계측장비의 특성 및 계측방법

계측장비의 특성 및 계측방법계측장비의 특성 및 계측방법

에너지관리공단 최일영 ([email protected])

에너지진단 ( 열 )

기술컨설팅사업단 소개기술컨설팅사업단 소개

진단활동 인원 : 40 명컨설팅 장비 : 적외선 열화상장치 외 47 종 271 점

컨설팅 & 엔지니어링 소프트웨어 : 6 종( 열유동 해석 , 설비 시뮬레이션 & 설계 , 발전 & Utility 전용 )

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1980 년 ∼ 2004 년 실적 : 6,636 개 산업 / 건물절감 기대효과 : 9,554 억원 / 년

ISO 9001 & 식스시그마 / 최근 해외 사업장 진출

1980 년 ∼ 2004 년 실적 : 6,636 개 산업 / 건물절감 기대효과 : 9,554 억원 / 년

ISO 9001 & 식스시그마 / 최근 해외 사업장 진출

에너지관리공단 기술컨설팅사업단에너지관리공단 기술컨설팅사업단

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구 분 연료절감량(toe/ 년 )

연료절감율(%)

절감금액( 백만원 /

년 )

투자비( 백만원 )

회수기간

개선건수

보온강화 618 0.0 199 324 1.6 10

설비대체 92,020 3.0 16,454 53,045 3.2 11

설비보완 7,102 0.2 2,706 8,749 3.2 11

연료대체 748 0.0 612 441 0.7 6

운전관리합리화 40,499 1.3 12,089 4,885 0.4 48

조업개선 18,863 0.6 9,923 10,544 1.1 31

폐열회수 155,867 5.1 41,498 101,008 2.4 112

2004 년 에너지컨설팅 결과 요인별 기대효과 통계

CONTENTCONTENT

▣ 열 에너지진단 일반▣ 계측 일반 및 오차

▣ 유효 숫자

▣ 열 에너지진단 일반▣ 계측 일반 및 오차

▣ 유효 숫자

▣ 온도 계측▣ 유량 계측

▣ 압력 계측

▣ 온도 계측▣ 유량 계측

▣ 압력 계측

▣ 습도계측▣ 배가스 성분 계측

▣ 측정값의 기록과 정리

▣ 습도계측▣ 배가스 성분 계측

▣ 측정값의 기록과 정리

진단 일반

진단측정항목

기타 계측기활용

열 에너지 진단 일반열 에너지 진단 일반열 에너지의 변형과 이동 과정

사 업 장저온의 용수

저온의 공기

고온의 방류수 제품의 과건조

건조기 고온 배기열보일러 고온 배가스열

대기 방출 증기 기타 방산열

열에너지

열 에너지 진단 일반열 에너지 진단 일반열 에너지진단의 착안 방향

사 업 장저온의 용수

저온의 공기

고온의 방류수 제품의 과건조

건조기 고온 배기열보일러 고온 배가스열

대기 방출 증기 기타 방산열

열에너지

열 에너지 진단 일반열 에너지 진단 일반

배기열방산열

기타 손실열

유효열

손실

열

배가스열불완전연소열

방산열기타 손실열

현열잠열현열잠열

방산열기타 손실열

1 차에너지1 차

에너지2 차

에너지2 차

에너지 유효열

설비

손실

열

회수

열

미회

수열

현열 / 잠열

열 에너지의 변형과 이동 과정

열 에너지 진단 일반열 에너지 진단 일반열 에너지진단 수행 조건과 장비의 역할

인력( 진단 / 협조 )

장비( 계측 / 분석 )지식

( 경험 / 이론 )

열열진단진단

계 측• 온도• 압력• 유량• 배가스 성분• 풍속• 수분 등

분 석• 컴퓨터• 소프트웨어• 계산기• 도표 등

안 전

계측 일반 및 오차계측 일반 및 오차

단일기능대형

고정식관리용

다기능소형 , 경량

이동식점검용

시대

가격

정확성

신뢰성

응용성

계측장비 발달

측정 오차

• 어떤 양의 측정에 있어서 그 참값을 구하기는 불가능

• 측정할 때 그 측정값에서 가능한 한 모든 오차를 제거• 가장 확실한 값을 찾아서 참값에 대응 필요

• 측정 결과는 반드시 그 양의 참값보다 다소의 차가 포함되는 것은 피할 수가 없으며 , 이 차를 오차 (error) 라고 함 .

