Process Industries에서 가장 중요한 공정변수(PV)는 온도, 압력 및 유량과 함께 Level을 꼽을 수 있다. Process Instrument와 Control중에서 최선의 Level측정방식을 선택하기 위하여 P&ID설계자는 현산업계에서 일반적으로 사용되고 있는 여러 가지 다양한 Level 측정기술에 친숙해야 한다.
그러나 신기술에 접할 기회가 없었거나 경험부족에 따라 모든 기술에 친숙한 전문가는 그렇게 많지 않다. 따라서 보다 성능 좋고 보다 안전하고 보다 경제적인 Level측정 수단을 간과하고 부적합한 기술을 선택하면 공정 운전과 정비에 나쁜 영향을 미칠 잠재성이 높아진다.
Level측정기술을 집중적으로 분석, 검토하여 경제적인 설치비, 정비원가의 절감, 기술교육비의 절약, 공장 Downtime의 저감 등 막대한 장기적 이익의 기회를 찾고자 한다.
[1] RF Admittance기술
RF Admittance기술은 그림1에서 보는 바와 같이 Level측정형태(ON/OFF와 Continuous)와
Level 측정물질(Liquid/Granular/Slurry/Interface)에 관계없이 모든 측정 형태와 물질에 적용할 수 있다.
또한 RF Admittance기술은 이미 20여년 전부터 많은 산업분야에서 그 신뢰성이 검증되었고 모든 대기조건뿐만 아니라 극한 공정 조건에서도 적용할 수 있는 유일한 기술이라 할 수 있다.
현재까지 검증된 사용한계는 다음과 같다.
압력 : Vacuum~10,000psi (680kg/cm²)
온도 : -300℉~1000℉ (-184℃~538℃)
물질 : 밀도/화학적 조성비/전기전도도 종류에 따른 영향 없음.
안전도 : 문제없음
여기에서 RF Admittance 기술과 Capacitance Level Measurement기술이 유사한 것으로 혼동하지 않는 것은 대단히 중요하다.
RF Admittance와 Capacitance를 혼동하는 것은 PC와 계산기를 혼동하는 것과 비슷하다고 할 수 있다. RF Admittance만이 불확실하고 제어 불능변수가 공존하는 Level의 참 값(Real Level)을 측정, 계산할 수 있다.
또한 Sensing Element(Probe)에 부착물(Coating)이 묻거나 밀도 또는 전기적 특성이 각각 또는 동시에 변하더라도 RF Admittance기술에 의한 Level측정에는 영향을 받지 않는다. [2] 측정형태(Type of Measurement) 범용 Level기술은 몇 개의 중요한 기준을 충족시켜야 한다. 첫째 Point Level(ON/OFF)과 Continuous Level(Analog, 4-2mA) 양자 모두를 측정할 수 있어야 한다. Point Level은 Level Vessel의 특정 위치까지 상승하거나 하강하였는지를 판단하는 측정 형태이다. 전형적인 적용 예로서 Overfill방지, Pump Cavitation 예방, Pump기동/정지 제어와 High/Low Alarm감지 등이 있다. 일반적으로 Point Level Control의 Output Mode는 SPDT또는 DPDT Dry Relay접점을 주로 사용하였다. Point Level 의 또 다른 출력 형대는 4-20mA범위 내에서 고 전류 또는 저 전류를 사용하는 것이 있다. 이때 전류는 Control Room내의 Controller또는 PLC등의 Receiver에 연결된다. 이때 Receiver는 전류신호를 Alarm이나 제어로 변환시킨다. 한편, Continuous Level Measurement는 Vessel 내의 실제 Level을 연속적으로 측정하여야 한다. 이때 Output Mode는 일반적으로 Level과 비례하는 4-20mA신호로 나타낸다. 흔히 User는 Continuous Level Signal로서 Level뿐만 아니라 부피나 무게와 같은 공업단위를 선택할 수 있기를 요구한다. 뿐만 아니라 RS-232/485와 같은 Digital Format을 요구하기도 한다. [3] 물질의 형태(Types of Materials) 둘째 범용 Level기술은 공정 산업의 일반적인 물질의 4가지 형태(Liquid/ Granular/ Slurry/ Interface) 모두를 측정할 수 있어야 한다. Liquid는 물, 산/알카리, 연료유, Solvent와 용해 Sulfur와 같이 유동성 액체를 의미한다. Granular는 입자의 크기에 따라 미세 분말에서 1m 직경의 암석에 이르는 고상 물질이다. Slurry는 Liquid와 Granular의 혼합체로서 일반적으로 점도가 높고 입자 형태를 유지하기 위하여 교반 상태이다. Interface는 두가지의 서로 혼합되지 않는 액체간의 경계면을 말한다. (Vessel내의 Oil과 Water의 경계면.) [4] 공정조건(Process Conditions) 세번째 기준은 공정 산업에서 일반적으로 적용되는 광범위한 공정 조건하에서 Level을 측정할 수 있는 기술이다. 가장 중요한 공정 조건에는 온도, 압력, Agitation, 부식성, Foaming, Explosion과 잠재적 치명적인 물질 등이 있다. 이와 같은 공정 조건들은 Level측정기술 선정에 어떤 형태로든 영향을 준다. 