다는 훨씬 깁니다. 제어 루프(control loop)의 성능에서는 측정의 1차 시정수가 가장 중요합니다.
히스테리시스(hysteresis), 불감대(dead band), 스티션(stiction)과 같은 다른 응답 특성(response characteristics)은 주로 제어 밸브(control valves)와 같은 기계 장비(mechanical equipment)와 관련이 있으며, 일반적으로 전자 트랜스미터(electronic transmitters)에는 적용되지 않습니다.
측정 기기(Measuring instruments)는 일반적으로 스팬(span)과 제로(zero)를 조정할 수 있습니다. 스팬 오차(Span error)는 기기의 최대 출력(full scale output)이 실제 변수의 최대 스팬 변화와 얼마나 잘 일치하는지를 나타내며, 보통 스팬에 대한 백분율로 표현됩니다. 제로 오차(Zero error)는 스팬의 가장 낮은 지점에서 측정된 기기의 출력으로, 보통 스팬에 대한 백분율로 표현됩니다. 제로 오차는 모든 측정에 대해 일정한 오프셋(offset)을 유발합니다.
턴다운비(turndown ratio)는 측정 가능한 최대값과 최소값의 비율입니다. 예를 들어, 측정 가능한 최대 유량(flow)이 분당 100갤런(gpm)이고 턴다운비가 3(오리피스(orifice)의 일반적인 값)이라면, 정확하게 측정할 수 있는 최소 유량은 33gpm이 됩니다. 하지만, 턴다운비가 100(코리올리 미터(Coriolis meter)에서 가능)이라면, 정확하게 측정할 수 있는 최소 유량은 1gpm이 됩니다.
1.2 압력
액체 또는 가스의 압력(pressure)을 측정하는 트랜스미터(transmitters)는 실제 압력 측정뿐만 아니라 수위(level)와 유량(flow) 측정에도 자주 사용되기 때문에 공정 및 유틸리티(utility) 분야에서 매우 흔합니다.
압력은 일반적으로 제곱인치당 파운드(pounds per square inch) 또는 수주(inches of water column) 단위로 측정됩니다. 압력 측정은 대기압(atmospheric pressure)보다 높은 양(양압만 해당, ‘게이지(gauge)’라고도 함), 대기압보다 높거나 낮은 양(양압 및 음압, ‘복합 범위(compound range)’라고도 함), 또는 절대 영점 압력(absolute zero pressure)보다 높은 양(‘절대(absolute)’)을 측정하도록 설계될 수 있습니다. 해수면에서 대기압은 14.7파운드이지만, 1,000피트 상승할 때마다 약 0.5psi씩 변합니다.
압력 측정은 또한 단일 압력(단일 입력 포트)이거나 차압(differential pressure)(두 개의 입력 포트)일 수 있습니다. 차압 트랜스미터(differential pressure transmitters)는 매우 중요합니다. 예를 들어, 1,000파운드의 높은 공통 압력(common pressure)이 있는 상태에서 20수주(inches of water)와 같은 작은 차압을 측정할 때, 각각의 압력을 측정한 다음 전자적으로 차이를 계산하는 것은 불가능합니다. 트랜스미터와 감산 장치(subtraction devices)의 부정확성으로 인해 최종 차이 값은 신뢰할 수 없을 만큼 부정확해질 것입니다.
이상 기체 법칙(ideal gas law)에 따르면 pV/T는 상수이며, 여기서 p는 압력, V는 부피(volume), T는 절대 온도(absolute temperature)입니다. 따라서 압력은 온도와 부피에 크게 의존합니다.
마노미터(manometers), 부르돈관(bourdon tubes), 벨로우즈(bellows)와 같은 다양한 압력 측정 방법이 있지만, 오늘날 대부분의 압력 트랜스미터는 단일 압력과 차압 모두 다이어프램(diaphragm)의 변형(deflection)을 감지하여 압력을 측정합니다. 이러한 변형을 감지하는 장치로는 스트레인 게이지(strain gauge) 또는 기타 기술이 사용되며, 온도 및 충격 보호를 위해 보조 다이어프램(secondary diaphragm)에 장착되는 경우가 많습니다. Figure 1-1은 차압 트랜스미터의 내부와 오일로 채워진 채널로 연결된 보조 다이어프램을 보여줍니다. 센서의 출력은 전송을 위해 증폭됩니다. 신호 조절 및 전송 방식이 디지털이든 아날로그이든 센서는 아날로그(analog)입니다.
공정 유체(process fluid)와 접촉하는 다이어프램은 공정의 온도와 부식 효과(corrosive effects)를 견딜 수 있는 재질이어야 합니다. 다이어프램은 얇기 때문에 부식에 대한 내성이 거의 없습니다. 다이어프램은 스테인리스 스틸(stainless steel), 다양한 합금 및 세라믹(ceramic)으로 제공됩니다.
