레이더 탱크 게이지는 음향 간섭이 심한 탱크에 사용할 수 있습니까?

더운 오후 정유소 탱크 단지 옆에 서 있었다면 아마도 가슴이 덜컥 덜컥 울리는 낮고 웅웅거리는 진동, 즉 가장 원시적이고 지속적인 형태의 음향 간섭을 느껴본 적이 있을 것입니다. 정확한 레벨 측정을 담당하는 운영자에게 웅웅거리는 소리, 펌프의 윙윙거리는 소리, 증기 배출, 심지어 탱크 내부에서 제품이 출렁이는 희미한 반향까지 더해지면 이는 단순한 배경 소음이 아니라 시설을 안전하고 규정을 준수하며 수익성 있게 유지하는 데이터에 대한 위협입니다. 수년 동안 많은 산업 팀에서는 잡음이 라디오를 흐리게 하는 것처럼 소리가 레이더 신호를 압도할 것이라고 가정하여 레이더 탱크 게이지에 고음향 탱크를 "불가능"하다고 명시했습니다. 수십 년 동안 현장 배포를 해 온 레이더 탱크 게이지 공급업체로서 저는 이 신화가 바로 그것이며 현대 레이더 기술은 음향 간섭이 일상 리듬의 일부인 환경에서도 어려움을 겪지 않고 성공하도록 구축되었다는 사실을 공유하기 위해 왔습니다.

먼저, 음향 간섭과 레이더 신호 왜곡이라는 일반적인 혼동을 살펴보겠습니다. 음향 에너지는 낮은 진동(20Hz 이하)부터 높은 음의 윙윙거리는 소리(20kHz)에 이르는 주파수를 갖는 공기나 액체를 통해 이동하는 진동인 음파입니다. 이와 대조적으로 레이더는 완전히 다른 주파수 대역(일반적으로 산업용 레벨 게이지의 경우 1GHz ~ 100GHz)에서 작동하고 신호 손상을 일으키는 방식으로 음파와 상호 작용하지 않는 전자기파(EM)를 사용합니다. 적어도 직접적으로는 아닙니다. 레이더 탱크 게이지에 대한 음향 간섭의 실제 문제는 레이더 자체를 압도한다는 것이 아니라 게이지의 신호 처리에서 가짜 소음을 생성한다는 것입니다. 다음과 같이 생각해 보십시오. 레이더는 탱크 제품 표면에서 반사되어 되돌아오는 집중된 EM 펄스를 보내고, 게이지는 비행 시간을 측정하여 레벨을 계산합니다. 그러나 원치 않는 전기 소음, 기계적 진동 또는 근처의 다른 게이지로부터의 누화로 인해 신호에 "거짓 에코"가 추가될 수 있으며, 이는 게이지가 자신이 아닌 곳에서 펄스를 수신하고 있다고 생각하게 만듭니다. 여기서 음향 간섭이 주목됩니다. 스퓨리어스 소음의 가장 일반적인 원인 중 일부는 펌프, 교반기 또는 심지어 탱크 구조 굴곡에서 발생하는 기계적 진동으로, 이는 게이지 전자 장치의 전기 소음으로 변환되거나 신호 처리를 방해하는 작고 무작위적인 EM 교란을 생성할 수 있습니다.

초기 레이더 탱크 게이지, 특히 구형 TDR(시간 영역 반사 측정) 모델은 실제 제품 표면 에코와 음향 소스의 임의 소음을 구별할 수 없는 단순한 신호 평균에 의존했기 때문에 이 문제로 어려움을 겪었습니다. 그러나 오늘날의 레이더 기술은 이 문제를 정면으로 해결하기 위해 발전했으며 석유 및 가스 정제소, 화학 처리 공장, 폐수 처리 시설, 교반기가 장착된 탱크가 있는 대규모 식품 및 음료 처리 공장 등 지속적으로 높은 음향 간섭을 처리하는 산업 전반에 걸쳐 실제 배포에서 그 증거가 나타났습니다.

