분석 계장(Analytical Instrumentation)에서 시간 지연을 줄이는 레귤레이터 사용 방법

분석 시스템에서 시간 지연을 줄이는 레귤레이터 사용 방법

2019년 4월 3일 | 프로덕트 매니저 Jon Kestner

프로세스 측정 도구는 즉시 결과를 확인할 수 있지만 분석기는 절대 그렇지 않습니다. 탭에서 분석기를 거치는 동안 시간은 수시로 지연됩니다. 안타깝게도 대부분 시간 지연을 과소평가하거나 잘못 이해합니다.

분석 샘플링 시스템에서 시간 지연이란 새로운 샘플이 분석기에 도달하기까지 걸리는 총 시간을 말합니다. 레귤레이터는 시간 지연을 제어하는 방법 중 하나입니다. 레귤레이터는 압력을 제어하며, 분석기 시스템에서 압력은 시간과 밀접한 관련이 있습니다. 유속을 제어한 가스 시스템을 보면 압력이 낮을수록 시간 지연이 짧아집니다.

시간 지연은 분석 계장 시스템의 주요 부분 즉, 공정 라인, 탭, 프로브, 필드 스테이션, 이송 라인, 샘플 콘디셔닝 시스템, 스트림 스위칭 시스템, 분석기 등에서 모두 발생할 수 있습니다. 아래의 도표는 프로세스 분석기 샘플링 시스템의 기본 구조입니다. 

시간 지연은 누적되어 나타납니다. 유체가 모니터링되는 공정을 거쳐 분석기로 이동하는 데 걸리는 총 시간을 의미하기도 합니다. 지금부터 필드 스테이션과 필드 스테이션에서 시간 지연을 줄이는 레귤레이터의 주요 역할을 집중적으로 설명하겠습니다.

필드 스테이션 이전 단계

시간 지연을 감소시키기 위해서는 일단 탭의 위치를 살펴봐야 합니다. 탭은 프로세스 분석기와 가능한 밀접하게 배치하는 것이 가장 좋으며, 드럼, 탱크, 데드레그, 정체관, 불필요하거나 쓸모없는 장비 등 시간을 지연시키는 요인들도 상단에 배치해야 합니다.

유체를 샘플링할 땐 성능에 변수를 주는 값비싼 펌프 없이도 이송 라인 또는 패스트 루프를 통해 샘플을 이송할 수 있을 만큼 탭의 압력이 충분해야 합니다.

하지만 탭의 위치를 정하기 어려운 경우가 많습니다. 이미 탭이나 분석기 작업장이 특정 위치에 설치되어 있어도 다시 점검해야 하는 경우도 있습니다. 탭이 분석기와 멀리 떨어져 있는 경우, 유체를 분석기로 빠르게 전달하고 사용하지 않은 부분을 공정으로 신속히 돌려보내는 방법으로 패스트 루프의 사용을 권장합니다.

분석 계장 시스템 대부분에서 시간을 지연시키는 또 다른 원인은 바로 프로브입니다. 프로브 용량이 클수록 지연 시간이 더 길어집니다. 프로브의 용량은 길이와 넓이가 영향을 미칩니다. 시간 지연을 최소화하려면 저용량의 프로브를 선택하십시오.

필드 스테이션 단계

프로세스 분석기에 액체 샘플이 필요할 경우 필드 스테이션의 레귤레이터는 필요하지 않습니다. 거품 생성을 방지하기 위해 액체를 고압으로 유지하는 것이 좋기 때문입니다. 한편 가스 샘플에는 이송 라인에서 압력을 줄이는 수단으로 필드 스테이션을 사용합니다.

이 때 시간 지연은 절대 압력에 정비례하여 감소합니다. 압력이 절반이 되면 시간 지연을 절반으로 감소할 수 있습니다. 필드 스테이션은 가능한 탭에 가까이 배치합니다. 압력은 빨리 떨어질수록 더 좋기 때문입니다. 이제 필드 스테이션의 레귤레이터를 활용할 수 있는 세 가지 애플리케이션에 대해 살펴보겠습니다. 애플리케이션에 따라 레귤레이터는 각각 조금씩 다르게 구성됩니다.

레귤레이터 애플리케이션 #1

첫 번째 애플리케이션은 가스 압력을 감소하기 위해 사용합니다. 압력이 저하되면 응축이 발생하지 않습니다. 그렇기 때문에 간단한 감압 레귤레이터를 사용하면 됩니다. 감압 레귤레이터는 토출압을 일정하게 유지합니다. 일반적으로 다이어프램 또는 피스톤과 같은 감지 부품은 하단 압력에 맞춰 움직이며, 원뿔 모양의 포펫 같은 제어 부품이 가스가 통과하는 오리피스의 유량을 변경하도록 합니다. 감지 부품은 고압에 반응하여 밀려나고 제어 부품은 레귤레이터 시트 가까이 이동해 오리피스를 줄입니다. 반대로 감지 부품이 저압에 의해 하단으로 이동하면 오리피스는 커집니다. 작업자는 주로 분석 레귤레이터의 핸들을 사용하여 토출압을 조정할 수 있는데, 설정 스프링으로 토출압에 대응하는 감지 부품의 움직임을 조절하여 압축하거나 푸는 방식입니다.

