열화상 카메라를 사용한 온도 모니터링 및 제어

생산 및 공정 엔지니어들은 생산 시스템과 공정의 효율을 향상시키고 제조원가를 낮추어야 하는 임무를 가지고 있다. 이 목적을 달성하기 위해서는 공정자동화를 통하여 생산량을 높이고 제품의 품질을 향상시키는 것이 가장 좋은 방법이라 할 수 있다. 자동화된 IR(적외선) 방사 이미지는 프로세스 모니터링 및 제어, 품질 보증, 자산관리, 기계 상태 모니터링 등을 포함하여 제품 생산에 다양한 기능과 가능성을 제공한다.


이번 호에서는 플리어시스템코리아가 제공하는 <적외선(IR) 자동화 안내서>를 2회에 걸쳐 연재한다. 이 안내서 가운데 1회는 대표적인 모니터링 및 제어 적용 사례와 원격 IR 모니터링을 발췌해서 게재한다.
이 글에서는 열화상 카메라를 사용하는 생산 자동화 또는 모니터링 시스템을 신설하거나 기존 설비를 개선하는데 도움을 주기 위하여 작성된 것으로 적외선 비전 시스템을 구현하기 위한 다양한 적용 사례를 소개한다.


대표적인 모니터링 및 제어 적용 사례

열화상 카메라를 사용한 온도 측정
적외선(IR)은 사람의 육안으로는 보이지 않는다. 그러나 열화상 카메라는 적외선을 실화상으로 변환하여 대상 물체나 장면 전체의 온도 변화와 차이를 눈으로 볼 수 있게 해준다. 적외선은 전자기파 스펙트럼에서 약 900~14,000나노미터(0.9~14㎛) 범위에 해당한다. 절대온도 이상의 모든 물체는 적외선을 복사하며 그 복사량은 온도의 상승과 함께 증가한다. 적절하게 교정된 적외선 열화상카메라는 대상 물체의 열화상 이미지를 측정할 수 있으며 물체와 접촉하지 않고서 정확하게 온도를 측정할 수 있다. 이처럼 계량식 측정 수단을 제공하므로 매우 다양한 모니터링 및 제어 용도에 널리 사용할 수 있는 것이다. 이와 달리, 다른 적외선 이미지 캡처 장치는 대상 물체 또는 장면 전체에 걸쳐서 상대적인 온도 차이만 검출할 수 있다. 그러므로 그러한 장치들은 대상물체 표면의 정성적인 평가에만 사용할 수 있으며, 기본적으로 열화상을 전적으로 온도 콘트라스트에 의존하여 해석하는 모니터링용으로 사용되는 것이다.
예를 들어 건축물이나 물체 내부의 온도 차이, 액면 차이 등 물리적인 불규칙한 부분과 관련되는 이미지를 식별하는 것이다. 그 사용 용도에 따라서 열화상 카메라는 스마트 센서라 할 수 있다. 이런 용도에 사용되는 열화상 카메라는 논리회로와 분석 장치를 내장하여 측정된 온도를 사용자가 제공하는 온도 데이터와 비교할 수 있는 것이다. 또한 디지털 입출력 인터페이스를 갖추어 측정된 온도 차이로 알람이나 제어 기능을 동작시킬 수도 있다. 또한 스마트 열화상 카메라는 비접촉 방식으로 온도를 정확하게 측정할 수 있는 잘 교정된 열화상 계측기의 기능도 제공한다.
이러한 기능을 가진 열화상 카메라는 다른 종류의 스마트 온도 센서와 거의 비슷하게 사용할 수 있다. 고속, 고분해능 A/D(아날로그 - 디지털) 컨버터를 갖추어 입력 데이터를 샘플링하고 교정한 후 온도를 측정하여 전송한다. 뿐만 아니라 아날로그 또는 디지털 데이터 스트림을 출력하는 다른 통신 인터페이스도 제공할 수 있다. 이런 인터페이스를 통하여 열화상 이미지와 온도 데이터를 원격 전송하여 프로세스 모니터링 및 제어에 사용할 수 있다. 열화상 카메라는 주로 대상물체와 그 주위 배경 사이의 온도 차이를 정확하게 측정하는 정량적인 용도에 사용되고 있다. 대부분의 공정에서 온도는 비교적 서서히 변화하므로 스마트 열화상 카메라의 실시간에 가까운 데이터 통신은 대부분의 프로세스 제어 루프 및 머신 비전 시스템에 매우 적합하다.


