Technical Report

고체 측정의 복잡성 제거 방안

(Taking Complexity Out of Solids Measurement)

본 글에서 Ingemar Serneby는 베슬과 사일로에 저장된 고체 레벨 측정의 어려움을 설명하고, 상이한 애플리케이션에 있어 사용이 적합한 여러 기술에 대해 검토했다.

서론

많은 사용자들은, 베슬(vessel)이나 사일로(silo)에 저장된 고체 물질의 레벨 측정 시 어려움을 겪는다고 토로한다. 측정 대상 물질의 움직임은 종종 레벨 측정을 까다롭게 만들고 이에 따라 신뢰할 수 없는 측정 결과가 수반된다. 대다수 애플리케이션의 경우 레벨을 질량으로 변환해야 하기 때문에, 정확한 결과는 측정되는 물질의 밀도 일관성에 따라 달라지며, 저장 베슬의 규격과 특성의 완전한 이해 역시 필요하다.

업계에서 전통적으로 수행해 온 레벨 측정 접근법은, 요요라고 알려진 기계적 장치의 사용이다. 이는 추가 부착된 와이어를 계획된 일정에 따라 고체 표면으로 낮게 드리우는 방식으로, 본 장치는 추가 표면에 닿기까지 필요한 와이어 길이를 기반으로 매체의 레벨을 계산하는 것이다. 하지만, 장치의 스풀(spool) 메커니즘이 매체와 접촉하기 때문에, 이 시스템에는 정기적인 유지 보수가 필수적이고, 결과적으로 작업자는 높은 사일로의 위험한 작업 조건에 노출될 수밖에 없다.

반면, 공정 업계의 광범위한 애플리케이션에 적용이 가능한 연속 측정 옵션 역시 존재한다. 해당 옵션에는, GWR(Guided Wave Radar, 유도파 레이다), 비접촉식 레이다, 초음파, 음향 방식, 레이저 기반 기술, 로드셀(load cells: 하중계) 등이 여기에 포함되며, 다른 방법이 통하지 않을 경우, 원자력 기술을 응용할 수도 있다.

고체 측정이 어려운 이유

■ 표면 경사

충전 및 배출 사이클 동안, 고체 재료의 표면이 수평으로 평평한 경우는 대단히 드문데, 보통 유입구 하단으로 가장 높이 쌓이고 배출구 상단으로는 ‘쥐구멍(rat hole)’이 생기는 경향이 높다. 안식각이나 표면 경사는 베슬이 채워지거나 비워지면서 변하게 되고, 이 각도는 표면으로부터 신호가 반사되는 방식에 영향을 미친다. 이 때, 각도가 가파르다면 신호 손실이 발생할 수 있는 초음파 센서는 권장되지 않다.

■ 분진

고체 레벨 측정 기술의 가장 일반적인 문제 중 하나는, 충전 사이클 동안 발생하는 분진의 영향력이다. 사일로에 저장된 많은 물질은 다량의 분진을 생성하는데, 이는 초음파 및 레이저 측정 장치에는 문제거리가 될 수 있다. 분진의 존재는 신호 강도에 지장을 주며, 그 결과 측정 데이터의 신뢰성에도 영향을 미친다. 따라서 이러한 애플리케이션 중 일부의 경우, 초음파 및 레이저 장치는 부적합하기 마련이다.

레이다 신호는 분진에 영향을 받지는 않지만, 비접촉식 레이다 시스템의 안테나는 분진이 쌓이지 않도록 보호해야 하는데, 예를 들어, 접착성이 없는 PTFE bag(폴리테트라 플루오로에틸렌 덮개)를 사용하여 분진이 접착되는 것을 방지해야 한다. 또한, 음향 기반 시스템은 분진이나, 충전 잡음, 습도, 온도에 영향을 받지 않은 저주파수 펄스 신호를 사용하는데, 혼(horn)에 덮여 쌓이는 분진 입자를 털어내는 진동 멤브레인(vibrating membrane)을 이용해 자체 세정 기능을 갖도록 제작할 수도 있다.

