The Engineer’s
Guide to Level
Measurement
레벨측정
레벨 계측 기술
Rosemount 레벨제품
레벨의 응용 및 기술의 선택
적용 사례에 따른 기술 자료
안전 루프(safety loops)
제품 승인 및 인증
용어사전 / 자주 묻는 질문
참고자료
Contents
1. 레벨측정 5
2. 레벨 계측 기술 27
3. Rosemount 레벨제품 43
4. 레벨의 응용 및 기술의 선택 63
5. 적용 사례에 따른 기술 자료 83
6. 안전 루프(safety loops) 159
7. 제품 승인 및 인증 165
8. 용어사전 / 자주 묻는 질문 173
9. 참고자료 195
1
1 - 레벨 측정
레벨 측정
T
opic Page
1.1 레벨 측정의 이유 6
1.2 레벨 관련 용어 7
1.3 기기 선택 12
1.4 레벨 계측 기술의 분류 16
1.5 유전상수 및 레이더 레벨 계측 19
1.6 압력 기반 레벨 계측 24
5
1 - 레벨 측정
1. 레벨 측정
계측 절차를 안전하고 수익성 있게 진행하기 위해서는
신뢰할 수 있는 정확한 기기를 갖추는 일이 필수적이다. 레벨
계측의 기본은 탱크와 원자로 또는 기타 다른 베슬 내부의
표면 위치를 결정하는 것이다. 조금 더 정확하게 말하자면,
레벨을 계측하는 것은 하나의 기준점(보통 베슬의 바닥)과,
액체나 고체의 가장 상부 혹은 두 액체의 간 거리를 결정하는
일인 것이다. 여러 가지 프로세스를 적용할 때, 탱크, 원자로
또는 기타 다른 베슬 안에 존재하는 액체의 레벨을 정확하게
조절하는 일이 중요하다.
재고 관리를 위해 종종 레벨을 계측한다. 재고 관리 잘하려면
정확한 레벨계측이 필요하다. 제품의 레벨을 계측하는 여러
장치나 시스템은 시중에서 구입할 수 있다. 각각의 기기는
공통적으로 레벨을 정확하게 계측하도록 고안되었으나,
저마다 작동되는 방식이 다르고 계측의 정확성에서도 차이가
난다. 레벨 계측에는 감지 기기나 요소 또는 시스템 그리고
베슬 내부의 물질 간의 상호작용 과정이 포함된다.
여기서는 레벨을 계측하는 가장 보편적인 이유를 소개하고
레벨을 계측하는 여러 기술이 다른 이유는 무엇이며, 어떻게
다른지 설명하고자 한다. 이를 통해 특정 경우에 사용되는
레벨 계측 장치를 선택할 수 있고, 레벨 계측 제품의 이점과
한계가 무엇인지에 대해서도 이해할 수 있을 것이다.
1.1 레벨을 측정하는 이유
1.1.1 재고관리
레벨을 계측하는 주된 이유는 재고의 부피나 중량을 계속
파악하기 위함이다. 업계에서는 재고관리의 중요성이
증대되었다.
탱크 내의 재고를 계측하는 경우 레벨을 계측함으로써
신뢰성 있고 정확한 물품관리가 가능하다.
1.1.2 소유권의 이동
상거래용 물질의 양 (소유권의 이동)은 많은 경우, 부피나
중량으로 변환된 (수학적 방정식이나 스트래핑 테이블
(strapping tables) 이용) 레벨 계측에 기초를 두고 있다 (12
페이지의 스트래핑 테이블 참조). 소유권이 이동되는
상황에서는 레벨 계측 도구의 정확성이 매우 높은 수준이어야
한다. 계측된 레벨이 1/8 인치(~3mm)만 차이가 나도 매우 큰
오류가 발생된다.
소유권의 이동에는 법률적 이동과 상업적 이동이라는 두 가지
주된 유형이 있다. 상업적 소유권 이동은 양측이 부피 계측의
정확성과 계측에 사용된 기기에 동의하는 경우 발생된다.
법률적 소유권 이동은 더욱 엄중하며, 기상학상으로 승인된
기기를 필요로 한다. 이러한 기기는 사용하기에 앞서 법률적
유형의 승인을 거쳐야 하며, 일반적으로 1/16 인치(1mm)
이상의 계측 정확성을 지닌다. 소유권이 이동되는 물품에
사용하는 레벨 계측 기기에 대한 도움말이나 권장사항은 API
Manual of Petroleum Measurements(MPMS) 3.1 B장 및 OIML
R85에서 확인할 수 있다. 국가별로 준수해야 할 각 국내 승인
사항을 가지고 있는 나라들도 있다.
1.1.3 프로세스의 효율성
레벨 계측이 정확하면 효율성이 증대된다. 예를 들어,
석유 탱크 집합 지역은 특정한 양의 물질을 항상 보유하고
있어야 하는데 저장 탱크가 전용량(全容量)까지 채워지지
않는다면, 시설은 추가적인 저장 베슬을 구입하고 관리하기
위해 불필요한 비용을 허비해야 할 것이다. 그림 1.1.1의 보관
탱크는 석유 탱크 집합 지역에 새로운 탱크를 구입할 필요가
있기 전, 생산물을 추가로 60 단위(unit) 보관할 수 있다. 저장
공간을 효율적으로 사용함으로써 추가적인 보관 베슬을
구입하는 데 필요한 추가 비용을 지출하지 않을 수 있게 된다.
온도, 압력 그리고 수위를 계측하는 것 역시 재고를 관리하는
방법이다. 지난 몇 년 동안 재고관리의 중요성을 증대되어
왔으며, 이는 저장 베슬의 내용물을 사용하는 작업자에게뿐
만이 아니라, 회사의 간부, 회계, 손실 및 누출 관리자 등을
포함한 전체 회사에게도 마찬가지이다. 이처럼 중요성이
증대된 이유는 안전과 소유비용, 그리고 보관 물품의 가치에
초점을 맞추는 경향이 증가하였기 때문이다. 레벨 계측은 이제
1/8인치 (3mm) 이상의 정확성을 요구하는 것이 보편적이다.
6
그림 1.1.1 : 저수 효율
1 - 레벨 측정
1.1.4 안전성
레벨은 안전상의 이유로도 계측된다. 수용할 수 있는 양
이상으로 베슬을 채우게 되면 위험 상황이 발생할 수 있다
– 열린 형태의 베슬에서 유체가 넘치거나 흐를 수 있다. 베슬
내의 물질이 부식성이거나 반응성, 또는 뜨겁거나 가소성의
위험한 물질인 경우, 유체가 흐르거나 베슬에 과도한 압력이
가해지면 대참사가 일어날 수 있다. 레벨의 변화를 감시하여
탱크가 새지 않는지 확인하는 것 역시 이러한 위험한
물질들을 다룰 때 중요하다. 베슬 내 유체가 흐르거나 새는
것을 방지하는 일은 환경 관련 규약을 준수하는 데 있어
중요하다
1.1.5 지속적 공급
안정적인 입력(input)과 출력(output)은 많은 프로세스에 있어
필수적이다. 공급 속도가 각기 다르거나 공급 라인 상 급증
현상이 발생하면 지속적으로 공급을 유지하는 일은 어려워질
것이다. 공급과 프로세스 간 보관 베슬은 완충장치의 역할을
한다. 유입에 변동이 있어도 유출을 일정하게 유지해주는
것이다(그림 1.1.2). 보관 베슬 내의 프로세스 레벨이 적절한
범위 내로 항상 유지되면, 보관 베슬로의 공급 속도는 보관
베슬에서 프로세스로의 공급 속도에 영향을 미치지 않고
변화한다.
지속적인 공급은 펄프와 종이 산업에서 제품의 품질과
직접적으로 연결이 된다. 펄프 및 종이 산업에서는 모든
종이의 두께가 동일해야 하기 때문이다.
유입
조절 범위
유입 GPM
유출 GPM
유출
그림 1.1.2: 지속적인 공 급의 보장
1.2 레벨 관련 용어
기기의 개념과 용어를 살펴보고, 이러한 기기들이 작동하는
방법, 그리고 레벨 계측에 의해 달라지는 물질의 특성(예를
들면, 부피나 밀도)에 대해 소개하고자 한다.
레벨 계측은 일반적으로 피트(feet)나 미터(meter)로 표현된다.
레벨은 베슬이 차 있는 비율이나 계측된 범위에 대한 퍼센트로
표현될 수도 있다. 예를 들어, 그림 1.2.1 베슬의 레벨은 9피트
(2.7m)나, 90% full, 또는 계측 범위의 50%로 표현될 수 있다.
계측 범위란 레벨 트랜스미터(LT)가 특정한 베슬 내에서
계측할 수 있는 가장 낮은 레벨과 가장 높은 레벨 간의 거리를
의미한다. 그림 1.2.1에서 계측된 범위는 8 – 10 피트(2.45 – 3
미터)이다.
계측 범위
그림 1.2.1: 레벨 계측
1.2.1 표시 vs. 조절
레벨 계측 계기장치로 현장의 레벨 확인이 가능하다.
작업자는 계기장치를 사용하여 계측된 것을 해석하고
적절한 행동을 취해야 한다. 레벨 계측 계기장치가 장착된
시스템을 개방형 루프 컨트롤 시스템(open-loop control
systems)이라 한다. 또한 자동 컨트롤 시스템의 눈금을 매길
때 종종 계기장치를 사용하기도 한다.
