[스크랩] 계장 이론 (조작계/pid/조절계/온도...등)

조절계 동작 오찬종/광양제철소

제1절. 조절계 PID 동작

1. 개요 각종 프로세스 산업에 있어서 플랜트 각부의 계측제어는 아날로그신호를  주로 취급하는 각종의 공업계기에서 출발하여  이제는 디지탈 신호를 처리하는 인텔리젠트화된 계기 및 전자계산기를 도입하여  플랜트의  최적운용, 경제적 운전에 관한 계산, 공정 스케쥴링을 행하며, 그 결과를 운전자에게 지시하거나  외부의 자동제어 설정부에 보내어 직접 조작부를 제어한다.      조절계에 의한 프로세스 제어는 종래에는 대부분  사용되었지만, 이제는 소규모 계장 또는 분산제어시스템을 채용시 경제성이 없는 곳이나  플랜트 운전에 있어 비상시 운전용으로 사용되고 있다. 아래 그림 2-1은 조절계에 의한 압력제어의 예이다.

가. 조절계의 운전 모드

1) 수동운전 조절계의 운전 모드는 세가지로서 수동 운전,자동 운전,캐스케이드 운전이며, 운전 모드를 선택하는 것은  조절계 전면부 운전모드 변환 스위치로 선택할 수 있다. 수동운전 의미는 <그림 2-2>에서와 같이 밸브 위에 사람이 앉아서 유량이 얼마나 흐르는가를 보면서  유량이 많이 흐르면 밸브를 닫고, 적게 흐르면 밸브를 여는 것이 수동 운전이다. 그러나 이와 같은  수동 운전은  밸브가 설치되어 있는 곳이 현장이기 때문에 작업 환경이 좋지 못하므로 신호선을 연결하여 운전실에서 밸브를 열고 닫고 하는 것이다. 수동운전으로 절환하기 위해 조절계 운전모드 변환 스위치중  M을 누르게 되면은 조절계에서 조작출력이 자동으로 출력되는게 아니라 수동조작 레바에 의해 조작된 결과에 의해서 조작출력이 결정된다. 수동조작레바의 조작 방법은 C방향으로 움직이면 밸브가 닫히고, O쪽 방향으로 움직이면은 밸브가 열리게 된다. 이때 주의할 사항으로 대부분 조절계는 왼쪽이  C로 되어있으나 조절계 특성상 온도 및 다른 제어계는 반대로 되어 있으므로  사전동작여부를 알고 있어야 한다..

2) 자동운전     조절계의 운전 모드중 자동 운전 모드를 선택하는 것은 조절계 전면부에있는 운전모드 변환 스위치 A를 선택함으로서 자동 운전이 가능하게 된다.  자동운전 의미는 <그림 2-3>에서와 같이 배관으로 유량이 최대 1000ℓ/h 흐르고,  최소 0이 흐른다고 가정할때  조절계의 설정치 보턴을  이용하여  50％ 설정시 조절계는 자동으로 발신기에 의해 얻어진 측정치에 따라 배관내 흐르는 유량이 500 ℓ/h 이상이면 조작량 출력이 감소하고, 유량이 500 미만이면은 조작량 출력은 증가하게 된다.  따라서 자동 운전은 운전자가 설정치 조정보턴을 이용해 설정한 목표값과 일치될때까지 계속적으로 조절동작이 이루어진다.

3) 캐스케이드 운전 조절계의 운전모드중 캐스케이드 운전모드를 선택하는 것은 조절계 전면에 있는 운전모드 변환 스위치  C를 선택함으로서 캐스케이드 운전이 가능하게 된다. 설정방법은 수동운전일 경우에는 자동운전을 선택한후에  캐스케이드 운전모드를 선택해야하고 ,캐스케이드 운전중 수동운전으로 바꿀시 바로  M을 선택하여 수동운전으로 전환이 가능하다. 캐스케이드운전의 의미는 설정치를 조절계에서 운전자가 하지 않고 조절계에 컴퓨터 또는 상위 조절계를 연결하여 자동으로 목표값을 설정한다.      이와 같은 조절 형태는 피드백 제어계에서 하나 제어장치의 출력 신호에 의해 다른 제어장치의 목표값을 변화시켜 실시하는 것으로 캐스케이드 제어계를 구성하는 제어의 목적은 2차 조절계에 의하여 들어오는 2차 제어루프에 들어오는 외란이  1차 프로세스에 미치는 영향을 제거하는 것이다. 다음의 <그림 2-4>는 가열로 운전에 있어서 캐스케이스 운전형태의 예를 나타낸 그림이다.

가. 제어 동작

1) 제어동작과 인간 제어동작과 인간과의 관계를  4가지 형태로  분류하면은 <그림2-5> 제어동작과 인간 관계에서 보는바와 같이  A는 표준적 작업자로서 주어진 시간내에 소정의 목적을 성취한 형태이며, B는 예민한 사람으로 마무리를 못짓는 사람이다. 이런 경우에는 감도를 약하게 하여  충분한 작업내용을 주지시킬 필요가 있다. 제어동작으로 보면은 감도가  예민, 목표치에 도달하는 시간이 상당히 소요된다. C의 제어형태를 사람으로 비교하면, 능력이 부족하고 감도가 둔하여 목적이 없을 뿐만 아니라  시간을 아무리 많이 준다고 해도 목표로 하는 값에  도달을 하지 못하는 형태이다. 따라서  C와  같은 형태의 대책으로는 일을 부여하는 것만이 아니고 항상 과거의 성과를 분석하여 해결 가능한 만큼의 수정 동작이 절대적으로 필요하다. D는 과연 어떤 형태의 유형인가 하면, 감도가 둔하여  상당한 시간이 걸리지만 끝내는 일을 달성 시키는 사람으로서  B의 형태와 정반대 개념이다.    이런 경우는 일을 시키기 전에 일의 내용을 충분히 설명한 후  준비시간을 주는 것이  바람직하다. 제어의 목적은 목표값이 변경 되었을 경우  A동작 처럼 추종하도록 하는 것이나 조절계를 적절히 조정하지 않으면  B, C, D형태의 제어동작이 되는 것이다.

2) 제어의 목적 가) 목표치 변경에 대한 추종성 목표치 변경의 경우 제어량은 목표치에  즉시 추종하는 것이 바람직하다  즉, 다음 <그림 2-6>의 목표치 추종에 대한 제어의 목적과 같이  목표치인 STEP 입력에 대해서 응답이  B와 같은 결과가 이상적이나 실제로는 B∼E와 같은 출력이 나타나며, 조절계의  PID 파라메타를 조정하여 가능한 한  B와 같이 하는 것이 제어 동작이다.

나) 외란에 대한 억압성 제어계 안정상태를 혼란케하는 외적요인에 의해 안정상태가 무너지는데 외란은  들어오는 장소,크기,시간,모양이 일정치 않다. 따라서  제어계에 있어서 이러한 외란 영향을 억압하여 최소로 하는 것이 제어에 좋다.

PID 동작 오찬종/광양제철소

2. 비례 동작

비례동작(Proportional Control)이란 조작량이 편차에 비례하여  연속적으로 변화하는 제어방식이다. 따라서 제어량의 변화에 따라 조작부는 연속적으로 순조롭게 동작하게 된다.

비례대와 감도와의 관계를 보면은 비례대는 감도 KG 에 비례한다. 그러나 조절계에서는 감도를 사용하지 않고 비례대(PB:Proportional Band)를 사용한다. 비례대는 100을 감도로 나눈 것이며  단위는 ％이다. 아래 <그림 2-8>에서와 같이 비례대는 감도와 반비례하므로 비례대 PB가 크면 감도가 둔하여  A,B,C,D중  C형태가 되며, 비례대가 작으면 감도가 예민하여  B가 된다.

비례동작의 특성은 비례대를 적게하면 서서히 감도가 좋아져서 규칙적인 사이클이 발생한다. 또한  비례동작으로 제어시 언제나  비례대가  0 보다 크므로 필연적으로 목표치 변경이나 외란에 의하여  잔류편차 (Off Set)가 발생하게 된다.            MV= KGE  + b = 100 e / PB + b        e = PB (MV - b) / 100 즉, e가 Zero가 되려면  PB=0 또는 MV= b가 되어야 하는데, PB 〉0 이므로  MV= b가 성립되지 않는 한  e= b는 될수 없어서 외란에 의한  잔류 편차는 계속된다. 만일 여기에서  Bias값  b를 자동적으로 출력  MV에 맞출 수 있다면 잔류편차 없이 외란에 대한 제어가 가능해질 것이다. 즉  b대신 자동적으로  e의 크기를 조정할 수 있는 방법이 적분동작이다. 다음의 <그림 2-9>은 비례동작의 응답특성을 나타낸 것이다.

조절계의 편차에 대한 조작량의 변화 방향은 조작부 및 프로세스 특성에  맞추어 선정할 필요가 있다. 즉, 설정치에 대해서  측정량이  증가할 경우  플러스 제어편차가 나올때  조작량이 증가하는  동작을  정동작이라 하며,  반대로 플러스 편차에 대해서 조작량이 감소하는 동작을 역동작이라 한다.

3. 비례 적분 동작

적분동작(Integnal Control)이란 입력편차의 시간 적분치에 비례한 크기 출력을 연속적으로 내는 제어동작이다. 적분 동작은 단독으로는  사용하지 않고 비례동작과 같이 사용되므로 비례 적분동작이라 한다. 적분동작의 원리는 <그림 2-10>과 같이 전류 i가 극히 미소할 경우 조작부가  동작하기가 어렵다. 이런 경우 조작부 전단에  콘덴서를 접속시키면 일정 시간후 조작부에 전류를 흘러 동작시키는 것과 같다. 비례제어의 장점은 신속한 출력을 발생시키는 것이나  단점으로는  제어량과 목표값 사이에 잔류편차가 존재한다는 것이다. 보통 잔류편차가 발생 되면은 감도를 좋게하여 편차를 줄일 수는 있지만 프로세스가 불안정 하기 때문에 계속적으로 사용이 어려운 문제가 생긴다. 적분동작의 잇점은 편차가 존재하는 한 조작량도 계속 변화하여  편차가 없어지는 곳에서 안정하게 된다. 따라서 적분동작은 잔류편차가 없어진다. 적분의 강도를 나타내는 적분시간은 짧을 수록 강한 수정동작을 하며 단점으로는 등가적 지연 발생으로 시스템을 진동적으로 쉽다. 특히 전달지연이 큰 프르세스나 시간 지연이 있는 경우에는 안정성이 없어지고, 응답시간의 지연 때문에 적분시간을 너무 길게 할 수도 없다.

비례 적분동작 일반식 및 응답특성

4. 비례 적분 미분동작

미분 동작(Derivative  Control)이란  입력편차의 시간 미분치에 비례한 크기 출력을 연속적으로 내는 제어동작이다. 미분 동작은 단독으로는 사용하지 않고 비례동작 또는 비례 적분동작과 같이 사용되므로 비례 적분동작이라 한다.     미분동작은 외란등에 의하여 생기는 제어편차는 가능한 한  빠른 시간내 감소시킬 필요가 있다. 그 이유는 비례동작으로 프로세스를 제어하게 되면 조작출력이 늦기 때문이다. 미분동작은 제어편차 크기가 아니라  제어편차 변화가 시작되는 순간에서 변화율이 반응한다.    이것은 제어편차 변화율에 직접적으로 관계되어 발생초기의 조절계 출력을 더 크게해서 조작부를 원하는 값에 곧바로 위치시킨다. 추가되는 미분동작은  발생 초기에  측정변수의  과도 응답를 감소시키는 방향으로 동작해서 프로세스가 빠른 시간내 안정하도록 한다.       미분시간을 길게하면 초기 과도응답은 없어지나 진동이 많아져 안정되기까지는 시간이 오래 걸린다. 이렇게 되는 것은  미분 시간이 길수록  작은 변화에 대해서도 초기에는 커다란 조절계 출력이 발생되고, 이는 프로세스 제어계를 불안정하게 만드는 요인이 되기도 한다. 미분동작은 잔류편차를 제거하지는 못한다. 따라서 사용하는 주요목적은 프로세스에 안정성을 제공하는 것이다. 안정성을 증가 시키기 때문에 잔류 편차가 적어지고 이득은 증가한다. 비례 미분동작은  대용량 프로세스에서 사용되거나 온도제어와  같이 늦게 반응하는 프로세스등에 사용된다. 제어출력을 만들어 내는 대용량이면서 느린 프로세스의 지연 특성에 대해 보상한다. 일반적으로  미분동작은 유량 제어나  노이즈가 많은 프로세스등 에서와 같이  빠르게 응답하는 프로세스에는 사용되지 않는다. 그 이유로는  미분동작이  노이즈를 포함한  작은 제어편차에 대해서도  변화율이  변화하기 때문이다.

1) 비례 미분동작 일반식 및 응답특성

2)  비례 적분 미분동작 일반식 및 응답특성 비례 적분 미분동작은  비례, 적분, 미분 각 동작을  조합시킨 것으로써  비례 적분동작이 가지고 있는 장점인 잔류편차를 없애고, 비례 미분동작에 의해 과도응답을 적게하여 줌으로써 응답시간을 빠르게한다. 지금까지 설명한 비례 적분 미분동작의 정성적 의미는 다음표와 같다.

3)  PID 동작의 효과요약    가. 비례동작의 효과: 비례대를 작게 했을때       (1)잔류편차량이 감소한다.(적분동작이 없는 경우)      (2)진폭 감쇄비가 크게되어 결국은 발산한다.      (3)진동의 주기가 짧아지게 된다.    나. 적분동작의 효과: 적분시간을 짧게 했을때       (1)잔류편차를 없앤다       (2)진폭 감쇄비가 크게되어 결국은 발산한다.       (3)설정치 최초 회복시간이 짧아지게 된다.    다. 미분동작의 효과: 미분시간을 길게 했을때       (1)잔류편차량은 변하지 않는다.(적분동작이 없을때)       (2)진폭의 주기가 짧아진다.       (3)진폭감쇄비가 작아진다. 그러나 너무 길게하면, 감쇄비가 커진다.

밸브 동작에 대하여 오찬종/광양제철소

제1절  조작부 구성 및 동작원리

1. 조작부 구성 및 동작원리 계장시스템에 있어서  조작부는  조절계 조작량을 받아 기계적인 량으로 바꾸어 제어대상을 움직이는 부분이며, 마치 조절계가 사람의 두뇌라고 한다면  조작부는 사람의 팔, 다리에 속하는 것이다. 조작부  주요기능은 제어계에 있어서 최종제어 구성요소로서 ,유량,압력,속도를 조절하며, 유체의 방향 전환,유체 유송 및 차단 역할을 담당하는데  조작부는 본체부,조작부,보조기기로 나누어 진다. 밸브 본체부는 본체를 구성하는 구조물을 밸브 본체라 하며,  밸브의 윗덮개를  상개, 유체 유로를 열었다 닫았다 하는 부분을  Trim (Plug 또는 Seat)이라 한다. 조작부는 다이야프램,스프링,스템으로 이루어져 있다. 밸브  윗부분 (또는 밑부분)으로 공기가 들어오면  다이야프램에 압력이 가해져 스프링을 누른다. 이때  다이야프램이 움직이면  다이야프램과  Seat와  연결된  스템을 통하여  Seat를 움직이게 하는데, 움직임으로 인하여  유체의 유로를 차단 또는  열리는 정도를 알 수 있도록  지침과 개도/ 레인지 플레이트가 설치되어 있다. 보조기기 (E/P Positioner)의 동작 원리는 운전실이 있는 조절계로부터 전류(4∼20mADC)가 토오크 모타에 인입되면   Flexure을  중심으로 좌우로 움직이는데 이때, 후렛바는 노즐로 부터 이격되어  노즐배압의 압력차이로 인해  파이롯트 스폴을 동작시켜 조작부 다이야프램 쪽으로 공기압이 전달되고 전달된 공기압은 피드백 스프링 장력과 토오크 모타 회전력이 바란스를 이룰때까지 작동을 계속한다  즉,입력전류에 비례하여 Stem변화를 가져오게 한다. 밸브작동에는  페일세이프로서의 작동과  입력신호에 대한 작동의 2가지목적이 있다. 페일 세이프로서의  작동은  입력신호 또는 동력원 상실시에 있어서 밸브 작동방향을 플랜트로서  안전측 방향으로 작동되게 하는 것에 따라 역동작, 정동작, 유지동작으로 구분한다. 입력신호에 대한 작동방법은 신호량증감에 대한 밸브 개폐방향을 말한다,   반드시 페일 세이프 동작과 일치되지 않는다. 입력신호의 증가에서 밸브가 닫히는 것이 정동작, 입력신호 증가에서 밸브가 열리는 것이  역동작 밸브이다. 또한 다이야프램 구동방식에서는 구동부와 내밸브마다 정동작,역동작을 가지며, 밸브의 전체동작은 조작부와 내밸브 조합에 의해 결정된다.

