샘플링 시스템에서 시간 지연을 측정할 때 점검해야 할 4가지 분야
스웨즈락코리아 필드 엔지니어 금연욱
공정분석기샘플링 시스템에서는 샘플을 추출하는 순간부터 판독을 얻을 때까지 항상 시간 지연(Time delay)이 발생한다.
시간 지연은 누적되어 나타나며, 샘플이 공정 라인의 탭에서 결과가 도출되는 공정 분석기로 이동하는 데 걸리는 총 시간을 의미한다. 이 시간 지연은 생각보다 길기 때문에, 자칫하다가는 공정을 잘 제어하지 못하는 결과가 초래된다. 시간 지연이 1분 정도 걸렸다고 생각할지라도 사실은 2시간이 되었을 수 있으며, 이런 상황에서 분석기 판독은 부적절하거나 의미가 없다. 탭에서 분석기 판독까지 발생하는 시간 지연 목표 시간을 1분 이하로 단축시켜 보라.
시간 지연의 원인은 분석 계장 시스템 전체에 걸쳐 발견할 수 있다. 시스템에서 시간 지연을 단축시키기 위해서는 다음의 4가지 분야를 점검해보자.
1. 프로브(probe)에서 발생하는 시간 지연
2. 샘플 운송에서 발생하는 시간 지연(필드 스테이션 및 운송 라인 포함)
3. 스트림 스위칭(stream switching)을 포함하여 샘플링 컨디셔닝(sampling conditioning)에서 발생하는 시간 지연
4. 분석기에서 발생하는 시간 지연
1. 프로브(Prove)에서 발생하는 시간 지연
과도하게 큰 샘플 프로브 사용을 지양하자. 프로브의 길이는 공정라인 직경의 중앙 3분점에 도달할 수 있을 정도여야 한다. 이 지점에서는 스트림이 빠르게 움직이며 가장 깨끗하고 대표성이 높은 샘플을 얻을 수 니다. 프로브 용적이 클수록 시간 지연이 더 길어지기 때문에, 프로브의 길이는 필요 이상으로 길거나 넓으면 안 된다.
공정 튜브에서 탭 위치도 시간 지연에 영향을 미친다. 프로브를 공정 튜브의 유속이 낮은 부분 가까이 배치하는 경우, 공정 화학물질에 변화가 나타나는데 오랜 시간이 걸린다. 이를테면, 새로운 분자가 부피가 큰 탱크 혹은 드럼에 유입된다면, 내부가 완전히 퍼지(purge) 될 때까지 새로운 분자와 기존의 분자가 모두 출구 쪽에 나타나면서 ‘혼합 부피’가 형성될 것이다. 시간 지연을 단축하기 위해서는 탭을 혼합 부피 하단에 배치하면 안 된다. 그 대신, 드럼, 탱크, 데드 레그(dead leg) 및 정체된 라인을 포함하여 시간 지연이 발생하고 있는 곳 상단에 탭을 배치하자.
2. 샘플 운송에서 발생하는 시간 지연
멀리 떨어진 샘플 탭 위치: 샘플이 분석을 위해 더 멀리 이동할수록 시간 지연은 더 길게 발생한다. 이때 최대한 분석기와 가까운 곳에 탭을 배치한다. 운송 라인이 길다면, 유속을 가속화하고 분석기에 신속하게 샘플을 제공할 수 있는 패스트 루프(fast loop)의 사용을 고려해보자.
라인 길이 및 직경: 샘플 이동거리가 길고 운송 라인의 내부 부피가 더 클수록, 시간 지연도 더 길어진다. 시간 지연을 단축하려면, 정확성을 확보하기 위해 운송 라인의 길이와 직경을 계산하여 조정해야 한다.
액체 샘플 운송 라인의 낮은 압력: 액체 샘플의 경우, 탭 위치는 이송라인 혹은 패스트 루프(fast loop)를 통해 펌프 없이 샘플을 이송할 충분한 압력을 제공해야 한다. 펌프와 같은 값비싼 추가 장비를 추가하지 마십시오. 이는 오히려 또다른 변수로 작용해서 시간 지연을 악화시킬 수 있다.