어떤 측정 기술은 본질적으로 온도와 압력에 따른 제약이 따르고 다른 경우에는 Foaming 발생 또는 Agitation에 극도에 한계가 있다. 특히 폭발성 액체나 가스 또는 치명적인 물질의 Level측정에는 특수한 요구 조건이 수반된다. [5] 물리적/화학적 특성 네번째 기준은 물질의 밀도, 화학적 조성비나 전기적 특성의 변화에 따른 영향이 없이 Level을 측정할 수 있어야 한다. 어떤 기술은 Level측정을 위하여 어떤 특성에 의존하여 어떤 특성에 의존하여 그 특성의 변화에 매우 예민하다. 예를 들면 차압(Differential Pressure)형 Level 기술은 압력을 측정하여 Level을 나타내며 압력은 물질의 밀도 변화에 의한 직접적인 영향을 받는다. [6] 측정 기술의 비교 가장 널리 알려진 Level측정 기술 가운데 그림1에서 보는 바와 같이 RF Admittance가 제일 범용으로 사용될 수 있다.. 두번째로 넓은 Nuclear 기술은 흔히 「마지막 수단」으로서의 기술로 인정된다. 즉 공정용기 내부를 침범하지 않는 특성은 공정조건의 엄격성을 피할 수 있는 반면에 이 기술을 사용하기 위한 면허, 검사 및 방사성물질 취급에 따른 각종 행정적 절차 등은 이 방법을 선택할 때 두번 세번 망설이게 한다. 또한 구입가격 뿐만 아니라 설치비용, 유지비용에서 유효 수명 후 폐기에 이르기까지 상대적으로 고가이다. Ultrasonics와 Microwave는 매력적으로 보이나 또한 단점이 있다. Ultrasonics의 사용 온도 범위는 Piezoelectric Transducer관계로 50psi(3.4㎏/㎠)와 200℉(93℃)이하로 제한을 받는다. 또한 소음, Foaming, 증기 밀도에 의한 제한이 있다. Microwave는 150psi(10㎏/㎠)내에서만 사용할 수 있고 일반적인 용도로 사용하기엔 너무 고가의 비용이 든다. RADAE(TDR)는 최근에 개발된 Continuous Level 측정용 기술로 Interface Level 측정도 가능하며 분체와 슬러리의 측정시 세심하게 알맞은 Model을 선정해야 하며, 고가이다. [7] Universal Technology(범용기술) RF Admittance는 모든 물질이 갖고 있는 Dielectric Constant(誘電常數)특성을 특정하는 기술이기 때문에 범용 기술이라 할 수 있다. 또 다른 전기적 특성으로 Conductivity(電導性)가 있으며 Capacitance Level측정 기술에서는 고려되지 않는 요소이다. RF Admittance기술은 상기 2종의 물질 특성을 Level 측정에 반영한다. 이때 정확한 Level을 측정하기 위하여 Radio Frequency Rate(15~400KHz)에서 전기적 특성을 특정하기 때문에 RF Admittance라고 부른다. 반면에 Capacitance기술은 Dielectric Constant(유전도) 한가지 변수만 측정하기 때문에 Conductivity(電導性)가 Capacitance Reactance에 비하여 아주 작은 경우에만 적용 가능한 기술이다. 여기에서 Dielectric Constant와 Conductivity가 Level측정에 미치는 영향을 검토하기 전에 먼저 이 두가지 변수들을 간단히 검토하여 본다. (1) Dielectric Constant ( ε) 유전성 상수 이는 Capacitance의 원인이 되는 전기적 변수이다. Capacitance는 다음 공식에 의해 결정된다. C = εeA/d ` C : Capacitance ` ε: Dielectric Constant ` e : 자유공간에서의 전도성 절대 허용치 (무시가능) `A : Conductor의 면적 `d : Conductor간의 거리 Dielectric Constant는 그림2와 같은 방법으로 측정 가능하다. Capacitance의 면적과 거리를 그림2와 같이 설정하면 Capacitance를 Meter에서 pF로 직접 읽을 수 있으며 Dielectric Constant를 계산할 수 있고 주요 Capacitor물질별 Capacitance값은 그림2와 같다. 여기에서 중요한 사실은 Air Gas 또는 Vapor의 Dielectric Constant 는 일반적인 Liquid나 Granular와 비교하면 무시할 수 있을 만큼 작다는 것이다. 즉 어떤 물질의 Level을 측정함에 있어 어떤 Vapor든지 Level의 정밀도에 미치는 영향이 별로 없다는 특성은 매우 중요한 사실이다. 그러나 Ultrasonic에서는 Vapor의 밀도나 온도는 정밀도에 미치는 영향이 매우 크다. 그림3은 그림2의 개념에 의해 RF Admittance Level 측정장치를 실제로 Vessel에 설치한 그림이다. 그 림 3. (2) Conductivity(전도성) 이는 Level을 측정할 물질이 갖고 있는 또 다른 전기적 변수이다. 또한 보다 알기 쉬운 Resistance(저항)의 역수이다. g=1/R `g: Conductivity (mhos) `R: Resistance (ohms) 그림4는 그림2와 같이 Conductivity측정 개념도이며 주요 물질에 대한 Conductivity Spectrum을 나타낸다. 