Pressure Instrument

1. 압력

 

1.1 정의 : 단위면적 당 힘의 크기.

 

1.2 기준

절대압력 -- 완전한 진공상태를 0이라고 하고 이것을 기준으로측정한 값 (반드시 단위 끝에 abs를 첨자)

게이지압력 -- 대기압을 기준으로 한 값

절대압력 = 대기압 + 게이지압력

 

2. Pressure Element

 

2.1 Manometer  

 

2.1.1 원리

Liquid Head에 의한 중력과 균형이 되게 하여 미지의 압력을 측정.

 

2.1.2 용도

차압이나 Liquid Head의 측정에 사용됨. 아직도 진공에서 1000 mmHg 까지의 압력 측정에는 Standard로 삼고 있다.

 

2.1.3 Manometer에 사용되는 유체

비중(1.0~13.6), 비부식성, 안정되고 독성이 없으며 측정할 유체와 섞이지 않는 액체.

 

2.1.4 특성

장점

    - 정밀도 가 높아 탄성식 압력계의 교정용으로 사용

    - 구조가 간단하고 내구성이 있으며 취급이 용이

    - 미압, 진공, 차압을 정밀 측정 가능

단점

    - 휴대하기가 곤란하고 사용 시 Leveling이 필요

    - 진동이나 먼지가 많은 곳은 곤란, 반드시 수직 설치

  - 온도, 밀도의 변화, 측정 장소에 따른 중력 변화, 모세관 현상에 대한 보정 필요

 

2.1.5 Two Basic Designs

 

1) Liquid Manometer

A. Visual Type : 정압, 혹은 압력이 낮을 때 사용

B. Float Type : 고압, 원격지시가 필요할 때 사용

 

2) Liquid-Sealed Manometer

 

2.2 Bourdon Tube

 

탄성변형요소로 알려진 Pressure Sensor중의 하나로서 가장 널리 이용되고 있다.

 

2.2.1특성

장점 - Low Cost, 간단한 구조, 긴 수명, 높은 Pressure Rang

      - 낮은 압력을 제외하고 Cost에 비해서 높은 정확성

     - 전기적 출력을 얻기 위한 Transducer Design에 쉽게적용됨.

단점 - Spring의 변화율이 작고 50 psi이하에서는 정확도가떨어짐

      - 큰 Overhang으로 인한 Vibration과 Shock를 받기 쉽고 Hysteresis 즉 되돌아 올 때 같은 Path를 통해서

        원래의 위치로 되돌아 오지 않는 현상이 일어나기 쉽다.

 

2.2.2  Types

 

1) C-Type Bourdon

Tube에 압력이 가해지면 Tube가 밖으로 퍼지려는 경향을 가지게 되고 이 힘으로 인하여 pinion이 움직이므로 pointer가 움직이게 된다.- 전형적인 Force Balance Transmitter Indication용으로 주로 이용되고 압력 전송과 제어에 많이 이용된다.

 

 

2) Spiral Type Bourdon

C-type Free-End Movement가 필요한 운동을 할만큼 충분히 크지 못할 때 이용됨. 큰 운동을 얻을 수 있으므로 증폭은 필요 없음.

 

3) Helical Type Bourdon

Pointer는 Connection Link에 의해 Shaft로 부터 구동된다.

Spiral Type보다 더 큰 증폭을 가짐. 높은 압력에 Service될 수 있다.

 

2.3 Bellows

 

2.3.1원리

Bellow를 수압 소자로 하여 피측정 압력과 Bellow의 유효 면적과의 관계에서 발생하는 힘과 Spring의 종합 탄성에서 얻어지는 변위를 중개 하여 압력 측정

 

2.3.2특성

Bourdon에 비해 출력이 크므로 저압에 적합

Bourdon에 비해 정밀도가 높다

Drift와 Hysterisis를 감소시킴.

 

2.3.3적용

절대압력, 게이지압력, 차압측정에 이용. Pneumatic System 의 Receiver와 Controller의 Receiver Element에 가장 많이 사용.

 

2.4 Diaphragm

 

2.4.1원리

Bellow와 비슷, 압력이 Diaphragm에 전달되면 그 Pressure에 비례해서 팽창하게 된다. Bellow에서 처럼 Calibration된 Spring은 필요 없다.

 

2.4.2특성

Botton Diaphragm이 15,000 psig까지 쓰이는 것을 제외하고 일반적으로 감도가 높기 때문에 낮은 압력 범위에서 이용된다. 큰 변위에 대해서 hystersis를 발생하기 쉬우므로 확대기구 설치 요구 됨

2.5 Electronic Type

 

2.5.1특성

Cost가 비싸지만 다른 Element보다 매우  반응시간이 빠르고 정확성이  높으며 Drift, Friction, Hysteresis현상들이 없다.