간섭이 심한 애플리케이션을 위한 가장 널리 사용되는 솔루션 중 하나인 유도파 레이더(GWR) 게이지부터 시작해 보겠습니다. 공기를 통해 제품 표면으로 펄스를 보내는 비접촉 레이더와 달리 GWR은 탱크 내부에 있는 프로브(케이블 또는 막대)를 따라 해당 펄스를 실행하므로 EM 펄스가 프로브로 제한됩니다. 펄스가 견고한 전용 경로를 따라 이동하기 때문에 허위 공기 전달 에코를 생성하는 음향 간섭을 포함하여 탱크 환경의 소음에 훨씬 덜 민감해집니다. 높은 난기류, 교반기 또는 지속적인 기계적 진동이 있는 고음향 탱크의 경우 GWR의 집중 신호는 게임 체인저입니다. 당사의 SLDL5526 이중 케이블 유도파 레이더는 이에 대한 완벽한 예입니다. 이는 최대 100% 제품 난류가 있는 탱크용으로 설계되었으며, 이는 종종 교반기 또는 재순환 펌프에서 발생하는 높은 음향 소음과 함께 발생합니다. 최근 중서부 정유소의 원유 공급 탱크에 배치된 경우 연중무휴로 작동하는 10개의 대형 재순환 펌프와 기존 레벨 게이지를 망칠 만큼 강한 제품 난류를 생성하는 가변 속도 교반기에서 지속적인 음향 소음이 발생했습니다. SLDL5526으로 전환하기 전에 공장은 최대 1.2피트의 레벨 측정 오류를 처리하고 있었으며, 이로 인해 공급 탱크가 과충진되거나 과소 충진되어 불필요한 가동 중단 시간이 발생했습니다. 설치 후 SLDL5526의 이중 케이블 설계는 별도의 프로브를 따라 이동하는 두 개의 동일한 EM 펄스를 비교하여 음향 진동에서 발생하는 가짜 에코를 제거함으로써 소음을 필터링하는 데 도움이 되었습니다. 공장에서는 최대 85dB의 음향 소음을 발생시키는 펌프 사이클 중에도 0.1인치 이내의 수준 정확도를 보고했습니다. 이는 바쁜 사무실의 소음 수준과 비슷하지만 더 작은 게이지를 깰 수 있을 만큼 일정합니다.

가열 시스템이나 압력 조절기에서 음향 진동이 높아지는 고온 또는 고압과 같은 극한 조건에서 작동하는 탱크의 경우 SLDL5524 고온 케이블 유도파 레이더는 이러한 이중 과제를 처리하도록 제작되었습니다. 나는 작년에 450°F에서 용융된 폴리머를 담는 50,000갤런 반응기 탱크와 일관된 저주파 음향 럼블을 생성하는 증기 재순환 시스템을 갖춘 특수 화학 공장에서 일했습니다. 공장에서는 먼저 초음파 레벨 게이지를 사용해 보았으나 고온으로 인해 음파가 왜곡되어 한 달도 채 지나지 않아 실패했고, 표준 비접촉 레이더조차 기계적 진동 소음을 걸러내지 못했습니다. SLDL5524의 고온 정격 케이블 프로브는 극한의 열 조건을 견딜 수 있도록 제작되었으며 고급 신호 처리 알고리즘은 실제 제품 표면 에코와 탱크 진동 구조의 소음을 구별할 수 있습니다. 이 게이지는 가동 중단 시간 없이 18개월 동안 작동되었으며, 레벨 측정 정확도는 증기 시스템이 최대 압력까지 상승하여 혼합에 음향 소음이 추가되는 경우에도 0.2인치 이내입니다.

