안전 관련 응용사례 작업을 수행하거나 위험구역 내에서 작업하기에 적합한 제품을 선택하는 것은 언제나 어려운 일이다. 여기서 위험구역이란 인화성 기체·증기·먼지·액체 등으로 인해 화재 혹은 폭발의 위험이 존재하는 구역을 뜻한다. 이러한 환경에서 전자 및 전기장치를 구동하고자 한다면, 장치의 특성상 화재의 원인이 되기 쉬우므로 특별한 고려사항이 필요하다. 

글 | 맷 핸킨슨, MTS System 센서 부서 기술영업 책임자

  기능적 안전성(Functional Safety)은 장비의 올바른 작동이 필요한 응용사례에 중요한 역할을 하는 설계 기능이다. 장비 손상 혹은 부상의 원인이 될 수 있는 위험성을 내포하고 있는 장비는 올바른 작동 및 취급을 필요로 한다.

위험 요소(Risk)는 위험한 상황이 발생할 가능성을 기반으로 평가한다. 무시해도 될 수준부터 재앙에 이르기까지 다양한 수준의 예상결과를 척도로 삼는다.

이 문서에서는 여러 해결책들을 검토하고, 위험을 줄이도록 설계된 새로운 기술에 대해 설명한다.

위험한 환경 Vs. 안정적 운영

농축된 인화성 기체·증기·액체·먼지 등은 화재를 일으키거나 폭발할 위험을 안고 있다. 

이러한 환경에서 동작하는 전자장치는 (국가나 지역에 따라 다르긴 하지만) 보통 IECEx·ATEX·NEC 등의 승인을 필요로 한다. 특정한 위험상황에서도 원활히 작동하기 위해서다. 예를 들어 북미 지역에서는 국가인증시험기관(Nationally Recognized Testing Laboratory)에서 시험을 거친 뒤 기관의 인증 절차 및 결과를 따라야 한다. 인증시험기관의 평가 과정은 종류에 따라 여러 등급으로 나뉘는데, 위험요소가 있을 것으로 여겨지지 않는 수준부터 폭발물이 여기저기 널려있는 수준까지 다양한 분류가 이루어진다.

한편, 업계에서는 원활한 작업 수행을 위해 다양한 보호 방법을 채용하고 있다. 작업환경의 특성과 유형 그리고 상태에 따라 보호 방법 및 종류가 달라진다. 예를 들어 폭발성 기체를 계속해서 다루는 환경이라면, 장치의 내부 폭발을 막고 발화점 이하의 온도를 유지하기 위해 전자장치에 내압방폭 구조(Explosion Proof Enclosure)를 채용할 수 있다. 

기능적 안전성은 장비 손상이나 작업자의 부상을 일으킬 위험이 있는 응용사례에서 장치 및 장비의 안전한 사용을 보장하는 설계 개념이다. 예를 들어 IEC 61508 표준을 준수하면 장치의 고장을 감지하는 안전 기능을 제공함으로써 장치 고장 및 작업 실패를 줄인다. 또한 필요로 하는 기능을 수행하는 데 있어 실패 확률을 평가할 수도 있다.

장치를 안전 무결성 기준(SIL)에 따라 분류함으로써 장애나 고장이 일어날 확률이 얼마나 되는지 알 수 있다. 이를테면 SIL2 등급의 장치는 작업에서 0.01 미만의 실패율(즉, 고장률)을, 매 시간 당 0.000001 미만의 실패율을 보인다.

고장은 안전한 고장(Safe Failures) 및 위험한 고장(Dangerous Failures)으로 분류된다. 또한 고장 여부가 감지될 수도, 감지되지 않을 수도 있다. 

장치의 고장률과 더불어 안전고장비율(Safe Failure Fraction: SFF) 또한 고장률을 정의하는 과정에 필요한 요소다. 안전고장비율을 통해 모든 작업 실패 및 장치 고장 중에서 위험하고 감지 불가능한 실패만을 선별할 수 있다.

  다양한 기술들

오늘날에는 위험한 환경 내에서 위치 검출(Position Sensing)을 하기 위한 다양한 기술이 등장했다. 전위차계(포텐셔미터)·인코더·선형 가변 차등 변압기(Linear Variable Differential Transformers, LVDT)·자기변형 선형 변위 변환기(Magnetostrictive Linear Displacement Transducer) 등이 있다.

1. 전위차계는 일종의 분압기(Voltage Divider) 역할을 한다. 변환기의 소자를 통과한 접촉자(Wiper)의 위치에 비례하는 전기신호의 형태로 선형 위치를 표시한다. 좀 더 쉽게 표현하자면, 소자에 직접적으로 접촉하면서 소자의 전기신호가 변화함에 따라 위치를 표시한다. 전위차계는 널리 쓰이고 있는 장치이기는 하나, 접촉자가 계속해서 접촉하는 방식으로 작동하기 때문에 마모가 일어나는 것이 단점이다.

2. 인코더는 리더 헤드를 사용해 규모를 조사 및 표시함으로써 증분 위치(Inctrmental Position)의 변화를 표시한다. 인코더를 사용할 때는 주기적으로 청소 및 유지보수를 해 주어야 한다. 또한 온도가 높거나 진동이 큰 환경에서는 작업에 실패하거나 고장을 일으킬 확률이 있다.

