화공 시스템과 계장 동양미래대학교 생명화공과

Chemical Engineering & Systems 계장 (instrumentation) 목적 원료, 제품, 재공품 물리적, 화학적 성질의 측정 (measurement) 공정 현황 파악 측정치에 따른 교정 (correction) 공정의 제어 (control) 실현 수단 / 운영 기계적, 전기적 설비 감지기 (sensor) 제어기 (controller) 액추에이터(actuator) 설비의 장치 설비의 운영 기술적 판단 및 조치 설비의 유지, 보수 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 계장의 역사 (1) 고대~중세 수공업적 생산 단계 장인의 손 끝에 의존 관찰과 비교의 필요성 비교적 단순한 도량형 사용 산업혁명기 동력 기계의 발명과 보급 표준화의 필요성 공업 생산품의 정밀도 (precision) 향상 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 계장의 역사 (2) 20세기 ~ 현재 공업 생산품의 지속적인 정밀도 향상 세련된 형태의 측정기기 출현 국제적인 도량형 표준화 (ISO) 기계식, 공압식 계장 시스템의 발달 전기식, 전자식 계장 시스템의 발달 생산 자동화 (automation) / 로봇 생산 시스템 수치 제어 (numerical control) 실시간 교정 (real-time correction) Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 수치 제어 (NC) 1960년대 이후 급속히 발전 특히 기계공업 및 가공 분야 탁월한 정밀도 노동력 절감에 따른 생산성 향상 리프로그램(reprogram)을 통한 유연성 수학적 모델 수립 프로그램 컴퓨터 처리 생산 리프로그램 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems CAD / CAM 컴퓨터의 강력한 연산 능력을 이용하여 설계 및 제품 생산에 응용하는 기술 CAD (computer-aided design) “컴퓨터 원용 설계” 기계, 건축, 전자, 화공 분야등에서 사용 CAM (computer-aided manufacturing) “컴퓨터 원용 생산 자동화 시스템” NC 공작 기계, 로봇 생산 시스템, 계장 시스템, 물류 자동화 시스템 등으로 구성 Chemical Engineering & Systems

실시간 교정 (real-time correction) dead time의 문제 교정 조치의 효과는 일정 시간 경과 후에야 발생 실제적인 계장, 제어에서 불가피하게 발생 실시간 처리 / 교정 ‘모든 계장 기술인의 꿈’ 과거에는 기술적으로 불가능 빠른 응답 능력 / 공정 교란을 예측하고 미리 대응하는 제어 기술의 개발이 필요 컴퓨터, 감지기, 제어기, 액추에이터 등의 비약적 발달로 조만간 실현이 가능할 전망 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 화학공장의 계장 시스템 (개요) 일반적으로 공압식(pneumatic)을 선호 신속한 응답성 유지 보수의 편의성 온도, 압력, 유량 등의 감지기 / 제어기 제어 밸브 중앙 통제실(control room) Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 화학공장 계장에서의 주요 변수 3대 주요 변수 온도 (temperature) 압력 (pressure) 유량 (flow rate) 기타 변수 점도 (viscosity) 습도 (humidity) pH 성분의 몰분율 (mole fraction) 등 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 온도의 측정 팽창온도계 (expansion thermometers) 액체나 금속판(bimetal)의 열팽창을 이용 열전대 (thermocouples) 금속 접합점 사이의 온도차에 의한 전류 측정 복사고온계 (pyrometers) 고온 물질에서 방사되는 복사 에너지를 측정 저항온도계 (RTD; resistance thermal detectors) 온도에 따른 전기 저항 변화를 측정 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 팽창 온도계 수은 / 알콜 온도계 바이메탈 온도계 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 열전대 Seebeck 효과 Chromel / Alumel 조합을 널리 이용 (“CA-type”, “K-type”) 출력이 전기 신호(mV) 가늘게 만들 수 있으며 가격 저렴 산업계에서 가장 일반적으로 사용 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 복사 고온계 Stefan-Boltzman의 법칙 E= kT4 비접촉식 측정 Chemical Engineering & Systems

저항 온도계 (RTD ; resistance thermal detectors) Pt, Ni, W 권선 또는 박막을 사용 휘트스톤 브리지 (Wheatstone bridge) 회로가 필요 넓은 온도 범위 (-150~800℃)에서 사용 가능 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 서미스터 (thermisters) 온도 상승시 전기 저항이 감소하는 반도체 소자 비선형 응답을 나타내므로 검량 /보정 회로가 필수 압축된 금속 산화물 분말을 소결, 제조 초소형화에 유리 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 마노미터 (manometers) 가장 간단한 형태의 압력차 표시 장치 압력의 절대값은 표현할 수 없고, 두 지점 사이의 압력차만 표시 가능 수은이나 물등을 U자관에 채운 형태 오리피스, 벤튜리 유량계 등과 결합하여 사용 Chemical Engineering & Systems

