탱크 내 소재 레벨을 모니터링하여 공급망 관리를 개선하는 방법

재고 레벨을 모니터링하고 제조 공정을 긴밀하게 제어해야 할 필요성과 공급망의 현안 과제로 인해 고체, 유체 또는 과립 형태로 된 소재의 양을 감지하고 측정하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 응용 분야에 따라 레벨 센서는 식품에 안전하고, 고온, 고압 또는 강한 진동에 견디고, 산과 염기에 강하게 저항하는 부식성 환경에서 사용되며, 안전한 공정을 보장하기 위해 전기 및 열원에서 효과적으로 분리되어야 할 수 있습니다.

레벨 센서를 설계할 수 있지만 위험이 따르는 복잡한 작업입니다. 공정은 정전 용량, 자기, 초음파, 광학 감지와 같은 측정 기술을 응용 분야에 맞게 선별하는 것으로 시작됩니다. 다음 단계에서는 운영 환경에 맞는 하우징, 부품 및 기타 소재를 선택합니다. 안전 및 규제 승인을 받고 설계가 필요한 침투 보호(IP) 등급을 충족하는지 확인해야 하는 경우도 있습니다.

대신 설계자는 정확하고 안정적인 측정을 보장하는 사전 엔지니어링된 레벨 감지 솔루션으로 전환하여 출시 시간을 단축할 수 있습니다. 이 기사에서는 Form A(일반적으로 개방형) 및 Form B(일반적으로 폐쇄형) 장치를 비롯하여 정전 용량, 자기, 초음파 및 광학 감지 기술의 작동을 검토합니다. 그런 다음 소재의 적합성과 IP 등급을 살펴보고 각 기술에 가장 적합한 응용 분야를 식별합니다. 그리고 자기, 정전 용량, 초음파 및 광학 감지를 사용하는 PIC, Carlo Gavazzi 및 TE Connectivity의 레벨 센서를 예시로 소개합니다.

자기 액위 센서(부동 센서라고도 함)는 링 자석이 포함된 플로트가 있는 밀폐된 선재에서 리드 스위치를 사용합니다. 액위가 상승하거나 하강하면 플로트도 자석과 함께 오르내립니다. 링이 특정 레벨까지 상승하거나 하강하면 리드 스위치가 작동합니다(그림 1). 이러한 설계는 매우 안정적이며 Form A 및 Form B 구성에서 스위치를 수백만 번 작동하는 데 적합합니다. 또한 다양한 액체에 적합한 폴리프로필렌, 폴리아미드, 스테인리스강과 같은 다양한 하우징 소재와 함께 사용 가능하며 일부는 식품에 안전합니다. 모델을 상단, 하단 및 측면에 실장할 수 있습니다.

그림 1: 자기 액위 센서의 플로트가 상승(왼쪽)하거나 하강(오른쪽)하면 신호를 전송하는 리드 스위치가 작동합니다. (이미지 출처: PIC)

액체 등을 위한 정전 용량 감지

탱크의 액위 감지 이외에 고체 또는 과립 소재에도 정전 용량 레벨 센서를 사용할 수 있습니다. 프로브를 탱크 벽면에 결합하여 커패시터를 형성합니다. 정전 용량은 탱크 내에 있는 소재의 양에 따라 달라집니다. 일반적으로 탱크 내에 소재가 많을수록 정전 용량이 높습니다. 이러한 센서는 다양한 하우징 소재와 함께 사용할 수 있습니다. 정전 용량 레벨 센서는 조정 가능한 감지 거리를 포함할 수 있으며 켜기 또는 끄기에 대한 시간 지연이 내장되거나 내장되지 않은 상태로 설계됩니다. 이러한 센서는 다양한 액체 및 고체에 사용할 수 있으며 일반적으로 자동화된 가축 사료공급 시스템, 사일로와 같은 농업 응용 분야와 산업 공정에서 널리 사용됩니다(그림 2).

그림 2: 농업 응용 분야(예: 과립형 가축 사료공급 측정)에서는 정전 용량 레벨 센서를 일반적으로 사용합니다. (이미지 출처: Carlo Gavazzi)

고압 및 통기성 액체를 위한 초음파

초음파 레벨 센서는 일반적으로 인간의 가청 범위를 넘어서는 40kHz 범위에서 작동합니다. 이러한 레벨 센서는 틈틈이 전송되는 초음파 에너지 버스트를 사용합니다. 액체가 존재하면 초음파 에너지 전송이 향상되고 공기만 존재하는 경우 에너지가 감소됩니다. 이러한 갭 센서는 다양한 액체의 시점 레벨을 감지하며 다른 기술로는 모니터링하는 데 어려움이 있는 통기성 액체에 특히 적합합니다. 이러한 밀폐형 센서는 일반적으로 최대 250PSI로 가압된 액체에서 작동하도록 설계되지만, 특수 설계의 경우 최대 5,000PSI까지 작동할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 초음파 레벨 센서를 밀폐하여 높은 압력에서 작동할 수 있습니다. (이미지 출처: TE Connectivity)