베슬 내 레벨을 전기적으로 조절하는데 자동 컨트롤 시스템
또는 폐쇄형 루프 시스템(closed-loop systems)을 사용할
수 있다. 트랜스미터와 결합된 레벨 계측 기기는 베슬 내
레벨에 비례하는 전기 조절 신호를 발생시킨다. 다른 기기 (
예를 들면 밸브나 펌프)를 작동시키는 컨트롤러가 이 신호를
수신하는데, 이는 차례로 베슬 내 외부를 흐르는 제품의
양을 조절한다. 자동 조절 기능이 있는 베슬에 레벨 계측
계기장치를 포함시킬 수도 있다.
탱크, 원자로 혹은 기타 다른 베슬 내의 제품 레벨을 정확하게
조절하는 일은 많은 기기에서 중요하다. 조절을 잘 하기
위해서는 정확한 계측이 필수적이다. 여기서는 레벨 기술
7
1 - 레벨 측정
1.2.2 탱크 게이징 시스템, 연속 레벨
혹은 포인트 레벨
탱크 게이징 시스템
원자재가 시설로 들어가거나 중간 탱크에 보관하는 경우나
제품으로 완성되어 물품관리나 소유권 이동 시스템이 요구될
때, 사용자가 기기를 사용하는 경우 탱크 게이징 시스템이
사용된다. 이러한 탱크의 높이는 일반적으로 33 ~ 100ft(1030 미터)이다. 예외적으로, 첨가제 탱크는 더 작을 수 있다.
요구되는 정확도는 약 1-3mm로 높은 수준이다.
전형적인 탱크 게이징 기기:
• 단자, 파이프라인, 창고 및 기타 다른 보관 시설의 대형
보관 탱크
• 정유 공장의 수신기/중간/완료 제품 보관 탱크
• 화학, 아스팔트, 전기 시설 및 항공 연료 창고의 일부 대형
원자재 및 제품 보관 탱크
탱크 게이징 시스템에는 레벨뿐만 아니라, 일반적으로 온도,
압력, 저수저 계측이 포함된다. 통신장치, 컴퓨터 하드웨어와
소프트웨어 역시 시스템 솔루션에 포함된다. 계측값은
소유권 이동(상업적 및 법률적 목적), 재고 계산, 운영 및
안전 상의 목적으로 실제 부피를 산출하는데 사용된다.
금전적인 청구서 발부의 목적에 계측의 결과치가 종종
이용되며, 계측의 결과는 매우 정확하고 반복 가능하며 API
MPMS 3.1B 및 OIML R85 또는 국내 정확도 기준을 준수해야
한다. Rosemount 탱크 게이징 시스템은 이러한 국제 기준을
준수하며, 많은 국가에서 정부 당국이 그 정확성을 승인했다.
기기의 정확도는 +/-0.5mm이다.
(bypass chamber)에 존재한다.
이러한 기기들이 시설 프로세스 내부에 존재하면 계측 시
발생되는 어려움의 정도가 다양할 수 있다. 중간 버퍼나
침강 탱크는 그 중 적용이 쉬운 기기에 속한다. 챔버 내부를
계측하는 것도 보편적이나, 제품이 혼합되거나 휘저어지는
위치의 회분식 리액터(batch reactor)와 탱크에도 다른 형태의
어려움이 존재한다.
포인트 레벨
싱글 포인트 고레벨 및 저레벨 경고를 위해 연속 레벨 계측과
함께 종종 스위치가 사용된다. 그러나 스위치는 단순히
가득 차 있거나 비어 있는 상태를 표시하기 위해 단독으로
사용되기도 한다. 사이즈와 공간의 제약과 기기의 상태로
전기 스위치 또는 플로트(Float) 스위치인지를 결정한다.
기기에 따른 기술 선택
사용자의 각기 다른 요구사항을 이해하면 포인트/연속 레벨
계측과, 탱크 게이징 시스템 중 어떤 것을 선택할 것인지
보다 쉬워진다. 4장에는 수 많은 기기들이 나열되어 있으며,
적절한 기술에 대한 권장사항과 핵심적인 설치 정보 및
그 실제 적용에 대해 설명하고 있다. 기기를 응용하는 모든
상황에 대해 설명하는 것이 비실용적이므로, 본 장에서는
여러 산업에서 찾아볼 수 있는 매우 일반적인 응용과 특정한
어려움이 존재하는 몇 가지 활용에 대해 개관하고자 한다.
다양한 기술이 사용되는 예에 대해서도 살펴볼 것이다.
그러나 어떤 기술을 선택할 것인지 최종적으로 선택할 때는
적용 시의 조건과 설치 상의 제약, 기술의 역량을 고려해야
할 것이다.
연속 레벨 트랜스미터
레벨 트랜스미터는 대규모 기계류의 시설 내에서 사용된다.
레벨 계측은 보통 컨트롤 시스템에 대해 독립적인 입력이다.
계측의 신뢰성과 반복성이 정확히 읽는 것보다 더 중요하다.
요구되는 정확도는 보통 5-10mm의 범위이다.
연속 레벨 트랜스미터는 화학, 오일 및 가스, 전기, 정제, 펄프
및 종이, 채굴, 제약, 식품 및 음료 그리고 기타 다른 프로세스
시설을 포함한 모든 산업에서 이용된다. 이러한 탱크
대다수의 크기와 모양이 다양하지만, 대부분은 높이가 60ft
(18m) 이하이다. 많은 레벨 기기들은 베슬 내 직접 존재하지
않고, 해당 레벨 영역 옆 베슬 외부에 존재하는 바이패스 챔버
1.2.3 접촉식 vs. 비접촉식
접촉식 계측에서, 계측 시스템의 일부는 베슬의 내용물에
직접적으로 접촉한다. 웨이브 레이더(wave radar), 플로트 및
딥 스틱(dipsticks)이 접촉식 계측 기술의 예이다.
비접촉식 계측에서는 계측 시스템은 베슬의 내용물에
직접적으로 접촉하지 않는다.
비접촉 방식은 계측하는 유체가 연마성이거나, 응고되거나,
점성이 있거나, 오염되어 있거나, 부식성일 때 주로 사용된다.
8
1 - 레벨 측정
1.2.4 Bottom-up vs. top-down 측정
top-down 계측은 누수의 위험이 적으며(그림 1.2.2), Top-down
방식을 사용하면 탱크를 비우지 않고도 레벨 계측 기기를
설치하거나 제거할 수 있다(예를 들면 레이더 게이지). topdown으로 계측 시 프로세스의 유체에 접촉할 수도, 접촉하지
않을 수도 있다.
압력 트랜스미터를 사용하는 레벨 기기는 bottom-up 계측
시스템이다. bottom-up 계측은 일반적으로 프로세스의
유체에 접촉한다(예를 들면, DP 레벨).
top-down 계측 시스템
bottom-up 계측 시스템
그림 1.2.2: bottom-up vs. top-down 계측
1.2.6 밀도
밀도는 부피 단위 당 물질의 질량이다. 밀도는 종종 파운드와
피트로 표시되거나lb/ft3), 킬로그램과 미터로 표시한다
(kg/m3). 비중은 종종 물의 밀도와 비교한 물질의 밀도를
설명하는데 사용된다.
비중
일반적인 기준 온도 환경에서 물의 밀도에 대한 물질 밀도의
비율로 나타낸 것이 비중이다. 물의 밀도는 39.2℉ (4℃)
에서 62.43 lb/ft3 (1 g/cm3)이다. 비누의 구성성분 중 하나인
글리세린(glycerin)의 밀도는 78.66 lb/ft3 (1.26 g/cm3)이다.
따라서 앞 조건과 동일한 온도에서 글리세린의 비중은 1.26
(78.66/62.43)이다.
1.2.7 부피
부피는 물질이 공간을 점유한 양으로, 종종 부피를 계산하기
위해 레벨을 사용한다. 부피는 특히 갤런(gallons), 리터,
세제곱 센티미터, 세제곱 피트, 또는 배럴(barrels)로 표시된다.
부피는 레벨을 이용해서 구하는 가장 일반적인 계측값이다.
부피는 탱크 내 레벨을 계측한 뒤, 탱크의 기하학적 구조를
고려하여 계산한다.
1.2.5 직접 vs. 간접 계측
직접 계측은 직접 계측된 레벨을 표시하는 것이다. 예를 들어,
딥 스틱을 사용하여 자동차 연료의 레벨을 계측할 때 이 직접
계측법을 사용한다. 직접 계측은 다른 프로세스의 변수에
독립적이다.
간접 계측은 추론 계측이라고도 하는데, 레벨 이외의 변수를
우선 계측한 후, 이를 레벨 계측에 이용한다. 예를 들어, 압력
트랜스미터는 질량과 유체의 특정 중력을 이용하여 레벨을
계산한다.
많은 레벨 계측 기기에는 일반적인 탱크의 기하학적 구조에
대한 레벨/부피 관계를 저장하는 전기적 구성요소가
존재하며, 이를 이용하여 직접 부피 산출량을 계산할 수 있다.
