기획특집 응축가스에유량 ( 유속 ) 측정 (Condensing Gas Measurement) 정동익대표 / 아이지엘 (Kurz Instruments Inc. 한국공식대리점 ) iglinst@unitel.co.kr iglinst@naver.com 1. Kurz Instruments, Inc. 에대하여 Kurz Instruments Inc. 는열대류질량유량계의선두주자로, 1960년대에 Dr. Jerom Kurz가가스유동을전자적으로측정할수있는내구성있고, 콤팩트하며, 높은정확도를가진열풍속센서를개발함으로써공기유동측정에혁명을일으켰다. 이를바탕으로 1977년 Dr. kurz는자신의엔지니어링능력과제품생산기술을접목하여, 환경에도움이되고극단적인환경에서의측정과산업발전에대한환경오염감시문제를해결하고자 Kurz Instruments, Inc. 를설립하였다. Kurz사제품의핵심은가열된센서소자를통해이동하는가스의냉각효과를기반으로한, 견고한고체속도센서로써설립이래지금까지 38년동안발전소, 가스응용공정, 정제회사, 시멘트공장, 제지공장, 폐수처리장등다양한산업분야에가장까다로운업계의요구사항이상의품질과신뢰성및내구성으로만족시켜왔다. 2008년 4월이후부터는 Dr. Kurz의아들인 Daniel 이회사를맡아, 매우정확하고신뢰성이높은 B-Series 센서와전자장치를개발하였다. 이는기존휘스톤브리지회로의완벽한디지털화와습식가스에서타의추종을불허하는기능을제공하는 WGF 유량계를만들어새로운혁신을이루고있다. 2. Kurz사 Thermal Mass Flow Meter의기본원리에대하여 Kurz사 Thermal Mass Flow Meter 시리즈는삽입형질량유량계로, Flow Elements(Sensor) 는사용기체에 106 계장기술
응축가스에유량 ( 유속 ) 측정 Reynolds의수에따른일정한온도유지풍속계다. 출력은표준유속, 표준용적유량또는질량유량이계산되어나타내도록표시된다. 밀도변화는자동적으로계산되고, 압력이나온도보정이필요하지않다. 온도유속계가측정하는원리는다음과같다. (1) 작동이론 Kurz사 Thermal Mass Flow Meter는온도유지풍속계로, 기본원리는두센서를이용한다. 하나는유체온도측정센서이고, 다른하나는유체온도측정용센서와일정온도차를유지하는온도센서이다. 이온도차를유지하기위해필요한전력의양은측정된출력변수이다. 온도센서는온도보상을하는데쓰인다. 유체온도가변함에따라온도유지풍속계 (CTA) 조절회로는가열된전극과주위의유체온도사이의일정한과열온도차를유지한다. 온도유지풍속계 (CTA) 회로는온도차와온도차의변화비율을보상할수있다는점에서전압유지풍속계 (CPA) 에비해장점을갖고있다. 온도유지풍속계 (CTA) 는가장최근에나온센서조절방식으로, 연구풍속계와최근에산업시장에등장한물품에거의독점적으로사용되고있다. 온도유지풍속계 (CTA) 는전압유지풍속계 (CPA) 와비교해몇가지장점이있으며, 장점을나열해보면아래와같다. 1 고수준의출력값이얻어진다. 대부분의경우에속도 0 120m/sec(0 400ft/sec) 까지전원전송비율이 9:1로얻어진다. 2 전압유지풍속계 (CPA) 처럼센서가세개 ( 발열센서와두개의온도센서 ) 가아니라두개만있으면된다. 3 온도유지풍속계 (CTA) 는가열된센서의바깥표면만이열관성에따라변하기때문에, 전압유지풍속계 (CPA) 에비해속도의변화에대한반응이 매우빠르다. 중심부분은이미일정한온도를유지하고있는것이다. 따라서, 견고한온도유지풍속계 (CTA) 들은온도센서로서이들의시간상수보다 5~10배더빠른속도의시간상수를갖고있다. 속도반응시간상수는일반적으로 1초 (67%) 다. 4 적절히설계된경우, 온도유지풍속계 (CTA) 는주위의유체온도의빠른변화에대해훨씬적은시간상수를가질수있다. 여기에서중요한것은, 두개의센서를가진온도유지풍속계 (CTA) 의거의동일한온도시간상수를가질수있다는것이다. 온도시간상수는일반적으로 1~3초지만거의 0까지줄일수도있다. [ 그림-1] 열전도유량센서 [ 그림-1] 은견고한금속을입힌열전도유량센서들을보여준다. (2) 온도유지풍속계 (CTA) 에서의브리지회로 (Bridge Circuitry) 대부분의온도유지풍속계 (CTA) 는브리지건너편의전압차이가확대되고, 가열된센서와온도보상센서사이의지속적인온도차를유지하기위해브리지의꼭 2015. 6 107
