Level 측정원리  

Level 측정의 역사는 매우 오래 되었지만 최근에 가장 널리 알려진 아래 다섯 가지 Level 측정원리에 대한 설명입니다.

다양한 Level 측정원리를 이용한 여러 가지 Level 계기 중에서 가장 알맞은 것을 선택하는 것은 쉬운 일이 아니며, 고가의 측정장비 일지라도 잘못 적용된 Level 계기일 경우 정확한 Level 측정이 어렵습니다. 이러한 여러 측정원리를 잘 이해 함으로서 귀사에 가장 적합하고 경제적인 Level 계기 선정이 될 수 있도록 하는 것이 목적 입니다.

최근의 Level 계기는 마이크로프로세서에 집적된 기술이 발전되었습니다. 예를 들면 D/P (Differential Pressure) Level 계기는 “SMART” 기술로 새롭게 발전되어 Local 계기는 Configuration뿐 아니라 계기의 진단 기능도 가지고 있으며, Process Data는 원거리 감시와 Control 계기에 Network로 묶여 통신 하기도 합니다.

죄근에 많이 알려진 Level 측정방법은 아래와 같습니다.

●        RF Admittance (정전용량식) Type

●        Conductance (전도도식) Type

●        Hydrostatic Head/Tank Gauging (수압식)

●        Radar

●        Ultrasonic

RF Admittance Type

RF Admittance Level 측정원리를 참고하여 주시기 바랍니다.

Conductance Type.(전도도식)

Level 측정에서 전도도식 방식은 측정물징의 전기 전도를 바탕으로 저전압 전원 (일반적으로 20V 이하) 의 전류를 도전성 액체에 통과시킴니다. 전도도식 Level 측정은 저가이고 간단한 측정방법입니다.

전기회로를 형성하는 일반적인 방법으로는 두 개의 전극봉을 사용하는 것으로 금속 Tank의 접지가 필요 없도록 합니다. 이러한 전극봉은 Point (On/Off) Level 검출에 쓰이고, 검출된 위치는 전도체와 비전도체 사이의 경계면이 됩니다.

Tank의 Conductance Type Level을 설치하여 Tank 의 액면 수위를 조절하는 경우, 두 개의 전극봉으로 최대점, 최소점에 전극봉을 설치하여 수위가 최대점에 도달하면 스위치가 동작하여 배출 Pump가 동작하도록하며, 최소점에 수위가 도달하면 배출 Pump 가 정지하도록 하는 방법이 일반적으로 많이 사용됩니다.

Hydrostatic Head Type (유체역학의 압력수두 방식)

가장 오래 되고 일반적인 액체 Level 측정방법중 하나인 Hydrostatic Head Type 는Tank 내부의 액체 수두압력을 측정하는 방법입니다. 이것의 기본식은 아래와 같습니다.

P = m H d           또는       H = m P / d

P = 압력 (lb/in2)

m = 상수 (Constant)

H = 수두 (ft)

d = 비중 (lb/ft3)

액체의 비중은 온도에 따라 변하며, 정확한 Level 측정을 위해서는 측정액체의 실제 온도에 따른 비중 변화를 보상해야 합니다.

수십년 동안 D/P (Differential Pressure) 계기는 액체 Level 측정에 사용되어 홨습니다. Pipe Line 전후의 차압측정을 위해 고안된 Orifice Meter는 Level측정에 쉽게 적용되었으며, 오늘날의 D/P Transmitter는 이 측정기술을 잘 적용한 것입니다.

대기압의 Tank (진공이 아닌 Open Tank) 는 Tank 하부의 Nozzle 에 D/P Transmitter의 High-Pressure side를 장착하고, Low-Pressure side는 대기중에 Open 시켜 설치합니다.

만약 Tank가 압력을 받거나 진공인 경우 (Closed Tank)는 Low-Pressure side를 Tank 윗쪽 Nozzle에 연결하여 Transmitter의 출력값이 단지 수위의 변동에 의해서만 비례된 출력이 나타나도록 합니다.

Hydrostatic Tank Gauging (HTG)는 Hydrostatic기술이 특수한 곳에 적용된Level 계기입니다. 이것은 여러 개의 저장 Tank류의 정확한 액체 Level 측정의 새로운 기술로, HTG System은 tank의 Level, 질량, 비중, 용량 등의 정확한 정보를 알 수 있으며 이러한 값들은 원거리 디지털 신호로 전송됩니다.

그림은 압력 Transmitter (PT), Temp. Transmitter (TT) 와 Tank 하부의 Level 을 측정하는 Level Transmitter (LT)의 간단한 System 의 그림입니다. Tank의 무게 (Weight)는 PT 에 의해 측정된 수두 (hydrostatic Head)에 Tank 면적을 곱해서 구해지며, 액체의 온도 비중의 관계는 부피와 Level을 계산에 사용됩니다. Computer에 입력된 이러한 Data는 자동적으로 계산되어 감시와 계산 목적의 결과를 연속적으로 얻을 수 있습니다.

