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산업계측제어기술사

Lessons In Industrial Instrumentation, Chapter 20

Chapter 20. Continuous Level Measurement

용어 정의 → 용어 간 관계 → 스토리 → 현장 적용

1. Chapter 20 전체 흐름

용기 안에 들어 있는 유체의 높이를 어떻게 측정할 것인가?
직접 관찰 → 위치 측정 → 정수압 측정 → 보상 → 밀도 계산 → Interface 측정

Level measurement는 액체의 높이를 직접 보는 것에서 시작한다. 가장 단순한 방법은 Sight Glass이다.

다음으로 Float를 이용하여 액면의 위치를 검출하고, 액체의 높이가 만드는 정수압을 이용하여 pressure transmitter로 level을 측정한다.

P = ρgh

실제 공정에서는 gas pressure, transmitter 설치 높이, wet leg, density 변화, liquid-liquid interface 등의 영향도 함께 고려해야 한다.

Sight Glass → Float → Hydrostatic Pressure → DP Compensation → Density Compensation → Interface Measurement

2. 용어 정의

2.1 Sight Glass / Level Gauge

Sight Glass는 vessel 내부의 액면을 외부에서 직접 볼 수 있도록 만든 가장 단순한 level measurement 장치이다.

기본 원리는 연결된 유체의 압력 평형이다.

Vessel 내부의 유체 구조 ≈ Sight Glass 내부의 유체 구조

단일 액체의 경우

Vessel에 물과 공기가 있다고 하자.

위쪽 유체

Air
아래쪽 유체

Water

Sight Glass도 위쪽은 air, 아래쪽은 water와 연결되어야 vessel과 동일한 액면을 나타낸다.

Upper Connection = Air

Lower Connection = Water

Liquid-Liquid Interface

Oil과 Water처럼 서로 섞이지 않는 두 액체가 있다면 관심 대상은 전체 액면이 아니라 두 액체의 경계면이다.

Light Liquid
↓
Interface
↓
Heavy Liquid

Sight Glass에도 같은 두 액체의 구조가 형성되어야 한다.

Upper Nozzle = Light Liquid

Lower Nozzle = Heavy Liquid

따라서 단일 액체 level과 liquid-liquid interface는 본질적으로 같은 원리이다.

측정하려는 경계면의 위쪽 유체와 아래쪽 유체를 Sight Glass에도 동일하게 연결해야 한다.

Sight Glass의 현장 문제

  • 내부 오염 시 육안 판독이 어려워진다.
  • 항상 깨끗한 상태를 유지해야 한다.
  • Glass tube는 thermal shock 또는 mechanical shock에 의해 rupture될 수 있다.
  • 고온·고압 공정에서는 재질과 구조에 주의해야 한다.
  • Interface 측정에서는 nozzle 위치가 잘못되면 오차가 발생한다.

Magnetic level gauge에서는 magnetic float와 High / Low magnetic switch를 추가하여 remote indication 또는 alarm 기능을 구성할 수 있다.

2.2 Float Level Measurement

Float 방식은 액면 위에 뜨는 물체의 위치를 이용한다.

Liquid Level → Float Position

액면이 올라가면 float도 올라가고, 액면이 내려가면 float도 내려간다.

Guide Wire

Tank 내부에 turbulence가 있으면 float가 좌우로 흔들릴 수 있다.

Guide wire는 float의 움직임을 수직 방향으로 제한한다.

Turbulence → Float 흔들림 → Guide Wire → 수직 이동 유지

Tape 방식

Float 위치를 tape 또는 mechanical linkage를 이용하여 외부 indicator로 전달할 수 있다.

그러나 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다.

  • Friction
  • Tape 늘어남
  • Mechanical wear
  • Sticking

Ultrasonic과의 구분

Float

액면을 따라 움직이는 물체의 위치 측정
Ultrasonic

음파 왕복시간을 이용한 거리 측정

두 방식 모두 level을 측정하지만 측정 원리는 서로 다르다.

2.3 Hydrostatic Pressure

정지한 액체는 자신의 무게 때문에 압력을 만든다. 이를 정수압이라고 한다.

P = ρgh

Specific weight를 사용하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

P = γh
γ = ρg
기호 의미
P Hydrostatic Pressure
ρ Liquid Density
g Gravitational Acceleration
h Liquid Height
γ Specific Weight
정수압은 용기의 모양보다 액체의 밀도와 수직 높이에 의해 결정된다.
P ∝ ρh

같은 액체라면 density가 거의 일정하므로

P ∝ h

관계를 이용해 bottom pressure로부터 level을 계산할 수 있다.