2. 조절밸브 종류 및 선정

조작부의 대표적인 조절밸브의 종류는  프로세스 요구에 따라 여러 형태의 것들이 만들어지고 있으며, 분류하는 방법은  조작 신호에 의한 전기식, 공기식,유압식,자력식 밸브로, 개폐부 모양에 따라 게이트,플러그,글로브, 버티플라이,다이야프램,앵글,볼, Y Type 밸브로 구분한다. 이밖에도 분류하는 방법으로는 트림이 움직이는 형태에 따라서 직선운동형과 회전 운동형으로 나누고, 제어 목적에 따라서는 개폐밸브,유체흐름의량을 조절제어하는 밸브와 방향을 제어하는 밸브로 나눈다. 선정요구 조건은 제어신호에 따라 직선성또는 설정된 특성대로 정확하게 동작해야 하고  동작중 응답시간이 빠르고, 오동작이 없으면서도 히스테리시스가 적어야 한다. 이밖에도  현장의 환경에 대해 충분히  견딜 수 있는 것이면서도 보수 및 점검, 경제성등이 용이한 것을 선정한다.      가. 조절밸브 종류 1) 공기식 공기압 조작량에 비례한  0.2 ∼ 1.0 kg/㎠의 공기압 신호로 동작되는것으로서, 공기압 신호를 사용하는 것은 신호를 그대로 밸브 구동부에  사용될 수 있기 때문이다. 단점으로는 응답성을 빠르게 하면서도 히스테리시스를 작게 하기 위해 보조기기인 포지셔너를 사용하는 경우가 많다. 공기압식은 오래전 부터 사용되어 오던 것으로서 신뢰도가 높고  비교적염가로서 보수가 용이하며 무엇보다도 방폭성을 구비하고 있어서 지금까지 많이 사용되고 있는 조절밸브중의 하나이다. 2) 전기식 주로 4 ∼ 20 mADC 전류 신호로서 작동하는  조절밸브이다. 전동밸브나, 전자 밸브의 조작에는  전기 펄스 신호를 사용하여  펄스모타를 구동하여 유압식 조작기구를 조작하거나 온-오프신호로 전자밸브나 펌프를 조작하는 경우이다.　전류신호를 사용하는 경우 전기신호로 직접 구동부를 조작하는 경우는 거의 없고, 전기/전기, 전기/공기, 전기/유압등의 보조기기인 포지셔너를　통해 구동부를 조작한다 3) 유압식 유압식 조절밸브는 구동부의 응답이 양호한 것과 큰 조작력이 장점이다. 전기/유압 포지셔너를 개입시켜 구동부를 조작한다. 4) 자력식 자력식 조절밸브는 밸브작동 힘이 밸브내 스프링과 흐르는 유체의 압력, 차압등  프로세스 변수를 직접 동력원으로 하여  설정치내에서 조절하거나 감온부에 봉입된 액체 증기압의 변화를 이용하여  밸브를 조작하는 자립식이므로  현장 설치형 간이 조절기로서 이용된다. 또한 자력식 조절 밸브는 제어대상에 직접 작동을 거는 가장 중요한 역할을 담당하고 있는 기기이기 때문에 제어대상,제어 목적에 알맞는 기종을 선정하는 것이  계장시스템을 성공 시키는 열쇠가 된다.

나. 조절밸브의 선정 1) 선정을 위한 여러가지 조건 프로세스중에서 중요한 역할을 지닌 조절 밸브가 소기의  목적에 알맞는 기능을 발휘하기 위해서는 조절밸브 단체의 시방서 결정 뿐만 아니라 조절밸브에 관계되는 많은 조건을 충분히 감안하여 선정해야 한다. 조절밸브를 선정하기 위한 여러가지 조건으로서 확인해야 할 주된 것으로 다음과 같은 항목들을 들수 있다.             ⑴ 대상 프로세스 조절밸브를 포함한 제어계의 전체적 이해와 파악이 필요하다, 또한 프로세스 자체의 스타트업,셔트다운 및 긴급시의 대책을 포함해서 충분히 이해하여야 한다.  ⑵ 사용목적 조절밸브는 흐르는 유체자체의 프로세스 변수를 제어하는 것만이 아니라 유체의 차단 또는 개방,  2가지 유체의 혼합, 2 방향으로의  분류, 유체의 전환, 하나의 플랜트내에 있어서 고압측으로 부터 저압측으로의 압력 강화를 목적으로 하는 것등이 있다. 또 한대의 조절밸브 위에 작은 두개이상의 목적을 갖는 것도 있어  이러한 목적들을 전부 확인한 다음에 가장 적절한 밸브를 선정해야 한다.    ⑶ 프로세스 특성 조절밸브에는 조작신호 변화에 대해서 밸브스템이 그랜트 패킹등의 마찰을 이겨내고, 동작이 될 때까지의  데드타임과 규정된 거리만을 이동하기 위한 작동 시간이 있다. 제어계 전체의 제어성 및  안정성 이라는 점에서 응답성을 고려하고, 프로세스  특성 측면에서는  자기 평형성 유무, 필요유량의 범위, 응답의 속도　등을 확인해둔다.  ⑷ 유체조건 프로세스 데이터 시트등에서 주어지는 유체의 여러가지 조건으로서 조절밸브 선정의 기본조건이 된다.여기에는 다음과 같은 것을 들　수 있다.     -유체의 명칭,성분,조성,유량,압력,온도,점도,밀도,증기압,과열도  ⑸ 레인지어빌리티 조절밸브에 있어서 실용상으로 만족해야 하는  유량을 나타내는  범위의 최대와 최소의 밸브 용량의 비를 레인지어빌리티라고 하는데, 한대의 조절밸브가 필요로 하는 레인지어빌리티를  수용 가능한지를 확인하고, 수용할 수 없을 때에는 조절밸브 두대로 운전하는　등의 방법을 검토해야 한다.  ⑹ 밸브 차압의 선정방법 제어계 전체 압력손실에 차지하는 밸브 차압 비율이 작아짐에 따라 유효유량 특성은  고유 유량 특성을 벗어나게 된다. 따라서 조절밸브 압력손실배분은 복잡한 문제이며, 일률적으로 결정할 수는 없지만 일반적으로 배관계통에서의  0.3 ∼0.5　이다.  ⑺ 셔트오프 압력 조절밸브 차단시 차압의 최대값은 구동부의 선정, 조절밸브 각부의 강도설계등에 필요한 데이타이다. 조절밸브 입구 압력을 최대 셔트오프 압력으로 하여 설계하는 경우가 많으나 그 결과 조절밸브 시방이 과대한 것으로 될 우려가 있으므로 실제의 사용조건을 고려해서 셔트오프 압력을 정한다.  ⑻ 밸브시트 누설량 밸브 차단시 밸브 시트 누설량이 어느 정도까지 허용될수 있는가를 확인한다. 또한 밸브가 차단 상태로 되는  빈도도 알아야 한다. 누설량의 표현방식은 일반적으로 조절밸브 정격  CV  값의 비율(％)로 표현한다. 누설량의 구분 및 시험 조건에 관해서는 ANSI B 104-1976이 널리 사용되고 있다.  ⑼ 밸브 작동 조절밸브 작동에는 페일세이프로서 작동과 밸브 입력신호에 대한 작동의 두가지가 있다. 페일세이프는 입력신호 또는 동력원 상실시 밸브 동작방향을 플랜트 측면에서 안전한  방향으로 동작시키는 것으로서 공기압 상실시 폐(CLOSE), 개(OPEN), 유지(LOCK)로 유지된다. 밸브 입력 신호에 대한 작동으로는 반드시  페일세이프 동작과 일치되지 않으며 입력증가로 밸브가 닫히면 정동작, 입력증가로 밸브가 열리는 것이 역동작 밸브이다. 다이야프램 구동식 글러브 밸브에서는 구동부,내부 밸브 각각에 정역이 있으며, 그 조합에 의한 밸브 작동은 <그림 3-2>와 같다.

⑽ 방폭성능 조절밸브를 설치할 때에는 설치할 장소에 따라서 조절밸브와 함께 사용할 전기 기기는 필요한 등급 구분의 방폭성능이 갖추어져야 한다. ⑾ 동력원 공기원의 경우는 구동부 및 포지셔너 등의 보조기기가  정상적인 기능을 발휘할 수 있도록 수분,유분,먼지등의 청정도를 고려하는 동시에 조작력을 충분히 확보하기 위한 조작 압력 및 용량을 확인한다.     ⑿ 배관사양 및 기타 조절밸브가 설치되어 있는 배관의 사양에 관해 확인한다. 확인할 내용은 배관의 호칭,배관 규격,재질,접속방식등이다. 이밖에도 확인할 사항으로  유체의 위험성,부식성,슬러리 유무 및  유체조건에서도 운전 초기 및 운전 종료시 변화에 따른  데이타 변경의 경우도 고려한다. 2) 사이징 사이징이란  밸브를 통과하는 유체 조건으로 부터  그 조건에서의  조절밸브의 정격 CV  값을 구하는 식에 관해서는 각종 계산식이나 보정식이 있지만 여기에서는 가장 실용적이고, 취급이 용이항 FCI의 식을 사용한다.다만 여기에서  포괄되지 않는 내용에 대해서는  ANSI/ISA에서 제창한 계산식을 보완적으로 사용할수 있다.    가) 밸브 크기를 나타내는 단위     ⑴ CV (Coefficient Value) 조절밸브 용량을 표시하는 수치로 1940년 미국 Rokwel씨가 발표하였으며 15.6 ℃의 맑은 물이 밸브 입구와 출구 압력차가 1 PSI로 흘렸을때  1분당 유량을  US Gallon (3.7853ℓ)으로 표시한 단위가  CV 이다.     ⑵ KV 독일이 사용하는 밸브용량 계산식으로  5∼30 ℃의 물이 밸브입구와 출구 압력차가 1 kg/㎠ 일때의 유량을  ㎥/h로 표시한 단위이다. 다른 단위로의 환산 관계는  CV = 1.167 KV  이다.      ⑶ AV 국제단위계(SI Units)로 표시한 것으로서  AV = (24/10)CV 로 표시한다.    나) CV 계산식      ⑴ 비압축성 유체         CV = 1.167 x Q1       ⑵ 압축성 유체

⑶ 수증기

3) 유량특성 일반적으로 유량 특성에 따른 종류는 여러가지가 있지만  많이 사용되고 있는 것은 온오프 특성을 갖는 퀵오픈 특성 밸브, 그리고 조절용으로 이용되고 있는 리니어특성,이퀄 퍼센트 특성을 가지고 있는 밸브이다. 따라서 밸브 전후의 차압을 일정하게 하고  밸브개도와 유량과의 관계는 <그림3-3>에서와 같은 특성이 나오지만  밸브가 배관에 설치된 상태에서는 유량 변화에 따라서 밸브 차압이 바뀌어  고유유량 특성과  다른 특성으로 나타난다. 이것을 유효유량 특성이라 하며, 제어계 전체  압력손실에 대한 밸브 압력 손실의 비율에 따라 변화하는 것을 <그림 3-4>의 그림에서 예와 같이 됨을 알 수 있다. 유효유량 특성 계수  PR 은 밸브 압력손실/ 밸브를 포함한 제어계의 압력손실인데 특성의 변화는 밸브가 점유하는 압력 손실비 PR 이 작아짐에 따라 특성이 많이 변한다는 것을 알수 있다.      조절밸브는 PR = 0.05가 허용한계라 하고 있다. 밸브 압력손실의 비율이 작으면 리니어 특성은 퀵오픈 특성에 가까우며,이퀄 퍼센트 특성은 리니어 특성에 가깝게 된다. 유량특성의 선택은 유효유량 특성을 보상하기 위한 중요한 것이며, 압력손실이 불명확 하거나 소유량시 차압이 크고, 대유량시는 차압이 작아지는 경우라면 이퀄 퍼센트 특성을 가진 밸브를 선택한다.

PID 최적 조정에 대하여 오찬종/광양제철소

제2절  PID  최적조정

PID 조절계를 사용하여 프로세스를 제어하는 경우 PID의 각 정수를 설정하는 기준은 무엇일까. 각 정수 설정이 적절하게 되지 않아 제어 시스템이 불안정하게 되면 안되고 또한, 너무 안정되어 외란이 들어오면 제어편차가 생겨 이로 인한  회복시간이 오래 걸려도 안된다. 제어의 목적에서 생각해보면 잔류편차가 없어야 하고, 안정성이 있으면서 응답이 빨라야 하는 세가지 요소를 만족하는 조정이 되어야 한다. PID 값에 따라서 제어응답은 여러가지의 형태로 변화되지만  평가기준을 충족시킬 수 있는  폐루프 특성에서 구하는  진폭감쇄비와  프로세스 특성에서 사용되는 제어면적 또는 응답시간을 많이 사용된다.

1. 한계감도법 (Ziegler Nichols) 폐루프에 의해 최적의 PID 정수를 구하는 방법으로는 한계감도법과 현장에서의 최적 조정법이 사용되고 있으나 여기에서는 대표적인 한계감도법에 대해서 설명하였다. 한계감도법은 조절계의 비례동작만으로 값을 구한다는게 특징이다. 구하는 방법으로는  조절계에서 비례대를 줄여가면서  제어 루프가 한계진동이 되도록 한다음 그 결과로서 주기를 구하여 적분및 미분동작을 결정하고, 비례동작은 한계 진동이 발생되었을 때의 비례대에 지글러 니콜스가 만든 산술표에 의해 대입,  PID값을 구하여 조절계에 적용시키면 진폭감쇄비가  25％ 정도로 된다. 이 한계감도법의 특징은 루프를 끊을 필요가 없고, 프로세스특성을 모른다고 하더라도 조절계의  게인을 조절하는 것만으로도 설정할  PID 정수를 구할수 있으므로 실용적인 방법으로 많이 사용된다.     ○ 한계감도법에 의해  PID 정수 구하는 방법      1) 제어계를 폐루프 구성이 되도록 한다.      2) 적분시간은 최대,미분시간은 최소로 한다.      3) 비례대를 최대에서 한계 진동이 발생할 때까지 서서히 줄인다.      4) 한계 진동의 결과로 주기를 측정한다.

5) 주기 PU 와  한계 진동이 발생된 때의  비례대(PBU)에 의하여  아래표와 같이  PID 정수를 결정한다.

6) 얻어진  PID 정수를 조절계에 입력시켜  진폭 감쇄비가  0.25가 되는지 확인한 다음, 프로세스에 따라 다소 조정이 필요시 조정한다.

2. 과도응답법    프로세스 특성에서 의해 최적의 PID 정수를 구하는 방법으로는 과도응답법과 주파수 응답법이 있으나 여기에서 설명하는 것은 과도 응답법이다. 프로세스에 스텝을답을 가하여  프로세스 게인 KP, 등가 시정수 T, 등가무효시간 L을 구하고, 그 값에서 표에 의해  PID 값을 계산한다. 조절밸브나 검출기, 전송기등은 프로세스 과도응답을 측정할때 입출력 기기가 되므로 그 특성은 프로세스 과도특성 속에 들어 있는 것이다.       (1) 등가 시정수(T) : 응답곡선에 접선을 그었을때 응답곡선과 접선이                            수직으로 만나는 지점 A,B 간  걸리는 시간       (2) 등가 무효시간(L) : 프로세스에 스텝응답을 줄때로 부터 응답곡선과                              접선이 만나는  A지점까지의 시간       (3) 프로세스 게인(KP) : 다음식에 의해 구한다.

