온도 트랜스미터

기술자료 [기초지식]

온도 전송기에 대하여

플랜트의 정상 운전을 위하여는 프로세스상에 있는 많은 제어점을 유효 적절히 감시, 제어할 필요가 있습니다.
최근에는 전자산업의 급속한 발전에 힘입어 고정도, 다기능을 보유한 SMART TYPE의 많은 전송기, 조절기등이 발표되어 계장업무의 시간, 노력등을 절감할 수 있게 되었습니다.
본고 에서는 상기의 각종 전송기중 온도 전송기에 관하여 설명하고자 합니다.

프로세스상의 온도 제어가 중요함은 상식이나 현실적으로 무시되어 왔던게 사실입다. 예를 들어 현장에 설치된 반응조(REACTOR)의 온도가 1200 도씨로 운전되고 있고 측정오차가 1% 라면 12도씨의 편차를 보이게 되며 이를 제어하기 위한 불필요한 에너지가 낭비됨은 당연한 일임과 동시에 생산제품의 품질 및 생산량을 결정하는 요소가 되어 결국은 원단위에 영향을 미치게 되고 경쟁력과 직결되게 되어 주지하다시피 요즈음 많은 플랜트에서는 보다 고정도의 계측장비, 기술등의 도입을 추진하고 있는 실정 입니다. 중앙제어시스템에 아무리 첨단의 기술(ACS, 성능향상을 위한 각종 S/W 패키지등등)을 도입한들 기초 데이터가 엉터리라면 문제가 다른 것이죠. 따라서 기초 센서를 생각하여야 할 시점에 있다고 볼수있습니다.
프로세스상의 압력, 유량 및 레벨측정은 거의 대부분 해당 전송기를 사용하고 있으나 온도 측정을 위하여는 대부분 열전대 (T/C)나, RTD를 사용하고 있으며 아직까지도 다음 그림1. 에서 보는 것처럼 SENSOR를 설치하고 보상도선등을 이용, 중앙 제어실까지 배선을 하여 제어하고 있는 것을 우리는 다반사로 볼 수가 있습니다.

그림 1. 재래식의 온도 측정 방법

이렇게 온도 측정을 위하여 지금까지는 보상도선으로 연결할 수밖에 없었으므로 현장의 배선 작업과 중앙 제어실의 배선작업량이 많을 뿐 아니라 장소 또한 많이 차지 하게 되었고 플랜트의 유지 보수 업무 및 증설 작업시에 많은 애로 사항이 되고 있음(연결 포인트가 변경되면 일일이 재 배관하거나 아예 재 포설할 수밖에 없고 이를 위한 새로운 트래이/트랜치등을 확보하여야 한다)은 계장을 취급하는 엔지니어는 다 인지하고 있는 사항입니다.
요즈음 추세인 콤팩트한 플랜트 건설 및 SMART한 중앙제어실 ... 특히 이미 필드 버스 및 인공 지능 기법의 도입을 시도하는 첨단과는 동떨어진 느낌이 들수 밖에 없는것이죠.
현재 현장에서 사용하고 있는 아나로그 지시계 형태의 저가 온도 전송기는 상기의 온도 편차를 고려하지 않아도 되는 프로세스에서는 이미 사용되고 있으나 고정도의 프로세스에서는 온도센서, 보상도선, 및 현장형 지시 온도계가 아직도 보편적 인 설계 개념으로 되어있습니다.

그럼 여기서 의문이 생기는데 왜 지금까지 SMART한 전송기를 사용하지 않고 고전적인 방법이 사용되고 있는가 ? 하는점입니다.

개인적인 생각이지만 다음 이유가 아닐까 생각됩니다. ??

