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[발표논문] 저온저장탱크용 차압식 액면측정장치를 개발극저온 액화가스 액면높이 측정 시스템의 설계 |
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Design of Measurement System of Liquefied gas Level with Very Low Temperature
‘극저온 액화가스 액면높이 측정시스템의 설계’는 지난해 시행된 중소기업청의 2009년도 산학공동기술개발사업에 선정된 연구과제로 부영CST를 비롯한 한국산학연협회, 부산울산중기청, 부산시, 동의과학대학 등이 협약을 맺고 추진된 프로젝트다.
이번 프로젝트의 추진배경은 저온저장탱크용 차압식 액면측정장치를 개발하는 과제로 2009년 6월 1일부터 1년 동안 진행됐으며 지난 5월 제주도에서 열린 한국정밀공학회의 춘계학술대회를 통해 발표된 논문이며 실용화를 위해 특허출원중이다.
본 논문은 동의과학대학 박장식 교수, 서현규 교수, 고석조 교수, 박형진 교수, 최동준 박사가 공동으로 연구에 참여했다.
1. 서론
최근 산업이 발달함에 따라 생명공학분야 및 산업체 전반에서 고압의 극저온 액화가스 사용이 매년 증가하고 있으며 관련 기술에 대한 개발도 병행되고 있다.
그리고 반도체산업 관련분야의 활성화로 인한 산업용가스(질소, 아르곤, 산소)와 의료용 특수가스(산소, 아르곤, 헬륨)의 수요가 지속적으로 증가하고 있는 실정이다.
이러한 극저온 액화가스의 사용이 증가함에 따라 극저온 액화가스를 담는 용기도 대형화되고 있으므로 극저온 액화가스 용기에 대한 관리가 필요하다.
즉 외부 온도의 변화에 따라 내부 액화가스의 압력증가로 용기가 파손될 수 있으며, 용기의 파손은 폭발로 이어져서 민간 혹은 대형 산업재해를 야기할 수 있다.
따라서 대형 액화가스 저장탱크는 안전성을 이유로 생활환경과 동떨어진 곳에 설치하고 있는 실정이므로 저장 효율이 높고 안정성과 유지보수가 용이한 저장용기의 개발이 필요하다.
상온에서 기체상태로 존재하는 대부분의 가스들이 -10℃ 이하의 온도에서 액화되지만 헬륨, 수소, 네온, 질소, 아르곤, 공기, 메탄 등의 극저온 가스는 -169℃ 이하로 온도가 떨어져야만 액화가 되며 액화 후에는 체적이 수백분의 1로 감소한다.
극저온 가스를 액화상태로 저장하면 고압의 압축가스(기체상태)로 저장하는 것에 비하여 동일 크기 저장용기의 저장 능력을 수배 증대시킬 수 있으며 충전압력을 보다 낮게 유지할 수 있으므로 안전성이 크게 높아진다.
그러나 탱크 내의 극저온 액화가스의 압력이나 잔존량은 압력 변화에 따라 비중 변화가 비선형적으로 변하여 예측하기 어렵다.
잔존량 측정은 종래에는 탱크의 용량이 비교적 작고 압력이 낮아서 정밀하지 않은 아날로그 행태의 기계식 압력계와 액면계를 사용하여도 큰 문제가 없었다.
그러나 최근 탱크의 대형화 추세에 따라 보다 안전하고 정밀한 압력계와 액면계가 요구되고 있다.
본 연구에서는 기존 아날로그 액화가스 탱크에서 액화가스 탱크에 부착된 압력계 또는 액면계를 보고 상태를 파악하는 방식의 번거로움을 해결하고 보다 정밀한 측정을 위해 차압센서를 이용한 압력과 액면 높이를 측정하는 디지털 측정시스템을 설계하고자 한다.
2. 극저온 액화가스 액면 높이 측정
기존의 아날로그 고압 액화가스 액면 높이 측정장치는 <Fig. 1>과 같이 아날로그 방식이 주로 사용되고 있으며 비중 보정 등이 되지 않아 정도가 낮다.
따라서 본 논문에서는 차압센서를 이용하여 디지털 액면높이를 측정하는 장치를 설계하고자 한다. 제안하는 디지털 액면높이 측정 장치에서의 측정 과정은 <Fig. 2>와 같다.
차압센서를 이용하여 상위 레벨과 하위 레벨 간의 차압을 측정하여 AD변환하고 압력변화를 고려한 액면과 가스 잔존량 데이터베이스를 구축한다.
구축한 데이터베이스를 바탕으로 차압이 입력되면 액면과 잔존량을 측정하게 된다.
저온 탱크에 잔존하는 액화가스의 기본적인 측정 방법은 다음과 같다. 탱크의 용적은 <공식.1>과 같이 계산한다... |
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