RF (Radio Frequency) Level 측정기술은 전기 특성중 하나인 정전용량을 Level 측정에 응용한 기술로 다양한 형태가 있으며 측정물체에 따른 분류는 아래와 같습니다.

       ●  
액체 (Liquid)

       ●  
슬러리 (Slurries)

         ●  분체 (Granular Solid)

         ●  경계면 (Interface)

* 경계면 Level – 전기적 특성이 다른 액체가 섞이지 않을 경우 예를 들면 물과 경유가 섞여있는 경우 물과 경유 사이의 경계면 높이 높이를 측정합니다.

측정용도에 따른 분류는 아래와 같습니다.

        ●  접점 (On/Off Point)

      ●  High / Low
또는 다중접점 (Multi On/Off Point)

        ●  연속레벨 (Continuous, 4~20mA)
                                        Monitor_TrueCaps.jpg
RF
레벨의 다른 이름은 “RF Admittance” 또는 RF Impedance” 라고도 하며 이러한 변형된 이름의 적절한 명칭은 진보된 정전용량식 Level 계기이라고 있는데 이는 모든 RF Type 기본적으로 정전용량식 Level 채택하고 있기 때문입니다.

최근의 RF Level 계기는 신뢰성이 매우 향상되어 적용범위가 광범위하며, 모든 종류의  RF Level 계기의 주파수 범위는 30~1MHz 입니다.

RF Level 센서 (Probe) 상당량의 피측정 물질이 붙어있을 경우 이것을 Coating 되었다고 하며, RF Level sensor Coating 영향 없이 연속적으로 믿을 있는 정확한 Level 측정하도록 하는 것은 중요한 RF Level System설계기준입니다.


정전용량식(Capacitance Type) Level 측정원리

모든 RF Level 계기는 향상된 정전용량식 Level 측정기술을 적용한 것이며, 전기적 특성 하나인 정전용량은 전하를 저장하는 기능이 있으며, 이것은 거리 (d) 만큼 떨어진 도체 사이에 존재합니다.

 

실제 Level 측정시 도체는 Tank 벽면과 측정 Sensor Probe 되며, 도체 사이에는 유효면적 (A) 존재하게 됩니다.

  도체 사이에는 전기가 통하지 못하는 절연체가 있으며, 절연체의 전기적 특성도 Level 측정에 사용됩니다.

정전용량의 크기는 평행판 도체 사이의 면적과 공간의 넓이 아니라 절연체의 전기적 특성 (유전상수, Dielectric Constant, K) 의해서 결정됩니다. K 값은 충전 저장 용량과 관련이 있으며, K 값이 클수록 많은 충전량이 축적될 있습니다. 건조한 공기의 K 값은 1.0 이며, 액체와 액체의 K 값은 이보다 매우 큽니다. 예를들면 등유의 K 값은 1.8, 석유는 2.1, 이소프로필알콜은 18.3, 순수 물은 80이며, 고체의 경우 Teflon K 값은 2 이고 설탕은 3.0, 모래는 4.0, Kynar 8.0 입니다. 정전용량의 값은 아래 식과 같습니다.

           C = E (K x (A/d))

C = 정전용량 (pF)

E = 자유공간에서의 절대유전상수

K = 절연체의 유전상수

A = 도체사이의 유효면적

d = 도체사이의 거리

 

실제 레벨 측정에서의 정전용량식은 평행판 도체의 식이 아닌 원통형 죽전지와 같이 Sensor Probe, Tank 벽이 원통형 모양으로 구성된 도체사이의 정전용량으로 식은 아래와 같습니다.

정전용량값정의_도면.gif  

C = 2 π E K ℓ / (ln (b/a))                      정전용량_그림.gif

ℓ =  원통길이

b = 원통중심에사 Tank 벽면까지의 거리

K = 원통중심에사 Sensor Probe 외벽까지의 거리

 

 실제 레벨 측정시 피측정 물체는 절연체에 비유되며 (물론 피측정 물질이 항상 절연체일 가능성은 없습니다.), 도체인 Sensor Probe Tank 넣어 하나의 도체 역할을 하도록 하며 Tank 벽면은 또다른 도체역할을 하도록 합니다. 만약 Tank 비금속체인 경우는 도체 접지봉을 Tank 넣어 Tank 벽면의 도체 역할을 대신하도록 해야 합니다.

   Tank 상태에서는 도체 ( Tank 벽과 Sensor Probe) 사이의 절연체는 공기이고 Tank 공정의 액체 또는 고형물로 채워질 경우 이러한 물체가 절연체가 것입니다. Tank Level 액체 또는 고형물로 채워짐에 따라 Sensor Probe 접지 (Tank 벽면) 사이의 정전용량 값이 변하고 값으로 Level 측정 있도록 합니다.

   일반적으로 Sensor Probe Tank 수직으로 설치되어 연속(Continuous)레벨 측정과 여러 위치 (Mulit-Point) 레벨 스위치로 사용합니다. 위치 (Point) 레벨 측정하기 위한 방법으로는 수직으로 설치하는 경우도 있지만 일반적으로 Tank 수평으로 설치하여 On/Off 레벨 스위치로 사용합니다. ( 일반적으로 레벨 스위치의 경우 피측정 물체와 닿는 면적이 많은 수평설치 레벨스위치가 보다 확실한 동작을 합니다.)

