산업의 상당 부분은 위험한 구역이므로, 기능 안전성 평가가 필요한 애플리케이션이 활용된다. 각 구성 요소가 어떤 경우에서든 올바른 작동을 보장하는 것이 기능 안전성을 담보하는 핵심이다. 이때 정확한 감지를 위한 센서는 중요한 요소 중 하나다. MTS센서스의 자료를 통해 위험 환경을 위한 센서의 진화를 살펴본다.

위험한 구역에는 여러 가지 상황이 있을 수 있다. 가장 쉽게는 석유 탐사 굴착 장치, 가스 설비, 화학/제약 시설, 하수 처리장 등을 떠올릴 수 있으며, 산업용 화학 약품이 생산되거나 처리되는 장소 등도 위험 구역에 속한다.

인화성 또는 폭발성 환경에 놓일 전기 장치의 경우에는 엄격한 산업 표준 준수가 요구된다. 이러한 표준 중 가장 잘 알려진 규격은 IEC^{International Electrotechnical Commission}의 IECEx, 유럽 연합의 ATEX, 미국의 NEC^{National Electrical Code} 등이 있다. 이들 규격들에서는 위험의 유형을 나타내기 위해 등급과 부문별 분류를 사용하고 있으며, 환경의 유형, 상태 및 특성에 따라 다양한 보호 방법론을 채택하여 필요한 보호 등급을 획득하도록 하고 있다. 또한 북미와 같이 국가에서 인정되는 시험연구소^NRTL에서의 테스트가 수행과 라벨링 전제 조건을 준수하도록 의무화하는 지역과 국가들이 많다.

IEC 61508 기능 안전
기능 안전이라는 개념은 잠재적으로 위험한 상황을 감지한 후 실제 환경에서 이를 회피하는 조치를 취할 수 있음을 의미한다. 만약 위험이 발생할 경우에는 그 영향이 수용 가능한 수준에 포함되도록 보장함으로써 작업자가 위험에 노출되지 않으며, 중요 장비에 손상을주지 않도록 한다.

가장 널리 알려진 기능 안전 규격 중 하나인 IEC 61508은 고장 모드를 포함하여 안전 기능이 필요한 수준으로 수행되는지를 평가한다. IEC 61508 규격을 준수하면, 특정 위험 요소의 감지를 통해 관련된 위험 수준을 낮출 수 있다. 또 필요 기능을 수행하지 못할 확률도 평가하여 위험의 정도를 분석할 수 있다.

IEC 61508에서 장치는 장애가 발생할 확률과 관련된 특정 안전 무결성 수준^SIL에 따라 분류되는데, SIL 1 정격 장치는 낮은 수요 작업에 대해 0.01에서 0.1 사이의 오류 확률을, 높은 수요 작업에 대해 시간당 0.00001보다 낮은 오류 확률을 갖는다는 의미이다. SIL 2 등급 장치는 낮은 수요 작업에 대해 0.001과 0.01 사이의 오류 확률을, 높은 수요 작업에 대해 시간당 0.000001 범위의 오류 확률을 지닌다.

실패는 안전하거나 위험한 것으로 분류되며, 감지되거나 감지되지 않을 수 있다. 고장 비율은 전체 고장 횟수에 대해 안전하거나 감지할 수 있는 고장 비율을 정의하며, 이를 통해 감지할 수 없는 위험한 오류의 가능성을 판단할 수 있게 된다.

생산 현장에서 계측기나 장비의 고장이 발생하게 되면, 가장 좋은 경우라 할지라도, 작동 중단이 불가피하다. 즉 고장은 생산성의 손실은 물론 구성 부품의 교체나 수리에 따른 비용의 지출을 의미한다.  기능 안전은 위험한 사건이 발생할 확률과 그 결과를 수량화함으로써 위험을 관리할 수 있게 한다. 위험 지역에 위치할 산업 시스템을 개발할 때 기술자는 사고 과정에 기능 안전 측면을 반드시 포함시켜야 하는데, 이는 마지막 단계가 아닌 개발주기 전반에 걸쳐 핵심적으로 고려되어야만 하는 사항이다.

주요 위험 완화 방법
위험한 환경의 영향을 완화하기 위해 사용할 수 있는 다양한 방법이 존재한다. 차폐물을 설치하고, 잠재적 위험이 가장 심각한 곳에서 민감한 장비를 멀리 떨어뜨리는 물리적 보호는 가장 쉽게 떠올릴 수 있는 보호 방안이다. 또 장애에 대비하여 백업으로 중요 기능을 계속 제공하는 방법도 고려할 수 있다.

폭발성 물질에 대한 지속적인 위협이 있는 경우라면 방폭형 인클로저 내부에 전자/전기 장치의 하우징이 필요할 수 있다. 이를 통해 내부 폭발을 억제함으로써 외부 환경에 대한 영향을 최소화할 수 있다.

위험 구역에서 위치 감지는 안전을 보장하기 위한 중요 조치이다. 애플리케이션에 감지 장비를 배치하고 피드백을 전달받음으로써 위험을 관리할 수 있기 때문이다. 실제로 발전소, 석유/가스 시추 장비 등의 위험 산업군에서는 위치 측정을 수행하기 위해 다음과 같은 다양한 감지 메커니즘을 활용하고 있다.

● 포텐쇼미터^{Potentiometer} : 가변저항으로도 불리는 포텐쇼미터가 위치 측정이 설정된 전압 분배기의 역할을 하도록 하는 방법이다. 그러나 이 방법은 변환기와 와이퍼 사이의 접촉으로 인한 기계 마모와 열 발생 등의 문제가 있어 지금은 잘 사용되지 않는다.