이 Conductivity Spectrum은 Insulating, Semi-conducting, Conducting 3종으로 구분할 수 있으며 Semi-conducting범위의 폭은 측정 주파수와 Sensing Element의 변수를 나타낸다. 따라서 RF Admittance기술은 Real Level을 측정하기 위하여 이 변수(Conductivity)를 함께 사용하는 반면 Capacitance Level측정기술은 Capacitance (Dielectric Constant)만 사용하므로 정밀도에서 큰 차이가 있다. [8] Point Level에서의 물질에 의한 영향 물질의 전기적 특성에 관계없이 확실한 Point Level을 보장하기 위하여 RF Control은 3-terminal과 Radio Frequency를 사용한다. 3-terminal control에는 Sensing Element에 차폐된 전원을 공급하기 위하여 매우 작은 Impedance drive terminal을 제공하는 회로가 포함된다. 이차폐 회로는 High-Level 신호의 오 동작 원인이 되는 Conductive Coating을 방지하기 위하여 필요하다. 그림5는 3- wire terminal 방식의 실제 사례를 보여준다. 위와 같은 Point Level 방식을 선택한 후에는 Relay 내장형 Line –power또는 2-wire DC전원을 선정해야 한다. 전원과 Control 은 별개의 것이다. 3-terminal Point Level은 물질의 물리적, 화학적 물성이 무엇이든 관계없이 4종의 물성 모두에 사용될 수 있다. 단, 공정 특성에 적합한 Sensing Element를 따로 선정하여야 한다. [9] Continuous Level에서의 물질에 의한 영향 RF Admittance로 Level을 측정함에 있어 물질의 Dielectric Constant 크기는 문제가 되지 않는다. 실제적인 문제는 물질이 Insulating (절연물질) 인 경우 Dielectric Constant의 안정성과 Semi-conducting (반 전도체)인 경우 저주파에 의한 전도체로의 변환간주 가능성이다. 이들 문제는 2가지 종류의 RF Admittance Transmitter를 선정하는데 중요하다. 즉 Level만 특정할 경우에는 Single Channel을 Level과 Composition 측정 시에는 Dual Channel을 선정한다. Dual Measurement는 모두 Continuous Level측정에 사용할 수 있지만 약 10%정도 사용되어 진다. 왜냐하면 장비가 복잡하여 고가이기 때문이다. 표1. Single vs. Dual Measurement Material Characterlstics Category RF Admittance Transmitter Type Insulating (stable dielectric) Single Measurement 표1은 Single 또는 Dual측정 방식의 선택 기준을 나타낸다. 이 문제는 자동차에 고급 휘발유를 사용할 것인지 또는 보통 휘발유를 사용할 것인지와 비슷하다. [10] RF Admittance 기술과 Sensor 이상과 같이 가장 범용기술인 RF Admittance를 사용함에 있어 Level Transmitter에 연결하는 Sensing Element가 필요하다. Probe 라고도 부르는 Sensing Element는 공정조건에 부합되도록 설계하여야 한다. 다른 기술과 달리 RF Admittance Level Sensor는 기본적으로 모든 물질에 불활성(Inert) 이다. 이것은 금속(Rod 또는 Cable)과 절연물 (Teflon, Silicon 고무, Ceramic등)로 제조한다. 주요한 설계 조건은 온도, 압력, 기계적 강도와 화학적 적응도 등이다. [11] RF Admittance의 공정 조건 한계 ▷ Temperature -Sensing Element : -300℉(액체산소)~1000℉(용융유황) (-184℃~538℃) -Transmitter : -40℉(-40℃)~140℉(60℃) ▷ Pressure : Vacuum(-15psig) ~ 10,000psig (680㎏/㎠) ▷ Agitation : Agitator Motor의 Power Rating에 상응하는 Sensing Element 의 강도를 설계한다. ▷ Corrosion : 부식성의 정도에 따라 금속(304ss, 316ss)과 Teflon(TFE or PFA)피복으로 제작한다. ▷ Foaming : Transmitter 주파수와 Probe의 설계에 따라 Foaming을 측정하거나 제외함. ▷ Explosion Hazard : FM, CSA, BASEEFA, PTB, SAA의 기준에 적합.
그림1. Level 측정방법 비교표
그 림 2.
그 림 4.
그 림 5.
Insulating (variable dielectric)
Semi-conducting (stable)
Semi-conducting(variable)
Conducting (stable or variable)
Don’t Know (e.g. non-dedicated vessels)
Dual Measurement
Single (low frequency) Measurement
Dual Measurement
Single Measurement
Dual Measurement