레벨 트랜스미터란 무엇인가요?

레벨 트랜스미터는 탱크, 사일로, 강물, 조석 환경(해수면) 등에서 액체 또는 고체 물질의 높이를 측정하고 모니터링하는 데 사용되는 센서입니다.

레벨 트랜스미터는 제조사에 따라 다양한 유형과 특징을 가지고 있으며, 각각 다른 측정 원리를 기반으로 합니다.

적절한 레벨 트랜스미터를 선택하려면 물질의 물리적 특성, 측정 환경, 설치 조건, 잠재적 교란 요인 등 주요 조건을 신중하게 고려해야 합니다.

본 글에서는 각 측정 방식의 작동 원리, 특징 및 한계를 소개합니다.

레벨 트랜스미터는 소재 산업과 같은 대량 생산 공장에서 원자재나 제품을 보관하는 사일로(silo) 및 탱크의 저장량을 측정하는 데 사용됩니다.

공장에서는 생산이 중단되지 않도록 다음 공정으로 원자재를 지속적으로 공급해야 합니다. 따라서 생산을 계속 이어가려면 사일로의 저장 용량이 바닥나기 전에 원자재를 보충해야 합니다.

이러한 각 설비의 저장량을 일일이 개별적으로 감시하는 것은 매우 비효율적이므로, 레벨계를 사용하여 저장량을 감시하고 자동화(제어)합니다.

수위 측정용 센서에는 '레벨 트랜스미터(Level Transmitter)'와 '레벨 스위치(Level Switch)'라는 두 가지 주요 유형이 있습니다.

용기에 저장된 양은 지속적으로 측정되어 ***%, 수위 ***m 등으로 표시되며, 대략적인 저장 수준을 파악하는 데 사용됩니다.

측정값은 4-20mA 또는 DC1-5V의 계장 신호로 변환 및 출력되어 모니터링 및 제어에 활용됩니다.

이 스위치는 용기 내부의 특정 높이에 센서를 설치하여 내용물이 가득 찼거나 비어 있는 상태를 감지하도록 설계되었습니다.

주로 자재의 적재 및 배출 공정의 시작과 정지를 제어하는 ​​데 사용됩니다. 설정된 높이에 도달하면 스위치는 ON/OFF 접점 신호를 출력합니다.

소형 용기는 주로 레벨 스위치만으로 제어되지만, 중대형 용기의 경우 상·중·하단에 여러 개의 레벨 스위치를 설치하는 대신 레벨 트랜스미터를 사용하여 저장량을 연속적으로 측정하고 실시간으로 그 수준을 파악합니다.

이러한 방식은 측정값을 표시하고 활용하는 데 자주 사용됩니다.

경우에 따라서는 레벨 스위치로 제어를 수행하면서 레벨 트랜스미터를 병행하여 중간 저장량을 확인하기도 합니다.

이러한 방식은 특정 센서에 문제가 발생했을 때 이를 더 쉽게 파악할 수 있다는 장점도 있습니다.

문제를 조기에 감지할 수 있어 생산 공정에 미치는 영향을 줄이고 장비에 가해지는 부하를 방지할 수 있습니다.

측정 대상과 환경에 따라 다양한 종류의 레벨계와 레벨 스위치가 있습니다.

측정 대상 및 사용 환경을 확인하신 후, 그에 적합한 제품을 선택해 주십시오.

모든 조건에 딱 맞는 제품이 없을 수도 있습니다. 이러한 경우에는 특수 사양으로 제작 가능한 경우가 많으므로 제조사에 문의해 주시기 바랍니다.

모델 선정에 도움이 될 아래 정보를 참고해 주십시오.

시중에는 다양한 종류의 레벨 트랜스미터가 나와 있습니다.

각 유형의 특성을 이해하고 있다고 생각하더라도, 실제 적용 단계에서는 어떤 모델을 선택해야 할지 결정하기 어려울 수 있습니다.

이러한 어려움을 해소하기 위해, 이 글에서는 레벨 트랜스미터의 종류와 특징뿐만 아니라 그 한계점까지 함께 설명합니다.

레벨 트랜스미터는 측정 원리와 제조사별 특징이 다양합니다. 따라서 적합한 장치를 선정하려면 재료의 특성, 공정 조건, 설치 요건 및 외부 요인에 의한 영향을 면밀히 고려해야 합니다.

