레벨 트랜스미터 원리 - lebel teulaenseumiteo wonli

 압력식 레벨계의 개요

액체가 들어가 있는 용기 바닥에는 액면의 크기와 액체 밀도의 누적에 비례한 압력이 생긴다. 따라서 이 압력을 측정하는 것에 의해 액면의 크기(레벨)를 아는 것이 가능하다. 이것이 압력식 레벨계의 원리이다. 단, 내압이 있는 탱크 내의 액체의 레벨을 구하는데는, 내압의 영향을 캔슬하기 때문에 차압 측정이 필요하게 된다.

압력식 레벨계는 직접식, 다이아프레임실식, Air purge식, 투입식, 메트리테이프식으로 분류된다.
더욱이 압력식 레벨계에는, 차압전송기가 사용되고 있다(메트리테이프식을 제외한다).

 직접식

용기 내의 액체를 직접 차압전송기 내에 유도하는 방법을 직접식이라고 한다．내압이 없는 경우와 내압이 있는 경우의 구성을 그림 1과 그림 2에 나타낸다. 그림 1의 h2은 용기와 차압전송기의 설치 위치간의 크기의 차이이다. 실제로 알고 싶은 것은 액위 h이기 때문에, h2에 상당한 압력분만 차압 전송기의 영점을 쉬프트시켜 사용한다. 이것을 제로 서브렛숀이라고 한다.

그림 1. 내압이 없는 경우의 직접식 레벨측정

용기 내에 내압이 있어도 그림 2의 구성으로 용기의 내압을 차압 전송기의 저압쪽으로 도입하면, 차압 전송기에 더해지는 차압 △P는 그림 1의 압력 P와 같게 된다. 그러나 보일러 등과 같이 용기 내에 증기가 있으면, 상온에서는 응축해 액체가 되고, 내압을 도입하는 도압관 내에 모인다. 이 상태에서 는 차압 측정이 불안정하게 될 가능성이 있기 때문에, 응결기를 그림 3에 보는 바와 같이 설치하여, 저압측의 응결액의 레벨을 일정하게 한다. 이 방법을 웨이트레그방식이라고 한다.

그림 2. 내압이 있는 경우 직접식 레벨측정(드라이레그식)

그림 3. 내압이 있는 경우의 직접식 레벨 측정(웨트레그식)

한편 그림 2는 드라이레그방식이라 한다. 웨이트레그 방식에서는 저압측 도압관이 액체로 채워지기 때문에, 차압 전송기의 저압측에 걸리는 압력이 고압쪽의 압력보다 높고, 그 결과 차압(△P)은 항상 마이너스가 된다.
전자식 차압전송기는, 출하 시점에서는 차압이 제로일 때 DC 4mA, 차압이 100%일 때 DC 20mA를 출력하도록 제작되고 있다. 따라서 이와 같은 케이스에서는 영점을 크게 시프트시켜, 액위가 제로일 때 출력이 DC 4mA가 되도록 한다. 이것을 Elevation이라고 한다(그림４참조). 또 양도압관 내의 액체의 밀도 β1, β2의 변화는 레벨 측정에서의 오차 요인이 된다.

그림 4. 웨이트레그방식의 액위와 차압의 관계 및 Elevation

 다이아프레임식

직접식 레벨 측정법에서는 도압관이 필요하지만, 도압관에는 막힘이나 누설의 염려가 있다. 또 부식성이 강한 액이나 고형물을 석출하기 쉬운 액에서는 차압전송기 내에 액체를 넣는 것은 좋지 않다. 그 때문에, 다이아프레임 부착 차압전송기를 채용하는 예가 최근 증가하고 있다. 더욱이 다이아프레임 Seal이라는 것은 액체의 압력을 일단 얇은 막(다이아프레임)에서 받아, 봉입액을 충전한 가는 파이프(캐피러리 튜브)를 매개하여 차압전송기에 압력을 전하여 주는 기기로, 일반적으로 용기의 측면에 프랜지로 접속한다(그림 5 참조). 이 방법에서도, 봉입액의 밀도 변화는 오차의 원인이 된다. 봉입액의 밀도 변화는 온도 변화에 의해 생기기 때문에, 고정밀도 측정이 필요한 때는 봉입액 온도보상형의 제품이 사용되고 있다.

그림 5. 다이아프레임 부착 차압전송기에 의한 레벨 측정

 에어 Purge식

액체 내에 소량의 공기를 연속적으로 Purge하면, 그 배압은 Purge관 선단의 액체의 압력이 동등하게 된다. 이것을 차압(또는 압력)전송기에 가하여 레벨을 측정하는 방법을 에어 Purge식이라고 한다．이 방법은, 비교적 저 코스트로 레벨을 측정할 수 있는 것과, 차압(압력) 전송기의 위치가 측정에 영향이 없다는 이점이 있다.