2.4 Bubbler System

Bubbler는 purge gas를 dip tube를 통해 액체 속으로 천천히 공급하고, tube 내부에 형성되는 back pressure를 측정한다.

Bubbler는 bubble의 개수를 측정하는 장치가 아니다.

낮은 유량으로 bubble이 계속 발생하도록 만든 뒤 그때 형성되는 gas back pressure를 측정한다.

Dip tube 끝의 깊이가 h이면 그 위치에서의 hydrostatic pressure는 다음과 같다.

P = ρgh

Bubble이 tube 끝에서 빠져나가려면 gas pressure가 liquid pressure보다 약간 커야 한다.

Purge gas flow가 충분히 작다면

Ptube ≈ ρgh

로 볼 수 있다.

Bubbler의 동작 흐름

Purge Gas Supply → Pressure Regulator → Flow Restriction → Dip Tube → Bubble
Back Pressure → Hydrostatic Pressure → Level

Sight Feed Bubbler와 Rotameter

Tank 내부 dip tube 끝의 bubble은 운전자가 직접 보기 어렵다.

그래서 purge gas가 실제로 흐르고 있는지를 별도의 장치로 확인한다.

장치 / 위치 역할
Sight Feed Bubbler Purge gas가 흐르는지 bubble로 직접 확인
Rotameter Purge gas flow rate 확인
Dip Tube End Purge gas가 process liquid로 실제 배출
Pressure Transmitter Back pressure 측정

Purge Flow가 너무 크면 안 되는 이유

Gas flow가 너무 커지면 tube 내부에 friction pressure가 추가된다.

Pmeasured = ρgh + Pfriction

이 경우 transmitter는 실제보다 높은 pressure를 측정하고, level도 실제보다 높게 표시할 수 있다.

Bubbler의 핵심은 많은 purge gas가 아니라 작고 안정적인 purge flow이다.

Bubbler의 장점

Pressure sensor가 process liquid와 직접 접촉할 필요가 없다.

  • Highly corrosive liquid
  • Sample port가 막히기 쉬운 liquid
  • Pressure sensor와 직접 접촉시키기 곤란한 liquid

Pressure sensor diaphragm은 flexible해야 하므로 사용할 수 있는 재료가 제한될 수 있다.

반면 dip tube는 움직일 필요가 없기 때문에 process liquid에 견딜 수 있는 다양한 재료를 사용할 수 있다.

2.5 Transmitter Suppression and Elevation

Pressure transmitter의 설치 위치가 process connection과 다르면 transmitter가 보는 pressure에 offset이 발생할 수 있다.

Level 0% ≠ Transmitter Pressure 0

따라서 실제 설치조건에 맞게 LRV와 URV를 설정해야 한다.

  • LRV: Lower Range Value
  • URV: Upper Range Value

예를 들어 transmitter가 process connection보다 위에 있고 capillary 안에 fill fluid가 존재하면, fill fluid column 때문에 0%에서도 negative pressure가 발생할 수 있다.

설치 높이 차이 → Hydrostatic Offset → LRV / URV 보정

즉 suppression / elevation의 핵심은 설치 높이에 의해 발생하는 hydrostatic offset을 calibration에 포함하는 것이다.

2.6 Compensated Leg System

Closed vessel 내부에는 liquid pressure뿐 아니라 gas pressure도 존재한다.

Bottom pressure만 측정하면

Pbottom = Pgas + ρgh

이므로 gas pressure 변화도 level 변화처럼 나타날 수 있다.

Differential Pressure 보상

DP transmitter의 H측을 vessel bottom, L측을 top gas space에 연결한다.

PH = Pgas + ρgh
PL = Pgas
ΔP = PH – PL
ΔP = ρgh
Vessel gas pressure는 H측과 L측에 공통으로 작용하므로 differential pressure 계산에서 제거된다.

Wet Leg

Top impulse line에 condensate 또는 sealing liquid가 항상 채워져 있으면 Wet Leg라고 한다.

Pwet = γwet hwet

Wet Leg의 density와 높이가 일정하면 이 pressure는 constant이다.

Wet Leg → Constant Hydrostatic Head → Constant Offset → Calibration으로 보정

Remote Seal

Impulse line을 process에 직접 연결하기 어렵거나 Wet Leg 상태 유지가 곤란한 경우 Remote Seal과 capillary를 사용할 수 있다.

