초음파 vs 레이더 레벨 센서 완벽 비교 — 증기 환경 배선 선택 가이드

📡 계측·센서 회로 | 글 #87

초음파 센서와 레이더 레벨 센서 차이 및 배선 가이드 완벽 정리

🔴 중급 👤 현장 전기기술자 / 설비 관리자 📐 SVG 도면 4종 포함 📋 4,200자 이상

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↑ 온도 센서(PT100, 열전대) 배선법 → 압력 트랜스미터 배선 · 4-20mA 측정 → NPN·PNP·릴레이 출력과 PLC 인터페이스 ↓ 센서 오작동 원인 분석 가이드

01 / 문제 제기

레벨 센서, 어느 것을 선택해야 할까요?

탱크 내부의 액면(레벨)을 비접촉으로 측정하는 방식은 크게 두 가지로 나뉩니다. 바로 초음파 레벨 센서(Ultrasonic Level Sensor)와 레이더 레벨 센서(Radar Level Sensor)입니다. 현장에서는 "초음파가 싸니까 무조건 초음파"라는 판단이 자주 실수로 이어집니다. 특히 증기(Steam), 거품(Foam), 분진이 많은 환경에서 초음파 센서를 사용하면 오차가 ±100mm를 초과하는 경우도 빈번히 발생합니다.

이 글에서는 두 센서의 측정 원리 차이부터 실전 배선 방법, 4-20mA PLC 연결, 선택 기준까지 현장에서 바로 적용할 수 있도록 체계적으로 정리합니다. 또한 KEC 및 전기설비기술기준 관련 배선 규정도 함께 다룹니다. 이 한 편의 글로 레벨 센서 선택과 설치 배선의 모든 의문을 해소할 수 있도록 구성했습니다.

📌 이런 분께 추천합니다: 증기·거품 환경의 탱크에서 레벨 측정 오차가 크다 / 초음파와 레이더 중 어떤 것을 선택해야 할지 모른다 / 4-20mA 신호를 PLC에 연결하는 방법이 헷갈린다

02 / 블록 다이어그램

측정 원리 비교 — 블록 다이어그램

두 센서 모두 TOF(Time of Flight) 방식, 즉 '신호를 쏘고 반사파가 돌아오는 시간'으로 거리를 계산합니다. 그러나 사용하는 파(Wave)의 종류가 전혀 다릅니다. 초음파 센서는 음파(40kHz 이하)를 발사하여 액면에서 반사된 신호를 수신합니다. 반면 레이더 센서는 전자기파(마이크로파, 24GHz 또는 80GHz)를 발사하므로 기체 성분(증기, 먼지)의 영향을 거의 받지 않습니다. 이 차이가 환경 적합성의 핵심입니다.

[ 블록 다이어그램 ] 초음파 vs 레이더 레벨 센서 측정 원리

03 / 비교 분석

초음파 vs 레이더 — 항목별 상세 비교

두 센서의 차이를 현장에서 가장 실질적인 항목을 기준으로 비교합니다. 단순한 가격 비교를 넘어 측정 정확도, 환경 적합성, 설치 조건, 유지보수 난이도까지 모두 포함합니다. 이 표 하나로 어떤 현장에 어떤 센서가 적합한지 판단할 수 있습니다.