금속 다이어프램은 흡입압이 급격히 변하지 않거나 화학적 호환이 중요한 애플리케이션에 적합합니다. 단, 압력이 일정하지 않거나 급등하는 애플리케이션은 피스톤 스타일의 레귤레이터가 더 적합합니다.

레귤레이터 애플리케이션 #2

Swagelok의 두 번째 레귤레이터 애플리케이션은 압력 저하로 응축을 발생시킵니다. 압력이 저하되면 거의 모든 가스가 에너지을 잃게 되는데, 이를 줄-톰슨 효과라고 하며 냉각을 유발합니다. 이때 가스가 이슬점에 가까워지면 냉각이 응축을 초래합니다. 때때로 열 손실이 응결을 초래할 만큼 커지면 레귤레이터 가동을 중지시킬 수도 있습니다. 줄-톰슨 효과로 인해 가열된 레귤레이터는 이슬점 위로 가스 온도를 유지해야할 수도 있습니다. 가열된 레귤레이터는 감압 레귤레이터로서의 역할을 수행하며, 히터 카트리지가 필요합니다.

이때 히터 카트리지에 필요한 에너지양(또는 전력량)을 계산하여 올바른 출력 영역의 히터 카트리지를 고르도록 합니다. 모든 가스에는 줄-톰슨 계수가 있으며, 압력 강하와 유량을 활용하여 필요한 와트 수를 도출할 공식을 세울 수 있습니다. 

레귤레이터 애플리케이션 #3

Swagelok의 세 번째 레귤레이터 애플리케이션은 액체가 가스 크로마토그래프 또는 다른 분석기로 분석하기 전에 가스가 되어야할 때 적합합니다. 이때 기화 레귤레이터를 사용합니다. 적합한 기화 레귤레이터를 선정하는 것은 쉽지 않으나, 적절한 사이즈의 레귤레이터를 올바르게 설치한다면 신뢰성 높은 유체 샘플을 준비할 수 있습니다. 기화 레귤레이터는 샘플 전체를 즉시 가스로 변환하여 액체 프로세스에서 기화된 샘플을 사용할 때 필요합니다.

기화 레귤레이터를 사용할 때는 온도와 증기 유량을 반드시 예의 주시해야 합니다. 유량이 너무 많으면 샘플의 일부만 기화되고 액체는 레귤레이터를 타고 분석기 방향으로 흐르게 됩니다. 기화기 온도가 너무 높으면 유체 샘플의 상단이 기화됩니다.

그러므로 시간이 상당히 지연되기 전에 기화 레귤레이터를 올바르게 설정해야 합니다. 유체가 액체에서 가스로 변하면 용량이 극적으로 증가합니다. 이 증가량은 액체의 분자 무게에 따라 달라집니다. 일반적으로 레귤레이터 이후의 증기 유량은 기화 레귤레이터 전의 액체 유량보다 300배 이상으로 측정됩니다. 이를테면, 증기 유량이 600cm3/min일 때 액체 유량은 2cm3/min보다 적을 것입니다. 여기서 액체는 6mm(1/4 in.) 튜빙 3미터(약 10피트)를 통과하는 데 25분이 소요됩니다. 이 시간을 감축하려면 레귤레이터 전에 튜빙의 부피를 감소시켜야만 합니다. 이를테면, 3.2mm(1/8 in.) 튜빙의 30.5cm(1피트)만 되어도 액체가 레귤레이터에 도달하기까지 30초밖에 걸리지 않을 것입니다. 다만, 이 시간에 프로브에서 지연되는 시간도 포함해야 합니다. 프로브가 가늘수록 반응은 더 빠릅니다.

빠른 반응을 얻어내기 위한 또 다른 방법은 액체 패스트 루프의 도움을 받아 기화기를 분석기에 밀착시키는 것입니다. 아래의 도표에서 레귤레이터와 두 번째 액체 슬로우 바이패스 루프를 패스트 루프 필터 다음에 배치하여 액체가 기화 레귤레이터까지 계속해서 한 번에 도달할 수 있도록 하였습니다. 목적은 기화 레귤레이터로 느리게 이동하는 액체의 부피를 최소화하는 데 있습니다.

분석 시스템에서 레귤레이터는 시간 지연을 해결할 수 있는 매우 중요한 요소입니다. 가스 시스템의 압력이 낮을수록 응답 시간은 빨라집니다. 일반적으로 시스템에서는 압력이 빨리 저하될수록 더 좋습니다. 액체를 기화시키는 경우, 액체 패스트 루프를 통해 액체를 기화 레귤레이터로 한 번에 이동시키는 방법이 있습니다. 필드 스테이션은 분석 계장 시스템에서 시간 지연을 감소시킬 수 있는 중요한 역할을 하지만, 시간 지연에 대해 반드시 이해하고 접근해야 합니다. 시간 지연을 감소시키려면 시스템에서 가능한 모든 지연 원인을 세심히 살펴봐야 합니다.

분석 시스템의 시간 지연 관리 방법 알아보기