Process Pressure → Remote Seal Diaphragm → Fill Fluid → Transmitter

2.7 Tank Expert System

Hydrostatic level measurement의 기본식은

P = ρgh

이다.

따라서 pressure가 증가했다고 해서 level이 증가했다고 바로 판단할 수는 없다.

가능성 1

Level h 증가
가능성 2

Density ρ 증가
Tank Expert System은 Density를 먼저 계산한 다음 그 Density를 이용하여 Level을 계산한다.

세 위치의 Pressure

Ptop = Pgas
Pmiddle = Pgas + ρg(h-x)
Pbottom = Pgas + ρgh

Density 계산

Pbottom – Pmiddle = ρgx

여기서 x는 Bottom과 Middle transmitter 사이의 고정된 높이 차이다.

ρ = (Pbottom – Pmiddle) / gx
두 transmitter 사이의 높이 x는 변하지 않는다.

따라서 이 두 지점 사이의 pressure difference가 변하면 liquid density가 변한 것으로 판단할 수 있다.

Density가 변하는 이유

같은 liquid라도 density가 항상 완전히 일정한 것은 아니다.

  • Temperature
  • Pressure
  • Concentration
  • Composition
여기서 density 변화는 liquid가 증발하여 gas와 섞인다는 의미가 아니다.

Process liquid 자체의 온도, 농도, 조성 등이 변한다는 의미이다.

Level 계산

Density를 구했다면 Bottom과 Top pressure difference를 이용한다.

Pbottom – Ptop = ρgh
h = (Pbottom – Ptop) / ρg
Pressure Difference → Density → Level

2.8 Hydrostatic Interface Level Measurement

서로 섞이지 않는 두 액체가 있을 때 두 액체의 경계 위치를 Interface Level이라고 한다.

Light Liquid
↓
Interface
↓
Heavy Liquid

Bottom pressure는 다음과 같이 표현된다.

P = γ1h1 + γ2h2

왜 Total Level을 고정해야 하는가?

Pressure 하나만 측정하면 pressure 변화가 Interface 변화 때문인지 Total Level 변화 때문인지 구분할 수 없다.

가장 단순한 방법은 Overflow Pipe로 total liquid height를 일정하게 만드는 것이다.

h1 + h2 = Constant

Interface가 Δh만큼 올라가면 Heavy Liquid는 Δh만큼 증가하고 Light Liquid는 Δh만큼 감소한다.

ΔP = (γ1 – γ2)Δh
Interface 이동은 Heavy Liquid와 Light Liquid의 density 차이가 pressure 변화로 나타나는 현상이다.

Compensating Leg 방식

Total Level이 변하는 경우에는 Upper Remote Seal을 이용하여 Total Level의 영향을 보상할 수 있다.

PH = γ1h1 + γ2h2 + γ2h3
PL = γ4h4 + γ2h3

차압을 계산하면 공통항 \(γ_2h_3\)가 서로 상쇄된다.

ΔP = γ1h1 + γ2h2 – γ4h4
Upper Remote Seal보다 위쪽에 있는 liquid column은 H측과 L측에 공통으로 작용하므로 differential pressure에서 제거된다.

Interface Transmitter Span

Interface가 움직이면 Heavy Liquid는 증가하고 Light Liquid는 같은 만큼 감소한다.

DP Span = Interface Span × (Heavy SG – Light SG)

예를 들어

Interface Span = 36 in
SGH = 1.1
SGL = 0.78

라면

DP Span = 36(1.1 – 0.78) = 11.52 inH₂O

3. 용어 간 관계

방식 무엇을 측정하는가? 핵심 관계
Sight Glass 액면 직접 관찰 Vessel과 Gauge의 유체 구조 재현
Float 액면 위치 Level → Position
Hydrostatic 액체가 만드는 압력 P = ρgh
Bubbler Dip Tube Back Pressure Ptube ≈ ρgh
Closed Vessel DP Bottom과 Top Pressure Difference Gas Pressure 제거
Wet Leg L측 Constant Head Constant Offset
Tank Expert System Density + Level ρ 계산 → h 계산
Interface 두 액체의 경계 ΔP = (γH – γL)Δh

Level Measurement의 발전 과정

눈으로 본다 → 위치를 잰다 → 압력을 잰다 → 차압으로 보상한다 → 밀도를 계산한다 → Interface를 계산한다

Hydrostatic Measurement의 핵심

P = ρgh

Pressure가 증가했을 때 두 가지 가능성이 있다.