[그림 - 1] 분말에서 자갈, 암석까지 다양한 크기의 고체 입자

■ 매체 유형

매체에는 여러 가지 서로 다른 유형이 존재하며, 이들의 물리적 특성 역시 광범위하게 나뉜다. 예를 들어, 입자의 크기는 미세한 마이크론(micron) 크기부터 대형 입자, 암석, 자갈, 과립까지 나눠질 수 있으며, 입자의 가장자리는 매끄러울 수도 있고 날카로울 수도 있다. 이에 따라, Guided Wave Radar 프로브(probe)와 같이 연마 매체에 접촉하는 부분은 정기적인 유지 보수가 요구된다.

경량의 기포 함유 물질의 경우, 초음파 및 음향 레벨 장치의 성능에 영향을 미치는 흡음 특성이 있다. 일부 물질은 수분을 즉각적으로 가두거나 흡수하는 흡습성을 갖기도 하는데, 이는 베슬 내부에 점결이나 응고를 초래한다. 특히, 표면이 거친 물질이라면 응고, 브리징(*bridging: 국부적으로 응고하여 다리 모양 생성), 동공 발생, 축적이 발생할 가능성이 높다.

곡물과 같은 제품은 특정 작물과 수분 함량에 따라 다양한 특성을 갖는데, 이로 인해 정확한 볼륨 결과를 위한 일관된 작물 밀도의 결정이 어렵다.

■ 유전율

많은 고체의 유전체 값은 비교적 낮은 편이다. 레이다 기술에 있어, 유전율은 게이지로 반사되어 되돌아오는 신호량의 중요한 지표이다. 만일 측정 물질의 유전율이 매우 낮다면(<2), 신호 강도 불량의 여파를 극복할 수 있도록 신호 처리 기술을 활용하는 Guided Wave Radar 장치의 사용이 필요할 수 있다.

■ 벌크 밀도

벌크(bulk) 고체 재고를 모니터링 할 시 볼륨 당 물질의 중량은 대단히 중요하며, 벌크 밀도(통상 단위: Kg/m3)가 해당 물질을 표시하는 중요한 지표가 된다. 연속 레벨 센서는 센서에서 물질 표면까지의 거리 측정을 볼륨 및 중량/질량으로 전환하며, 벌크 밀도의 모든 오류는 볼륨 및 중량/질량의 오류로 변환된다.

[그림 - 2] GWR 트랜스미터

■ 인장력

인장력은 특별히 Guided Wave Radar에 있어 난제로 작용하는데, 상대적으로 무거운 물질이 Guided Wave Radar 케이블 프로브를 파손하거나 부하를 사일로 지붕으로 이동시켜 붕괴를 유발할 수 있는 인장력을 생성할 가능성이 높기 때문이다. 이는 50ft.(15m) 이상의 베슬에서 많이 나타나는 문제이긴 하지만, 항시 유의하여 인장력 발생 가능성에 대한 방지 조치를 취해야 한다. 또 다른 고려 사항은, 물질의 중량으로 인해 신축성이 있는 Guided Wave Radar 프로브가 탱크 내의 여타 구조물로 이동되어, 측정 대상이 잘못 생성될 수 있다는 점이다.

■ 정전기 및 전자기 간섭

플라스틱 펠릿(pellet)의 레벨 측정과 같은 일부 애플리케이션의 경우, 정전하가 축적되어 궁극적으로 방전될 수 있다. 따라서 측정 장치의 민감한 전자 부품을 보호하기 위해서는 우수한 접지를 마련하는 것이 중요하다.  또한, 측정 장치는 반드시 정전기를 처리하고 전자 부품의 과도한 에너지를 전환할 수 있게 설계되어야 하는데, 이는 비금속 사일로의 문제가 되는 주변 장비의 전자기 간섭에 도움이 될 수 있다.

■ GWR(Guided Wave Radar, 유도파 레이다)

GWR은 탱크/베슬 레벨의 정확하고 신뢰할 수 있는 측정을 제공하기 때문에 공정 및 제조 산업에서 다양하게 응용될 수 있다. GWR은 하향식 직접 측정으로 표면까지의 거리를 측정한다. GWR은 평평한 표면의 반사에 의존하지 않기 때문에, 플라스틱, 비산회, 시멘트, 모래, 설탕, 시리얼과 같이 다수의 분말과 곡물에서 유용하게 사용할 수 있다.  또한, 레이다는 레벨 변화에 대해 신속하게 반응하기 때문에, 폐쇄 루프 공정 제어 및 안전성 애플리케이션에 사용이 적합하다.

