열전대 측정방법 및 배경 이론 : 열전대 측정방법을 이해하려면 열전 대가 어떻게 작동하는지를 이해해야 한다. 열전대 제벡 전압 측정은 열전대를 볼트미터 또는 기타 측정 시스템에 그냥 연결하기만 해서 되는 것은 아니다. 그 이유는 열전대 와이어를 측정 시스템에 연결하면 추가의 열전기 회로가 형성되기 때문이다. 촛불에 접촉하고 있는 J-Type 열전대는 측정하고자 하는 온도를 가지고 있다. 두 개의 열전대 와이어는 데이터 수집 디바이스의 구리(Copper)에 연결된다. 회로에서 세 가지 이종 금속의 접점(J1, J2, J3)이 존대한다. 열전대 접점 J1은 촛불 온도에 비례하여 제벡 전압을 생성한다. J2 및 J3는 각각 제벡 계수가 있고, 데이터 수집 터미널에서 온도에 비례하여 열전대 전압을 생성한다. J1에서 전압이 얼마나 분배되었나를 확인하기 위해서는 J2, J3 접점 온도 및 접점에서의 전압-온도 관계를 알아야 한다. 그리고 접점 J1에서 측정된 전압으로부터 J2와 J3의 잔류 접점에서 나온 전압을 뺀다. 열전대는 원치 않는 "냉"접점을 보상하기 위하여 온도 참조의 일정 형태를 요구한다. 가장 보편적인 방법은 직접 측정 온도 센서를 참조점에서 온도를 측정하고 접점에 남아있는 전압을 빼는 방식이다. 이런 방식을 냉접점 보상이라고 한다. 일부 열전대 특성을 잘 활용하면 냉접점 보상 연산을 간단히 진행할 수 있다. 중간 금속의 열전대 법칙(Thermocouple law of intermediate metals)을 사용하고 간단한 가정을 적용하면 데이터 수집 시스템이 측정하는 전압은 열전대 유형, 열전대 전압 및 냉접점 온도에 의해 결정됨을 알 수 있다. 측정된 전압은 측정선의 조합 및 냉접점, J2, J3와 독립적이다. 냉접점 보상을 실행하는 기술은 하드웨어 보상과 소프트웨어 보상 두 가지 방식이 있다. 두 가지 방식 모두 참조 접점에서의 온도가 직접 수집 센서로 감지되어야 한다는 조건이 있다. 직접 수집 센서에는 측정점의 온도에만 의존하는 출력이 있다. 반도체 센서, 서미스터(thermistor) 및 RTD는 참조 접점 온도를 측정하는데 일반적으로 사용된다. 하드웨어 보상을 이요하여 다양한 전압 소스는 회로에 삽입되어 남아있는 열전기 전압을 없앤다. 가변 전압 소스는 내부 온도에 따라 보상 전압을 생성하므로, 원치 않는 열전기 신호를 없애기 위해 정확한 전압을 추가한다. 이렇게 남아있는 신호가 제거되면, 데이터 수집 시스템이 측정한 신호는 열전대 접점에서의 전압이 된다. 하드웨어 보상을 통해 남아있는 열전대 전압이 제거되었으므로 데이터 수집 시스템 터미널의 온도는 관계가 없어진다. 하드웨어 보상의 주요 단점은 각 열전대 유형이 정확한 보상 전압을 추가할 수 있는 개별 보상 회로를 가져야 하므로 회로가 고가라는 점이다. 또한 하드웨어 보상은 소프트웨어 보상과 비교할 때 정확성이 떨어진다. 따라서 대체용으로 냉접점 보상을 위해 소프트웨어를 사용할 수 있다. 직접 수집 센서가 참조 접점 온도를 측정하면, 소프트웨어는 잔류 열전대 효과를 제거하기 위해 측정된 전압에 적절한 전압값을 추가한다. 측정된 전압을 V(T)로 표시하였던 식을 고려하면 열 접점(열전대) 및 냉접점 간의 차이가 동일하다. 열전대 측정 전압은 매우 비선형적이다. 제벡 계수는 몇몇 열전대의 작동 범위에서 세 가지 또는 그 이상의 요인에 따라 다양하다. 이 때문에 다항식을 사용하여 열전대 전압 대 온도 커브의 근사치를 계산하거나 록업 테이블을 사용해야 한다.