측정 방식은 크게 거리 기반 측정 방식과 직접 레벨 측정 방식으로 구분할 수 있습니다.

이 글에서는 분말, 입상 및 벌크(bulk) 형태의 재료를 다루는 공정에 초점을 맞춰 각 측정 방식의 원리, 특징 및 한계점을 설명합니다.

감지용 추는 모터에 의해 전기적으로 하강하여 측정 대상물의 표면에 닿게 됩니다. 빈 공간의 거리는 측정된 이동 시간과 하강 속도를 바탕으로 산출됩니다. (거리 = 속도 × 시간)

• 직관적인 물리적 측정 원리를 기반으로 하여 이해하기 쉽습니다.
• 먼지나 증기가 많이 발생하는 환경에서도 영향을 받지 않습니다.
• 액체 내 침전물 검출에 적합합니다.

• 와이어 로프와 같은 소모성 부품으로 인해 주기적인 유지보수가 필요합니다.
• 센서가 재질에 직접 접촉하기 때문에 이물질 접촉이 금지된 환경에는 적합하지 않습니다.

이것은 물질 표면을 향해 초음파 펄스를 발사하고 반사된 신호가 센서로 되돌아오는 데 걸리는 시간을 감지하여 빈 공간의 거리를 측정하는 비접촉식 레벨 전송기입니다.

• 비용 효율적인 비접촉식 레벨 측정.
• 높은 지향성으로 좁은 공간에서도 신뢰할 수 있는 측정이 가능합니다.

• 먼지나 증기가 있는 환경에서는 측정 결과가 영향을 받을 수 있습니다.
• 온도 차이나 가스 발생은 음속을 변화시켜 측정 오차를 증가시킬 수 있습니다.

레이더 레벨 전송기는 물질 표면을 향해 마이크로파 펄스를 방출하고, 반사된 신호의 왕복 이동 시간을 바탕으로 빈 공간의 거리를 계산하는 방식으로 작동합니다.

• 온도 변화나 가스의 영향을 받지 않습니다.
• 먼지나 습기가 많은 환경에서도 안정적인 측정이 가능합니다.

유전율이 낮은 물질은 레이더 신호 반사가 약해 감지되지 않을 수 있습니다.

예: 실리카

FMCW 레이더 기술을 기반으로 한 비접촉식 레벨계입니다. 센서에서 주파수 변조 연속 마이크로파를 방사하고, 송신 신호와 측정 대상물 표면에서 반사된 신호 간의 주파수 차이를 분석하여 거리를 측정합니다.

• 온도 변화나 가스의 영향을 받지 않습니다.
• 먼지나 습기가 많은 환경에서도 안정적인 측정이 가능합니다.
• 높은 지향성으로 좁은 공간에서도 측정이 가능합니다.

유전율이 낮은 물질은 레이더 신호 반사가 약해 감지되지 않을 수 있습니다.

예: 실리카

마이크로파 펄스는 탱크 천장에 설치된 가이드 로프를 따라 전파됩니다. 센서는 반사된 신호의 왕복 시간을 측정하여 이를 측정 대상물까지의 공기 중 거리로 변환합니다.

• 초음파 센서나 비접촉식 레이더 레벨 트랜스미터와 달리, 이 방식은 빔 각도가 거의 없어 좁은 공간에 설치하기에 이상적입니다.

• 프로브에 물질이 심하게 부착되면 측정 오류가 발생할 수 있습니다.
• 와이어가 꺾이거나 끊어지는 경우, 또는 프로브에 물질이 축적되는 경우 허위 반사(노이즈)가 발생하여 잘못된 측정 결과가 나올 가능성이 높아집니다.

비접촉식 레벨계는 일반적으로 비행 시간(time-of-flight)과 위상차 검출이라는 두 가지 측정 원리를 사용합니다.

• TOF(시간차측정) 방식: 반사된 레이저 펄스의 왕복 시간을 측정하여 목표물까지의 거리를 계산합니다.
• 위상차 방식: 송신된 변조 레이저 신호와 반사된 변조 레이저 신호 간의 위상차를 감지하여 거리를 계산합니다.

• 높은 지향성 덕분에 좁은 공간이나 수백 미터 거리에서도 측정이 가능합니다.
• TOF 방식: Class 1 레이저를 사용하며 빠른 응답 속도를 제공합니다.
• 위상차 방식: 높은 정확도와 분해능을 제공합니다.