○  과도응답법에 의해  PID 정수 구하는 방법

압력 개요에 대하여 오찬종/광양제철소

1. 압력의 개념과 단위

가. 압력의 개념 물체(고체,액체,기체)내부 임의의 면에서 단위면적당 서로 다른 부분이서로 미치는 힘을 어느 일면을 중심으로 다른쪽에 힘을 응력이라 하고,응력은 면에 수직방향의 응력성분인 법선응력과 면에 접선 방향의 응력성분인 접선응력이 있고 공학적인 측면에서 응력은 방향성을 갖는 벡터량이며 압력이라 하면  현상면의 단위 면적당 작용하는 법선 방향의 무 방향성의 스칼라량적인  힘으로서 정의한다. 또한 임의 그 면을 누르는 방향으로 작용하는 힘을 압력이라 하고,인장시키는 방향으로 작용하는 힘을 장력이라 하는데, 이 압력과 장력을 총칭해서 압력 또는 장력이라 부른다. 아래 그림에서 밀도가 일정한 정치된 액체라고 하면  그 면의 방향에 관계없이 일정한 스칼라 량이다. 밀도가 일정한 정지 액체내에  임의의 어떤 점을 P1이라 하고, 그 점 보다 h 만큼의 낮은 다른점의 압력을  P2 라하면   P2 - P1 =ρ g h 인 관계가 있다. 여기서 동일수면에 어떤 각점의 압력은 동일하다. 아래 그림에서  밀도가 높이에 따라  즉, 기체에서는  P2 - P1 = ρ g dh 가 된다.
P2 - P1 = ρ g h(액체),　    P2 - P1 = ρ g dh(기체)      ρ : 유체밀도      g : 중력가속도      h : 높이의 차      P1, P2 : 서로 다른 압력
※ 중력가속도를 구하는 방법
1) 기체의 압력 기체의 압력은 본질적으로 액체의 압력과 같으나  밀도가 액체에  비해 매우 작으며,부피와 밀도가 절대 온도와 절대 압력에 따라 쉽게 변한다는 특성을 가지고 있다. 일반적으로 기체는 부피(V),　절대압력(P),절대온도(T)사이에  PV = nRT  관계식이 성립하는데 이식을 이상기체 상태　방정식이라 한다. 여기서 n 은 기체의 몰(mol)수이고, R은 8.31 J/mol K 이다. 밀폐된 용기안의 기체는 용기 전체를 차지하며 　용기벽에 수직으로 작용한다. 또한 액체와 마찬가지로 기체　속의 한 점에 있어서 작용하는 압력은 모든 방향에서 동일하다. 일반적으로  기체의 밀도는 작기 때문에 　중력에 의한 힘이 작아 액체의 경우처럼 높이에 따른 압력차를 고려 하지 않아도 된다. 그러나 대기압과 같이 기체의 깊이가 매우 큰 경우에는 높이에 의한 압력효과를 고려해야 한다.  가) 보일샤를의 법칙  완전 기체에서는 온도가 일정할때  일정량 기체의 체적은 압력에 반비례하는 보일(Boyle)법칙으로,기체체적을 V, 절대압력을 P로 하면, 이 법칙은   PV = Const 하다. 여기서 기체의 밀도를  ρ 라 하면?ρ=m/v 이다.  ( m은 기체의 질량으로 일정 ) 따라서  P/ρ=Const 또는  P = Const/ρ 가된다.?기체의 열팽창도 압력에 관계가 있다.고체 및 액체의 경우에도 팽창계수는 물질 또는 온도에 따라 다르다. 기체의 경우에는 압력이 일정할　때 그 팽창계수는 온도 및 물질에  관계없고, 온도 1 ℃ 올라감에 따라 체적의　1/273.15만큼 기체의 체적이  증가한다. 어떤 기체의 0 ℃때의 체적을 V0라 하고,　t ℃때의 체적을 Vt라  하면 P = Const 에서 　 Vt = V0 (1 + 1/273.15.t) = V0( 1+ β.t)가 되는데 이식을 샤를(Charles)법칙이라 한다. 나) 토리체리 실험 이탈리아 물리학자 토리체리는 1643년 토리체리 실험이라고 불리는 실험을 처음하여 대기의 압력을 눈으로 측정할 수 있도록 하였다. 즉, 관내에  진공인 상태에서 수은조에 꺼꾸로 세우면 관내의 수은주는 수은조보다 76 cm 위로 올라가는데 이는 대기압이 수은조의 단면을 누르는 압력과 동일한 것으로써  수은조의 수은면에 작용하는 대기의 압력은  관내에 상승되는 수은주 무게에 의한 압력이 같다는 것을 나타낸 것이다. 이 경우 시험관 상부에는 토리체리 진공이 되어서 압력이 존재하지 않는 관계로 시험관이 수은조 면에 압력이 작용하지 않는 것과 동일한 것이다.   이 실험에서 알 수 있듯이 대기의 압력을 액의 높이로 나타낼 수 있으며,  이때의  압력의 크기  P는  P =  ρ g h 가 된다. 여기서 P는 대기압력, ρ는?수은주밀도 13.595 g/㎤ ),  g는 중력가속도  (9.80665 m/s2),  h 는 수은주 높이 이다.
<그림 5-2 토리체리 실험>
다) 대기압력 기체의 압력중에서 대기압은 우리의 일상생활과 매우 밀접한 관계가 있다 지구주위는 중력의 영향으로 대단히 두꺼운 공기층을 형성하고 있다. 공기의 밀도는 매우 작지만 공기층의 두께가 대단히 두껍기 때문에 공기층의 중력에 의한 대기의 무게는 지구 표면에 큰 대기압을 나타낸다. 토리체리 실험에 의해 최초로 대기압을 측정하였다. 단면적이 1 ㎠이고,  길이가 1 m인 한쪽끝이 막힌 유리관 속에 수은을 가득 채우고 이것을 수은 이 가득 들어있는 그릇에 거꾸로 세우면 관 속의 수은은 76 cm까지 내려와서 정지한다. 이때 유리관의 윗부분은 진공을 이루므로 공기의 압력이 없으므로 대기압이 존재하지 않는데 이것을 토리체리 진공이라 한다. 유리관을 조금 기울이거나 또는 단면의 넓이가 변하여도 유리관이 담긴 그릇의 수은면에 대한 수은기둥의 높이  h는 항상 76 cm로 일정하다. 그릇의 수은면을 기준으로 하여,유리관 안의 압력은 진공부분에서는 없고,단지 76 cm 수은기둥의 수은무게에 의한 것이며,관 밖의 압력은 대기압 Pa이다. 이것이 수은의 수평면을 기준으로 평행상태에 이를때 수은이 더이상 내려오지 않고 정지하므로 Pa = ρHg. g. h 와 같으며 이것이 대기압의 크기이다. 따라서  1 atm = (0 ℃에서 수은 밀도) X (중력가속도) X (수은주 높이)        = 13.595 x 103 (kg/㎡) x 9.80665 (m/s2) x 0.76 m        = 1.01325 x 105 (N/㎡) = 1.01325 x 105 Pa = 1013.25 hPa 1기압은 단면적이 1 ㎠이고,높이가 76 cm인 수은주의 무게에 해당하므로 이것을, 같은 단면적의 물기둥으로 환산하면  수은 밀도가 물보다　 13.595  배인 13.595 x76 = 1033.23cm가 된다.　따라서 한쪽이 막힌 판에 물을 채우고 거꾸로 세울때 관의 높이가 10.33 m 이상이 되지 않으면 물은 물은 내려오지 않는다.반대로 모타가 없는 펌프로 물을 끌어 올릴　수 있는 깊이는 10 m 이내이다. 다음으로 대기압은  지표로 부터의 높이에 따라 어떻게 변하는가를 보면은 지상으로 부터의 높이 올라가면 대기압은 점차 감소한다. 압력과 밀도와의 관계는 서로 비례관계가 있으므로 다음식이 성립한다
여기서 와 P0 는?지표면에서의 공기밀도와 대기압이고   와  P 는 임의 높이 에서  공기밀도와 대기압을 나타낸다. 대기압은 높이에 따라 변하고 대기압  높이에 대한 변화율이 기체의 밀도, 즉 기체무게에 비례하므로  ΔP/Δy  = -ρg가 된다. -부호는 지구표면을 기준으로 높이 올라감에 따라 압력이 낮아지기 때문에 붙게 된 것이다.   앞에서의 공기밀도와 대기압, 압력과 밀도와의 관계식을 정리하면　 위의 좌측식과 같고 식을 미분방정식에 의해 풀면은 윗　식의 오른쪽 식과 같다. 즉, 지상에서 대기압은  다음 그림과 같이 높이에 따라  지수 함수적으로 감소한다. 약 6 km 상공에서 대기압은 지상 대기압의  1/2로 감소한다.
나. 압력의 단위 압력은 공업프로세스의 계장에서 중요한 검출량으로 그 표현법이나 단위는 여러가지가 있으며, 그 의미와 사용법을 충분히 이해해야 한다. 압력의 표현법에는 시간적 변화에 따른 분류와 기준점인  0을 취하는 방법에 따라 게이지 압력과  절대압력으로 표현한다. 국제도량형 총회에서 1960년 승인 채택된 SI 국제단위계 중 압력 단위는 뉴톤 매 평방미터( N/㎡)를 채택하였으나, 1971년 파스칼(Pa)을 압력의 단위로 국제단위계로 현행 사용하고 있다. 따라서 1 Pa의 크기는 1기압의 1/ 101.325로서 정의되어 있다. 이 크기는 공기중 약 8.5 cm의 압력차에 상당하는 작은 값이므로 실용상 단위가 복잡하여 아직도 파스칼을  98066.5 배해서  kg/㎠ 단위계로 환산, 종래의 단위계와 관계 사용하고 있다. 1 kg/㎠ = 98066.5Pa = 98.0665kPa = 0.0980665 MPa ≒100kPa ≒0.1 MPa 또한  관계상 종래로 부터 사용 되어온 압력　단위 및 단위 관계들은 아래표와 같으며, 표를 읽는 방법은 가로축(→)을 먼저　읽고,세로축(↑)을 읽는다.                                                     단위 환산표      ① 1 bar = 105 N/㎡ = 105 kg.m/s2 = 105 Pa      ② mmH2O = mmAQ = mmWG = mmWs = mmWC      ③ Psi = Lb/in2 = 0.07030 kg/㎠ (1kg/㎠ = 14.2233 Psi)      ④ Torr = mmHg = 1.35951 x 10-3 kg/㎠ = 13.595 mmH2O
1) 압력의 분류 압력은 시간적 변화의 유무에 따른 분류로 정압, 변동압, 맥동압 등으로  나눌 수 있으며, 그 기준점 0을 어떻게 정하느냐에 따라  절대압(Absolute  Pressure), 상대압(Gauge Pressure), 차압(Differential Pressure)　등으로  분류한다. 가) 시간적 변화    ① 정압      변화가 없는 압력 또는 1초당 압력계의  최대 압력의 1 ％를 넘지 않는      변화의 순시 속도를 가지는 압력이거나 1분당 최대 압력의  5 ％를 넘지      않는 압력을 말한다.    ② 변동압      1초당의 시간적 변화가 정압의  한계를 넘거나, 압력계의  최대 압력의      1 ∼ 10 ％ 사이에서 변동하는 압력으로  주기성이 없이  불연속적으로      증감되는 압력이다.     ③ 맥동압      1초당의 시간적 변화가 정압 한계를 넘는 것으로,압력계의 최대 압력의      1 ∼ 10 ％ 사이에서 변동하는 압력으로 주기성이 있는 압력이다. 나) 압력 기준치    ① 절대압      지구 위도 45°해면상에서 온도  0 ℃ 조건으로 수은주 0 mmHg에  해당      되는 압력 상태를 즉,진공을 완전 진공 또는 절대진공 이라 하며,이 완전      진공을 기점으로 해서 측정되는 압력이다. 여기서  완전 진공은 밀폐되어      있는 용기안에 기체 분자가 하나도 없거나 기체분자의  운동에너지가 0인      상태를 말한다.      절대단위로　압력을 표현할 때에는 Absolute Pressure의 약자로 량을      표현하는 수치와 단위　끝에 반드시  "abs" 를 붙여 주어야 한다.    ② 게이지압 (상대압)      표준대기압을 기준점 0으로 하여 측정되는 압력으로써,공업적으로 측정      되는 압력은 주로 게이지압으로 표시되고 있다. 즉, 지구위도 45°해면상      에서 온도  0 ℃ 조건으로 수은주  760 mmHg에 해당되는 압력상태를 기점      으로 해서 측정되는  압력이다. 게이지압을 표현 할때에는 절대압과 달리      Gauge Pressure의  약자의 " G"를 생략한다.    ③ 차압       임의 서로 다른 압력중 어느 한쪽을 기준으로 다른 압력과 차이 압력을       차압이라고 한다. 주로 사용이 되는 것은 차압식 조리기구에 의해 발생된       차압으로 유량을 검출시 많이 이용된다. 차압을 표시하는 방법으로  ΔP       (P2 - P1)로 표시한다.

<그림 5-4 게이지압력과 절대압력, 차압의 관계도>

2) 압력계 선정 압력계라 하면  압력을 측정기로서 그 정도에 따라 1차 및 2차 압력계가 있고, 압력단위의 정의에 따라서 직접 계기눈금이 정해진 압력계로 액주형 1차 압력계가 있으며, 액주형 압력계는 실험실에서 현장용  2차 압력계를 교정하는 표준급이다.    ① 측정압력의 종류(정압,동압,맥동입,진공압,차압등) 확인    ② 측정유체의 물리적(온도,점도,농도등)및 화학적(부식성,독성,폭발성등)       성질을 확인   ③ 목적 또는 용도(표준용,현장용,지시,기록,원격 전송등)을 확인   ④ 측정위치 및 주위조건   ⑤ 측정정도(현장용은 주로  1.0급(±1.0 ％)이상, 표준급은 1.0급 미만      으로 0.5, 0.3, 0.2, 0.1급 등) 확인   ⑥ 측정시간 즉, 공정변수 변화에 따른 계기의 추종, 응답속도 또는 지연      시간등을 확인   ⑦ 측정 범위의 확인      ㉮ 사용 압력이 100 kg/㎠ 이상의 고압인 경우에는 사용 압력의  2배         사용 압력이 100 kg/㎠ 이하인 경우에는 사용압력의 1.5배의 계기를         선택한다.      ㉯ 사용압이 맥동압또는 변동압일때는 2배,정압인 경우는 사용압력의         1.5배의 계기를 선정하여야 한다.     ⑧ 식품공학또는 산소용은 반드시 "USE NO OIL"이 명시된 것을 선택한다.

압력 측정 방법 오찬종/광양제철소

2. 압력 측정 방법

가. 측정 방법 압력계라고 하는 것은 주로  유체 압력을 측정하는 것에  사용되어지는  계기의 총칭으로서 대기의 압력 측정에 사용되는 기압계외에 여러 종류의 압력계 즉, 액체 압력계 탄성 압력계, 분동식 압력계등  특히 고압에 대해서는 기체압력계, 전기저항 압력계등이 있으며, 저압에는 진공계,압력차를 검출하는 차압계, 미압에 대해서는 미압계등이 있다. 그러나 초기 압력계로는 U자관형 압력계(액주형 압력계)가 이용되었으며, 압력의 절대 기준으로는 지금도 사용되고 있는 수은주형이 대부분이었다.     액주형 압력계은 제작상 문제점인 압력의 변화에는 민감하나, 원거리간 전송기구의 부착에 어려움, 측정치의 원격 지시, 전송의 문제, 기계적으로 약하고 취급상 문제로 기계적 기구가 부착된 압력계가 19세기부터 연구되기 시작하여  19세기 중엽 부르돈과 샤퍼에 의해 고안한 압력계는 현재의 압력계 기본형식을 결정한 것이다. 부르돈의 압력계는 금속관굴곡을 이용하였고, 샤퍼의 압력계는 금속박판의 변형을 이용한 것이었다. 최근의 압력계를 크게 구분하면,압력을 측정하는 장치,예를들면 액주형 마노메타, 분동식 압력계, 탄성식 압력계등을 들수 있으며, 또다른 하나는 압력변환기로서 역학적 변환요소로 쓰는 부르돈관, 다이야프램, 벨로우즈 등이 있고, 전기적 변환요소인 스트레인게이지, 전기용량형, 압전형, 인덕턴스형, 전위 차계형 등이 있다.(표참조)

1. 액주식 압력계

가. 측정원리 일반적으로 투명 Glass 관을 이용하여 Glass관 내부 액체를 충진시키고 미지 압력을 가할때 관내부 액의  Level이 변화하고 이 변화된 액의 위치를 측정함으로 압력을 구하는 압력계이다. 임의 관경  Glass관 내부 단면적 상에 임의 높이의 액주가 있다면, 액주 저면에 작용하는 힘은 단면적당 받는 힘(F)에 의해           P = F/A = W/A = mg/A = ρ.V.g/A. = ρ.A.h.g/A = ρ.h.g [Pa] 위식에서 ρ.g가 측정중에 일정하다면  압력 P와  액주 높이 h와는 비례관계를 가지므로 압력은 액주의 높이를 정확히 측정하므로 가능하다. 일반적으로 실용되어 있는 것으로　 U자관형, 단관형, 경사관형이 있다. 구조는 다른 압력계에 비해 간단하고 구조적인 오차 발생적고, 고장이 적으며, 정확성이 높은 장점이 있다. 그러나 온도 영향을 민감하게 받고 액체와 유리관벽의 오염에 따른 오차의 발생, 측정범위의 제약이 있다. 액주형 압력계에 사용할 액체를 선정하고자 할　때，고려 사항은           ① 측정범위와 측정 정밀도에 적합한 밀도를 가지는 액체      ② 점도가 낮고, 유리관에 달라붙지 않는 액체      ③ 증발하기 어려운 액체      ④ 온도 변화에 따른 밀도의 변화가 작은 액체      ⑤ 냄새나 독성이 없고 관을 부식시키지 않는 액체      ⑥ 액면측정이 용이한 액체

표1. 압력계 종류 액주높이를 측정하고자 할때, 액체 물질에 따라 읽는방법이 서로 다르므로  액면을 측정할때 주의를 요한다. 수은은 액면이 위로 볼록하고 물이나 기름은 액면의 경계선이 아래로 오목한 상태가 된다. 따라서  수은을 읽을때는 위를 읽고, 물이나 기름은 아래 오목한 부분을 읽어야 오차를 줄일수 있다.

