레이저와 적색광을 사용하는 광전센서는 다양한 산업자동화 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 광전센서가 제대로 작동하기 위해서는 보통 깨끗하고 먼지가 없으며 건조한 환경이 필수적입니다. 하지만 가혹하고 청결하지 않은 환경에서도 광전센서가 가장 좋은 선택인 경우가 많습니다. 선철을 생산하는 제철소, 주조와 압연 등의 야금 공정 등 다양한 작업이 이에 해당됩니다. 철 및 금속 생산 과정에서는 위와 같은 요소 외에도 극한의 열이 존재하는 경우가 많습니다.
다른 방식과 비교했을 때 광전센서의 두드러지는 장점 중 하나는 감지 거리가 길다는 점입니다. 또한 소재에 관계 없이 사물을 감지할 수 있다는 점도 특별한 장점입니다. 유도형 센서는 일반적으로 짧은 거리에서만 작동하며 금속 물체를 감지하는 데 가장 좋은 효과를 발휘합니다. 정전용량 센서는 보다 먼 거리에서 다양한 소재를 감지할 수 있지만 액체, 수분 등의 잔여물에 의해 방해를 받는 경우가 많습니다. 일반적인 정전용량 센서는 손가락으로 건드리기만 해도 작동됩니다. 광전센서는 다양한 용도에 활용할 수 있을 뿐만 아니라 안전과 관련된 기능에도 이용할 수 있습니다.
철강 생산 과정의 많은 부분은 고온 환경에서 이루어집니다. 용융 상태의 강철과 철광석의 온도는 1400°C (2552°F)에서 최대 1536°C (2797°F)에 달합니다. 주조와 열간 압연 과정에서도 소재 온도는 650°C (1202°F)에서 1250°C (2282°F) 사이를 유지합니다. 강철 색상표에 따라 온도를 눈으로도 식별할 수 있습니다.
주조 공정에서의 철봉 절단 – 사진 : M.Münzl
광전센서의 일반적인 작동 온도 사양은 55 ~ 60°C (131~140°F)입니다. 이러한 최대 온도를 제한하는 요인은 대부분 레이저 다이오드와 같은 센서의 광학 부품의 사양입니다.
이에 따라 가혹한 환경에서는 광전센서 사용이 적합하지 않다고 생각할 수 있습니다. 하지만 아래와 같이 가혹한 환경에서도 광학 센서의 신뢰성 있는 작동을 보장할 수 있는 방법들이 존재합니다.
우선, 감지하고자 하는 대상의 소재 온도는 600-700°C이하여야 합니다. 일반적인 레이저 또는 적색광 센서는 새빨갛게 달궈지거나 하얗게 빛나는 700°C (1292°F) 이상의 철강을 감지하는 용도로는 제 역할을 하지 못합니다. 빨갛게 달아오는 강철은 광전센서가 사용하는 것과 동일한 파장의 빛을 발산하며, 이에 따라 센서의 기능이 방해를 받을 수 있습니다.
가혹 환경에서 광전센서의 신뢰성과 수명을 담보할 수 있는 방법에는 여러가지가 있습니다.
광전센서의 커다란 장점 중 하나는 넓은 작동 범위입니다. 따라서 대상 물체와 멀리 떨어진 곳에 광전센서를 설치할 수 있습니다. 이에 따라 감지 대상 물체에서 발산되는 열의 영향을 현저히 감소시킬 수 있습니다. 원거리 설치를 통해 센서의 작동 온도를 실온 정도로 낮출 수 있는 경우가 많습니다. 하지만 강철 생산과 같은 고온 환경에서는 이러한 경우에도 주변 온도가 최대 50°C (122°F)까지 올라갈 수 있습니다.
작은 물체를 높은 정밀도로 감지해야 하는 경우에는 최대 설치 거리가 제한될 수 있습니다. 이 경우 250°C(482°F)까지 견딜 수 있는 내화학성 광섬유가 적합합니다. 조립식 광섬유 어셈블리를 센서에 간단하게 부착하고, 센서 자체는 온도가 낮고 안전한 환경에 설치할 수 있습니다.
최대 250°C까지 견딜 수 있는 광섬유
철강 생산 현장에서는 수냉 방식의 센서 냉각이 매우 위험할 수 있습니다. 계기용 공기 또는 깨끗한 냉각수 공급에 필요한 비용 외에도 안전 측면을 고려해야 합니다. 수냉 방식의 센서 보호 하우징은 값이 비싸고 큰 부피를 차지합니다. 호스가 파열되어 물이 새거나 분출되면 위험한 상황이 초래될 수 있습니다.