Probe 가 Tank 아랫부분에 비스듬하게 설치된 LT는 Oil과 분리된 물의 적산량을 측정하고 제품만을 추출하도록 조절하는 특별한 계기 ( 일반적으로 RF Admittance 가 가능함) 가 사용됩니다. 또한 물과 Oil의 경계면을 측정함으로서 LT는 제품의 정확한 Level을 측정하도록 합니다.

D/P Transmitter의 새로운 형태는, 온도계 원통과 같이 생긴 Satainless Steel Probe 형태의 Pressure Transmitter 가 있는데 이 Probe는 Tank의 바닥쪽에 설치되고 Plastic Tube 나 Wire로 고정되어 Tank 외부의 Meter에 연결됩니다.

이 Meter의 신호는 Tank 내의 Level 이 증가하면 그에 압력이 증가하게 되며, 감소하면 Level 값도 감소하도록 표시합니다.

또다른 형태의 수두측정장치 (Hydrostatic Measuring Device)는 압력소자에 채워진 Oil이 공정액 (측정액체) 을 오염시키는 것을 방지하기 위한 건식소자 전송기 (Dry-cell Trancedure)로 이것은 특수 ceramic을 혼합하고 Stainless Steel Diaphragm으로 외관상 D/P Transmitter와 같습니다.

Radar or Microwave Type (레이더 방식)

Radar level 측정방식은 Microwave 라고도 하며, 모두가 전자파를 응용한 것으로 극초단파 X-band (10 GHz) 범위이며, Level 측정 응용에 가장 최근에 적용된 기술로 대부분 연속측정에 사용됩니다.

기본적으로 모든 Rader Type는 Sensor 가 있는 Nozzle 꼭대기에서 아래로 극초단파를 발사하는 원리로 동작합니다. 이 Sensor는 피측정 물질의 표면에서 반사된 Energy 를 받으며, 신호의 왕복되는 시간 (Time of Flight) 으로 Level의 높이를 결정합니다.

연속 레벨 측정은 두 가지 형태의 Radar Type이 있는데 Cable과 Probe를 Tank 의 아랫부분까지 내려 초단파기 이것을 따라 진행하도록 하는 직접방식과 Probe 가 측정 물질에 닿지 않는 비접촉 방식이 있습니다.

첫 번째 비접촉 방식 (noninvasive) 은 FMCW(Frequency-Modulated Continuous Wave) 기술로 , Tank 위에 있는 Transmitter 에서 진동자가 고정된 진폭으로 일정한 선형주파수를 아래로 발진합니다. 반사된 Radar 신호는 Level 표면의 거리에 비례하여 시간지연이 발생된다. 반사된 신호는 전송신호와 다르며 거리에 비례한 새로운 주파수와 섞이게 되어 이 새로운 주파수 매우 정확한 Level 측정 신호로 변환된다.

Radar Sensor 0~200Hz 까지 변하는 FM (Frequency-Modulated) 신호를 내보냅니다. ( 0~200 Hz 의 주파수 변화는 거리로는 0~200 ft) 이 측정기술의 이점은 Level 측정신호가 AM 이 아닌 FM 이라는 것이고 대부분의 Tank 내의 Noise는 AM 영역이고 FM 영역에는 영향이 미치지 못합니다.

두 번째 비접촉식 기술은 Pulsed Radar 또는 Pulsed Time-of-Flight로 Ultrasonic Pulse 방법과 매우 유사하며, Radar Pulse는 액체 표면을 향하고 Pulse가 되돌아 오는 시간을 Level로 계산한 것입니다. Pulsed Radar 방식은 FMCW 보다 전송 energy가 약하기 때문에 Tank 내의 장애물, 거품 또는 유전상수가 작은 (K < 2) 물질의 Level 측정에는 오차를 일으킬 수 있습니다.

비접촉식 안테나는 세가지 형태인데 위성안테나식(parabolic dish antenna), 봉 안테나식 (rod antenna), 원뿔형 안테나식 ( cone antenna) 모양이 있다. 위성안테나식은 넓은 지역에서 수직으로 신호를 전송 할 수 있고 원뿔형은 제한된 좁은 통로로 신호를 전송하는 방식이다.

세 경우의 Level 중 선택의 여지는 Sensor 의 직경, 전파방해가 되는 내부 구조물의 유무, 거품의 정도, 액체의 진동을 감안하여 설정한다.

