수위센서(레벨센서)의 특성과 종류 및 실험용 수위조절 Tank 시스템 제작

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수위센서(레벨센서)의 종류

 

1. 수위센서(레벨센서)의 개요

• 수위센서(레벨센서)는 탱크나 수조 등의 용기 내부에 있는 액체의 높이를 측정하는 장치로, 다양한 산업 및 실험 연구 분야에서 활용된다.
• 수위센서는 액체의 존재 여부를 감지하는 방식과 연속적으로 높이를 측정하는 방식으로 구분될 수 있다.

 

2. 수위센서(레벨센서)의 구성

수위센서는 기본적으로 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어져 있다.

 

1. 센싱 요소 (Sensor Element)
   • 액체의 높이를 감지하는 역할을 하며, 부력, 초음파, 정전용량, 압력, 레이더 등의 원리를 이용함.
2. 신호 변환기 (Signal Converter)
   • 센싱 요소에서 감지한 물리적 신호를 전기적 신호로 변환하여 컨트롤러로 전달.
3. 컨트롤러 (Controller)
   • 변환된 신호를 분석하고, 임계값을 설정하여 적절한 동작을 수행.
   • 디지털 디스플레이와 연동될 수도 있으며, 자동화 시스템과 통합 가능.
4. 출력 장치 (Output Device)
   • 수위 정보를 모니터링하거나 경고 신호를 발생시키는 역할 수행.
   • 전자밸브, 경보 시스템, 원격 모니터링 시스템과 연계 가능.

 

3. 수위센서(레벨센서)의 동작 원리

수위센서는 액체의 높이를 감지하는 다양한 방식이 있으며, 각 방식별로 측정 원리가 다르다.

1. 부력 원리 (Float Type Sensor)
   • 센서 내부에 부력이 작용하는 부유체가 포함되어 있으며, 액체의 높이가 변하면 부유체가 움직이면서 이를 감지하여 수위를 측정한다.
2. 초음파 반사 원리 (Ultrasonic Level Sensor)
   • 초음파 신호를 발사하고 액체 표면에서 반사된 신호의 왕복 시간을 계산하여 수위를 측정한다.
3. 정전용량 변화 원리 (Capacitive Level Sensor)
   • 액체와 센서 사이의 정전용량 변화량을 측정하여 액체의 높이를 결정한다.
4. 압력 변화 원리 (Pressure Level Sensor)
   • 액체의 높이에 따라 달라지는 압력을 측정하여 수위를 결정하며, 액체의 밀도와 수심에 비례하여 압력이 증가하는 원리를 이용한다.
5. 레이더 반사 원리 (Radar Level Sensor)
   • 고주파 전자기파를 방출하여 액체 표면에서 반사되는 시간을 계산하여 액체의 높이를 측정한다.

 

Operation principle of float type level switch(출처:yamaden)

 

4. 수위센서(레벨센서)의 종류 및 특성

 

1. 부력식 센서(Float Type Sensor)
   • 원리: 액체의 부력에 의해 센서가 상승 및 하강하며, 이 움직임을 감지하여 수위를 측정
   • 장점: 단순한 구조, 낮은 비용
   • 단점: 기계적 마모 발생 가능, 정밀도 낮음

Float Type Level Switch, Transmitter(부력식 수위센서)

 

2. 초음파식 센서(Ultrasonic Level Sensor)

• 원리: 초음파 신호를 발사하고 반사되는 시간을 측정하여 수위 결정
• 장점: 비접촉 방식, 유지보수 용이
• 단점: 거품, 온도, 압력에 영향을 받을 수 있음

Ultrasonic Level Sensor / 초음파 수위센서

 

 

1. 정전용량식 센서(Capacitive Level Sensor)
   • 원리: 전극 사이의 정전용량 변화를 이용하여 액체의 높이를 측정
   • 장점: 높은 정밀도, 다양한 액체에 적용 가능
   • 단점: 센서와 액체의 유전율 차이에 영향을 받음
2. 압력식 센서(Pressure Level Sensor)
   • 원리: 액체의 높이에 따라 달라지는 압력을 측정하여 수위 결정
   • 장점: 깊은 수심에서도 사용 가능, 정밀 측정 가능
   • 단점: 유지보수 필요, 센서의 오염 가능성
3. 레이더식 센서(Radar Level Sensor)
   • 원리: 고주파 전자기파를 이용해 액체의 반사 신호를 측정하여 수위 파악
   • 장점: 높은 정밀도, 온도 및 압력 영향 없음
   • 단점: 상대적으로 높은 비용

 

5. 탱크 내부 액체 종류에 따른 센서 소재

탱크에 사용되는 액체의 종류에 따라 센서의 소재도 다르게 선택해야 한다. 단순한 물을 사용하는 경우와 화학약품을 사용하는 경우, 센서가 액체와 직접 접촉할 경우 적절한 소재 선택이 중요하다.

 

1. 스테인리스 스틸 (Stainless Steel)
   • 일반적인 물 및 부식성이 낮은 액체에 적합
   • 강한 내구성을 가지며, 식음료 산업에서도 사용 가능
2. 테플론(PTFE, Polytetrafluoroethylene)
   • 강한 화학적 저항성을 가지고 있어 산, 염기 등의 부식성 화학물질에 적합
   • 표면이 매끄러워 오염이 쉽게 제거됨
3. PVC (Polyvinyl Chloride)
   • 비용이 저렴하고 다양한 액체 환경에서 사용 가능
   • 상대적으로 내열성이 낮아 고온 환경에서는 적절하지 않을 수 있음
4. PFA (Perfluoroalkoxy Alkane)
   • PTFE보다 내화학성이 우수하며, 강산, 강염기 환경에서도 사용 가능
   • 주로 화학약품을 다루는 실험실 및 산업 환경에서 사용됨
5. 세라믹 (Ceramic)
   • 내마모성과 내화학성이 우수하여 고온 및 부식성이 강한 환경에 적합
   • 물리적 충격에는 다소 취약할 수 있음

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< 실험용 Tank 제작 및 수위/온도 제어 시스템 설계제작 >

 

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실험용 Tank의 레벨측정, 수위/온도 컨트롤 시스템

 

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특장점

• 고정밀 수위센서 적용: 초음파, 레이더, 정전용량 방식 등 연구 목적에 따라 최적의 센서 선택 가능
• 자동 수위 조절 시스템 탑재: 전자밸브 및 자동제어 시스템을 활용하여 일정한 수위 유지
• 화학약품 대응 설계: PFA, PTFE, 세라믹 등 화학적 내성이 우수한 소재 사용 가능
• 맞춤형 제작 가능: 실험 조건에 따라 Tank 크기, 소재, 제어 방식 커스터마이징 지원

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