절대오차 (absolute error) 백분율오차 (percentage error)

ε= M-T ε= (M-T)/T ×100(%)

ε: 오차 , M : 측정값 , T : 참값


측정 조건의 변동주의력의 동요

부주의 원인

오차의 종류

오 차 (error)

과실 오차

계통적오 차

이론적 오차( 이론적 근거에 원인 )

측정기 오차( 계측기 고유 오차 )

개인오차( 측정자의 습관 )

우연 오차


정밀도 (Precision) 정확도 (Accuracy)

참값에 대한 한쪽으로 치우침의 작은 정도

측정값에 대한 흩어짐의 작은 정도

측정값의 재현성 ( 여러번 반복해도 처음과 비슷 한 실험 값이 나오는가 하는 값 이 바로 정밀도 )

관측의 균질성을 표시하는 척도

관측장비와 관측방법에 좌우

참값에 얼마나 가까운 답을 얻었는가 ?


유효 숫자유효 숫자유효숫자 (significant figure)란 ?

자연과학 분야에서 측정값을 표시할 때

숫자의 크기 ( 자리수 표시 ) 를 나타내기 위해 붙이는 0 과 측정에서 얻은 0 을 구분예 ) “1200”의 유효 숫자는 2 개 / “1.200×10³”의 유효 숫자는 4 개

단순히 자리수 표시 확실도가 포함되어 있는 측정값

• 마지막 자리의 숫자는 불확실• 그 앞의 숫자는 확실

불확실도가 포함된 숫자까지를 포함한유효숫자의 개수가 많을 수록 정밀한 측정

① 0 이 아닌 모든 정수는 유효 숫자

② 0(zero)

- 앞 부분에 있는 0 은 유효 숫자가 아님 . 예 ) 0.0025 의 유효 숫자는 두 개 (2 와 5)

- 중간에 있는 0 은 유효 숫자 예 ) 1.008 의 유효 숫자는 4 개 (1 과 두 개의 0 그리고 8)

- 마지막에 있는 0 은 숫자에 소수점이 있을 때만 유효 숫자 예 ) 100 은 유효 숫자가 1 한 개 , 1.00×10³은 유효 숫자가 3 개 (1 과 두개의 0)

③ 완전수 : 측정 장치를 사용하여 얻지 않고 단지 counting 을 통해 결정된 수 . ( 열 번의 실험 , 세 개의 사과 , 여덟 개의 분자 등 )

유효 숫자 규칙

유효 숫자유효 숫자

만일 제거되는 숫자가

- 5 보다 작으면 , 앞에 있는 숫자는 그대로 . (예 , 1.33 ⇒ 1.3)

- 5 보다 크면 , 앞에 있는 숫자는 “ 1”이 증가 . (예 , 1.36 ⇒ 1.4)

- 5 이고 , 앞에 있는 숫자가 짝수이면 변하지 않고 , 홀수이면 1 이 증가 . (예 , 1.35 ⇒ 1.4, 1.25 ⇒ 1.2)

반올림의 규칙


[{(2.234 × 5.67815) + 100.9049} × 4.60] = ?

유효 숫자를 고려해 매회 사사오입하는 경우 2.234 × 5.67815 = 12.6849871

= 12.68 12.68 + 100.9049 = 113.5849

= 113.58 113.58 × 4.60 = 522.468

= 522

유효 숫자 +1 항에서 계산을 진행시키는 경우 2.234 × 5.67815 =

12.6849871 = 12.685

12.685 + 100.9049 = 113.5899

= 113.590 113.590 × 4.60 = 522.514

= 523

유효 숫자를 고려하지 않는 경우 2.234 × 5.67815 = 12.6849871

12.68498710 + 100.9049 =

113.5898871

113.5898871 × 4.60 = 522.51348066


계산 중 정밀도떨어짐

Coming Soon !!

