분석기 교정 마스터하기: 신뢰할 수 있는 공정 측정을 위한 핵심

분석 계장 시스템에서 분석기 교정하는 방법

토니 워터스(Tony Waters), 샘플링 시스템 전문가 겸 강사

많은 분석 계장 시스템에서 공정 분석기는 절대 측정을 제공하지 않습니다. 오히려 교정 과정에서 설정된 설정에 기반한 상대적 응답을 제공합니다. 이는 상당한 오류가 발생할 수 있는 중요한 프로세스입니다. 공정 분석기를 교정하려면 알려진 내용과 양의 교정 유체를 분석기를 통해 통과시켜 구성 성분 농도 측정을 생성합니다. 이 측정이 교정 유체의 알려진 양과 일치하지 않으면 공정 분석기가 그에 따라 조정됩니다. 나중에 공정 샘플이 분석될 때 분석기 판독값의 정확도는 교정 프로세스의 정확도에 달려 있습니다.

교정을 통해 오류나 오염이 어떻게 도입될 수 있는지, 교정이 공정 분석기의 인식된 성능 문제를 해결할 수 있는 때와 없는 때, 대기압이나 온도 변동이 교정 작업을 어떻게 무효화할 수 있는지, 언제 교정해야 하고 하지 말아야 하는지를 이해하는 것이 필수적입니다.

시스템 설계

교정에서 흔한 문제 중 하나는 부적절한 선택 시스템 설계입니다. 많은 경우 교정 유체가 스트림 선택 밸브 시스템 다운스트림에, 더블 블록 앤 블리드(DBB) 구성(그림 1 참조)의 이점 없이 도입됩니다. 교정 유체를 도입하기 더 좋은 장소는 샘플 스트림 선택 시스템을 통하는 것입니다(그림 2 참조). 샘플 스트림 선택 시스템의 목적은 교차 오염 위험 없이 샘플 스트림을 신속하게 교체할 수 있게 하는 것입니다. 그림 1과 2에서 샘플 스트림 선택 시스템의 각 스트림은 두 개의 블록 밸브와 블리드 밸브로 구성되어 한 번에 한 스트림만 분석기로 향하도록 보장합니다.

수년간 스트림 선택 시스템은 기존 구성품으로 구성된 DBB 구성에서 모듈러, 미니어처 시스템으로 진화했습니다. 가장 효율적인 시스템은 빠른 퍼지 시간, 낮은 밸브 작동 압력, 향상된 안전 특성을 높은 유량 용량과 스트림 간 일관된 압력 강하와 함께 제공해 분석기까지 예측 가능한 전달 시간을 보장합니다.

스트림 선택 시스템은 교정 유체가 샘플 스트림으로 누설될 가능성에 대한 최대의 보험을 제공합니다. 그럼에도 일부 기술자는 이 어셈블리를 우회해 교정 유체를 분석기 최대한 가깝게 배치해 유체를 절약하려 합니다. 그림 1처럼 단일 볼 밸브만 사용하면 교정 가스 절약 시도가 편향된 분석기 판독을 초래할 수 있습니다. 분석기가 적절히 교정되었더라도 소량의 교정 가스가 샘플 스트림으로 누설돼 측정을 왜곡할 위험이 항상 있습니다.

그림 1. 이 구성에서 교정 가스는 DBB 어셈블리 이점 없이 스트림 선택 시스템 다운스트림에 도입됩니다.

그림 2. 이 구성에서 보여주듯 교정 가스는 DBB 어셈블리가 오염 위험을 방지하는 샘플 스트림 선택 시스템을 통해 도입하는 것이 최선입니다.

일부 애플리케이션에서는 미국 환경보호청(EPA)이 교정 유체를 샘플링 시스템 초기에, 보통 프로브 근처에 도입하도록 요구합니다. 이유는 교정 유체가 샘플 스트림과 동일한 모든 변수를 겪어야 하기 때문입니다. 이는 프로브에서 분석기까지 샘플 이동 시간을 공정하게 추정하므로 타당합니다. 일반적으로 이 기간은 과소평가되거나 알려지지 않은 경우가 많습니다.

그러나 교정 유체가 전체 샘플링 시스템을 통과하려면 상대적으로 많은 양이 필요합니다. 많은 시설이 이 옵션을 사용할 수 없는 것은 당연합니다. 좋은 타협안은 스트림 선택 시스템을 통해 교정 유체를 흐르게 하고 한 스트림을 유체 전용으로 할당하는 것입니다. 이 구성은 교정 유체가 샘플링 스트림에 오염되지 않고 분석기에 도달할 최상의 기회를 제공합니다. 사용하지 않을 때 두 블록 밸브가 유체가 샘플 스트림을 오염시키는 것을 방지합니다. 미니어처 모듈러 플랫폼에서는 필요한 교정 유체 양이 최소화됩니다.