GWR은 프로브 아래로 전송되는 극초단파의 낮은 에너지 펄스를 기반으로 하는데, 펄스가 매체 표면에 도달할 시 반사되어 트랜스미터로 다시 전송된다. 이 때, 트랜스미터는 펄스가 매체 표면에 도달하여 반사되는 시간을 측정하고, 내장된 마이크로프로세서는 ToF(*time-of-flight: 빛을 물체에 쏘아서 되돌아오는 시간을 측정하여 거리를 계산하는 방식) 원리를 이용하여 매체 표면까지의 거리를 정확하게 계산한다. 더불어, GWR에는 가동부가 없기 때문에, 유지 보수비용이 절감되고, 잠재적으로 위험한 상황을 초래할 수 있는 판독 오류의 문제를 방지할 수 있다.

유전율이 낮은 물질의 최대 측정 범위를 향상시킬 수 있도록, 표면 펄스가 약할 시에도 측정이 가능한 기술 역시 존재한다. 예를 들어, 에머슨의 Direct Switch Technology(직접 스위치 기술)은 여타 GWR 트랜스미터와 비교해 2 ~ 5배 강력한 에코 신호를 제공하는데, 이처럼 개선된 신호 대 잡음 비율은 긴 측정 거리 낮은 유전율과 같이 까다로운 측정 조건을 처리할 수 있는 능력의 강화를 의미한다.

에머슨에서는 표면 펄스가 너무 약해 감지가 어려울 시 유전율이 낮은 물질에 대해서도 믿을 수 있는 측정이 가능한 PEP(Probe End Projection: 프로브 말단 투사) 기술 역시 개발했다. 본 방법은 극초단파가 공기를 통과할 때보다 제품을 통과할 때 상대적으로 느리게 전파된다는 사실을 기반으로 하고 있다. 표면 에코가 가용하지 않을 경우라면, 프로브 말단 에코의 위치를 모니터링 함으로써, 알고리즘으로 표면 위치의 계산이 가능하다. PEP 기능은표면 에코가 대단히 약할 때에만 백업으로 활성화된다.

[그림 - 3] 공격적이고 연마성이 강한 매체에 대한 비접촉식 레이다 트랜스미터

■ 비접촉식 레이다

공격적이고 연마성이 강한 매체는 프로브를 손상 혹은 마모시킬 수 있는데, 이와 같이 매체와의 비접촉이 요구되는 애플리케이션이라면, GWR에 대한 대안으로 비접촉식 레이다를 사용할 수 있다. GWR과 마찬가지로, 비접촉식 레이다는 표면까지의 거리를 측정하는 하향식 직접 측정을 제공한다. 더불어, 비접촉식 레이다는 표면에서 튕겨져 게이지로 돌아오는 증기 공간을 통해 신호를 전송한다.

비접촉식 레이다는 표면이 확실하게 보여야 하고, 경사면 보다는 상대적으로 평평한 면에서 더 좋은 결과가 산출된다. 하지만, 경사진 표면, 낮은 유전율 속성, 높은 충전 비율이 갖는 구체적인 문제는, 반사 에코의 독특한 특성 중 일부를 처리할 수 있도록 특별하게 개발된 소프트웨어와 알고리즘의 사용으로 극복할 수 있다.

■ 초음파

초음파 레벨 장치는 고체 측정에 사용이 가능하지만, 몇 가지 쟁점으로 인해 음파가 표면에서 반사되는 방식에 영향을 미칠 수 있으며, 실제 레벨 신호의 감지를 매우 어렵게 만드는 ‘허위’ 에코가 생성될 수 있다.

이러한 쟁점에는, 먼지가 많은 환경 조건, 증기 공간 변경, 안식각 변화, 큰 입자 크기, 내부 베슬 장애물, 내부 베슬 표면의 피막이나 응고 형성과 같은 애플리케이션에 대한 측정 불능이 포함된다.

현대적인 설계 및 기술 혁신으로 다수의 애플리케이션에서 초음파 레벨 장치의 성능은 상당히 개선되었지만, 일반적으로 레이다 및 음향과 같은 보다 새로운 기술이 광범위한 애플리케이션 전반으로 보다 나은 결과를 제공할 것이다.

