모든 산업에서 자동화, 계측, 제어 장비 및 시스템을 다루는 기술자와 엔지니어는 매일 측정 문제를 해결해야 합니다. 센서가 물리적 환경이나 공정의 특성을 변환한다는 사실을 아는 것은 작업의 일부일 뿐입니다. 입력을 필요로 하는 장비나 시스템으로 가는 도중에 이러한 신호에 많은 일이 발생할 수 있습니다. 신호 조정은 이러한 센서에서 측정 가능한 신호를 얻는 방법입니다.
신호 조정이란 무엇입니까?
기술자와 엔지니어들은 대부분의 산업이 반드시 신호 친화적이지는 않다는 것을 알고 있습니다. 접지 루프와 노이즈는 신호 무결성을 위협할 수 있습니다. 어떤 센서 신호는 약하고 어떤 것은 변환이 필요하며 어떤 것은 외부 전원 없이 신호를 생성할 수 없습니다. 측정 문제를 다루는 기술자와 엔지니어는 종종 신호 조정을 이용하여 이러한 측정 품질을 획득, 유지 및 개선합니다.
신호 조정은 아날로그 신호가 디지털이 되기 전에 준비하는 것입니다. 이러한 신호 변조를 통해 기술자와 엔지니어가 디지털 도구를 사용하여 정확하고 정밀하게 측정할 수 있도록 신호를 준비합니다.
신호 조정은 절연 또는 필터링을 사용하여 원치 않는 구성 요소 또는 효과로부터 원하는 신호를 보호합니다. 신호 조정 장치는 절연 기능을 사용함으로써 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있는 접지 루프 또는 노이즈로 인한 간섭의 영향을 최소화합니다. 필터는 특정 주파수 범위 내의 신호를 거부하고 다른 신호는 통과시켜 노이즈를 최소화하도록 설계되었습니다. 예를 들어, 다수의 Fluke 디지털 멀티미터 및 클램프 미터에 내장된 것과 같은 저역 통과(low pass) 필터는 VDF와 같은 고주파 노이즈 성분을 측정 신호에서 효과적으로 차단합니다.
신호 정확도 대 신호 정밀도
정확도와 정밀도는 종종 서로 혼동되지만 같은 것은 아닙니다. 정확한 결과는 출력이 원하는 값에 얼마나 가까운지를 보여줍니다. 정밀한 결과는 반복한 측정값이 서로 얼마나 가까운지를 보여줍니다. 과녁을 예로 들자면 매우 정확한 결과는 과녁의 중심에 최대한 가까이 맞추는 것입니다. 정중앙이 바로 맞추려는 값이기 때문입니다. 하지만, 적중한 무리가 서로 가까이 모여 있다면 그것은 과녁의 어느 곳에 모여 있던 상관없이 고정밀 결과를 얻을 수 있다는 의미 입니다.
시간을 내어 신호 조정을 이해하고 필요할 때 변환하는 데 필요한 단계를 수행하면 보다 정확하고 정밀한 측정 결과를 보장할 수 있습니다.
신호 조정의 유형
신호 조정은 센서의 측정값을 신호를 사용하는 장치로 변환하는 역할을 합니다. 많은 측정 장치 및 관련 시스템이 필요한 신호 유형과 관련하여 까다롭습니다. 따라서 측정 장치에서 센서 신호를 사용하려면 먼저 센서 신호를 해석하거나 변환해야 합니다. 시작 및 종료 신호에 따라 몇 가지 다른 유형의 신호 조정을 사용할 수 있습니다.
신호 변환
신호 변환은 한 장치의 출력 신호를 가져와 다른 장치를 위해 또 다른 신호로 변경합니다. 신호 변환 유형에는 증폭, 감쇠, 선형화, 냉접점 보상 및 여기(excitation)가 포함됩니다. 일부 측정 장치는 전압을 선호하고, 어떤 측정 장치는 전류를 선호하지만 이는 작업 대상에 따라 다릅니다. 이러한 장치의 대부분은 대부분의 센서가 생성하는 것보다 훨씬 높은 수준의 신호를 필요로 합니다.
열전대
열전대는 여전히 고전적인 신호 변환의 예이며, 5가지 신호 변환 유형 중 3가지(증폭, 선형화 및 냉접점 보상)가 필요합니다.
열전대는 많은 응용 분야에서 사용되지만 작동 방식과 교정 방법을 이해하기 어려울 수 있습니다. Fluke Calibration에는 열전대에 대한 자세한 내용을 이해하는데 도움이 되는 일련의 응용 지침서가 있습니다.
증폭
열전대는 밀리볼트 범위의 전압을 생성합니다. 그러나 사용되는 일부 온도 측정 장치는 적절한 작동을 위해 1~5V DC(직류), 0~10V DC 또는 4~20mA가 필요합니다. 이러한 경우 열전대 신호가 유용하려면 증폭되어야 합니다.
선형화
열전대는 비선형으로 악명이 높습니다. 그러나 저항 온도 감지기(RTD), 변형계 및 가속도계와 같은 다른 센서도 비선형입니다. 센서가 생성하는 신호 값의 변화가 측정하는 물리적 환경 또는 공정 값의 변화에 정비례하는 경우를 선형이라고 합니다. 그러나 센서가 물리적 측정과 선형적으로 관련이 없는 신호를 생성하는 경우 선형화를 사용하여 이를 파악해야 합니다.