광학 센서로 레벨 확인

광학 레벨 센서는 모니터링되는 공기와 액체 사이의 서로 다른 굴절률에 기반하여 작동합니다. 이 센서는 적외선(IR) 방출기(송신기), 수신기, 증폭기 및 출력 스위치로 구성됩니다. 방출기는 일반적으로 갈륨 비소(GaAs) 적외선 발광 다이오드입니다. 출력은 직류(DC) 출력의 경우 트랜지스터이고 교류(AC) 출력의 경우 SCR일 수 있습니다. 센서의 원뿔형 팁은 팁에 전송되는 IR 펄스와 함께 프리즘을 형성하며, IR 펄스는 액체가 없을 때 수신기에 내부적으로 반사됩니다. 센서의 팁이 잠길 때 액체는 공기와 다른 굴절률을 갖고 빔이 수신기에 전송되지 않습니다(그림 4). 광학 레벨 센서는 매우 다양하며 맥주, 와인, 원두커피와 같은 식품 솔루션뿐만 아니라 오일, 폐수, 알코올 등에도 사용할 수 있습니다.

그림 4: 광학 레벨 센서는 공기와 액체의 서로 다른 굴절률을 이용하여(왼쪽) 수신기에 대한 신호 전송을 차단합니다(오른쪽). (이미지 출처: Carlo Gavazzi)

하우징 문제

하우징 소재는 다양한 레벨 센서의 사용처를 결정하는 핵심 요소입니다. 일반적인 하우징 소재는 다음과 같습니다.

폴리에스테르는 많은 화학 물질에 대한 저항성이 우수하고 균열에 대한 저항력이 뛰어나며, -70°C ~ +150°C에서 사용할 수 있습니다.

스테인리스강은 다양한 화학 물질 및 식품에 적합하며, 생물학적 청정성이 우수하고 의료 및 산업 응용 분야뿐 아니라 의약 및 식품 가공에도 사용됩니다.

폴리아미드 12(나일론 12라고도 함)는 투명성과 견고성이 우수하고 낮은 온도에서도 치수 안정성과 동적 강도가 뛰어나며 낮은 밀도로 인해 가볍습니다. 최대 80°C에서 사용할 수 있습니다.

폴리설폰은 매우 강하고 투명하며 다목적 소재입니다. 폴리설폰은 치수 안정성이 우수하며, 끓는 물이나 150°C 증기 또는 공기에 노출될 때 크기 변화가 0.1% 미만입니다. 또한 전해질, 알칼리 및 pH 2 ~ pH 13 산성에 대한 저항성이 우수합니다. 산화제에 대한 저항성이 우수하여 표백제로 세척할 수 있습니다.

폴리프로필렌은 다양한 유기 용제, 산 및 알칼리에 견디지만 산화산, 염소화된 탄화수소 및 방향족에 취약합니다. 최대 작동 온도는 80°C입니다. 또한 물이 잘 스며들지 않아 침수 응용 분야에 적합합니다.

IP 등급

IP 등급 코드는 IEC 60529에 따라 설정되며 ANSI 60529(미국) 및 EN 60529(유럽)에 포함됩니다. IP 등급은 두 숫자로 구성되며, 첫 번째 숫자는 0 ~ 6 척도로 고체의 침투에 대한 저항성을 나타내고 두 번째 숫자는 0 ~ 9K 척도로 방수 성능을 나타냅니다. IP 등급이 낮으면 레벨 센서가 배치된 응용 분야와 특별히 관련이 없는 것입니다. 높은 고체 침투 수준은 다음과 같습니다.

5 – 먼지 보호를 나타냅니다. 먼지의 침투가 완전히 차단되지 않습니다. 하지만 성능이 저하되고 먼지가 존재하는 상태에서도 장비가 계속 작동해야 합니다.

6 – 방진을 나타냅니다. 먼지가 침투되지 않습니다.

액체 침투에 대한 두 번째 숫자는 더 복잡합니다. 높은 성능 범주는 다음과 같습니다.

7 – 정의된 압력에서 지정된 기간 동안 최대 1m(3피트 3인치) 깊이로 침수되더라도 유해한 양의 물이 유입되지 않습니다.

