안녕하세요, 센서와 스위치를 다잡는 센서보이 입니다.
이번 글에서는 레벨 센서(Level Sensor)에 대해 알아보겠습니다.
레벨 센서는 탱크 내부의 액체나 고체의 레벨(높이)에 비례하는 연속적인 출력을 갖는 제품입니다.
앞서 포스팅한 레벨 스위치는 셋팅된 지점에서의 접점출력만을 내보내지만, 레벨 센서는 센싱범위 내에서 현재의 레벨이 얼마인지를 확인할 수 있습니다.
레벨을 측정하는 Solution은 거의 대부분이 다른 센서를 적절히 응용한 제품들이므로, 종류가 정말 많습니다.
솔직히 레벨센서를 포스팅 하기에 앞서 다소 망설여 지는 것이 사실입니다. (너무 많음... 오늘 다 끝낼 수 있을까.. ㅡㅡ;;)
이번 포스팅에서는 레벨센서의 종류 및 특성에 대해 알아 보도록 하겠습니다.
주요 레벨센서들의 자세한 내용은 추후 포스팅에서 추가로 별도로 다루도록 하겠습니다.
레벨센서의 종류
레벨센서는 크게 접촉식과 비접촉식으로 분류할 수 있습니다.
접촉식은 측정부가 대상체에 직접 닿는 제품이며, 비접촉식은 측정부가 대상체에 직접 닿지 않고 레벨을 측정하는 제품입니다.
접촉식 레벨센서
Pressure Sensor
레벨센서 설명한다고 해놓고 웬 압력센서냐?
레벨을 측정하는 전통적인 방법 중 하나이며, 매우 흔하게 사용하는 방식입니다.
탱크 최하단에 설치, 액체의 압력을 측정하여 레벨을 측정할 수 있습니다.
센서에 가해지는 압력은 탱크의 넓이와는 상관이 없고 높이에 의해서 결정되므로, 정확한 높이를 측정할 수 있습니다.
다만, 개방형 탱크와 밀폐형 탱크를 측정하는 방식이 조금 다릅니다.
상부가 오픈된 탱크는 최하단에 일반 Gauge Type 압력센서만 설치하면 됩니다.
최하단의 압력 = 탱크레벨
밀폐형 탱크 또는 가압된 탱크는 탱크 최하단과 탱크 최상단의 차압을 측정해야 하는데요, 이는 아래와 같은 이유 때문입니다.
최하단의 압력 = 탱크레벨 + 최상단부 빈공간에 들어찬 Gas의 압력
최상단의 압력 = 빈공간에 들어찬 Gas의 압력
최하단의 압력(High Port 연결) - 최상단의 압력(Low Port 연결) = 탱크레벨
Capacitance Level Sensor
정전용량 레벨센서는 유체의 정전용량을 측정하여 레벨을 계측합니다.
앞서 포스팅한 Capacitance Level Switch와 원리는 동일합니다.
Capacitance Level Sensor는 일반적으로 탱크 외벽과 전극봉 사이의 정전용량을 합니다.
하지만, 전극봉 2개를 Pipe in Pipe 구조로 배치하여, 사이에 들어오는 유체의 정전용량을 측정하는 방식도 있습니다.
이 방식을 사용하면, 절연재질의 탱크도 정전용량 방식으로 레벨계측이 가능하고, 레벨센서의 위치를 변경하여도 Calibration이 필요 없다는 장점이 있습니다.
Capacitance 방식은 대상체가 변질되거나 오염되어 유전율이 변하게 되면 값이 틀어지기 때문에, 주기적으로 Calibration을 해줘야 한다는 단점이 있으며, 절연체는 측정할 수 없습니다.
Float Level Sensor (MR, Hall, Reed Switch)
플로트 레벨센서는 플로트 레벨스위치와 100% 동일한 방식으로 제작됩니다만, 내부 소자를 일부 포인트에만 배치하는 것이 아니라, 프로브 전체에 촘촘하게 배치하여 Linear한 레벨출력을 가지도록 만든 제품입니다.
내부 프로브에 MR/Hall/Reed Switch 중 뭘 넣었냐에 따라 종류가 나뉩니다.
가격이 다소 저렴하다는 장점이 있지만, 움직이는 부분이 있어 이물질이 끼이거나 충격으로 프로브가 변형되면 동작하지 않습니다.
그리고, 소자를 일일이 배열하여 Linear 값으로 출력하므로, Resolution이 다소 떨어집니다.
Displacer Level Sensor
디스플레이서 레벨 스위치와 방식은 동일 합니다.
다만, 레벨 스위치는 Displacer의 부력으로 Limit Switch를 눌러 접점출력이 나오는 구조였다면, Displacer Level Sensor는 Displacer의 무게를 Torque축을 통해 회전힘으로 전달하고, 센싱부에 부착된 Load Cell에서 Displacer의 무게를 다시 측정하는 방식으로 Linear한 값을 출력합니다.
즉, 부력에 의해 가벼워지면 Loadcell에 가해지는 무게가 줄고, 내부 액체가 줄어들어 Displacer가 내려가면, Loadcell에 가해지는 무게도 늘어납니다.
매우 극한 환경에 적용하며, 액체에만 적용이 가능합니다.
Silopilot Level Sensor
이름 그대로 Silo 용으로 만들어진 제품입니다.
곡물, 과립 등의 레벨을 측정할 수 있으며, 먼지가 심하거나 알갱이가 매우 큰 환경에서도 무리없이 적용할 수 있는 제품입니다.
Housing 내부에 엔코더가 장착된 모터가 들어가 있고, 모터 축에는 추가 감겨 있습니다.
측정을 시작하면, 모터는 줄을 풀어 추를 밑으로 내리게 됩니다.