압력 트랜스미터(pressure transmitters)는 튜브(tubing)를 이용하여 공정(process)에 연결될 수 있으며, 특수 구성된 압력 트랜스미터를 사용하여 다이어프램(diaphragm)을 공정 용기(process vessel)에 직접 밀착(flush)시켜 장착할 수도 있습니다. 일부 사람들은 유지보수 접근성을 위해 트랜스미터를 편리한 위치에 두는 것을 선호하는데, 이 경우 공정 배관(process piping)이나 용기에 긴 튜브 연결이 필요할 수 있습니다. 반면, 누출 및 튜브 막힘(pluggage) 문제와 충진(fill) 문제를 최소화하기 위해 트랜스미터를 공정 배관 또는 용기에 직접 가깝게 연결(close-coupled)하는 것을 선호하는 사람들도 있습니다. 즉, 문제가 발생했을 때 쉽게 정비할 수 있도록 접근이 용이한 곳에 트랜스미터를 배치하거나, 신뢰성(reliability)을 높여 정비가 덜 필요하도록 배치할 수 있습니다.
아날로그 압력 트랜스미터의 경우, 스팬(span) 및 제로(zero) 교정(calibration)이 주요 문제입니다. 디지털 압력 트랜스미터는 모든 아날로그 트랜스미터보다 훨씬 더 정확하고 안정적인 경향이 있습니다. 또한, 디지털 트랜스미터는 여러 다른 기능적인 이점들을 가지고 있습니다.
현장에서 압력을 발생시키는 다양한 종류의 장치들이 계측 기술자(instrument technicians)들에 의해 스팬 교정을 위해 오랫동안 사용되어 왔습니다. 이 장치들은 먼저 압력 트랜스미터를 공정에서 밸브로 차단한 다음, 트랜스미터를 이 휴대용 압력원(portable pressure source)에 연결하여 사용됩니다. 그러면 알려진 압력 측정 게이지(pressure measurement gauge)를 사용하여 트랜스미터 출력과 비교할 수 있습니다. 아날로그 기기의 경우, 예를 들어 0-100 수주에서 0-200 수주로 스팬 설정을 변경하는 유일한 방법입니다.
디지털 트랜스미터의 교정은 디지털 전자 장치 내에서 완전히 수행될 수 있으며, 통신 배선(communications wiring)을 통해 원격으로도 가능합니다. 게다가 오늘날의 디지털 트랜스미터는 현장에서 다룰 수 있는 압력 게이지보다 더 정확할 가능성이 높습니다. 이 때문에 현장 교정(field calibration)은 점차 줄어들고 있습니다.
1.3 액위
액체 또는 고체에 대한 액위(Level) 측정은 모든 종류의 대량 생산 및 저장 시설뿐만 아니라 많은 유틸리티(utilities) 시설에서 광범위하게 사용됩니다. 수위 측정은 정확한 재고 파악, 반응이 일어나는 용기(vessel)의 내용물 확인, 또는 단순히 탱크가 넘치거나 비어 있지 않도록 하는 용도로 사용될 수 있습니다.
고체나 액체의 표면 위치는 직접적으로 측정될 수 있습니다. 액체의 경우, 액위는 탱크 바닥의 압력으로부터 추론될 수 있습니다. 어려운 응용 분야에서는 탱크의 무게를 측정할 수도 있습니다. 고체 수위 측정은 표면이 충전 위치 아래에서 위쪽으로 원뿔 모양이 되거나 배출 위치 위에서 아래쪽으로 원뿔 모양이 되기 때문에 종종 부정확합니다. 끓거나 교반(agitation)으로 인해 액체의 표면이 난류(turbulent) 상태가 될 수 있는데, 이는 일부 종류의 액위(level) 측정에서 부정확성(inaccuracies)을 유발할 수 있습니다.
1.3.1 직접 액위 측정
플로트
가장 명확한 측정 방법은 플로트(float)를 사용하여 액체 액위를 결정하는 것입니다. 이 방법은 공정 응용 분야(process applications)에서 사용되지만, 아마도 가장 중요한 용도는 값비싼 내용물이 담긴 매우 큰 탱크(large tanks)일 것입니다. 이러한 대형 탱크 응용 분야에서는 이를 탱크 게이징(tank gauging)이라고 합니다. 최대의 정확도를 달성하기 위해 게이징 시스템은 대기 온도와 충진으로 인한 용기 형태의 변화 등 겉보기에는 사소한 여러 가지 요소들도 활용합니다. 플로트는 케이블 또는 테이프를 통해 탱크 외부에 있는 측정 장치와 연결되어, 플로트까지의 길이를 정밀하게 측정합니다.