자동화 적용 사례
열화상 카메라의 대표적인 프로세스 온도 모니터링 및 제어 적용 사례에는 다음과 같은 것이 있다.
•연속 주조, 압출, 롤 성형
•이산(discrete) 부품 생산
•접촉식 온도 측정이 불가능하거나 곤란한 용도
•검사 및 품질 관리
•포장 제품 및 작업
•환경, 기계 및 안전 모니터링
•다른 변수를 대신하는 변수로서 온도 모니터링
다음 예는 열화상 카메라의 다양한 적용 가능성을 보여주는 것이다. 시스템 설계자의 상상력에 따라서 거의 무궁무진한 용도에 사용할 수 있다.

▲합판 원목 가공기계 모니터링


뜨거운 물이 담긴 통에서 나오는 수증기 때문에 기계 운전자가 통 속에 원목들이 제대로 정렬되는지 여부를 볼 수가 없다.


수증기를 투시할 수 있는 열화상 카메라를 사용하면 원목을 통 속에 바르게 정렬할 수 있다. 사진 1은 정상적인 적용 사례를 보여준다.

▲자동차 시트의 생산 시험


자동차의 옵션 장치인 시트 히터의 동작 시험을 위하여 접촉식 온도계를 사용하면 생산속도가 낮아질 뿐 아니라 온도 센서의 위치에 따라서 부정확한 측정이 될 수 있다.


열화상 카메라는 시트 내부에 설치되어 있는 히터가 방출하는 열복사선을 검출하여 비접촉 방식으로 정확하게 온도를 측정할 수 있다.

열화상 카메라를 영구적으로 설치하고 자동차가 조립라인의 정해진 위치에 도달하면 측정 위치로 회전하도록 하여 이와 같은 이 정량식 측정을 할 수 있다. 사진 2와 같이, 측정 위치 부근에 설치된 모니터로 자동차 시트 히터의 온도를 볼 수 있다.

▲포장 작업


고속 포장 라인에서 접착제를 사용하여 포장된 상자의 봉함 상태를 비접촉식으로 검사하는 것은 매우 어려운 일이다. 또한 접착제를 도포하는 방법도 상당한 폭으로 변화할 수 있으므로 이것을 모니터링하고 기록하여 통계적인 품질 관리가 가능하도록 하여야 한다.


접착제는 도포하기 전에 먼저 가열되므로 열화상 카메라를 사용하여 그 온도와 상자 뚜껑에 도포되는 위치를 모니터링 할 수 있다. 뿐만 아니라, 사진 3에서 보는 것과 같이 이 이미지를 디지털화 하여 그 정보를 통계적 품질관리용 데이터베이스에 저장하고 추세분석 및 설비의 모니터링에 활용할 수 있다.
이것은 온도 차이를 다른 변수의 대용으로 사용하는 사례이다. 이 경우에, 온도는 기계적인 검사나 시험 방법을 대신할 수 있는 것이다.

원격 적외선 모니터링

절대온도 이상의 모든 물체는 적외선을 복사하므로 적외선 카메라로 이를 검출할 수 있다. 이런 카메라들은 열화상과 온도 데이터를 다양한 방법으로 원격지와 통신할 수 있으므로 사람이 직접 운전하지 않는 화학반응 설비와 원격 모니터링에 이상적인 장치이다. 뿐만 아니라 논리회로, 분석기능, 데이터 통신 등의 기능을 갖추고 있는 스마트 열화상 카메라는 중요한 용기의 열화상에서 산출한 온도 데이터를 설정치와 비교 검토할 수 있다. 이런 기능을 통하여 디지털 경보 및 제어 신호를 출력할 수 있으며 실시간 열화상을 제공한다.