2. 탄성식 압력계

가. 부르돈관(Bourdon -Tube) 압력계 1) 측정원리 탄성식 압력계는 수압부에  탄성체를 사용해서 측정하고자 하는 압력을 가했을때 가해진 압력에 비례하는 단위 압력당의 변형량을 아는 상태에서,  이에 대응된 변형량만을 측정함으로써 압력을 구하는 방법이다. 탄성변형을 압력계에 이용되는 것으로 부르돈관,다이야프램,벨로우즈등 이 있으며, 이와같은 수압소자를 이용, 압력계 제작시는 압력변화에 따른 극히 미세한 탄성변형을 일반적으로 링크기구,레바,피니언등의 기계적구조로서 확대하여 지시,기록,전송,전기적 변환등을 행하며, 이러한  의미에서 탄성식 압력계는 기계적인 압력계로  2차 압력계이다. 부르돈관은 1852년 프랑스 부르돈에 의해 발명된 것으로 타원형및 평원형을 갖는 튜브를 한쪽에 고정시킨 다음 개방시켜 압력을 가하고,다른쪽은 밀폐자유단으로 하여 압력에 따라 변위를 발생시키도록 한 것이다. 부르돈관의 측정원리는 그림에서와 같이 부르돈관에 압력이 가해지면 부르돈관 단면에 있어서의 가로측  2a는 2a'로서 수축하고, 세로측 2b는 2b'로 팽창하여 즉, 원형에 근사한 변형이 일어나고 이러한 각 단면의 변형 적산치가 길이방향으로 나타나 자유단을 선 팽창시키고 부르돈관이 압력을 가하기 전 권각 θ에서 선팽창은 자유단 중심축 접선 방향과 그 법선 방향 양방향의 벡터의 합으로 압력을 가하면 굴곡변형이 나타난다.  C형 부르돈관은 180∼ 270°의 곡률각을 갖고 있으며, 변형된 것으로  U형 과 J이 있다.나선형(Spiral type)은 보통 4∼8회 감은 것으로 곡률반경은 감은수에 따라 증가하며, 관의 중심선은 한 평면상에 있고 관끝의 이동을 크게한 것이다. 헬리칼형(Helical Type)은 C형을 여러번 감은 것으로 보통

1800∼3600°의 전체각을 갖고 있고, 변형 형상은 C형과 비슷하며  관끝의 이동은  C형보다 크게 나타난다. 헬리칼형의  중심선은  한 평면상에 있지 않지만 곡률반경은 일정하다. 비틀림형은 부르돈관을 길이방향으로 비틀은 것으로 비틀린 회수는 2∼ 6회이며, 관의 중심선은 길이방향으로 직선이다. 압력에 따른 부르돈관 운동의  정확한 해석은 매우 복잡하며, 현재까지 완전한 이론식은 확립되어 있지 않다. 그러나 다음과 같은 실험식을 이용하여 사용하고 있다.     θ = 압력을 가하기 전의 전체각도     Ε = 재질의 영율     Δa = 변형된 각도     P = 관 안 밖의 압력차 (단위: Psi)     2a,2b = 관의 장축 및 단축(단위; inch)     t = 관의 두께, R = 관의 곡률 반경을 나타낸다.

2) 압력계 원리 부르돈관의 측정원리는 Linearity Link와  Span Link에서  확대된 변위 즉, 압력계  Link 구조의 선형 변위가  Sector 와 Pinion이 동축으로 연결된 지점의 위치를 변위시켜 눈금판 상에 그 지시치를 판독함으로써, Inlet hole에 가해진 미지의 압력을 구하게 되는 것이다.  Hair spring은  압력 소거시 지침이 zero 위치로의 복원을 위한 복원력을 주고 있다. 헬리칼형 부르돈관은 끝　단에 거울이 부착되어 있어 압력을 받은 관이 θ 각도만큼 돌아가면 미세전류가 0이 될때까지 광 센서가 움직이고, 이때의량은 기어를 통하여 카운터에서 측정된다. 부르돈관은  저압보다는 고압용 압력계 제작에 사용되며, 장단점 비교는 다음과 같다.

3) 부르돈관의 구조 부르돈관의  단면형상은 여러　가지가 고안되어 지고 있다. 아래 그림의  (a) ∼ (d)형은 　저압(30 kgｆ/㎠) 또는  중압(200 ∼300 kgｆ/㎠)용 이고,  (e)∼(g)형은 　고압(500 kgｆ/㎠)용으로 사용되어 지며, 실제로 사용되고 있는 평원형 부르돈관의 단면크기 및 두께에 따른 측정범위는 관　단면적과 측정범위는 비례관계를 가진다..

나. 다이아프램 (Diaphragm) 압력계 1) 측정원리 다이야프램 압력계는 고정시킨 환산형 주위단과 동일 평면을 이루고 있는  얇은 막의 형태(평판형,파형, Capsule형)로서, 가해진 미소 압력의 변화에도 대응된 수직방향으로 팽창 수축하는 압력 소자이다. 또한 그 압체를 분리하는 역할 및 가압체를 용기로 부터의 외부로 밀봉시켜 주는 역할을 행한다. Diaphragm은 자신의 압력 변형특성을 이용하는 금속 다이야프램과 스프링 같은 탄성요소에 의해 지지되는 비금속 다이야프램으로 크게 구분한다, 아래 그림과 같이 용도에 따른 다야프램의 종류를 나타낸 것이다. 평판형은  비교적 저압용으로 사용되며  다이야프램의 강도를 높이기  위하여 동심원  물결모양을 만든다. 이 물결모양 무늬는 유압이나 기계적인 압축으로 성형시킨다. 강도는 물결 무늬의 수를 증가시키고 깊이를 감소 시킴으로서 높일 수 있다. 압력을 받았을때  다이야프램의  변형은  다이야프램의 직경,두께,물결무늬의 형태와 수, 재질의  탄성 계수등에 의해 달라진다. 변형에 대하여 이론적으로 확실하게 정립된 것은 없고, 다음은 Capsule형의 실험에서 결정되어진  식이다. 여기서  Δd 는 다이야프램 중심에서  변형, κ는 Capsule 상수, Ν은  Capsule의 수, Ρ는 Capsule에 가한 압력, Ρ0는 처음 압력 , D는 다이야프램의 실제 직경, t는  다이야프램 두께이다. 위의 식에서 다이야프램의 직경을 2배로 하면 변형은  16배로 증가됨을 알 수 있다.

2) Diaphragm 종류 및 응용

가) 비금속 Diaphragm 응용 이상적인 비금속 Diaphragm 은 두께가  Zero이면서 다만 형상이 있는 막 으로서, 유한의 인장강성은 존재하며,전단감성 및 굴곡성은 Zero인 것이다 실제 사용시는 얇은 고무판상으로 사용하거나 그 표면에 포를 입혀서 사용하며, 이때의 기포는 가압시 강도를 고무는 기밀을 유지하는 역할을 한다. Diaphragm에 압력이 가해지면 Disc는 금속판이므로 그 면적에 작용된 압력은 곧 힘으로 나타나고 고무막 부분에서는 팽창구를 형성하게 되며,이때 형성된 구로 인해 나타나는 힘은 구부를 중심으로부터 임의각 θ만큼 떨어진 미소부분 dθ를 취했을때, dθ 1계의 응력 σ,구부 팽창각을 φ라고 하면 수직 방향으로 나타나는 미소 힘의 원주방향으로 적산치가 발생된 힘이된다. 즉 힘 F는 다음과 같이 구해지며, 사용하는 Diapragm의 두께는 0.2∼0.3 mm 전후의 발신기용으로 부터,　3∼4 mm 전후의 Control Valve용 까지 이용된다. 나) 금속 Diaprhagm 금속 Diaphragm 이 기본적 성분은 비금속 Diaphragm에 비해 유한의 인장강성을 갖음과 동시에 전단성과 굴곡성을 인정하고 있는점이 다르다. 금속  Diaphragm의 형상은 여러 가지가 있으며, 보강판부  Diaphragm 의 개략적  유효면적  Ae는 e = ? (D2 + Dd + d2)/ 12 이고, d/D는 일반적으로 ≒0.7  정도이다.

2중  Diaphragm은 금속  Diaphragm으로서 대표적인 차압　전송기의 수압 소자이다. 내부 구조는 원형 파상관 2매를 고주파 가열 또는 아크 용접시켜 기밀시킨 것으로 외경이 30∼50 mm, 판두께 0.1∼0.2 mm 정도이다. 감도를 높이기 위하여 두께를　 얇게하고 면적을 증대시키는 반면 그 만큼 압력에 따른 파손　및 왜곡이 쉽게되는 이유로, Diaphragm 과 특성이 동일한 특성을 갖는 변형　정지판을 설치하여 변형정지판 사이공간에 Silicon oil을 충진시킨다. Silicon Oil의 역할은       ① 비압축성이므로 압력전달 지연을 적게한다.    ② 고주파 잡음에 대한 완충역할을 한다.    ③ 순간과대 차압또는 압력발생시 고점성이므로 고압측에서 저압측으로       세공을 통한 Oil 이동시 시간지연을 줌으로서 파손을 방지한다.    ④ 열팽창계수가 작으므로 온도에 의한  팽창오차를 감소시켜 준다

다)격막식 압력계 특수화학적, 물리적 성질을 갖는 측정유체가 직접 부르돈관 내부에 가해 졌을때 부식등 부르돈관에 손상이 발생하는 경우 격막식을 사용한다. 격막식 Diaphragm의 사용이 필요한 유체로는 ①부식성이 강한 유체 ②고온도의 유체 ③고점도의 유체  ④고형 부유물 포함된 유체  ⑤응고하기 쉬운 유체이다. 격막식 압력계는 건식과 습식으로 분류하고, 건식은 격막으로 부터 지시부까지 기계적인  Link 기구를 이용 사용압력 변화에 따른  Diaphragm의 변위를 확대 지시하는 형이고, 습식은  Diaphragm의  압력 변화에 따르는 변위를 비압축성 액체로 전달, 부르돈  Tube에서 지시하도록한 형이다. 또한 건식 수압소자는 2중 Diaphragm을 사용하기도 한다. 습식에 있어서 사용봉입액 종류로는 물, 크리세린,에틸렌 크리세린,케로신 실리콘 오일,수은, 다이후로 오일등이다. 봉입액의 낙차는 격막부와 부르돈관과의 사이 수직 높이차와 봉입액밀도와의 곱으로써 이때 낙차값은 가하는 압력에 관계없이 Zero점 교정을 행하면 된다.   P' - P"  =  h . ρ

3) Diaphragm 압력계의 장,단점

가) 장점      ① 수압면적이 커서 감도가 높고 저압측정이 용이하다.      ② 가압구의 크기조정이 용이하고 점도가 높은 액체 및 고형물질을 함유한          압력측정에 적당하다.      ③ 막의 형태이므로 비금속 재질에 있어서는 내식성 재질선택이 용이하고,          금속재질에 있어서는 코팅등 내식표면처리가 가능하다.      ④ 막의 고유진동수가 높으므로 응답이 신속하다.      ⑤ 서로다른 액체사이 격막 역할을 행함과 동시에 소자로서 역할가능      ⑥ 전기적 변환부를 사용 변위 변환을 전기적 출력으로 얻는다.    나) 단점      ① 다른 탄성소자에 비해 변위가 작아 확대기구가 필요하다.      ② 다른 탄성소자에 비해 히스테리시스, Creep 현상이 크다.

다. 벨로우즈식 압력계

1) 측정원리 벨로우즈(Bellows)는 그 외주에 주름상자형의 주름을 갖고있는 금속박판 원통상으로 그 내부 또는  외부에 압력을 받으면 중심축 방향으로 팽창 및 수축을 일으키는 압력계의 일종이다. 벨로우즈는 압력에 따른  길이의 변화가  부르돈관이나 다이야프램 보다 커서 보통 저압측정에 많이 사용된다. 벨로우즈의 사용한도는 내압에 의해서 결정되며, 내압증가를 위해 벨로우즈의 벽 두께를 증가 하여야 하나,이것은  강성도의 증가를 가져와 선형도가 나빠지므로 보통 10 kg/㎠가 한도이다. 그러나 선형도가 문제가 되지 않는 경우에는 내압을 200 kg/㎠ 까지도 사용가능하다. 벨로우즈의 재질로는  황동,인청동,베릴륨동,스테인레스 스틸,모넬,니켈 등이 있으나, 황동이 가장 많이 쓰이는 재질이며, 인청동은 양호한 기계적 특성이 요구될때 사용한다. 부식성 유체를 사용할 때에는 모넬(Monel)이나 Silver를 사용한다. 벨로우즈는 주름,깊이,끝모양이 서로 다른 다양한 종류가 있으며, S형과 C형은 주로 고압에 사용하고, U형은 저압에 쓰인다. 벨로우즈의 내경과 외경의 비는 1.3 ∼1.5 정도이나, 1.6 ∼ 1.9 정도의 깊은 주름도 있다. 벨로우즈의 유효단면적 Ae는 벨로우즈에 압력을 가했을때 발생하는 힘을 그때 압력으로 나눈것으로 정의되는데, 여러 가지 이론식이 있지만 다음의 식을 사용해도 된다.    a : 벨로우즈의 외측 반지름    b : 내측 반지름    c : a/b    L : 벨로우즈 전장

벨로우즈의 선형성을 증가하기 위해서 스프링과 결합하여 제작한다.이때  벨로우즈의 변위 d는 다음식으로 구한다. 벨로우즈 압력계 압력 측정범위 사양은 0.05 kg/㎠ 까지 이며,미소 압력 차압,절대 압력등의 측정 및 지시용 공기식 회로의 요소에 사용되고 있다. 그밖에 벨로우즈중 온도보상형 벨로우즈 차압계는 높은 정압하에서 미세한 압력차를 측정하도록 설게된 것도 공업용으로 사용되고 있다.

3. 전기식 압력계

가. 스트레인 게이지(Strain Gauge) 압력센서 1) 개요 스트레인게이지는 1856년 Load kelvin에 의해 발견된 것으로 압력측정에 이용되는 변환기는 접착형, 비접착형으로 두가지가 있으며, 그 원리는  동일하다. 즉,도선이 탄성적으로 늘어나면 그 길이와 직경이 변하여 도선 전체의 전기저항이 변화하는데, 스트레인 게이지는 이 원리를 이용한다. 따라서 다이야프램, 벨로우즈,부르돈관 같은 길이 변환장치와 스트레인 게이지를 결합하면 압력을 전기적인 신호로 감지할 수 있어  아래와 같은 특징이 있다     ① 검출단,변환기,지시,기록계등과 측정장치와 분리     ② 원격측정이 가능하다.     ③ 정도 신뢰성이 양호     ④ 소형이며, 응답성이 빠르다.     ⑤ 출력치의 연산이 가능하다. 아래 그림은 다야프램에 많이 사용되는 스트레인 게이지이다. 그 밖에도 형태에 따라 스트레인 게이지를 가로 및 세로로 교차시켜 측정하는 다축 저항선 게이지와 반도체형에 많이 사용되며, 두께가 얇은 박형 게이지도 있다. 2) 반도체 스트레인게이지 가) 개요 반도체 스트레인 게이지는 반도체 단결정으로 부터 일반적인 다이야몬드 절단 또는 초음파 절단을 통해,축 길이 1.2∼12 mm, 폭 0.1∼0.125 mm, 두께 0.01∼0.0125 mm의 광축에 대해서 절출시킨 것인다. 즉,게루마늄 및 실리콘 반도체에 존재하는 피에조저항효과를 이용한 벌크 게이지와 실리콘을 적당한 내열성의 베이스 상에 박막상으로 진공 증착시켜 사용하는 2종류가있다. 일반적으로 사용하는 벌크게이지는 현재 IC 제조방법의 진보에 따라 그것과 동일한 방법으로 제조되는 것이며, 열확산에 의한 것임으로 확산형이라고 칭한다. 이와 같은 반도체형 스트레인게이지는 저항선을 이용한 스트레인 게이지와 비교할때, 장단점 보면은 장점으로는 게이지율이 50∼70배 정도 높다.  또한 게이지율을　 ±값으로 얻을　수 있다. 단점으로는 저항 온도계수가 크고, 변형의 폭이 좁으며, 작은 반경의 곡면에 접착시키기가 곤란하다. 반도체형 스트레인게이지는 용도에 따라 두가지로 분류한다.   ① 측정하려는 장소에 게이지를 부착시켜 그 장소의 외력에 의해 발생하는      변위를 측정, 그것에 가해진 응력,변형등을 알기 위한 수단으로 사용하      는것. 예를들어 중량의 구조물, 기계등의 응력또는 강도를 측정,안정성      및 경제성을 고려한 설계시   ② 기지의 정해진 치수 재료에 부착시켜 힘,하중,압력,가속도,변위　등의      물리량을 측정하는 검출단으로서 응용 스트레인게이지 종류별 특성

나. 정전 용량형 압력센서 정전용량형 압력센서는 정압이나 동압 측정에 널리 쓰이며 크게  두가지 형식이 있다. 평판 용량형에 의한 압력검출은 주로 다이야프램이 이용되며 이는 또한 캐폐시티의 한쪽 전극으로도 사용된다. 다야프램이 압력을 받으면, 이에 상응하는 위치의 변화가 일어나며, 이로 인해 전기용량의 변화가 생기게 된다. 변환기 자체의 가격은 싸며, 만들기 쉽고 유지가 편리한 장점이  있지만 이의 출력값을 받아 　전기적인 신호로 바꾸어 주는 신호　변환기는 비교적 고가이다. 용량향 변환기로 측정 가능한 변위는 2.5 x 10-6 cm 이다. 평판 캐페시티는 그림에서 보는것과 같이 쌍곡선으로 나타난다. 그러나 평판 사이의 간격보다　 사용변위를 　작게하고 적당한 두께의 유전체를 삽입하면 거의　직선에 가까운 식을 얻을 수 있다. 또한 유전체의 삽입은 유전상수를 변화시킴으로  변환기 감도를 증가 시킬 수 있다. 실제 운모의 경우는 공기보다 7배 큰 유전상수를 가지고 있다 두 평판 사이의 전기용량은 다음식으로 주어진다.