초음파 및 레이더 (마이크로파)
이러한 측정 방법은 탱크 상단에서 험한 파동 신호(pulsed wave signal)를 발사하여 재료 표면에 부딪힌 후 다시 장비로 반사되는 원리로 작동합니다. 그런 다음, 전송 시간을 통해 표면까지의 거리를 결정합니다. 초음파(Ultrasonic) 측정은 공정과의 비접촉식이라는 장점이 있으며, 다양한 액체 및 벌크 제품(bulk products)에 적합합니다. 단점은 공정에서 너무 많은 표면 거품(surface foam)이 발생해서는 안 되며, 고온, 고압 또는 진공(vacuum) 환경에는 적합하지 않다는 점입니다. 레이더(Radar)는 대부분의 액체에 광범위하게 적용 가능하고 압력, 온도, 증기(vapor)와 무관하게 측정할 수 있다는 장점이 있습니다. 단점은 액체의 심한 교반(agitation)이나 거품 형성으로 인해 측정이 손실될 수 있다는 점입니다. 현재 레이더 장비는 초음파 장비와 가격이 비슷해지고 있으며, 가장 빠르게 성장하는 액위 측정 방식입니다.
정전용량
금속 프로브(metal probe)가 탱크 내부에 수직으로 설치되며 탱크로부터 전기적으로 절연됩니다. 이 프로브와 탱크 벽은 축전기(capacitor)를 형성하며, 그 값은 탱크 내 재료의 양과 프로브 및 벽 사이의 매질(medium)에 따라 달라집니다. 증기만 있을 때는 정전용량(capacitance)이 낮습니다. 공정 재료가 프로브를 덮으면서 정전용량은 점진적으로 증가합니다. 이 방법은 액체나 고체에 모두 적합하며, 움직이는 부품이 없고, 부식성이 강한 매질에도 적합합니다. 단점은 전기적 특성이 변하는 제품에는 적용이 제한적일 수 있으며, 프로브에 코팅(coatings)이 생기면 민감하게 반응할 수 있다는 점입니다. 특히 감지하는 재료가 전도성(conductive)인 경우 센서(sensor) 선택이 매우 중요합니다.
방사능
점 또는 띠 형태의 방사능(Radioactive) 선원(source)이 탱크의 한쪽 외부에 배치되고, 방사선 검출기(radiation detector) (가이거 계수기(Geiger counter)) 또는 일련의 검출기가 다른 쪽에 배치됩니다. 검출기에 도달하는 방사선의 양은 탱크 내 재료의 양에 따라 달라집니다. 이 방식은 비용이 많이 들고 엄격한 인력 안전 요구사항 및 허가(licensing)가 필요하므로, 최후의 수단으로만 사용됩니다. 띠 형태의 선원과 일련의 검출기를 사용하지 않는 한 측정값이 매우 비선형적(nonlinear)입니다.
1.3.2 수두(Head) 측정으로 레벨(Level) 추정하기
디스플레이서 (Displacer)
디스플레이서는 측정하려는 유체보다 무거운 수직형 물체입니다. 이 물체를 일부만 잠기도록 설치하면, 디스플레이서의 무게와 유체가 밀어내는 부피의 차이에 기반한 상향력(upward force)이 발생합니다. 디스플레이서는 종종 탱크에 양쪽 끝이 연결된 수직 파이프(vertical pipe) 내에 설치되기 때문에, 매우 안정된 액체 표면을 측정할 수 있어 정확도가 매우 높습니다. 하지만 설치 및 유지보수 비용이 비싸다는 단점이 있습니다.
버블러 (Bubbler)
이 측정 방식은 탱크 위에서 튜브를 탱크 안으로 넣고 공기 공급원과 연결합니다. 공기 흐름의 니들 밸브(needle valve)를 조절하여, 튜브 바닥에서 거품이 나오는 것을 기준으로 최대 레벨에서의 공기 흐름을 느리게 만듭니다. 이때 공기 흐름은 유량 지시기(flow indicator)로도 확인됩니다. 니들 밸브 하류(downstream)의 공기 흐름 압력을 측정하는데, 이 압력은 튜브 바닥에서 발생하는 수두(head)와 동일합니다. 이 방법은 매우 간단하여 개방형 용기(open vessels)나 침전조(sumps)에서 널리 사용됩니다.
차압(Differential Pressure) 트랜스미터
액체 레벨을 측정하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 탱크의 제로 레벨(zero level) 아래에 있는 특정 지점에서 압력 또는 수두(head)를 측정하는 것입니다. 이 방법은 종종 밀폐형 탱크(closed tanks)에 사용되므로, 탱크 상부의 증기 공간(vapor space) 압력도 함께 측정하여 이 값을 빼야 합니다. 이러한 용도에 차압(dP) 트랜스미터가 이상적입니다.
