Hot Tech - 석유화학 탱크의 액체 레벨을 측정하기 위한 레이더 레벨계측 기술
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▲ 최우진 연구소장 한라IMS(주)
기술개발 배경
여기에서 소개하고자 하는 레이더 기술은 전파(마이크로파)를 이용하는 레이더의 여러 가지 응용 분야 중에서도 거리를 정밀하게 측정하는 기술과 관련된 것으로, 특히 산업용 석유화학 설비의 액체 탱크 또는 유조선의 액체 화물탱크 등에 적용하여 탱크의 상부로부터 액체의 유면 레벨까지의 거리를 ㎜ 단위의 정확도로 정확히 계측하는 ‘비접촉 레벨계측 기술’이다.
레이더 기술이 개발된 지 오래되었지만 국내의 레이더 기술 개발은 아직도 기술 확보를 위한 노력이 진행 중이라고 할 수 있다.
액체의 레벨 측정에 이용되는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식의 레이더 레벨 트랜스미터는 미국, 독일, 일본, 프랑스 등 주요 선진국들이 제품을 출시하고 시장을 선도하고 있지만, 국내에서는 많은 노력에도 불구하고 경쟁력 있는 제품을 출시하지 못하고 있으며 전량 수입에 의존하여 설치되고 있다.
이렇게 국산화에 어려움을 겪는 이유로는 RF기술, 안테나 기술, 아날로그 신호처리를 위한 전자회로 설계 기술, 측정 알고리즘을 위한 디지털 신호처리 및 소프트웨어 기술 등이 복합적으로 요구되기 때문이다.
여기에서는 그림 1과 같이 한라IMS(주)(이하 한라IMS)가 개발한 화물 측정 시스템(Cargo Monitoring System)의 구성 부품 중의 하나인 FMCW 레이더 레벨 트랜스미터를 국내 최초로 자체 기술로 국산화한 사례를 중심으로 레이더 레벨계측 기술을 소개하고자 한다.
비접촉식 레이더 레벨 트랜스미터의 측정 방식
최근 화물선박이 대형화되고 석유 및 LNG, LPG, 석유화학제품 등과 같은 고부가가치 화물 운송에 대한 수요가 점차 늘어나는 추세이다.
이에 따라 화물량의 측정에 있어서 비록 적은 오차일지라도 막대한 금전적인 손실과 직결되므로 정밀한 레벨계측 기술에 대한 관심이 더욱 증대되고 있다.
대표적인 비접촉식 레벨 측정 방식으로는 초음파, 레이저, 레이더 방식 등이 있다.
이 중에서 마이크로파를 이용하는 레이더 방식은 정확도가 높고 정밀하면서도 다양한 종류의 화물유에 대해서도 안정된 측정이 가능하여 가장 선호하는 방식이다.
레이더 레벨측정 방식에는 크게 Pulse 방식과 FMCW 방식이 있다.
표 1에서 보는 바와 같은 특징을 가지고 있는데 한라IMS에서는 FMCW 방식의 레이더 레벨 트랜스미터의 개발에 관한 연구를 수행해 오고 있다.
레이더 레벨 트랜스미터의 주요 핵심 기술 개발
FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)방식의 레벨 트랜스미터의 핵심 기술은 정확한 거리 측정 기술과 진동, 온습도 등의 열악한 환경에 견디며, 인화성 물질이 상존하는 지역에서도 폭발을 일으키지 않도록 방지할 수 있는 하드웨어(H/W) 설계 기술이 필요하다.
한라IMS에서는 오랜 기술 개발 노력 끝에 < 고정밀 신호처리 기법의 소프트웨어(S/W) 기술(특허등록) >, < 본질안전 방폭을 고려한 하드웨어(H/W) 설계기술(ATEX 및 IECEx 본질안전 방폭인증) >, < 설치 환경을 고려한 하드웨어(H/W) 설계 기술(환경시험 성적서 및 선박 설치를 위한 주요국가의 선급 형식 승인) >, < 입/출력 연결부의 방수 기술(특허등록) >, < 사용자의 편의성을 고려한 Housing Design 기술(디자인등록) > 등의 핵심 기술을 확보하였다.