추가 검출면에 닿으면, 추의 무게가 사라지게 되는데, 모터는 이를 감지하여 이 점에서의 회전수를 총 높이에 비례한 값으로 환산하여 Level을 측정한 후, 다시 추를 되감아 올립니다.
그 어떤 고체에도 적용이 가능합니다.
Servo Level Sensor
서보 레벨센서는 저유소의 기름탱크 레벨측정(재고관리)에 사용합니다.
유체의 온도/밀도를 같이 측정하고, 기름탱크 바닥에 깔린 물층 / 모래층을 감지하여 기름탱크의 정확한 재고파악을 도와줍니다.
기본적인 원리는 Displacer 레벨 센서와 거의 유사하지만, 본 제품은 기름의 Gross/Net량 확인을 위한 온도센서/밀도센서가 내장되어 있으며, 모터의 회전수를 감지하여 레벨을 직접 정밀하게 측정합니다.
Displacer의 무게가 부력에 의해, 또는 중력에 의해 설정된 무게값과 차이가 나게 되면 Servo Motor가 동작하여 Displacer를 움직입니다. 이 때 모터의 회전수를 측정하여 레벨변화를 계측합니다.
비접촉식 레벨센서
Load Cell
레벨센서 설명한다고 해놓고 또 웬 로드셀이냐??
일반적으로 Silo는 다리에 Load Cell을 부착하여 Weighing System을 구축합니다.
이렇게 하면, Silo의 무게변화를 측정하여 내부의 레벨을 정확하게 측정하는 것이 가능합니다.
Ultrasonic Level Sensor
초음파 레벨센서는 모든 비접촉식 레벨 계측 방식 중 가장 저렴하고 일반적으로 사용됩니다.
초음파를 발진한 후, 초음파가 대상체에 맞고 되돌아오는 시간을 측정합니다.
액체/고체 레벨 측정에 모두 사용할 수 있고 설치가 간편하다는 장점이 있지만, 환경에 의한 외란영향이 심하여 일부 환경에서는 사용이 제한됩니다. (고체에서의 사용은 대상체의 성질/모양에 따라 성능이 감소할 수 있음)
거품, 먼지, 분진, 응결 등이 있거나 특이한 모양의 탱크에서는 사용이 어렵습니다.
온도범위가 좁고(-20 ~ 65degC 정도), 높은 압력(3 Bar 이상)에서의 사용이 어렵습니다.
Non-contact Radar Level Sensor / Guided Wave Radar Level Sensor
레이더 레벨센서는 초음파센서와 비슷한 원리를 가지고 있지만, 초음파가 아닌 Microwave를 발생시켜 레벨을 측정한다는 점이 다릅니다.
발진기에서 Microwave를 발생시키면, 이 전자파는 대상체에 맞고 반사됩니다.
이 반사된 Microwave의 체공시간을 계산하여 Level을 계측할 수 있습니다. (TOF, Time of Flight)
이 때, 대상체의 Dielectric Constant(DC, 유전상수)에 의해 반사파의 강도가 달라지므로, 대상체의 유전상수를 미리 파악해야 합니다.
Radar Level Sensor는 Stainless Steel 구조로 되어 있어 고온(~300 degC) 및 고압(~40 Bar)에 적용이 가능하고, 파장이 짧아 분진/거품/수증기 등 환경의 영향을 초음파센서보다 덜받습니다만, 금액이 더 비쌉니다.
레이더 레벨센서는 Guided Wave Radar와 Non-contact Radar Sensor로 나뉩니다.
사실 Guided Wave Radar Sensor는 접촉식 레벨센서 입니다만, 귀찮아서(!) 여기 넣었습니다.
Guided Wave Radar Sensor는 그림에서 보는 바와 같이, 유도봉이 있습니다.
따라서, 탱크의 모양 및 히터/교반기 등 Microwave를 흡수할 수 있는 장애물의 영향을 받지 않습니다.
그리고, 거품/분진 및 기타 환경의 영향을 거의 받지 않습니다.
다만, 유도봉이 미디어와 접촉하므로 부식, 위생문제, 유도봉으로 인한 설치 조건의 한계 등이 있습니다.
그리고 금액이 Radar Sensor보다 조금 더 비쌉니다.
Laser Level Sensor
레이저 레벨센서 또한, 레이저가 대상체에 맞고 돌아오는 시간을 측정하여 레벨을 계산합니다.
이 제품은 불투명한 대상체만 측정이 가능합니다만, Radar Level Sensor와 달리 Dielectric Constant와 상관없이 측정이 가능합니다.
직진성이 매우 강하기 때문에 Radar/Ultrasonic에 비해 굉장히 긴 거리를 측정할 수 있으며(~ 450m), 굉장히 좁은 통로만 있다면 레벨의 측정이 가능합니다. 즉, 장애물의 영향이 없습니다.
그리고, 투명한 유리 등은 그냥 투과하기 때문에 원자로 용기와 같은 고온/고압/특수 환경에 적용됩니다.
Radiometric Level Sensor
위에 있는 모든 레벨측정방식의 적용이 불가능한 환경에 적용합니다.
이름에서 알 수 있듯이, 방사능을 측정하는(!!) 레벨 센서입니다.
밀폐된 용기의 바깥에서 내부의 레벨을 측정하는, 그야말로 완벽한 비접촉식 입니다.
감마파 발생기와 감마파 수신기로 구성되며, 감마파 발생기 내부에는 감마파 발생을 위한 세슘 또는 코발트 동위원소 등이 포함되어 있습니다.
탱크 내부의 레벨이 차오를수록, 감마파 수신부에 도달하는 초당 펄스의 수가 감소하게 됩니다.
이 차이를 토대로 레벨을 계측하게 됩니다.
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