오 경보(false alarms)의 최소화

[월간 무인화기술 1월호]

<Technical Report>

오 경보(false alarms)의 최소화

에머슨 프로세스 매니지먼트, Net Safety Monitoring의 마케팅 매니저인 Jonathan Saint가

화염 검출기 적용에서 발생하는 몇 가지 공통적인 오 경보의 원인에 대해 설명한다.

 

에머슨 프로세스 매니지먼트

 

 

 

 

화염 모니터링은 산업 환경에서 생명과 재산을 보호하는 감지 기술 중 하나이다. 그러나 효과적인 화염 감지의 설치 및 실행은 간단하지 않다. 핵심은 기술을 적용하고 위험 요소와 일치시키는 것이다. 이를 통해 전체적인 성능을 상당한 수준으로 향상시키고, 많은 비용이 소요되는 정지 시간(down time)을 줄일 수 있다.
자외선(UV)와 적외선(IR) 분광학과 같은 시각적 시스템은 대부분의 화염 검출기가 기능을 수행하는 데 이용하는 방식이다. 거의 대부분의 화염은 열과 이산화탄소, 일산화탄소, 물, 탄소 그리고 연소의 다른 산물을 생산하며, 이는 시각적으로 확인이 가능하며 측정이 가능한 UV 및 IR 방사선을 방출한다. 이러한 스펙트럼 방출 ‘부산물’은 화염 검출기가 화염이 존재를 신속하고 정확하게 결정하기 위하여 감지하는 요소이다. 그러나 비화염원으로부터 방출된 이와 동일한 물질들이 오경보와 플랜트의 가동 중지의 원인이 될 수 있다.

 

화염 검출기의 선택
오늘날의 시각적 화염 검출기의 옵션에는 UV와 IR의 단일 파장, 통합 UV/IR 센서, 및 삼파장의 IR 센서를 제공하는 보다 발전된 형태의 기기가 포함된다. 이러한 시스템 각각의 성능 및 이점은 다양하기 때문에, 다양한 항목 및 요건에 따라 각각을 조사해야 한다.

외부에서의 적용은 태양 광선의 가시적 범위라는 문제를 반드시 해결해야 하며, 그 범위는 0.3~0.8 microns 정도이다. 태양 광선에 직접 또는 반사된 태양 광선에 반응하는 검출기는 이러한 상황에는 적합하지 않다. UV 검출기는 일반적으로 태양 방사 이하의 에너지를 검출하며(0.185~0.260 microns), 굉장히 신속한 응답 및 광범위한 범위의 시계(view)로 인하여 외부에서의 적용에 적합할 수 있다. 그러나 UV/IR 및 삼파장 IR은 반사 표면으로부터의 고 에너지 폭발로 인한 잠재적인 오 경보에 높은 면역력을 제공한다.  

또한, 안전 관련 엔지니어는 검출기 선택 시 화염의 원인에 대해서도 반드시 고려해야 한다. 예를 들어 연료가 수소 기반의 가능성을 지닌다면, 특별하게 조절된 검출기가 요구된다. 메탄과 가솔린과 같은 연료에 의한 탄화수소 기반의 화염에는 멀티 스펙트럼 IR 검출기가 일반적으로 가장 적합하다.

 

오 경보의 극복
화염 검출기 선택에 있어 가장 크게 고려해야 할 점은 바로 오 경보의 가능성이다. 오 경보는 일반적으로 기기와 관련된 문제의 결과가 아닌, 시야 내에 포함되는 비 화염 방사선원에 대한 반응이다. 여기에는 자연적인 것과 인공적인 것, 두 가지 유형이 있다. 자연적인 원인에는 비, 번개, 태양광선이 포함되며, 인공적인 원인에는 인공적인 광원, 용접, 히터로부터의 방사선, 플레어 스택(flare stacks), 그리고 기기가 포함된다.

이러한 두 가지 주요 원인에는 네 가지 유형이 있다. 솔라-블라인드 UV(solar-blind UV), 창(window)의 오염, 조절되지 않은 IR 및 조절된 IR의 광원이다.

조절되지 않은 방사선 광원에 의해 에너지는 장시간 동안 변함이 없거나, 굉장히 느린 비율로 변한다. 히터, 램프, 그리고 태양의 열에서 방출되는 IR 에너지를 그 예로 들 수 있다. 또한 검출기의 가시 영역 내에 존재하는 모든 사물은 끊임없이 소량의 IR 방사선을 방출한다. 이를 극복하기 위하여 시장에 존재하는 대다수의 화염 검출기는 화염의 핵심적인 특징인 조절된 IR 방사선원만을 검출하도록 설계된다. 조절된 원인은 다양하며 산발적인 에너지, 또는 조절되지 않은 원인과의 조합으로서 특징지어지는데, 이것을 이용하여 화염을 확인하는 것은 매우 어렵다. 이러한 오류의 원인으로 고온의 방출, 움직이는 빛, 신호 또는 원인과 센서 사이에서 앞뒤로 움직이는 물체(자동차, 사람 또는 팬 날개 등)에 의해 변형된 조절되지 않는 원인의 조합을 예로 들 수 있다. 이는 화염과 다른 방사선원 간의 IR 스펙트럼을 구분할 수 있는 멀티 밴드(multi-bands)를 사용함으로써 극복할 수 있다.

UV 검출기가 태양광선 하에서는 잘 작동하는 반면, 외부에서의 적용에는 다른 요소가 UV 검출기에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. UV 센서는 상부 대기에서 오존층에 의해 차단되는 UV 에너지대인 솔라-블라인드 UV에 따라 설계된다. 이러한 에너지 파장의 강력한 기원은 일반적으로 할로겐 램프, 아크 용접(arc welding) 및 번개에 의한 산업적인 설정에 의해 일반적으로 생산된다. 추가 에너지대 역시 이용될 수 있으며, 또는 통합 UV/IR 검출기는 개입하는 이러한 거의 모든 원인을 극복할 것이다.

마지막으로 창(window)의 오염은 검출기의 성능에 부정적인 영향을 미치며, 기기에 오작동을 일으킬 수 있다. 약화된 에너지원은 검출기의 창에 이르거나 창에 존재할 수 있으며, 자동화된 시각적 통합 테스트에 사용되는 외부 반사기에 축적될 수 있다. 물방울, 눈과 얼음은 예측할 수 없는 범위와 강도로 IR 에너지를 흡수하는 강력한 흡수원이며, 직사광선과 같은 조절된 에너지원과 결합된 경우 오 경보나 오류를 일으키는 잘 알려진 원인이다. UV 방사선 역시 기름이나 연기, 탄소 및 특정 가스에 의해 쉽게 흡수된다. 엔지니어는 화염 검출기 선택 시 황화수소, 벤젠, 암모니아, 에탄올, 아세톤 등과 같은 증기가 존재하는 지에 대해 인식하고 있어야 한다.

 

현장에서의 유연성
모든 적용 조건에서 완벽한 화염 감지 시스템은 존재하지 않는다. 그러나 감지할 화염의 유형과 설치 지점 주위의 환경적 조건, 그리고 요구되는 성능에 대해 이해하고 있으면 화염 감지 기술 선택 시 보다 나은 결정을 내릴 수 있다.

현장의 감수성과 시간 지연을 허용하는 감지 솔루션은 사용자가 최적의 성능을 위해 현장의 기기를 미세하게 조절할 수 있게 함으로써 보다 까다로운 오 경보의 원인을 완화시키는데 도움이 될 것이다.