[그림 - 4] 에머슨의 Rosemount 3D 솔리드 스캐너, 벌크 고체 및 분말의 레벨, 볼륨, 질량 측정 제공

■ 음향 기술

음향 기반 장치는, 사일로나 빈(bin), 컨테이너 내용물의 표면에서 반사하는 저주파 펄스를 전송하여 레벨을 측정한다. 하지만, 넓은 영역에 걸쳐 전송되는 음향 신호의 특성으로 인해, 표면에서 정확한 에코를 획득하는 것은 어려울 수 있다. 이에 따라, 에머슨의 Rosemount 5708 3D 솔리드 스캐너와 같은 음향 시스템은, 표면까지의 거리뿐만 아니라 신호를 반사하는 물체에 대한 에코의 방향까지 감지하는 3대의 혼 안테나를 사용한다. 또한, 디지털 신호 프로세서는 수신된 신호를 샘플링 및 분석하여 저장된 내용물의 전체 표면을 매우 정확하게 측정하고, 원격 컴퓨터 스크린에 표시될 수 있도록 컨테이너 내부에서 제품이 실제로 할당된 형상에 대해 3D 시각화를 생성한다. 결과적으로, 사일로 치수를 사용한 볼륨 계산은 대단히 용이하다.

측정제공

Rosemount 5708 3D 솔리드 스캐너는 물질의 표면 표현을 기반으로 연속 볼륨 측정을 제공하는데, 사일로, 대형 호퍼, 벌크 고체 저장실, 비축장, 창고에 저장된 고체의 측정에 대단히 적합하다. 본 제품은 곡물, 석회, 시멘트, 플라스틱 분말, 측정이 어려운 비산회, 유전율이 낮은 물질을 포함하여 실질적으로 모든 종류의 물질을 측정할 수 있다. 또한, 자체 세정 설계로 먼지가 극심한 환경에서 사용할 시에도 최소한의 유지 보수만이 요구된다.

■ 레이저 기반 기술

레벨 측정을 위한 레이저 트랜스미터는 광속 개념을 도입하여, 작은 영역에 폭이 매우 좁은 빔(beam)을 집중시키는 방식을 사용한다. 이 장치는 매우 정확하고 먼 거리에도 작동이 가능하기 때문에, 사일로의 배출 지점과 같이 정확한 위치에서 레벨 정보를 요구하는 애플리케이션에 특히 적합하다. 또한, 이는 필요 시 저장 베슬이 물질 제공 능력에 관한 정보를 운영자에게 전달한다.

레이저 기반 시스템은, 공정에서 트랜스미터를 분리하는 특화된 사이트 윈도우(sight window)를 활용하여 고압 및 고온 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 반면, 레이저 레벨 트랜스미터에 먼지나 분진과 같은 피막이 축적될 시에는, 성능에 영향을 미칠 정도로 레이저 신호 강도가 심각하게 약해진다. 따라서 레이저 레벨 측정 장치의 피막 축적을 방지하고 정확한 기능을 보장하기 위해서는, 정기적인 유지 보수가 중요하다.

■ 전문 시스템

원자력 시스템은 베슬 전체로 방사선 팬(fan)을 쏴서 작동하는 방식으로, 레벨의 상승과 하강에 따라, 감지기에 수신되는 방사량 역시 상승 및 하강된다. 본 측정 시스템은 물질에 노출되지 않기 때문에, 부식성, 마모성, 고온 혹은 고압 공정 조건에 매우 적합하다. 그렇지만, 이 장치는 특수한 라이선스를 비롯해 교육 훈련, 추적이 필요하기 때문에 운영비용이 추가될 수 있으며, 향후 폐기 문제 및 내재된 연관 비용에 대해 반드시 숙고해야만 한다.

로드셀 및 변형계 중량 시스템은, 식품, 제약, 골재 산업과 같이 인증된 질량 측정이 필요한 애플리케이션에서 통상 선택되는데, 계정 관리 애플리케이션의 지원을 위해서 사용되거나 여타 모든 기술이 실패한 경우 사용된다. 로드셀은 설계 및 설치 시 시스템에 내장되는데 향후 개조도 가능하다. 시스템은 개별 요구 사항에 따라 엔지니어링이 필요하고, 검교정이 어렵다는 특징이 있다.