그러나 유도파 레이더가 높은 음향 간섭을 위한 유일한 솔루션은 아닙니다. 비접촉 레이더, 특히 위상 편이 배열 레이더 기술도 크게 발전했습니다. SLDL53-40 위상 변이 어레이 시리즈는 소음이 심한 환경에서 뛰어난 성능을 발휘하는 비접촉 레이더의 훌륭한 예입니다. 단일 안테나를 사용하여 신호를 보내고 받는 기본 비접촉 레이더와 달리 위상 편이 배열 레이더는 함께 작동하여 레이더 펄스를 촘촘하고 좁은 빔에 집중시키는 작은 안테나 그리드를 사용합니다. 집중된 빔은 펄스가 탱크 벽, 파이프 또는 음향 진동으로 인한 허위 반향을 반사할 수 있는 기타 장비가 아닌 제품 표면에만 닿는다는 것을 의미합니다. 제품 전체를 통과하는 프로브가 필요하지 않은 대형 저장 탱크의 경우(일부 산업에서는 식품 및 음료와 같은 위생상의 이유로 또는 제품의 점성이 너무 높기 때문에 프로브를 금지함) 이것이 이상적입니다. 태평양 북서부의 한 수제 양조장은 작년에 문제가 있는 문제로 우리에게 연락했습니다. 200배럴 발효 탱크에는 300RPM으로 작동하는 교반기가 장착되어 있어 높은 음조의 윙윙거리는 소리가 나기 때문에 활성 발효 단계에서 오래된 초음파 레벨 게이지가 불규칙하게 판독됩니다. 위생 규정에 따라 발효 용기 내부에 이물질이 들어가는 것을 금지했기 때문에 GWR을 사용할 수 없었기 때문에 SLDL53-40 위상 변이 어레이를 권장했습니다. 게이지의 어레이 기술을 사용하면 발효 공정(및 교반기)의 음향 소음이 최대 90dB에 도달하는 경우에도 빔을 액체 표면에 직접 집중시켜 교반기와 탱크 벽에서 발생하는 에코를 필터링할 수 있습니다. 현재 1년 동안 사용되었으며 양조장은 가장 격동적인 단계에서도 발효 전반에 걸쳐 정확한 레벨 측정을 보고합니다.

물론 모든 고음향 탱크가 동일한 것은 아니며 때로는 극한의 압력, 온도 및 음향 소음을 모두 처리할 수 있는 게이지가 필요할 수도 있습니다. 발전 또는 중화학 처리에 일반적으로 사용되는 최대 800°F 및 1500 PSI에서 작동하는 탱크용으로 설계된 당사의 SLDL5228 고온 및 고압 레이더가 필요한 곳입니다. 이러한 환경에는 고압 밸브, 파이프 진동 및 보일러 시스템으로 인해 음향 소음이 지속적으로 발생하므로 SLDL5228은 펄스의 모양과 타이밍을 분석하여 실제 에코와 소음을 분리할 수 있는 고급 디지털 신호 처리(DSP)를 사용합니다. 나는 최근 두 개의 고압 펌프와 환기 시스템에서 발생하는 지속적인 음향 소음이 발생하는 100,000갤런의 보일러 공급 탱크가 있는 남서부의 발전소를 방문했습니다. 공장에서는 매주 교정이 필요한 기계식 레벨 게이지를 사용하고 있었고, 부정확한 레벨로 인해 가끔 보일러 작동이 중단되기도 했습니다. SLDL5228을 설치한 후 공장에서는 교정 빈도를 6개월마다로 줄였고, 레벨 오류로 인한 보일러 작동이 0으로 떨어졌습니다. 심지어 펌프가 순환하는 경우에도 탱크에 음향 소음이 추가되었습니다.