다른 경우에서는, 분산제어 시스템(Distributed Control
System)이나 프로그램 가능 논리 제어 장치(Programmable
Logic Controller) 내에서 부피를 계산하거나, 레벨을 부피에
관련시키는 탐색표를 사용하여 결정한다. 몇몇 일반적인
탱크 형태에 대한 레벨과 부피 간의 관계는 뒷면을 참고하라:
9
Where:
v = 탱크 부피
r = 탱크 반지름
H = 탱크 높이 (또는 길이)
L = 제품의 레벨
그림 1.2.3: 수직형 실린더
1 - 레벨 측정
그림 1.2.7: 수평형 탄환형태
접시 모양 경판을 지닌 탱크
접시 모양 경판을 지닌 탱크는 기본적인 형태를 지니지
않는다(그림 1.2.8). 따라서 이러한 형태의 탱크의 부피는
기하학적 구조를 이용하여 결정될 수 없다. 대신 스트래핑
테이블(strapping tables)을 이용하여 부피를 결정한다.
그림 1.2.4: 수평형 실린더
그림 1.2.5: 구
그림 1.2.6: 수직형 탄환형태
그림 1.2.8: 접시 모양 경판을 지닌 탱크
스트래핑 테이블(strapping tables)
레벨과 탱크의 기하학적 구조를 이용하여 부피를 계산하면
대부분의 사용자의 요구를 충족시킬 만큼 정확한 부피를
계측할 수 있다. 그러나 몇몇 예에서 탱크의 기하학적 구조는
불규칙적일 수 있으며, 이로 인해 레벨과 부피의 관계를
수학적으로 계산해내는 일이 거의 불가능할 수 있다. 이러한
경우, 스트래핑 테이블을 사용하여 레벨을 읽어내 부피를
결정해야 한다.
스트래핑 테이블은 탱크 내 몇 개의 독립적인 지점에서
레벨을 부피에 관련시키는 탐색표이다(그림 1.2.9). 스트래핑
테이블은 보통 이미 알고 있는 제품의 부피를 탱크에 더한
후, 이 부피에 일치하는 제품의 레벨을 계측하여 구한다(
수동 스트래핑). 부피와 레벨 계측값은 스트래핑 테이블에
기록된다. 이후 부피를 계측하고자 할 때, 레벨을 계측하여
스트래핑 테이블에서 그 값을 탐색하여 일치하는 부피를
찾아낸다.
10
1 - 레벨 측정
지점 레벨(인치) 부피(갤런)
그림 1.2.9: 스트래핑 테이블
스트래핑 테이블은 탱크의 모양을 수용하기 위한 몇 개,
또는 수백 개의 지점일 수 있다. 가득 차면 불룩한 형태가
되는 경향이 있는 대형 탱크에는 다수의 지점을 사용한다.
계측한 레벨이 테이블 상의 두 개의 지점 간에 존재하면,
이 두 지점을 보간하여(interpolating) 부피를 결정한다.
일반적으로 스트래핑 테이블은 레벨과 부피의 관계가 선형이
아니라, 탱크의 영역에서 포인트가 높은 수준으로 밀집된다.
예를 들어, 그림 1.2.9에서 스트래핑 포인트는 탱크의 밑바닥
근처에 밀집된다. 이처럼 스트래핑 포인트가 밀집되면
스트래핑 테이블 상에서 해상도가 높아지고, 계측값이 더욱
정확해진다.
그림 1.2.10: 내부 기기를 지닌 탱크
몇 가지 경우(예를 들면, 석유 보관 및 수송), 탱크가 불룩해져
발생하는 오류로 인해 공급자가 소비자에게 청구하는 요금에
문제가 발생할 수 있다.
그림 1.2.11: 탱크가 불룩해져 발생하는 오류
그림 1.2.11: 탱크가 불룩해져 발생하는 오류
레벨 계측 시 스트래핑 테이블이 필요한 몇 가지 상황이 있다.
제품이 탱크에 첨가될 때 탱크의 측면이 불룩해지는 경우
(bulging)가 바로 이에 속한다. 탱크가 불룩해지면 특정한
탱크의 기하학적 구조에 대하여 수학적으로 계산할 때
오류가 발생한다. 오류의 양은 불룩해진 정도와 관련이 있다.
스트래핑 테이블은 탱크가 불룩해져서 발생되는 오류를
제거할 때 보통 사용된다(그림 1.2.11).
스트래핑 테이블은 불규칙한 모양의 탱크(그림 1.2.9)나,
내부에 기기를 지닌 탱크(그림 1.2.10)에 대한 레벨/부피의
관계를 저장할 때도 사용된다.
1.2.8 질량
사물이 포함하는 물질의 총량인 질량은 무게라는 용어와
혼용하여 사용하기도 한다. 질량은 일반적으로 킬로그램,
그램, 톤 혹은 파운드로 표시한다. 질량은 온도에 의해 영향을
받지 않는다. 따라서 50 ℉ (10 ℃)에서 60 lb (27.2 kg)인 기름은
86 ℉ (30 ℃)에서도 여전히 60 lb이다. 그러나 오일의 전체
부피는 팽창에 의해 변할 수 있다.
밀도를 알고 있는 경우, 우선 부피를 확인한 후 다음의
방정식을 사용하여 레벨을 계측해 질량을 계산할 수 있다.
질량 = 밀도 × 부피
일부 레벨 계측 기기는 질량을 직접 계측하기도 한다
(예를 들면, 로드 셀).
11
1 - 레벨 측정
1.2.9 인터페이스 (Interface)
인터페이스이란 서로 다른 밀도를 지닌 두 가지의 혼합되지
않는(혼합이 불가능한) 액체 사이의 경계이다(예를 들면
물과 기름). 인터페이스를 계측하여 서로 다른 밀도를 지니며
동일한 탱크 내에 보관되어 있는 두 액체 간의 경계를 확인할
수 있다. 예를 들면, 물과 기름이 동일 베슬을 점유하고
있을 때, 기름은 물의 상부에 뜨게 된다. 이 두 액체간의
인터페이스는 물의 상부 레벨과 기름의 하부 레벨이다(그림
1.2.12).
사용자가 하나의 탱크 내에 두 가지의 액체 중 상부 액체만을
따라내고자 할 때 인터페이스를 사용한다. 인터페이스를
계측하면 따라내는 행위를 중지할 시점을 알 수 있다.
상부 제품
인터페이스
하부 제품
1.3 기기 선택
시중의 레벨 계측 기기는 굉장히 다양하기 때문에 특정한
용도에 알맞은 기기를 선택하는 일은 어려울 수 있다.
대부분의 레벨 계측 기술이 한 가지 이상의 프로세스 계측에
활용 가능한 반면, 모든 용도에서 적용이 가능한 단일 레벨
기기는 존재하지 않는다. 그러나 적절하게 질문하고 몇몇
기본적인 적용 상의 요구사항을 이해함으로써 사용자는
선택의 범위를 좁혀 각각의 적용 상황에 최적인 기기를
결정할 수 있을 것이다.
1.3.1 레벨 측정이 필요한 이유
제품 레벨에 대한 대략적인 표식이 필요한가? 아니면 베슬 내
존재하는 제품의 양이 얼만큼인지 정확히 알고 싶은 것인가?
이 질문에 대한 대답은 레벨 계측 기기에 요구되는 정보가
무엇이며, 어떤 종류의 레벨 계측이 필요한지를 나타낼
것이다(예를 들면, 질량 계측 또는 싱글 포인트 계측)
예를 들면, 사용자가 제품이 넘치는 것을 방지하고자 하거나,
베슬을 리필(refill)할 시기를 알고자 할 때는 싱글 포인트 레벨
기기면 충분하다. 베슬 내에서 특정 범위 내에 제품의 부피를
유지하고자 한다면 연속 레벨 기기가 필요하다. 사용자의
목적이 몇 파운드의 제품이 필요한지 알고자 하는 것이라면,
질량 계측이 필요하다. 재고 관리나 소유권 이동이 필요한
경우 완전한 탱크 게이징 시스템이 필요하다.
그림 1.2.12: 인터페이스
분리기에서도 인터페이스 계측을 이용할 수 있다.
분리기에서는 오염을 최소화하며 베슬 외부로 상부와 하부
액체의 흐름을 조절하는데 인터페이스가 이용된다.
오일
오일
그림 1.2.13: 분리기에서의 레벨 및 인터페이스 계측
물
1.3.2 인터페이스 계측이 필요한가?
인터페이스에 적용하기 위해 레벨 제품을 선택할 때에는 몇
가지 고려해야 할 사항들이 있다.
인터페이스 계측을 위한 두 가지의 적절한 기술을 Guide Wave
레이더와 차압이다. 아래는 이 두 가지 기술 중 하나를 선택할
때 고려해야 할 요소이다.
Guide Wave 레이더
두 액체 간의 유전율 차이를 기반으로 한 인터페이스 응용
일반적인 응용의 예시: 물 상부의 기름, 산(acid) 상부의 기름,
물이나 산 상부의 저유전 유기 용액. 낮은 DK 유기 용액에는
톨루엔(toluene), 벤젠(benzene), 사이클로헥산(cyclohexane),
헥산(hexane), 터펜틴(turpentine) 및 자일렌(xylene)이
포함된다.
12
1 - 레벨 측정
L
하부제품하부
제품
상부제품상부
제품
• 저유전체 액체는 상부에 위치한다.
• 두 액체 간 유전율 차이는 최소 10이다.
• 고유전체는 알려진 것이어야 한다; 현장에서의 결정도
가능하다.
• 상층의 최대 두께는 그 유전율에 따라 결정된다.