 

2.5.2 Electric Devices

1) Strain Gauges

측정압력에 의한 Strain(가해진 힘에 의해 재료의 형태가 변형 되는 것)하에서 Wire의 전기 저항의 변화를 측정하는 것( Bonding Material이 팽창, 수축에 대한 온도 보상이 필요 ). 압력 이외에 Torque, 무게, 속도, 가속도 측정에도 이용됨.

 

Type :

a. Bonded Gauge - 장력, 압축에 모두 적용 가능

b. Unbonded Gauge - 장력에만 적용되며 측정할 수 있는

변위를 만들기 위해 필요로 하는 힘은 Member의

Additional Stiffness때문에 Bonded Gauge가 Unbonded

Gauge 보다 큼.

Wire재질 :

Gauge Factor, 저항, Gauge Factor의 열계수(Thermal Coefficient), 저항의 열계수 및 안정성 등이 고려되야 함.

 

2) Other Electrical Type

LVDT ( Linear Variable Differential Transformers )

Variable Relucrance Type

Variable Impedence Type

Capacitance Type

Piezoelectric Type

 

2.6 기타 압력 측정 방법

 

2.6.1 Deadweight Piston Gauge

 

2.6.2 High Vacuum 측정 기술

 

1) McLeod Gauge

2) Ionization Vacuum Sensors

3) Thermal Vacuum Sensors

 

3  Pressure Gauge

 

3.1 적용

Local Pressure Indicator로 이용됨

 

3.2 Type

(1) Direct reading : Process 접속부 위에서 바로 보는 Type

(2) Receiver : Pneumatic Transmitter에 접속하여 Air Pressure의 측정시 사용한다. 즉 Pneumatic Transmitter의 Local Indicator라 할 수 있다.

 

3.3 Sensing Element Types

(1) Bourdon : Bourdon Tube의 팽창을 이용한 것으로 일반 게이지 압력을 측정할 때 많이 사용된다.

(2) Bellows : 미압, 차압 및 절대압력 측정하기 위한 Element.

(3) Diaphragm Seal Type : 절대압력, 부식성, 점도가 높은 유체에 적용한다.

 

 

3.4 Blow-Out  Protect

(1) Back   :고압으로 인한 Sensor의 파손 시 전면으로 터지는 것을 방지하기 위해 후면에 Packing Hole이 있는 Type.

(2) Disc   :고압으로 인한 Sensor의 파손 시 후면의 Back Plate Blow Out 되는 Type.
상기의 방법들은 일반적으로 4kg/cm2g이상의 압력계에 사용한다.

(3) Solid front   : 고압 적용 시 Measuring Element와 Window사이에 금속벽을 설치하는 Type.

 

4. Pressure  & Differential Pressure Transmitter

 

4.1 Type

 

(1) Smart :

Range 및 각 종 Data (Set Point, Unit등)를 일정범위 내에서 변경할 수 있도록 Data Communication 이 가능한 Transmitter로써 많이 사용되고 있다.

(2) Conventional     :

Range 및 각 종 data가 Setting되어 있는 일반적인 Transmitter type

 

(3) Pneumatic :

공기식 Transmitter를 사용하는 경우.

 

4.2 Element Type

(1) Diaphragm : 가장 많이 사용되는 Element

(2) Bellows : 미압용으로 간혹 사용되고 있으나 현재는 거의 사용되지 않고 있다.

                기타 Type의 경우 거의 사용되지 않는다.

 

4.3 Diaphragm Seal type

 

주로 대기압Tank Level 측정 및 High Viscosity에 이용된다.

Diaphragm이 Nozzle에 삽입되는 정도에 따라 다음과 같이 나뉜다.

(1) Flush : 일반적인 유체에 적용하는 Diaphragm Type.

(2) Extended : Diaphragm이 Connection Flange의 표면보다 돌출된 Type으로 Slurry성 유체 등에 사용한다.
Extended된 길이는 Nozzle의 높이에 따르나 50, 100, 150mm 이 3종류가 주로 쓰인다.

4.4 Seal Fluid

 

Diaphragm Type 경우 Process 온도 조건에 따라 Fill Fluid가 달라진다.

Maker Standard로 처리하는 것이 좋으며,주로 Silicone이 쓰인다.

 

4.5 Capillary

 

Remote diaphragm seal type transmitter에서 nozzle까지의 거리를 고려하여 필요 길이를 선정한다.

보통 10m이내로 사용하며 짧을수록 error가 적다. 재질은 316ss주로 사용하며 armor mat’l은 capillary와 동일하게 하는 것이 일반적이다.

