반도체, 제약, 바이오, 음료 공정에서 온도 측정 고도화
온도측정 정확도, 신뢰성 향상및 각종 불량 조기 탐지로 운전효율, 생산성 향상 및 고품질화
온도가 중요한 프로세스라면
반도체, 제약, 바이오 및 식음료 공정에서는 온도 측정 정확도와 신뢰성이 프로세스 안전운전, 운전효율, 생산성 및 품질 관리상 중요 요소 입니다.
하이테크 산업에서의 온도 측정은 다음과 같이 해당루프 전체를 감안 설계를 하여야 합니다.
1. 정밀급 온도 센서 선택 (Class A, Aging, Long term stability 등등)
2. 정밀급 온도 트랜스미터, 컨버터 선택
3. 필요시 온도센서 캘리브레이션 (효용에 맞게 정밀 교정) 및 트리밍 기능 적용
더불어 우수한 진단기능을 보유한 온도 트랜스미터, 컨버터를 적용하면 사전에 센서 노후화, wiring, connection 등의 유효성등을 점검할 수 있어 과학적이고도 체계적인 관리가 가능 합니다.
RTD (측온 저항체) 센서
RTD sensor는 용도에 따라 보급형 Thin Film, 고급형 Wire Wound 및 Averaging 종류가 있으며, 고정도용 으로는 4 wire, 1,000옴 이상을 채택합니다.
모든 RTD에는 어느 정도의 잔류 오차 (Offset) 이 존재합니다. 곡선의 형태는 사용된 합금의 품질에 따라 결정됩니다. Offset은 금속의 양이 너무 많거나 너무 적을 때 발생합니다. 절대적인 정확도를 원할 경우 이 Offset을 무시할 수 없습니다.
고정도의 RTD 센서가 필요할 경우 Offset 을 trimming 해서 Class A보다 고 정확도로 조율할 수도 있습니다. 물론 비용은 증가 합니다.
RTD sensor를 Aging (0 ~ 600도씨 싸이클, 1,000시간 – Aging Process) 을 하면 long term stability를 향상시킬수 있는관계로 표준센서등은 Aging Process 를 거칩니다. 고정확도및 장기 안정도를 유지하고 싶다면 Aging된 센서를 적용하면 되겠습니다 (Class A). 센서 교정이 이뤄졌다면 이에 걸맞는 온도 트랜스미터 (컨버터)가 필요 합니다.
-240도씨 ~ 960도씨 범위의 온도를 정밀하게 측정하려면 ;
가능한 4선식 RTD를 사용하고 “진정한” 4선식 RTD 입력을 수용할 수 있는 온도 트랜스미터를 지정하십시오. 4선식 RTD의 장점은 측정 회로가 전류가 흐르는 리드선의 저항 불균형으로 인한 오류를 효과적으로 상쇄한다는 것입니다. RTD 센서 리드선의 1옴 불균형은 측정값에 최대 2.5°C의 오차를 발생시킬 수 있습니다. 심각한 불균형은 일반적으로 시간이 지남에 따라 점진적으로 발생하며 리드선의 부식이 원인입니다. 때때로 부적절한 설치 기술로 인해 리드선 길이 차이, 전선 굵기 불일치, 느슨한 연결, 단자대 부식, 굽힘 및 기타응력으로 인한 가공경화 등으로 저항 불균형이 발생할 수도 있습니다.
지능형 온도 트랜스미터는 “진정한” 4선식 RTD 입력을 수용할 수 있으며, RTD의 외부 리드에 정전류 소스를 제공합니다. 전압 강하는 내부 리드 양단에서 측정되며, 이는 고임피던스 루프입니다. 전압 루프에 전류가 거의 흐르지 않으므로 전압은 RTD 저항에 직접 비례하고 리드 저항은 무시됩니다. RTD의 저항값(부식 및 전선 저항 포함)이 일반적으로 2,000옴 미만이면 매우 정확한 측정값을 얻을 수 있습니다. 4선식 RTD는 3선식 RTD와 가격이 거의 비슷하며, 저항 증가에 대한 걱정 없이 더 저렴하고 가는 전선을 사용할 수 있습니다.
THZ3, TDZ3 진단기능
T/C (열전대)는 보편적인 온도센서로 공업계장에 널리 적용되고 있으며, 이장에서는 정밀 온도 측정을 다루는 관계로 자세한 설명을 생략토록 하겠습니다. 대신 진단기능을 살펴 보도록 합니다.