• 트랜스미터 모델과 프로브 형태에 따라 상부 액체층의
두께는 ≥ 4 인치(10cm) 에서 8인치(20cm)이어야 인터페이스가
탐지될 수 있다. 자세한 사항은 GWR 설치 도움말의 5.5
장을 참조하라.
• 목표로 하는 적용, 상층의 저유전체(<3)와 하층의 고유전체
(>20)
• 레벨 계측과 인터페이스 계측이 모두 가능하다.
• 유제(emulsion)는 인터페이스 계측에 영향을 미칠 수
있다. 액체의 혼합에 따라 그 결과는 다양할 것이다.
많은 사례에서 인터페이스는 유제층의 상부에서 계측될
것이다. 얇은 유제층(<2 (50mm))은 처리가 쉬우며
감지되지 않을 수도 있다.
상부제품상부
제품
L
하부제품하부
제품
그림 1.3.2: 차압에 의한 인터페이스 계측
1.3.3 베슬 내 조건은 어떠한가?
레벨 계측 기구가 고압과 고온을 처리할 기능을 지녀야
하는가?
증기
상부제품상부
제품
하부제품하부
제품
URV
LRV
그림 1.3.1: Guide Wave 레이더에 의한 인터페이스 계측
차압
두 용액 간 밀도 차이를 기반으로 한 인터페이스 응용
• 두 탭(tap)은 모두 막혀있어야 한다.
• 두 탭 간 거리(L) × SG 상의 차이 = DP
• 권장 최소 DP는 20 인치 H2O(500 mm H2O)
• 인터페이스 계측만 가능
• 유제나 구별되지 않는 인터페이스층은 계측에 영향을
미치지 않는다.
일부 레벨 계측 기기는 고온과 고압을 상당히 잘 버텨낼 수
있으나, 그렇지 않은 것들도 있다. 기기 사양 상의 한계는
기기 선택에 영향을 준다. 표 1.3.1은 보편적인 레벨 기기들의
몇 가지 사양 의 한계를 보여주고 있다. 프로세스 상의 극한
상황을 견딜 수 있는 몇 가지 기기의 경우 성능은 우선순위가
아니다. 일부 기기의 정확성은 온도의 변화에 의해 영향을
받을 수 있다.
동요나 혼합에 의해 제품이 격렬하게 변화하는가? 제품 상부
공간에 스팀이나 증기가 존재하는가?
제품에 변화가 심하거나 제품 상부의 증기로 인해 일부
top-down 기기에서 계측이 어려울 수 있다. 예를 들어, 일부
기기에서는 제품 표면으로부터 반사되는 복귀 신호가
필요하다. 제품의 격변 현상이나 증기가 존재하는 경우
이러한 신호가 약해지거나 또는 전혀 되돌아오지 않을 수
있다. bottom-up 계측 기기에서는 격변 현상이나 증기가 덜
문제가 된다.
인터페이스나 온도의 변화도, 포말, 부유물질의 존재 가능성은
없는가?
베슬 내 인터페이스 또는 온도의 변화도, 포말, 부유물질은
선택한 기술이 무엇이냐에 따라 계측의 타당성에 잠정적으로
13
1 - 레벨 측정
영향을 미칠 수도 있다. 예를 들어, 일부 기기는 부유물질
때문에 막히기도 한다. 포말(foam)의 경우, 일부 소비자는
포말의 상부에서 레벨을 계측하는 것을 선호하는 반면, 어떤
소비자는 하부에서 레벨을 계측하고자 하기 때문에 포말은
중요한 고려 요소이다.
베슬 상에 설치하고자 할 때 제약이 있는가?
가능한 기존의 탭(tap)을 사용하는 것이 좋다. 베슬이 유리로
이장(lining)되어 있거나 이중 벽인 경우 설치는 어려워진다.
소형 탱크에는 설치 공간이 부족하다. 탱크가 지하에
존재하거나, 서로 인접해있거나 천정에 근접한 경우, 또는
가열 코일로 싸여있다면 접근이 어려울 수 있다. 일부 topdown에서는 플루팅 루프(floating roof)가 설치 시 제약이
된다.
기기를 챔버(chamber) 내에 설치해야 하는가?
챔버를 통해 기기에 접근이 가능하므로, 챔버 내 설치하면
프로세스가 진행 중일 때 계기에 눈금을 매기거나 고장을
수리할 수 있다. 챔버는 전체 영역 대신 해당 영역만을
포함하도록 위치시킬 수 있다. 탱크 내 레벨을 잘 나타내기
위해서는 연결부위의 크기가 액체의 상태가 유지되도록
액체가 잘 흐를 만큼 충분히 커야 한다. 탱크와 챔버 간 거리는
동일한 이유로 최소화되어야 한다. 베슬 내에서의 온도를
최대한 유지하기 위해 절연처리/히트 트레이싱(heat tracing)
이 필요할 수 있다.
기술
원자력 제한 없음 제한 없음
정전용량 5000 psig까지 완전
디스플레이서 4000 psig까지 완전
폐쇄 시 압력 4000 psig까지 완전
압력 4000 psig까지 완전
초음파
비접촉식
비접촉식
레이더
압력* 온도
진공
(345 bar)
진공
(276 bar))
진공
(276 bar)
진공
(276 bar)
-3.6 ~ 44 psig
(-0.25 ~ 3 bar)
789 psig까지 완전
진공(55 bar)
-200 ~ 900℉
(-129 ~ 482℃)
-40 ~ 900℉
(-40 ~ 482℃)
-100 ~ 600℉
(-73 ~ 316℃)**
-40 ~ 380℉
(-40 ~ 193℃)
-22 ~ 158℉
(-30 ~ 70℃)
-40 ~ 752℉
(-40 ~ 400℃)
5000 psig까지 완전
Guide Wave
레이더
진동 포크
(vibrating fork)
플로트 스위치
(float switch)
*완전 진공(full vacuum) = -14.7 psig; 대기 = 0 psig
**폐쇄를 위한 상부 온도는 진공 적용에 제한됨
표 1.3.1: 압력과 온도 한계
진공
(345 bar)
1450 psig까지 완전
진공
(-1 ~ 100 bar)
2900 psig까지 완전
진공
(200 bar)
-320 ~ 752℉
(-196 ~ 400℃)
-94 ~ 500℉
(-70 ~ 260℃)
-72 ~ 752℉
(-60 ~ 400℃)
1.3.4 환경과 외부 조건이란 무엇인가?
기기 성능에 환경 조건이 미치는 영향은 무엇인가?
내부 설치의 경우, 온도 변화가 최소화되고 습도도 일정하기
때문에 주변 환경이 상당히 안정적인 편이다. 그러나 외부
설치의 경우는 온도와 습도의 조건이 극심할 수 있다. 진동,
전자기의 존재, 과전압(조명으로 인한 전원 서지(surge)) 등도
고려해야 할 외부 조건들이다. 과전압 보호기(또는 서지
보호기)를 사용하고 기본적인 사항을 숙지하여 실행하면
과전압을 방지할 수 있다.
1.3.5 제품의 특성은 무엇인가?
모든 프로세스를 동일한 유형의 기기로 계측할 수는 없다.
부식성 프로세스는 레벨 센서 상의 특수한 구조물질을
필요로 한다. 특수한 물질이 필요한 경우, 이러한 물질을
손쉽게 구할 수 있는지, 아니면 프로세스에 접촉하지 않는
기기를 선택하는 것이 더 나은지의 여부를 고려해야 한다.
프로세스의 특성은 각기 다른 방식으로 각각의 기기에
영향을 미칠 수 있다:
• 점성이 있는 물질은 일부 기기의 포트(port)를 막히게
할 수 있다.
• 먼지, 표면의 포말, 그리고 증기는 일부 전송 신호에
방해가 될 수 있다.
• 프로세스의 밀도가 변한 경우, 이것이 보상되지 않으면
압력 기기의 레벨 표시가 영향을 받을 수 있다.
• 유전상수(하나의 본체에서 다른 본체로 전하량을
전송하는 액체의 능력과 관련된 전기화학적 특성)가
14
1 - 레벨 측정
변하면, 전기 용량 계측이 영향을 받을 수 있다.
• 프로세스를 코팅(coating)하는 경향은 일관성에 필요한
기기의 감수성에 영향을 미칠 수 있다.
• 고체는 베슬 내에 쌓여 표면을 편평하지 않게 만들 수
있다. 안식각(Angle of repose) (제품이 이동하지 않는
최대 경사)의 어떤 지점에서 레벨이 계측되어야 하며,
이러한 지점이 불변하는지의 여부를 고려해야 한다.
전송하는 액체의 능력과 관련된 전기화학적 특성)가
변하면, 전기 용량 측정이 영향을 받을 수 있다.
1.3.6 응용 시 요구되는 정확도는
어느 정도인가?
기기의 정확도는 어떻게 명시되는가?
소형 탱크에서 작동이 잘 되는 기기는 대형 탱크에서
요구되는 정확도를 충족시키지 못할 수도 있다. 예를 들어,
0.1%의 정확도 범위를 지닌 기기는 5 ft(1.5m) 탱크 레벨
상에서 ±0.06 inch (1.5mm)의 정확도를 보이지만, 50 ft(15m)
의 탱크 레벨 상에서는 ±0.6 inch(15mm)의 정확도를 보인다.