dP 셀과 탱크 바닥을 연결하는 튜빙(tubing)에 공정 유체(process fluid)가 차게 되므로, 트랜스미터 교정(calibration) 시 이 점을 고려해야 합니다. dP 셀과 탱크 상부를 연결하는 튜빙에는 압력에 거의 영향을 주지 않는 기체만 채워지도록 의도할 수 있지만, 응축(condensation)이나 간헐적인 높은 레벨로 인해 이 구간에 액체가 차는 경우가 많습니다. 반대로, 이 튜빙이 액체로 채워지도록 의도한 경우라도, 퍼지 유량(purge flow)으로 지속적으로 보충해주지 않으면 액체가 증발할 수 있습니다. 의도치 않은 이 두 상황은 모두 측정값에 상당한 오차를 유발합니다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 탱크 바닥에 플러시(flush) 방식으로 직접 설치되어 튜빙 연결을 없애는 트랜스미터가 있습니다. 또한, dP 셀의 다이어프램과 원격 다이어프램(remote diaphragm) 사이에 유압 충전 튜브(hydraulic filled tube)가 있는 트랜스미터도 사용할 수 있습니다. 이 원격 다이어프램들은 탱크의 상부와 하부에 플러시 방식으로 연결되어 공정 유체가 담긴 모든 튜빙을 제거합니다. 그림 1-2는 다이어프램 실(diaphragm seals)이 장착된 차압 트랜스미터를 보여줍니다. 이 시스템에 유압액을 채울 때는 모든 공기 방울을 완전히 제거해야 하므로 극도의 주의가 필요합니다. 추가 비용에도 불구하고, 이러한 충전식 시스템의 장점 때문에 널리 사용되고 있으며, 일부 기업들은 모든 적절한 응용 분야에 이 시스템을 활용합니다.
1.3.3 레벨 스위치 (Level Switches)
탱크 내의 높은 레벨(high levels)과 낮은 레벨(low levels)은 매우 중요하기 때문에, 연속적인 레벨 측정 방식 대신 레벨 스위치가 자주 사용됩니다. 고체용(for solids)으로는 회전식 패들 휠(rotating paddle wheel), 액체 또는 고체용(for liquids or solids)으로는 튜닝 포크(tuning fork) 등 여러 종류가 있습니다.
패들 휠(paddle wheel) 방식에서는 전기 모터가 클러치를 통해 패들을 회전시킵니다. 패들이 측정 대상 물질로 덮이면 패들이 멈추고 마이크로스위치(microswitch)를 작동시킵니다.
튜닝 포크(tuning fork) 방식에서, 진동하는 포크는 압전 수정(piezoelectric crystal)에 의해 공기 중에서의 공진 주파수(resonant frequency)로 구동됩니다. 액체에 잠기면 공진 주파수가 약 10~20% 변하게 되는데, 이 주파수 변화를 수신기 수정(receiver crystal)이 감지합니다. 그림 1-3은 튜닝 포크 스위치를 보여줍니다. 고체/입자상 물질에 사용되는 튜닝 포크 역시 공진 주파수에서 진동하지만, 고체에 덮였을 때 진동 폭(amplitude)의 감소를 감지하는 방식으로 작동합니다.
이러한 레벨 스위치는 비용이 저렴하며, 센서에 물질이 쌓이더라도 연속적인 레벨 측정 방식보다 정확하고 신뢰성이 높습니다.
1.4 유량 (Flow)
이 유량에 대한 설명은 밀폐된 파이프(closed pipes) 내의 유량 측정에 초점을 맞춥니다. 대규모 공공 시설의 중요한 측정 대상인 개방 수로(open channels)에서의 유량 측정은 다루지 않습니다.
유량은 유속과 점도에 따라 층류(laminar) 또는 난류(turbulent)로 분류됩니다. 이는 레이놀즈 수(Reynolds number)를 계산하여 예측할 수 있는데, 레이놀즈 수는 관성력(inertial forces)과 점성력(viscous forces)의 비율을 나타냅니다.
Re=123.9ρVD/μ(1−1)
여기서:
- Re = 레이놀즈 수
- ρ = 밀도 (lbs./ft.³)
- V = 평균 유속 (ft/sec.)
- D = 파이프 직경 (인치)
- μ = 점도 (센티포이즈)
레이놀즈 수가 2000 미만이면 층류, 4000 초과이면 난류를 나타냅니다. 하지만 일부 유속계는 유량이 완전히 난류이고 파이프 직경 전체에 걸쳐 양호한 평균 유속 프로파일이 형성되어야만 정확한 측정이 가능하므로, 20,000 이상의 값을 요구하기도 합니다. 대부분의 액체 유량은 난류이지만, 고분자 물질과 같이 점도가 매우 높거나 유량이 매우 낮은 경우는 층류가 됩니다.
유량 측정은 평균 유속(average velocity), 특정 지점의 유속(velocity at one point), 물질의 부피 유량(volume of material flowing) 또는 물질의 질량 유량(mass of material)을 측정하는 방식이 있습니다. 특히 유속을 측정할 때는 파이프 직경 전체에 걸쳐 유속이 상대적으로 일정해야 합니다. 완전히 난류가 아닌 경우, 파이프 벽 근처에서는 유속이 낮아집니다.
직관부(Straight Pipe Runs)의 중요성
피팅(fittings), 밸브(valves) 등 센서 상류(upstream)에 설치되는 모든 장치는 파이프 직경을 가로지르는 유속 변화를 유발합니다. 그림 1-4는 파이프 피팅으로 인해 발생할 수 있는 유속 변화를 보여줍니다. 균일한 흐름을 얻기 위해, 다양한 종류의 유량계는 측정 지점의 상류 및 하류에 직관부(straight pipe runs)가 필요합니다. 이 직관부의 길이는 파이프 직경의 몇 배로 표현됩니다. 예를 들어, 6인치 파이프의 경우 20배 직경은 10피트(약 3m)가 됩니다. 특정 유량계 유형에 대한 일관된 권장 사항은 없으며, 제조사의 권장 사항을 따르는 것이 가장 좋습니다. 권장 길이는 상류의 경우 1배에서 20배 이상까지 다양하며, 하류는 이보다 더 적은 길이를 요구합니다.
