액체 레벨 감지에서의 머신 비전

산업 자동화에서 정확한 액위 검출은 제품 품질 보장, 공정 효율성 향상 및 운영 안전성 확보를 위해 매우 중요합니다. 비접촉식 고정밀 기술인 머신 비전은 액위 검사에 효과적인 해결책으로 부상하고 있습니다. 본 문서에서는 액위 검출을 위한 머신 비전 시스템의 핵심 구성 요소와 산업 전반에서의 실제 적용 사례를 살펴봅니다.

액위 검출을 위한 머신 비전 시스템의 핵심 구성 요소

카메라: 정밀한 이미지 촬영

카메라는 시스템의 '눈'으로서 액체 표면의 이미지를 촬영합니다. 액위 검출의 경우 해상도 (미세한 변화 감지에 적합한 5MP부터 20MP까지) 및 프레임 속도 (고속 라인에 적합한 초당 60프레임 이상) 속도가 중요합니다. CCD 센서는 저조도 환경에서 우수한 성능을 발휘하고, CMOS 센서는 고속 처리에 적합합니다. 글로벌 셔터 이동 중인 용기에서 왜곡을 방지합니다.

렌즈: 정확성에 집중

렌즈는 액위에 선명한 초점을 맞추는 역할을 하며, 선택은 작동 거리 , 시야각 (FOV) , 그리고 확대 . 좁은 시야와 높은 배율은 바이알과 같은 소형 용기에 적합합니다. 텔레센트릭 렌즈는 투시 왜곡을 최소화하여 용기 위치의 약간의 이동에도 액체 레벨 측정 값을 일관되게 유지시켜 이상적입니다.

조명: 액체-가스 계면 조명

조명은 액체, 용기 및 공기 사이의 대비를 생성합니다. 백라이트 투명 용기에는 액체 레벨을 실루엣 형태로 만들기 위해 후면 조명을 사용하는 것이 효과적입니다. 불투명하거나 비정형 용기의 경우, 공축 조명 표면 반사를 줄여 줍니다. 컬러 LED 컬러 또는 반사성 액체와의 대비를 향상시키며, 확산 조명은 눈부심을 방지합니다.

이미지 처리 소프트웨어: 데이터 분석

특수 소프트웨어는 액체 레벨을 결정하기 위해 이미지를 처리합니다. 알고리즘은 엣지를 감지하고 기준점(예: 용기 상단과 액체 표면) 사이의 거리를 측정하며, 기준값과 비교합니다. 고급 시스템은 필터, 패턴 인식 또는 기계 학습을 사용하여 곡면 면적이나 기포와 같은 어려움을 처리할 수 있습니다.

기계 시야 액위 검출의 실용적 응용

1. 음료 및 식품 산업

음료 병입 공장에서 기계 시야 시스템은 분당 최대 1,000병의 속도로 물, 소다수 또는 주스 병의 충전 수준을 점검합니다. 컨베이어 벨트 위나 옆에 설치된 카메라는 고객 불만을 일으킬 수 있는 부족 충전(underfill)과 누수 및 낭비를 초래하는 과다 충전(overfill)을 확인합니다. 예를 들어, 주요 소프트 드링크 제조사에서는 12MP 카메라와 백라이트 조명을 사용하는 시야 시스템을 도입하여 플라스틱 병의 충전 수준이 ±0.5mm 이내로 일관되도록 하여 연간 제품 폐기물을 3% 감소시켰습니다.

2. 제약 및 의료기기

제약 생산에서는 약물의 용량 정확도를 보장하기 위해 바이알(vial), 주사기, 정맥 주입팩(IV bag)의 충전 레벨(fill level)에 대한 엄격한 기준을 충족해야 합니다. 이와 관련된 머신 비전 시스템은 작은 용기와 투명한 액체를 처리해야 하며, 동시에 규제 기준(예: FDA 가이드라인)을 준수해야 합니다. 인슐린 펜을 제조하는 제약회사의 경우, 1mL 주사기의 충전 레벨을 검출하기 위해 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)와 동축 조명(coaxial lighting)을 사용하여 ±0.02mm의 정밀도를 달성하고 있습니다. 이를 통해 수동 검사를 제거하고, 인적 오류를 줄이며, 로트 검증(batch validation)을 신속하게 수행할 수 있습니다.

3. 화학 및 석유 산업

화학 공정에서 정확한 액위 모니터링은 위험한 물질의 넘침을 방지하고 적절한 혼합 비율을 유지하는 데 도움이 됩니다. 내구성이 뛰어난 카메라(먼지, 습기, 부식성 가스에 견디는 카메라)가 장착된 머신 비전 시스템은 산, 용제 또는 연료를 담고 있는 대형 탱크나 드럼의 액위를 검사합니다. 예를 들어, 정유소에서는 고온 저장 탱크 내 액위를 감지하기 위해 열화상 카메라와 가시광 시스템을 함께 사용하는데, 이는 전통적인 센서들이 극심한 고온으로 인해 작동하지 못하기 때문입니다.

4. 자동차 및 항공우주

자동차 제조 분야에서 머신 비전은 엔진 오일, 브레이크 유체, 냉각제 등 차량 부품 내 유체의 충진 레벨을 점검합니다. 예를 들어, 라디에이터 조립 중에는 카메라를 통해 냉각제 레벨이 봉인 전에 사양을 충족하는지 확인하여 누수를 방지하고 엔진 성능을 보장합니다. 항공우주 분야에서는 항공기의 유압 유체 저장탱크를 검사하는 데 이 기술이 사용되며, 안전을 위해서는 정밀도가 특히 중요합니다.

전통적인 방법에 대한 장점

기계 시야는 액체 레벨 검출에 있어 여러 핵심 이점을 제공합니다:

비접촉 측정 : 오염 위험을 제거하여 무균 환경(예: 제약 산업)에 적합합니다.

고속 및 정확성 : 고속 라인에서도 운용이 가능하며, 마이크로미터 이하의 정밀도를 달성합니다.

다재다능성 : 다양한 용기의 형태, 크기 및 액체 종류에 대해 최소한의 재설정만으로 적응이 가능합니다.

데이터 통합 : 공정 최적화 및 품질 관리 보고를 위한 실시간 데이터를 제공합니다.

결론

기계 시야는 높은 정밀도, 속도 및 유연성을 결합함으로써 액체 레벨 검출 방식을 혁신적으로 변화시켰습니다. 적절한 카메라, 렌즈 및 조명 시스템을 선택함으로써 기존 검사 방법의 한계를 극복하고 일관된 제품 품질을 보장할 수 있습니다. 음료 병입 공정부터 항공우주 제조에 이르기까지 이 기술은 핵심 공정에서 효율성과 신뢰성을 지속적으로 향상시키고 있으며, 현대 자동화 기술에서 없어서는 안 될 중요한 도구로 자리 잡고 있습니다.