● 엔코더^Encoder : 엔코더는 리더 헤드를 사용하여 표시된 눈금을 스캔함으로써 점진적인 위치 변화를 나타낸다. 하지만 장기간 작동 시 진동 운동 및 고온의 영향으로 인해 실패할 수 있는 위험을 지니며, 오일이나 그리스 등으로 인한 정기적인 청소 등의 유지보수 이슈가 존재한다.

● 선형 가변 차동 변압기^{Linear Variable Differential Transformer} : LVDT는 1차 코일과 2차 코일 간의 자기 결합을 변화시키는 강자성 코어의 움직임에 의존하여 위치를 측정한다. 높은 온도 등급으로 위험한 영역에서 널리 사용되고 있지만, 좋지 않은 선형성으로 인해 주기적인 재보정 작업이 요청된다.

● 자기 왜곡 선형 센서^{Magnetostrictive Linear Sensor} : 자기장이 강자성 물질의 물리적 특성을 변경하는 자기 왜곡 원리를 사용하는 자기 왜곡 센서는 위험한 애플리케이션에서 정확한 위치 측정을 위한 효과적으로 장치로 인식되고 있다. 상대 위치가 아닌 절대 위치를 제공하기 때문에 재교정 작업이 필요없으며, 리더 헤드가 없어 청소나 유지보수 작업을 위해 시간과 비용을 지불할 필요도 없다. 충격 및 진동에 대해서도 강한 복원력을 지니며, 전자파 간섭 내성^EMI도 다른 측정 옵션에 비해 훨씬 더 강력하다. 장치 통합성이 용이한 점도 장점으로 꼽힌다.

자기 왜곡 센싱의 원리
강자성 물질이 자기장 내에 있다면, 구조에 치수 변화를 포함하는 미세한 변화가 일어난다. 바로 자기 왜곡^{Magnetostriction}이라고 불리는 현상이다. 자기 왜곡으로 인한 치수 변화는 적용되는 자기장의 세기와 직접적인 관련을 지니며, 이를 활용하여 효과적인 비접촉 감지를 구현할 수 있다. 이는 움직이는 부분이 없어 마모나 마찰이 발생하지 않게 되고, 이에 수명이 길고, 신뢰성을 높은 비접촉 감지가 가능한 이점을 제공한다.

MTS센서스^{MTS Sensors}의 템포소닉스^Temposonics를 통해 자기 왜곡 센서를 보다 구체적으로 살펴보자. 템포소닉스는 가장 어려운 산업 환경의 정확한 위치 측정을 위해 MTS센서스가 개발한 자기 왜곡 감지 기술이다.
템포소닉스 위치 감지 시스템은 ▲강자성 도파관 ▲도파관을 따라 이동하는 이동 위치 결정 영구 자석 ▲스트레인 펄스 변환기 및 지원 전자 장치 등으로 구성된다.

애플리케이션에 연결된 자석이 도파관 위의 해당 위치에 자기장을 생성하면, 짧은 전류 펄스가 도파관에 전달되면서 순간적으로 방사형 자기장과 비틀림 변형을 일으키케 된다. 이 변형 펄스는 도파관을 따라 초음파로 전달되어 도파관의 끝에서 전기 신호로 변환된다. 초음파의 속도는 정확하게 알려져 있으므로, 리턴 신호를 수신하는 데 필요한 시간을 높은 정확도와 반복성을 지닌 선형 위치 측정으로 변환할 수 있게 된다.

템포소닉스 기술을 기반으로 MTS센서스는 위험 지역 및 증가된 안전 요구에 대응할 수 있는 포트폴리오를 구성했다. ATEX, IECEx Zone 0/1 NEC 500 및 NEC 505 Zone 0/1 규격을 모두 준수하면서 화염 방폭 및 폭발 방지 기술을 모두 갖춘 장치를 공급하는 것이다. [그림 2]의 T 시리즈가 바로 위험 지역과 안전 등급을 모두 아우르는 단일 센서이다.

중복 측정으로 신뢰성 향상

안전 요구 사항을 해결하는 또 다른 방법으로는 센서 내에 추가적으로 중복 측정 시스템을 제공하는 것이 있다. [그림 3]의 RT4 센서는 안정성을 향상시키는 두 가지의 주요 기능이 탑재되어 안전을 위한 애플리케이션을 배치하는 데 매우 적합한 제품이다.

RT4 센서는 두 개의 독립적인 감지 요소가 두 개의 개별 전자 장치 세트로 신호를 전달하는 이중화가 포함되어 있으므로 하나의 채널이 실패할 경우에도 다른 측정 시스템이 결과를 계속 보고할 수 있으며, 신호 컨디셔닝 및 신호 처리 목적으로 필요한 민감한 반도체 부품을 극한의 조건에서 멀리 유지(센서 로드로부터 최대 600mm 거리까지)하도록 할 수 있다. 이외에도 IP68 정격 하우징이 적용되어 물이나 먼지의 침입으로부터 완전히 보호하는 기능도 있다.

오늘날 기능 안전에 대한 요구가 지속적으로 높아지면서 위치감지는 기존의 LVDT 방식에서 자기 왜곡에 기반한 보다 정교한 접근 방식으로 변화하고 있다. LVDT를 비롯한 여타의 위치 센서보다 자기 왜곡 센서의 성능과 수명, 기능 안전성이 훨씬 높기 때문이다.