액면 센서란?
액면 센서는 탱크나 용기에 담긴 액체의 액면 높이를 측정하기 위한 측정 장치입니다. 이를 통해 액체를 저장하고 있는 탱크 등의 잔량 등을 확인할 수 있습니다. 단순히 액체의 유무만을 감지하는 것과 연속적으로 측정하여 잔량의 퍼센트 등을 계산할 수 있는 것이 있습니다. 레벨 센서 등으로 불리기도 합니다. 액체 센서 중에는 모래와 같은 입자형 고체에도 활용 가능한 것이 있습니다.
액면 센서의 사용 용도
산업 분야에서 재료가 되는 액체나 세척에 사용되는 용매 등은 밀폐된 안쪽이 보이지 않는 용기에 저장되어 있는 경우가 있습니다. 액면 센서를 사용하면 용기를 열지 않고도 용기의 상태를 확인할 수 있기 때문에 특히 석유 정제 공장이나 수처리장 등 대규모 시설에서 탱크의 잔량을 모니터링하거나 음료, 식품 제조 공장, 제지 및 펄프 생산 현장에서 많이 사용되고 있습니다. 또한, 잔량뿐만 아니라 액체의 열화나 품질 등을 검사하는 목적으로도 사용됩니다.
액면 센서의 원리
액면 센서에는 다양한 종류가 있으며, 각기 다른 원리로 동작합니다. 대표적인 것은 다음과 같은 4가지 종류가 있습니다.
1. 플로트식
탱크의 상하부에 와이어가 내장된 튜브를 설치하고, 그 튜브를 따라 액면과 연동하여 상하로 움직이는 자석으로 만든 플로트를 액면에 띄웁니다. 플로트의 상하와 튜브 내부의 와이어가 연동하여 변화하는 거리에서 액면 레벨을 측정합니다.
2. 초음파식
액면을 향해 초음파를 발신하여 반사시켜 수신까지의 시간을 측정하여 센서에서 액면까지의 거리를 측정합니다.
3. 정전 용량식
탱크 벽에서 약간 떨어진 위치에 센서를 배치하고 벽과 센서 사이의 정전 용량을 모니터링합니다. 센서와 벽 사이에 액체가 있으면 커패시턴스가 크고, 비어 있으면 커패시턴스가 작습니다.
그림은 정전 식 액면 센서의 측정 원리를 보여줍니다.
그림 1. 액면 센서의 측정 원리
여기서는 탱크의 벽이 금속으로 되어 있다고 가정합니다. 액체가 비전도성인 경우, 액면 높이가 높아질수록 액체 유래 용량 성분의 기여도가 증가합니다.
일반적으로 비전도성 액체의 유전율은 공기의 유전율보다 크기 때문에 모니터링되는 정전 용량 값은 액면 높이가 높을수록 커지고 액면 높이가 낮을수록 작아집니다. 이 관계를 미리 알고 있는 함수로서 미리 구해두면, 센서 출력의 실측값으로 액면 높이를 결정할 수 있습니다.
한편, 액체가 전도성인 경우에는 액체 유래의 정전용량 성분이 존재하지 않기 때문에 센서 전극을 절연체(일정한 비유전율을 갖는 유전체)로 코팅하여 액면 높이의 변동에 따른 공기 유래의 정전용량 성분의 변동을 효과적으로 감지할 수 있는 구성으로 구성하면 마찬가지로 액면 높이를 결정할 수 있습니다.
4. 광학식
적외선 LED와 수광부로 구성되어 있으며, 액체가 없을 때는 적외선이 수광부에 도달하도록 광학계가 설계되어 있습니다. 센서가 액체에 잠기면 굴절 등으로 인해 수광부에 빛이 닿지 않기 때문에 액면 상승을 감지할 수 있습니다.
비접촉식 액면 센서
비접촉식 액면 센서에는 초음파식, 전파식, 레이저식, 방사선식, 중량식, 직수식 등이 있습니다.
초음파식은 초음파가 액면에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정합니다. 액체의 종류에 관계없이 측정할 수 있는 반면, 결로와 장애물에 취약하다는 특징이 있습니다.
전파식은 전자기파가 액면에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정합니다. 내환경성에 강하다는 특징이 있는 반면, 가격이 비싸고 장비의 크기가 크고 무겁다는 단점이 있습니다.
레이저식은 반도체 레이저를 사용하여 빛의 액면 반사를 이용하여 측정합니다. 스폿 직경이 작기 때문에 탱크 내 장애물의 영향을 받지 않는 특징이 있습니다. 반면 가격이 비싸다는 점과 레이저의 안전관리가 필요하다는 단점이 있습니다.
방사선식은 감마선의 투과와 흡수를 이용하여 측정합니다. 독성, 고온, 부식성이 강한 악조건에서도 사용할 수 있는 반면, 인체에 대한 위험이 발생할 수 있어 안전관리가 필요합니다.
중량식은 탱크별 무게를 측정하여 액면을 측정합니다. 탱크 내부의 영향을 받지 않는다는 장점이 있는 반면, 거품 등 액체의 비중 변화에 취약하다는 특징이 있습니다.
직시식은 육안으로 확인하는 방법이다. 가장 저렴하게 실행할 수 있지만, 더러워지면 청소가 필요하고 자동화가 어렵다는 단점이 있습니다.
전극식 액면 센서
전극식 액면센서(레벨 스위치)는 가동부가 없는 전기적 레벨 센서로 철강, 식품, 화학, 화학, 약품, 반도체 등 각종 산업과 농업용수, 정수장, 하수처리 등의 액면 제어에 범용적으로 폭넓게 사용되고 있습니다.
측정 시에는 접지 전극과 검출 전극 사이에 교류 전압을 인가합니다. 이때 전극 사이가 액체와 접촉하지 않으면 전류가 흐르지 않지만, 전극 사이가 액체와 접촉하면 전류가 흐르게 됩니다. 이 원리를 이용하여 전도성 액체만 감지할 수 있습니다.
장치는 전극 고정부, 프로세스 연결부, 전극봉, 릴레이 유닛으로 구성됩니다. 릴레이 유닛 외에는 전자 부품이 없고 움직이는 부품이 없기 때문에 단순한 구성입니다.