열화상 카메라의 동작
열화상 카메라의 내부 구성은 디지털 비디오 카메라와 비슷하다. 핵심적인 부분은 적외선이 디텍터 위에 초점을 맺도록 해주는 렌즈와 열화상 이미지와 온도를 처리하여 LCD 또는 CRT 모니터 위에 디스플레이 해주는 전자회로와 소프트웨어이다(그림 1). 일반 실화상 디지털 캠코더 및 카메라가 사용하는 CCD와 달리 열화상 카메라의 디텍터는 마이크로미터 크기의 픽셀로 이루어지는 초점면 배열(Focal plane array(FPA))이며, 이 픽셀은 적외선 파장에 민감한 다양한 물질로 제작된다. FPA의 분해능 범위는 약 80×80 픽셀부터 1024 ×1024 픽셀 사이다. 일부 열화상 카메라에는 동영상 처리 전자회로에 앞에서 설명한 논리 및 분석 기능이 내장되어 있다. 카메라의 펌웨어를 사용하여 FPA 위에 특정한 부분에 초점을 맞출 수 있으며, 전체 면적을 다 사용하여 최저, 최고, 평균 온도를 계산할 수도 있다. 온도측정 정확도는 보통 ±2℃ 이하다.
카메라 렌즈와 대상 물체 사이의 거리에 의하여 시야각(FOV)가 정해지며, 이 각도에 의하여 각 픽셀이 커버하는 단위 면적이 결정된다. 픽셀의 아날로그 출력은 그 픽셀에 해당하는 대상 물체의 단위 면적에서 방사되는 열에너지를 나타내는 것이다. 모니터 화면에 나타나는 열화상 이미지는 마이크로프로세서가 이 픽셀들의 출력 값을 상대온도를 나타내는 컬러 또는 그레이 스케일로 변환하여 이미지로 매핑한 것이다.

그리고 각 픽셀에 입사되는 열에너지에 부수된 라디오 메트릭 정보는 그 픽셀이 커버하는 단위 면적의 온도를 정확하게 산출할 수 있도록 저장 된다.
그러므로 이러한 기능을 가진 열화상 카메라는 다른 종류의 스마트 온도 센서와 거의 비슷하게 사용할 수 있는 것이다. 교정된 출력은 하나 또는 그 이상의 통신 인터페이스를 통하여 접근할 수 있으며 원격지에서 모니터로 볼 수도 있다. 카메라를 통하여 저장된 이미지는 완전한 라디오 메트릭 특성을 가지고 있으며 FLIR가 제공하는 것을 포함하여 다양한 표준 소프트웨어 패키지를 사용하여 오프라인으로 분석할 수 있다.

원격 모니터링 시스템의 중요 특성
열화상 카메라를 원격 모니터링 시스템에 사용하려면 아래와 같은 사항을 고려할 필요가 있다.
•스팟 사이즈 : 한 장면 내에서 측정 가능한 최소의 특징
•FOV(Field of View, 시야각) : 카메라로 볼 수 있는 면적 범위
•작업 거리 : 카메라 렌즈 전면에서 가장 가까운 대상 물체 사이의 거리
•실시간 제어와 모니터링 : 중요 포인트와 해결 방법
•피사계 심도(Depth of field) : 장면에서 초점 범위 내에 있는 최대의 심도
•분해능 : 픽셀의 숫자 및 센서의 활성 면적 사이즈
•NETD(Noise Equivalent Temperature Difference, 잡음등가 온도차) : 측정 가능한 최소의 열에너지 레벨
•분광감도(Spectral sensitivity) : 카메라가 감지할 수 있는 적외선 스펙트럼 범위
•온도 측정 범위, 정확도, 반복 재현성 : 카메라의 전반적인 설계에 따른 함수
 또 한 가지의 중요한 고려사항은 카메라 시야각 범위 내에서 어느 부분에 모니터링 목적에 필요한 주요 정보가 있는가 하는 것이다. 시야각 내에 있는 물체는 그 온도를 바탕으로 모니터링 되고 있는 상태를 정확하게 나타낼 수 있어야 한다. 상태에 따라서 대상 물체는 카메라 시야각 항상 같은 위치에 있지 않아도 된다. 모니터링 되는 장면과 관련된 다른 사용 사례에는 아래와 같은 것이 있다.
•대상 물체의 방사율(Emissivity)
•시야각 내의 반사 온도
•대기 온도 및 습도