[그림 - 5] 에머슨의 음향 스캐너, 표면의 3D 시각화 제공

요약

위에서 살펴본 바와 같이 선택할 수 있는 기술이 광범위한 상황에서, 개별적인 고체 레벨 애플리케이션에 따라 정확하고 비용 효과적인 솔루션을 보장하려면, 각 애플리케이션의 특성을 주의 깊게 고려할 필요가 있다. 예를 들어, 저장 베슬의 크기, 베슬 내 분진 문제, 측정 매체의 낮은 반사 특성, 고체 표면이 대체적으로 고르지 못할 시 단일 측정 지점의 정확한 결과 제공 여부 등을 사전에 꼼꼼하게 검토해야 할 것이다.

일반적인 지침을 제시하자면, 상대적으로 소형인 베슬 애플리케이션에서는, 에머슨의 Rosemount 5300 시리즈와 같은 GWR 레이다 장치가 고체의 연속 레벨을 측정하는 정확하고 믿을 수 있는 방법을 제공한다. 소형 베슬의 경우 연결 부분도 작아지는 것을 고려하면, GWR 시스템은 설치가 용이하고, 다양한 범위의 베슬 유형 및 형태에 적용이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 이들 시스템은 충전이 빠르게 이루어지는 애플리케이션에 대해 신속한 반응 시간을 갖고 있고, 측정은 밀도 및 온도와 같은 물질 변동이나 습도에 영향을 받지 않는다. 그렇지만, 정확한 프로브 유형의 선택이 중요하고, 베슬의 높이가 높거나 측정되는 매체가 공격적이거나 연마성이 강할 시에는 특별하게 주의해야 한다.

유전율이 낮은 고체나, 표면까지의 거리가 먼 경우, 혹은 전자기 간섭 소스가 존재하는 경우에도 주의가 필요하다. 이러한 애플리케이션은, Rosemount 5300 GWR 트랜스미터에 통합되어 있는 PEP 같은 기술을 갖춘 제품이 요구된다. PEP는 낮은 신호 조건 하에서도 신뢰성 높은 측정을 가능하게 한다.

공격적이거나 연마성이 있는 매체가 GWR 프로브의 손상이나 마모를 유발할 수 있는 애플리케이션에서는, 대안으로 비접촉식 레이다를 고려할 수 있다. 그렇지만, 본 기술을 사용할 경우 고체 측정에서 신호 반사가 낮게 나타나기 때문에, 정확한 설치와 안테나의 선택이 대단히 중요하다. Rosemount 5402 비접촉식 레이다와 같은 최신 세대 제품은 고급 소프트웨어와 알고리즘을 사용하여, 기울어졌거나 경사진 표면, 낮은 유전율 속성, 높은 충전 비율을 포함해 고체 측정에 결부된 특정 문제를 극복하고 있다.

높이가 최대 70m에 달하는 대형 베슬 및 사일로에 대해서는, 음향 기반 시스템이 저장된 내용물을 고도로 정확하게 측정할 수 있다. 본 시스템은 물질 표면을 표현하는 연속 볼륨 측정을 제공하고, 유전율이 매우 낮은 곡물, 광석, 시멘트 재료를 포함하여 실질적으로 모든 유형의 물질에 대해 측정이 가능하다. Rosemount 5708 시리즈 3D 솔리드 스캐너와 같은 장치는 고체 애플리케이션에서 통상 나타나는 불규칙한 표면을 매핑하고, 표면의 최저/최고 레벨, 전체 볼륨, 3D 시각화를 제공할 수 있다. 또한, 본 제품의 자체 세정 설계는 극도로 먼지가 심한 환경에서도 소량의 유지 보수만을 필요로 한다.

창고와 같이 넓은 구역의 애플리케이션이라면, 몇 대의 음향 장치를 결합시켜 많은 업계의 재고 및 생산 공정 제어에 대해 정확하고 믿을 수 있는 측정 시스템을 제공할 수 있다.

가장 적합한 기술을 선택할 시 주의 깊게 숙고한다면, 유지 보수 요구 사항을 최소화하고 최대의 작동 수명을 보장할 수 있을 것이다. 대다수의 공급 업체들은 광범위한 기술을 제시하고 있으며, 소속된 기술/애플리케이션 엔지니어들은 대중적 애플리케이션에 대해 전문성을 갖추고 있기 때문에, 선택 과정 전반으로 사용자들을 가이드 할 수 있다고 하겠다.

자료제공: 한국 에머슨 프로세스 매니지먼트