Level Sensor란? 탱크 액체 높이 측정 원리

Level Sensor란 탱크와 저장용기 내부의 액체나 분체 높이를 검출하는 센서입니다. Float·압력·초음파·레이더 방식의 레벨 측정 원리와 연속측정·포인트 검출 차이를 알아봅니다.

Level Sensor란 무엇이며 무엇을 측정할까?

Level Sensor는 Tank, Vessel, Silo 등의 저장용기 내부에 있는 액체나 분체의 높이(Level)를 측정하거나 특정 높이에 도달했는지를 검출하는 센서입니다. 산업현장에서는 Water, Oil, Chemical, Fuel과 같은 액체뿐 아니라 Powder와 Granule 등의 저장량을 관리하는 데 사용됩니다. Level Measurement는 크게 Point Level Detection과 Continuous Level Measurement로 구분할 수 있습니다. Point Level Sensor는 High 또는 Low처럼 미리 정해진 위치에 물질이 도달했는지를 ON·OFF 신호로 검출합니다. 반면 Continuous Level Sensor는 탱크 전체 측정범위에서 현재 높이를 연속적인 값으로 측정하여 4-20mA, 0-10V 또는 Digital Communication 등의 신호로 Controller에 전달합니다. PLC나 DCS는 이 값을 이용해 Pump와 Valve를 제어하고 탱크의 Overflow와 Empty 상태를 방지할 수 있습니다. 따라서 Level Sensor는 단순히 액체가 있는지를 확인하는 장치뿐 아니라 공정의 저장량과 공급상태를 안정적으로 관리하는 핵심 Process Instrumentation입니다.

Float와 압력 방식은 어떻게 액체 높이를 측정할까?

Float 방식은 액체의 부력(Buoyancy)을 이용하는 대표적인 Level Detection 방법입니다. 액면이 올라가거나 내려가면 Float가 함께 움직이고 이 움직임을 Reed Switch, Magnetic Sensor 또는 기계적인 Mechanism으로 전달하여 레벨을 검출합니다. 특정 위치의 High·Low 상태를 확인하는 Float Switch부터 연속적인 위치를 측정하는 Float Type Level Transmitter까지 다양한 구조가 있습니다. 압력식 Level Measurement는 액체기둥이 만드는 Hydrostatic Pressure를 이용합니다. 개방형 탱크에서 일정한 밀도의 액체가 정지해 있다면 바닥 부근의 압력은 액체높이가 증가할수록 커지므로 압력을 측정하여 Level로 환산할 수 있습니다. 기본적으로 압력차는 액체의 밀도, 중력가속도와 높이에 관계합니다. 따라서 액체의 Density가 온도나 조성에 따라 크게 변하면 레벨 계산에도 오차가 발생할 수 있습니다. 밀폐탱크에서는 상부 Gas Pressure의 영향을 제거하기 위해 Differential Pressure Transmitter를 사용하는 방식도 활용됩니다.

초음파와 레이더 방식은 어떻게 비접촉 측정을 할까?

Ultrasonic Level Sensor는 탱크 상부에서 초음파 Pulse를 발사하고 액면에서 반사되어 돌아오는 Echo의 시간을 측정합니다. 음파의 속도와 왕복시간을 이용하면 센서에서 액면까지의 거리를 계산할 수 있고 탱크의 기준높이에서 이 거리를 빼면 Level을 구할 수 있습니다. 비접촉 방식이라 액체와 센서가 직접 닿지 않는다는 장점이 있지만 온도에 따른 음속변화, Vapor, Foam, 강한 난류와 장애물 등이 Echo에 영향을 줄 수 있습니다. Radar Level Sensor는 전자기파를 방사하고 액면에서 반사된 신호를 분석하여 거리를 측정합니다. 전자기파를 사용하기 때문에 초음파와 환경영향 특성이 다르며 고온·고압 공정이나 Vapor가 존재하는 조건에서 레이더가 유리한 경우도 있습니다. 다만 모든 공정에서 Radar가 항상 최선인 것은 아닙니다. 유전율, Antenna 구조, 탱크 내부물과 설치위치 등에 따라 측정성능이 달라지므로 공정조건에 맞춰 센서방식을 선택해야 합니다.

연속측정과 High·Low 검출은 어떻게 사용할까?

탱크 제어에서는 Continuous Level과 Point Level을 목적에 따라 구분하여 사용합니다. 예를 들어 Level Transmitter가 현재 액면을 0~100% 범위로 연속 측정하면 PLC는 일정한 Setpoint를 기준으로 Pump 속도나 Control Valve 개도를 조절할 수 있습니다. 반면 High Level Switch는 액체가 설정높이 이상으로 상승했을 때 Overflow Alarm이나 공급차단 신호를 발생시키는 데 활용할 수 있습니다. Low Level Switch는 탱크가 비어가는 상태를 검출하여 Pump의 Dry Running을 방지하는 Interlock에 사용할 수 있습니다. 중요한 설비에서는 연속측정 Transmitter의 값만으로 모든 보호기능을 구성하기보다 독립된 High-High 또는 Low-Low Level Switch를 추가하는 설계도 사용됩니다. 다만 실제 안전기능은 공정위험도와 요구되는 Safety Integrity에 따라 적절한 계측기와 Safety System을 적용해야 합니다. 즉 Level Sensor는 단순한 재고확인뿐 아니라 공정제어와 Alarm, Equipment Protection의 입력정보로 활용됩니다.

Level Sensor를 선정할 때 무엇을 확인해야 할까?

Level Sensor를 선택할 때는 측정물질이 액체인지 분체인지부터 확인하고 Density, Viscosity, Conductivity, Dielectric Constant, Temperature, Pressure와 부식성을 검토해야 합니다. 탱크 내부에 Foam이나 Agitator, Heating Coil과 같은 구조물이 있는지도 측정방식 선택에 영향을 줍니다. 접촉식 Sensor는 측정물과 직접 닿기 때문에 재질의 Chemical Compatibility와 오염·부착 가능성을 확인해야 합니다. 비접촉식은 설치위치와 Beam Angle, Dead Zone, 탱크벽이나 내부구조물에서 발생하는 False Echo 등을 고려해야 합니다. Continuous Transmitter에서는 Measurement Range, Accuracy, Resolution과 4-20mA·HART·Fieldbus 등의 Output Interface도 확인해야 합니다. 설치 후에는 Empty와 Full 기준에 맞춰 Zero·Span 설정을 수행하고 실제 탱크형상에 따라 Level을 Volume으로 환산할 경우 별도의 Tank Strapping 또는 Linearization이 필요할 수 있습니다. 결국 Level Sensor는 다양한 물리원리를 이용하여 저장용기 내부 물질의 높이를 측정하고 공정의 저장·공급·안전상태를 관리하는 핵심 계측센서입니다.