원격 자산 모니터링
열화상 카메라의 중요한 용도 중 한 가지는 재산, 물품, 기타 각종 형태의 자산을 원격으로 감시하여 손실을 방지하고 안전하게 보호하는 것이다. 여기에는 보관 창고나 야적장 등 각종 저장 및 보관 시설이 포함되는 경우가 많다. 이런 용도로 열화상 카메라를 사용할 때 그 설치 및 사용 방법은 기본적으로 다음 사례와 같다.
 유해 폐기물 저장소 모니터링의 적용 사례에서는 화학 폐기물을 통에 담아서 지붕이 있는 공간에 보관하고 있으며, 이 공간은 습기의 침투를 완전하게 방지하지는 못한다. 그러므로 통에서 유해 화학물질이 누설되거나, 공기 또는 공기 중의 수분에 의하여 내용물이 오염되거나 또는 화학적 반응을 일으켜서 온도가 상승할 위험이 있다. 결과적으로 화재, 나아가서는 폭발의 위험이 있다.

 


 이런 용도에는 실화상 카메라를 사용할 수도 있지만, 저장 공간이 넓고 보관중인 통이 많으며 다단 적재되어 있는 경우에는 비디오카메라를 여러 대 설치하더라도 모든 통을 다 모니터링할 수 없는 경우가 많다. 뿐만 아니라 실화상 카메라로 문제를 발견하려면 연기나 화염이 발생한 이후라야 가능하다. 그러나 이때는 예방조치를 취하기에 이미 너무 늦은 상황이다. 이에 비하여 열화상 카메라는 한 대만 설치하더라도 시야각(FOV) 범위 내에서 화재가 발생하기 전에 온도가 높아지는 부분을 미리 발견할 수 있다(사진 4(a)(b)).
카메라 제작사에 따라서 몇 가지의 선택 대안이 있다. 예를 들어, FLIR A320카메라는 자체에 한계온도를 설정하고 그 온도를 초과하면 경보를 발신하도록 할 수 있다. 또한 카메라의 논리 및 클록 기능으로 온도가 상승하더라도 그 온도가 일정 시간 이상 지속될 때에만 경보를 발신하도록 설정할 수도 있다. 이렇게 시스템을 설정하면 카메라의 시야각 범위 내에 폐기물 운반용 지게차가 들어오더라도 지게차 엔진과 배기가스에 의한 일시적인 온도 상승은 무시된다. 뿐만 아니라 히스테리시스 기능을 사용하여 감지된 온도가 미리 설정된 온도 이하로 낮아질 때까지 경보가 계속 발신되도록 유지할 수도 있다(그림 2).


디지털 인터페이스를 가지고 있는 카메라는 대부분 경보 발신에 사용할 수 있도록 OFF/ON 방식의 출력을 제공하고 있다. 이 디지털 출력은 OFF 또는 ON으로써, 보통 DC 전압 또는 전류 출력이다. 예를 들어 FLIR A320 카메라의 디지털 출력은 100mA 이하의 부하에 대하여 10-30VDC 전압 출력을 제공한다. 디지털 출력은 보통 모니터링 되는 구역의 경보 시스템의 일부분인 PLC(Programble Logic Controller)로 전송된다.

 


