공장이나 산업 현장을 둘러보면 다양한 종류의 탱크와 저장시설을 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 물탱크부터 화학물질 저장탱크, 냉각수 탱크, 원료 저장탱크까지 산업 현장에서는 액체를 저장하고 공급하는 설비가 매우 다양하게 사용됩니다.
이러한 탱크에서 중요한 관리 요소 중 하나가 바로 액체의 높이, 즉 수위입니다.
탱크 안에 액체가 너무 많이 채워지면 넘칠 수 있고, 반대로 액체가 너무 적으면 펌프가 정상적으로 작동하지 않거나 생산 공정에 필요한 액체를 제대로 공급하지 못할 수 있습니다.
그래서 산업 현장에서는 탱크 내부의 액체가 어느 정도 차 있는지를 지속적으로 확인하기 위해 수위센서(Level Sensor)를 사용합니다.
앞선 산업용 센서 실무 #25에서는 CO₂ 센서가 이산화탄소라는 특정 가스를 어떤 원리로 측정하는지 알아보았습니다. 이번에는 기체가 아닌 액체를 대상으로 하는 센서로 넘어가 보겠습니다.
수위센서는 단순히 물의 양을 직접 세는 센서가 아닙니다. 센서의 종류에 따라 액체의 높이, 압력, 부력, 거리 또는 초음파의 반사와 같은 물리적인 특성을 이용하여 수위를 측정합니다.
그렇다면 수위센서는 물탱크 안의 액체 높이를 어떻게 알아낼 수 있을까요?
1. 수위센서란 무엇일까?
수위센서는 탱크나 용기 안에 들어 있는 액체의 높이나 존재 여부를 감지하는 센서입니다.
쉽게 말하면 탱크에 물이 얼마나 차 있는지 확인하는 장치라고 할 수 있습니다.
하지만 수위센서가 항상 정확한 높이를 숫자로 표시하는 것은 아닙니다.
사용 목적에 따라 크게 두 가지 방식으로 생각할 수 있습니다.
첫 번째는 포인트 레벨(Point Level)을 감지하는 방식입니다.
특정 위치에 액체가 도달했는지를 감지합니다.
예를 들어 탱크의 상단에 센서를 설치하고 물이 해당 위치까지 올라오면 “가득 참”이라는 신호를 발생시킬 수 있습니다.
두 번째는 연속 수위 측정(Continuous Level Measurement)입니다.
탱크 내부 액체의 높이를 지속적으로 측정하여 현재 수위를 숫자나 신호로 출력합니다.
예를 들어 탱크의 수위가 30%, 50%, 80%처럼 변화하는 것을 실시간으로 확인할 수 있습니다.
따라서 수위센서를 선택하기 전에 먼저 단순히 액체의 유무를 확인할 것인지, 정확한 수위를 연속적으로 측정할 것인지를 결정하는 것이 중요합니다.
2. 수위센서는 어떤 원리로 수위를 측정할까?
수위센서는 여러 가지 물리적 원리를 이용합니다.
대표적으로 플로트식, 압력식, 초음파식, 정전용량식, 레이더식 등이 있습니다.
측정 방식은 서로 다르지만 기본적인 목적은 동일합니다.
바로 탱크 내부의 액체 상태를 전기적인 신호로 변환하여 제어 시스템이 인식할 수 있도록 하는 것입니다.
예를 들어 물탱크의 수위가 올라가면 플로트가 함께 올라가는 방식이 있고, 액체의 압력이 증가하는 것을 측정하여 수위를 계산하는 방식도 있습니다.
또한 탱크 위에서 초음파나 전자기파를 발사한 뒤 액체 표면에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 액체까지의 거리를 계산하는 방식도 있습니다.
3. 플로트식 수위센서는 어떻게 작동할까?
플로트식 수위센서는 비교적 직관적인 방식의 수위센서입니다.
플로트(Float)라고 부르는 부품을 액체 표면에 띄워 수위 변화를 감지합니다.