정전 용량형 압력센서를 사용한 예를 보면은  현장에서 압력 또는  유량검출을 위한 차압측정용으로 많이 사용되는 측정소자를 보면은 2개의 양측 금속다이야프램은 본체 중심부를 관통한 연결축에 연결되어 있고, 그 연결축 중앙부에는 원판상 금속판인 가동전극이 있으며, 이 가동전극 양쪽에는 세라믹 소제의 고정전극이 있어 양 전극 사이의 정전용량을 발생하고있다. 압력이 다이야프램에 가해지면 양측 압력차에 의해서 이동 전극이  좌로 이동, 양측 고정전극의 좌측 용량은 증가, 우측은 감소됨으로서 이것을 측정하면은 차압 또는 압력이 구해지는 것이다    ① 출력비  ΔC/C가 큰 것으로써  감압 다이야프램과 고정전극의 간격은       0.15mm, 전극용량은 120 PF 정도이다.    ② 측정범위가 진공압부터  500 kg/㎠ 정도로 광범위하고 사용차압 범위       내에서  다이야프램 변위는  0.1 ∼ 0.02 mm 정도이다.    ③ Capsule 내부 고정전극, 가변전극은 평판구조이므로 비직선성 요소가      없고, 따라서 직선화 보정이  필요 없다.   ④ 고신뢰성,고내구성을 갖고 있으며, Diaphragm 중심부는 온도보상을 한      설계로 온도변화에 의한  Zero점 이동을 방지한다   ⑤ 방폭구조는 일반용, 본질 방폭용, 내압 방폭용이 있다.

다. 압전식 압력 센서  1) 압전효과 개요 수정및 롯셀염등의 결정체는 특정한 방향으로 압력을 받게되면 자체내에 전압이 유기되는 성질을 갖고 있으며. 이와 같이 전압이 유기되는 현상을 압전효과라 한다. 이런 현상의 역상태로 결정체에 전압을 가하면  결정이 신축 기계적인 변형을 이르키는데 이는 압전효과의 반대현상으로  역압전 이라 하고  일반적으로 양 효과를 총칭해서 압전효과라 하고 있다. 압전형 압력 센서는 이러한 압전 효과를 이용하여 입력 압력에  대응된 전기적 출력을 얻을 수 있도록 설계된 것으로,압전체들은 외부의 여기전원없이 사용되기도 하나 이 경우에는 출력신호가 작기 때문에 증폭이 필수적이며  대부분 경우에는 외부전원과 연결하거나 또는 병렬로 압전체를 여러 개 연결하여 이용하고 있다. 측정매질에 따라 결정되는 일정한 주파수에서 압전체들을 동작시켜 압력을 측정할 수 있는 출력은  발생전하인  Q인자에 따라 달라진다. Q 인자는 결정체에 평균적으로 저장되는 에너지의 싸이클당 발산되는 에너지의 비로서 정의되며, 이 값은 결정체의 종류 및 부하 조건에 따라 변한다. 따라서 높은 감도를 갖기 위해서는 내부마찰에 의한 에너지손실이 가장 작은 결정체를 사용하는 것이 필요하다, 실험치에 의하면 수정은 고주파용으로 적합하며 적당한 처리를 하면 진공에서  Q값이 500,000 정도가 된다.

2) 압전형 압력센서의 응용 수정 및 압력 세라믹에 전극을 부착하고 기계적인 압력을 가해서 변형을 일으키면 결정의 표면에 전하가 발생 하는 것이 압전효과이고,역으로 결정체에 전하를 주면 결정이 신축해서 기계적인 변형을 일으키는 것이 역압전 효과이고, 또한 역압전효과와 유사하면서도 가해진 전계의 2승에 비례하는 2차의 효과로서, 변형이 강유전체에서 발생하는 현상을 전왜효과라 한다. 실측시 종래의 계측 방법으로는  전극간의 발생전하를 정확히  측정하기 위해서는 압전체와의 임피던스 매칭에 따라 입력 임피던스가 높은 증폭기를 사용해야 했고,이에 따라 완만한 변동 압력측정은 곤란한 문제가 있어 이를 개선하는 방법으로 발진자로 부터  교번 전압을 압전 세라믹 소자에 가하면 소자는 그 전압의 극성에 따라서 신축운동을 반복한다. 이때 가해진 교번전압의 주파수는 물체가 갖고 있는 고유진동수에 일치하면, 소자는 공진함으로 소자에 흐르는 전류는 급격히 최대를 이루는 것이다. 즉, 외부 영향인 힘,압력에 따라서 가장 민감한 반을을 일으키는 상태에 이르게 되고, 외부로 부터 소자를 신장 및 압축시키는 방향의 압력을 가해 그 크기에 비례하여 출력전압이 증감하므로 이것을 이용하여 특정 압력을 구하게 되는 것이다. 응용되는 것으로서 압력 변환기와 디지탈 압력 측정 센서가 있다. 압력 변환기는 그림에서와 같이 압전소자 크기가 측정압력과 비례되며 출력전압 또한  커짐을 알　수 있다.   압력센서의 중추는 복합음차 진동차로서 압력 접속구를 통해 압력이 가해 지면, 복합 음차 진동자가 일정한 상태로 진동하고 있는 상태에서 내부의 다이야프램 유효면적과 작용힘이 축방향으로 발생，진동수가 변화하게된다．

이때 고유　진동자 변화는 곧 압력에 비례하는 것으로  압력을 주파수의  변화로 측정하는 것이 된다. 압력 변화에 따른 주파수 f는   이다. 압력범위에 따른  Diaphragm의 면적과의 관계는 아래 그림과 같다.

디지탈 압력측정용 압전소자 특징으로서는    ① 고정도로서 ± 0.2  ∼ 0.05 ％ 정도이다.    ② 고분해능으로 0.0005 ％ 정도이다.

유량 개요에 대하여 오찬종/광양제철소

1. 유량의 개념

가. 유량의 개요 유량(Flow rate)이라 함은 유체의 흐름중 일정 면적의 단면을 통과하는 유체의 체적,질량 또는 중량을 시간에 대한 비율로 표현한 것을 유량이라 칭하며 각각 유체의 체적을 시간에 대한 비율로 표시한 유량을 체적 유량 (용적유량), 유체의 질량을 시간에 대한 비율로 표시한 질량유량, 유체를 일정시간 동안 흐르는 량을 표시한 유량을 적산유량이라 칭한다.      ① 체적유량 : Q =  A.v [㎥/s]      ② 질량유량 : M =  Q.ρ =  A.v.ρ [kg/s]      ③ 중량유량 : W =  Q.ρ.g =  A.v.ρ.g [N/s]      ④ 적산유량 : G = ∫Q.ρ = ∫A.v.ρ [㎥,kg]        A : 단면적     v : 속도     ρ = 밀도 측정 대상인 유체의 분류는 기체,액체,증기,혼합 기체등으로 일반적으로  분류하고 흐름 상태에 따라  층류,난류,맥동류등으로, 온도에 따라서 고 온도로부터 극저온, 압력에 따라서 고압력으로 부터 저압력, 점도에 따라 고점도로 부터 저점도, 량에 따라서 대유량으로 부터 극소유량 유체등으로 다양하게 분류한다. 유량측정은 관로의 상태에 따라 개수로,폐수로(관로) 유량측정으로 크게 나누고, 측정방법에 따라 임의 시간당 흐르는 체적량을 계량하는 직접법과 임의 단면적을 통과하는 유량과의 상관 관계를 이용하여 유속, 전기적인량 등의 변화를 검출, 유량을 측정하는 방식인 간접방식으로 분류한다. 나. 관로내 유체의 흐름 1) 층류와 난류 관로내 흐름에는 층류와 난류가 있고, 층류는 유체가  관로내를 흐를때 층을 유지한채 흐르는 상태를 말하며, 보통 유량이 적은 경우에 나타나는 현상이고,난류는 흐름중 와 등을 발생시키는 흐름으로 유량이 크거나 압력 강하가 적은 경우에 나타난다. 관로중의 일정구간에서  2점의 압력 취출공으로부터 취출된 압력 강하와 유량과의 특성관계을 보면은 압력강하와 유량과 비례하는 범위에서의 흐름을 층류라하고, 유량의 2승에 비례하는 유량이 큰 범위에서의 흐름을 난류라 한다.

실제로 원통형 관내의 유속분포를 측정하여 보면은 점도가 높은 경우 관 벽과 유체의 마찰력은 크게 작용함으로 유속분포는 변화한다. 유속이 느릴 때는 점도가 낮은 유체가 흐르는 것과 같은 유속분포를 가진다. 즉, 관로내의 흐름이 층류일때는 관의 단면에서 본 유속은 거의같은 유속분포가 된다. 즉,유체의 흐름이 층류로부터 난류로 되는 것은 유량의 크기에 의하나 그것은 유체의 점성의 크기에 좌우됨을 알수 있다. 유량의 어떤값을 초과하고, 층류가 난류로 변화되는 한계의 값은 유체의 밀도,점도,관로 내경에 의해서 달라지게 된다. 즉 관로내 흐름상태를 수치로 표현한 것이 레이놀즈수이며, 층류 난류로 구분하는 경계치는 2320이다.         ReD  =  2) 유속분포와 평균유속  유체는 점성이 있으므로 관로내 흐르는 유체중 관로벽과 마찰하며  흐르는 유체는 관벽과의 점성에 의해 유속이 늦어지고 관로의 중심으로 갈수록 유속이 증가하여 관 중심에서는 최대가 되는 것으로 관로내의 유체의 유속은 동일하며,관로 단면상에 있어서도 위치에 따라 달라진다. 원형 단면을 갖는 관로내의 유속분포는 관내의 유속 분포 그림과 같다. 또한 층류에서는 레이놀즈수가 변화해도 유속분포는 항상 일정하나 난류에서는 레이놀즈수에 따라 유속 분포는 변한다. 주의할 점은 층류나  난류도 앞서 설명한 대로 되는 것은 아니다. 그렇게 되는 조건은 직관부를 흐르는 경우로서, 만일 곡관이나  유속이 빠른 난류에서는 그와 같은 법칙이 성립되지 않으므로 충분한 직관부를 통한 흐름이 요구되는 것이다. 유속 변화의 영향을 받는 유량계에서는  유량계의 전후단에 대해 적당한 길이의 직관부를 필요로 하게 된다.   3) 레이놀즈수 기하학적으로 상이한  몇 개의 물체가 있을때  그 주위의 유체 흐름의 역학적 모양을 비교하는 경우등에 표시되는 중요한 무차원의 수로서 각각의 물체에 있어서 계산된 레이놀즈수가 같을때 그때의 유체의 흐름은 역학적으로 같게 된다. 레이놀즈수를 구하는 방식은 산출 방법에 따라 여러가지가 있다.   가) 유로의 흐름중에 있는 임의 물체의 대표적인 길이를  L 이라 하고, 유체의        유속(관벽으로 부터 충분히 떨어진 위치에 있는 유속)을  v,            유체의 η,밀도는ρ,동점도를 ν라 하면 레이놀즈수 Rd는 다음과 같다

나) 관로내의 흐름 등을 비교하는 경우에 대표적인 길이로서 관로의 직경 (D)또는        관로 반경(R)을 이용하고, 유체의 평균유속을  v로 했을때,        관로의 직경을 이용시와 레이놀즈수  RD와 반경을 이용했을때,        레이놀즈수  RR 은 아래와 같고  RD = 2RR 이다,

다) 관로내 차압식 유량 검출소자가 부착되어 있는 경우에 대표적인 길이로서         조리개의 직경  d를 이용하고, 조리개 부분의 유체 평균 유속을  v로 했을 때         오리피스가 취부되어 있는 레이놀즈수 ReD 는 다음과 같은 식으로 된다.

라) 관로내 관로의 직경(D)를 대표적인 길이로 하고,평균유속 대신 체적 유량            Q와의 관계로 부터 구해지는 레이놀즈수  ReD 는                                   을  나)에서의  결과식에 대입하고, RD를  ReD로 바꾸면  다음과 같다.

2. 유량계 설치 전통적인 유량측정 방법은  유동 상태의 유체와 유동장내에 설치한 기계장치가 상호 작용할때 발생하는 유체 역학적 현상을 관찰하는 것으로 이때 기계장치를 유량계 1차기구라 하며, 1차 기구에서 발생한 유량신호를 감지처리하여 지시하는 부분을 유량계  2차기구라 한다. 대표적인 기계식 유량계중 한 종류인  차압식 유량계는 유체가 파이브에 설치한 조임부를 통과할때 발생하는 차압을 측정하여 통과유량을 결정하고 터빈미터는 유동장내 설치한 임펄러가 유체의 운동에너지 때문에 회전할때  그 회전수를 측정하여 유량을 결정한다. 반면, 최근 개발된 유량계중에는 초음파 빔이 유동장 내부의 미세불순물 입자 혹은 난류와 작용할때 발생하는 주파수 변조신호를 분석하거나 초음파 빔의 통과시간 혹은 도플러 효과정도를 측정하여 평균유속을 결정하는 것들이 있다. 따라서 어떠한 방법에 의하여 유량을 측정하거나 측정결과는 유량계의 물성이나 유동 안정도, 유동속도 분포등 유동특성 영향을 피할수는 없다. 유동특성 변화 때문에 혹은 신호 전달과정에서 발생가능한 오차 요인을 제어하여 유량측정 정확도를 향상시키기 위해 오랜기간 동안에 거쳐 상당한 실험 데이타가 축적된 오리피스, 벤츄리, 노즐과 같은 차압식 유량계의 경우에는 유량계 제작사양은 물론 유량계 설치 방법과 신호 감지 및 전달 방법, 그리고 이상적인 유동조건을 확보하는데 필요한 각종 조치사항을 표준화한 규격이 마련되어 있다.

가. 설치기준 1) 기준배관    유량계가 설치되는 기준 배관은 유동특성에 영향을 미쳐  유량측정 오차 유발이    원인이 되므로  ISO 5167에는 다음과 같은 사항들이  필요조건으로 정해져 있다.  ① 직진도와 진원도에 관한 파이프 육안검사   - 파이프 내부표면 육안검사시 내부 녹이 슬어 있지 않고, 퇴적물이 없을것   - 유량검출기 설치시 전단으로 10 D, 후단으로 5 D 이상 직관부 확보   - 육안으로 판단할때 직관이어야 하고, 진원이어야 함   ② 파이프 내부표면의 상태조도에 관한 기준      (ISO 5167 :유량계 상류측 , 2D 이내에서 K/D ≤ 10-3 )   ③ 평균 파이프 직경 D측정 방법   ④ 유량계 1차기구 상류측의 특정 파이프 부분 진원도   ⑤ 상류측 배관 접합부에서의 최대 허용 단층 높이  2) 압력측정 취출구 정압을 측정하기 위한 위치와 크기는 ISO 규격에 따르고,두개의 압력측정 구멍의 직경은 같아야 하고, 구멍끝 표면은 매끄러워야 한다.    다음의 표는  AGA 규격에 의한 압력측정용 구멍 크기이다.    AGA 압력측정 구멍크기에 대한 규격 (단위:인치)

3) 스트레이트너(정류장치) 유량계를 설치할 때 소용돌이를 제거하거나  완전히 발달한 이상적 유속 분포를 재생할 수 있는 충분한 직관부를 둘 수 없는 경우에  스트레이트너를 부착하게 된다. 수직으로 2개의 엘보우가 연결되었고,  2번째 엘보우로부터 1.5 D에 스트레이트너가 부착된 경우 스트레이트너로 부터 1 D와 7.5 D 떨어진 곳에서 속도분포와 소용돌이가 형성된다. 4개의 작은관으로 구성된 스트레이트너를 사용했을때 소용돌이는 효과적으로 제거 될 수는 있으나, 속도 분포는 대칭이  아니었으며, Zanker 혹은 Mitsubishi의 스트레이트너를 사용했을때 소용돌이 제거가 잘 되었을뿐만 아니라 속도분포도 거의 대칭이었다. 현장에서는 값이 싸고 제작하기 쉽고 보수가 간단한  AGA-ASME 관 다발스트레이트너가 많이 사용된다. 작은관 수는 규정되어 있지 않지만 일반적으로 4개의 관만으로 소용돌이와 2차유동을 많이 제한시킬 수 있지만 변형까지 교정하고자 할 경우에는 19개 이상의 작은관을 사용해야 한다. 소용돌이제거용 스트레이트너는 압력손실은 작지만 압력손실이 큰스트레이트너 보다 더 긴 직관부가 필요하다. 압력손실 H는 아래와 같다.