유량 측정 방식의 분류
유량 측정은 크게 네 가지 범주로 분류할 수 있습니다.
- 추론 방식 (Inferential methods)
- 유속 방식 (Velocity methods)
- 질량 방식 (Mass methods)
- 부피 방식 (Volumetric methods)
1.4.1 추론 방식 (Inferential Methods)
유체의 흐름 경로에 장애물(obstruction)을 설치하면 유속이 증가하고 압력이 감소합니다. 이때 발생하는 압력과 파이프 내의 기존 압력 간의 차이(difference)를 이용하여 대부분의 액체, 기체, 증기(스팀 포함)의 유량을 측정할 수 있습니다. 난류 흐름(turbulent flow)에서 이 차압(differential pressure)은 유량의 제곱에 비례합니다.
가장 일반적인 장애물은 오리피스 플레이트(orifice plate)이며, 사실 오리피스를 가로지르는 차압을 이용한 측정 방식은 다른 어떤 유량 측정 방식보다 널리 사용됩니다. 설치된 오리피스 미터의 수는 아마 다른 모든 유량계의 수를 합한 것만큼 많을 것입니다. 오리피스 플레이트는 일반적으로 둥근 구멍이 뚫린 금속 디스크로, 파이프의 플랜지(flanges) 사이에 설치됩니다.
차압은 오리피트의 바로 상류(upstream)와 하류(downstream)에 있는 파이프 플랜지에서 직접 측정하거나, 또는 이보다 더 멀리 떨어진 상류 및 하류에서 측정할 수 있습니다. 주어진 오리피스 크기와 압력 탭(pressure taps)의 위치에 따라 차압을 계산하는 공식은 이미 잘 정립되어 있으므로, 실제 유량을 기반으로 하는 현장 교정(field calibration)은 필요하지 않습니다 (단, dP 셀은 교정이 필요할 수 있습니다).
오리피스 유량 측정 (Orifice Flow Measurements)
오리피스 유량 측정 방식은 구매 비용은 상대적으로 저렴하지만, 설치 비용은 꽤 높습니다. 또한, 상당한 비가역적인 압력 손실(unrecoverable pressure loss)을 발생시키므로 운영 비용이 높습니다. 그리고 유량과 압력 손실이 제곱 관계에 있기 때문에, 낮은 턴다운비(low turndown)를 가집니다.
이 방식은 고온 및 고압 환경에 적합하며, 깨끗한 액체(clean liquids), 기체, 그리고 저속의 스팀 유량 측정에 가장 적합합니다. 오리피스를 설치하기 위해서는 상류 및 하류에 긴 직관부(long straight runs)가 필요합니다.
오리피스 유량계는 여러 가지 오차 요인에 취약합니다. 예를 들어, 파이프 내 유속 변화와 오리피스 플레이트의 마모(wear) 또는 축적물(buildup)이 오차를 유발할 수 있습니다. 이러한 오차 원인 때문에, 매우 정확한 차압 트랜스미터를 사용하더라도 일반적으로 정확도가 높지 않습니다.
오리피스 외에 다른 유형의 장애물에는 벤튜리(venturis)와 플로우 튜브(flow tubes)가 있으며, 이들은 비가역적인 유량 손실(unrecoverable flow loss)이 더 적습니다. 피토관(pitot tube)은 대형 파이프나 덕트 내부에 삽입하여 차압을 측정할 수 있는 장치입니다.
1.4.2 유속 방식 (Velocity Methods)
마그네틱 유량계 (Magnetic Flowmeters)
마그네틱 유량계는 도체(conductor)인 유체와 자기장(magnetic field) 사이의 상대적인 움직임이 유속에 비례하는 전압(voltage)을 도체 내에 유도한다는 원리를 이용합니다.
파이프 외부에 있는 코일이 펄스형 직류 자기장(pulsed DC magnetic field)을 생성합니다. 측정 대상 유체는 테플론(Teflon), 폴리우레탄(polyurethane), 또는 고무와 같은 비전도성 재질(non-conductive material)로 코팅된 미터 튜브를 통과합니다. 코팅재를 관통하는 전극(electrodes)이 유체와 접촉하여 유도된 전압을 감지합니다. 그림 1-6은 코일과 감지 전극의 위치를 보여줍니다.
마그네틱 유량계의 장점
측정 대상 유체는 반드시 전도성(conductive)이 있어야 하지만, 이 외의 제약은 거의 없습니다. 대부분의 수용성 유체(aqueous fluids)가 측정에 적합합니다.
마그네틱 유량계는 다음과 같은 장점들로 인해 널리 사용됩니다.
- 레이놀즈 수(Reynolds number)에 대한 제약이 적습니다.