물이 올라가면 플로트도 올라가고, 물이 내려가면 플로트도 내려갑니다.
이러한 움직임을 이용하여 액체가 특정 위치에 도달했는지 감지할 수 있습니다.
예를 들어 가정에서 사용하는 물탱크나 산업용 저장탱크에서 물이 일정 높이에 도달하면 펌프를 정지시키고, 물이 일정 수준 이하로 내려가면 펌프를 다시 작동시키는 방식으로 사용할 수 있습니다.
구조가 비교적 단순하다는 장점이 있지만 플로트가 움직일 수 있는 구조가 필요하고, 액체에 이물질이 많거나 플로트 주변에 침전물이 쌓이면 정상적인 움직임에 영향을 줄 수 있습니다.
4. 압력식 수위센서는 어떤 원리일까?
액체는 깊어질수록 그 위에 있는 액체의 무게 때문에 압력이 증가합니다.
압력식 수위센서는 바로 이러한 원리를 이용합니다.
탱크의 아래쪽에서 액체의 압력을 측정하면 액체가 얼마나 높이 쌓여 있는지를 계산할 수 있습니다.
쉽게 생각하면 물이 많이 차 있을수록 탱크 바닥에서 느껴지는 압력이 커집니다.
반대로 물이 적으면 압력도 낮아집니다.
센서는 이러한 압력 변화를 전기적인 신호로 변환하고, 제어 시스템에서는 이를 수위로 환산합니다.
압력식 수위센서는 탱크 내부에 직접 설치하는 방식뿐만 아니라 다양한 형태로 구성할 수 있습니다.
다만 액체의 밀도가 변하면 같은 높이에서도 압력이 달라질 수 있습니다.
따라서 물이 아닌 다른 액체를 측정할 경우에는 액체의 밀도 역시 함께 고려해야 합니다.
5. 초음파 수위센서는 어떻게 물의 높이를 측정할까?
초음파 수위센서는 대표적인 비접촉식 수위센서입니다.
센서를 액체에 직접 넣지 않고 탱크 위쪽에 설치하여 액체 표면까지의 거리를 측정합니다.
센서에서 초음파를 아래쪽으로 보내면 액체 표면에서 반사되어 다시 센서로 돌아옵니다.
센서는 초음파가 왕복하는 데 걸리는 시간을 측정합니다.
이를 이용하면 센서와 액체 표면 사이의 거리를 계산할 수 있습니다.
탱크의 전체 높이를 알고 있다면 다음과 같은 방식으로 수위를 계산할 수 있습니다.
<탱크 전체 높이 – 센서와 액체 표면 사이의 거리 = 현재 수위>
초음파 수위센서는 액체와 직접 접촉하지 않는다는 장점이 있습니다.
따라서 센서가 액체에 직접 노출되기 어려운 환경이나 접촉을 피해야 하는 경우 활용할 수 있습니다.
하지만 증기, 거품, 먼지, 탱크 내부의 구조물 등은 초음파의 반사에 영향을 줄 수 있습니다.
따라서 설치 환경을 충분히 고려해야 합니다.
6. 레이더 수위센서는 초음파와 무엇이 다를까?
레이더 수위센서 역시 비접촉식으로 액체의 수위를 측정할 수 있습니다.
하지만 초음파가 아닌 전자기파를 이용한다는 점에서 차이가 있습니다.
레이더 센서는 탱크 내부의 액체 표면을 향해 전자기파를 보내고 반사되어 돌아오는 신호를 분석하여 거리를 측정합니다.
이를 통해 액체의 수위를 계산할 수 있습니다.
레이더 방식은 증기나 온도 변화 등의 영향을 상대적으로 적게 받는 특성이 있어 다양한 산업 현장에서 활용됩니다.
특히 고온이나 압력이 있는 탱크, 다양한 공정 조건이 존재하는 환경에서는 레이더 방식이 적합한지 검토할 수 있습니다.