가스샘플이송라인 의 높은 압력: 가스 샘플에서는 압력이 높을수록 유속은 느려진다. 유량을 빠르게 하여 시간 지연을 단축하려면 압력을 낮춰야 한다. 예를 들어 압력이 절반이 되면 시간 지연이 절반으로 감소할 수 있다.
3. 샘플컨디셔닝시스템 에서 발생하는 시간 지연
데드레그(dead leg)를 초래하는 퍼지(purge) 되지 않는 티(Tee)형 부품들: 데드레그는 흐르는 시스템 유체 안팎으로 분자를 확산시키는 퍼지되지 않는 작은 공간이다. 모든 포트가 흐르고 있지 않다면, 분석된 샘플 라인에서 관찰되는 티(tee) 또는 크로스(cross)가 바로 데드레그이다. 일반적인 데드레그는 압력 및 온도 게이지(gauge), 퍼지 및 블리드 밸브(bleed valve), 캘리브레이션 매니폴드(calibration manifold), 실험실 샘플링 지점(lab sampling point)의 연결 지점 등이 있다. 샘플 분석을 수행하기 전에 이러한 지점을 퍼지 해야만 하는 이유는 퍼지 기간이 시간 지연을 더 늘리기 때문이다. 게이지 등의 데드레그를 재배치하는 것이 때로는 가장 간단한 솔루션이 된다.
튜브 벽 및 필터의 샘플 흡착: 샘플이 튜빙 벽이나 다른 고체 표면에 닿으면 약간의 분자가 표면에 달라붙게 된다. 백만분율(ppm) 분석에서는 흡착으로 인한 분자 손실(혹은 탈착으로 인한 증가)이 큰 문제가 될 수 있다. 단, 가스 샘플의 경우 통계 측면의 손실이 발생한다. 액체 샘플의 경우 1ppm보다 낮게 측정할 때만 흡착에 주의하면 된다. 가스 샘플에서는 유체를 교체하기 전에 이전 가스 분자가 모두 없어질 때까지 충분한 시간을 기다리자.
부품 내부의 큰 부피: 샘플의 대표성을 확보하고 정확한 분석기 판독을 얻으려면, 유로(flow path)에 있는 모든 장치의 전체 부피가 퍼지 되어야만 한다. 필터나 코어레서(coalescer)와 같은 큰 부피의 장치를 갖고 있다면, 충분한 시간을 들여 완전히 퍼지하라. 일반적인 지침은 해당 부피의 세 배만큼 장치를 세척하는 것이다. 따라서 가능하다면 이런 구성 요소의 크기를 최소화하자.
4. 분석기에서 발생하는 시간 지연
비연속적인 분석기 응답 시간: 특정 분석기는 분석기 내부 공정으로 인해 분석 시간이 더 오래 걸린다. 이를테면, 색차계(colorimeter)는 분석을 완료하기 전에 측정 색을 개발해야 하고, 가스 크로마토그래프(gas chromatograph)는 측정된 구성 요소를 분석하기 전에 분리해야 한다.
연속적인 분석기 응답 시간: 일부 분석기는 연속해서 분석을 수행하지만, 그런데도 즉각적인 결과를 제공하지 않기 때문에, 항상 약간의 시간 지연이 발생하게 된다.
수동 시스템 운영 응답 시간: 샘플 분석 공정을 수동으로 관리하는 경우에는 작업자가 조정이 필요한 상황을 알아채고 반응하기 전 발생하는 불가피한 시간 지연에 대해서도 고려해봐야 한다.
정확한 시스템 반응을 확보하려면 귀하의 시스템에서 시간 지연을 파악하라.
샘플이 탭의 공정라인에서 출발하여 결과를 도출하는 분석기에 도달할 때까지 발생하는 시간을 파악하는 것이 매우 중요하다. 이 시간상의 차이를 잘못 계산한다면, 공정라인에 있는 유체 성분과 분석기 결과의 관계를 이해하지 못한다는 의미다. 이 게시물에서 언급했듯이, 샘플링 시스템에서 시간 지연에 민감한 요인들(프로브, 샘플 운송, 샘플 컨디셔닝 및 분석기)을 이해해야만, 시간 지연이 발생하는 위치를 파악하고 전반적인 공정 제어를 개선할 수 있을 것이다.