플랜트 계장 숙지 필수! Field Instrument(계장 계기)란 무엇인가?!

플랜트

플랜트 계장 업무를 하다 보면 정말 다양한 계기들을 접하게 됩니다. 현장에선 이를 Field Instrument라고 부릅니다. Field Instrument는 종유에 따라 용도와 기능이 다양합니다. 이번 포스팅을 통해 Field Instrument의 정의와 측정하는 값 그리고 해당하는 계기들에 대해서 소개하려고 합니다.

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Field Instrument란?

 

Control System의 설치 목적은 공장의 자동화가 주된 목적이며, 이를 위해서는 process area에서 공장 운영(제어)에 필요한 값들을 control system에 보내주어야 합니다. Field Instrument는 process area에 설치되는 계기를 말하며, 배관 및 기기에 설치되어 공장을 운영(valve동작) 하는데 필요한 data를 측정해야 합니다.

 

계장에서 측정해서 공장 운영에 필요한 값들은 크게 Flow/Temperature/Pressure/Level입니다.

 

Field Instrument

Field Instrument는 Gauge와 Transmitter로 구분됩니다. Gauge는 케이블이 연결이 되지 않으며, Transmitter는 케이블이 연결되는 계기입니다.

 

Gauge는 Operator들이 현장에서 직접 눈으로 계기 상태를 확인할 수 있게 해주는 것입니다.

(Transmitter보다 gauge의 값을 더 믿는 operator들도 많습니다)

 

1. Temperature Gauge(TG)
2. Pressure Gauge(PG)
3. Level Gauge(LG)

 

Transmitter는 현장 운영 값을 물리 값에서 전자 값으로 변환하여 그 신호를 DCS로 보내 주는 역할을 합니다. DCS에서 판단을 하여 valve를 동작하게 합니다. 계장에서는 4가지 (Flow/Temperature/Pressure/Level)을 측정하는데, 대부분 압력을 이용하여 Level/Pressure/Flow를 측정합니다.

 

압력을 전기적 신호로 바꾸어 주는 방법은 여러 가지 방법이 있는데 그중에서 3 가지를 알아보도록 하겠습니다.

 

1. 전극 간의 간격 변화에 의한 정전용량 변화를 이용한 정전 용략 식

2. 반도체 외형에 의해 반도체의 저항 값이 변화하는 현상(Piezo 효과)을 이용한 반도체 외형 게이지 식

3. 압전 소자를 이용하여 압력을 전기적 신호로 바꾸어주는 압전형 압력센서라고 있으나, 이것은 반도체 외형과 같은 구조를 사용합니다.

 

이제 물리적 압력이 전기적 신호로 바꾸어 주는 방법을 알아보았습니다. 압력에 대해서 알아본 이유는 계장에서는 압력 측정이 기본이기 때문입니다. 위에 측정 원리를 알면 다 아는 척을 할 수 있습니다.

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Pressure(압력)

 

압력이란 단위 면적당 수직으로 작용하는 힘을 말합니다.

 

P=F/A (P: 압력. F: 힘, A: 면적)

 

연관글: [플랜트 엔지니어] - 플랜트 계장 압력의 정의, 압력계의 원리 및 종류 알아보기

 

PT란?

 

PT는 Pressure Transmitter를 말하는 것으로 도압관을 통하여 배관 및 기기에서 압력을 transmitter로 전달해줍니다. 도압관에는 SS tube, Capilary tube, pipe가 쓰입니다. 가장 많이 사용하는 것은 SS tuble입니다.

 

Transmitter에서 압력이 전기적 신호로 바뀌는 원리는 정전용량식과 왜형이 있다고 설명드렸습니다.

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Flow(유량)

 

하천이나 개수로 또는 배관 속을 흐르는 유체에 대해 특정 단면을 단위 시간에 통과하는 유체의 양을 말합니다. 유량의 표현은 크게 4가지로 합니다.