 

 

5. Pressure Switch

 

5.1 적용

Indicator대신 전기적 접점이 있는 Gauge로서, 미리 정해진 Pressure Setting에서 Alarm이나 Control Function을 수행하도록 전기회로를 열고 닫는데 이용.

 

5.2 Switching Mechanism

Snap-Acting Microswitch, Mercury Switch

 

5.3 Switch 이용 및 선택

A. Adjustable Range : 동작점을 조절할 수 있는 Pressure Range

B. Set Point : 전기회로를 여닫는 Switch를 동작시키는 압력

C. Deadband : Set Point 와 복귀점(Reactuation Point) 과의 차이

D. Tolerance : 복귀점이 반복될 수 있는 정확성

 

6. 압력 측정장치의 Accessory

 

경제적 이유나 동작의 편의를 위해 Accessory가 Pressure Element와 함께 이용되며, 압력의 맥동, 부식성 유체, Slurry나 Stream특성에 기인되는 어려움을 극복하는데 목적이 있다.

 

6.1 Chemical Seals

 

6.1.1원리

압력계기에 대한 보호 장치로 Process Pressure가 Diaphragm에 작용하고 Seal Liquid에 의해 직접 전송되거나 Capillary Tubing에 의해 멀리 연결될 수 있다. Diaphragm에서 Element까지 의 공간은 온도에 안정한 액체로 채워진다.

 

6.1.2목적

Process 유체가 Sensing Element까지의 경로를 막을 때, 부식에 견딜 수 있는 물질이 구하기 어렵거나 너무 비싼 곳, Element에서 Process의 유체가 환경이나 주위 온도의 변화에 기인하여 동결 현상이 생기는 곳

 

 

6.1.3 제약 조건

Seal 자체의 Volumetric Capacity가 온도 변화에 의해 유발되는 error를 감소하도록 최소로 유지하되 필요로 하는 위치 변위나 운동을 통해서 Element를 동작시키기에 충분한 Volumetric Capacity를 가져야 한다.

 

6.1.4 Seal Types

 

(1) Standard Seals (Diaphragm Seal): Top and Bottom Housing, Diaphragm Assembly로 구성. 대부분의 Diaphragm Seal은 seal의 Full-Rated Pressure인 약 2,500 psig 까지는 Rupture-Proof이다.    

 

(2) Volumetric Seal : Seal Element가 적합한 Sealing Fluid로 채워진 모세관에 의해 Pressure Element와 연결된다는 점이 Standard와 다르며 같은 원리로 작동한다. Process Fluid가 집중되는 Dead-End Cavity를 줄이거나 없애 줌.

 

6.1.5 Fill Fluid

Glycerin, Silicone, Halocarbon 등이 쓰이나 Silicone의 경우 Vacuum 측정 시에도 사용할 수 있어서 가장 많이 쓰이고 있다.

 

6.2 Pulsation Dampeners or Snubbers(파동 감쇄기 or 완충기)

 

6.2.1원리

Element가 상대적으로 느린 움직임으로 반응하도록  Restriction Device에 의하여 Flow에 대한 충분한 저항을 발생시켜 Element에 걸리는 압력이 충분히 느리게 변화하도록 한 장치.

6.2.3목적

Pressure Cycling이 주기적으로 발생하여 측정 Sensor에 손상을 일으키는 것을 방지하거나 Pressure Surge가 커서 Pressure Element에 손상을 입히거나 불필요한 마모를 발생시키는 것을 방지.

 

6.3 Pigtail Syphons

 

Mixed-Phase 조건에서 기인되는 불안정을 막기 위해 응축 가능한  증기를 쓰는 곳에서 Liquid Seal을 형성하도록 한 장치

Vapor가 응축하도록 뜨거운 Stream에서 충분히 떼어 놓음으로써 측정 Element 로부터 뜨거운 Vapor를 격리시키도록 한 장치.

 

6.4 Gauge Union

Gauge의 방향을 자유로이 돌릴 수 있도록 하기 위

한 장치. CS, 304SS나 316SS 사용 대부분 채택하는 Option이다.

 

6.5 Gauge Saver

어떤 압력원은 측정하는 통상 압력 범위를 때때로 벗어나서 높은 압력에 도달할 수가 있다. 이러한 높은 압력은 측정할 필요는 없으나, 압력계를 파손 시킨다. Gauge Saver 는 어느 한도 이상의 압력이 걸리면 그 압력에 의하여 자동적으로 도압공을 막아 주고, 압력이 하강하면 다시 도압공을 열어 주는 구조로 되어 있어 압력계에 과도한 압력(통상 최고 눈금)이 가해지는 것을 방지한다.