제가 운영자로부터 받는 일반적인 질문은 "거품이 있는 탱크는 어떻습니까? 음향 간섭과 거품이 더해지면 레이더 게이지가 쓸모없게 되나요?"입니다. 이는 타당한 우려입니다. 폼이 2차 에코를 생성할 수 있고 음향 진동으로 인해 폼이 신호를 왜곡하는 방식으로 움직일 수 있습니다. 그러나 다목적 중거리 비접촉 레이더인 SLDL5215Radar 탱크 게이지에는 소음 필터링과 함께 작동하여 거품과 실제 제품 표면을 구별하는 특수 거품 감지 알고리즘이 포함되어 있습니다. 예를 들어, 남동부의 폐수 처리장에는 거품이 많이 발생하고 폭기 송풍기에서 발생하는 지속적인 음향 소음이 있는 폭기 탱크가 있어 레벨 측정 문제가 엄청나게 발생했습니다. 우리가 SLDL5215를 설치할 때까지 그들은 이전에 여러 게이지를 시도했지만 모두 실패했습니다. 게이지의 알고리즘은 송풍기의 음향 소음을 필터링하고, 폼 층을 식별하고, 폼 두께와 실제 액체 수위를 0.3인치 이내의 정확도로 측정합니다. 이는 기존 게이지로는 수행할 수 없는 작업입니다.

이제 방 안의 코끼리에 대해 이야기해 보겠습니다. 왜 일부 레이더 탱크 게이지는 높은 음향 환경에서 여전히 작동하지 않습니까? 이는 오래된 신호 처리와 열악한 게이지-탱크 일치라는 두 가지 주요 요인으로 귀결됩니다. 많은 저렴한 보급형 레이더 게이지는 실시간 소음을 고려하지 않은 기본 신호 평균화를 사용하므로 음향 진동의 가짜 에코를 레벨 판독값으로 평균화하게 됩니다. 또 다른 실수는 고유한 환경에 대해 모든 용도에 맞는 단일 크기의 게이지를 선택하는 것입니다. 예를 들어, 강력한 교반기가 있는 탱크에 표준 비접촉 레이더를 설치하는 것은 조용한 실험실에서는 작동할 수 있지만 현장에서는 기계적 진동으로 인해 게이지가 작동하지 않을 만큼 충분한 전기 소음이 발생합니다. 그렇기 때문에 공급업체로서 우리는 단지 게이지만 판매하는 것이 아닙니다. 우리는 운영자와 협력하여 특정 탱크 환경(소음 수준, 제품 유형, 탱크 크기, 압력, 온도 및 기타 고유 변수)을 평가하여 올바른 게이지를 추천합니다.

좋은 소식은 고음향 탱크를 측정할 수 없는 것으로 간주하던 시대는 오래 전에 지나갔다는 것입니다. 레이더 탱크 게이지는 음파에 관심이 없으며 EM 펄스에 관심이 있습니다. 현대 기술은 이러한 펄스를 펌프, 교반기 및 기타 소스의 소음을 무시할 만큼 강력하고 집중적이며 스마트하게 만들었습니다. 난류 원유 탱크용 이중 케이블 GWR부터 위생 발효 용기용 위상 변이 배열 비접촉 게이지까지 간섭이 심한 모든 응용 분야에 대한 솔루션이 있습니다.

레벨 측정 작업에서 일관된 음향 소음을 처리하고 불규칙한 판독값, 가동 중지 시간 또는 번거로운 교정 작업에 지쳤다면 우리가 도와드릴 수 있습니다. 우리 팀은 업계 전반의 시설과 협력하여 정유소에서 양조장, 발전소에 이르기까지 가장 시끄럽고 가장 까다로운 환경에서도 안정적으로 작동하는 레이더 탱크 게이지를 배포했습니다. 당사의 고음향 간섭 솔루션에 대해 자세히 알아보거나 특정 탱크 요구 사항에 대한 상담을 예약하려면 지금 당사 팀에 문의하세요. SLDL5526 이중 케이블 유도파 레이더, SLDL53-40 위상 변이 어레이 시리즈, SLDL5524 고온 케이블 유도파 레이더, SLDL5215Radar 탱크 게이지, SLDL5228 고온 및 고압 레이더를 포함한 당사의 제품 라인은 모두 가장 필요할 때 일관된 정확도를 제공하도록 제작되었습니다.

참고자료

1. 레벨 측정 기초: 레이더와 음향 기술. ISA 간행물, 2021.
2. 소음이 많은 환경을 위한 산업용 레이더 신호 처리. 공정 제어 저널, vol. 2019년 38월 38일, 45-52페이지.
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