 

• 체적 유랑: 단면적 × 유속 => Q = A × V [㎥/s]
• 질량 유량 : 체적 유량 × 밀도 => M = Q × ρ [kg/s]
• 중량 유량 : 체적 유량 × 중력가속도 × 밀도 => W = Q × g × ρ [N/s]
• 적산 유량 : 일정 시간 × (체적 유량 × 밀도) => G = ∫ (Q × ρ) [㎥ 혹은 kg]

유속(v)을 알면 유량을 구할 수 있습니다.

 

관로 내 유체의 일반적 특성은 아래와 같습니다.

 

• 층류 (Laminar Flow) : 유체가 흐를 때 층을 유지한 채 흐르는 상태 (레이놀즈 수 2,000 이하)

층류

• 전이류 (Transition Flow) : 층류와 난류가 공존하여 흐르는 상태 (레이놀즈 수 : 2,000∼4,000 사이)

전이류

• 난류 (Turbulent Flow) : 흐름 중 와류 등을 발생시키며 흐르는 상태 (레이놀즈 수 4,000 이상)

난류

 

* 레이놀드 수 (Reynolds Number) : 유체의 흐름의 상태를 표현할 수 있는 수이며 이에 따라서 계기 선택이 달라집니다.

 

* RD = ( v × D × ρ ) / μ (v = 속도 D = 배관 직경 ρ = 밀도 μ = 점도)

 

압력을 한 tapping point에서만 구할 수 있지만 두 개 이상의 tapping point에서 값을 읽어 분석하는 것이 공장 운영에 유리합니다. 이 압력의 차이를 차압이라고 하며 차압의 측정은 실제로 측정값을 베르누이 정리를 이용하여 유량을 측정합니다. 베르누이를 통하여 유속을 구하고 유속을 알면 유량을 구할 수 있다고 위에서 언급하였습니다.

 

* Tapping point란?

배관이나 기기에 생긴 hole을 말하며, 여기에 계기를 꼽아 값을 측정합니다.

 

수평의 배관에서 어떻게 압력 차이를 만드는지에 대한 자세한 내용은 아래 링크를 참고하시기 바랍니다.

연관글: [플랜트 엔지니어] - 유량계,Flow Instrument 종류에 대해서 알아보자

Temperature(온도)

 

온도란, 물체와 그 주변 사이에 발생하는 열의 흐름을 결정짓는 물체의 특성입니다. 열이란, 물체를 뜨겁게 하기 위해 물체에 주어지는, 혹은 물체를 더 차갑게 하기 위해 주어지는 에너지입니다. 온도는 열 흐름의 방향을 결정하며, 열은 온도가 더 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다.

 

일반 공업 프로세스에서 가장 많이 사용되고 있는 온도계측의 범위는 대부분 특수한 경우를 제외하면 -200~2000 [℃]의 범위에 속합니다. 또한 이들의 계측가 제어에는 주로 접촉 방식인 열전 온도계와 저항 온도계, 비접촉 방식인 방사 온도계가 주로 사용됩니다.

 

연관글: [플랜트 엔지니어] - 플랜트 열전 온도계 외 온도 측정 계기 알아보기

1. 열전 온도계(Thermocouple)
2. 측온 저항계(Ressistant Temperature Detector)

 

Field Instrument

3. 방사 온도계(Radiation Thermometer)
4. 바이메탈 온도계(Bimettalic Thermometer)

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Level(높이)

 

높이란 액체나 고체를 담을 수 있는 컨테이너(Tank, Vessel, Column)에 해당 물질이 얼마나 들어 있는 정도를 나타냅니다. 이 또한 마찬가지로 현장에서 직접 눈으로 확인할 수 있는 Gauge와 DCS로 신호를 보내주는 Transmitter가 있습니다. 레벨을 측정하는 계기의 종류에 대한 자세한 내용은 아래 링크를 참고하시기 바랍니다.

 

연관글: [플랜트 엔지니어] - 플랜트 계장 Level Instrument(레벨 계기) 알아보기

 

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이상 계장의 핵심은 계기 Field Instrument에 대한 포스팅을 마치겠습니다. 

 

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