T/C sensor 자체의 노후화 (사용연한, 고온노출, 화학물질의 유입으로 인한 T/C metal 특성변화등) 및 관련 부분 (부식, 연결도선 , 연결부분 불량등) 을 조기에 발견하여 Fail 되기전에 대처할 수 있다면, 보다 효율적인 유지보수 계획을 잡거나, 프로세스의 연속운전 및 품질향상에 도움이 됩니다.
T/C 경우는 Junction이 Fail 되기 직전에 저항치가 급격히 증가하는 특성이 있으므로, T/C의 초기설치시 THZ3 (TDZ3) Transmitter가 “base-line” 저항치를 reference로 capture하여 warning / alarm 레벨에 도달하면 알려주게 됩니다 (적용에 따라 Warn / Alarm 셋팅치를 다르게 지정하거나, 동시에 지정할 수 있습니다.)
RTD 센서의 경우, 대부분 플랜트현장은 3wire RTD sensor를 적용하며, Error를 유발하는 원인은 부식 (corrosion) 으로 인하거나, 접속부분이 헐거워져서(loose connections) 생기는 도선 저항불균형에서 유발되는 경우 입니다.
이경우 불균형저항치 (red line 표시)가 어느 범주를 넘어서면 Warning / Alarm을 알려주어 fail 되기전에 해당 루프를 점검할 수 있게 됩니다.
온도센서 관리로 프로세스 운전 연속성 확보
1) Broken Wire Detection : 현장의 sensor 가 open 되거나 fail 일 경우에 “Broken Wire” detection Alarm 을 발해서 upscale인경우 23.6mA, down scale일경우 3.6mA 신호를 내보냅니다.
▶ BROKEN WIRE를 감지하는 즉시 Alarm 신호를 출력할 경우 중요 프로세스의 Shut Down을 야기할 수도 있으므로 이를 검증해야 합니다.
주변의 노이즈나 순간적인 출렁임인지, 확실한 BROKEN WIRE 인지 검증 기능을 위한 “Holdoff”기능을 적용하면 0-60sec동안 delay를 설정할 수가 있어 외란 인지? 센서 단선인지? 를 결정하는데 이용할 수 있어 운전 안정성을 확보할 수가 있습니다.
Sensor Drift는 2 x 입력센서 (Duplext RTD, T/C) 의 절대값 차 의 범위를 정하여 이를 벗어나면 센서에 문제가 있다고 알람을 발생시킬수 있는 기능입니다. HART digital message로 보낼수도 있고 Fale Safe AO 신호로 출력 시킬수도 있습니다.
Back up, Fail over 기능으로 프로세스 연속 운전 확보, Average기능으로 평균치로 운전 (gas flow stream 등), High / Low selector 기능으로 프로세스 over heating, cooling 등을 방지, differential 기능을 이용하여 Heat Exchager 등에 적용 가능합니다.
또한 이런 상황들을 HART 7 의 Exception 을 이용하여, “프로세스 문제 또는 진단 문제” 가 있음을 상위 시스템에 보고 할 수가 있습니다.
Dual Input (2 입력) 효율성
1) 중요 온도센서 Back Up 또는 Fail Over 로 온도 측정 연속성 확보
2) 온도 평균치로 프로세스 운전
3) 온도 HI / LO 를 선택하여 프로세스 운전
4) 온도 비교 검증하여 프로세스 최적 운전
두개의 센서 입력을 받아 이를 비교하여 BPCS 에 선택된 신호를 출력할 수 있으며, HART pass through 기능이 없는 BPCS 인경우 추가로 Alarm Monitor Switch (예 HIM) 를 연결하여 추가로 알람신호 또는 Analog 신호를 보낼수 있습니다.
5) Over Pressure Protection 변형응용 예
TDZ3 / THZ3 Smart Dual Input Temp. Transmitter의 특징
•Industry-best 20-bit measurement resolution
•Exceptional analog input accuracy of ±0.1°C (±0.18°F) with all Pt RTDs,
up to ±0.05°C (±0.09°F) for Pt1000 RTDs.
•500Vrms of isolation
•Long-term stability specs
•20v/m RFI/EFI protection