온도계측

℃

압력계측

㎏ /㎠ ·g

유량계측

㎥

㎏

㎘

기본계측

hr

%m

계측 항목


온도 계측온도 계측 진단용 주요 온도계 종류 및 특성

접촉식온도계

-임의의 곳의 온도를 측정 가능

-온도측정범위 : 1000 ℃이하 온도측정

-정밀도 : 눈금쪽의 1% 정도

-예민도 : 느림

- 감온자 (센서 ) 를 접촉시키면 측정하려는 온도가 변하는 경향 작은 물체의 온도 측정은 곤란

- 움직이고 있는 물체의 온도 측정은 곤란

온도 계측온도 계측

열전대 액체 & 침투용

접촉식온도계 센서

표면용

롤러용 Magnet 표면용


- 일반적으로 표면온도 측정

- 온도범위 : 최저 -30℃부터 최고 3000℃

- 정밀도 : 10 degree 정도

- 예민도 : 빠르다

- 감온자 (센서 ) 를 접촉시키지 않으므로 측정하려는 물체의 온도가 변화가 없음

- 움직이고 있는 물체의 온도측정 용이

- 사람의 손이 직접 닿을 수가 없는 원거리 물체 표면온도

비접촉식온도계


기타 진단용 온도계

봉입 액체 온도계 건습구온도계


[ 건습구 온도계 ]• 두개의 온도계를 이용하여 습도를 알아내는 장치

• 건구 온도계 1 개 , 젖은 천에 감싼 습구 온도계 1 개로 구성

습구온도계의 젖은 천에서 증발 발생

물의 증발이 일어날 때 주위의 열을 흡수

열을 빼앗겨 습구온도는 하강

크다크다 건조건조

작다작다 습습

없다없다 매우 습매우 습

건습구온도차 Air 상태


건습구 온도계에 의하여 온도를 계측할 때에 유의할 점

습구의 구부를 싸는 무명은 가급적 얇은 것을 선택 (풀기등 이물질 제거 )

습구에서 물통으로 이어지는 부분에는 느슨하게 묶은 6～ 7가닥의 무명실을 가볍게 꼰 것을 사용

물통 속의 물은 가급적 증류수 사용

밀폐성 공간에서는 건구와 습구에 인위적 통풍도 필요

온도 계측온도 계측 측정대상에 관한 기본적인 검토

측정대상의 상태는 ?

고체 , 액체 , 기체의 어떤 상태인가？

온도의 개략적인 범위는？

정지되어 있는가 ? 운동하고 있는가？

온도 변화의 속도는 어떤가？

발열 및 흡열 유무는？

열류의 유무는？


국부적인 온도인가 ? 전체를 대표하는 온도인가？

물체의 표면온도인가 ? 내부온도인가？

순간온도인가 ? 시간적 평균온도 인가？

측정대상의 취득정보는 ?


온도는 절대치인가 ? 상대치인가？

측정대상의 중요 측정량은 ?

온도치인가 ? 온도차인가 ? 온도차는 공간 , 시간 그외 무엇에 대한 것인가？

온도치인가 ? 온도변화인가 ?온도변화의 크기 , 기울기 , 속도인가？


측정대상 형상과 온도계 설치 방법과의 관계

측정대상 온도와 온도계 검출소자 온도와의 일치 정도

환경인자가 측정대상 및 온도계에 주는 영향의 정도 ( 분위기 , 진동 , 주위온도 , 잡음등 )