경보 시스템의 바람직한 설정 방법은 감시 대상 구역 내의 온도가 경보 발신 조건 이하일 때에는 모든 카메라가 하이(high) 수준의 디지털 출력을 발신하고 이 신호를 받는 PLC는 경보를 울리지 않는 상태에 있도록 하는 것이다. 이 상태에서, 경보 발신 조건 이상의 온도가 일정 시간 이상 지속적으로 감지되면 카메라의 디지털 출력이 로(Low) 수준으로 낮아져서(보통 제로 볼트로) PLC가 경보발령 상태로 전환된다. 이렇게 하면 시스템의 일부에 장애가 발생하더라도 온도 상승 모니터링 기능을 유지할 수 있게 되는 것이다. 만일 카메라의 전원이 두절되면 카메라에서 PLC로 하이 레벨의 출력이 전송되지 못하므로 PLC는 온도가 상승한 것으로 판단하여 경보를 발령한다. 따라서 관리자는 감시 기능에 문제가 생겼거나 실제로 온도가 상승했다는 것을 즉시 알 수 있게 된다.
이미지 모니터링. 온도 변화를 측정하여 그것을 기준으로 경보를 발신하는 것도 좋은 방법이지만 적외선 열화상을 이용하는 자산 모니터링은 열화상 카메라의 이미지 처리 능력을 이용할 때 그 진가를 발휘할 수 있다. 적외선을 사용하는 열화상 카메라는 가시광선을 사용하는 실화상 카메라나 다른 온도 측정 장치로는 불가능한 생생한 이미지를 제공할 수 있다. 카메라는 제작사에 따라서 다르지만 다양한 데이터 통신 포맷을 제공하여 열화상 이미지를 원격지로 전송할 수 있도록 해준다. 최근에는 인터넷 기반의 카메라를 사용하여 PC가 있는 곳이면 어디에서나 모니터링할 수 있다.

사진 5는 FLIR A20의 이더넷과 TCP/IP 통신 프로토콜을 알람 설정 포인트 기능과 연계하여 활용하고 있는 시스템을 보여준다. 이 시스템에서 이더넷 연결은 케이블 길이가 최장 100m이다. 이 시스템은 디지털 경보를 PLC에 직접 전송하여 시각적 또는 청각적 경보를 발신할 수 있다. 시각적 경보는 경보 패널에 표시되어 운전자에게 경보가 발신된 부분을 알려주며, 운전자는 PC를 통하여 해당 지점의 상황을 실시간 이미지로 볼 수 있다. 이미지와 온도 데이터는 저장하여 이후에 참고 및 분석에 이용할 수 있다.
또한 A320 카메라는 측정치가 미리 설정된 값에 도달할 경우 이더넷을 통하거나 이메일(SMTP) 또는 FTP 프로토콜을 통하여 PC로 온도 데이터 및 열화상을 전송하여 사후에 검토할 수 있도록 구성해줄 수도 있다.
FLIR의 IR Monitor(또는 다른 적합한 소프트웨어)가 설치되어 있는 호스트 컴퓨터와 연결하여 온도 데이터를 수집하고 추세 분석을 할 수 있다. A320 열화상 카메라는 아날로그 비디오 신호를 디지털 신호로 압축하여 MPEG-4 스트리밍 디지털 비디오 신호로 이더넷 링크를 통하여 PC로 전송할 수도 있다. IR Monitor 프로그램은 온도 측정, 이미지 캡처, 카메라 디스플레이 등의 기능을 설정할 수 있다. 이 애플리케이션 소프트웨어는 사용하면 열화상 카메라에 연결된 PC에 동시에 9대까지의 카메라 열화상을 디스플레이 할 수 있으며 더 많은 숫자의 카메라가 있을 경우 그룹 별로 화면을 전환할 수도 있다. FLIR IP CONFIG 소프트웨어 프로그램은 각 카메라의 IP주소를 설정해줄 수 있다.
일단 카메라 설치 및 구성이 완료되면 모니터링에 사용되는 PC는 데트워크 상에 계속 남아 있지 않아도 된다. 카메라에 내장되어 있는 ftp 및 SMTP 프로토콜을 사용하여 경보가 발령되거나 또는 미리 설정된 시간표에 의하여 라디오메트릭 이미지를 수신할 수 있다. 또한 인터넷 웹 브라우저가 있는 PC를 사용하여 카메라 웹 서버에 접속하여 실시간 동영상을 볼 수 있으며 기본적인 제어 기능을 실행할 수도 있다. 이 인터넷 웹 인터페이스는 비밀번호로 보호된다.
대부분의 열화상 카메라는 PAL 또는 NTSC 포맷의 아날로그 비디오 출력을 제공한다. 그러므로 TV 모니터를 사용하여 열화상 동영상을 보면서 모니터링할 수도 있다. 제어실에서 한 대의 모니터로 여러 대의 카메라가 보내주는 화상을 순차적으로 볼 수도 있다. 카메라를 적절하게 구성해주면 제어실 근무자는 어떤 이미지 내에서 원하는 지점의 온도를(최저, 최고, 평균) 눈금으로 표시하여 볼 수도 있다. (사진 2 화면 캡처 이미지의 컬러 스케일 참조) 그러므로 사용자는 전체 설비에서 과열된 부분이 있다는 것은 물론, 그 정확한 위치까지 즉시 파악할 수 있는 것이다.
카메라 펌웨어 또는 외부 소프트웨어에서 또 다른 혁신적인 기능은 이미지 마스킹(image masking)이라는 첨단 기능이다. 이 기능은 중요하거나 필요한 부분을 미리 설정하여 온도 데이터를 분석할 수 있도록 해준다. 이 기능은 사진 6에서 보는 것과 같이 변압기에서 문제가 있는 부분을 나타내는 과열된 부분을 연속적으로 모니터링할 수 있다.
이와 비슷한 패턴인식 소프트웨어를 사용하여 금속 납땜, 용접 및 플라스틱 부품의 레이저 용접 등을 자동으로 검사할 수 있다. 열화상 카메라는 완제품에서 열이 전달되는 과정을 가시화하여 접합되는 부분의 온도를 사용자가 입력한 값과 비교 확인할 수 있다. 또한 이 소프트웨어는 용접 경로를 확인하여 그 정확 여부를 검사할 수 있으며, 이 기능은 열화상 내의 특정한 화소를 프로그래밍 하여 소프트웨어로 구현할 수 있다. 또 다른 방법으로서 프로그램 개발자는 ‘완벽한’ 부품의 이미지를 저장해 두고 소프트웨어를 사용하여 각 부품이 검사를 통과하는지 여부를 결정하는 최저, 최고 또는 차이 값을 측정할 수도 있다. 자동차 시트와 창유리의 히터선도 열화상 이미지를 캡처하여 검사할 수 있다.