- 파이프의 전체 직경을 사용하므로 압력 손실(pressure loss)이 없습니다.
- 1/8인치(약 3mm)에서 10피트(약 3m)에 이르는 매우 넓은 범위의 크기로 제작됩니다.
- 액체, 슬러리, 부유 고체 등 다양한 물질의 측정이 가능합니다.
- 필요한 직관부(straight run) 길이가 최소화됩니다.
그림 1-7은 두 개의 매우 큰 유량계를 보여줍니다. 이 유량계는 공공 시설 및 공정 분야에서 널리 사용되며, 특히 유럽에서 많이 활용됩니다. 교정(calibration)은 주로 공장에서 진행되며, 실제 운영 시설에서 다시 확인하는 경우는 드뭅니다.
와류(Vortex Shedding) 유량계
와류 유량계는 파이프 내에 설치된 ‘블러프 바디(bluff body)’라는 뭉툭한 장애물에서 떨어져 나오는 와류(vortices)의 주파수(frequency)를 측정합니다. 유체가 블러프 바디를 돌아 흐르면서 갈라진 흐름의 양쪽에 와류가 생성됩니다. 이 와류가 생성되는 속도는 유체의 유속(velocity)에 비례합니다. 각 와류는 저압 영역을 나타내므로, 저압 영역이 발생했다가 사라지는 횟수를 세고, 이 횟수는 유속에 비례합니다.
와류 유량계는 액체, 기체, 또는 스팀에 대해 우수한 측정 정확도를 제공하며, 오염(fouling)에 강한 내성을 가집니다. 특히 저유량(low flow rates)에서 높은 정확도를 보이며, 측정값이 물질의 특성에 영향을 받지 않는다는 장점이 있습니다. 하지만, 이 방식 역시 긴 직관부(long runs of straight pipe)를 필요로 합니다.
와류 유량계의 정확도는 종종 ‘유량의 퍼센트(percent of flow rate)’로 표시되는데, 이는 높은 정확도를 의미하지만, 특정 유량 이하에서는 측정이 불가능합니다. 유량이 너무 낮아지면 레이놀즈 수(Reynolds number)가 낮아져 더 이상 와류가 생성되지 않기 때문입니다.
터빈 유량계 (Turbine Meters)
터빈 유량계는 파이프 내부에 베어링으로 지지되는 다엽형 로터(multi-bladed rotor)를 사용합니다. 흐르는 유체가 로터를 회전시키는데, 이 회전 속도는 유체의 유속에 비례합니다. 로터의 움직임은 파이프 외부에 있는 자기 센서(magnetic pickup)가 감지하며, 센서를 지나가는 날개의 수를 세어 로터의 회전 속도를 측정합니다.
이 유량계는 정해진 점도(a defined viscosity) 내에서 높은 정확도를 가집니다. 또한 매우 높은 온도 및 낮은 온도와 고압 환경에 적합합니다. 하지만, 점도 변화에 민감하며, 과속으로 인해 로터가 쉽게 손상될 수 있습니다. 움직이는 부품들의 고장률이 상대적으로 높기 때문에, 과거만큼 많이 사용되지는 않습니다.
Ultrasonic Flowmeters는 흐르는 유체를 통해 음파를 보내는 유량계입니다. 이 유량계는 음파를 이용해 유량을 측정하는 두 가지 주요 방식을 사용합니다.
도플러(Doppler) 방식
이 방식은 유체 속 입자들에 반사되어 돌아오는 초음파의 주파수 변화(Doppler shift)를 측정합니다. 주파수 변화는 유속에 비례하며, 이 방법은 부유 고체(suspended solids)가 포함된 액체에 적합합니다.
통과 시간(Transit Time) 방식
이 방식은 유체 흐름 방향으로 나아가는 초음파와 반대 방향으로 나아가는 초음파 간의 시간 차이(time differential)를 측정합니다. 이 시간 차이는 유속에 비례하며, 이 방법은 액체와 기체 모두에 사용할 수 있습니다.
초음파 유량계의 특징
초음파 유량계는 비침습적(non-invasive)이라는 장점을 가집니다. 즉, 유량계를 파이프 내부에 직접 설치할 필요가 없습니다. 그림 1-10에서 볼 수 있는 클램프 온(clamp-on) 미터는 파이프에 연결할 필요가 없어 설치가 매우 쉽습니다. 이 때문에 영구적으로 설치된 유량계의 유량을 임시로 확인하는 용도로도 사용됩니다.
정확도는 상대적으로 낮지만, 하나의 유량계로 다양한 크기의 파이프에 사용할 수 있어 대형 파이프(large sizes)에서 특히 비용 효율적입니다.
1.4.3 질량 방식 (Mass Methods)
질량 유량계는 실제 질량 유량(mass flow)을 측정합니다. 유속이나 추론 방식의 측정값과 유체의 온도를 이용하여 질량 유량을 계산할 수는 있지만, 액체의 질량을 직접 측정하는 유량계는 일반적으로 코리올리(Coriolis) 유량계 한 가지뿐입니다. 과거에는 높은 정확도의 질량 유량이 필요할 때만 사용되었지만, 이제는 가격이 낮아지고 다양한 구성과 쉬운 설치가 가능해지면서 더 보편적으로 사용되고 있습니다.