• 먼지나 증기가 많은 환경에서는 레이저 빔이 산란되거나 감쇠되어 정확한 측정이 어려울 수 있습니다.
• 레이저는 지향성이 높기 때문에, 측정 대상 표면이 매끄럽거나 거울처럼 반사되어 기울어진 경우 반사 신호가 약해져 센서로 충분히 되돌아오지 않을 수 있습니다.
• 위상차 검출 방식은 종종 더 높은 등급의 레이저를 사용하므로, 많은 응용 분야에서 적절한 레이저 안전 관리가 필수적입니다.

스테인리스강 테이프에 부착된 플로트가 액위(액체 높이)를 추적하며, 테이프 길이를 지속적으로 측정하여 빈 공간의 거리(empty distance)를 산출합니다. 유형으로는 스프링 밸런스, 밀폐형 파이프, 그리고 카운터웨이트(균형추) 방식 등이 있습니다.

• 단순하면서도 견고한 구조를 갖춘 이 방식은 높은 측정 정밀도와 장기적인 내구성을 제공하여, 대형 및 소형 탱크의 액위 감지에 적합합니다.

• 물질 축적이 발생하기 쉽습니다.
• 소방 설비가 밀집된 설치 환경에서는 유지보수가 제한적입니다.
• 부표에 고형물이 쌓이면 측정 오류가 발생할 수 있습니다.
• 방파제/세척관 내부에 접착 물질이 쌓이면 부표의 움직임을 방해하고 오작동을 일으킬 수 있습니다.

디스플레이서(displacer) 방식 레벨 트랜스미터는 공정 액체보다 밀도가 높은 디스플레이서를 사용합니다. 액위가 변하면 매달려 있는 디스플레이서에 작용하는 부력도 비례하여 변화하며, 이 변화는 기계적으로 전달되어 레벨 신호로 변환됩니다.

• 비중이 낮은 액체 측정에 적합하며, 고압 환경에서의 액위 측정에 효과적입니다.

• 측정 범위가 제한적입니다(약 300~3,000mm).
• 침전물이나 슬러지로 막히면 오작동하기 쉽습니다.
• 스프링은 소모품입니다.
• 액체 밀도가 변할 경우 재보정이 필요합니다.

탱크 천장에 매달린 프로브 전극과 탱크 벽면 사이에 커패시터가 형성됩니다. 측정 대상 물질이 전극 사이의 공간으로 유입되면, 커패시턴스가 수위(레벨)에 비례하여 변화합니다. 이러한 변화를 측정하여 수위 값으로 변환합니다.

• 좁은 공간에서의 측정에 적합합니다.

• 접촉식 센서이므로 이물질로 인한 오염 위험이 있습니다.
• 영점 조정을 위해서는 탱크를 비우거나 물을 빼내야 합니다.
• 측정 대상 매체의 상대 유전율이 변할 경우 측정 오차가 발생할 수 있습니다.

다이어프램은 액위 변화에 따른 액체 압력의 변동을 감지하여 이를 액위 측정값으로 변환합니다. 그러나 이 방식은 탱크 내부가 대기압 상태일 때 사용해야 합니다.

• 설치 공간이 협소한 곳에서도 쉽게 설치할 수 있습니다.

• 과도한 거품은 액체 압력을 불균일하게 만들어 측정 정확도를 떨어뜨릴 수 있습니다.
• 센서 표면에 고형물이 심하게 부착되거나 침전되면 정확도가 저하될 수 있습니다.
• 액체 압력은 액체의 비중에 따라 달라지므로 재보정 또는 조정이 필요합니다.
• 유지보수 시에는 탱크를 비워야 합니다.

이 장치는 두 개의 다이어프램으로 구성되는데, 하나는 액체 압력을 측정하고 다른 하나는 탱크 내부 압력을 측정합니다. 액체 레벨은 측정된 액체 압력에서 탱크 내부 압력을 빼는 방식으로 산출됩니다.

• 탱크 내부의 압력 변화에 영향을 받지 않고 측정이 가능합니다.

• 과도한 거품은 액체 압력을 고르지 않게 만들어 측정 정확도를 떨어뜨릴 수 있습니다.
• 고체의 심한 점착이나 침전 또한 측정 정확도를 저하시킬 수 있습니다.
• 액체 압력은 액체의 비중에 따라 달라지므로 조정 또는 재보정이 필요합니다.
• 유지보수 작업을 수행할 때는 탱크를 완전히 비워야 합니다.