측정대상과 온도와의 관계

온도 계측온도 계측 온도 측정 방법

온도계의 종류와 사용하는 방법에 따라 측정 결과값 상이

측정조건 ( 시간 , 포인트 , 설비운전상태 등 ) 에 따라서 오차 발생 가능성

온도를 측정하려는 물체의 종류 및 상태를 고려 - 고체 : 표면 및 내부 상태 - 기체 및 액체 : 유체의 종류 및 흐름 그리고 주위의 영향 등

측정하려고 하는 온도 및 온도의 분포는 변화 - 측정시에 그 온도가 가급적 변화하지 않도록 주의 - 일정 시간 간격으로 주기적 변화온도 고려

측정 온도의 목적에 따라서어떤 부분의 온도를 어떤 방식으로 측정하여야 하는지 우선 결정


• 온도를 측정하고자 하는 물체의 온도 및 온도 분포를 가급적 변화시키지 말것

• 온도를 측정하려고 하는 물체와 센서는 충분히 접촉

• 다른 물체 ( 부분 ) 의 온도 영향을 받지 않도록 할것 • 센서를 충분한 시간을 갖고 접촉시킬것

• 센서와 주위의 물체가 상호 물리적 , 화학적으로 손상되지 않게 주의

접촉 방식에 의한 온도 측정상의 주의사항


• 온도를 측정하려고 하는 물체를 완전 방사체로 하여 측정

• 측정대상 물체의 방사율을 사용하여 참 온도로 환산

• [주의 ]방사의 통로에 있는 기체 ( 증기 ) 가 방사 에너지 전달을 방해

비접촉 방식에 의한 온도 측정상의 주의사항


• 센서 삽입용 구멍을 뚫고 접촉 방식에 의한 온도계를 사용 ( 액체 투입 )

고체 내부온도

• 온도의 영향을 받고 있기 때문에 일반적으로 내부의 온도와 상이

• 표면의 열적 상태가 변화하기 쉬우므로 주의

고체 표면온도

• 관내 유체 온도측정은 센서를 충분히 그 액체와 접촉시키는 데 노력

(중간 드레인 밸브 등에서 일부 유체를 순간 샘플링하여 측정 )

액체 온도


• 유동기체 온도분포 문제점 해소를 이해 다점 온도측정

• 고온의 기체온도 측정시 측정시간 최소화에 노력

• 방사에너지 이동이 클 때에는 방사에너지로부터 센서를 차단

기체 온도

유량 계측유량 계측

• 일반적인 온수 및 냉수• 공기• 배기 & 배가스• 공정수와 같은 혼합액• 폐수

유량 형태

유량 측정 대상

유체의 물성 , 성분 , 화학적 특성 등 다양하고 상이

유체의 흐름의 특성 또한 복잡하고 다양


구 분 기체 증기 기름 물

전자유량계 × × × ○

초음파유량계 ○ ○ ○ ○

와유량계 ○ ○ ○

용적유량계 ○ × ○ ○

터빈유량계 ○ × ○ ○

차압식유량계 ○ ○ ○ ○

면적유량계 ○ ○ ○ ○

유량 특성별 적정 유량계

유량계는 유량 측정시 유체의 점성계수와 밀도 등의 물성치의 영향( 유체가 일정한 부피를 갖는 체적내를 유동하므로 )

기체의 경우 부피유량에 온도와 압력을 보정 필요


• 보일러 및 일반 플렌트에 적용가능한 수량계• 구경 25mm, 40mm, 50mm• 정확도 : ±1% 이내• 최고사용온도 : 100℃(특수 180℃)• 최고사용압력 : 10kg/㎠ (특수 15,20kgf/㎠ )

일반적 현장 설치 유량계

열관리용 수량계

• 유체 : 경유 , 중유 , 벙커 ABC유 , 등유 및 기타 오일• 온도 : Max 100℃(특수용 180℃)• 압력 : Max 10kg/㎠ (특수용 25kg/㎠ )• 정밀도 : ±0.5% 이내

열관리용 오일 유량계


• 대유량 측정에 이용

• 기존 배관에 별도 가공없이 측정 가능

• 유체 유속 방해 없이 유속측정이 가능

• 초음파 전달 유체 대상

• 고점도액 , 비전도체액 가능

• 가스의 유속 측정도 가능

초음파 유량계


단점 - 배관재질 , 두께 등이 정도에 영향 - 배관의 설치 상황에 따라 측정 불가 - 액체 중에 고형물이나 기포가 장애

장점 - 압력손실이 없음 - 관 밖에서 유량을 측정 가능 - 휴대용 (clamp-on) - 대구경 관로의 유량 측정 가능 - 정 역류 측정이 가능․

