다양한 유체를 다루는 산업 공정에서 안전하고 효율적으로 운영하려면 정밀한 레벨 측정이 필수입니다. 정전용량 측정 원리는 특히 까다로운 공정 환경에서 포인트 레벨 감지 및 연속 레벨 측정을 위한 유연한 솔루션을 제공합니다.
이 원리는 일반적으로 탱크 외벽과 프로브로 구성된 두 전극 사이에서 발생하는 정전용량 변화를 이용합니다. 유체의 레벨이 변하면 전극 사이의 유전체도 함께 변화하며, 이에 따라 정전용량이 변하게 됩니다. 이러한 변화를 정밀하게 감지하여 출력 신호로 변환합니다.
정전용량 측정은 전도성 및 비전도성 액체 모두에 적용 가능하며, 각 유체의 고유한 특성에 맞춰 최적화됩니다. 고온, 고압 및 방폭 지역에서도 사용이 가능해, 다양한 산업 분야에서 견고하고 유연한 솔루션으로 인정받고 있습니다.
정전용량 측정 원리가 어떻게 작동하는지 영상으로 확인해 보십시오.
Liquicap, Liquipoint, Solicap 및 Minicap의 장점 한눈에 보기:
- 액체 및 고체 모두에 적용 가능한 범용 솔루션
- 고점도 유체를 포함한 다양한 유체에서 신뢰성 있는 측정
- 전도성 유체 측정 시 탱크의 형태에 구애받지 않는 유연성
- 다양한 공정 조건에 사용 가능한 범용 프로브
- 간편한 시운전
탱크에는 음용수, 과즙, 기름, 연료, 산, 염수 등 다양한 유체가 매일 배관을 통해 유입되고 배출됩니다. 이러한 유체들은 서로 완전히 다른 특성을 갖기 때문에 이를 검출하기 위한 다양한 측정 원리가 존재하며, 정전용량 원리에 따른 레벨 측정이 대표적인 예입니다.
최초의 축전기 설계는 1745년 에발트 게오르크 폰 클라이스트(Ewald Georg von Kleist)와 피터 판 뮈셴브루크(Pieter von Musschenbroek)에 의해 시작되었습니다. 1775년 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)는 개선된 축전기를 발명했으며, 이는 현대 축전기의 원형으로 간주됩니다. 그의 업적을 기려 전압의 SI 단위를 볼트(Volt)라고 부르게 되었습니다. 마이클 패러데이(Michael Faraday)의 전자기 유도 발견은 전기장 생성을 가능케 했고, 이는 축전기 발명과 더불어 정전용량 계측 기술의 토대가 되었습니다. 패러데이를 기리기 위해 정전용량의 SI 단위는 패럿(Farad)이라고 불립니다.
정전용량 레벨 계기는 특히 액체 공정에서 포인트 레벨 감지 및 연속 레벨 측정에 폭넓게 활용됩니다. 이 측정 원리는 축전기 내에서 발생하는 정전용량의 변화를 기반으로 합니다. 연속 측정의 사례를 통해 이 측정 방식이 구체적으로 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다. 서로 다른 전하를 띤 두 물체 사이의 공간을 전기장이라고 합니다. 이 공간 안에서 하나의 전하는 다른 전하에 전기적 힘을 작용하게 됩니다. 전기장의 크기와 방향은 전기력선으로 표현될 수 있습니다. 평판 축전기에 교류 전압을 가하면 전류가 흐르게 됩니다. 이때 흐르는 전류의 양은 두 전극판 사이의 공기 또는 측정 유체 등 유전체에 따라 결정됩니다. 유전체가 바뀌어 유전율이 높아지면 축전기의 정전용량이 커지고, 결과적으로 흐르는 전류의 양도 증가하게 됩니다.
또한 전류의 흐름은 전극판 사이의 거리와 면적에 의해서도 영향을 받습니다. 축전기의 이러한 특성이 정전용량 레벨 측정 원리의 근간이 됩니다. 전도성 탱크 외벽과 탱크 내부에 설치된 프로브는 축전기 역할을 하며, 이 장치에서 발생하는 정전용량의 변화가 레벨 결정에 사용됩니다. 정전용량 측정 시에는 측정 대상이 전도성 액체인지 비전도성 액체인지에 따라 방식이 달라집니다. 일반적으로 수계 액체와 같은 전도성 유체에서는 다음과 같은 측정 원리가 적용됩니다.
유체는 탱크 벽에서 프로브 절연부까지 전기적 단락을 형성합니다. 따라서 측정값은 유체와 접촉한 프로브 절연체에 의해 발생하는 정전용량에 의해서만 결정됩니다. 덕분에 탱크의 모양이나 유체의 유전율 변화에 영향을 받지 않고 안정적인 측정이 가능합니다. 탱크 내 레벨이 상승하면 축전기의 면적이 그에 비례하여 증가합니다. 이렇게 측정된 정전용량의 변화를 계산하여 최종 레벨을 결정합니다.
일반적으로 오일 및 용매인 비전도성 액체에서의 정전용량 변화는 공기보다 높은 유체의 유전율로 인해 발생합니다. 비전도성 유체는 탱크 벽에 직렬로 연결된 추가적인 축전기를 형성합니다. 이것이 전체 정전용량을 결정짓는 요소가 됩니다. 탱크 내 레벨이 상승하면 축전기의 면적이 그에 비례하여 증가합니다. 측정된 정전용량 변화는 레벨을 결정하는 데 사용되며, 공기보다 유전율이 높은 유체의 특성상 레벨이 높아질수록 정전용량도 증가합니다.
따라서 이 방식의 측정값은 유체의 유전율과 탱크의 물리적 구조에 영향을 받습니다. 이를 보완하기 위해 일정한 구조를 제공하고 전극 간 거리를 좁혀 측정 효율을 높인 접지 튜브 프로브가 주로 사용됩니다. 전도도가 100 μS/cm 이상인 전도성 유체에서는 유전율이나 탱크 구조의 영향을 받지 않으므로, 공장 출고 시 사전 교정이 가능하여 현장에서 쉽고 빠르게 시운전을 수행할 수 있습니다. 반면 전도도가 1 μS/cm 미만인 비전도성 유체에서는 고객 현장에서 직접 교정 작업을 진행해야 합니다.
전도성 유체와 비전도성 유체 사이의 작은 전이 구간을 임계 구간이라고 합니다. 이 구간에서는 유체의 전도도가 조금만 변화해도 측정값이 급격히 변합니다. 따라서 해당 전도도 범위에서의 장비 적용은 가급적 피하는 것이 좋습니다.
정전용량 측정 원리를 고수하는 엔드레스하우저의 정전용량 계기는 고온 또는 고압 환경뿐만 아니라 위험 지역에서도 액체 및 고체의 계면 레벨 및 포인트 레벨을 정밀하게 측정합니다. 모든 적용 분야에 사용 가능한 최적의 솔루션, 엔드레스하우저에서 확인해 보세요.