나. 유량계 설치공사 1) 설치전 관내경 측정 오리피스의 상하류에 접속되는 관내경을 정밀히 공사전 측정하고, 기록한다. 또 직관부길이를 개략적으로 측정해서 기록유지하며, 만일 이 경우 관의 내경이 설계치와  5 ％이상 틀릴 경우에는 공사를 중단하고, 정확한 관경의 관과 교환후 설치공사를 실시한다. 관의 내면이 미끄럽지않는 경우에는 샌드페이퍼등으로 제거하거나 닦아내고, 관 내경은 오리피스 부근과 내경의 2배거리가 되는 위치에서 각 2회 (직각으로 방향을 변경해서)측정하고 최대와 최소와의 차가 내경의 0.5 ％를 넘는 경우는 더 원형에 가까운 관과 교환한다.

2) 탭 및 플랜지 설치 오리피스의 상류측면을 기준으로 해서  가스켓,오리피스의  두께를 생각하여 탭의 위치를 정한다. 용접방법으로는 아답터를 용접한후 1/2B의 도압니플을 넣어 작업한다.    플랜지 설치는 나사형 용접, 소켓형 및 슬립온형이 있다. 소켓형과 슬립온형은 용접형의 일종이지만 관에다 넣어넣고 용접하므로서 중심에서 벗어날 염려가 없으므로 작업이 편리하다. 특히 슬립온형은 관경 오차가 조금 있어도 설치 하는데는 영향이 없기 때문에 널리 사용되고 있다.

온도개념 단위 오찬종/광양제철소

1. 온도의 개념과 단위

가.온도의 개념 우리들의 신체의 일부가 물체에 접촉하면 덥고 차가운 감각을 느끼게 되는데, 이때 덥고차가운 정도를 나타낸 척도가 온도이고, 그 수치를 물리적으로 측정하기 위하여 물체에 접촉시키는 계기가 온도계이다. 이는 물체의 온도 측정에 사용되는 열평형의 원리를 이용하고 있는 것이다. 온도가 다른 금속 A와 금속 B를 서로 접촉시키면, 열은 고온측에서 저온측으로 이동하여 어느 시간 후에는 동일한 온도로 열평형에 이르게 된다.  이와같이 온도는 공업계측량 중에서도 측정의 비율이 45 ％로 가장 많고,유량이 약 20 % 압력이 10 % 정도 분포를 이루고 있다. 이와 같은 온도는 직관적으로 잘 알 수 있지만, 량으로써 사용 하려면 어렵게 된다. 예를 들면 체온이 36 ℃이다. 라는 것은 직감적으로 누구나 판단할 수 있지만 사람이 10명 모여도 온도는 360 ℃로는 되지 않는다. 또,목욕탕의 온도는 40 ℃ 이고,단팥죽을 먹을때는 80℃이지만, 80 ℃는 40 ℃의 2배라고 하지 않는다. 일상 생활에서 습관화되어 친숙한 온도계로는 GLASS 온도계인 수은온도계나 알콜온도계이다. 이러한 온도계는 상온 부근에서는 사용 방법이 간단하고, 공업용 온도계에 비해 정확도도 어느 정도 보증되어 있고, 온도치를 읽는 것이 편리하다. 공업용 온도계로써는 GLASS 온도계도 이용되지만, 공업 PROCESS 에서의 측정대상들의 온도범위가 -200 ℃에서 2000 ℃까지 되고, 측정시 압력, 분위기등의 조건이 다양하므로 여기에 대응하기 위한 다양한 온도계가 요구된다.  온도 공업량 계측에 이용되는 각종 온도계 특징과 사용상 주의를 하지 않으면 오차가발생되는 요인을 다음의 표에 표시했다. 나. 온도 단위 온도계를 이용하여 열평형된 상태를 온도계를 이용하여 나타내는 방법으로는 그 영도의위치와 눈금 간격을 정하기 위한 온도 정점을 사용하여 표시하며, 1990년 국제 도량형 총회에서 결정 된것으로, 온도를 표현하는 눈금에는 열역학적인 온도눈금(열역학적 캘빈온도,열역학적 셀시우스온도)와 실용온도 눈금 (캘빈온도, 셀시우스 온도)이 있다.

1) 열역학적 온도눈금 에너지를 어느상태로 부터 다른 상태로 전환, 이들 사이에는 에너지 보존 법칙이 성립된다, 즉, "일과 열은 에너지의 형태로서 일을 열로 변환시키는 것이나 열을 일로 변환시키는 것이 가능하다" 는 열역학 제1법칙에 의해 열과 일은 에너지 형태로서 같다. 열기관이나 냉동기 및 공기 압축기 등의 기계에서 동작 물질이 어느 상태로 부터 변화가 시작되어 도중에 여러가지 상태변화를 하면서 처음의 상태로 되돌아오는 연속적인 상태를 사이클(Cycle)이라고 하며, 사이클의 상태 변화의 방향을 반대로 한 것을 역사이클 이다. 따라서 열역학 제1법칙은 단순히 일과 열의 변환만을 양적 변화 관계로 밝힌것으로, 예를 들어 온도가 다른 두 물체를 접촉시키면 열은 반드시 고온의 물체로 부터 저온의 물체 쪽으로 이동후에 온도차가 생기지 않으면, 열의 흐름은 정지되고 결코 저온의 물체로부터 고온의 물체로 열의 이동은 없다.  또 다른 하나의 예로서, 컵속의 물에 잉크 한 방울 떨어뜨리면 장시간후 잉크는 컵속에 확산되어 마침내 균일한 농도의 색으로 된다. 이와같은 현상은 서로 다른 액체 또는 기체의 혼합에서 볼수 있는 확산이며, 확산된 2종의 물질을 하나로 다시 분리할 수는 없다. 따라서 열로 부터 일로의 에너지 변환,마찰에 의한 열의 발생, 열의 전도, 확산등을 포함하는 상태변화는 비가역 변화이다. 그러므로 열역학 제1법칙 만으로는 자연적인 열의 이동을 설명 할 수 없고 상태 변화의방향성을 나타낼 수 있는 별도의 법칙이 필요한데, 이 법칙이 열역학 제2법칙이다.

열역학 제2 법칙을 표현 하는데는 Kelvin -Planck의 표현과 Celsius 표현에 의하여사이클 장치의 작동한계를 나타내는 것으로 열기관은 단일 열원의 열교환에 의해 작동될 수없으며, 또 냉동기는 외부로 부터 에너지 입력 또는 일을 받지 않고는 작동될 수 없다는 카르노원리에 의해 즉, 동일온도를 유지하는 열원으로 부터 끄집어 낸 열을 일로만 바꾸게 하는 일은 불가능한 것이다. 따라서, 가역사이클이 성립되는 열기관에서 2개의 열원 사이 열기관을 작동시키는 구조, 또는 구성 물질에 상관없이 효율의 측정 또는 열량비 측정은 온도비로 나타낼 수 있음과 동시에 온도개념 설정시 열역학적인 의미에 있어서의 가장 합리적인 방법이 되는 것이다. 그러므로, θ2/ θ1 ＝ Τ2/ Τ1(열량비 = 온도비)가 성립되고, 이 이론을 바탕으로 해서 먼저, 온도비를 온도 눈금화하는 작업이 필요하며, 이상 기체를 가지고 에서 행하게 된다.보통 사용하는 온도계는 유리관속에 수은이나 알콜등을 넣은 액체 온도계이지만 물질의 온도에 따른 팽창 비율이 일정하지 않으므로 사용하는 액체 또는 보호관 유리의 종류에 따라서 온도의 지시값이 달라지게 된다. 하나의 예를 들면, 수은온도계로 측정한 50 ℃의 온도는 알콜 온도계에서는 50.7 ℃가 되는데, 이 경우 두 온도계의 눈금 스케일은 0 ℃와 100 ℃는 일치되어 있다. 또 같은 수은 온도계를 사용 하더라도 유리관 재질에 따라서 그 지시값은 달라진다. 그러나 기체의 경우 온도에 따른 팽창의 비율이 저온에 접근하면 거의 일정한 상태로 되는 특성을 가지고 있다. 이상기체는 존재하지 않지만 이상기체 상태에서는 온도에 따른 체적 팽창의 비율이 일정하므로 정압하에서는 온도 1 ℃ 상승함에 따라 0 ℃ 체적에 비해서 1/273.15씩 증가한다.  즉, β =1/273.15은 체적의 팽창계수이다. 따라서 이와같은 기체중 수소나 헬륨을 이용한 정적 기체 온도계가 사용된다.

보일샤를의 법칙에 의거 이상기체를 이용한 정적기체 온도계로 물의 3중점과 물의 비점에서의 온도변화에 따른 체적변화를 실측하고, 그 연장선을 그었을때 체적계수 값이 구해짐과 동시에 완전 체적이 0이 되는 지점의 온도가 즉, -273.15 이다. 우리는 흔히 이 온도를 절대영도라 칭하거나 절대값을 캘빈값 이라고도 칭하고 있다.   그러므로 절대 영도를 기점으로 물의 3중점을 273.16 K라 정하고, 순수한 물이 어는 지점과 비점을 373.15 K라 정해서, 그 사이를 100등분 시킨 것을 온도의 기본 눈금으로 정함으로써 열역학 온도눈금이라 칭한다. 1 K는 물의 삼중점 열역학 온도의 1/273.16로 정의한다. 즉, 순수한 물이 얼거나 끓는점을 사용하지 않고 에너지로 온도를 표현된 것이라는 것을 알 수 있다.

2) 국제 온도 눈금

온도를 정확하게 측정하려면 열역학적 온도눈금인 기체 도계를 사용하는 것이 좋으나, 이 열역학적 온도를 재현 하고자 할때, 그 장치가 이론적으로, 기술적으로 까다롭기 때문에 실현성이 희박하게 되는 어려움이 있다. 따라서 공업계기 또는 과학기기등에 눈금을 새기는 실용적 목적을 위하여 측정이 용이하면서도 열역학적 온도 눈금과 그 측정 정도가 유사한 국제온도 눈금의 필요성때문에 국제 도량형 위원회(CGPM)에서 국제 실용 온도눈금이 1927년 부터 채택 되어, 내용에 대한 수정 및 온도눈금의 기준 채택을 거쳐 현재 쓰고 있는 있는 ITS-90이 제정되었다. ITS-90에서 정한 국제 온도눈금은 아래와 같이 온도 측정범위를 4개로 나누고, 각각의 측정 영역에 따라 정확도 및 재현성을 유지하기 위하여 다른 온도계를 사용하였으며,SI 국제 단위계에 따라 계량단위는 켈빈도(K)를 사용하고 있다.   - 0.65 K ∼5.0 K : 헬륨 증기압 - 3.0 K ∼24.556 K(네온 3중점) : 3He 또는 4He을 이용한 온도계 - 13.8033 K(평형수소 3중점) ∼961.78 ℃(은의 응고점) : 백금저항 온도계 - 961.78 ℃이상 : 플랑크 복사법칙 (복사온도계)

※ 각종 온도 눈금 가 )섭씨온도 : ℃ 순수한 물이 끊고 있을때의 수증기 온도를 100℃로 하고, 물과 얼음이 공존하고 있을때 온도를 0 ℃로 하여 그 사이를 100등분 하여 1눈금을 1도로 한다. - 현재 가장 널리 사용되고 있는 온도 눈금이다 - 1742년 스웨덴의 Celsius 가 제창하였다. - 1 ℃의 크기는 1 K의 크기와 같고, 온도 차이는 K나 ℃로 표시한다. 나)화씨온도 : ℉ 인간의 체온을 예로 들어 이것을 96도로 하고, 낮은쪽은 당시 얻을 수 있는 저온도(얼음과 소금을 3:1로 섞은 한계)를 0 으로 하여 180등분 한 것이다. - 현재 미국이나 영국에서 널리 쓰이고 있다. - 세계 최초의 온도 눈금으로 1714년 독일의 파렌하이트( Fahrenheit)가 제창 다) 절대온도 : K 국제단위계 (SI)에서 1 K는 물의 3중점으로, 열역학적 온도의 1/273.16 으로 정한 것이다. - 학문적으로 가장 엄밀한 의미를 가진 온도 눈금이다. - 1848년 영국 캘빈(Kelvin)이 정한 열역학적 온도이다. - 물의 3중점 : 물,얼음,수증기가 공존하는 온도로 273.16 K 이다 라) 섭씨온도, 화씨온도, 절대온도와의 관계 K - 273.15 = ℃ = 5 / 9 ( ℉ - 32 ) 측정대상에 관한 기본적인 검토

검토사항 검 토 내 용 분 류 예 측정대상의 상태는 어떤가？ 1.고체,액체,기체의 어떤 상태인가 ？ 2.온도의 개략적인 범위는 ？ 3.정지되어 있는가, 운동하고 있는가 ？ 4.온도 변화의 속도는 어떤가 ？ 5.발열 및 흡열 유무는 ？ 6.열류의 유무는 ？ 얻어지는 정보는 무엇인가 ? 1.국부적인 온도인가,전체를 대표하는 온도인가 ？ 2.물체의 표면온도인가, 내부온도인가 ？ 3.순간온도인가, 시간적 평균온도 인가 ？ 중요시하는 측정량은 무엇인가 ? 1.온도는 절대치인가, 상대치 인가 ？ 2.온도치인가, 온도차인가, 온도차는 공간,시간 그외 무엇에 대한 것인가 ？ 3.온도치인가,온도변화인가,온도변화의 크기,기울기,속도인가？ 측정대상과 온도와의 관계 1.측정대상 형상과 온도계 설치 방법과의 관계 2.측정대상 온도와 온도계 검출소자 온도와의 일치 (복사를 이용한 온도계에서 측정대상에서 발생한 복사와 온도계에 입사한 복사와의 정확한 대응관계) 하는 정도 3.분위기, 진동, 주위온도,잡음등 환경인자가 측정대상 및 온도계에 주는 영향의 정도

다. 측정방법 및 온도계 종류

1).측정방법에 의한 분류 일반적으로 온도계 구성은 온도를 감지하는 측온부 (온도검출단), 측온부에서 감지한 온도를 직접 또는 간접으로 표시하는 표시부(수신계기)및 측온부와 표시부를 연결시켜 주는 도선 또는 배관으로 구성된다.그러나 액체 글라스 온도계와 같이 측온부와 표시부가 일체형으로 된것도 있다. 온도계는 측정 방법에 의해 측온부를 피측정 물체에 직접 접촉시켜 온도를 측정하느냐, 접촉시키지 않고 측정하느냐에 따라서 접촉법과 비접촉법으로 분류한다. 가)접촉법 열은 고온에서 저온으로 이동하고, 온도가 두개 이상의 물체에 접촉시켜 충분한 시간이 주어지면 접촉된 물체들은 온도가 같게 되는 열평형 상태를 이루며, 열역학 제 0법칙 즉, 임의 두 물체가 각각 제3의 물체와 열평형을 이룬다면 임의 두 물체도 열평형 상태에 있게 된다. 따라서 온도를 측정하고자 하는 피측정 물체에 측온부를 접촉, 열평형 상태에 이르렀 을때 감온부의 물리적 변화량 즉, 공업적 신호를 측정함으로써 피측정물체의 온도를 감지하는 방식이다.이 방법에 의한 온도 계측에서는 감온부와 측정대상의 접촉의 정도에 의해서 측정정도 크기가 좌우된다. 그래서 측온부를 측정대상에 접촉 할 수 없는 경우는 측정이 불가능하며,접촉에 의해서 측정대상이 영향을 받게 되는 경우는 큰 오차가 생긴다. 이와같이 접촉방식을 이용한 온도계로는 유리제온도계,압력식온도계,열전대, 바이메탈식 온도계, 저항식 온도계 등이 사용된다.

나)비접촉방식 피측정 물체에 감온부를 직접 접촉하지 않는 상태에서 고온의 피측정 물체로 부터 방사하는 방사에너지 즉, 빛 또는 열을 감지하여 감지 온도와 방사에너지와의 일정한 관계를 이용하여 온도를 감지하는 측정방식이다.  측정대상으로부터 방출된 에너지의 강도는 절대온도의 4승에 비례하기 때문에 1000 ℃ 이하의 온도 범위에서는 측정정도가 나쁘나, 장점으로는 움직이는 피측정 대상 및 검출하고자 하는 대상이 보이기만 하면은 쉽게 접촉하지 않고 온도를 측정할 수 있다.  비접촉 방식에 의한 온도계측에 사용되는 것으로는 방사온도계,광고온계,색온도계,적외선온도계(열선) 등이 있다.