 메트리테프식

메트리테프식 레벨계는 액체의 압력에 의해 테이프상의 센서가 뒤틀리고, 내부의 저항선을 단락하는 독특한 원리에 기초하고 있다. 원리도를 그림 6에 나타낸다.

그림 6. 메트리테프식 레벨계

테프론의 재킷(Jacket)에 싸여 있는 센서의 내부에는 스텐레스판에 금 도금한 베이스 스트립과 금 도금한 니크롬선의 코일(Pitch 6㎜)이 들어가 있다. 액체 중에 있는 테이프 부분에서는 액체의 압력에 따라서 재킷이 찌그러지고, 니크롬선이 베이스 스트립에 눌려 단락한다. 액면이 하강하면, 감은 니크롬선의 탄성에 의해 하강부의 단락상태가 풀린다. 그 때문에, 센서의 저항치는 상부가 붕괴되지 않는 부분의 니크롬선의 저항치가 된다. 이것을 전류 신호로 변환해 외부에 발신한다. 이 센서에는 액면과 저항의 단락 위치와의 사이에 동작간격이 있고, 물의 경우에서는 125㎜ 정도이다. 더욱이 내압이 있는 탱크에서도, 센서 Filter를 통하여 탱크의 내압을 도입하면 액위를 측정할 수 있다.
이 센서는 미국에서 오일 탱커용으로 개발된 것으로, 고점성액용으로 특히 적합하다.

 투입식

상수, 하수, 하천, 우물, 지하 탱크 등의 수위의 측정은 지금까지 밝힌 압력식 레벨계에서는 곤란하다. 이와 같은 목적으로, 투입식 레벨계가 사용되고 있다. 투입식 레벨계에서는 케이블의 끝에 압력 측정부를 설치, 이것을 수중에 투입해 수위를 측정한 다. 압력 측정부는 일반적으로 원통 형태로 내부에 압력 검출 변환부를 가지고 있고, 검출한 압력을 DC 4∼20mA로 변환해 출력한다. 케이블의 내부에 는, 전선의 외부에 압력 센서의 측면에 대기압을 도입하기 위한 튜브도 들어가 있다.

1. 부력식 레벨센서

부력식 센서(displacement device sensor) 방식은 연속적인 레벨 측정에 사용된다. 약 2,200년 전에 아르키메데스가 처음 발견한 원리를 응용한 방식으로 고체를 액체에 담그면 잠긴 부분과 동일한 액체 체적을 변위시키고, 유체의 이와 같은 변위는 물체를 위로 향하게 하는 힘을 발생시킨다. 이것을 부력이라고 한다. 즉, 물체에 작용하는 부력의 크기는 물체에 의해서 변위된 유체의 무게와 같으며, 이 때의 부력 증가, 감소에 의한 용기의 움직임은 레벨의 변동과 정비례하여 변하기 때문에 우수한 직선성을 얻을 수 있다. 이러한 원리를 응용하여 최초로 구현한 레벨센서는 1700년대 후반에 영국의 제임스 브린들리(James Brindley)와 수턴 토마스 우드(Sutton Thomas Wood)가 보일러 제어용에 사용하였다. 유체 속에 정지해 있는 물체는 중력과 반대방향으로 부력, 즉 물체를 위로 뜨게 하는 힘을 받는다. 따라서 부력식 레벨센서는 아래 그림과 같이 액면이 상하로 움직임에 따라 플로트(float) 또는 디스플레이서(displacer)에 작용하는 부력에 기초하여 레벨을 검출하는 방식이다. 플로트는 부력에 의해 액체 표면상에 떠 있는 것을 의미하며, 디스플레이서는 부분적으로 액체 속에 잠긴 것으로부터 부력을 측정하는 방식을 의미한다. 그러므로 플로트의 밀도는 액체의 밀도보다 작아야 하며, 디스플레이서의 밀도는 액체보다 커야 한다. 만약 그렇지 않으면 동작범위가 제한될 수 있다.