경사관 마노미터 (inclined manometers) 마노미터의 일종 일명 ‘draft gage’ 작은 압력차를 세밀하게 읽기 위해 U자관의 한쪽을 수평에 가까울만큼 경사지게 제작 굴뚝 상하단의 압력차 측정등에 사용 Chemical Engineering & Systems

부르동관 압력계 (bourdon-tube pressure gages) 한쪽이 막힌 형태의 탄력성 금속관 (부르동관)을 사용 금속관의 탄성 변형을 증폭하여 지침을 움직임 저렴하며, 광범위한 압력 범위용으로 제작할 수 있음 Chemical Engineering & Systems

벨로우즈, 다이어프램 게이지 (bellows gages, diaphragm gages) 주름통(bellows) 또는 격막(diaphragm)의 변형을 기계적 움직임으로 변화 Chemical Engineering & Systems

전리 진공계 (ionization vacuum gages) 진공도 측정에 사용 가열된 음극에서 열전자 발생 열전자는 내부 공간의 기체 분자와 충돌하여 양이온을 형성, 포집 전극으로 이동 내부 공간의 진공도와 흐르는 전류의 양은 반비례 10-2 ~ 10-11torr의 진공도 범위에서 사용 가능 Chemical Engineering & Systems

스트레인 게이지 (strain gages) 외력에 따른 물리적인 변형량을 측정하는데 사용 자석과 금속선, 박판등을 이용하여 정밀 제작 게이지에 가해지는 외력으로 변형이 생기면 이에 따라 임피던스(impedence)의 변화 발생 압력 측정에도 이용될 수 있음 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 압력 전기 신호로의 변환 포텐쇼미터(potentiometers) 가변 축전기 (variable capacitors) Chemical Engineering & Systems

압전형 압력 센서 (solid-state pressure sensors) 가해지는 압력에 따라 실리콘 결정의 전기 저항 값이 변하는 현상을 이용(‘piezoresistance’) 충격에 강하며 소형화가 용이 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 오리피스 / 벤튜리 미터 오리피스(orifice) 또는 벤튜리(venturi tube) + 마노미터 베르누이의 법칙을 바탕으로 압력 강하를 유량으로 환산 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 피토 관 (pitot tube) 중심이 같은 이중 원통관에 각각 직각 방향으로 개구부를 만들어 제조 피토 관을 움직여 대형 파이프 내부의 국부 속도를 측정할 수 있음 설비가 간단하고 두(head) 손실이 적음 유속이 낮은 흐름(0.1m/s이하)의 유량은 측정하기 곤란 Chemical Engineering & Systems

엘보우 유량 센서 (elbow flow sensors) 엘보우를 써서 유체 흐름 방향을 900 전환 유체의 흐름에 따른 원심력 효과를 압력차로 환산 값싸고 두 손실이 거의 없음 오차가 비교적 큼 (~약 ± 5%) Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 둑 (weirs) 개방 유로에서의 액체 유량을 측정하는데 이용 Q ∝H2.5 둑의 단면은 삼각형, 사각형, 원형이 모두 가능함 부유물이 섞인 액체의 경우 사용에 주의해야 함 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 로타 미터 (rotameter) 윗쪽으로 넓어지는 테이퍼형 유리관에 플로우트 (float)를 넣은 형태 유체 흐름에 따른 상승 효과와 중력 사이의 균형점을 측정 유량을 직접 읽을 수 있음 비교적 고가 Chemical Engineering & Systems

질량 유량계 (mass flowmeters) 단위 시간당 질량 유량 (e.g. kg/min)을 즉시 얻을 수 있음 두 손실이 거의 없고 신뢰성이 높음 매우 작은 유량까지도 측정 가능 (~5mL/min) 비교적 고가이며 구조 복잡 Chemical Engineering & Systems

터빈 유량계 (turbine flowmeters) 유체의 힘을 이용해 터빈을 회전 터빈의 회전수는 자기 픽업(magnetic pickup)으로 검출 부유물이 많거나 점도에 변화가 있는 유체(non-newtonian fluids), 부식성 유체의 경우 사용에 주의 적산 유량계로 널리 사용됨 Chemical Engineering & Systems

초음파 유량계 (ultrasonic flowmeters) 초음파 변환기를 관로에 마주 설치 전달 시간형(pulse type) : 초음파의 왕복 시간차를 측정 도플러 효과형(frequency-shift type) : 흘러가는 부유물과 기포에 반사된 반사 초음파의 주파수 변화를 측정 신뢰성이 높으나 비교적 고가 Chemical Engineering & Systems

시준 유리 (sight glasses, sight tubes) 유체의 흐름 여부 및 이물질 체크 식품 공업용 탱크 및 관로 액체의 액위(level) 육안 확인 석유류, 액체 원료 약품 저장고 보일러용 관수 탱크의 체크 Chemical Engineering & Systems