센서와 트랜스미터의 선택 기준

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이 게시물은 마지막으로 ztj1118에 의해 2016-3-10 16:26에 수정되었습니다. 센서와 변환기는 계측기, 측정 장비, 그리고 산업 자동화 분야에서 매우 중요한 역할을 합니다.센서와 달리, 트랜스미터는 비전기량을 측정 가능한 전기량으로 변환할 수 있을 뿐만 아니라, 일반적으로 일정한 증폭 기능도 가지고 있습니다.이 글에서는 사용자들이 적절한 변환기를 선택할 수 있도록, 다양한 종류의 변환기들의 특징을 간단히 소개합니다. 　　1. 일체형 온도 변환기 　일체형 온도 변환기는 일반적으로 온도 측정 프로브(열전대 또는 열저항 센서)와 2선식 고체 전자 유닛으로 구성됩니다.고체 모듈 형태를 채택하여 온도 측정 프로브를 직접 접속함에 설치함으로써, 일체형 변환기가 만들어집니다.통합형 온도 변환기는 일반적으로 열저항형과 열전대형, 이 두 가지 유형으로 나뉩니다. 　　열저항 온도 변환기는 기준 유닛, R/V 변환 유닛, 선형 회로, 역접속 보호, 제한 전류 보호, V/I 변환 유닛 등으로 구성됩니다.온도 측정용 저항 신호가 변환 및 증폭된 후, 선형 회로를 통해 온도와 저항 간의 비선형 관계가 보정됩니다. 그 다음 V/I 변환 회로를 거쳐, 측정된 온도와 선형적인 관계를 가진 4~20mA의 일정한 전류 신호가 출력됩니다. 　　열전대 온도 변환기는 일반적으로 기준 전원, 콜드엔드 보상, 증폭 유닛, 선형화 처리, V/I 변환, 단선 처리, 역접속 보호, 전류 제한 보호 등의 회로 유닛들로 구성됩니다.이는 열전대가 생성하는 열전위를 냉단 보상을 통해 증폭시킨 다음, 선형 회로를 이용해 열전위와 온도 사이의 비선형 오차를 제거하고, 마지막으로 그 값을 4~20mA의 전류 신호로 변환해내는 방식입니다. 　　열전대 측정 중 전선이 끊어져 온도 제어가 실패하고 사고가 발생하는 것을 방지하기 위해, 변환기에는 정전 보호 회로도 내장되어 있습니다. 　　열전대의 선이 끊어지거나 연결이 불량할 경우, 변환기는 계측기가 전원을 차단하도록 최대값(28mA)을 출력합니다. 　　일체형 온도 변환기는 구조가 간단하고, 연결선을 절약할 수 있으며, 출력 신호의 크기가 크고, 간섭에 대한 저항력이 뛰어나며, 선형성이 우수합니다. 또한, 디스플레이 장치도 간단하며, 솔리드 모듈 형태라서 진동과 습기에 강합니다. 반대 방향으로 전원이 공급될 경우나 전류가 과도해질 경우를 방지하는 보호 기능도 있어, 신뢰성이 높습니다. 　　통합형 온도 변환기의 출력은 표준적인 4～20mA 신호입니다；마이크로컴퓨터 시스템이나 기타 일반적인 계측기와 연동하여 사용할 수 있습니다.사용자 요청에 따라 방폭형 또는 방화형 측정 계기로 제작할 수도 있습니다. 　　二、압력 변환기
압력 변환기는 차압 변환기라고도 불리며, 주로 압력 측정 센서, 모듈 회로, 디스플레이 장치, 케이스, 그리고 공정 연결 부품들로 구성됩니다.이 장치는 수신된 기체나 액체 등의 압력 신호를 표준적인 전류·전압 신호로 변환하여, 지시계, 기록계, 조절기와 같은 2차 계측기들이 측정하거나 지시하거나 공정을 조절할 수 있도록 해줍니다. 　　압력 변환기의 측정 원리도는 그림 3에 나타나 있습니다.그 측정 원리는 다음과 같습니다. 유량 압력과 기준 압력이 각각 집적 실리콘 압력 감지 소자의 양단에 작용하며, 이 두 압력의 차이로 인해 실리콘 판이 변형됩니다(변형량은 매우 작아, μm 수준에 불과함). 