Top-down 레이더 기기와 같은 다른 기기에서는, 일반적으로
특정한 값(±0.1 inch 또는 3mm) 내, 또는 계측한 거리의
퍼센트로 정확도를 명시한다. 다른 성능 변수(예를 들면,
온도의 영향)의 영향 또한 평가되어야 한다.
높은 수준의 정확도가 요구되는가?
기기 적용 시 어떤 경우에는 단순히 신뢰성 있는 계측을 하는
것이 주요 목표일 수도 있다. 계측 시의 반복성, 예를 들면
불변하는 레벨을 반복적으로 계측 시 동일하게 계측되는
능력이 정확성보다 훨씬 더 중요한 경우도 있다.
탱크 게이징 기기의 경우(소유권 이동과 재고 사용 시),
정확도가 높고 안정적이며 반복성 있는 레벨 계측 기능이
있어야 한다. 이러한 계측 기능은 자금 거래에 미치는 경제적
영향이 매우 거대하며, 사용자는 국제•국내의 법률적 소유권
이동에 필요한 계측 조건들을 충족시켜야 한다.
1.3.7 기기에 필수적인 요소는 무엇인가?
필요하다. 예를 들면, 위생과 관련된 필요조건은 충족되어야
한다.
물품관리와 소유권 이동과 관련된 상황에서, 지역에 따른
몇 가지 다른 기상학적 승인이 적용될 수 있으며, 특정
국가에서는 이러한 승인이 때때로 요구될 수도 있다. 소유권
이동에 대한 국제적인 주요 기준은 OIML R85이며, 이는 R85:
2008로 최근 수정되었다.
요구되는 출력(output)은 무엇인가?
가장 보편적인 출력은 디지털 신호 역시 광범위하게
이용되기는 하나, 연속 아날로그 4-20 mA 신호이다. 또한,
무선 신호도 인기를 얻고 있다. 몇 가지 예에서 알람이나 제어
계전기가 요구될 수 있다.
필수 해상도와 정확도를 유지하기 위해서, 탱크 게이징
시스템에서는 기기와 분포되어 있는 컨트롤 시스템 간 디지털
커뮤니케이션이 필요하다.
어떤 전력을 사용 가능한가?
110이나 220 V에서 작동되는 기기가 있는 반면, 대부분의
기기는 12-24 V dc (직류)에서 작동된다.
1.3.8 기기의 총 비용은 얼마인가?
레벨 계측 기기의 표시가격은 중요하나, 설치 및 유지관리
비용도 똑같이 고려해야 한다. 일반적으로, 가격이 저렴한
기기(보통 기계식)는 유지관리에 많은 비용이 드는 경향이
있다. 정교한 전자 기기는 종종 고가이나, 유지관리 비용이
훨씬 저렴하다. 일부 전자 기술의 초기 비용은 기술적 능력과
시장의 요구가 증가하면 감소하기 마련이다.
비용과 관련하여 고려해야 할 또 다른 사항은 계측 기기의
수명이다. 내구성과 신뢰성, 그리고 적용에의 적합성을 지닌
고가의 기기와 비교했을 때 자주 교체해야 하는 저렴한
기기에 비용이 더 많이 들 수도 있다. 일반적으로 고성능의
기기는 가격이 더 비싸다.
승인이 요구되는가?
유해한 상황에 대한 승인은 지역의 필수 조건을 준수해야만
한다. “방폭”에 대한 기준은 많은 기기에 충분할 수 있으나,
일부 시설이나 적용 환경에서는 내부 안전이나 다른 승인이
15
1 - 레벨 측정
1.3.9 작업자가 편리하게 느끼는가?
마지막으로 기기 사용의 용이성을 고려한다.
기기를 매일 일상적으로 사용하는 사람들이 선택된 방식을
이해할 수 있을 것인가?
기기는 설치와 관리가 쉽고 눈금을 매기기 용이한가?
성능과 공학기술에 관한 문제도 매우 중요하지만, 매일 레벨
계측 기기를 사용한다는 점도 기기를 최적으로 선택하고
장기적으로 사용할 때의 핵심 요소일 수 있다. .
1.4 레벨 계측 기술의 분류
레벨 계측 기술은 여러 가지이다. 단순하며 수동적인
방식부터 계측할 제품에 접촉하지 않는 정교한 방식까지
선택은 다양하다. 어떤 기술은 연속 레벨과 포인트 레벨
계측이 모두 가능하다. 일반적인 특성을 분류하고자, 레벨
계측 기기를 다음의 네 가지 카테고리로 정리할 수 있다:
• 수동식/기계식
• 전기기계식
• 전기 접촉식
• 전기 비접촉식
본 장에서는 각 카테고리에 속한 기기들의 기능과 이점,
그리고 한계에 대해 소개하고 자세히 설명할 것이다.
1.4.1 수동식/기계식
수동식/기계식 카테고리에 속한 기기는 전자적 출력이 없다.
작업자는 베슬 내 물질의 양을 시각적으로 확인하기 위해
기기를 사용한다. 이 카테고리에 속한 레벨 계측 기기의
예에는 검사 유리창(sight glasses), 로드 게이징 시스템
(rod gauging systems), 오일 딥스틱(dipstick)이 있다. 이러한
기기들은 가격이 저렴하지만 자동화가 되어 있지 않다.
1.4.2 전기기계식
전기기계식 카테고리에 속한 기기들은 움직이는 부분이
많은 기계적 조립체로, 기기의 가동부에서 컨트롤을 위해
전자적 출력을 생산해낸다. 수동식/기계식 기기와는 달리,
전기기계식 기기들은 원격으로 판독이 가능한 자동화된
계측이 가능하다. 기계식 가동부를 지닌 기기는 유지 관리가
어려운 경향이 있다. 전기기계식 기기가 끈적이거나 점성이
있거나 또는 부식성의 액체에 노출되면, 기기의 기계적
가동부가 오염되고 부식되는 환경이 형성될 수 있으며, 이로
인해 세척이나 수리를 자주 해야만 한다. 이 카테고리에
속하는 레벨 계측 기기의 예는 디스플레이서 이다.
16
1 - 레벨 측정
1.4.3 전기 접촉식
전기 접촉식 카테고리에 속한 기기들에는 움직이는 부분이
존재하지 않는다. 코팅이나 부식과 같은 문제에는 영향을
받지만, 전기 접촉식 기기는 튼튼해서 전기기계식 기기보다
유지 관리에 대한 필요성이 덜 요구된다. 이 카테고리에 속한
레벨 계측 기기의 예에는 Guide Wave 레이더, 정전용량, 압력
기반 레벨 트랜스미터가 있다.
1.4.4 전기 비접촉식
전기 비접촉식 카테고리에 속한 기기들은 제품을 접촉하지
않고 정교하게 레벨을 계측한다. 기계적 가동부가 없고
직접적으로 접촉하지 않기 때문에, 유지 관리가 최소화된다.
전기 비접촉식 기기는 일반적으로 베슬 내 액체를 배출시킬
필요가 없기 때문에 다른 레벨 기기들에 비해 설치가 용이하다.
증기와 포말이 계측에 영향을 미칠 수 있다. 이 카테고리에
속한 레벨 계측의 예는 레이더와 초음파 트랜스미터이다.
1.4.5 비용 vs. 성능
사용자가 비용과 성능 중 어느 쪽을 더 고려하느냐에 따라
레벨 계측 기술을 선택해야 한다. 비용과 성능은 간접적으로
비례한다. 반면, 유지 관리 비용은 성능에 반비례한다.
그림 1.4.1은 선택한 레벨 측정 기기의 초기 비용과 성능 간의
관계를 보여준다.
Initial cost
Manual /
Mechanical
Performance
Electro
Mechanical
Electronic
contacting
Electronic
non-contacting
그림 1.4.1: 초기 비용 vs. 성능
그림 1.4.2는 유지 관리 비용과 선택한 레벨 계측 기기의 유형
간의 관계를 보여준다.
Maintenance cost
Manual /
Mechanical
Electro
Mechanical
그림 1.4.2: 유지 관리 비용 vs. 기술 성능
17
Electronic
contacting
Electronic
non-contacting
1 - 레벨 측정
1.4.6 기기 요약표
표 1.4.1 “레벨 계측 분류”는 다양한 레벨 계측 기술을 기술이 속한 특정 카테고리로 세분화한 것이다. 이 표는 각 기기가 계측할
수 있는 프로세스의 특성을 보여주고 있다.
레벨 측정 카테고리 연속레벨 포인트 레벨 밀도
수동식/기계식
플로트 스위치 x x
플로트 시스템 x
로드 게이징/딥 프로브 x x
검수관 / 게이지 글라스 x x
테이프 레벨 및 테이프 시스템 x x x
전기기계식
자왜식 x x x
자기 변형 x x
저항 테이프 x
Rotation Suppression x
서보(servo) x x
전기 접촉식
전기 용량 x x x
전도도 측정기 x
옵티컬 x
Guide Wave 레이더 x x x x
하이브리드(압력 레벨 및 레이더) x x
열(thermal) x x x
진동 레벨 (튜닝 포크) x
초음파 간격 감지기(gap sensor) x
전기 비접촉식 x
레이저
로드 셀 x
원자력 x x
비접촉 레이더 x x x x
초음파 x
표 1.4.1: 레벨 계측 분류
인터페이스
질량
18
1 - 레벨 측정
1.5 유전상수와 레이더 레벨 계측
“유전체 값이 무엇인가?” 이는 레이더나 정전용량을
기술로서 고려할 때 생기는 질문이다. 비접촉식 레이더, Guide
Wave 레이더 및 정전용량 레벨 트랜스미터는 계측할 물질의
유전체 값에 의해 어느 정도는 모두 영향을 받는다. 그렇다면,
유전체란 무엇이며 이에 영향을 미치는 것은 무엇인가?