다만 모든 탱크에 레이더 센서가 반드시 적합한 것은 아닙니다.
탱크의 구조, 액체의 특성, 설치 공간, 측정 범위 등을 종합적으로 확인해야 합니다.
7. 정전용량식 수위센서는 어떻게 액체를 감지할까?
정전용량식 수위센서는 액체가 센서 주변에 접근하면서 발생하는 정전용량의 변화를 이용합니다.
액체의 유무나 수위 변화에 따라 센서 주변의 전기적인 특성이 달라지고, 센서는 이러한 변화를 감지합니다.
이 방식은 특정 위치에 액체가 도달했는지를 감지하는 포인트 레벨 센서로 활용하거나 설계에 따라 연속적인 수위 측정에도 사용할 수 있습니다.
다만 액체의 전기적 특성이나 센서 표면의 오염 등이 측정 결과에 영향을 줄 수 있으므로 사용하려는 액체에 적합한 제품인지 확인하는 것이 중요합니다.
8. 수위센서의 측정값에 오차가 발생하는 이유
수위센서도 다른 산업용 센서와 마찬가지로 다양한 원인에 의해 측정 오차가 발생할 수 있습니다.
먼저 액체의 특성을 확인해야 합니다.
물과 달리 점도가 높은 액체나 거품이 많이 발생하는 액체는 센서의 측정 방식에 따라 영향을 줄 수 있습니다.
초음파나 레이더 방식에서는 액체 표면의 거품이나 탱크 내부의 구조물이 반사 신호에 영향을 줄 수도 있습니다.
압력식 수위센서는 액체의 밀도 변화에 영향을 받을 수 있습니다.
또한 탱크 내부에 강한 교반이나 흐름이 발생한다면 액체 표면이 일정하지 않아 측정값이 흔들릴 수 있습니다.
센서의 설치 위치 역시 중요합니다.
탱크의 입구나 배출구 바로 근처에서는 액체의 흐름이 강하게 발생할 수 있기 때문에 안정적인 수위 측정이 어려울 수 있습니다.
따라서 수위센서의 오차를 줄이기 위해서는 센서의 측정 원리뿐만 아니라 액체의 특성과 탱크 구조, 설치 위치를 함께 고려해야 합니다.
9. 수위센서는 어디에 사용될까?
수위센서는 다양한 산업 분야에서 활용됩니다.
가장 대표적인 곳은 물탱크와 저장탱크입니다.
공장에서는 공업용수, 냉각수, 세척수 등을 저장하는 탱크의 수위를 관리하기 위해 사용할 수 있습니다.
또, 상하수도 시설에서는 물 저장시설이나 처리시설의 수위를 측정하는 데 활용할 수 있습니다.
화학공장에서는 원료나 화학물질을 저장하는 탱크의 액체 레벨을 관리할 수 있습니다.
식품공장에서도 원료나 세척용 액체의 수위를 확인할 수 있습니다.
또한 보일러나 냉각 시스템, 폐수처리시설 등에서도 수위 측정이 중요한 역할을 합니다.
이처럼 수위센서는 단순히 “물이 얼마나 들어 있는가”를 확인하는 장치가 아니라 생산 공정의 안정성과 설비 보호를 위해 필요한 정보를 제공하는 산업용 센서라고 할 수 있습니다.
10. 수위센서를 선택할 때 무엇을 확인해야 할까?
수위센서를 선택할 때 가장 먼저 확인해야 할 것은 측정하려는 액체의 종류입니다.
물이 아닌 액체라면 점도, 밀도, 온도, 부식성 등의 특성을 확인해야 합니다.
다음으로 측정 범위를 확인해야 합니다.
탱크의 높이에 맞는 측정 범위를 가지고 있는지 확인해야 하며, 단순한 상한·하한 감지인지 연속적인 수위 측정이 필요한지도 결정해야 합니다.
