일반적 계측시스템

계측이란 물리적 변수에 특정한 수치를 부여하는 것이며, 그러한 물리적 변수가 곧 측정값이 된다. 계측시스템

은 측정 변수의 정량화에 사용되는 도구이다.

 

 

 

일반적 계측시스템

계측의 목적은 질문에 답하기 위해 변수에 수치를 부여하는 것이다. 획득된 정보는 사용한 계측 기기나 시스템의 결과를 기반으로 하고 있다. 이 정보는 제조 공정을 올바르게 진행하거나 결함이 있는 부품을 진단하며, 계산이나 결정을 위해 필요한 수치를 제공하고 공정 변수를 조절하기 위하여 사용된다.

계측이란 물리적 변수에 특정한 수치를 부여하는 것이며, 그러한 물리적 변수가 곧 측정값이 된다. 계측시스템은 측정 변수의 정량화에 사용되는 도구이다.

인간의 감각 능력은 거칠기, 길이, 소리, 색, 냄새 등의 다른 정도를 감지하고 인식할 수 있음에도 불구하고, 한계가 있고 상대적이며, 감지된 변수에 특정한 수치를 부여하는 데 매우 능숙하지 않다. 따라서 계측시스템은 이러한 제한된 인간의 감각 능력을 확장시키는 데 사용된다.

시스템은 특정 목적을 달성하기 위하여 함께 작동하는 요소로 구성되어 있다.

 

 

계측시스템의 일반 구조

그림 1은 계측시스템의 일반적인 구조를 보여 준다.

본질적으로 계측시스템은 (1) 센서-변환기 단계, (2) 신호 처리 단계, (3) 출력 단계의 일부분 또는 전부로 구성된다. 이런 단계들은 계측시스템으로의 입력과 측정해야 할 물리 변수의 값을 추정하는 데 사용되는 양인 출력 사이의 연결 역할을 구성한다. 또한 센서에 의해 획득된 입력 정보와 표시되는 출력 신호 사이에 교정이 필요하다.

 

 

<그림 1> 일반적 계측시스템의 구성 요소

 

일부 시스템은 그림 1에 나타난 추가적인 단계인 궤환(feedback)-제어 단계를 사용할 수도 있다. 공정 제어에 사용되는 전형적인 계측시스템의 궤환-제어 단계는 측정 신호를 기준값과 비교하고 공정 제어에 필요한 조치를 결정하는 제어기를 포함하고 있다. 간단한 제어기에서 이 결정은 신호 크기가 시스템 운영자가 설정한 값을 초과하는지, 즉 높은지 낮은지 여부에 따라 결정된다.

예를 들면, 가정용 히터의 온도조절기는 센서에 의해 결정되는 온도가 설정값보다 낮으면 히터를 작동시킨다. 자동차의 크루즈 속도 제어기도 거의 동일한 방식으로 작동한다. PLC(programmable logic controller)는 많은 변수를 동시에 측정하고 프로그램된 지시에 따라 적절한 시정 조치를 취하기 위하여 사용되는 견고한 산업용 등급의 컴퓨터이자 데이터 획득 장치이다.

 

 

계측시스템 구성 요소

완전한 계측시스템의 익숙한 예가 수은온도계이다. 그림 2와 같은 수은온도계의 벌브 안에 들어 있는 액체는 주변과 열적 평형을 이룰 때까지 에너지를 교환하고, 열적 평형 시점에서 같은 온도가 된다. 이러한 에너지 교환이 이 계측시스템으로의 입력 신호이다. 액체의 열팽창 현상은 액체가 모세관을 상승, 하강하게 하고, 이것이 온도를 결정할 수 있는 출력 신호가 된다. 벌브 안의 액체가 센서로서 작용한 것이고, 모세관에서 액체를 강제로 확장시킴으로써 이 계측시스템은 열적 정보를 기계적 변위로 변환시킨다. 따라서 온도계의 내부 모세관이 변환기 역할을 한다.

 

<그림 2> 센서, 변환기, 출력 단계에 해당하는 수은온도계의 구성 요소

 

 

일반적 계측시스템을 구성하는 요소는 다음과 같다.

1. 센서와 변환기

센서는 측정해야 할 변수를 감지하기 위해 자연적 현상을 이용하는 물리적 요소이다.

변환기는 감지된 정보를 검출 가능한 신호로 바꿔 주며, 신호는 기계적, 전기적, 광학적 또는 의미 있게 정량화할 수 있는 기타 형태일 수 있다.

그림 2에서 벌브 안의 액체가 센서로서 작용한 것이고, 모세관에서 액체를 강제로 확장시킴으로써 이 계측시스템은 열적 정보를 기계적 변위로 변환시킨다. 따라서 온도계의 내부 모세관이 변환기 역할을 한 것이다.

 

 

그림 3은 센서에 의해 감지된 정보를 신호로 변환하는 과정에서의 변환기의 역할을 보여주고 있다.

 

<그림 3> 변환기의 역할

 

변환기는 다음과 같은 두 형태로 크게 분류될 수 있다.

① 능동 변환기: 다른 이름은 자가전원 방식 변환기이다.

- 이 형식의 변환기는 자신만의 전압이나 전류를 만든다. 출력 신호를 만들기 위해 필요한 에너지는 탐구하는 물리적 현상으로부터 추출된다. 능동 변환기의 예는 광전지, 압전기기, 열전대, 써모파일 등이다.

② 수동 변환기: 외부 전원의 변환기가 수동 변환기이다.

- 에너지 변환에 필요한 동력이 외부 동력원으로부터 변환기로 공급된다. 하지만 변환기는 연구하는 물리적 현상으로부터 일부의 에너지를 흡수할 수 있다. 수동 변환기의 예는 저항 온도계와 써미스터, 전위차 장치, 차동 변압기, 광방출 셀 등이다.

 

 

2. 신호 처리 단계

신호 처리 단계는 변환기 신호를 받아서 원하는 크기나 형태로 바꿔 준다. 이 단계는 증폭을 통한 신호 크기 증대, 필터링을 통한 신호의 부분적 제거에 사용될 수 있으며, 변환기와 출력 단계 사이의 기계적 또는 광학적 연결을 제공한다.

온도계 벌브 체적(그림 2)에 대한 모세관 지름은 온도 상승에 따라 액체가 얼마나 올라갈 것인지를 결정한다.

 

3. 출력 단계

계측시스템의 목적은 감지된 정보를 쉽게 정량화할 수 있는 형태로 변화시키는 것이다. 출력 단계는 계측값을 표시하거나 기록한다. 출력 장비는 단순한 표시 장치, 눈금, 차후에 접속하여 분석할 수 있는 컴퓨터 메모리와 같은 기록 장치일 수도 있다.

그림 2에서 수은온도계의 눈금이 출력 단계이다.

 

 

부가적으로 ‘변환기’는 위에서 설명한 센서, 변환기 요소, 심지어는 신호 처리 요소까지를 한 장치에 포함하는 집적된 계측 장치를 참조하는 용어로도 흔히 사용된다. 이런 경우에는 계측시스템 각 단계로서 역할하는 기능을 나타내는 ‘변환기’와는 다르다. 하나는 감지된 신호가 어떻게 다른 형태로 변화하는지를 나타내고, 다른 하나는 집적된 장치를 나타낸다.

 

Reference : 기계계측공학 7판 제1장 계측 방법의 기본 개념