온도를 측정하는 열전대나 측온저항체는 극히 미약한 신호를 다루며, 이를 계장 표준신호인 4 ~ 20mA로 변환하기 위하여는 특히 열전대 센서인 경우 주변 온도 보상 문제 ( Cold Junction Reference )가 생기는데 광범위한 주변온도 범위에서( 현장에서 일어날 수 있는 - 40°C ~ + 85°C 이상 보상) 안정적으로 동작할 수 있어야 하고 주변의 각종 외란, 노이즈 및 특히 프로세스 상에 상존하는 진동(Vibration)에의한 입력배선의 접촉 불량 방지등의 기술적인 문제 및 시장 원리라 할 수 있는 경제성 문제로 상품화가 되지 않았던 것이 아닐까요?? 또한 재미있는 현상은 미국이나 유럽에서는 온도 전송기가 보편화되었지만 우리현실은 그렇지 않다는것이죠. 결국 베이직 디자인을 누가 하였는가? 라는 질문인데 일본 디자인은 철저히 고전적인 방법을 고집한다 이유는 아마도 일본내의 온도 전송기 제조사가 적은데 있는게 아닐까?? (현장형 전송기는 요코가와 뿐인데 (야마다께사는 OEM제품이고, M-system은 현장형은 생산이 않되고) 생산되는 전송기는 아시다시피 질적인 문제로 잘 사용하지 않는다. - 국내에서도 정확도 및 계절에 따른 온도 편이 문제로 필자가 자문을 한 경우도 많다.) 아니면 보상도선 제조사의 로비 일까?? 여하튼 우리 같은 계장 엔지니어는 최상의 제품을 발굴하고 이를 현장에 적용 경쟁력을 높이는게 결국 애사(愛社)요 애국(愛國)이 아닐까?? 그런 의미에서 프로세스의 정확도 및 제어의 품질을 높일 수 있다면 과감히 개선하여야 할 것입니다. 특히 지금처럼 회사의 구조조정이니, 국내시장의 여건이 어려울 때는 해외로 진출하여야 하는데 원단위를 올릴 수 있어야 하고 품질과 가격을 맞출 수 있어야할 때일수록 기본적이고 최저의 경비로 최고의 효과를 낼 수 있는길을 찾아야 하는게 계장인의 의무라고 생각 합니다.

그럼 지금부터 온도 전송기를 사용하는 경우에 대하여 고찰 하여 봅니다.

그림 2-1 에 통상적인 방법을 보이고 그림 2-2 에 이를 온도 전송기로 대체한 경우를 나타 내었습니다.

현장 지시계가 부착된 온도 전송기를 사용하면 그림에서 보는 것처럼 파이핑 작업도 줄고 신호배선도 일반CVVS 다심 케이블을 사용하여 중간에 JUNCTION BOX 를 경유하여 신호를 전송할 수 있으므로 향후 유지 보수, 점검 및 증설시 유연성이 뛰어 남은 자명합니다. 물론 Cabinet Room의 Marshalling Panel도 대폭 감소되며, 시스템 디자인도 심플하게 됩니다 (전모듈을 4~20mA신호로 통일하므로, 디자인 유지보수용 Spare Parts확보문제등등).

제품군을 비교할 때는
1) mV, Ohm, T/C, RTD를 동시에 처리하는 범용 모델인지?
2) 주변온도 보상의 범위는 ?? ( -30 도씨에서 80도씨 는 되어야 한다)
3) 선형화, BURN-OUT, FILTERING 기능등이 내장되었는지 ?
4) 정확도, 분해능,재현성 및 주변온도에 따른 DRIFT양이 목적에 합치하는지?
5) 설치 실적은 많은지?
6) 주변의 외란, 써지등등엔 강한 제품인지 등등이 되겠지요
7) 온도전송기(TT)는 저레벨신호를 처리하므로 필히 써지프로텍터타입을 사용하시는 것이 향후 Maintenance를 줄일 수 있고 보다 정확한 신호를 전송할 수 있다는점도 명심하여야 합니다.
참고로 국내에서 판매되고 있는 회사들은 Moore Industries, Fisher-Rosemount, Honeywell, Foxboro, Yokogawa등입니다.