플로트 레벨센서는 아래 그림과 같이 레버암(lever arm)을 사용한 센서이며, (a)의 레버암은 액면에 떠 있는 플로트와 피봇 조인트(pivot joint)를 연결한다. 플로트가 레벨의 변화에 따라 상하로 이동하면, 이것이 레버암의 다른 쪽 끝을 이동(회전)시켜 위치센서나 변위센서를 동작시켜 전류 또는 전압을 출력신호를 내 보낸다. 그리고 (b)는 플로트 내에 자석을 내장하고 있어 임계 위치에 도달하면 리드 스위치가 동작하여 스위치로 사용이 가능하다. 만약 다수의 리드 스위치를 사용하게 되면 레벨을 거의 연속적으로 측정이 가능하다. 좀 더 정밀도를 높이기 위해 리드 스위치 대신에 홀 센서를 사용하기도 한다. 이러한 플로트 레벨센서의 장점은 비교적 간단하고, 여러 액체의 레벨 측정에 적합하고 매우 정확하다. 그러나 전기적 출력을 내기 위한 기계적 부품이 많다는 것이 단점이다. 자동차의 연료 탱크의 레벨도 플로트 레벨센서를 이용하여 모니터링 하고 있다.

디스플레이서 레벨센서는 아래 그림과 같이 디스플레이서가 유체의 부력에 의해 움직이는 변위를 외부에 있는 토크 측정 장치를 통해 유체의 레벨을 측정하는 원리이다. 디스플레이서를 위치시키는 방식에는 유체가 있는 동일 박스 내에 디스플레이서를 위치시켜 사용하는 방식이 있고, 유체가 있는 메인박스 옆에 유체가 통하는 연결통로로 연결된 별도의 조그만 튜브에 디스플레이서를 이용하는 방법이 있다. 일반적으로 후자쪽을 많이 선호하여 사용한다. 이런 센서의 장점으로는 고온 및 고압의 유체에도 적용이 가능하고, 감도 및 정밀도가 좋고 응답속도가 빠르며, 절대 레벨이 변하지 않는다는 점이다. 반면, 유체의 밀도에 따라 레벨을 보정해 주어야 하며, 디스플레이서에 불순물 등이 부착해서 체적이 변하게 되면 오차가 생길 수 있으며, 플로트와 마찬가지로 상당량의 기계적 부품이 필요하며, 설치비용이 높다는 단점을 가지고 있다.

디스플레이서 레벨센서의 동작원리는 다음과 같다. 아래 그림과 같이 유체 내에 디스플레이서가 잠겨 있다고 하면, 디스플레이서에 작용하는 힘은 다음과 같다.

여기서 FA는 디스플레이서에 작용하는 힘(부력), V는 디스플레이서의 부피, Vx 는 밀도가 ρ1인 유체 부분이 잠긴 디스플레이서의 부피, ρ1은 아래쪽에 있는 무거운 유체의 밀도, ρ2는 위쪽에 있는 가벼운 유체의 밀도(보통 공기), FG는 디스플레이서의 무게이다. 디스플레이서에 작용하는 힘은 유체 레벨과 역비례하는 관계가 있다. 측정 범위를 최대로 하기 위해서는 디스플레이서의 부피를 최적화해야 하는데, 최대로 가능한 디스플레이서의 직경은 다음과 같다. 여기서 L 은 ㎜ 단위의 측정 가능한 최대 범위를 나타낸다.

2. 압력식 레벨센서

유체의 수직 기둥은 그 중량에 의해 아래쪽으로 압력이 가해진다. 유체 기둥의 밑바닥에서 기둥 높이와 압력관계는 용기의 폭 또는 모양에 관계없이 유체가 동일하면 일정하다. 따라서 아래 그림과 같이 용기의 하부에서 차압을 측정하면 다음과 같은 파스칼의 법칙에 의해 유체의 높이를 측정할 수 있다.

압력측정 레벨센서는 측정하고자 하는 탱크가 아래 그림과 같이 개방형과 밀폐형에 따라 차압을 측정하는 방식이 다르다. 탱크가 개방형인 경우에는 탱크의 뚜껑이 없는 경우로 유체의 표면이 대기압을 받고 있는 상태이다. 이런 경우에는 게이지압을 측정하여 위의 식에서 P2 = 0로 하여 레벨을 유추한다. 그리고 탱크가 밀폐형인 경우에는 유체를 제외한 탱크 공간은 내부 압력이 존재하기 때문에 차압을 측정하여 레벨을 유추한다.

탱크가 개방형인 경우의 차압 측정을 위해서는 게이지압 전송기, 탱크가 밀폐형인 경우의 차압 측정을 위해서는 차압 전송기를 주로 사용한다. 차압 측정을 위해 차압 센서를 2개만 사용하는 경우는 위의 식을 이용해서 높이를 유추할 수 있지만, 차압 센서를 3개 사용하는 경우는 액체의 밀도가 자주 변하는 상황에서 그 영향을 보상하기 위해 사용하는 방법이다. 이 경우 레벨은 다음과 같은 방법으로 높이를 계산할 수 있으며, 유체의 밀도를 무시할 수 있음을 알 수 있다.

