레귤레이터 활용 분석 계장 시스템 시간 지연 단축 기법

레귤레이터를 사용해 분석 시스템의 시간 지연을 줄이는 방법

마이크 스트로벨(Mike Strobel), 현장 엔지니어링 슈퍼바이저

공정 측정은 순간적이지만 분석기 응답은 결코 그렇지 않습니다. 탭에서 분석기까지 항상 시간 지연이 존재합니다. 불행히도 이 지연은 종종 과소평가되거나 오해됩니다.

분석 샘플링 시스템에서 시간 지연은 새로운 샘플이 분석기에 도달하는 데 걸리는 시간으로 정의됩니다. 별도의 블로그 기사에서 시간 지연 작동 원리와 높은 수준에서의 최소화 팁을 설명하지만, 이 글에서는 압력 레귤레이터로 시간 지연을 제어하는 방법에 초점을 맞춥니다. 레귤레이터는 압력을 제어하며, 분석 시스템에서 압력은 시간과 밀접하게 관련되어 있습니다. 제어된 유량의 가스 시스템의 경우 압력이 낮을수록 시간 지연이 짧아집니다.

시간 지연은 분석 계장 시스템의 주요 부분 어디에서나 발생할 수 있습니다. 공정 라인, 탭 및 프로브, 필드 스테이션, 이송 라인, 샘플 컨디셔닝 시스템, 스트림 스위칭 시스템, 분석기 등이 포함됩니다. 아래 다이어그램은 일반적인 공정 분석기 샘플링 시스템의 예시입니다.

시간 지연은 누적됩니다. 공정 모니터링 지점에서 분석기까지 유체가 이동하는 데 걸리는 총 시간으로 구성됩니다. 시간 지연 측정 방법에 대해 더 알아보려면 여기를 참조하십시오. 여기서는 필드 스테이션과 거기서 레귤레이터가 시간 지연 감소에 수행하는 중요한 역할에 초점을 맞춥니다.

필드 스테이션 이전

시간 지연 최소화는 탭 위치에서 시작됩니다. 탭을 공정 분석기 최대한 가깝게 배치하는 것이 가장 좋지만, 드럼, 탱크, 데드 레그, 정체 라인, 중복 또는 노후 장비 등 공정 시간 지연 원인 업스트림에 위치해야 합니다.

액체 샘플링 시 탭에서의 압력이 펌프 없이도 샘플을 이송 라인이나 패스트 루프로 전달하기에 충분해야 합니다. 펌프는 추가 성능 변수를 도입하는 비싼 구성품입니다.

많은 경우 탭 위치를 결정할 수 없을 수 있습니다. 기존 탭 위치와 기존 분석기 쉘터 위치를 받아들여야 할 수도 있습니다. 탭이 분석기에서 멀리 떨어져 있다면 패스트 루프를 사용해 유체를 분석기에 빠르게 전달하고 미사용 분을 공정으로 되돌리는 것이 권장됩니다.

대부분의 분석 계장 시스템에서 또 다른 시간 지연 원인은 프로브입니다. 프로브 부피가 클수록 지연이 커집니다. 부피는 프로브 길이와 너비 모두에 영향을 받습니다. 시간 지연 최소화를 시도할 때는 저부피 프로브를 선택하십시오.

필드 스테이션에서

공정 분석기에 액체 샘플이 필요한 경우 필드 스테이션의 레귤레이터는 사용하지 않습니다. 기포 형성을 피하기 위해 액체를 고압으로 유지하는 것이 더 좋습니다. 가스 샘플의 경우 필드 스테이션은 이송 라인의 압력을 낮추는 수단으로 사용됩니다.

시간 지연은 절대 압력에 정비례해 감소합니다. 압력의 절반에서 시간 지연도 절반이 됩니다. 필드 스테이션은 탭 최대한 가깝게 위치해야 합니다. 압력을 더 빨리 낮출수록 좋습니다. 필드 스테이션에서 레귤레이터의 세 가지 가능한 적용 사례를 살펴보겠습니다. 각각 레귤레이터 구성이 다소 다릅니다.

레귤레이터 적용 사례 #1

첫 번째 적용 사례에서 목표는 가스 압력을 낮추는 것입니다. 압력 강하로 응축이 발생하지 않을 것으로 예상됩니다. 따라서 단순한 감압 레귤레이터를 사용할 수 있습니다. 감압 레귤레이터는 출구에서 일정한 압력을 유지합니다. 감지 엘리먼트(일반적으로 다이어프램 또는 피스톤)가 다운스트림 압력에 반응해 움직이면, 제어 엘리먼트(대부분 원뿔 모양 팝펫)가 가스가 통과하는 오리피스의 유동 영역을 변경합니다. 감지 엘리먼트가 높은 압력에 반응해 위로 밀리면 제어 엘리먼트가 레귤레이터 시트에 가까워지고 오리피스 영역이 작아집니다. 감지 엘리먼트가 낮은 압력으로 아래로 움직이면 오리피스가 커집니다. 대부분의 분석용 레귤레이터에서 레귤레이터 핸들을 통해 운영자가 설정 스프링을 압축하거나 이완시켜 감지 엘리먼트의 움직임을 출구 압력에 대항해 구동함으로써 출구 압력을 설정할 수 있습니다.

금속 다이어프램은 입구 압력이 급격히 변하지 않거나 화학적 호환성이 중요한 애플리케이션에 이상적입니다. 그러나 압력이 불규칙하거나 스파이크가 발생할 수 있는 애플리케이션에서는 피스톤 타입 레귤레이터가 더 적절할 수 있습니다.