GWR (Guided-Wave Radar) 는 초단파를 유도하는 봉 또는 Cable 이 측정 물질과 닿는 접촉식 방식으로 초단파는 Sensor에서 출발하여 측정물질을 지나 Tank 바닥으로 내려간다. GWR 의 기본 원리는 TDR (Time-Domain Reflectometry) 이고, TDR 은 지하나 빌딩 벽 속의 긴 Cable 의 단선 위치를 찾는데 오래전부터 사용된 기술입니다. TDR 발진기는 200,000 pulse 이상의 전자기 energy를 파형 통로로 보내고 받으며, 측정액체의 유전체는 임피던스를 변화시키고 이것은 차례로 반사파를 보내게 됩니다. 이 pulse의 전송과 수신 시간이 level 측정에 사용됩니다. 파형의 통로 (Rod 또는 Probe)는 매우 효율적인 pulse통로로 신호 감소를 최소화 할 수 있습니다. 그래서 매우 작은 유전률을 가진 물질 (K < 1.7, 여기서 물=80) 도 효율적으로 level을 측정 할 수 있습니다. 또한 pules 신호가 정해진 guide 내에서 진행하므로 level 의 심한 변동, 거품, Tank의 구조적 방해물에 의한 영향을 받지 않습니다. 그리고 GWR은 비중의 변화와 sensor에 묻는 (building 또는 coating) 오류에 대한 문제를 해결 할 수 있습니다. 그러나 GWR는 접촉식 방식으로  guide (rod 또는 probe) 는 Tank 내부의 agitator 나 측정물질의 부식성에 의해 파손 될 수 있다.

Ultrasonic and Sonic Type (초음파 방식)

Ultrasonic 과 Sonic type Level 계기는 Level 측정을 위해 음파를 사용하는 기술로 Ultrasonic 측정법의 주파수 범위는 20~200 KHz 이고 Sonic type의 주파수 범위는 10 KHz 미만입니다. 일반적으로 Ultrasonic 계기는 Tank 위에 설치된 Tranducer 는 Tank 아래의 수위표면으로 파형을 발산하면, 반사파가 Tranducer로 되돌아 오고, 되돌아 오는 시간을 계산해서 Tank의 Level을 측정합니다. 이러한 시간은 Tranducer 와 물체 표면의 길이에 비례하며, 이것으로 Level 의 높이를 측정합니다.

Tranducer내부의 수정압전 소자는 전기 pulse를 음파 energy로 변환하고 일정한 주파수의 파형과 일정한 속도로 매체에 전달되고 반사됩니다. 일반적으로 그 매체는 측정물질과 Tranducer 사이의 공기이며, 질소나 그 밖의 증기 층이 될 수 있습니다.

실제 Level 측정 적용에 있어서 몇 가지 사항을 고려해야 하며 그 중에서 주된 것은 아래와 같습니다.

l        Tank Level 표면의 많은 거품들은 음파를 흡수할 수 있습니다. 이는 Ultrasonic 사용을 하지 못하는 경우가 있습니다.

l        액면의 심한 출렁임은 불규칙한 값으로 읽혀지며, damping 조정 계기를 사용하거나 응답지연 기능으로 이러한 문제를 해결할 수 있습니다.

거품이나 다른 요인으로 인한 음파방해를 예방하기 위하여 어떤 Level Maker에서는 Beam Guide를 Tranducer에 부착합니다.

Ultrasonic 과 Sonic level 측정방법은 또한 Point Level (High 또는 Low) 측정에도 사용되며 일반적으로 다른 Point Level 보다 가격이 다소 높습니다. 이를 Ultrasonic Gap 기술로 부르며, 이 기술은 점도가 비교적 적은 액체의 Point Level 로 사용됩니다. 전송 Crystal 의 한쪽 면에서 Sonic을 발진하고 수신 Crystal 이 다른 쪽에서 Sonic신호를 받습니다. 수신 Crystal의 신호에서 Tank의 내용물이 있는지 없는가를 감지합니다.

레밸 계기 최선의 선택

레밸 계기의 선정시 기억해야 할 중요한 사항은 각 Level 측정기술 의 정확한 이해로 가장  알맞은 level 계기를 선정하는 것이 중요하며, 초기 투자비는 단지 하나의 고려 사항으로 저렴한 초기비용은 많은 유지비를 초래할 수 있어 정도가 매우 떨어지는 계기를 오랫동안 사용할 수 있습니다.

Level 공급자들은 구매자가 원하는 사양서을 보내면 알맞은 상품을 추천할 수 있는데 level 측정에는 공통적으로 다섯가지 정보가 필요합니다.

●        측정물질

●        물질특성

●        Process 정보

●        Tank 기능

●        공급전원

상기 동작원리를 잘 이해하고 Level Application 의 특이한 사항을 고려한다면 고객에게 가장 알맞은 level 계기를 선정할 수 있을 것입니다.

Ain Engineering Co.