접촉, 비접촉 방식의 비교

구 분 접 촉 방 식 비 접 촉 방 식 필요조건 1.측정대상과 검출 소자를 잘 접촉시킬 것. 2.측정 대상에 검출 소자를 접촉 시켰을때,온도 측정량이 실제 변하지 말 것. 1.측정 대상에서의 방사가 충분히 검출소자에 도달할 것 2.측정대상의 실효 방사율을 명확히 알고 있는가, 또는 재현성이 좋은가. 특징 1.열용량이 작은 측정 대상에서는 검출소자 접촉에 의한 측정변화가 생기기 쉽다. 2.운동하고 있는 물체의 온도는 측정 하기가 어렵다. 3.측정 개소를 임의적으로 지정 한다. 1.검출소자 접촉을 필요로 하지 않기때문에 측정에 따른 측정량의 변화는일반적으로 없다. 2.운동하고 있는 물체의 온도도 측정가능하다. 3.일반적으로 표면 온도를 측정 한다. 측정온도범위 1,000 ℃ 이하 온도 측정용이 고온측정에 적합함 정 도 눈금 SPAN 의 1 % 정도 일반적으로 10 ℃ 정도 시간지연 크 다 작 다

2) 측정 원리에 의한 각종 온도계

온도계종류 온 도 계 의 특 징 오 차 요 인 저항온도계 1.수 ㎤ (검출소자의 크기)정도의 온도평균치를 측정하는 것에 적합 2.약 -273 ℃∼500 ℃ 범위의 정도좋은 온도온도측정에 적합함. 3.강한진동이 있는 대상에는 적합하지 않음. .온도의 변화속도 .검출기의 경년변화 .열복력에의한 변화 .자기가열 .측정도선에서의 열의 유출입 THERMISTER 온도계 1.수 ㎣(검출소자의 크기)정도의 온도의 평균치를 측정 가능하다 2.도선저항에 비해서 검출기의 저항이 크다. 3.하나의 검출기에서의 사용온도 범위가 좁다 4.충격에 약하다. .검출기의 경년변화 .자기가열 .측정도선에서의 열의 유출입 열전 온도계 1.원리적으로는 접점의 크기정도의 공간의 온도를 측정 할 수 가 있다. 2.응답이 좋다. 3.진동,충격에 약하다. 4.온도차를 측정할 수 있다. 5.고온에서의 측정이 가능하다. 6.기준접점이 필요하다. .기준접점의 안정도 .보상도선의 영향 .기생 기전력 .검출기의 경년변화 .열이력에 의한 변화 .열전대 선등으로부터의 열의 유출입 GLASS 온도계 1.간편하고 신뢰도가 높다. 2.고정도의 온도측정도 가능하다. 3.충격에 약하다. .액절 .노출부 영향 .경년변화 충만식 온도계 1.진동,충격에 강하다. 2.간편하게 사용할 수 있다. .도관으로부터의 열의 유출입 .이력에의한 변화 .도관부,노출부 영향 .경년변화 방사온도계 1.고온 온도측정에 적합하다. 2.원격측정이 가능하다. 3.이동 또는 회전하고 있는 물체의 표면온도 측정이 가능하다. 4.피측정물의 온도를 교란하는것이 적다 5.원리적으로 지연이 적은 측정 가능하다 .방사율의 부정확성 .방사율의 변동 .광로중의 흡수,산란 .미광(외래,반사광) .경년변화

열전식 온도계에 대하여 오찬종/광양제철소

가. 원리 및 열전효과

1) 열기전력 원리 열전대는 원자로,항공기,동력계통,제철소 등의  여러 공정에서  온도를 감지하는  방법을 제공하며, 구조가 간단하고 가격이 싸며, 내구성이 있고  많은 응용면 에서  비교적 정확히 온도를 측정할 수 있는 온도계이다. 열전대는  또한 183 ℃ 이하에서 부터  2500 ℃ 근처 까지의  넓은 온도 범위를  0.1 ∼ 1 ％ 정도의 정확도로 측정할 수 있으며, 출력을 측정하는데 측정 계기가  간단하고 회로상의 잡음이 덜 받는 낮은 임피던스를 갖는 장치이다. 열전대는 역학적 유연성이 있어서 여러 응용에 따라  그  형태를 적합하게  바꿀수 있고  빠른 응답, 내구성,회로의 절연등을 고려하여  보통 소선의 형태로 만들어 사용하기도  한다. 필요에 따라  1 ㎳ 정도의 응답시간을 갖는 머리가락 보다 가는 열전대도 있으나, 보통은  0.5 ∼ 1 mm 의 직경을 가진 소선으로 만들어지고, 금속 산화물의 분말로 절연이 되고  금속 쉬스에 의해 보호된  열전대도 있다. 근본적으로 열전대는 열에너지를 전기에너지로  변환시키는 것으로써 세가지  열전효과가 열전대 안에서 작용되고 있다 제벡효과는 서로 다른 두 금속으로 폐회로를 구성하고, 양접점에 온도 차를 주었을때 온도 차가 없으면  각 선 전위차가  없으나, 양간간에 온도차를 주면은  양접점에는 접촉 전위차 불평형이 발생하면서  저온측 접합점으로 부터 고온측으로 열전류가 이동하게 되는 것이다. 이러한 현상을 이용 즉, 한쪽을 일정한 기준점으로 만들고 측정하고자 하는 고온측을  미지 온도차로 하면 측정하고자 하는 접속점의 온도가 변하면 미지의 온도에  대응되는 열기전력만을 정확히 측정함으로써 공업적으로 양측 변화측정이 아닌 온도측정 개념이 되는 것이다.

이때 일정한  온도 유지점을  기준 접점이라 칭하며, 측정하고자 하는 지점인 점을  측온 접점이라 부른다. 즉, 열전효과는 서로 다른 금속을 접속하여 양단의 온도차가 발생하면  열전류가 흐르고, 한 끝을 개방하였을 때는  양단에 기전력이 존재하는 것인데  이 효과를 이용하여 열전대를 온도 측정에 이용하게  하는 것이다. 열과 전기의 관계 현상 으로서는  제벡효과외에  펠티어 효과, 톰슨효과를 가지고 설명이 되어야  하는데, 펠티어 효과는 제벡효과의  역현상으로서  2개의 서로 다른 금속 접속점에 전류를 흘리면 그 전류의 방향에 따라서, 한쪽은 열을  발생시키고 다른쪽은 열을 흡수하는 현상을 말한 것으로 열전대를 이용하여 측정할 때 현상은 고온의 측온접점 에서는 열의흡수가,저온인  기준 접점에서는  열의 발생이  일어나므로  실제 사용시 열전대 자신의  열전류에 의한 온도 변화는 지극히 작다. 톰슨 효과는 온도 기울기가 있는  도선상에 전류에 의한  열의 수송에 관한 효과로 동종 금속 내 에서도 부분적으로 온도차가 있는 경우  그 곳을 흐르는 전류에 의해서 열을 발생 또는 흡수하는 현상을 말하며, 이 현상으로 인한 영향은 펠티어효과 보다 작게 나타난다. 따라서  펠티어, 톰슨효과의 사이의 관계에 관한 영구는  열전대에 의해 생기는 기전력이 소선을 따른  열전효과와의 온도 기울기에 의한 연구 결과로서 대부분의 열전대 응용에서는 제벡 효과만으로도 열전대의 설명은 충분하다. 2) 열전회로 법칙 열전대 회로의 특성을 설명하는데는 온도와 기전력과의 관계 이론을 실제화 하고자  할때 열전효과의  3 법칙이 요구되는데, 이 법칙들은 모두 실험적으로 유도되어진 것이다. ①균질회로의 법칙 일종의 균질한  금속재질의 도체로 구성된  회로에  있어서는  그  형상 및 부분적 온도 분포와  관계없이  측온접점을 가열시킨다 해도 열전류는 발생하지 않는다. 즉 열기전력이  0 이 된다는 법칙으로  이 법칙을 설명하기 위해서는  열역학적 고찰에 의해서도 증명될 수 있으며, 하나의 절대 제벡계수만 가지는 회로의  선적분 평가에 의해서도 증명된다.

V = Sa(T1 + T2) + Sb(T2 - T1) = 0   결과가 0이 되는 이유는 a, b 금속으로  동일한 제벡 계수를 가지고 있기 때문이다.      ② 중간금속의 법칙 서로 다른금속들로 이루어진 열전회로에서 열기전력 대수적인 합은 그 회로의 모든 부분이  동일한 온도에  있을때  항상  0 이다  라는 중간 금속의 법칙은 열전대의  기초원리인 온도의  균일 또는 불균일의 차에 있는 것을 근거로 하고 있다.    V = Sa(T1 - T1) + Sc(T1 - T1 ) + Sa(T1 - T1) + Sb(T1 - T1) = 0

③ 중간온도의 법칙 두개의 서로 다른 균질한 금속으로 된 폐회로에서 그 접접점이 T1 과 T2 에 있을때, 생기는 기전력을 V12, T2 과  T3에 있을때  생기는 기전력을  V23 이라 하면, 그들 접점이  T1과 T3에 있을때  기전력은 T12  + T23가 된다는 법칙이  중간온도의  법칙이다. 이  법칙은 한쪽에서 기준 접점의  온도를 유지하고 교정되어진 열전대가  다른 온도에서 기준접점을 유지하고 사용될때 그 출력을 해석하는데 사용된다.  V = Sa(T2 - T1) + Sa(T3 - T2 )+ Sb(T2 - T3)+ Sb(T1- T2)   =  Sab(T2 - T1) + Sab(T3 - T2 ) = V12 + V23

나. 열전대

아래 그림과 같이 서로 다른 두 종류의 금속도체 A, B을 접합하고, 양 접점간에 온도차를 주면 그 사이에 열기전력이 발생하여 회로내에 열전류가 흐르는데 이 원리는 1821년 영국의 제벡이 구리와 안티몬 사이에서 발견한 현상으로 발견자의 이름을 따서 제벡효과라고 한다. 아래에서와 같이 두개의 금속 A, B를 접합하고, b와  b'를 동일 온도로 한 상태에서 접합점의  a의 온도를 여러 형태로 바꾸어 보면은  b와  b'사이에 열기전력이 발생됨을 알수 있으며, 이때 발생하는 열기전력과 a - b간의 온도차 와는 일정한 관계가 있음을 알 수 있다. 또한 발생하는 열기전력은  두 종류의  금속과  양 접점간의 온도 차이에 의해 정해지며, 금속의 형상이나 치수, 도중의 온도 변화에는 영향을 받지 않는다. 열전대로서 이용되는 것은 다음 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.      ① 열기전력이 높을 것      ② 내열성 내식성이 양호하고 기계적으로 튼튼할것      ③ 장기간 사용하여도 열기전력이 안정하고,열전대 손상과 마모가 적을것      ④ 동종의 열전대에서는 항상 동일한 특성이 얻어지며, 호환성이 있을것      ⑤ 전기저항 및 온도계수가 작을것 (고온측정의 경우)  등이고  상기 조건을 모두 만족하는 재료는 없지만, 측정 조건에 따라 비교적 조건을 만족하는 것을 선택 하는것을 선택,사용하는 것이 좋다.

1) 열전대별 특징 ①  B, R, S  열전대 B열전대는 순백금에 로듐을 가하면  재결품이 일어나지 않고, 또한 합금의 융점이 높아져   R,S 열전대 비해  내열성 및  기계적 강도가 양호하여 진다. 순백금의 융점은 1769 ℃ 이나  3％ 로듐함유시 1800 ℃, 20％ 함유시 1900 ℃, 40％ 함유시 1950 ℃ 정도로 높아지나, 그  이상은 상승되지 않는다. R 열전대는 순백금에 로듐을 가하는데, 일반적으로 백금 87 ％, 로듐  13 ％로 구성되어 있는 것으로 알려져 있으나  실제는 백금 87.3 ％, 로듐  12.7 ％로  구성되어 있으며 주로 현장용으로 사용되고 있다. 또한   S 열전대에 비해  기전력 및 내열도가 양호하다. S 열전대는 타 열전대에 비해  재현성이 양호하고  그 측정정도가 가장 높은 관계로 국제 실용눈금의  630.74 ∼1064.43 ℃ 온도 범위의  표준 열전대로 채택하고 있다 열기전력은  로듐 함량이 높아질수록 동일  온도에서  낮아지며, 특히 저온에서는 지극히 낮아서 상온에서의 (0 ∼ 100 ℃) 기준접점 온도  변화는 실용상 무시한다. 산화성 분위기에는 강하고, 환원성 분위기 (CO2, H2, H2S, SO2, GAS중에서는 1000 ℃이상) 중에서는 약하다. 따라서 주로 비금속 보호관을 사용한다. ② K 열전대 K 열전대에 쓰이는 양 금속선은 모두 니켈을 주로한 합금으로 된 비금속 열전대 로서 비금속 ( K,E,J,T 열전대) 중에서 가장 높은  온도측정이  가능하며  R 이나  S 열전대의 약 4.5배의 열기전력을 발생하고  열기전력 특성은 거의 직선적이다. 고온에서의 산화방지를 위하여  +금속선에  산화피막을 입혀 사용하고 있으며, 이 피막은 강인하고 치밀하며, 합금과의 밀착성도 양호하여 내측금속 보호를 한다. 크로멜선의 산화는 표면 크롬의 산화에  의한 것이고  또한 노화의 진행도 산화와 밀접한 관계가 있다. 주위조건은 산화, 불활성 가스등의 분위기에는 강하나 탄소계의 가스등 환원성분위기에는 약해서 기전력이 현저히 저하한다. R 열전대와는 달리  금속증기에 대해서는 강하고 보호관을 금속보호관으로 사용할 수 있다. K 열전대는  1000 ℃ 정도의 고온에서 공업적으로  가장  많이 사용되는  종류이나 최근 산업의 다양화에 따라  새롭게 인식되는 다음과 같은  문제도 발생되고 있다.   ⓐ 단범위 규격화 오차가 발생하는데, 단범위 규칙칙화 오차는 온도  250 ∼ 550 ℃ 범위에서  사용 초기시 정방향의 커다란 드리프트가 가열, 냉각 양쪽에 발생되는 현상으로써  원인은  +측 소선인 크로멜의 원자 배열의  변태 현상에 따른 제벡지수가 변화 곧 열전대 특성이  1 ∼ 1.5 ％ 증가하는  현상으로서 그 만큼 오차가 된다.    ⓑ 자기효과에 의한 오차로서 직교하는 온도분포와 자장공간내에 설치된 도체에는 양방향의 직각인 제 3의 방향으로 기전력이 발생하는 현상으로서 -극성인 자성체 알루멜선은  150 ℃ 이하에서는  측정온도의 10％정도로 자속밀도 B의 극성에 따라 정역으로 급,증감하는 오차가 발생하는 현상으로  즉 온도의 자기 의존성 오차이다.    ⓒ  K 열전대는 소선의  외관상  크로멜측은 비자성체로써  다소  푸른빛을 띠고 있으며, -측 소선인 알루멜은  자성체로 어둡다. 또한  알루멜측은 내열적으로 약하기 때문에 선단부에서  알루멜을 중심으로  크로멜을  둥글게 감아 용접하기도 한다. ④  J 열전대 사용 주위조건은  환원성 분위기에 강하고, 수소, 일산화탄소 등에도 안정되며 탄소에도 대체로 안정한 편이다. 산화성 분위기, 공기중에서도  고온이 될  있도록 급격히 철의 산화가 일어나고, 수증기에도 취약하다. 소선의 판별은 철측은 방청시키고 있으므로  쉽게 알수 있고.  장시간 사용시는  붉은 녹이 쓸고  또한  철은 자성체이므로 자석을 사용 쉽게 구분할 수 있다.   ⑤  T 열전대 동의 산화성 때문에 공기중에서의 상용 한계는 비교적 낮은  300℃ 로 정하고.주위조건은 산화성 분위기에는 약하나 환원성 분위기 중에서는 안정되며, 동은 비교적 용이하게 고순도 것을 얻을 있으므로 측정정도가 높은것을 얻을 수 있다.  최근에는  -250 ℃ 까지의 저온 측정에 자주 사용한다. 소선의  극성 판별은 동선은 붉은 색이고  콘스탄탄 측은 광택이 있는 백동색으로서  쉽게 구분할 수  있으며, 장시간 사용시 동선은 푸른빛을 띤다.   2) 열전대의 분류 ( 한국 공업규격  KSC 1602- 1982 )

열전대의 허용차

3) 열전대의  배선방법 및 보상도선 열전대의  열기전력은 측온접점과 기준 접점 과의 온도차에 의해  정해진다. 보통 열전대 단자 (보상접점) 에서 기준접점 까지는 거리가 떨어져 있어서 보상접점과  기준접점 사이의 온도변동을 보상하기 위해  열전대와  거의 특성이 비슷한 열기전력 특성을 갖는 보상도선을 사용하여 연결한다. 열전대의  배선 방법에는 열전대용 변환기,구리도선,보상도선을 사용하는 것에 따라 여러 방법이 있으나 대표적인 방법의 결선방법은 다음의 그림과 같다.