또한 탱크 내부의 온도와 압력 조건도 중요합니다.
센서가 설치되는 환경이 고온·고압이라면 해당 조건을 견딜 수 있는 제품인지 확인해야 합니다.
출력 방식도 확인해야 합니다.
PLC나 자동화 시스템에 연결해야 한다면 4~20mA, 0~10V, 디지털 통신 등 시스템에서 요구하는 출력 방식을 지원하는지 살펴봐야 합니다.
마지막으로 탱크 내부에 거품, 증기, 교반, 이물질 등이 존재하는지 확인해야 합니다.
이러한 환경 조건에 따라 적합한 수위 측정 방식이 달라질 수 있기 때문입니다.
11. 수위센서의 측정값이 이상하다면 무엇을 확인해야 할까?
수위센서의 값이 실제 수위와 다르게 표시된다면 먼저 센서의 설치 상태를 확인하는 것이 좋습니다.
센서가 움직였거나 고정 상태가 불안정하지 않은지 확인합니다.
초음파나 레이더 방식이라면 센서와 액체 표면 사이에 장애물이 생겼는지도 확인해야 합니다.
압력식이라면 압력 측정 부분이 막히거나 오염되지 않았는지 확인할 필요가 있습니다.
플로트식이라면 플로트가 정상적으로 움직이는지도 확인해야 합니다.
또한 탱크 내부에 거품이나 강한 교반이 발생하고 있는지도 살펴봐야 합니다.
센서의 교정 상태와 출력 신호, 케이블 및 연결부도 함께 확인해야 합니다.
결국 수위센서의 이상을 점검할 때는 센서 자체만 확인하는 것이 아니라 탱크와 액체, 설치 환경을 함께 확인하는 것이 중요합니다.
12. 마무리
수위센서는 물탱크나 저장탱크 내부의 액체 높이를 측정하거나 특정 위치에 액체가 도달했는지를 감지하는 산업용 센서입니다.
대표적인 수위 측정 방식으로는 플로트식, 압력식, 초음파식, 정전용량식, 레이더식 등이 있으며 각각 측정 원리와 적합한 사용 환경이 다릅니다.
플로트식은 액체의 부력을 이용하고, 압력식은 액체의 높이에 따른 압력 변화를 이용합니다.
초음파식은 초음파가 액체 표면에서 반사되어 돌아오는 시간을 이용하며, 레이더식은 전자기파의 반사 특성을 이용합니다.
따라서 수위센서를 선택할 때는 단순히 센서의 가격이나 측정 범위만 비교하는 것이 아니라 측정 대상 액체의 특성, 탱크 구조, 온도와 압력, 거품과 증기, 교반 여부, 설치 위치, 출력 방식 등을 함께 고려해야 합니다.
특히 산업 현장에서는 수위센서 하나가 단순히 수위를 표시하는 역할만 하는 것이 아니라 펌프의 작동과 정지, 밸브 제어, 탱크의 과충전 방지 등 자동화 시스템의 여러 동작과 연결될 수 있습니다.
이처럼 센서는 각각 독립적으로 작동하는 것처럼 보이지만 실제 자동화 설비에서는 서로 연결되어 하나의 시스템을 구성하는 경우가 많습니다.
앞서 살펴본 광센서가 물체의 위치를 확인하고, 진동센서가 기계의 상태를 감시하며, 습도센서와 CO₂ 센서가 주변 환경을 측정했다면 수위센서는 탱크와 저장설비의 상태를 실시간으로 확인하는 역할을 합니다.
그렇다면 실제 공장 자동화에서는 왜 하나의 센서만 사용하는 것이 아니라 여러 종류의 센서를 함께 사용하는 것일까요?
다음 글에서는 공장 자동화에서 여러 종류의 센서가 함께 사용되는 이유 및 서로 다른 센서들이 하나의 자동화 시스템 안에서 어떤 방식으로 역할을 나누어 수행하는지 자세히 알아보겠습니다.