Pulse와 FMCW Radar의 기술 비교

- 비접촉 레이더 레벨 트랜스미터 FMCW 기술의 특징

 

 

자료제공: 한국 에머슨

레벨에 따라(On the level)

비접촉식 레벨 트랜스미터는 펄스(pulse)나 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 조정 기술을 사용해 레벨을 측정한다. 본 기사에서 에머슨의 잉게마르 세네기(Ingemar Sernegy)는 FMCW 기술이 우수한 정확성과 신뢰성을 제공한다는 것에 대한 주장과 차이점에 대해 설명한다.

정확하고 안정적인 레벨 측정은 안전하고 효율적인 플랜트 운영을 위해 필수적이다. 사용자는 광범위한 레벨 측정 기술을 사용할 수 있지만 비접촉 방식의 레이더가 가장 적합한 까다로운 분야들이 있다. 이 기술은 액체, 슬러지(sludges), 슬러리(Slurries) 일부 고체를 측정하고 밀도, 점성, 전도성, 코팅 및 증기와 같은 공정 조건에 영향을 받지 않는다는 주요 장점이 있다.

비접촉 레이더 레벨 트랜스미터는 하향식(top-down)으로 공정 매체 표면까지의 거리를 직접 측정하여 정확도가 높고 신뢰할 수 있다. 탱크 내 움직이는 물체나 부식 물체, 고온 및 압력 조건의 애플리케이션에 적합하며 이 같은 조건들이 측정 정확도에 영향을 미치지 않는 기술이다. 가동부(moving part)가 없고, 내장 자기 진단 및 간단한 설치와 시운전이 가능한 비접촉 레이더 레벨 트랜스미터는 사용이 쉽고 유지보수 비용이 적게 든다.

<사진1> 전분 슬러리 혼합 탱크에 설치된 에머슨 Rosemount 5408 비접촉식 레이더 레벨 트랜스미터

변조 기술

비접촉 레이더 레벨 트랜스미터는 2개의 주된 변조 기술, 펄스 또는 FMCW 중 한 개로 연속적 레벨을 측정한다. 펄스 기술을 기반으로 한 장치는 탱크 상단에 있는 안테나에서부터 아래의 공정 물질로 초당 수만 개의 짧은 레이더 펄스를 직접 방출한다. 펄스는 측정 대상 물질의 표면에서 반사되었다가 트랜스미터로 회신된다. 트랜스미터는 트랜스미터에서 송신된 신호와 회신된 에코 신호 사이의 시간차를 측정한다.

그 다음 내장된 마이크로프로세서가 다음 공식에 따라 공정 매체 표면까지의 거리를 계산한다.

거리 = (빛의 속도 x 시간차) ÷ 2

챔버 탱크 바닥까지의 높이를 참고로 한 게이지가 트랜스미터에 프로그램 되면 레벨 측정을 계산할 수 있다. FMCW 기술을 쓰는 장치 또한 탱크 상부에 있는 안테나로부터 레이더 신호를 전송한다. 하지만 전송된 레이더 주파수는 신호 스위프(sweep)를 위해 시간의 경과에 따라 증가한다.

신호가 공정 매체 표면에서 반사된 후에는 에코가 안테나에서 포착된다. 전송 신호의 주파수는 끊임없이 달라지기 때문에, 회수된 에코는 항상 특정 시점에 전송된 시그널과 비교하여 조금씩 다른 주파수를 갖게 된다. 이와 같은 주파수의 차이는 에코의 지연과 정비례한다. 즉, 이것은 트랜스미터에서부터 공정 매체 표면까지의 거리이고, 이를 통해 레벨을 정확하게 측정할 수 있다.

특히나 공정 변수 정보는 진폭 변조(Amplitude Modulation, AM)나 시차 영역이 아니라 주파수 영역이기 때문에 이로써 보다 정확한 신호 변환이 가능하다. 대부분의 탱크 잡음의 출처가 진폭 영역이어서 FM 신호 처리 방식에서는 측정 정확도에 영향을 미치지 않도록 이것들을 무시할 수 있다.