레귤레이터 적용 사례 #2

두 번째 레귤레이터 적용 사례에서 압력 강하로 응축이 발생할 것으로 예상됩니다. 압력 강하 시 거의 모든 가스는 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)로 알려진 에너지 손실, 즉 냉각을 경험합니다. 가스가 이슬점에 가까우면 이 냉각이 응축을 유발할 수 있습니다. 경우에 따라 열 손실이 충분히 커서 응축을 일으키고, 결과적으로 레귤레이터가 동결될 수 있습니다. 줄-톰슨 효과 때문에 가스 온도를 이슬점 이상으로 유지하기 위해 가열 레귤레이터(heated regulator)가 필요할 수 있습니다. 가열 레귤레이터는 시스템 유체가 가열 엘리먼트를 지나 흐르는 감압 레귤레이터입니다. 히터 카트리지가 필요합니다.

히터 카트리지에 필요한 에너지(와트)량을 계산해 올바른 전력 범위의 카트리지를 지정할 수 있습니다. 모든 가스는 줄-톰슨 계수(Joule-Thomson coefficient)를 가지며, 이를 압력 강하와 유량과 함께 공식에 대입해 필요한 와트 수를 산출합니다.

레귤레이터 적용 사례 #3

세 번째 레귤레이터 적용 사례에서 액체는 가스 크로마토그래프나 다른 분석기에서 분석되기 전에 기체가 되어야 합니다. 이 경우 기화 레귤레이터(vaporizing regulator)를 사용합니다. 기화 레귤레이터는 선정하기 까다로울 수 있지만 적절하게 사이징되고 설치되면 액체 샘플을 준비하는 신뢰할 수 있는 수단이 될 수 있습니다. 기화 레귤레이터의 목적은 샘플 전체를 순간적으로 기체로 플래시(flash)시켜 기화된 샘플이 액체 공정을 대표하도록 하는 것입니다.

기화 레귤레이터에서는 온도와 증기 유량에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 유량이 너무 크면 샘플이 부분적으로만 기화되어 액체가 레귤레이터를 통해 분석기로 흐르게 됩니다. 기화기 온도가 너무 높으면 업스트림 액체 샘플이 기화될 수 있습니다. 샘플링 시스템에서 기화 관리에 대해 더 알아보려면 여기를 참조하십시오.

마지막으로, 상당한 시간 지연을 만들지 않도록 기화 레귤레이터를 올바르게 설정해야 합니다. 유체가 액체에서 기체로 변하면 부피가 급격히 증가합니다. 증가량은 액체 분자량에 따라 달라집니다. 일반적으로 레귤레이터 이후 측정된 증기 유량은 기화 레귤레이터 이전 액체 유량의 300배 이상입니다.

예를 들어, 증기 유량이 600 cm³/min이면 액체 유량은 2 cm³/min 미만일 수 있습니다. 이 경우 액체가 6mm(1/4인치) 튜빙 3미터(약 10피트)를 통과하는 데 25분이 걸립니다. 이 시간을 줄이려면 레귤레이터 이전 튜빙 부피를 줄여야 합니다. 예를 들어 3.2mm(1/8인치) 튜빙 30.5cm(1피트)만 있으면 액체가 레귤레이터에 도달하는 데 30초만 걸립니다. 그러나 여기에 프로브의 시간 지연을 더해야 합니다. 프로브가 좁을수록 응답이 빠릅니다.

더 빠른 응답을 얻는 또 다른 방법은 액체 패스트 루프를 이용해 기화기를 분석기 가까이에 배치하는 것입니다. 아래 다이어그램에서 레귤레이터는 패스트 루프 필터 이후에 위치하고, 두 번째 액체 슬로우 바이패스 루프가 양호한 액체 유량이 기화 레귤레이터까지 지속되도록 합니다. 목표는 기화 레귤레이터로 가는 느리게 움직이는 액체 부피를 최소화하는 것입니다.

올바른 레귤레이터 선택으로 지연 최소화

레귤레이터는 분석 시스템에서 시간 지연을 해결하는 중요한 도구입니다. 가스 시스템에서 압력이 낮을수록 응답 시간이 빨라집니다. 일반적으로 가스 시스템에서 압력을 더 빨리 낮출수록 좋습니다. 액체가 기화되는 경우, 액체 패스트 루프를 고려해 액체가 기화 레귤레이터까지 계속 움직이도록 하십시오. 필드 스테이션은 복잡한 분석 계장 시스템에서 시간 지연을 크게 줄일 수 있는 한 곳이지만, 시간 지연에 대한 접근은 항상 포괄적이어야 합니다. 시스템 내 지연의 모든 잠재적 원인을 면밀히 검토해야 시간 지연을 줄일 수 있습니다.

분석 시스템의 시간 지연으로 어려움을 겪고 있다면, 위 레귤레이터 선택 조언 외에도 도움을 받을 수 있는 여러 곳이 있습니다. 샘플링 전문가들이 가르치는 여러 샘플링 시스템 교육 과정을 제공하며, 모범 사례에 따라 설계된 사전 엔지니어링된 분석 서브시스템을 제공하고, 현장 엔지니어링 팀이 현장에 방문해 분석 시스템 문제를 식별하고 해결하는 데 도움을 드릴 수 있습니다. 분석 시스템 지연 감소에 대해 더 알아보거나 대화를 시작하려면 아래 버튼을 클릭하십시오.