코리올리 유량계의 작동 원리
코리올리 유량계의 핵심은 자기 구동 코일(magnetic drive coils)에 의해 공진 주파수(resonant frequency)로 진동하는 튜브입니다.
- 진동 및 힘의 발생: 유체가 튜브로 들어올 때, 튜브의 상향 운동에 맞춰 수직 방향의 운동량(momentum)을 얻게 됩니다.
- 튜브의 뒤틀림(Twist): 튜브가 진동 주기의 첫 절반 동안 위로 움직일 때, 튜브로 들어오는 유체는 이 움직임에 저항하여 아래쪽으로 힘을 가합니다. 반대로, 유량계의 배출구 끝에 있는 유체는 이와 반대 방향의 운동량을 가지게 됩니다.
- 위상차 감지: 이러한 힘의 차이로 인해 튜브가 뒤틀리게(twist) 됩니다. 이 튜브의 뒤틀림은 튜브 양 끝에 있는 센서에 의해 위상차(phase difference)로 감지됩니다. 이 뒤틀림의 정도는 질량 유량에 정비례합니다.
코리올리 유량계의 장점
코리올리 유량계는 높은 정확도와 진정한 질량 유량 측정 외에도 여러 장점을 가지고 있습니다.
- 직관부 불필요: 상류 및 하류에 직관부(straight run)가 필요 없습니다.
- 유체 특성 독립성: 측정값이 유체의 특성(fluid properties)에 영향을 받지 않습니다.
- 낮은 유지보수 비용: 유지보수가 거의 필요 없습니다.
- 넓은 턴다운비: 최대 100배에 달하는 넓은 턴다운비(turndown ratio)를 제공합니다.
그림 1-11은 단일하고 곧은 형태의 풀 보어(full bore) 튜브 디자인을 보여줍니다. 원래 이중 U자형으로만 제공되었지만, 이제는 다양한 구성으로 출시됩니다. 코리올리 유량계는 최대 10인치(약 25cm) 크기까지 사용할 수 있습니다.
1.4.4 용적식 유량계 (Positive Displacement Meters)
이 유량계는 베인(vanes), 기어(gears), 피스톤(pistons) 또는 다이어프램(diaphragms)을 사용하여 유량 흐름을 정해진 부피(known volumes)로 분할한 뒤, 이 분할된 부피의 횟수를 셉니다.
용적식 유량계의 장단점
- 정확도: 우수하거나 매우 뛰어난 정확도를 가집니다.
- 측정 유체: 점성이 있는 액체(viscous liquids)를 측정할 수 있습니다.
- 직관부: 별도의 직관부(straight run)가 필요하지 않습니다.
1.5 온도 (Temperature)
온도는 켈빈(Kelvin), 섭씨(Celsius), 화씨(Fahrenheit) 또는 란킨(Rankin) 단위로 측정됩니다.
다른 세 가지 주요 측정 항목(레벨, 유량, 압력)과는 달리, 많은 온도 측정 응용 분야에서는 센서(sensor)와 트랜스미터(transmitter)가 분리되어 있습니다. 트랜스미터 또는 증폭기(amplifier)가 센서 하우징 내부에 위치할 수도 있지만, 여러 개의 온도 트랜스미터가 포함된 필드 박스(field box)나 제어실(control room)에 원격으로 설치되기도 합니다. 또한, 센서의 출력은 온도 기록계(temperature logger)나 DCS(Distributed Control System), PLC(Programmable Logic Controller) 컨트롤러에 직접 연결될 수도 있습니다.
1.5.1 열전쌍 (Thermocouples)
열전쌍은 가장 널리 사용되는 센서 유형입니다. 두 개의 서로 다른 금속으로 된 전선을 양쪽 끝에서 연결하면, 두 끝의 온도 차이와 사용된 금속의 종류에 따라 전위(potential)가 발생하는 원리를 이용합니다.
- 기본 금속 열전쌍(Base metal thermocouples): 1,000℃ 이하의 온도 측정에 유용합니다. 철-콘스탄탄 (Type J), 크로멜-알루멜 (Type K) 등이 이 종류에 속합니다.
- 귀금속 열전쌍(Nobel metal thermocouples): 약 2,000℃까지 측정할 수 있습니다. 텅스텐-레늄 합금 열전쌍 등이 포함됩니다.
발생하는 전위는 밀리볼트(mV) 단위이며, 온도에 대해 비선형적인(nonlinear) 함수 관계를 가집니다. 실제 사용 시, 한쪽 끝은 측정 대상 물질 근처에, 다른 한쪽 끝은 계측기에 연결합니다. 열전쌍 재료 자체는 신호 전송에 적합하지 않은 경우가 많으므로, 원격에 트랜스미터가 있을 때는 유사한 특성을 가진 전선을 사용합니다.