이더넷을 통한 전원 공급(Power over Ethernet(PoE))
이더넷(Ethernet) 연결이 지원되는 카메라는 그 설계에 따라서 다양한 전원으로부터 동력을 공급받을 수 있다. 보통 외부 DC 전원을 사용하는 경우가 많지만, 이더넷 연결을 통해서도 전력을 공급받을 수 있다(PoE). PoE는 네트워크에 연결되어 있는 전원을 사용할 수 있으며, 전원 연결에는 10/100baseT 이더넷 시스템에서 사용되지 않는 예비 신호선을 사용할 수 있다. PoE 전원 공급은 다양한 방식으로 구성해줄 수 있다. 그림 3은 전원이 네트워크 한 쪽 끝에 연결되어 있는 경우이다(Gigabit 이더넷은 가능한 모든 데이터 쌍을 사용하므로 이 시스템에서는 PoE를 이용할 수 없다).
PoE를 사용하면 별도의 전원이 불필요하며 카메라 별로 전선관과 전선을 설치하지 않아도 된다. 단지 PoE에 부수되는 약간의 전기 하드웨어만 있으면 되므로 상당한 비용이 절감된다.
이더넷에서 허용되는 최대 케이블 길이인 100m를 넘는 시설도 많이 있다. 이런 경우에는 무선 또는 광섬유 컨버터를 사용하여 장거리 통신을 할 수 있으며, 이런 제품은 다양한 종류가 시판되고 있다. 이런 시스템은 다음의 적용사례와 같이 벌크 상태의 자재를 저장하는 시설에서 널리 사용되고 있다.