그리고 유전체는 레벨 기기에 어떻게 영향을 미치는가?
1.5.1 유전상수란 무엇인가?
유전상수를 이해하고자 할 때, 이를 “유전체”와 연관시켜
생각하면 도움이 된다. 정의에 따르면, “유전체”란: “
절연체처럼 매우 낮은 전기 전도성을 지닌 물질이다. 이러한
물질은 전기 전도성이 1,000,000 mho/cm 이하이다. 다소 높은
전도성(10-6에서 10-3 mho/cm)을 지닌 물질은 반도체라고
한다. 우리에게 익숙한 고체 유전체로는 유리, 고무, 엘라스틱
유사체, 그리고 나무와 기타 다른 셀룰로오스 물질이 있다.
액체 유전체에는 탄화수소 오일, 에스카렐(askarel), 실리콘
오일이 포함된다.” (참조: Hawley’s Condensed Chemical
Dictionary; 12th Edition. Richard Lewis).
“유전 상수”라는 용어는 비유전율 또는 물질 내 저장될 수
있는 에너지의 양이나, 진공 상태와 비교 시 전자기장을
수용할 수 있는 에너지의 양을 나타내는 또 다른 용어이다.
물질의 유전 상수는 진공의 유전율에 대한 물질의 유전율의
비이기 때문에 무차원이다. 도체(예를 들면 구리)의 유전
상수는 전자기장을 수용할 수 없기 때문에 무한하다. 공기의
유전 상수는 거의 진공만큼 전자기장을 수용할 수 있기
때문에 1.0006이다.
• 공기: 1.00058
• 벤젠: 2.3
• 아세트산: 6.2
• 암모니아: 15.5
• 에탄올: 25
• 글리세롤: 56
• 물: 81
용액의 전도성은 화학적 조성과 이온화 능력, 그리고 농도에
의존한다. 전도성을 유전 상수로 변환시키는 단순한 변환식은
없지만, 일반적으로 물질이 전도성이 아니라면 유전체 값이
작고, 전도성 물질의 유전체 값은 크다고 생각하면 안전하다.
이러한 일반화에 대한 중요한 예외가 바로 물이다.
물을 기반으로 하는 용액, 알코올, 대부분의 무기질 산과,
부식성을 기반으로 한 물질은 유전 상수 값이 클 것이다.
물은 극성 분자이기 때문에, 유전 상수 값은 꽤 높은 편이다.
대부분의 탄화수소는 비극성이고 따라서 유전 상수 값이
작은 경향이 있다.
물은 전도성과 유전체 특성과 관련하여 매우 독특한 특성을
지니고 있다. 예를 들어, 물의 전도성은 극성의 정도에 따라
다양할 것이다. 탈염수와 증류수는 칼슘, 마그네슘, 아연과
같은 보편적인 미네랄이 제거되었기 때문에 매우 순수한
물질이다. 증류수나 탈염수가 매우 낮은 전도성(<2 μmho)
을 지닌 반면, 유전 상수는 크다(>40). 대부분의 도시에서
마시는 식수는 100~300의 전도성을 지니고 있지만, DK는
70~80이다.
1.5.2 무엇이 유전 상수에 영향을 미치는가?
절연 능력이 좋은 물질은 낮은 비유전율, 즉 유전상수를
지닌다. 전도성인 물질의 유전 상수는 더 크다. 아직도 여러
방면에서 사용되고 있기는 하나, 유전 상수는 완전하지
않으며, 유전율은 일정하지 않기 때문에 기준 용어는
아니다. 유전율은 진동수, 압력과 온도, 상대 습도와 기타
다른 변수들과 함께 변한다(참조: RF와 마이크로웨이브
진동수에서의 유전체 물질의 특성에 대한 도움말 – The
Institute of Measurement and Control, London 2003).
레벨 계측 관련 용어에서 유전 상수(DK)는 물질의 반사율을
표현하기 위해 사용된다. 유전체의 표준 계측은 유전 상수 1
을 가진 진공 상태를 참조한다. 다른 물질을 계측할 때에는
진공 상태와 비교한다. 기준 설정을 위하여, 동일한 조건
하에서 테스트된 다양한 물질은 20 ℃에서 다음과 같은 값을
지닌다.
물질의 유전 상수에 영향을 미칠 수 있는 변수는 많다. 상수를
결정하는 테스트의 방법론과 화합물의 물리적 특성이 결과에
영향을 미칠 수 있다. 기타 다른 중요한 요소로는 온도와 시험
주파수가 있다. 각 요소의 영향은 테스트한 화합물에 따라
매우 다양할 수 있다.
분자의 전기적 극성이라는 특성은 유전 상수에 영향을
미친다. 비대칭 화합물, 특히 물처럼 극성 이온화 특성을
가진 물질은 한쪽 말단에 매우 강한 양전하를 지니며 이로
인해 유전 상수가 커진다. 대부분의 오일과 탄화수소와 같은
대칭성이 높은 화합물은 극성이 낮고 따라서 유전 상수가
작다.
상 변화는 유전체에 굉장히 큰 변화를 가져온다. 예를 들어,
얼음의 유전 상수는 -12 ℃에서 3.2이고, 새로 내린 눈(훨씬
19
1 - 레벨 측정
더 많은 공기를 함유)은 -20 ℃에서 1.3이라는 유전 상수를
가진다. 결정 구조는 극성을 변화시키고, 따라서 유전 상수가
감소한다.
물질의 기체상은 액체상과 비교했을 때 훨씬 더 낮은 유전
상수를 지닐 것이다. 많은 화합물에서 증기의 유전 상수는
공기와 동일하고, 압력이 증가해도 크게 변화하지 않는다.
주목할만한 예외는 무수암모니아와 수증기이다. 이 기체들은
고압 적용 환경에서 마이크로파의 이동 속도에 중요한
영향을 미칠 수 있다.
1.5.3 유전 상수의 안정성
유전 상수는 온도와 시험 주파수에 따라 다양하다. 온도가
상승하면 유전 상수도 커질 수 있다. 이와 유사하게, 유전
상수를 계측하는데 사용하는 주파수가 증가하면 일부
액체에서는 가끔 유전 상수가 낮아지기도 한다. 유전 상수를
계측하는데 사용한 주파수는 100 Hz에서 25 GHz 이상이라는
점을 명심하자. 이러한 변화를 보여주는 자료의 양은 많지
그림 1.5.1: 3 가지 탄화수소의 유전 상수 vs. 온도
압력은 단순히 분자들을 압축시키므로 기체의 유전 상수를
증가시킬 수 있다. 대부분의 기체의 경우, 압력에 따른 변화는
최소이다. 공기처럼 최소 유전 상수를 지닌 기체는 압축으로
인해 현저히 증가하지 않을 것이다. 대기압에서 상대적으로
높은 유전 상수를 지니고 있기 때문에 포화 증기의 유전
상수는 압력과 온도가 증가하면 큰 폭으로 증가할 것이다.
않다. 유전 상수에 관한 대부분의 데이터는 단일 주파수에서만
계측된 것이다. 이용 가능한 데이터 중 많은 액체의 유전
상수는 계측 주파수에 의해서만 보통 소수점 이하 자릿수에서
큰 변화를 보여준다. 많은 화합물이 변화가 없는 반면, 예외가
존재한다. 이러한 예에 속하는 실리콘 기반 오일, 방향족
화합물, 그리고 지방족 화합물에서의 변화량을 아래에서
보여주고 있다.
온도 역시 유전체 변화의 원인이 될 수 있다. 물질의 밀도는
해당 압력에서의 증기 온도℃ DK
14.7 psi (1 bar) 100 1.006
225 psi (15.5 bar) 200 1.064
577 psi (39.7 bar) 250 1.152
1246psi (85.9 bar 300 1.351
2398 psi (165 .4 bar) 350 1.863
표 1.5.2: 압력과 온도가 증가할 때 증기의 유전상수가 증가하는 것을
보여주는 표
분자들을 알고 있는 부피 내에 존재하게 하기 때문에, 온도는
물질의 유전 상수에 영향을 미칠 수 있다. 온도가 상승하면
분자가 더 분산되어 존재하고 전기적 위치 에너지를 전송하는
물질의 능력을 최소화하기 때문에 유전 상수가 감소한다.
그러나 탄화수소에서 전형적으로 관찰되는 유전 상수의
변화 범위는 1도(℃) 당 0.0013~0.05%이다. 다음의 차트는 DK
변화와 관련된 변화량을 보여주고 있다.