교정의 한계

분석기를 효과적으로 교정하려면 운영자, 기술자, 엔지니어는 이론적으로 교정이 무엇인지, 무엇을 교정할 수 있고 무엇을 교정할 수 없는지 이해해야 합니다.

공정 분석기는 정밀해야 합니다. 알려진 양의 교정 유체 형태로 제시될 때 반복 가능한 결과를 내야 합니다. 공정 분석기가 반복 가능한 결과를 반환하지 않으면 분석기가 오작동하거나 시스템이 샘플을 일정한 조건으로 유지하지 못하는 것입니다. 교정은 부정확함(imprecision)을 교정할 수 없습니다.

공정 분석기가 일관된 결과를 내지만 결과가 교정 유체의 알려진 조성과 다르면 분석기는 부정확하다고 합니다. 이 상황은 교정을 통해 해결할 수 있고 해결해야 합니다. 이를 바이어스(bias) 교정이라고 합니다.

그러나 공정 분석기가 교정 유체 테스트 시 정밀하고 정확하더라도, 샘플 스트림 분석 시 부정확한 결과를 낼 수 있습니다. 분석기에 붉은 분자를 세라고 했는데 분홍 분자를 만나면 어떻게 될까요? 분홍 분자가 분석기에 붉게 보이므로 붉은 것으로 세어 붉은 카운트가 부풀려집니다. 이를 양의 간섭(positive interference)이라고 합니다. 예를 들어 프로판 분자를 세도록 설계된 공정 분석기 시스템에서 프로필렌 분자가 나타날 수 있습니다. 분석기가 둘을 구별하도록 구성되지 않아 프로필렌을 프로판으로 셀 수 있습니다.

어떤 공정 분석기도 완벽하지 않지만 모두 선택성(selectivity)을 위해 구축됩니다. 일부 공정 분석기는 더 복잡하고 특정 유형의 간섭을 화학적으로 억제하도록 프로그래밍됩니다. 예를 들어 총유기탄소(TOC) 분석기는 폐수 탄소 함량을 측정해 탄화수소가 부적절하게 폐기되는지 판단합니다. 이를 정확하게 하기 위해 양의 간섭 원천인 무기 탄소(석회석 등)를 제거합니다. 경수에 존재하는 무기 탄소입니다. 이 초기 단계 없이는 공정 분석기가 유기 및 무기 탄소를 모두 측정해 탄화수소를 경수와 혼동합니다.

또 다른 간섭 유형은 음의 간섭(negative interference)입니다: 세어져야 할 분자가 다른 분자에 가려져 세어지지 않습니다. 예를 들어 불소화 식수에서 전극으로 물의 불소 양을 분석합니다. 그러나 식수에 흔한 수소 이온이 불소를 숨겨 카운트가 부정확하게 낮아집니다. 분석기는 1 ppm(표준 용량)을 읽지만 실제로는 10 ppm일 수 있습니다. 해결책은 간섭 원천을 제거하는 것입니다. 완충 용액을 도입해 수소 이온을 제거하면 전극이 불소를 정확히 측정할 수 있습니다.

양의 간섭과 음의 간섭, 정밀도와 정확도에 대한 이해로 공정 분석기가 원하는 결과를 내도록 하는 데 직면한 엄청난 과제를 파악하기 시작합니다. 공정 분석기가 원하는 결과를 내지 못하면 교정이 답이라는 쉬운 가정이 있습니다. 하지만 방금 보았듯 교정에는 한계가 있으며 모든 문제를 해결할 수 없습니다.

가스 분석기의 대기 변화 제어

가스 분석기는 본질적으로 분자 카운터입니다. 교정 시 알려진 농도 가스를 도입해 공정 분석기 출력이 올바르게 세는지 확인합니다. 하지만 일부 기후에서처럼 대기압이 5~10% 변하면 어떻게 될까요? 주어진 부피 내 분자 수는 대기압 변화에 따라 변하므로 분석기 최종 카운트도 변합니다.

대기압이 14.7 psia(1 bar.a)로 일정하다는 흔한 오해가 있지만, 날씨에 따라 최대 1 psi(0.07 bar) 위아래로 변동할 수 있습니다. 교정 프로세스가 효과적이려면 교정 중과 샘플 분석 중 샘플링 시스템의 절대 압력이 동일해야 합니다. 절대 압력은 완전 진공 위의 총 압력으로 정의됩니다. 샘플링 시스템에서 게이지로 측정한 시스템 압력에 대기압을 더한 값입니다.