다른 자산 모니터링 사례
많은 종류의 벌크 재료는 넓은 야적장에 쌓은 상태로 저장하는 경우가 대부분이며, 이런 환경에서는 공기와 수분이 접촉하여 부패를 포함한 발열반응이 일어나서 내부의 온도가 상승하게 된다. 따라서 직접적인 화재의 가능성과 재산상의 손실, 그리고 인명 피해가 발생할 위험이 따른다. 뿐만 아니라 인접한 시설물의 피해, 진화작업에 사용되는 소화수에 의한 피해, 생산설비의 가동 중단 등 여러 가지의 피해가 발생한다. 특히 자연발화가 발생하기 쉬운 원료에는 석탄, 유기폐기물(퇴비등), 재활용을 위하여 적재해 둔 폐지와 폐목재, 시멘트나 염소 수화물 등 많은 종류의 유기화학물질 등이 있다. 자연발화현상을 일으키지 않는 물질이라도 예를 들어 플라스틱과 같은 물질은 스파크 또는 다른 점화원에 의하여 화재가 쉽게 발생할 위험이 있다.


거의 대부분의 경우에 사전에 예방하는 것이 사후 처리하는 것보다 유리하며, 가장 좋은 예방법은 자재나 물질을 계속적으로 모니터링 하는 것이다. 열화상 카메라를 사용하는 자동화된 온도 모니터링 시스템은 비용이 저렴하므로 충분한 투자가치가 있다. 이런 시스템의 구성 및 설계는 앞에서 소개한 통에 담긴 유해폐기물 저장소에서 사용하는 것과 같다. 이런 시스템에서는 대상 물체의 온도가 미리 설정된 온도를 초과하면 열화상 카메라가 경보 출력을 발생하도록 설정된다. 통제실에 시각적인 경고와 함께 경보음을 울리도록 하여 근무자가 적재 물질의 자체 연소에 의한 화재 발생 위험을 확인할 수 있도록 해주는 것이다. 사진 7과 같이 폐기물 적재 구역을 모니터링할 수 있도록 문제가 되는 지점을 분리시킬 수 있는 다양한 소프트웨어가 개발되어 있다.
비록 자연발화는 대부분 적재물의 바닥 부분에서 시작되지만 표면을 계속적으로 모니터링하면 온도가 높아지는 부분을(사진 8) 초기에 발견할 수 있으므로 화재가 발생하기 전에 조치를 취할 수 있게 된다. 대규모의 야적장은 전체 면적을 감시하기 위하여 여러 대의 카메라가 필요하며, 카메라는 적재물 위 금속 기둥에 설치된다. 이런 용도에는 카메라가 열악한 환경에서 견딜 수 있도록 하우징 및 각종 기능을 구비한 모델을 사용한다.


중요 용기 모니터링(Critical Vessel Monitoring(CVM)) 용기 및 그 내용물의 온도가 중요한 사례는 쉽게 찾아볼 수 있다. 이런 용기는 화학 반응용, 액체 가열용, 또는 단순한 저장용 등이 있다. 이런 설비에서 용기가 대형일 경우 접촉식 온도 센서로는 안심할 수 없다. 용기의 다른 부분 또는 표면에 따라서 온도에 차이가 있을 수 있기 때문이다. 그러므로 접촉식 온도계를 사용하려면 많은 센서를 설치해야 하므로 많은 비용이 필요하다.


대형의 용기를 모니터링할 때 열화상 카메라를 사용하면 불과 몇 대만으로 용기표면 전체를 감시할 수 있다(그림 4). 뿐만 아니라 용기 표면의 온도를 측정하여 추세 분석을 할 수 있으며, 용기 내벽에 설치되어 있는 내화물의 손상 진행상태, 시스템 전체의 기계적인 무결성을 확보할 수 있다. 어떤 특정한 부위가 특별히 중요할 경우, 열화상 카메라의 펌웨어를 사용하여 스팟 온도계를 선택하거나 측정할 부분을 선택할 수 있다.
앞에서 설명한 시스템 역시 다양한 변형 모델이 제공된다. 사용 환경에 따라서 카메라에 방폭 하우징이 필요할 수도 있다. 또한 사람-기계 인터페이스(Human-Machine Interface (HMI)) 소프트웨어를 사용하여 모니터링 업무를 수행할 수도 있다. 이런 HMI 인터페이스는 모니터링되는 면적의 모든 카메라 이미지를 하나의 공간적 이미지로 가공하여 보여주기도 한다. 이 경우에는 용기를 평면도 형태로 보여주고 있다. 이 통합된 이미지는 지속적으로 갱신되어 실시간에 가까운 열화상 이미지 디스플레이를 보여준다.
전기 변전소 모니터링. 변전소의 가동에 문제가 생기면 대규모의 정전사고가 발생할 수 있다. 변전소 설비는 낙뢰나 과부하 외에도 장비와 연결부의 노화에 의하여 고장이 발생하기 쉬우며, 이런 고장은 정전 사고로 이어진다. 이런 고장과 사고를 방지하기 위해서는 효과적인 예방정비 모니터링이 필수적이다. 변압기, 회로차단기, 커넥터 등은 고장이 나기 전에 대부분 온도가 높아지는 경우가 많다. 적외선 카메라는 이러한 장치의 온도상승을 조기에 감지하여 예방정비 작업을 실시할 수 있도록 함으로써 불의의 정전 사태를 방지할 수 있게 해준다(사진 9 참조).