매체(Media)
DK
적용 진동수
DK
적용 진동수
DC 710 2.98 100 Hz 2.60 10 GHz
펜타클로로바이페닐 5.58 10 kHz 2.68 10 GHz
메탄올 31 1000 kHz 8.9 10 GHz
Jet fuel JP-1 2.12 10 kHz 2.09 3 GHz
표 1.5.1: 각각의 주파수에서의 서로 다른 매체의 유전 상수(DK)
20
1 - 레벨 측정
1.5.4 레벨 계측에 미치는 영향
신호 반사
레이더 레벨 계측 시, 계측한 매체는 레이더 신호를 충분히
반사시켜야 한다. 보편적으로, 유전 상수가 클수록, 반사된
신호가 강하다. 그러나 다른 요소들도 고려해야 한다
목표물이 멀리 존재할수록, 레이더 트랜스미터로 충분한
양의 신호를 되돌리기 위해서는 더 강하게 신호를 반사시켜야
한다. 액체의 교반 작용은 신호 일부가 “흩어지게” 할 수 있기
때문에 레이더 기기에 도달하는 신호의 양이 줄어든다. 유전
상수가 작은 화합물을 교반하면 베슬 내의 다른 반사가
의도한 액체 레벨계측보다 더 강해질 수 있다.
화합물의 반사성은 예측이 가능하며, 유전율의 기능에
속한다. 이는 다음의 식에 따라 결정될 수 있다:
R = (√εr – 1)2 / (√εr + 1)2
R = 반사(reflection) εr = 비유전율
그림 1.5.2는 반사성과 유전율의 관계를 보여준다. 유전율이
증가할수록 반사되는 신호의 양 역시 증가한다. 아래
차트에서 비유전율 4에서의 예시 A(파란선)는 11%의
신호를 반사하고 10dB을 상실하는 것을 보여준다. 30이라는
상대적으로 더 높은 유전체에서 예시 B(보라색선)는 50%의
신호를 반사하고 더 적은 양을 상실한다(-3db).
레이더 신호의 강도
신호는 주로 주파수와 안테나의 크기에 기초하여 생성된다.
Gain은 다음과 같이 계산된다:
Gain =η(πD/λ)2
D = 안테나 크기 (직경)
λ = 파장
η = 효율
안테나의 크기와 효율이 일정하게 유지되면 이 등식은
간단히 (1/λ)2으로 나타낼 수 있다. 파장이 1.2cm인 26GHz
주파수의 게이지는, 동일한 안테나에 대해 파장 3cm의 10GHz
게이지보다 6배나 더 증가할 것이다.
그림 1.5.3은 주파수 안테나 크기의 효과와 효율을
유전상수와 증가된 거리량에 대하여 비교한 것이다. 이
차트에서 안테나의 크기는 동일하나 레이더의 주파수는 각기
다르다. 레벨의 표면은 동요가 없는 상태(calm)이다.
가로축: 거리 (m)
세로축 신호 상실량(dB)
그림 1.5.2: 반사성 vs. 유전율
그림 1.5.3: 안테나와 DK는 동일하고 거리가 증가할 때 각기 다른
주파수에서 수신된 신호
레이더 신호의 전체 빔(beam) 폭은 기기의 주파수에
반비례한다. 따라서 높은 주파수의 레이더 게이지는 동일
직경의 안테나에 대해 주파수가 낮은 기기와 비교 시 빔의
폭이 더 작을 것이다. 예를 들어, 거리 33 feet (10m)에서 4”
안테나의 경우, 26GHz 게이지는 4.9 feet (1.5m)의 빔 폭을
갖고, 6GHz는 23 ft(7m)의 빔 폭을 갖는다. 6GHz 기기의 빔
폭은 동일한 크기에 안테나에 대해 26 GHz의 빔 폭보다 4.6
배 더 크다.
21
1 - 레벨 측정
거리
설치비가 굉장히 절약된다. 핵심적인 것 이외에도, 기기의
신호 처리 능력은 신호가 얼마나 효율적으로 전송되고
수신되는지, 그리고 얼마만큼의 신호 소실을 처리할 수 있는
지와 관련된 전체적인 결과를 결정할 것이다.
16 ft
(5 m)
33 ft
(10 m)
49 ft
(15 m)
66 ft
(20 m)
빔 폭
그림 1.5.4: 동일한 크기와 유형의 안테나를 지닌 Rosemount 5401
(6GHz)와 5402 (26GHz) 트랜스미터의 빔각과 빔폭 비교
안테나 크기가 증가하면 유닛의 빔폭이 감소할 것이며 사실상
획득량은 증가할 것이다. 따라서 안테나의 직경이 증가하면,
반사되는 양 또한 증가한다. 그림 1.5.4는 유전체, 증가된 거리,
동요 없는 표면(calm surface) 조건에서 6GHz 레이더 게이지에
대하여 안테나의 크기가 증가할 때 반사되는 신호의 양을
비교하여 보여주고 있다.
그림 1.5.5: 동일 주파수, 동일 DK, 거리 증가 조건에서 각기 다른
크기의 안테나에 대해 수신된 신호를 보여주는 차트
레이더 레벨 기기의 경우, 반사된 신호의 양은 거리에 따라
낮은 유전체 화합물을 감소시킨다. 따라서 낮은 유전체
물질에서 거리가 증가하면 계측을 하기가 더 어려워진다.
비접촉식 레이더에서 강력한 신호 강도와 반사 신호의
높은 수신율을 허용해야 하므로 레이더 안테나의 크기가
증가해야만 한다. 주파수가 높은 기기를 사용하면 안테나의
크기를 가능한 작게 유지하면서 이러한 효과를 극대화할 수
있으며, 따라서 레이더 유닛을 다루기가 용이해질 뿐 아니라,
Guide Wave 레이더
Guide Wave 레이더(Guided Wave Radar, GWR)는 유전체 및
거리와 관련하여 유사한 결과를 지닌다. GWR의 차이는
안테나 크기보다는 프로브의 선택에 의해 발생한다. 이 경우,
코엑서블(coaxial) 프로브가 해당 프로브 길이에서 가장
강력한 신호를 유지하는 반면, 싱글 리드 프로브는 신호가
프로브의 길이를 이동할 때 에너지를 확산시키는 경향이
있다. 결국, 되돌아오는 신호는 유전체, 거리, 프로브의 유형
및 신호 프로세싱의 기능이다.
그림 1.5.6: 세 가지 기본 유형인 GWR 프로브에서 신호의 확산을
비교하는 그래픽. 좌측부터 코엑서블, 트윈, 그리고 싱글 유형.
레이더에 의한 인터페이스 계측
레이더의 두 가지 유형에서, 두 개의 혼합되지 않는 액체층이
존재하고 레이더가 낮은 유전체의 액체를 먼저 발견하는
경우, 대부분의 레이더 신호는 낮은 유전체의 물질을 통해
이동할 것이다. 신호 중 일부만이 기기로 반사될 것이다.
따라서 유전 상수 2를 지닌 오일처럼 낮은 유전체의 물질에서
5% 미만의 신호만이 트랜스미터로 반사될 것이다. 나머지
신호는 다음 용액을 통해 이동한다. 오일과 물의 인터페이스
계측 시, 이로 인해 둘의 인터페이스가 탐지된다. 마이크로파
신호의 이동 속도는 상부 액체를 이동하며 변화하기 때문에,
이 층의 물리적 거리를 결정할 때에는 이동 시간의 변화를
보상해야만 한다. 상부 액체층의 유전체를 알고 있는 경우
이는 다음과 같이 쉽게 계산 가능하다:
실제 거리 = 전기적 거리 / √매체의 DK
정전용량 레벨 트랜스미터
정전용량 레벨 트랜스미터는 레벨이나 인터페이스를 계측하기
위해 유전체 플레이트 계측 기술의 원칙을 이용한다.
22
1 - 레벨 측정
축전기는 레벨 감지 전극이 베슬 내 설치될 때 형성된다.
전극의 금속 로드는 축전기의 한쪽 플레이트처럼 작용하고,
탱크의 벽 (또는 비금속 베슬 내의 기준 전극)이 다른 쪽
플레이트로 작용한다. 레벨이 상승하면, 일반적으로 전극을
둘러싸고 있는 공기나 가스가 각기 다른 유전체 상수를
지닌 물질에 의해 대체된다. 두 플레이트 간의 유전체가
변화되었기 때문에 축전기 값이 변한다. RF(라디오 주파수)
정전용량 기기는 이러한 변화를 감지하여, 이를 비례하는
출력 신호로 전환한다.
정전용량의 관계는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
C = 0.225 K (A / D )
C = 피코패럿으로 표현된 정전용량
K = 물질의 유전체 상수
A = 제곱 인치로 표현된 플레이트의 면적
D = 인치로 표현된 플레이트 간의 거리
실제 응용 시, 정전용량은 계측된 재료와 선택한 레벨 전극에
따라 각기 다른 방식으로 변한다. 그러나 항상 기본적인
원칙이 적용된다. 높은 유전체 물질이 낮은 유전체 물질을
대체하면, 시스템의 전체 정전용량 출력은 증가할 것이다.
전극을 크게 만들면(표면 면적의 실질적인 증가), 정전용량의
출력은 증가한다. 계측 전극과 기준점 간의 거리가 감소하면,
정전용량 출력은 감소한다. 레벨은 계측된 정전용량에
비례한다. 정전용량은 레벨 기둥의 높이 전체에서 매체의
안정적인 유전체에 의존하므로, 레벨이나 인터페이스 계측의
전체 정확도는 유전체 상수가 변하면 영향을 받을 것이다.
유전체의 변화는 어떻게 레이더 레벨 기기의 정확성에
영향을 미치는가?