고감도

FMCW 기술을 기반으로 한 트랜스미터의 주된 장점은 민감도가 펄스 트랜스미터보다 30배 이상이라는 것이다. 즉, 신호의 감도가 훨씬 커서 우수한 측정 정확도와 신뢰성을 제공할 수 있다는 것을 의미한다. 결론적으로 FMCW 기술의 트랜스미터는 가장 안전한 레벨 측정 장치로 여겨지며 제조 및 공정 산업에서 많은 도전적인 분야에 선호되는 솔루션이다.

예를 들어, 적용하게 될 애플리케이션에 요동치는 액체 표면이 있다면, 펄스의 손실을 예상할 수 있다. 결과적으로 레이더는 잘못 인지하여 후속 펄스를 추적하게 될 것이다. 이와 같은 오류를 확인하는 지능형 소프트웨어가 없다면, 게이지는 잘못된 측정값을 표시할 것이다. 보통 25mm의 오차가 있는데, 사용자는 이것이 잘못 인지된 값인지도 알 길이 없다. 수천 갤런을 저장하는 대형 탱크나 용기의 경우, 이와 같은 오류는 상당한 것이다. FMCW는 비행 시간차(time-of-flight) 기술을 사용하지 않기 때문에, 이와 같은 오류가 발생할 수 없고 측정의 정확도와 신뢰성이 보장된다.

주위 온도

비접촉 레이더는 고온 및 압력에는 영향을 받지 않지만, 그 정확도는 주위 온도에 의한 영향은 상당히 받는다. FMCW 기술 장치들은 펄스 장치들보다 이 같은 변수들을 더 잘 보상할 수 있다. 펄스 레이더 트랜스미터는 지속적인 성능 및 교정(calibration) 검증에 필요한 참조할 것이 없기 때문에 온도 보상이 없는 경우가 많다.

이것은 관찰되지 못하는 비선형성 및 부정확성으로 이어질 수 있다. 어떤 장치들은 아날로그 방식의 케이블을 참조용으로 채택한다. 그러나 참조용 케이블은 열로 인해 팽창이나 수축하여 부정확할 수 있다.

최고의 정확도를 위해서는 FMCW 트랜스미터에 의한 레이더 스윕이 절대적으로 선형적이어야 한다는 것이다. 그래서 트랜스미터 주파수의 실시간 조정을 위해 수정 발진기(crystal oscillator)가 사용된다. 이것은 다이내믹하게 변하는 주위 온도 조건에도 일관된 정확도를 제공한다. 예를 들어 120°C(-40°C 에서 +80°C 까지)의 주위 온도 범위를 갖는 일반적인 공정 탱크에서 FMCW 레이더는 주위 온도 범위에서 최대 12mm의 오차로 측정 정확도를 보일 것이다. 그런데 펄스 레이더의 경우, 일반적인 제조업체의 사양서에는 주위 온도에 대한 영향을 10°C 당 0.05%에서 0.1% 사이로 규정하고 있는데, 이것은 동일한 탱크에서 최대 100-200mm의 오류가 생길 수 있다는 것을 의미한다.

2선식 FMCW 기술

FMCW 기술은 펄스 레이더 기술에 비해 정확도와 민감도 측면에서 다양한 장점을 제공하지만, 더 많은 공정 전력을 요구한다는 결점이 있었다. 오래된 장치는 ‘전력소모(power hungry)’로 불리며 FMCW는 4선식 장치로 설치되어 왔다. 이와 같은 장치를 설치하는 데는 종종 케이블 인프라가 추가되어야 했다. 이로 인해 사용자들은 FMCW 장치가 주는 추가적인 정확도와 신뢰성을 포기하면서 펄스 기술 기반의 2선식 게이지를 설치했다.

<사진2> Rosemount 5408 레벨 트랜스미터

FMCW에 필요한 높은 처리 전력 요구량은 에머슨의 최신 비접촉식 레이더로 해결되었다. Rosemount 5408 레벨 트랜스미터가 가진 독특한 레이더 온 칩(radar-on-chip) 기술은 기존의 회로 기판을 대체했고, 전력 소비가 적어 보다 에너지 효율적이다. 이 장치는 전력 및 통신에 2선만 필요하기 때문에 사용자는 추가 인프라를 설치할 필요 없이 FMCW 기술의 뛰어난 정확도와 민감도를 누릴 수 있다. 레이더 온 칩 기술은 신호 교란을 일으키는 전자파 호환으로 인한 잡음의 원인을 제거했다. 이로써 측정 정확도와 신뢰도를 더욱 향상시켰다.