다음에 "이병로"씨가 "이병로의 홈페이지(www.brl.pe.kr)"에 기고한 내용을 발췌하였습니다. 많은 도움이 되었으면 합니다.
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온도측정포인트와 DCS와의 루프 구성에 대하여서는 설치환경에 따라 그 최적의 솔루션이 달라질 수 있으나 일반적인 관점에서 또한 저의 경험으로 말씀드리자면, 결론적으로 말하자면 TT를 사용하시는 것이 바람직하다고 생각합니다.
물론 Temperature Transmitter의 가격이 조금 부담이 된다고 일반적으로 생각합니다만 다음과 같은 이유로 TT의 가격은 종합적인 비용부담면에서 문제가 되지않고 오히려 더 경제적임을 알수있습니다.

온도센서에서 DCS등으로 Low Level Signal (mV, ohm등)를 직접 연결할 때

1. 온도센서(T/C 및 RTD)에서부터 수신기기(Receiver; DCS I/0)까지의 보상도선등 케이블 가격과 설계시 High Level Signal (4-20mA) 케이블과 분리 설계하여야 하는 단점

2. DCS의 T/C과 RTD등 Low Level 신호를 받은 I/O Card는 High Level 신호(4-20mA)를 받는 I/O Card보다 고가(高價)인점.

3. 제어실내에서의 Marshalling Panel(Cabinet)등 시스템 케비넷내에서 신호선들의 배선들을 분리 처리되도록 설계하여야 하며 프로세스의 유닛트별 또는 공정별 신호선들의 처리가 어렵다는점 (이는 결국 제어실내에서 Maintenance가 복잡해지는 것을 의미함.)

4. Low Level신호가 현장에서부터 제어실까지 배선되어 있는 현장의 조건에 따라 노이즈등 외란에 신호가 노출되기 쉬우며 제어실내에서 또한 워키토키등의 무전기에 의해 Malfunction을 일으키기 쉬운점.

5. Low Level 신호가 여러단계의 단자대를 거치면서 신호의 정확도가 떨어질 요인을 많이 가지고 있는점.

6. 대부분의 DCS는 Low Level I/O Card들에 대해서는 Redundancy(이중화)옵션을 제공하지 못하는 점.

7. 대부분의 Low Level DCS I/O Card들은 각각의 Channel(Point)들에 대해 Calibration이 곤란하다는 점. 이는 정확도를 요구하는 프로세스인 경우 정밀한 제어에 치명적인 경우가 된다는 점.

8. DCS의 I/O Card의 종류가 많아 진다는 점. 4-20mA AI card, T/C AI Card, RTD AI card. 이는 보유하여야할 DCS I/O card의 Spare 수량이 증가되는 요인이됨. Maintenance의 복잡성 증가요인.

이러한 여러가지 단점 및 문제점을 보완하고자 최근에는 온도 측정 루프에 현장설치용 TT를 사용하는 것이 추세로 되어있습니다. 상기와 같은 문제점 및 비용들을 고려하여 볼때 TT를 사용하는 것이 오히려 경제적임을 알수 있습니다. Maintenance를 고려하면 더욱 그러하구요.

TT를 사용하였을때의 장점은 상기사항들의 반대가 그 장점이 되겠지요. 단지 단점은 TT가격 자체가 조금 비싸다는것과 현장에 TT를 설치하여야 하는 점이 있습니다만 이는 루프구성상의 모든 사항들을 (케이블, 배선관계, DCS I/O Card, 신호의 신뢰도..등등) 종합하여 그 경제성을 판단하는 것이 올바른 비교가 되겠지요.

정확도면에서는 우선 DCS의 Low Level Signal Input Card의 분해능 및 정확도와 TT의 분해능 및 정확도에 따라 결정되어 질수 있으며 루프상의 신호 손실은 상식적으로 High Level Signal의 배선이 Low Level Signal의 경우보다는 당연히 적겠지요 (더구나 귀하의 적용 현장의 배선길이가 500미터 정도된다면 더욱 그러합니다). 따라서 TT의 사용시에는 적용 프로세스에 따라 그 요구하는 수준의 TT를 선정하여야 겠지요.

어느정도 답이 되었는지 모르겠네요. 혹시 저의 견해와 달리하시는 분이 계시면 글을 올리시기 바랍니다. 이견 및 보완설명 또는 좀더 좋은 의견 환영합니다.
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