GWR을 이용해 인터페이스를 계측하는 것에 대한 추가 정보는
“탄화수소에서의 유전체 상수의 변화 – 인터페이스 적용
시 레이더 계측의 정확성에 미치는 영향(Dielectric Constant
Changes In Hydrocarbons – Affects On Radar Measurement
Accuracy In Interface Applications)”를 참조하라.
1.5.5 요약
물질의 유전체적 특성은 비접촉식 레이더, Guide Wave
레이더, 정전용량 레벨 기술의 레벨 계측 결과에 영향을 미칠
수 있다. 수치 계산 시 변수는 많다. 대부분의 경우, 변화는
작고, 레이더 기반 레벨 계측의 정확성에 미치는 영향도
무시할 만하다. 이러한 기기들은 표면 반사까지 걸리는
이동 시간을 계측하기 때문이다. 정전용량 계측의 경우,
유전체 변화는 더 큰 영향을 미친다. 플레이트 간의 매체의
변화가 레벨이나 계면의 비례적 관계에 영향을 미칠 것이기
때문이다. 유전체 값은 기술을 선택할 때 고려하는 변수 중
하나이다. 다른 핵심 요소들에는 베슬의 크기, 물질이나
프로브, 또는 안테나의 선택, 그리고 포말이나 난류와 같은
표면 조건이 있다.
1.5.6 참조
CRC Handbook of Chemistry and Physics – 75th edition
Dielectric Materials and Applications, Arthur von Hippel, ed.
1954
Instrument Engineer’s Handbook – 3rd edition. Process
Measurement and Analysis, Bela Li[tak, editor-in-chief, 1995
Hawley’s Condensed Chemicals Dictionary, 12th edition 1995
일반적인 레이더 레벨 응용 상황에서, 물질의 유전체는
되돌아오는 신호의 강도에 영향을 미칠 것이다. 유전체의
변화는 계측의 정확도에 영향을 미치지 않는다. 그러나
유전체의 영향이 무엇인지를 결정하고자 할 때 정확한 수치는
중요하지 않다. 대신, 유전체를 상대적으로 저,중,고 값으로
특정 지으면, 레이더가 적절한지 결정할 때 필요한 정보 중
하나가 된다. 이 외 다른 정보에는 베슬의 높이, 노즐의 크기,
안테나 크기나 프로브, 적절한 레이더 선택을 결정하는 표면
조건이 있다.
인터페이스 계측 시에는 상부층의 두께를 계산해야 하므로
정확한 유전체 값이 필요하다. 종종, 초기 설치 시 유전체를
현장에서 조절하여 이러한 유전체 값을 얻을 수 있다. GWR
기기는 인터페이스를 상당히 효과적으로 계측할 수 있고,
인터페이스와 레벨을 탐지하기 위한 환경설정이 용이하다.
23
1 - 레벨 측정
1.6 압력 기반 레벨 계측
액체에 의해 발생되는 압력은 다음 세 가지 요소들에 의해
영향을 받는다:
• 액체의 깊이
• 액체 표면의 압력
• 액체의 밀도
이러한 변수들로, 차압을 이용하여 레벨을 계측할 수 있다.
1.6.1 액체의 깊이
액체 표면 하방의 한 지점에서의 압력은 계측 지점
상방의 액체 깊이가 증가할수록 증가한다. 압력은 액체의
부피보다는 깊이에 의해 영향을 받는다. 다른 요소(예를 들면,
액체의 밀도, 액체 표면의 압력)가 일정하다면, 5,000 갤론의
물이 담겨 있는 대형 탱크의 10ft 깊이 지점에서의 압력은 5
갤론의 물이 담겨 있는 소형 탱크의 10 ft 깊이 지점에서의
압력과 동일할 것이다. 일상생활에서도 이러한 상황의 예를
발견할 수 있다. 수영장의 수면 5 ft 하방에서 수영하는 것과
거대한 호수의 수면 5 ft 하방에서 수영하는 것을 생각해보자.
호수가 훨씬 더 많은 양의 물을 포함하고 있음에도 불구하고
호수의 5 ft의 깊이에서 우리 몸에 느껴지는 압력은 비례하여
증가하지 않는다. 5 ft깊이 에서의 호수의 압력은 5 ft깊이
에서의 수영장의 압력과 동일하다.
액체의 압력이 액체의 깊이(예를 들면 레벨)에 직접적으로
영향을 받기 때문에, 압력 계측은 레벨을 추정하는데 사용될
수 있다.
1.6.2 액체 표면 상의 압력
액체 표면 상의 압력은 계측하는 액체의 기둥 상방에서
가해지는 압력이다. 개방형 탱크에서, 대기압(지구 대기가
가하는 압력)은 표면 상의 압력이다. 폐쇄형 탱크에서 액체의
기둥 상부에 가스가 더해지면, 표면의 압력은 영향을 받을
것이다. 폐쇄형 탱크에서 액체 상부가 진공(모든 압력이
부재하는 공간) 상태라면, 표면 상에는 음압이 존재한다.
폐쇄형 탱크에 적용하는 상황에서, 표면의 압력은 베슬
압력이라고 한다. 표면 압력의 영향은 정확한 압력 계측 시
고려해야 할 요소일 것이다. 차압 계측으로 이러한 영향을
보상할 수 있다.
표면 상의 압력은 특히 레벨을 적용하는 상황에서 액체의
압력을 결정하기 위해 전체 압력으로부터 계측되어 감해진다.
1.6.3 액체의 밀도
밀도의 단위 부피 당 특정 물질의 질량이다. 밀도가 높은
액체는 단위 부피당 질량이 크다. 밀도가 높은 액체는 밀도가
낮은 액체보다 주여진 면적에 더 많은 압력을 가한다. 높은
밀도의 액체는 단위 부피당 더 무겁기 때문이다. 온도가
변하면 액체를 팽창시켜 서로 접촉하게 하는데, 이는 액체의
부피를 증가시키거나 감소시키는 효과가 있다. 액체의 부피가
변하면 밀도 또한 변한다.
밀도는 종종 비중과 관련해 표현된다. 비중은 동일 온도
조건에서 물의 밀도에 대한 특정 액체의 밀도의 비이다. 물의
밀도는 60 ℉(15.6 ℃)에서 1,000kg/m3이다. 온도가 밀도에
영향을 미치기 때문에 밀도가 주어질 때는 온도를 명시한다.
가솔린의 밀도는 60 ℉(15.6 ℃)에서 660 kg/m3이다. 가솔린의
비중을 계산하려면 가솔린의 밀도를 물의 밀도로 나누면
된다:
660kg/m3 / 1,000kg/m3 = 0.66
비중은 밀도 비이기 때문에 계측 단위가 변화해도 변하지
않는다. 따라서 60 ℉(15.6 ℃)에서의 가솔린의 비중은 항상
0.66이며, 이는 가솔린의 밀도와 물의 밀도가 다른 계측 단위(
예를 들면, lb/ft3)로 표현된 경우에도 동일하다:
41.2038 lb/ft3 / 62.43 lb/ft3 = 0.66
액체 높이와 비중의 조합은 수두압을 야기한다.
수두압은 정수압이라고도 하는데, 액체 기둥에 의해
가해지는 압력이다. 수두압은 액체의 비중과 액체 기둥의
높이에 직접적으로 비례한다.
압력 트랜스미터가 설치된 위치에 따라, 발생되는 오류를
제거하고 기기가 정확한 수두압을 읽어내도록 하여 계산을
실행해야 한다. 압력 계측 기기는 종종 탭의 상부 또는 하부에
설치하며, 이 지점에서 프로세스 액체가 계측된다.
압력 트랜스미터가 탭의 하부에 설치된 경우, 탭과 기기를
연결하는 연결 파이프 내의 액체 기둥은 기기의 센서에
추가적인 압력을 가할 것이다. 탭에서 압력 트랜스미터까지의
거리와 액체의 비중을 알고 있다면, 추가된 수두압은
계측에서 제외될 수 있을 것이다. 압력 즉정 기기가 탭의
상방에 설치되었다면, 중력이 액체 기둥 상에 작용하여
기기의 센서로부터 이를 잡아당겨 음값의 수두압을 형성할
것이다. 음값의 수두압 역시 계산하여 압력 계측에서
제외시킬 수 있다.
24
1 - 레벨 측정
1.6.4 밀도에 영향을 미치는 요소
액체의 밀도는 단위 부피당 물질의 질량으로 정의된다.
질량은 물체가 지닌 물질의 총합이며, 종종 무게와 혼용하고
무게와 관련시켜 표현한다: 파운드, 톤, 킬로그램 또는 그램.
액체의 농도가 증가하면, 액체에는 질량이 추가되고 밀도가
변하게 된다. 예를 들어, 10% 황산의 밀도는 1.07kg/l이지만,
농축된 황산의 밀도는 1.83kg/l 이다.
질량은 온도에 의해 영향을 받는다. 그러나 액체에 열이
가해지거나 액체의 온도가 내려가면, 액체의 부피가
팽창하거나 수축하고 따라서 밀도 값(부피 당 질량)이 변하게
된다. 밀도를 계측의 일부로 포함하고 있는 레벨 기기의 경우,
온도의 변화는 레벨 계측에 영향을 미친다. 온도 계측을
포함하여 밀도 변화를 보상할 수 있는 반면, 밀도는 밀도에
의존하는 레벨 계측에 중대한 오류를 발생시킬 수 있는
요인이다.
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