대기 ( 수질 ) 환경을위한유량측정및분석 대기까지피드백되는변형된 Wheatstone Bridge를사용한다. 가열된센서는작동회로에서활동센서이다. 본제품은두개의센서에특수한 RTD( 저항온도검출기 ) 를사용한다. RTD는반복성이우수하다. 특히온도와비례하고, 온도표에대한표준저항력에근거해온도가과열상태인것을스스로감지하면서가열이가능하다. 센서는백금선 (Reference grade Platinum wire) 을재질로사용한다. 따라서, RTD는매우정확한온도센서일뿐만아니라가열기로서의독특한특성을갖고있다. 또한, 유체에대한표현이더우수하다. Rr Rx RT.c. Rs Rp Rp : Process Sensor RT.c. : Process Temperature Sensor [ 그림 -2] 2 선식 CTA 브리지회로 [ 그림-2] 는온도유지풍속계 (CTA) 브리지회로의모습이다. 브리지비율은 RX/RB에따라정해지는데, 이는일반적으로상온에서 RP/RTC의비율과같다. RY는과열저항참조치를제공한다. [ 그림-2] 의회로는도선네개짜리전극 ( 각각의 RTD에도선두개씩 ) 을사용한다. 이러한배열은 RP 센서의센서부의 Lead 저항이작거나매우안정된저항값을갖도록잘갖춰져있다. 응용되어사용하는많은경우에있어서주위의온도나방사능조건때문에브리지회로는 RTD부에서떨어져있다. 센서 Lead 저항은도선두개짜리 RTD를사용하는온도전송기와마찬가지방식으로문제가될수있다. - + +V Output Current 최근의개발품은도선세개짜리가열된센서와, 센서 Lead 길이저항효과를없애기위한센서 Lead 저항보상네트워크를사용한다. 이변형된브리지회로를사용하면교정치를바꾸지않고센서 Lead 선을줄이거나늘일수있다. 멀리떨어진센서 Lead들의길이는 150m(500ft) 로, 온도유지풍속계 (CTA) 출력이케이블의길이의변화나온도의변화에영향을받지않는경우도있다. 가열된센서는저항이낮아 (10 20Ω) 센서 Lead 선의변화들이보상을거치지않고출력값에중대한오류를낼수있기때문에, 열유량요소를선택하는데있어중요하게고려해야할사항이다. 사람들이 EMI, 지름, 온도또는긴케이블길이때문에신호조건에서떨어진유량센서 ( 센서와브리지회로로구성된 ) 의필요성을인식하게된것은수년전이다. 이필요성때문에전류출력브리지회로가도입되었다. 센서를가열하는데사용되는거의모든전류가직접브리지의총전류에연결되어있다는것이인식되었다. 따라서, 두개짜리전원선이연결된열유량센서가탄생되었다. [ 그림-3] 은 Lead 길이보상기능이부가된온도유지풍속계 (CTA) 회로이다. Rx Rr RT.c. : Sensor Lead Resistance Rs Lead Resistance Compensation Circuit [ 그림 -3] 2 선식, 센서저항보상 CTA 회로 이배열에서는신호회로가직류전원 ( 일반적으로 18-24V) 를공급해주어야한다. 그리고전력원반송 Rp - + +18-24 VDC 3-Wire Rp Construction Output Current 108 계장기술
응축가스에유량 ( 유속 ) 측정 부에있는 Dropping 저항을이용해서, 출력전류를교정된선형직류 DC 0 5V와 / 혹은 DC 4 20mA 신호을얻는과정을거치게될전압으로전환한다. 이것은모든다른전원연결장비들에쓰이는것과똑같은방식이다. 예외적인경우는전류가 DC 4 20mA보다훨씬클때와, 열전도방정식때문에비선형일때이다. 대부분무시되어왔다. 왜냐하면, 바이오가스상태에서의응축수준이하루동안의온도변화에따라요동치는데, 이는센서위에서작은물방울들이기화되므로매우신뢰할수없는측정치가나와, 폐수처리장이나쓰레기매립지등에서는열유량계를사용하기가적절치못했다. 2. 기존제품 (PFT-Series) 적용의한계성에대하여기존의 Kurz의열질량유량계는건조가스유량분야에서매우뛰어난측정능력을제공해왔다. 제품들은연속성, 정확도, 반복성분야에서충분히증명되었다. 그러나모든열유량계는바이오가스환경분야에서는 3. 454FTB-WGF의개발이에 kurz 엔지니어들은액화가스유량상태에서실시간정확한측정을위한최초의효율적인열유량계를개발하였다. 신개발품인 454FTB-WGF 제품테스트에서는액화가스환경에서지속적인정밀도와뛰어난민감한측정을제공함으로, 다른열유량계를훨씬뛰어넘는성능을나타냈다. 1) 건조가스환경에서의센서동작 1) 습식가스환경에서의센서동작 (WGF) 2) 습식가스환경에서의센서동작 2) 수분이센서에접촉시순간적으로기화되는모습 2015. 6 109