이러한 변형으로 인해 반도체 기술을 이용해 제작된 전동식 와이스브리지가 외부 전류원의 작용으로 압력에 비례하는 mV급의 전압 신호를 출력하게 됩니다. 　　실리콘 소재는 강도가 매우 우수하기 때문에, 출력 신호의 선형성과 변동 지표도 모두 매우 높습니다.작동할 때, 압력 변환기는 측정되는 물리량을 mV 단위의 전압 신호로 변환한 다음, 온도 변화로 인한 오차를 상쇄할 수 있는 고증폭비를 가진 차동 증폭기로 보냅니다.확대된 신호는 전압-전류 변환을 거쳐 해당하는 전류 신호로 변환됩니다. 그 후 비선형 보정을 거쳐, 최종적으로 입력된 압력과 선형적인 관계를 가지는 표준 전류-전압 신호가 생성됩니다. 　　압력 변환기는 측정 범위에 따라 일반 압력 변환기(0.001MPa～20MPa)와 미세 차압 변환기(0～30kPa)의 두 가지로 나뉩니다. 　　삼. 액위 전송기　　1. 부유식 액위 전송기　　부유식 액위 전송기는 자성 부유체, 측정관, 신호 유닛, 전자 유닛, 접속함 및 설치 부품으로 구성됩니다. 　　일반적인 자성 부력구의 비중은 0.5 미만이어서 액체 표면에 떠 있으면서 측정관을 따라 위아래로 이동할 수 있다.케이블 내부에는 측정 소자가 장착되어 있습니다. 이 소자는 외부 자기장의 작용으로 측정하고자 하는 액체의 높이에 비례하는 저항 신호로 변환해줍니다. 또한 전자 유닛을 4~20mA와 같은 표준 신호로 변환하여 출력해줍니다.이 변환기는 모듈형 회로로서, 산에 강하고 습기와 충격에도 견디며 부식에도 저항하는 등의 장점이 있습니다. 회로 내부에는 정전류 피드백 회로와 내부 보호 회로가 있어, 출력되는 전류를 28mA 이하로 유지할 수 있습니다. 이 덕분에 전원을 안정적으로 보호할 수 있으며, 2차 계측기가 손상되는 것을 방지할 수 있습니다. 　　2. 부유식 수위 변환기　부유식 수위 변환기는 자성 부유구를 부유실로 대체한 것으로, 아르키메데스의 부력 원리에 따라 설계되었습니다.부유식 액위 변환기는 미세한 금속막의 변형을 감지하는 기술을 이용하여 액체의 액위나 밀도를 측정하는 장치입니다.작동 중에는 현장에 있는 버튼을 통해 일반적인 설정 작업을 수행할 수 있습니다. 　　3. 정압 또는 유위 변환기 　이 변환기는 액체의 정압을 측정하는 원리를 이용하여 작동합니다.일반적으로 실리콘 압력 센서를 사용하여 측정된 압력을 전기 신호로 변환한 뒤, 증폭 회로를 통해 신호를 증폭시키고 보상 회로를 통해 오차를 보정합니다. 그 후 4~20mA 또는 0~10mA 형태의 전류로 출력됩니다. 　　IV. 정전용량식 레벨 센서
정전용량식 레벨 센서는 산업 현장에서 생산 공정을 측정하고 제어하는 데 사용됩니다. 주로 전도성이 있는 액체나 비전도성 액체의 레벨, 혹은 분말이나 고체 재료의 레벨을 원격으로 연속적으로 측정하고 표시하는 데 활용됩니다. 　　용량식 유위 변환기는 용량식 센서와 전자 모듈 회로로 구성되어 있습니다. 이 장치는 2선식 4~20mA의 일정한 전류를 출력하는 것을 기본 형태로 하며, 변환을 통해 3선식 또는 4선식으로도 출력할 수 있습니다. 출력 신호는 1~5V, 0~5V, 0~10mA와 같은 표준 신호 형태로 생성됩니다.용량 센서는 절연 전극과 측정 매질이 들어 있는 원통형 금속 용기로 구성됩니다.재료의 높이가 상승하면, 비전도성 재료의 유전상수는 공기의 유전상수보다 훨씬 작기 때문에, 전기용량도 재료의 높이 변화에 따라 달라집니다.송신기의 모듈 회로는 기준 전압원, 펄스 폭 변조, 변환, 정전류 증폭, 피드백, 전류 제한 등과 같은 구성 요소들로 이루어져 있습니다.펄스 폭 조절 원리를 이용한 측정의 장점은 주파수가 낮으며, 주변의 무선 주파수 간섭에 영향을 받지 않고 안정성이 뛰어나며, 성능도 우수하고, 명확한 온도 변화도 없다는 것입니다. 　　다섯, 초음파 트랜스미터