압력이 이토록 중요하다면 어떻게 제어할까요? 일부 공정 분석기, 특히 적외선과 자외선 분석기는 대기압이 판독에 영향을 주게 한 뒤 나중에 전자적으로 보정합니다. 그러나 가스 크로마토그래프를 포함한 많은 공정 분석기는 대기압 변동을 보정하지 않습니다. 사실 대부분의 시스템은 압력 변동을 보정하지 않으며 많은 시스템 엔지니어나 운영자는 이를 무시합니다. 일부는 대기 변동이 유의미하지 않다고 믿습니다. 다른 이들은 대기 변동이 공정 분석기에 영향을 주는 다른 관련 또는 무관 변수들에 의해 보상된다고 주장합니다. 그럼에도 대기 변동은 유의미할 수 있습니다. 분석기 교정 시 대기압이 X였으나 나중에 공정 가스 주입 시 X + 1 psi(0.07 bar)라면 답은 측정된 값의 최대 7%까지 벗어날 수 있습니다.

환경 규제로 대부분의 공정 분석기 시스템은 이제 플레어 스택이나 기타 복귀 지점으로 벤트합니다. 이러한 목적지로부터의 압력 변동이 분석기 업스트림 압력에 영향을 주므로, 에듀터(eductor)와 레귤레이터를 갖춘 벤트 시스템이 이러한 변동을 제어하도록 설계되었습니다. 불행히도 이 시스템들은 대기를 기준으로 하는 레귤레이터를 사용합니다. 결과적으로 이러한 시스템은 벤트로부터의 변동은 제어하지만 대기압 변동은 제어하지 못합니다.

대기압과 벤트 압력 변동 모두를 제어하려면 절대 압력 레귤레이터(absolute pressure regulator)가 필요합니다. 일반 레귤레이터와 달리 절대 압력 레귤레이터는 시스템 내 압력을 날씨에 따라 변동하는 시스템 외 압력(대기압)과 비교하지 않습니다. 대신 전혀 변동하지 않는(또는 매우 적게 변동하는) 일정한 설정 압력과 비교합니다. 종종 이 설정 압력은 실제로 0 psia(0 bar.a)입니다.

검증(Validation) vs 교정(Calibration)

교정의 최적 방법은 통계적 해석을 갖춘 정기적 검증 자동 시스템을 사용하는 것입니다. 검증은 분석기가 목표에 맞는지 여부를 판단하기 위해 정기적 간격으로 분석기를 확인하는 과정입니다. 검증에서는 판독값을 취하고 기록합니다. 교정과 같은 과정이지만 교정은 수행하지 않습니다.

자동 시스템은 보통 하루에 한 번 정기적 간격으로 검증 체크를 실행하고, 조정이나 재교정이 필요한 문제를 나타내는지 결과를 분석합니다. 시스템은 불가피한 위아래 변동을 허용하지만, 스스로 교정되지 않는 측정값의 일관된 드리프트(drift)를 관찰하면 운영자에게 시스템이 잘못될 수 있음을 경고합니다.

사람도 자동 시스템처럼 정기적 간격으로 시스템을 수동 검증할 수 있지만, 시스템이 1%만 벗어나도 분석기를 조정하는 경우가 많습니다. 결과는 가끔씩 사소한 조정 시리즈로, 추가 변동을 도입해 추세 분석과 시스템이 진정으로 궤도를 벗어난 시점 판단을 어렵게 만듭니다. 통계적 분석 결과가 주의가 필요함을 시사할 때까지 자동 시스템이 무인 상태로 실행되도록 하는 것이 더 낫습니다.

결론

교정은 중요한 프로세스이자 분석 시스템의 절대적 요구사항이지만, 이 프로세스를 적절히 수행하도록 주의를 기울여야 합니다. 운영자, 기술자, 엔지니어는 교정 가스를 시스템에 도입하는 최적의 방법과 가스 분석기의 대기 변동 제어 방법을 이해해야 합니다. 또한 교정의 한계(해결할 수 있는 문제와 없는 문제), 단일 교정에 기반한 분석기 빈번 조정이 오류를 도입하는 방식을 이해해야 합니다. 공정 분석기가 자동 시스템으로 정기적으로 검증되고 통계적 분석이 정당화할 때 적절히 교정된다면, 교정은 제 기능을 수행해 분석기가 정확한 측정을 제공하도록 하는 중요한 역할을 할 것입니다.