대기 ( 수질 ) 환경을위한유량측정및분석 폐수처리장은최대유량과부하조건에맞는높은효율을달성가능정확하고실시간으로의소화조측정은빠른교정활동을가능하게소화조의불균형을밝히고, 증가된가스생산으로이끌어준다. 최적화된소화조공정은최대소화가스를능가하는특징을가진다. 굴뚝의연무와팬의입구주변도모니터링될수있다. 3) 수분이센서에접촉시순간적으로기화되는모습 5. 454FTB-WGF의주요사양 Available in remote electronic configuration 100% configured Through keypad Polyester-power coated cast aluminum for long service life and explosion proof requirements 1) Specification SPEC DATA Process temperatures up to 51 (125 ) C276 sensor for general corrosion resistance and long life 4) 454FTB-WGF 4. 454FTB-WGF 의장점 Two diameters sizes all welded for extended life 316L stainless steel ( 동영상참조 : http://youtu.be/fmvsoixi5le, http://youtu.be/mrguzq74peg) Process temperature rating Process pressure rating Velocity range Velocity accuracy -40 ~120 (-40 ~248 ) Up to 10BARg (150PSIG) Air : 0~18.6m/s (4,000SFPM) Biogas : 0~14m/s (2,000SFPM) CH 4 : 0~9.3m/s (2,000SFPM) 1% (of reading +20SFPM) Reading repeatability 0.25% Process temperature constant Velocity time constant 10sec. for temp. changes at 4,000 SFPM (const. temp) 1.5sec. for velocity changes at 4,000 SFPM (const. temp) Velocity-dependent correction factors for flow rate. 바이오가스관리, 폐수시설, 쓰레기매립장과그외액화가스환경을개선함으로, 그들의효율을개선하고, 운영비용을감소시키는기회를가진다. 정밀하고신뢰성있는액화가스유량측정치제공 Electric operating temperature Integral display : -25 to 65 Remote aluminum display : -40 to 65 Remote polycarbonate display : -25 to 50 110 계장기술
응축가스에유량 ( 유속 ) 측정 2) 주사용처 1 biogas 2 wet gas 3 digester gas 4 incinertor 5 monitoring stack gas 6 EPA green house gas emissions 7 fan inlet/outlet 8 wastewater facilities 2 Alarm output conformity : NAMUR NE43 3 European Union CE compliance : EMC, LVD, PED, ROHS and WEEE 4 CSA, ATEX & IECEx approvals for Nonin cendive, Flameproof and Exposion-proof : EN IEC 60079-0, EN IEC 60079-1, EN IEC60079-15, EN IEC61241-1, Class1, Div 1 and 2 3) 각종승인 1 EPA mandatory GHG certification : 40 CFR 98.34(C)(1) 원고를받습니다 월간계장기술이참신한원고를받습니다. 소장하고계신원고나, 평소에소개됐으면하는내용을기사로작성하여보내주시면감사하겠습니다. ( 특별기고기술정보연재산업동향 & 전망 / 자세한사항은본지참조 ) 원고게재분양및내용 FA 와 PA 분야의주요품목인 DCS, PLC, 센서, 유량계, 인버터, 컨트롤밸브, 필드버스 ( 산업통신망 ), 계측및계장기기, 중전기기및발전플랜트와이를활용한기술및산업전망계측제어자동화설비 ( 플랜트 ) 분야의산업트렌드와시장전망 원고분량및발송 A4 지 4~10 매 ( 연재는편집부와협의 ) 이며, E-mail 로보내시면됩니다. E-mail 이어려운원고와첨부자료 ( 카탈로그와제품사진등 ) 는우편발송하시면됩니다. 보내실곳서울시영등포구당산로 2 길 12 708 호 ( 문래동 3 가에이스테크노타워, 월간계장기술편집부 ) TEL : (02)2168-8897 / FAX : (02)2168-8895 E-mail : procon@procon.co.kr / lch1248@naver.com 원고마감 : 매월 15 일 2015. 6 111