초음파 유량계의 장단점


[액체 측정 ] - clamp-on 형인 경우 관이 초음파를 통과시킬 수 있어야 한다 . ( 도관 , 콘크리트관 등은 측정이 불가능 ) - 관 내면에 다량의 부착물이 있거나 라이닝이 되어 있는 경우는 측정이 곤란 - 유속분포의 영향 - 액체 내에 기포나 고형물이 많으면 측정 곤란

[기체 측정 ] - 유속분포에 영향 - 블로어 , 감압밸브 등에서 소음이 발생할 경우 , 오차의 원인 - 습기를 많이 포함시 노이즈를 발생 우려 ( 드레인 )

초음파 유량계 측정시 주의사항

압력 계측압력 계측

압력계는 산업 프로세스에서 가장 많이 사용되는 계측기 중 하나

압력계는 측정원리 , 구조 , 용도등에 따라 여러 종류

압력 계측압력 계측

• 대기압을 측정하는 것을 기압계 (atmospheric barometer)• 표준대기압 이하의 진공압력을 측정하는 것을 진공계 (vacuum gauge)• 수백 MPa 이상의 압력을 측정하는 것을 고압계 (high pressure gauge)• 두 압력계의 압력차를 측정하는 것을 차압계 (differential pressure gauge)

최고 전문가와 함께 !

습도 계측습도 계측

습도는 공기 중에 포함된 수증기의 비율

온도와 함께 건물내의 공기조화 중요한 측정항목

제조업에서는 건조 프로세스나 일부 화학 프로세스에 있어서 필수 제어량

습도측정에 고분자식 , 세라믹식 , 산화알루미늄식 습도센서 이용

포화수증기압과 노점

포화수증기압이란 어느 온도에서 단위 부피에 존재할 수 있는 최대 수증기량

일정온도에서 더 이상 증발이 되지 않는 평형상태의 수증기 포화수증기 , 포화수증기압

기체의 온도가 내려가면 기체중의 수증기는 응결하여 이슬이 발생 노점온도


기체의 수증기압과 그 기체의 온도에 상당하는포화수증기압과의 비를 100 배로 한 것

용적 1㎥의 기체에 포함되어 있는 수증기의 질량

일정 용적에 포함된 수증기의 질량 (kg)

수증기 이외의 기체의 질량 (kg)

상대습도와 절대습도

상대습도 (%)

혼합비(kg/kg dry gas)

절대습도 (g/㎥ )


건구온도 (℃)습구온도 (℃)

건구온도에서의 수증기 포화압력 (mmHg)습구온도에서의 수증기 포화압력 (mmHg)

Apjohn 식에 의한 공기중 수증기 분압 (Pw) 계산 노점온도 (℃)Pw = 습구온도에서의 수증기 포화압력 - (760/1500) x ( 건구온도 - 습구온도 )상대 습도 (A)A = Pw ÷ 건구온도포화압력 x 100절대 습도 (Xs)Xs = 0.622 x Pw ÷ ( 공기압 - Pw)건공기 비중량 (Ra)Ra = {(10332.5 ÷ 760) x (760 - Pw)} ÷ {ra x (273 + 건구온도 )}

수분 비중량 (Rw)Rw = {Pw x (10332 ÷ 760)} ÷ {rw x (273 + 건구온도 )}

급기중 수분 중량 (Gw)Gw = 수분 비중량 (㎏ /㎥ ) x 급기량 (㎥ /h)

급기중 건공기 중량 (Ga)Ga = 건공기 비중량 (㎏ /㎥ ) x 급기량 (㎥ /h)

예 ) 흡입급기 수분량 계산

배가스 성분 계측배가스 성분 계측

연소에 필요한 산소 ( 공기 ) 의 양의 변화 - 연료중에 함유되어 있는 가연성분의 종류와 양 - 연료의 형태와 연소장치 - 연소조건 등

연료 중에 함유되어 있는 가연성분을 완전 연소시키는데 필요한 최소 공기량

불완전 연소우려( 연소시간의 부족 , 연소실 온도의 저하 , 부분적 산소의 부족 등 원인 )

이론 공기량

실제연소시 이론 공기량보다 많은 공기 공급


공기비 (m)연소 계산상 필요로 하는 이론공기량에 대한 실제 연소용 공기량의 비

CO2 측정시 : m =CO2 MAX

CO2(%)O2 측정시 : m =

21

21-O2(%)