비교 항목	초음파 레벨 센서	레이더 레벨 센서 (FMCW)	비고
측정 원리	음파(초음파) TOF	마이크로파(전자기파) TOF / FMCW	FMCW: 주파수 변조 연속파
주파수	20~200 kHz	24 GHz / 80 GHz	80 GHz = 고정밀형
측정 정확도	±2~5 mm (이상적 환경)	±1~2 mm (80 GHz 기준)	레이더가 약 2~5배 정밀
증기 환경	취약 — 오차 100mm↑	강함 — 전자기파 통과	스팀·열탕 탱크 = 레이더
거품(Foam)	취약 — 반사 불안정	강함 — 거품 투과	세정제·발효 탱크 주의
분진 환경	취약 — 음파 흡수	강함 — 분진 통과	시멘트·곡물 사일로
측정 범위	0.3~8 m (일반형)	0.1~30 m (80 GHz)	대형 탱크 = 레이더
출력 신호	4~20 mA / 릴레이	4~20 mA / HART / Modbus	HART: 디지털 통신 병용
전원 공급	DC 24V (2선식)	DC 24V (2선식 또는 4선식)	2선식: 전원+신호 공용
가격 (상대)	저가 — 10~50만 원대	고가 — 100~500만 원대	80 GHz는 더 고가
유지보수	표면 오염 주의	상대적으로 낮음	레이더: 비접촉 + 내구성↑
적합 용도	오폐수·상수도·일반 저장조	화학·식품·고온 고압 탱크	산업 레벨에 따라 선택

04 / 선택 기준

어떤 환경에 어떤 센서를 선택해야 하는가

레벨 센서 선택의 가장 중요한 첫 번째 기준은 탱크 내부 분위기(Atmosphere) 조건입니다. 증기, 거품, 분진, 고온, 고압 여부를 먼저 확인한 뒤 센서를 결정해야 합니다. 두 번째 기준은 요구 정확도입니다. ±5 mm 이상의 오차가 허용된다면 초음파로도 충분하지만, 화학 공정에서 ±2 mm 이하가 요구되면 80 GHz 레이더를 선택해야 합니다. 세 번째 기준은 예산이며, 가이드라인에 따라 가장 경제적인 선택을 합니다.

🔵 초음파 센서 추천 환경

• 오폐수 처리장 집수정
• 상수도 저류조 · 배수지
• 농업용 저수조 · 양어장
• 증기 없는 냉각수 탱크
• 거품 없는 일반 액체 저장조
• 예산 제한이 있는 소규모 설비

🟢 레이더 센서 추천 환경

• 스팀 / 열수 · 증기 탱크
• 거품 발생 탱크 (발효, 세정제)
• 화학약품 보관 탱크
• 시멘트·곡물 사일로(분체 레벨)
• 고온(100°C↑) · 고압 탱크
• 식품·제약 위생 기준 설비

⚠ 주의: 초음파 센서를 증기 환경에서 사용할 경우, 음파가 증기 분자에 흡수·산란되어 실제 레벨과 최대 ±200mm 이상의 오차가 발생할 수 있습니다. 이는 오버플로우 또는 공정 이상으로 이어질 수 있으므로 반드시 레이더 센서로 교체하여야 합니다.

05 / 배선도

4-20mA 출력 배선 실전 가이드

4-20mA 전류 루프 방식은 산업용 계측 기기의 표준 출력 방식입니다. 전압 신호(0-10V)와 달리 전류 신호는 배선 저항의 영향을 받지 않아 수백 미터 이상의 장거리 배선에서도 신호 손실이 없습니다. 레벨 센서의 4mA는 측정 범위의 0%(탱크 바닥), 20mA는 100%(탱크 만수위)를 나타냅니다. PLC 아날로그 입력 모듈은 이 전류값을 수신하여 엔지니어링 단위(mm, %, m³)로 스케일링합니다.

[ 배선도 ] 레벨 센서 4-20mA → PLC 아날로그 입력 연결

2선식(2-Wire) vs 4선식(4-Wire) 배선 차이

레벨 센서의 배선 방식에는 2선식(Loop-Powered)과 4선식(Separately-Powered) 두 가지가 있습니다. 2선식은 전원선과 신호선이 동일한 2가닥 선으로 구성되어 배선이 간편하고 경제적입니다. 전원 24V DC가 PLC나 컨트롤러에서 공급되며, 센서는 이 루프 전류를 4~20mA로 조절합니다. 4선식은 전원 2가닥과 신호 2가닥이 분리되어 총 4가닥 배선이 필요하며, 별도 전원을 가진 레이더 센서나 HART 통신 기기에 주로 사용됩니다.