고정밀 신호처리 기법의 소프트웨어(S/W) 기술
FMCW 레이더 방식은 그림 2와 같이 연속적으로 주파수를 가변해 가면서 전파를 발사한다(Tx Signal).
그러면 그 신호는 목표물에 의해 반사되어 다시 수신된다(Rx Signal).
만일 t₂의 시점이라면 이 두 신호 사이의 주파수 차이 ƒR를 계측할 수 있다(Beat Frequency). 이것이 FMCW 방식 레이더의 거리 측정 원리이다.
주파수 ƒR을 분해능이 높게 정확히 찾아내는 것이 곧 정확한 거리 측정의 핵심 기술이라고 말할 수 있다.
FMCW 방식의 레이더 레벨 트랜스미터는 기본적으로 Antenna 및 RF Front-End부와 신호처리부(Analog & Digital Signal Processing)로 구성되는데 이들 하드웨어는 안정적으로 동작되어야 하며, 한라IMS에서는 이들 하드웨어를 모두 직접 디자인하였다.
그리고 최종적인 거리 측정 결과의 분해능을 높이기 위한 FFT(Fast Fourier Transform) 기법, Zoom FFT 기법, Correlation 기법의 적용을 통하여 거리 분해능을 높이는 기술을 완성하였다.
그림 3은 각 기법의 신호처리 결과를 보인 것이며 그래프 상의 두 줄의 가로선은 목표로 하는 ±3㎜ 오차 범위의 기준선을 의미한다.
목표로 하는 ±3㎜ 이내의 정확도 성능을 달성하였다.
표 2에는 개발한 FMCW 레이더 레벨 트랜스미터의 주요 사양을 나타내었다.
레이더 레벨 트랜스미터 기술개발 파급효과와 한라IMS의 방향
전 세계 산업현장 및 조선해양 분야에 적용되는 고정밀 레이더 레벨측정 장치는 시장조사기관의 보고서에 따르면 연간 약 3,000억 원 이상의 시장규모이다.
한라IMS는 그간 이 시장에 적용할 수 있는 레이더 기술의 확보를 위해 노력을 기울여 왔으며 최근에 < FMCW 레이더 모듈 기술 >로 신기술인증(NET)을 받았다.
현재 실제 선박에 장착하여 성능 시험 중에 있는데 이것이 마무리되면 수입 대체 및 수출 효과가 매우 클 것으로 기대한다.
마지막으로 당사의 기술력에 대해 간단히 소개하고 이 글을 마치고자 한다.
한라IMS는 선박 레벨 측정 분야의 국내 1위 기업으로서 1989년 창업하여 레벨측정 장치, 가스분석 장치, 밸브제어 장치, 밸러스트 수처리 장치 등의 조선기자재 국산화 기술개발에 힘쓰고 있다.
정부로부터 월드클래스300 기업, 우수기술연구센터로 선정된 기업으로서 주력 품목인 레벨모니터링 장치는 세계일류상품 인증을 받았다.
더불어 최근에는 핵심 부품 중 하나인 레이더 레벨 트랜스미터의 신기술 인증까지 받게 됨으로써 보다 경쟁력 있는 국산 레벨계측 제품을 공급할 수 있게 되었다.
앞으로의 기술개발 방향으로서 한라IMS에서는 그림 4와 같이 사용자의 편리성을 위해 레이더 레벨 트랜스미터를 포함한 선박용 탱크의 레벨모니터링 시스템(Tank Gauging System), 원격 밸브제어 장치(Valve Remote Control System), 밸러스트 수처리 장치(Ballast Water Treatment System)을 하나의 소프트웨어(ICMS, Integrated Control & Monitoring System)로 통합 관리하는 3Ballast 패키지를 개발하여 최근에 출시하였는데, 앞으로도 에너지 정책변화 및 환경규제 등에 대응하여 스마트하고 유지보수가 간편하며 환경친화적인 3S1P(Smart, Servitization, Sustainable, Platform) 제품의 기술개발을 위해 노력해 나갈 것이다.