Density 증가

ρ ↑ → P ↑
Level 증가

h ↑ → P ↑

따라서 Chapter 20 후반부는 이 두 영향을 어떻게 분리하고 보상할 것인가를 다룬다.

4. 하나의 스토리로 이해하기

Step 1. 처음에는 눈으로 본다

Tank 안의 액체 높이를 알고 싶다.

가장 단순한 방법은 vessel 옆에 Sight Glass를 연결하는 것이다.

Sight Glass = Tank 내부 Level의 직접 재현

Step 2. 눈으로 보지 않고 위치를 측정한다

액면에 Float를 띄운다.

Level → Float Position

Turbulence가 심하면 Guide Wire로 움직임을 제한한다.

Step 3. 액체가 만드는 압력을 이용한다

액체가 높아질수록 bottom pressure도 증가한다.

P = ρgh

따라서 Pressure Transmitter로 level을 계산할 수 있다.

Step 4. Sensor가 액체에 닿으면 곤란하다

Process liquid가 corrosive하거나 pressure port를 막기 쉽다.

그래서 Dip Tube에 Purge Gas를 넣는다.

Ptube ≈ ρgh

이것이 Bubbler이다.

Step 5. Closed Vessel에서는 Gas Pressure가 문제다

Pbottom = Pgas + ρgh

따라서 bottom pressure 하나만 보면 gas pressure 변화를 level 변화로 오인할 수 있다.

그래서 DP Transmitter를 사용한다.

(Pgas + ρgh) – Pgas = ρgh

Step 6. Wet Leg와 설치 높이도 보상한다

Wet Leg와 Remote Seal의 Fill Fluid도 hydrostatic pressure를 만든다.

하지만 높이와 density가 일정하다면 일정한 offset으로 취급할 수 있다.

Constant Head → Constant Offset → Calibration

Step 7. 그런데 Density가 변하면?

P = ρgh

Pressure가 증가했다고 해서 반드시 level이 증가했다고 말할 수 없다.

Density도 변할 수 있기 때문이다.

그래서 Bottom과 Middle pressure를 이용하여 먼저 density를 계산한다.

Pbottom – Pmiddle = ρgx

이후 Bottom과 Top pressure를 이용하여 level을 계산한다.

Density 계산 → Level 계산

Step 8. 두 액체가 있으면 Interface를 측정한다

Heavy Liquid와 Light Liquid가 함께 존재한다.

이제 알고 싶은 것은 전체 액면이 아니라 두 액체 사이의 경계이다.

Interface가 올라가면 Heavy Liquid는 증가하고 Light Liquid는 감소한다.

ΔP = (γH – γL)Δh

따라서 두 liquid의 density 차이를 이용하여 Interface 위치를 측정할 수 있다.

5. Chapter 20 핵심 기억 문장

  1. Sight Glass는 vessel 내부의 유체 구조를 외부 관에 그대로 재현하여 level을 보여준다.
  2. Float는 Level을 Position으로 변환한다.
  3. Hydrostatic Level Measurement의 출발점은 P = ρgh이다.
  4. Bubbler는 bubble 개수를 측정하는 것이 아니라 낮은 purge flow에서 형성되는 back pressure를 측정한다.
  5. Closed Vessel에서는 DP Transmitter를 사용하여 gas pressure의 영향을 제거한다.
  6. Wet Leg와 Remote Seal의 일정한 liquid head는 constant offset으로 calibration할 수 있다.
  7. Density가 변하는 process에서는 pressure 하나만으로 level을 정확하게 구할 수 없다.
  8. Tank Expert System은 고정된 높이차의 pressure difference로 density를 먼저 구한 뒤 level을 계산한다.
  9. Interface Measurement에서는 Heavy Liquid가 증가한 만큼 Light Liquid가 감소하며, 두 liquid의 density difference가 pressure span을 결정한다.

6. 최종 암기 구조

Sight Glass
↓
Float / Displacement
↓
Hydrostatic Pressure
P = ρgh
↓
Bubbler
↓
DP Compensation
↓
Wet Leg / Remote Seal
↓
Density Compensation
↓
Interface Measurement
한 문장 정리

Chapter 20은 액면을 직접 보는 Sight Glass에서 시작하여, Float로 위치를 측정하고, 정수압 P = ρgh를 이용하여 Level을 계산하며, Closed Vessel의 Gas Pressure와 Wet Leg를 차압으로 보상하고, 마지막에는 Density 변화와 Liquid-Liquid Interface까지 계산하는 과정으로 발전한다.
Sight Glass, Hydrostatic Pressure, Bubbler, Density Compensation, Interface Level

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