✅ 2선식 배선 원리: 24V 공급 → (+)선을 통해 센서 진입 → 센서 내부에서 4~20mA 전류 조절 → (-)선을 통해 PLC AI- 단자 귀환 → 루프 완성. PLC는 이 전류를 수신하여 레벨값으로 환산합니다.

06 / 회로도

레벨 센서 설치 단면 회로도 — 탱크 설치 예시

레벨 센서의 물리적 설치와 전기적 신호 흐름을 동시에 표현한 단면 회로도입니다. 초음파 센서는 탱크 상단 플랜지에, 레이더 센서는 노즐(Nozzle)을 통해 탱크 상부에 설치됩니다. 두 센서 모두 탱크 내부에 전혀 접촉하지 않으며(비접촉 방식), 케이블 배선은 케이블트레이(Cable Tray) 또는 금속 전선관(Conduit)을 통해 제어반까지 연결됩니다. KEC 규정에 따라 신호 케이블과 동력 케이블은 분리 포설하여야 합니다.

[ 회로도 ] 레벨 센서 탱크 설치 단면 및 신호 흐름도

07 / 계통도

레벨 측정 시스템 전체 계통도 (SLD)

레벨 측정 시스템의 전체 전력 공급 및 신호 계통을 단선 결선도(SLD)로 표현합니다. 분전반에서 24V DC 전원이 공급되고, 레벨 센서의 4-20mA 신호는 PLC를 거쳐 HMI(인간-기계 인터페이스) 화면에 현재 레벨값으로 표시됩니다. 레벨이 설정값 이상이 되면 PLC가 펌프 제어 또는 경보를 출력합니다. 이 계통은 자동화 설비의 기본적인 레벨 자동 제어 루프를 구성합니다.

[ 계통도 ] 레벨 측정·제어 시스템 단선 결선도

08 / 실전 가이드

현장 설치 단계별 실전 가이드

레벨 센서의 올바른 설치는 환경 조건 판단 → 센서 선택 → 기계적 설치 → 전기 배선 → 스케일링 → 시운전의 6단계로 진행됩니다. 각 단계에서 발생할 수 있는 오류를 사전에 예방하는 것이 현장 전기기술자의 핵심 역할입니다. 특히 PLC 스케일링 설정은 제조사 매뉴얼에 따라 정확히 수행해야 레벨값이 올바르게 표시됩니다.

1

탱크 환경 조건 파악

탱크 내부에 증기·거품·분진·고온·고압 조건이 있는지 확인합니다. 증기 또는 거품이 있다면 레이더 센서 선택이 필수입니다. 일반 상온 액체 저장탱크라면 초음파 센서를 선택해 비용을 절감할 수 있습니다. P&ID(배관 계장도) 또는 공정 데이터 시트를 참조하여 조건을 확인합니다.

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센서 기계적 설치 (노즐 마운팅)

초음파 센서는 탱크 상단 플랜지 또는 나사 배관 연결구(NPT)에 수직으로 설치합니다. 레이더 센서는 노즐(Nozzle)과 가이드 관(Stilling Well)을 통해 설치하며, 반드시 액면에 수직으로 정렬되어야 합니다. 탱크 벽면에서 최소 이격 거리(Blind Zone) 이상을 확보해야 오측정을 방지할 수 있습니다.

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전기 배선 연결

2선식 배선의 경우 (+)선을 SMPS 24V DC 양극에, (-)선을 PLC AI- 단자에 연결합니다. 신호 케이블은 반드시 동력 케이블과 분리하여 포설하며, 실드(Shield) 케이블을 사용하여 노이즈를 차폐합니다. 실드선은 제어반 측 1점에서만 접지하여 접지 루프(Ground Loop)를 방지합니다.

