화공기사 컨트롤밸브의 종류와 용도 — 신호와 밸브 특성

아날로그 계장에서는 센서나 변환기의 출력과 제어기의 출력으로 4~20mA 전류 신호를 널리 사용한다. 이 신호 체계에서 4mA는 측정범위의 0%에 해당하고 20mA는 100%에 해당하므로 유효 변화폭은 16mA이다. 4mA를 Live Zero로 설정하면 선이 끊어졌을 때 0mA로 표시되어 단선과 정상 0%를 구분할 수 있어 안전 관점에서 유리하다.

전류 신호는 전압에 비해 장거리 전송 시 전압 강하 문제에 덜 민감하고 전기적 잡음에 강한 특성이 있어 산업 현장에서 선호된다. 신호의 이득(Gain)이나 변환 식을 구할 때는 전체 유효 범위인 16mA를 분자로 사용하여 입력 물리량 대비 mA/단위값이나 mA로의 환산을 수행한다.

제어밸브의 조절특성은 주로 선형(linear)과 등비(퍼센트 등비형)로 구분된다. 등비 특성은 개도가 작을 때 민감도가 낮고 개도가 커질수록 변화에 민감해지는 곡선 형태이므로 폭넓은 유량 변동을 안정적으로 제어해야 하는 경우에 유리하다. 대부분 현장에서 등비 특성이 널리 쓰이는 것은 공정 조건에서 유량 변화에 대한 상대적 제어 성능을 확보하기 위한 설계상의 이유이다.

밸브의 불균형 압력은 입구와 출구 사이 압력 차이로 인해 밸브 스템에 편향력과 히스테리시스가 발생하는 현상이다. 이를 줄이려면 큰 구동기(면적이 큰 공압 구동기)를 사용해 더 큰 구동력을 확보하거나 포지셔너로 위치를 정밀하게 보정하거나 복좌형(double seated) 밸브처럼 압력을 구조적으로 상쇄하는 설계를 선택한다. 반대로 Cv 값을 키우는 것은 유량 처리 능력과 관련되나 불균형 압력을 직접적으로 감소시키지는 못한다.

루프 구성 요소의 이득 변화는 전체 루프 이득에 직접 영향을 준다. 변환기(span)를 늘려 감도가 떨어지면 동일한 물리 변화에 대해 전류 변화가 작아지고, 밸브 크기를 줄이면 동일한 신호에 대한 유량 변화가 작아진다. 이러한 경우 전체 루프 이득이 감소하므로 원래 성능을 유지하기 위해서는 제어기 이득을 증가시켜 보상해야 한다.