구분 LNG LPG 경유 B- C B- B B- A 등유 석탄

CO2MAX(%) 12. 60 13. 00 15. 16 15. 70 15. 70 15. 70 15. 16 18. 50

[ 참고 : CO2 MAX ]

연소관리 합리화 연소에 필요한 공기의 양을 이론적인 공기량에 접근하여 열효율을 향상

연소 관리


구 분 1.2이하 1.3 ~1.6미만

1.6 ~2미만

2 ~2.4미만 2.4초과 합계

보일러수 18 38 7 4 2 69

(%)구성비 26.1 55.1 10.1 5.8 2.9 100

구 분 1.2미만 1.2 ~1.4미만

1.4 ~1.6미만

1.6 ~1.8미만

1.8 ~2미만 2초과 합계

보일러수 15 53 62 40 20 45 235

(%)구성비 6.4 22.6 26.4 17 8.5 19.1 100

대형 사업장

중소규모 사업장

진단 시 , 보일러 공기비 운전 현황


• 계측항목 , 계측의 빈도 및 계측방법은 진단현장 및 설비의 운전상태에 따라 효과적으로

• 운전부하와 가동패턴 관찰 / 고려

• 계측의 목적에 맞는 상태일 때 계측을 실시

• 배출계통에서 계측의 목적에 맞는 적절한 측정 포인트 선정

• 설비 고정 배가스 분석기 측정값 차이 등을 고려

배가스성분 계측방법


측정 위치는 어디에서 ? 측정 위치는 어디에서 ?

Oil Boiler

Stack

EP

Economizer

GAH

1 2 3 4

배가스 성분 계측배가스 성분 계측공기예열기 상태 점검

Leak 율A/H 전 A/H 후 A/H 전 A/H 후 (%)

3.3 5.3 324 195 12.7

O2(%)배가스중 (℃)배가스온도

324 ℃ 195 ℃

65125 N /h㎥ 73030 N /h㎥7905 N /h㎥6206 N /h㎥ 71331 N /h㎥

251 ℃ 67 ℃

62058 N /h㎥ 69963 N /h㎥

12.7 % 149 ℃10 % 151 ℃0 % 159 ℃

Air Leak율 배가스온도

GAH


측정 센서의 시료채취 측정 포인트 선정은 ? 측정 센서의 시료채취 측정 포인트 선정은 ?

장비 : 배출유속에 대응한 충분한 흡입력

센서 : 측정 포인트 접근 및 측정구 삽입 가능

장비 : 배출유속에 대응한 충분한 흡입력

센서 : 측정 포인트 접근 및 측정구 삽입 가능

P P

P

배가스 Duct I.D.Fan

Burner


측정시간은 얼마나 ? 측정시간은 얼마나 ?

순간 측정치 순간 측정치 30 분 측정치 30 분 측정치 60 분 측정치 60 분 측정치

일정 시간 측정 후 , 최종 측정값 결정은 ? 일정 시간 측정 후 , 최종 측정값 결정은 ?

최소측정값최소

측정값최대

측정값최대

측정값평균

측정값평균

측정값


설비 고정 배가스 분석기 측정값과 차이가 발생 ?설비 고정 배가스 분석기 측정값과 차이가 발생 ?

측정장비의 신뢰도 측정장비의 검교정

측정장비의 검교정

측정값의 기록 및 정리측정값의 기록 및 정리

기록 내용

- 설비명 ( 측정당시 운전 상황 )

- 측정방법

- 측정일시 및 시간

- 외기조건 ( 온도 , 습도 등 )

- 사용계측기 종류

- 측정인 등

측정값의 기록 및 정리측정값의 기록 및 정리

& 방류수 청수 월별 온도 현황

31

2

8

13

1921

26

2023

2728

22

3032

34 34

2326 27 2625

17

7

20

5

10

15

20

25

30

35

40

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12월

(℃)

온도

방류수청수

프로세스의 현상을 파악하기 위해 측정값을 그래프형상으로 정리

Thank you ^.~

계측장비의 특성 및 계측방법

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