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PLC 스케일링 설정

PLC 아날로그 입력 모듈에서 4mA를 0%(탱크 최저 레벨), 20mA를 100%(탱크 최고 레벨)로 설정합니다. 센서 제조사 설정 도구(PC 소프트웨어 또는 버튼)로 Empty 거리(센서~탱크 바닥)와 Full 거리(센서~만수위)를 입력하면 센서가 자동으로 4-20mA 범위를 매핑합니다. 설정 후 PLC 화면에서 mA값과 환산 레벨값을 동시에 확인합니다.

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시운전 및 정확도 검증

실제 물을 채우거나 빼면서 측정값과 실제 레벨(줄자 측정)을 비교합니다. 초음파 센서의 경우 Blind Zone(최소 측정 거리, 보통 0.2~0.5m) 이내에서는 측정 불가 영역이 발생하므로, 탱크 최고 레벨이 이 범위 안에 오지 않도록 설치 위치를 조정합니다. 시운전 보고서에 측정 포인트별 오차값을 기록하여 유지 관리 자료로 보존합니다.

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알람 및 자동 제어 설정

PLC 프로그램에서 레벨 High(상한) 및 Low(하한) 알람 포인트를 설정합니다. High-High(위험 상한) / High(경보 상한) / Low(경보 하한) / Low-Low(위험 하한)의 4단계 알람 구조를 구성하는 것이 표준입니다. High-High 조건 시 자동으로 인입 펌프를 정지하고, Low-Low 조건 시 배출 펌프를 정지하는 인터록 로직을 구성하여 설비 보호를 완성합니다.

09 / KEC 법규 기준

관련 KEC·전기설비기술기준 규정

레벨 센서 배선은 한국전기설비규정(KEC) 및 전기설비기술기준에 따라 설치되어야 합니다. 특히 신호 케이블의 전자기 간섭(EMI) 방지, 전선관 또는 케이블 트레이 포설 기준, 접지 방법이 규정의 주요 내용입니다. 위험 장소(가연성 가스, 분진 등)에 설치되는 레벨 센서는 방폭 등급 인증을 받은 제품을 사용하여야 하며, KEC 230.232 방폭 규정을 준수해야 합니다.

KEC 212.3

저압 전로 배선 기준

계측 신호 배선은 저압 배선 기준에 따라 절연 전선 또는 케이블로 전선관·케이블 트레이에 수납하여 포설

KEC 140

접지 시스템 기준

센서 실드 케이블 접지는 1점 접지 원칙 준수. 제어반 측 접지점에서만 실드를 접지하여 접지 루프 방지

KEC 230.232

위험 장소 방폭 배선

가연성 가스·분진 위험 장소 레벨 센서는 Ex ia, Ex d 등 방폭 등급 인증 제품 사용 의무화

전기설비기술기준 제21조

계측·제어 회로 기준

비접촉 레벨 센서 배선 시 동력선과 신호선을 분리 포설하며, 최소 이격 거리 300mm 이상 유지 권고

IEC 61511

기능안전 SIL 기준

화학 공정 레벨 측정 시스템은 IEC 61511 기능 안전(Functional Safety) 기준에 따라 SIL 등급 요구사항 충족 필요

⚡ 전기기술사 시험 연관 포인트: 전기기술사 실기 시험에서 센서 출력 신호 종류(4-20mA, HART, Modbus), 2선식·4선식 배선 방식, PLC 아날로그 입력 스케일링, 방폭 지역 센서 선정 기준 등이 출제됩니다. 레이더 레벨 센서의 주파수(24GHz, 80GHz)와 FMCW 측정 원리도 알아두면 좋습니다.

10 / 주의사항

현장에서 자주 발생하는 실수와 해결 방법

레벨 센서 설치 및 배선에서 반복적으로 나타나는 실수들은 대부분 환경 조건 미확인, 배선 극성 오류, 스케일링 설정 오류로 집약됩니다. 이 오류들은 공정 이상, 과충전, 오배관 등 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 아래 카드에서 주요 실수 유형과 정확한 해결 방법을 확인하십시오.