따라서 광전센서를 설치, 사용할 장소를 면밀히 고려할 필요가 있습니다.
철강 생산 공정에서는 일시적으로 고온에 노출되는 장소가 많습니다. 열간 압연 공정에서 슬래브는 압연기를 여러 차례 거친 다음 다단 사상압연기에 들어가 최종적으로 원하는 두께로 가공되고, 강판이 코일러를 거쳐 롤 형태로 만들어집니다.
이러한 과정은 순차적으로 이루어지며, 가열된 소재가 각 생산 단계에 머무르는 시간은 제한적입니다. 새로운 슬래브가 용광로에서 나오기를 기다리는 동안 온도가 다시 정상화됩니다.
이와 같은 경우 표준 센서를 사용해도 잘 작동하는 경우가 많습니다. 하지만 어떤 이유로든 생산이 중단되는 경우 뜨거운 소재가 센서 앞에 멈춰 서는 경우가 발생할 수 있습니다. 이 때 일시적인 과열의 영향으로 인해 아래 사진과 같이 센서가 손상을 입을 수 있습니다.
보호용 하우징 액세서리
발루프는 광전센서를 일시적인 과열로부터 보호하기 위해 범용 보호 하우징을 개발했습니다.
센서 하우징과 보호용 케이블 슬리브
케이블을 내열 슬리브로 감싸면 보호 효과를 한층 더 높일 수 있습니다. 이러한 슬리브는 케이블 연결부에 직접 부착할 수 있습니다.
다이캐스팅 알루미늄 소재의 케이스는 플라스틱 하우징인 경우가 많은 센서를 기계적으로 보호합니다. 센서 작동을 위한 창은 유리 또는 PMMA 소재로 만들어집니다. 또한 하우징은 열차폐 기능도 제공합니다.
에어 블로워와 냉각 기능이 있는 보호용 하우징
추가 냉각 없는 열 차폐
발루프는 하우징에 센서를 넣고 최대 160°C/320°F의 온도에 노출시키는 실험을 실시했습니다. 실험은 전면에서 열충격이 전달되는 오븐에서 이루어졌습니다. 실제로는 많은 현장에서 센서에 가해지는 열충격은 한 방향에서만 오는 경우가 대부분입니다.
추가적인 냉각 조치가 없이 약 4~5분 후 하우징 내부 온도는 최대 60°C/140°F까지 상승했습니다. 즉, 짧은 시간 내에 최대 작동 온도에 도달한 것입니다. 이보다 더 긴 시간 동안 열충격이 전달되는 상황을 고려하고 있다면 추가적인 냉각 조치를 시행할 것을 권장합니다.
추가적인 공냉 또는 수냉 방식
공냉 실험에서는 최대 35l/min의 공기를 하우징 내부에 공급했으며, 이로써 온도가 약 5K까지 떨어졌습니다(실온 23°C).
이러한 실험 결과에 따라 발루프는 공냉 방식을 권장하지 않습니다. 효율이 떨어지기 때문입니다. 사전에 정해진 지점에서 압축공기를 이용해 하우징 외부에 공기를 공급할 수도 있지만, 이 경우에도 효율적인 온도 하강 효과는 제공해 주지 못합니다. 다만, 이러한 지점에서 공기의 압력을 이용해 IP 보호 효과를 높일 수는 있습니다. 하우징 내부의 압력으로 인해 수분이나 액체가 안으로 침투하지 못하기 때문입니다.
캡과 실링(선택사양)으로 덮인 하우징 하부의 공간을 냉각 채널로 이용할 수 있습니다. 이곳에는 냉각수를 연결하는 것도 가능합니다.
또 다른 실험에서는 8°C의 물(일반 수돗물)을 2l/min의 속도로 흘려보냄으로써 하우징 내부 온도를 100K로 낮출 수 있다는 점이 확인되었습니다. 소량의 물을 사용해 일반 센서를 최대 160°C에서 연속으로 사용할 수 있습니다. 기계 고장 등 일시적인 과열이 발생하는 경우 냉각제를 공급함으로써 센서 온도를 안정화시키거나 낮출 수 있습니다.
하우징 온도가 160°C인 상태에서 15분 만에 센서 온도를 최대 작동 온도인 60°C로 낮출 수 있었습니다(수온 8°C, 2l/min).
기본적으로는 센서를 보호해야 하는 비상 상황에서만 수냉 장치를 작동시키는 것만으로 충분합니다.
보호용 하우징의 주요 특징
발루프의 보호 하우징에 관한 정보는 여기에서 확인할 수 있습니다.
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