현재 차압식 레벨센서가 공업용 프로세스에 가장 많이 사용되고 있다. 이 방식의 가장 큰 장점은 고온 및 고압에 사용이 가능하며, 밀폐 탱크의 레벨 측정도 가능하다는 점이다. 그리고 설치시 다음과 같은 점을 유의해야 한다.

① 차압 전송기의 설치 위치는 최저 레벨보다 낮은 위치에 설치해야 한다.

② 측정 유체의 밀도가 변화하게 되면 측정오차가 발생할 수 있으므로 반드시 밀도 보정을 해야 한다.

③ 유체의 흐름에 맥동이 있으면 차압 전송기의 출력이 불안정하게 되므로 맥동이 없도록 해야 한다.

④ 압력 측정을 하기 위한 도압배관 내부에 공기가 머물지 못하도록 해야 하며, 가능한 직선으로 배관을 해야 한다.

⑤ 파이프 연결시 누설이 되지 않도록 주의해야 한다.

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3. 기포식 레벨센서

기포식 레벨센서(bubbler level sensor)는 퍼지식 레벨센서라고도 하며, 부식성의 액체, 부유물을 함유하고 있는 액체나 고점도의 액체, 또는 도압배관을 부착하기 곤란한 지하탱크 등과 같은 경우에 사용하는 방식이다. 아래 그림과 같이 기체를 파이프 내로 강제적으로 주입하면, 기체 방울은 파이프의 끝 부분으로 방출되며, 파이프 내의 압력은 탱크 내 파이프 끝이 위치한 액체의 압력과 같다. 유체의 레벨이 변함에 따라 파이프 내의 압력도 따라서 변하게 된다. 이 압력은 연속적인 레벨지시를 위하여 압력계를 이용하여 측정할 수 있다. 공급되는 기체의 양은 약 1 SCFH(starndard cubic feet per hour) 정도로 낮게 유지하여 파이프 내에 현저한 압력 강하가 발생하지 않도록 해야 한다. 통상적으로 공급하는 기체는 공기 또는 질소를 사용한다. 진공 또는 대기압보다 낮게 운용되는 탱크인 경우는 액체 레벨 측정이 공급 기체압력과 액체의 증기압과 차압의 함수이기 때문에 기포식 레벨센서 시스템의 설치가 다소 복잡하다. 기포식 레벨측정은 구조가 간단하고 차압식 레벨센서로 측정이 어려운 경우를 대신할 수 있다는 장점은 있으나 정확도가 그다지 높지 않다는 점과 이 물질이 유입될 가능성이 있다는 단점은 있다.

4. 중량측정 레벨센서

중량측정 레벨센서(weight level sensor 또는 load cell level sensor)는 아래 그림과 같이 로드셀을 이용하여 탱크 속의 액체 중량을 측정해서 레벨을 결정하는 방식이다.

압력/밀도 측정 방식 중에서 앞에서 언급된 센서들은 모두 접촉식인 반면, 중량측정 레벨센서는 비접촉식으로 측정이 가능한 센서이다. 높이를 측정하는 레벨센서와는 달리 측정된 높이를 질량으로 변환하는 과정이 필요없다. 비어있는 용기의 중량을 Wt, 유체가 용기 내에 있을 때 로드셀에서 측정된 총 중량을 W라고 하면, 유체만의 중량 WL은 다음과 같다.

WL = W - Wt

여기서 빈 용기의 중량 Wt 는 이미 알고 있는 양이므로 차동 증폭기의 (+) 입력단자에 로드셀 출력 W를 연결하고, (-) 단자에 Wt 를 입력시키면, 증폭기 출력 신호는 WL이 되어 레벨 L 을 측정할 수 있다. 저장 유체의 밀도가 일정하면 중량과 레벨 사이의 관계는 선형적으로 되어 쉽게 레벨을 측정할 수 있다. 그러나 밀도가 일정하지 않은 경우, 특히 고체의 경우 이 방식은 오차가 많이 발생할 수 있다. 이 방식은 레벨보다는 실제 중량이 더 중요한 곳에서 자주 사용되며, 용기의 모양 또는 내부구조에 관계없이 측정된 중량은 저장된 유체의 실제 중량이 된다. 이와 같은 중량측정 방식에서 중요한 것은 저장 용기를 파이프 또는 기계장치 등으로부터 발생하는 어떠한 외부의 기계적 스트레스로부터 분리해야 한다는 점이다.