온도보상이라 함은 온도 측정회로가 구성될때  측온접점 만의 온도가 피측정 물체의 온도로서 표시되어야 하는것에 비해  측온체외에 도선,도관등의 신호전달부 주위 또는 열전대용 변환기등의  주위온도 변화가 측정의 오차를 발생시킴으로 측정온도를 기준으로 주위온도의 변화에 따른 오차를 수정시키는 의미이다.   보상을 행하는 의미에서  계속적으로 변화해 가는 측온부 이외의  주위온도 변화에 무관하게 변화가 일어나지  않도록 함으로써  자체 유지적  보상이 있고, 일단 주위온도 변화에 따른 발생된 오차를 임의방법에 의해 상쇄시키는 방법이 있다. 따라서 보상도선은 주위온도와  무관하게  자체 유지적 보상의 의미를 갖고 있다. 보상도선의 기능을 아래 그림  a)에서와  같이 보상접점의 온도가 0 ℃ 이면  발생전력은 E (t-0) = Et - 0 = Et가 되며,만약 보상접점의 온도가 0이 아닌 임의의 t ℃ 이라면 발생 기전력 t - t1 에 상당하는 기전력인  E(t- t1) = Et - Et1 이 되면서  Et1 만큼의 오차를 발생하게 될 것이다. 그림 b)에서의  발생기전력은 t-t1에 상당하는 기전력인 Et - Et1가 되고, t1-t2 에서의 기전력은  Et1 - Et2 (보상도선 또는 열전도선) 이므로  t- t2 에  해당하는 기전력의 합은 다음과  같이 나타낼 수 있다. (Et- Et1) + (Et1- Et2) = Et - Et2 = Et - 0 = Et가 된다. 따라서 보상도선 또는 열전도선을 사용하면은 주위온도 변화에 따른 오차를 보상한 형태로서 보상도선을 사용시  측온 접점부터 기준 접점까지 등가회로 되는 즉, 열전도선을  쓴 것과 같은 효과를 가지고 있다.

보상도선의 종류별 분류    가) 열전대별 분류 (KSC 1609)

비고 1. KX-G, KX-GS, KX-H, KX-HS, EX-G, EX-H, JX-G, JX-H, TX-G, TX-GS,           TX-H, TX- HS 심선은 조합하여 사용하는 열전대와 동일 재료이다.       2. BX-G, RX-G, RX-H, SX-G, SX-H, WX-G, WX-H, VX-G의 심선은 조합하여          사용하는 열전대와는 다른 종류의 재질이나 사용온도 범위인 일반용은 -20∼          90 ℃,내열용은  0 ∼ 150 ℃ 내에서는 열전대와 동일한  특성을 가져야 한다.       3.보통급 보상도선은 온도측정에 적당하다.       4.정밀급 보상도선은 오차의 허용차가 보통급의 1/2로써 특히 정밀을 요하는          온도측정에 사용한다 나) 열전대와 재질관계에  의한 분류 열전대 재질과  관련하여 익스텐션형과 켐펜세이션으로 분류한다. 익스텐션형은 열전대와 동일한재질의 보상도선이고,켐펜세이션은 보상도선 사용온도 범위내에서 열전대의 열기전력 특성을 갖고 있으면서 열전대  재질 보다는 가격이 저렴한 대용합금 재질의 보상도선이다. 다음표는 익스텐션형과  켐펜세이션의 비교를 나타낸 것이다

열전식 온도계에 대하여 (2) 오찬종/광양제철소

열전식 온도계 (1)로부터 계속 됩니다.

4) 쉬스형 열전대 쉬스와 열전도선사이에 산화마그네슘,산화 알루미늄등의 무기절연물을 고압으로 견고하게 충진시켜 절연을 함과 동시에 내부를 기밀상태로하여  공기나 고온하에서 온도 측정시 가스등에 의한 부식을 방지한다.쉬스형 열전대가 열전대에  비해  비교된  특징은 다음과 같다.      ① 응답성과 감도가 양호하다.      ② 내열,내진성,내식성이  우수하다.      ③ 외경이 가늘므로 삽입경이 작고 길이를 임의로 변경할 수 있다.      ④ 유연성이 양호함으로 굽힘가공이 용이하다.      ⑤ 내부의 기밀성 유지로 소선 열화가 작고 단선이 우려가 적음  쉬스형 열전대의 종류

쉬스 재질

열전대는 쉬스형을 포함하여 열전소선의 굵기와 길이는 발생 기전력의 크기와는 무관하고 다만 소선 선경이 커질수록 사용시간이 증가하게 되는 것이다.그래서 동재질의 선경이 커질수록 그 사용온도 한계를 높이고 있는것은 기전력의 대소와는 관계없이 사용시간 한계 때문이다. 일반적으로  소선경이 커질수록 열전달의 지연은 커지고,공기중에서의  R열전대는 선경이 커질수록  선경의 자승에 비례해서, K열전대는  3승에 비례해서 그 수명이  길어지고,열화 현상은 사용온도가 높아질수록 빨라져서 곧 수명이 단축되며,  열화 현상에 의한  측정오차는  R열전대는 부방향으로,  K열전대는 정방향으로  발생하게 된다. 아래 표는 각 열전대 상용  및 과열  사용온도에 따른 연속 사용시간이다.

열전대 구조

쉬스형 열전대 구조

4) 보호관 보호관은 나열전대 및  측온저항체 소자를 측온대상의 물리적 (내진성,내열성,내충격성) 화학적(내산성,내알카리성 등의  내식성,내방폭성)상태로 부터 보호하며,나아가서는 측정 대상안의 주위  분위기로 부터도  보호하여 주는 목적으로 사용되는 관이다. 보호관에 요구되는 일반적인 성질은 다음과 같다.     ① 내열성이 양호하고 급열 급냉동등의 열충격에 강할것     ② 고온중에서도 내진성,내충격성 등이 양호한 기계적 강도가 있을것     ③ 고온중에서도 내식성(화학적인 안정성)이 양호할것     ④ 가스체에 대해 기밀성이 높고 내압성이 양호할것     ⑤ 고온중에서 보호관 자신이 측온소자에 유해한 증기 또는 가스 방출이 없을것     ⑥ 열전달의 시간지연이 작을것 이상의 제조건을 만족시키는 것은 이상적인 상태이며, 사용목적이 조건에 적합한 보호관 선정시 충분한 검토는 열전대 선정과 같이 중요하다  가) 재질상 분류   재질상 비금속과 금속보호관으로  분류하며, 금속 보호관과  비금속 보호관과의   비교는 다음과  같다.    ① 비금속보호관은 귀금속 열전대에,비금속 열전대는 금속보호관을 사용한다.    ② 비금속보호관은 금속보호관 보다 고온용으로 사용한다.    ③ 비금속보호관은 금속보호관 보다 기계적 강도가 약하고 기밀성이 떨어진다.    ④ 비금속보호관은 금속보호관보다 내열성 및 내식성이 우수하다.    ⑤ 금속보호관은 인발관을 사용하고 표준의 것은 내압 20 kg/ ㎠이다     (특히 내압용 및 내식성용은 환봉또는 주물을 인발시킨 것을 사용한다.)    ⑦ 비금속보호관 중에서 glass 관이외는 일반적으로 알카리성에 약하다.    ⑧ 고온측정에서 보호관을 이중보호관으로 사용해야만 하는 경우 바깥측 보호관   은 기계적충격,열적 충격에 강한 것(금속보호관)을 사용하고, 내측 보호관은   내산,내알카리성에 양호한 것(비금속 보호관)을  사용한다.    ⑨ 비 금속보호관  종류별 특성은 한국 공업규격 (KSC 4006- 86년)에 그 종류별   기호, 사용온도 및 시험 방법(굴곡시험, 내급열 급냉시험, 기밀시험), 호칭   방법등이 명시되어 있다

비금속 보호관 종류 및 특성

금속 보호관 종류 및 특성   다. 측정 오차 열전대 온도계를 사용하여 온도 측정시 측정 정도에  영향을 주는 요인은 다음과 같다.         ① 온도계의 정도     ② 검출단이 측정대상에 주는 외란     ③ 검출단의 응답속도     ④ 검출단의 설치에 의한 영향     ⑤ 측정대상의 유속     ⑥ 보호관에 부착된 먼지등의 영향     1) 온도계 정도    온도계의 정도는  온도계의 출력(지시,기록)이  온도 표준 측정방식(KSC 1606)과    어느 정도 일치하는가를 표시하므로 온도계의 기능의 양부를 결정하는 것이다.    표준 온도측정 방식은  측정정도에 따라  A급, B급, C급 및  D급으로 구분하며,    그 내용은 아래표와 같다.

2) 검출단이 측정대상에 주는 영향 검출단을  측정대상에 접촉시키면 측정대상의 온도는  변화한다.  이것이 검출단이 측정대상에 주는 영향이다.  즉,검출단을  측정대상에 접촉하기 전의 참값 온도를  t1 ,열용량  M 의  측정 대상에 온도 t2 이고, 열용량  m 인 검출단을  검출대상에 접촉시켰다면 일정한 시간을 경과하게 되면  최종적으로 열적 평행 상태에  도달하여   t 온도가 된다. 이때 열이 외부로 전혀 나가지 않는다면 열량은  보존이 되므로  다음식이 성립한다.   M (t1 - t) = m (t1 - t2) 위의 식에서 좌변은 온도 t의 열평형에 도달하는 사이에 측정대상으로 부터 방출된 열량이며, 우변은 열 평형에 도달하는 사이에 검출단으로부터 유입된  손실 열량이다.  따라서 t에 대해 정리하면    t = t1 -〔 m (t1 - t2)/( M + m )〕가  되며, t가 온도계로  측정된 온도이다. 그러나  실제 알고싶은 온도는 t1 이나 검출단의 온도와 측정대상의 온도차로 오차가 발생되어 측정 정도에 영향을 주는 인자이다. 이 영향을  없애주기 위해서는 다음의 방법으로 오차를 줄일 수 있다. ① 검출단을 예열하거나 예냉하여서 검출단 온도를 측정대상의 온도와 비숫하게 한 다음 설치할것, 이렇게 하면 부의적 응답을 지연을 단축하거나 소자를 급냉,급열하는 폐해를  막을 수 있다. ② 검출단의 열용량이 가능한한  작은것을 선정할것. 즉, 쉬스형 열전대나 쉬스형 측온 저항체,써미스터 등은 열용량이 작은 검출단을 취하면 오차를 줄일 수 있다.   3) 검출단의  응답속도 검출단의 응답속도는  온도 변화량의 63.2％  또는 90％ 까지의 응답에 요하는 시간으로 정의되는 것이 일반적이다. 응답속도를 다시 말해 검출단을 측정대상에 접촉시켰을때 상호 열 평형이 일어나서 일정시간후  열적  평행이 되었을때 까지의 속도이며, 이것은 검출단의 구조, 열용량, 또는 측정대상의  조건 즉 액체인가, 기체인가, 또는 흐르는 유체인가 정지된 것인가등 응답속도에 영향을 주는 요인은 여러 가지가  있다. 정지하고 있는 기체가  측정 대상일 경우에는  최악의  조건으로써 검출단이 기체의 온도를 지시하는데 검출단을 사용하는 경우에는 급격한 온도변화에 대해서는 추종할 수 없으며, 어떤 시점의 온도를 알고 싶을  경우에도  그 시점의  온도를  지시하는 것이 아니다. 따라서 이때에도 열평형에 도달할 때까지의 시간을 가능한 한 짧게 하려는 노력과 또 열 용량이 작은 소형의  검출단을 사용하도록  해야 한다.   동특성에 의한 시간지연 요인으로 시간응답은 검출단의  크기 질량,접점과 보호관과 같은 주위 환경과의  열교환 형태 등에 따라 복잡하게 결정된다. 센서의 질량에 비하여 표면적이 클수록  일정한 열전달 조건이라면  시간응답이 빠르다.

4) 설치에 의한 영향 설치에 의한 영향은 검출단,측정대상등의 상태에 의해 생기는 열의 전달 영향이다.이러한 영향을 작게 하기 위해서는  다음  3가지를 열거하면 다음과 같다.     ① 열전도를  작게하는 방법     ② 방사 열전달을  작게하는 방법     ③ 대류열 전달계수를  크게하는 방법 열전도에 의한 영향을 적게하는 방법으로는 열의 전달량  Q = λ A / L( t - t1 )로 표시한다.  따라서      ① 열전도도가 작은 재료를 검출단으로  사용한다.      ② 검출단의  단면적을 작게 한다.      ③ 검출단 금속보호관  외경의 15 ∼ 20배 이상의  삽입장을 가지고 설치한다.      ④ 설치부분은 단열재를 사용하며 설치부분과 측정대상의 온도차를 가능한한 작게한다. 설치시의 영향은  측정대상의 상태 검출단의 구조등  여러가지 조건에 의해서  서로 작용하기 때문에 실측하거나  정량적으로  값을 구하는 것은 곤란하며, 간단한 모델을 구성하여 열의 상태를 해석한 후 그 영향을 제어하는 것은 가능하다. 방사 열전달을 작게 하는 방법에서  방사율이란 검출단의 재료, 표면상태 (광택의 유무), 산화의 정도 표면 상태에 따라 달라지며, 반사체에서는 0이며, 흑체에서는 1이 된다. 온도 측정시 방사열에 의한 영향을 적게 하기 위해  실제 이용되고 있는 방법으로서         ① 검출단에 방사율이 적은 재료나 내식성이 양호한 재료를  사용하며,측정          대상은 표면을 깨끗이 할 것      ② 방사열  전달은 절대온도의  4승에 비례하므로  보호관으로 부터  볼 수 있는          주위의  온도를  측정대상과 동일온도로 하여야 한다. 이때 측정대상의          온도가 낮을 경우에는 그다지 큰 영향은 없다.      ③ 검출단의 외경을 작게하여  열전도에 의한 영향을  감소 시킨다. 끝으로 대류열 전달계수를 크게하는 방법이 있다. 대류열 전달계수는 유체가 가지고 있는 점성등의 특성 φS, 검출단의 외경 D 및 유체의 속도 V의 관계는   dc =( Va/ Db)φS  (a,b는  각각 V 와  D의 지수) 전달계수인  dc를 크게하기 위한 방법으로는 아래와 같다.     ① 유체의 유속을  증가 시킨다.     ② 검출단의 외경을  작게 한다.    5) 유체 유속의  영향 유체의 유속은 온도 계측에 있어서 대단히 중요하다. 이 유속은  대류열 전달계수를 크게 하기 때문에 온도의  정도 향상을 위해서 유속을 크게 향상 시킬 필요가 있다. 그러나 너무 크게 되면  유체의 압축성이나 내부 마찰의 영향에 의해서  지시가 높게 나타나며 검출단의 강도도 문제가 되는 폐혜현상이 발생하게 된다.     열전대 설치  방법에 따른 오차 발생

설치 개소별  오차 원인 (주철관안에 흐르는  가스의 온도를 측정)  (a) : 삽입 심도가 얕고  보온이 안된 외기 노출부가 있기 때문에  -45 ℃ 편차 발생  (b) : 삽입길이가 충분하고 외기 노출부가 짧고, 보온이 있으므로 오차도 없이  가장         이상적인 설치방법으로  이때의 측정온도는 386 ℃이다..  (c) : 삽입심도가 얕고  측정온도는 -2 ℃ 이다. 배관의 수직부분에서 삽입 심도를         충분히 하고 싶을 때는 흐름의 역으로 경사지게 설치하면 된다.  (d) : 삽입심도가 얕고 외기 노출부가 길어서 오차가 크고 측정오차의  -15 ℃         이다.  6) 검출단에 부착하는 먼지등의 영향 측정대상에 먼지등이 있고  그것이 검출단 주위에 부착함으로써  검출소자 열저항이나 용량의 증가등이 생겨 오차의  원인이 되므로 정기적인  점검과 검출단 설치 장소에 대한 확인이  필요하다. 온도계 취급상 부주의에 의한 생기는 측정정도 하락은  앞에서 설명 하였으며, 그외에도 자기가열, 외부로 부터의  노이즈등 영향이  있다. 그 때문에 온도계를 취급시에는 각각의 온도계 원리, 구조를  잘 이해 해야 하며, 측정대상의 측정 제반  조건을 검토한후 적절한 온도계  선택 및 적절한 조치를  해야 할  필요가 있다.

출처 : 새로운 삶을 위하여....!!(부동산/재테크)

글쓴이 : 안산 박상만 원글보기

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