적외선 카메라는 팬/틸트 구동장치를 사용하여 변전시설에서 넓은 범위를 커버할 수 있다. 불과 몇 대의 카메라로 중요한 설비를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 이 카메라는 예방정비는 물론 하루 24 시간 침입자를 감시하는 보안용 카메라의 기능도 함께 제공한다.

 


카메라의 이더넷 및/또는 무선연결과 인터넷 웹 브라우저 인터페이스를 사용하여 생생한 이미지를 원거리에 있는 시설통제실로 전송할 수 있다. 뿐만 아니라 추세분석 소프트웨어를 사용하여 온도가 위험하게 변화하는 부분을 미리 발견할 수 있으며, 해당 장비의 스냅 샷 이미지와 함께 정비담당자에게 이러한 사실을 통지할 수 있다.
엑셀 에너지 등 미국의 유수한 전략회사에서 이러한 기능과 특성을 이미 널리 활용하고 있다. 엑셀사에서는 열화상 카메라를 자동화 분야의 전략적인 투자로 인정하고 있으며, 정비 및 보안을 위한 공통 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 플랫폼의 일부로 채택하고 있다. 가장 최신 버전은 핵심 장비와 지역에 대하여 시간 소인이 찍힌 3D 열화상 모델링과 온도 추세 및 분석 기능을 제공한다. 공장 전체를 대상으로 하는 경보 시스템으로 어떤 구역 내 또는 구역 사이의 고온, 저온, 온도 차이 및 주위 온도에 따라서 실시간으로 경보를 발신할 수 있다.
위에서 설명한 사례는 원격 열화상 카메라 모니터링을 사용하는 광범위한 적용 사례 중에서 일부분에 불과하다. 열화상 카메라 온도 모니터링 기능을 이용하고 있는 몇 가지 사례를 아래에 추가로 소개한다.
•석유 및 가스 산업(석유탐사 장치, 정유공장, 플레어 가스 연소 굴뚝, 천연가스 처리, 파이프라인, 저장 시설 등)
•전력 시설(발전소, 송배전 라인, 변전소, 변압기 등)
•예방 및 예측 정비(핵심 장비의 연속/고정 위치 모니터링)

이러한 사용 예시 이외에도 적외선 열화상이 핵심이 되는 정성적 원격 모니터링 시스템은 그 종류가 매우 많다. 예를 들면, 숲에서 연기가 대량으로 발생하여 눈으로 볼 수 있게 되기 전에 열화상 카메라로 온도가 높아지는 것을 미리 감지하여 조기에 경보를 발신하고 진화 작업에 착수할 수 있다. 또 다른 예로서는 짙은 수증기가 발생하는 설비나 공정에서 열화상 카메라를 사용하여 전방을 볼 수 있다. 이런 시스템은 코크스 플랜트, 합판 공장, 합판용 통나무 취급 작업 등에 널리 사용되고 있다(사진 10 참조).

<다음호에 계속>

자료제공 | 플리어시스템코리아(www.flir.com)

주요기사

먼저 비밀번호를 입력하여 주세요.

창닫기확인