냉접점 보상
열전대와 측정 장치 단자 사이의 연결은 또한 냉접점이라고 하는 접합부를 형성합니다. 그대로 두면 냉접점에서 측정 오류가 발생합니다. 그러나 냉접점 보상에서는 연결을 정확하고 정밀하게 측정할 수 있도록 서미스터나 다이오드와 같이 열에 민감한 장치를 사용하여 적절한 보정을 시뮬레이션하고 적용합니다.
여기(Excitation)
일부 센서는 전압이나 전류를 생성하지 않으므로 결과적으로 외부 전압 또는 전류 형태의 여기가 필요합니다. 여기는 자기장을 생성하기 위해 외부 전기 입력을 추가하는 과정입니다. 여기가 필요한 일부 센서에는 RTD, 서미스터, 변형계 및 가속도계가 있습니다.
신호 조정 시스템
측정 시스템에서 신호 조정을 이용할 때 각 센서는 센서 유형이 생성하는 신호를 기반으로 하는 개별 신호 조정기가 필요합니다. 신호 조정 모듈 및 장치는 대부분의 아날로그 신호 유형에 사용할 수 있지만 모든 유형에 대한 예비 재고는 비용이 많이 들고 관리하기 어려울 수 있습니다. 다행히 이제 범용 신호 조정기를 사용할 수 있습니다. 범용 신호 조정기 또는 범용 신호 조정 시스템은 광범위한 입력과 다중 출력도 수용합니다. 이것은 가장 쉽고 비용 효율적인 방안입니다.
범용 신호 조정기는 다양한 유형의 센서와 컨트롤러 및 기타 장치의 신호를 변환, 격리 및 전송합니다. 이러한 다목적 신호 조정기는 일반적으로 전류, 전압, 열전대, RTD 및 저항 입력을 수용합니다. 일반적인 범용 신호 조정기 출력에는 전류, 전압 및 프로그래머블 릴레이가 포함됩니다.
자동화, 계측, 제어 장비 및 시스템을 다루는 기술자와 엔지니어는 신호 조정을 적용하여 공정 센서에서 나오는 신호를 최적화함으로써 측정 정확도와 제어 시스템 성능을 개선합니다. 그러나 이러한 제어 시스템도 적절하게 유지보수하고 주기적으로 교정해야 합니다. 다행히 Fluke 도구는 공정 측정 및 제어 시스템의 신뢰성, 정확도 및 안전성을 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.
측정 신호의 노이즈 완화
공정 표시기, 데이터 획득 및 수집 장비, PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러), 공정 제어 시스템 및 기타 모든 측정 장치에는 오로지 적절한 신호만 필요합니다. 즉, 이러한 신호는 "깨끗하고" 노이즈가 없어야 합니다. 모터, 가변 주파수 드라이브(VFD), 용접 장비 및 장비 시동 및 정지로 인해 발생하는 과도 현상은 센서에서 의도한 측정 장치로 이동하는 신호에 영향을 줄 수 있는 노이즈를 생성할 수 있습니다.
적절한 접지 및 차폐를 포함하는 전기 및 계측 배선 모범 사례는 원치 않는 노이즈를 최소화하는 데 많은 도움이 됩니다. 휴대용 오실로스코프를 사용하면 제어 루프의 노이즈를 모니터링하여 작업 내용에 대한 아이디어를 얻을 수 있습니다. 잘 설계되고 설치된 시스템에는 노이즈 문제가 적다는 점에 유의하는 것도 중요하지만, 깨끗한 측정값을 얻기에는 이것으로 충분하지 않은 경우가 많습니다. 신호 조정을 적용할 시기, 위치 및 방법을 아는 것은 이러한 신호를 만족스럽게 유지하고 측정을 쉽게 하는 데 도움이 될 수 있습니다.
접지 루프와 노이즈
접지 루프와 노이즈는 측정 신호에 간섭을 일으킬 수 있습니다. 접지는 대지 전위에 있어야 하며 접지를 참조해야 합니다. 그러나, 단일 제어 신호에 서로 다른 전위에서 둘 이상의 접지가 있고 해당 접지 사이에 전도 경로가 있는 경우 접지 루프가 존재합니다.
이러한 대지 전위의 차이는 루프에 예측할 수 없는 크기의 추가 전류를 생성할 수 있습니다. 이 전류는 의도하는 신호의 일부가 아니므로 신호와 측정을 왜곡합니다. 신호 조정 장치는 접지 루프 전류 경로를 차단하여 신호 무결성을 유지합니다.
산업용 장비는 측정 신호에 영향을 줄 수 있는 전기적 노이즈를 생성합니다. 정상 모드 노이즈는 일반적으로 중성선과 활선 사이의 AC 회로에서 발생합니다. 공통 모드 노이즈는 일반적으로 중성선과 접지선 사이에서 발생하지만, 활선과 접지선 사이에서도 발생할 수 있습니다.
정상 모드 노이즈는 DC 측정 회로에서도 발생할 수 있지만, 공통 모드 노이즈는 더 규칙적으로 나타나며 대부분의 측정 오류를 유발합니다. 두 경우 모두 신호를 격리하면 노이즈가 측정 정확도에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있습니다.