1.5.2 저항 온도 감지기 (RTDs: Resistive Temperature Detectors)
RTD는 금속선이나 섬유, 또는 반도체 재료로 만들어져 온도 변화에 따라 저항이 변하는(responds to temperature change by changing its resistance) 센서입니다. 백금, 니켈, 텅스텐과 같은 금속이 사용되는데, 이들은 높은 저항률, 우수한 저항 온도 계수, 좋은 연성 또는 인장 강도, 그리고 포장 및 절연 재료에 대한 화학적 불활성 등의 특성을 가집니다. 만약 재료가 반도체일 경우, 이 센서를 서미스터(thermistor)라고 부릅니다.
저항 변화는 브리지 회로(bridge circuit)를 사용하여 측정할 수 있습니다. 주변 온도 변화로 인해 연결 전선의 저항도 변하여 측정값에 영향을 줄 수 있는데, 이를 보정하기 위해 브리지 회로의 다른 다리에서 세 번째 전선을 사용해 변화를 상쇄(balance)시킵니다.
RTD는 일반적으로 열전쌍보다 더 정확하지만, 내구성이 떨어지고 열전쌍만큼 높은 온도에서는 사용할 수 없습니다.
측정 장치의 공통적인 문제점
모든 종류의 온도 측정 장치는 반응 속도가 느리다(slow response)는 단점을 가집니다. 이는 열이 보호 쉬스(protective sheath)와 설치된 웰(well)을 통과하여 전도되어야 하기 때문입니다. 이러한 지연 시간을 줄이려면, 웰(또는 보호되지 않은 센서)이 공정 유체(process material)의 높은 유속에 최대한 노출되도록 설치해야 하며, 센서가 웰과 잘 접촉하도록 해야 합니다. 그러나 맨 센서(bare sensor)가 쉬스나 웰에 직접 닿으면 접지(ground)가 발생하므로 절연 증폭기(isolated amplifier)가 필요합니다.
1.6 스마트 계기 (Smart Instruments)
ISA(국제자동화협회)의 ‘자동화, 시스템, 계측 사전’에 따르면, ‘스마트(smart)’ 계기란 마이크로프로세서 기반이며, 프로그래밍이 가능하고, 메모리를 가지고 있으며, 원격 위치에서 통신할 수 있고, 고장 보고 및 계산, 자가 진단 기능을 수행할 수 있는 계기를 의미합니다. 사전적 정의에 디지털 통신이 명시되어 있지는 않지만, 실제로는 디지털 통신을 사용합니다.
일부 자동화 전문가들은 HART 프로토콜을 사용하는 트랜스미터를 ‘스마트’라고 부르고, 필드버스(fieldbus)를 사용하는 트랜스미터는 단순히 ‘필드버스’ 트랜스미터라고 부릅니다. 명칭과 관계없이, 이러한 트랜스미터들은 엄청난 이점을 제공합니다.
스마트 계기의 이점
- 원격 교정 및 설정: 핸드헬드 교정기(calibrator)를 신호 배선 아무 곳에나 연결하여 버튼 몇 개를 누르거나, 제어/자산 관리 시스템에 연결된 컴퓨터에서 정보를 입력하여 원격으로 교정을 변경할 수 있습니다. 예를 들어, dP 셀의 스팬(span)을 새로운 값으로 변경하기 위해 장비 더미를 가지고 현장에 가서 압력을 올리고 나사를 신중하게 돌릴 필요가 없어집니다. (이러한 ‘스마트’ 정보를 읽는 것은 구세대 제어 시스템의 능력을 넘어섭니다. 이 기능을 제공하는 것이 일부 제어 시스템 업그레이드의 타당성 중 하나였습니다.)
- 다중 변수 측정: 많은 계기들이 여러 변수를 동시에 측정하고 보고할 수 있습니다. 예를 들어, 압력 트랜스미터가 온도도 함께 보고할 수 있습니다.
- 사양 정보 보고: 트랜스미터가 모델 번호, 재질, 교정 정보, 태그 번호 등 자체 사양을 보고할 수 있습니다.
- 자체 고장 감지: 다양한 유형의 트랜스미터 고장을 트랜스미터 자체가 감지하여 보고할 수 있습니다. 이상적으로는 이러한 고장 정보가 자산 관리 시스템(asset management system)으로 보고되고, 이 시스템이 다시 컴퓨터화된 유지보수 관리 시스템(CMMS: Computerized Maintenance Management System)에 고장을 보고하여 수리 작업 지시서(work order)가 발행되도록 합니다.
- 내부 파라미터 모니터링: 트랜스미터가 자체 내부 파라미터를 모니터링할 수 있습니다. 예를 들어, 코리올리 유량계는 여자 전류(excitation current), 튜브의 주파수 등 내부 변수를 보고하여 문제 해결과 오류 감지에 도움을 줄 수 있습니다.
- 특정 문제 감지: 일부 트랜스미터는 신호의 노이즈 수준 변화를 감지하여 공정 연결 튜빙의 막힘과 연관시키고 수리를 요청하기도 합니다.