🌫️

실수 1: 증기 환경에 초음파 사용

증기·거품이 있는 탱크에 초음파 센서를 설치하면 음파가 흡수·산란되어 오차가 100mm↑ 발생합니다. → 레이더 센서로 교체하거나 탱크에 Stilling Well을 설치합니다.

🔌

실수 2: 배선 극성 반전

2선식 배선에서 +/-를 반전하면 센서에 전원이 인가되지 않거나 PLC 입력 카드가 손상될 수 있습니다. → 배선 전 반드시 테스터로 극성 확인 후 연결합니다.

📏

실수 3: 스케일링 역전

PLC에서 4mA를 100%, 20mA를 0%로 거꾸로 설정하면 탱크가 찰수록 표시값이 줄어듭니다. → 제조사 매뉴얼에 따라 Empty/Full 거리를 올바르게 입력합니다.

⚡

실수 4: 신호선 노이즈 유입

동력 케이블과 신호 케이블을 같은 트레이에 나란히 포설하면 전자기 유도로 신호값이 요동칩니다. → 신호 케이블 분리 포설(300mm 이상 이격) 및 실드 케이블 사용합니다.

📐

실수 5: Blind Zone 미고려

초음파 센서는 설치면으로부터 0.2~0.5m 이내를 측정할 수 없습니다. 이 범위가 만수위와 겹치면 오버플로우 감지 불가 상태가 됩니다. → 센서 설치 위치를 Blind Zone만큼 상향 조정합니다.

🌡️

실수 6: 고온 환경에서 초음파 오사용

초음파 센서는 음속이 온도에 의존(0°C: 331m/s, 50°C: 360m/s)하므로 온도 보정 없이 고온 환경에서 사용 시 오차가 발생합니다. → 온도 보상 기능이 있는 모델 또는 레이더 센서로 대체합니다.

11 / 안전 수칙

레벨 센서 배선 작업 안전 수칙

레벨 센서 배선 작업은 반드시 정전 상태(LOTO: Lock Out Tag Out) 확인 후 진행해야 합니다. 탱크 내부에 화학물질, 고온 액체, 가연성 가스가 있는 경우 방폭 공구를 사용하고 안전모, 보호 장갑, 안전화를 착용합니다. 고소 작업이 필요한 대형 탱크의 경우 안전 벨트를 착용하고 2인 1조로 작업합니다.

🔒

LOTO 잠금 절차 준수

작업 전 분전반 MCCB를 OFF 하고 잠금 장치(Lock)와 경고 태그(Tag)를 반드시 부착합니다.

⚡

검전기 활용 확인

정전 처리 후에도 반드시 검전기로 무전압 상태를 확인한 뒤 작업을 시작합니다.

💨

밀폐 공간 가스 검지

탱크 근처 작업 시 가스 검지기로 가연성·독성 가스 여부를 확인한 후 진입합니다.

🧤

보호 장구 착용

절연 장갑, 안전화, 안전모를 착용하고 화학물질 취급 탱크 근처에서는 화학 보호복을 착용합니다.

🚨 경고: 화학약품 탱크 또는 가연성 액체(오일, 유기용제 등) 탱크의 레벨 센서 교체 작업은 반드시 탱크 비운 후 가스 퍼지(Gas Purge) 작업을 완료하고 진행합니다. 방폭 인증(Ex ia 또는 Ex d) 없는 센서 및 공구 사용 엄금합니다.

12 / 실전 팁

현장 전기기술자 실전 팁 모음

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HART 통신 활용

레이더 센서의 HART 통신 기능을 활용하면 4-20mA 루프에서 디지털 데이터(온도, 진단 정보)를 동시에 읽어올 수 있습니다. HART Communicator로 현장에서 바로 파라미터 확인 및 변경이 가능합니다.