   측정된 레벨 신호는 여러형태로 전송되며, Level Transmitter 출력은 일반적으로 4~20mA 이고 원거리 진단과 Range 변경, 교정 등을 위하여 Digital 신호인 HART Protocol 선택사양이 있습니다. 이러한 신호들은 DCS (Distributed Control System), PLC (Programmable Logic Controller), PC, Recorder 등에서 받을 있습니다.

   측정 물질이 도체인 경우, Sensor Probe 표면은 절연체 (Teflon 또는 Kynar) Coating 합니다. 절연된 Probe 콘덴서의 한쪽 전극면 역할을 하고 도체 성분의 측정물질이 또다른 전극면 역할을 합니다. 이측정물질은 전기적으로 연결되어 금속 Tank 접지됩니다. 이러한 경우 절연매체 또는 유전체 (K) Sensor Probe Coating 물체가 됩니다. 도전성의 측정물질 Level 변화에 따라 정전용량 값이 변하게 되어 Level 측정을 합니다. 이러한 측정은 온도의 변화, 측정물질의 성분 변화에 영향을 받지 않고 측정이 가능 합니다.

 

 RF Admittance or Impedance Type 레벨

   전기적 특성중 하나인 임피던스 (Impedance) RF Level 계기가 측정하여 보완함으로서 정전용량식 (Capacitance) Level 계기와 구별되도록 합니다. RF 또는 교류 (AC) 회로에서 임피던스 (Z) 전류에 반비례하고 식은

           Z = R + 1 / (j 2 π f C)

C = 정전용량 (pF)

f = 주파수 ( RF 측정 주파수)

π = 상수 (=3.14…)

j = (-1  )

K’ 새로운 상수로 설정하여 식을 간단히 표시하면

           Z = R + (1 / K’ f C)

 

                                 정전용량회로_도면.gif

   위와 같이 RF 임피던스 Type Level Instrument 정전용량 ( C ) 재는것  아니라 Tank내의 임피던스를 측정하게 됩니다. RF임피던스 Type 다른 용어로 RF 어드미턴스 Type 라고도 어드미턴스 (A) 임피던스의 역수 ( A= 1/Z) 이며, 기본적으로 “RF Admittance Type” “RF Impedance Type” 기술적 차이점은 없으며 임피던스는 저항값이 포합됩니다. 일반적으로 Level sensor Probe 측정물질이 묻는데 이것을 Coating 되었다고 하며, 일반적인 경우는 아니지만 Coating 되었을 경우 Sensor 정전용량값 아니라 저항값을 측정하여 실제보다 높은 Levl 지시하도록 합니다. RF Admittance Type 특별한 회로를 구성하여

        Coating 부분의 저항과 정전용량

        실제 측정물질의 용량성성분 (정전용량)  

  두가지를 모두 측정합니다. 값의 전기적 특성을 고려한 전기회로는 실제 Level 만을 측정한 4~20mA 출력을 발생하는 회로를 구성하고 이것은 실질적으로 Sensor Probe Coating 영향을 받지 않고 Level 측정하도록 합니다.

 

RF Admittance Type 레벨 측정을 위해 알아야 사항

   공급자로 부터 RF Admittance Level 정확한 Mode 선정 받기 위하여  필요한 정보가 적혀있는 Level Selection Form 사용되는데 주된 내용은 아래와 같습니다.

        측정물질 (Process Material) :

측정물질의 일반적인 명칭, 예를 들면 5% 수산화 나트륨 (NaOH)용액 입니다.

        측정물질의 특성 :

액체, 슬러리, 고형물, 경계면 (Interface), 분체 또는 Powder 등을 구분합니다. 유전률 (K), 전도도 (mS/Cm), 점도 (cp), 농도 (lb/ft)등의 값입니다. 또한 측정물질이 물기있는” “기름기있는” “버터 같은또는 당밀 같은식의 표현이 필요하며, 이러한 정보를 없으면 Sample 보내 정확한 Model Selection 되도록 해야합니다.

        Process 정보 :

Process 온도 압력 최소, 최대값 아니라 Normal 값의 정보를 공급자에게 알려주어야 하며, 만약 값이 심하게 변하면 변하는 정도가 가벼움” “중간임” “심함등의 정보가 필요합니다. Tank 재질에 대한 정보를 제공하는데 금속, 비철금속 또는 비철로 Lined 되었는지 알려줍니다. 측정물질과 접촉하는 부분의 재질에 대한 정보를 제공하며, 예를들면, 316SS, Kynar, Teflon 또는 밖의 재질 입니다. 계기설치 지역에 대한 정보를 제공하며, 비방폭, 방폭 (방폭등급) 지역 또는 부식성 (부식등급) 지역 등을 알려줍니다.

        Tank 주요기능에 대한 정보 :

Tank 용도가 집수조 (Sump), 반응기 (Reactor), 저장탱크 (Storage) 탱크하부의 재거기 Tank 기능을 알려줍니다. 또한 Tank모양에 대한 정보를 알려줍니다

           . Tank 크기 모양      

           . Sensor Probe 설치 모양 위치

           . 0% 100% Level 위치

           . Tank 내부의 교반기 (Agitator) 다른 구조물

        사용전원에 대한 정보 :

        115V AC, 230V AC 또는 24V dc, Loop Power (24V, two-wire Type) 등을 알려줍니다.

                                              
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