8 – 제조업체에서 지정한 조건에서 최대 1m(3피트 3인치) 이상 깊이에서 보호됩니다.

9K – 근거리 고압 고온 분사로부터 보호됩니다.

FDA 승인 자기 레벨 센서

US 식품 의약국(FDA)의 승인이 필요한 응용 분야의 경우 설계자는 PIC의 폴리프로필렌 하우징에 실장된 자기 레벨 센서로 전환할 수 있습니다. PLS-020A-3PPI는 수직 측정을 위한 콤팩트 센서이고 PLS-092A-3PPH는 수평 감지용으로 설계되었습니다(그림 5). 이 레벨 센서는 IP67 등급이며 최대 10W, 0.7A, 180V_DC 및 130V_AC에 적합한 A 접점을 형성합니다. 이 레벨 센서의 작동 온도 범위는 -20°C ~ +80°C입니다.

그림 5: PLS-092A-3PPH는 FDA 승인을 받은 수평 자기 레벨 센서입니다. (이미지 출처: PIC)

정전 용량 센서

열가소성 플라스틱 폴리에스테르 하우징에 실장된 Carlo Gavazzi의 정전 용량 센서는 조정 가능한 감지 거리에서 시간 지연이 내장되거나(VC11RTM2410M) 내장되지 않은 상태로(VC12RNM24) 사용할 수 있습니다. 시간 지연이 내장된 센서의 경우 Form A 또는 Form B 작업에 대해 최대 10분의 지연이 발생할 수 있습니다. 이 센서는 4mm ~ 12mm 사이에서 감지 거리를 조정 가능하며, 다양한 고체, 액체 및 과립형 소재를 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다. 단극 쌍투(SPDT) 계전기 출력으로 솔레노이드, 액추에이터와 같은 부하를 직접 구동할 수 있습니다. 이 센서는 20.4 ~ 255V_AC 또는 V_DC 공급 전압으로 작동하며 -20°C ~ +70°C 온도에 적합합니다.

반복성이 우수한 레벨 센서

TE Connectivity의 LL01-1AA01 초음파 레벨 센서는 디지털 필터 기술로 2mm 이상의 반복성을 제공하여 성능을 향상시킵니다. 이 센서는 Form A 또는 B의 단극 단투(SPST) 계전기 출력을 제공합니다. 스테인리스강 하우징에 실장된 이 센서는 5.5V_DC ~ 30V_DC 입력에 적합하며 +100°C에서 0.75A로 선형적으로 부하 경감되는 3.5A(최대 +25°C까지)의 연속 전류로 100V_AC 또는 V_DC 피크 부하 전압을 지원할 수 있습니다. 또한 이 센서는 최대 250PSI의 압력을 처리할 수 있습니다. 80°C 또는 100°C 최대 작동 온도, ¼” NPT 또는 ½” NPT 실장, 1피트, 4피트, 10피트 및 20피트 케이블 길이를 옵션으로 선택할 수 있습니다.

엄선된 하우징 소재에 실장되는 광학 센서

Carlo Gavazzi의 VP01EP와 같은 VP01/02 광학 레벨 센서는 대부분의 산 및 염기에 견디는 폴리설폰 하우징에 실장되어 있습니다. 이 회사의 VP03/04 센서(예: VP03EP)는 다양한 용제에 견디는 폴리아미드 12 하우징에 실장되어 있습니다. 이 IP67 등급 센서는 최대 100lux의 주변광 레벨에서 사용할 수 있습니다. Form A 및 Form B 출력 옵션에는 dc 부하를 위한 NPN/PNP 트랜지스터 또는 ac 부하를 위한 SCR이 있습니다. DC 구동 센서는 광학 펄스 주파수가 30Hz이고 AC 구동 센서는 펄스 주파수가 5Hz입니다. DC 구동 센서는 10V_DC ~ 40V_DC에서 작동하며 출력이 켜진 상태를 나타내는 LED가 있습니다. AC 구동 센서는 110V_AC 또는 230V_AC 공칭 입력에 적합합니다.

그림 6: 이 광학 레벨 센서는 엄선된 폴리설폰 및 폴리아미드 12 하우징에 실장되어 제공됩니다. (이미지 출처: Carlo Gavazzi)

결론

자기, 정전 용량, 광학, 초음파 등 다양한 감지 기술로 탱크에 저장된 유체, 고체 및 과립형 소재의 양을 모니터링하고, 재고 레벨을 모니터링하고, 제조 공정을 제어할 수 있습니다. 이러한 센서는 고온, 고압, 살균 공정을 비롯한 특정 작동 환경에 적합한 다양한 하우징 소재로 제공됩니다.