압력 센서. 압력 센서 및 측정 방법
가) 압력 측정 방법 : 압력계라고 하는 것은 주로 유체 압력을 측정하는 것에 사용되는 계기의 총칭으로서 대기의 압력 측정에 사용하는 기압계 외에 여러 종류의 압력계 즉, 액 압력계, 탄성 압력계, 분동식 압력계 등 특히 고압에 대해서는 기계 압력계, 전기저항 압력계 등이 있으며, 저압에는 진공계, 압력차를 검출하는 차압계, 미압에 대해서는 미압계 등이 있다. 그러나 초기 압력계로는 U자관형 압력계(액 주형 압력계)가 이용되었으며, 압력의 절대 기준으로는 지금도 사용되고 있는 수은 주형이 대부분이었다. 액 주형 압력계는 제작 상 문제점인 압력의 변화에는 민감하나, 원거리 간 전송 기구의 부착에 어려움, 측정치의 원격 지시, 전송의 문제, 기계적으로 약하고 취급상 문제로 기계적 기구가 부착된 압력계가 19 세기부터 연구되기 시작하여 19 세기 중엽 부르돈과 샤퍼에 의해 고안된 압력계는 현재의 압력 기본 형식을 결정한 것이다. 부르돈의 압력계는 금속관 굴곡을 이용하였고, 샤퍼의 압력계는 금속박판의 변형을 이용한 것이다. 최근의 압력계를 크게 구분하면, 압력을 측정하는 장치, 예를 들어 액 주형 마노 메타, 분동식 압력계, 탄성식 압력계 등을 들 수 있으면, 또 다른 하나는 압력변환기로서 액 학적 변환 요소로 쓰는 부르돈관, 다이아프램, 벨로우즈 등이 있고, 전기적 변환 요소인 스트레인 게이지, 전기용량형, 압전형, 인덕턴스형, 전위차계형 등이 있다.
나) 전기식 압력 센서 : 스트레인 게이지(strain gauge) 압력 센서. 스트레인 게이지는 1856년 Load kelvin에 의해 발견된 것으로 압력 측정에 이용되는 변환기는 접착형, 비접착형으로 두 가지가 있으며, 그 원리는 동일하다. 즉, 도선이 탄성적으로 늘어나면 그 길이와 직경이 변하여 도선 전체의 전기저항이 변화하는데, 스트레인 게이지는 이 원리를 이용한다. 따라서 다이아프램, 벨로우즈, 부르돈과 같은 길이 변화장치와 스트레인 게이지를 결합하면 압력을 전기적인 신호로 감지할 수 있어 아래와 같은 특징이 있다.
- 검출단, 변환기, 지시, 기록계 등과 측정장치의 분리
- 원격 측정이 가능
- 소형이며, 응답성이 빠름
- 출력치의 연산이 가능
형태에 따라 스트레인 게이지를 가로 및 세로로 교차시켜 측정하는 다축 저항선 게이지와 반도체형이 많이 사용되며, 두께가 얇은 박형 게이지도 있다.
반도체 스트레인 게이지 : 반도체 스트레인 게이지는 반도체 단결정으로부터 일반적인 다이아몬드 절단 또는 초음파 절단을 통해, 축 길이 1.2 ~ 12 mm, 폭 0.1 ~ 0.125 mm, 두께 0.01 ~ 0.0125 mm의 광축에 대해서 절출 시킨 것이다. 즉, 게르마늄 및 실리콘 반도체에 존재하는 피에조 저항 효과를 이용한 벌크 게이지와 실리콘을 적당한 내열성의 베이스 상에 박막상으로 진공 증착시켜 사용하는 2 종류가 있다. 일반적으로 사용하는 벌크 게이지는 현재 IC 제조 방법의 진보에 따라 그것과 동일한 방법으로 제조되는 것이며, 열 확산에 의한 것임으로 확산형이라고 칭한다. 이와 같은 반도체형 스트레인 게이지는 저항선을 이용한 스트레인 게이지와 비교할 때, 장단점을 보면 장점으로는 게이지율이 50 ~ 70배 정도 높다. 또한 게이지율을 ±값으로 얻을 수 있다.
댓글