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80GHz 레이더 선택 시점

24GHz 레이더가 일반 산업용으로 충분하지만, 노즐 내경이 작거나(50mm 이하) 거품이 매우 두꺼운 환경에서는 빔 각도가 좁은 80GHz 레이더를 선택해야 정밀도를 확보할 수 있습니다.

🔧

False Echo 억제 기능

탱크 내부에 교반기, 배관, 플로팅 볼 등 장애물이 있으면 False Echo(허위 반사)가 발생합니다. 레이더 센서의 False Echo 맵핑(Mapping) 기능을 실행하여 장애물 반사를 학습·무시하도록 설정합니다.

📊

측정 오차 일지 기록

3개월마다 센서 측정값과 탱크 실측값(유리관 게이지)을 비교하여 오차를 기록합니다. 오차가 점차 커지는 추세라면 센서 오염 또는 노후화 신호이므로 교체를 계획합니다.

FAQ

자주 묻는 질문

증기가 발생하는 탱크에는 어떤 레벨 센서를 사용해야 하나요?

레이더 레벨 센서를 반드시 사용해야 합니다. 초음파 센서는 음파가 증기 분자에 흡수·산란되어 실측값과 최대 200mm 이상의 오차가 발생합니다. 레이더 센서의 마이크로파(24GHz, 80GHz)는 증기를 통과하여 정확한 액면을 측정할 수 있으므로 스팀 발생 탱크, 고온 탱크, 화학 반응조에는 반드시 레이더 방식을 선택해야 합니다.

레벨 센서 배선이 4-20mA 전류 방식인 이유는 무엇인가요?

4-20mA 전류 루프 방식은 수백 미터 이상의 장거리 배선에서도 배선 저항의 영향을 받지 않는 장점이 있습니다. 전압 신호(0-10V)는 배선 저항에 의해 신호 감쇠가 발생하지만 전류 신호는 일정하게 유지됩니다. 또한 4mA 이하(예: 0~3.5mA)는 단선 오류를 나타내는 고장 감지(NAMUR) 신호로 활용할 수 있어 신뢰성이 높습니다.

KEC에서 레벨 센서 배선에 관한 구체적인 규정은 무엇인가요?

전기설비기술기준 제21조에서는 계측·제어 신호 배선을 동력선과 분리 포설하도록 규정하며, 최소 300mm 이상의 이격을 권고합니다. KEC 140 접지 조항에서는 실드 케이블의 1점 접지 원칙을 명시합니다. 위험 장소(방폭 지역)에 설치되는 센서는 KEC 230.232에 따라 Ex ia 또는 Ex d 등급 이상의 방폭 인증 제품을 사용해야 합니다.

초음파 레벨 센서의 주요 단점과 한계는 무엇인가요?

가장 큰 단점은 증기, 거품, 분진이 있는 환경에서 측정 오차가 크게 증가한다는 점입니다. 또한 Blind Zone(최소 측정 거리, 보통 0.2~0.5m) 이내 레벨을 측정할 수 없으며, 음속이 온도에 의존하므로 온도 변화가 큰 환경에서는 온도 보상 기능이 없으면 오차가 발생합니다. 측정 범위도 일반형 기준 8m 이내로 대형 탱크에서는 레이더가 더 적합합니다.

전기기술사 시험에서 레벨 센서 관련 문제가 출제되나요?

네, 전기기술사 실기 시험에서 센서 출력 신호 방식(4-20mA, 2선식·4선식), 아날로그 신호 스케일링, 방폭 지역 계측 기기 선정 기준이 출제됩니다. 특히 4-20mA 루프 전류의 의미, 단선 시 신호 처리(NAMUR 기준), HART 통신 프로토콜의 특성을 이해하고 있으면 계측·제어 관련 문제에 종합적으로 대응할 수 있습니다.

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