3, 선형 가변 차등 변압기는 선형 거리 차이를 측정하는 전기적 변환기 형태를 말한다. 3개의 솔레노이드 코일이 튜브 주변에 위치하고 있다. 이 중 안쪽에 있는 코일이 주된 것이며, 나머지 코일은 바깥에 위치하고 있다.
이 변압기는 강자성 코어를 움직이면서 작업하는데, 상황에 따라 일차 코일과 이차 코일의 자기 결합을 변경한다.
이 변압기는 높은 정격 온도가 필요하거나 위험성이 있다고 인정된, 즉 상대적으로 위험한 작업영역에 쓰인다. 그만큼 정교한 제품인 셈. 하지만 선형성이 상대적으로 약하며 주기적인 측정이 필요하다는 것이 단점이다.

4. 자기변형 선형 변위 변환기는 이동하는 자석의 위치가 생성하는 소리(Sonic)의 파동 변화를 수신하는 데에 드는 시간을 측정하는 방식으로 작동한다. 의문 전류 파동(Interrogation Current Pulse)이 생성한 필드와 자기장이 상호작용할 때 파동 변화가 생겨난다. 경과시간은 마이크로 단위 해상도에 이르는 절대위치값으로 변환된다.
자기변형 센서는 많은 위험구역에서의 응용사례를 위한 효과적 해결책이다. 주기적인 청소 및 유지보수를 필요로 하는 리더 헤드가 없고, 시간이 지나도 추가적인 교정이 불필요한 덕이다. 
또한 충격 및 진동에 대해 높은 등급을 보장하며 전자파 장해(전자기장 간섭이라고도 한다)에 내성을 갖추기 위한 이중 차폐 구조를 채택했다. 안전 기능 및 위험지역에서의 사용을 위한 여러 선택사항이 있다.

자왜 센서의 새로운 발전

최근 시장에 도입되고 있는 센서를 통해 지난 솔루션이 가지고 있던 많은 문제점과 단점을 해결할 수 있다. 예를 들어 MTS System의 센서 부서에서 출시한 Tempsonics T 시리즈 제품군은 고성능 선형 위치 피드백을 제공하는 것이 특징으로, 위험구역에서의 사용 및 안전 관련 응용사례에 적합한 제품이다.

T 시리즈는 안전 무결성 기준 2 (SIL2) 표준을 충족하는 첫 선형 위치센서다. 안전 무결성 기준은 안전 기능의 고장 확률을 측정하는 척도 역할을 한다. SIL2 등급을 충족하는 T 시리즈는 SIL 등급의 안전 시스템을 설계할 수 있는 안전 기능을 제공한다. 선형 가변 차등 변압기 등 여타 위치감지기술은 유사한 안전 기능을 제공하지 않는다.

T 시리즈는 고압 환경에서도 원활히 동작하며, 방폭 및 방염 기능이 있다. ATEX 및 IECEx Zone 0.1 방염 기준을 충족함으로써 위험구역에서의 안전성이 더욱 높아졌다. 또한 미국전기규범의 Class Ⅰ Division 1 및 2 방폭 등급을 충족한다(NEC 500 및 NEC 505 Zone 0/1).

Tempsonics T 시리즈는 우수한 측정 성능을 자랑하며, 견고하고 신뢰성 있는 작업을 수행한다. 전자방해 및 오염 등의 환경적인 요인에 덜 민감한 것도 특징이다. 선형 위치 피드백 장치 중 위험구역에서의 활용 인증과 기능 안전에 대한 인증을 받은 제품은 T 시리즈가 유일하다.

  응용사례의 예

위험한 환경에서 위치 피드백을 사용하는 응용사례는 대단히 많다. 

가스 터빈 및 증기 터빈을 예로 들어보자. 이 응용사례에 쓰이는 센서는 높은 온도를 견딜 수 있어야 하며, 따라서 위험구역에서의 사용을 승인받은 제품이 필요하다. 기능 안전 인증을 필요로 하는 것은 당연하다. 

가스 터빈 및 증기 터빈 응용사례에서의 강자는 선형 가변 차등 변압기였다. 하지만 최근에는 보다 높은 안정성과 정확성을 가진 자기변형 센서가 새로운 강자로 떠오르고 있다. 

보다 나은 위치 피드백 기술의 혜택을 누릴 수 있는 산업 및 환경은 이 외에도 다양하다. 

액화석유가스(LPG) 혹은 천연가스를 저장·보관·처리하는 작업 및 석유 탐사(Oil Exploration) 작업에서도 보다 나은 작업을 실현한다. 비행기 격납고·연료 상용화 분야·연료주입장치 등 역시 개선을 꾀할 수 있는 분야다. 녹말·사탕·플라스틱·제약·폭죽·밀가루·사료·향신료·설탕·코코아·비료 등 가연성분진이 일어나는 생산 분야에서도 이러한 센서를 활용하기 적합하다. 위험한 물질들을 취급·관리하는 분야, 예를 들어 하수처리장·유해화학공장·드라이클리닝 공장·공익용 가스 공장·선탄장(選炭場)·마그네슘 혹은 알루미늄 분말을 생산·사용·저장하는 공장 등에 이 기술을 활용하면 작업 안전성과 신뢰성을 높일 수 있다.

결론

응용사례에 필요한 측정 성능을 만족하는 위치센서를 선택하는 작업은 분명 중요한 과정 중 하나다. 마찬가지로 사용자와 관련 규제 기관이 요구하는 안전 요건을 충족하는 위치센서를 선택하는 것 역시 중요하다. 
앞서 설명한 자왜 센서를 활용함으로써 다양한 응용사레에서 필요로 하는 성능요건을 충족함과 동시에 기능 안전 및 위험구역 사용에 대한 인증을 누릴 수 있다. 성능과 안전을 모두 책임지는 열쇠인 셈이다.