초음파 트랜스미터는 일반적인 초음파 트랜스미터(계기가 없는 형태)와 일체형 초음파 트랜스미터로 나뉩니다. 일체형 초음파 트랜스미터가 더 자주 사용됩니다. 　　통합형 초음파 변환기는 LCD 디스플레이와 같은 표시 장치와 프로브라는 두 부분으로 구성됩니다. 4~20mA 신호를 직접 출력하는 이 변환기는 소형화된 센서(프로브)와 전자 회로를 하나로 결합함으로써, 크기를 줄이고 무게를 경량화하며 가격도 저렴하게 만듭니다.초음파 트랜스미터는 액위 측정에 사용될 수 있습니다.물의 높이를 측정하거나, 수로나 개활지 등의 유량을 측정하는 데 사용될 수 있으며, 거리를 측정하는 데에도 활용될 수 있습니다. 　　6. 안티모니 전극 산도 변환기
안티모니 전극 산도 변환기는 pH 측정, 자동 세척, 전기 신호 변환 기능을 하나로 통합한 산업용 온라인 분석 장비입니다. 이 장비는 안티모니 전극과 기준 전극으로 구성된 pH 값 측정 시스템입니다.측정되는 산성 용액 내에서는 안티모니 전극 표면에 안티모니 삼산화물 층이 형성되기 때문에, 금속 안티모니 표면과 안티모니 삼산화물 사이에 전위차가 생깁니다.이 전위차의 크기는 삼산화안티모니의 농도에 의해 결정되며, 이 농도는 측정되는 산성 용액 내의 수소 이온 농도와 일치합니다.안티모니와 삼산화이안티모니, 그리고 수용액의 농도를 모두 1로 가정하면, 그 전극 전위는 네스터 공식을 이용하여 계산할 수 있습니다. 　　안티모니 전극 산도 전송기의 고체 모듈 회로는 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다.현장에서의 안전을 위해, 전원 부분은 2차 계측기에 전력을 공급하기 위해 교류 24V를 사용합니다.이 전원은 청소 모터에 동력을 공급하는 역할을 하는 것 외에도, 전력 변환 장치를 통해 적절한 직류 전압으로 변환되어 송신 회로에서 사용됩니다.두 번째 부분은 측정 송신기 회로로, 센서에서 나오는 기준 신호와 pH 산도 신호를 증폭한 뒤 경사도 조절 및 위치 조절 회로로 보냅니다. 이를 통해 신호의 임피던스를 낮추고 조절할 수 있습니다.확대된 PH 신호와 온도 보정 신호를 더한 후 차분 변환 회로에 입력시켜, 최종적으로 PH 값에 해당하는 4~20mA의 정전류 신호를 2차 계측기에 출력함으로써 PH 값을 표시하고 제어할 수 있다. 　　7. 산, 알칼리, 염의 농도 전송기 　산, 알칼리, 염의 농도 전송기는 용액의 전기전도도를 측정함으로써 농도를 파악합니다.이를 통해 산업 공정 내에서 용액 내의 산, 알칼리, 염의 농도를 온라인으로 지속적으로 측정할 수 있습니다.이러한 변환기는 주로 보일러의 급수 처리, 화학 용액의 제조, 그리고 환경 보호와 같은 산업 생산 과정에서 사용됩니다. 　　산, 염기, 염의 농도를 측정하는 센서의 작동 원리는 다음과 같습니다. 일정한 범위 내에서, 산성 또는 염기성 용액의 농도는 그 용액의 전기전도도의 크기와 비례합니다.따라서 용액의 전기전도도 크기를 측정함으로써 산과 염기의 농도를 알 수 있다.측정 대상인 용액이 전용 전도도 세포로 흘러 들어갈 때, 전극의 편극이나 분배 커패시턴스를 무시한다면, 이를 순수한 저항으로 간주할 수 있다.일정한 전압의 교류가 흐를 때, 그 출력 전류는 전도도와 선형적인 관계에 있으며, 전도도는 다시 용액 내의 산과 염기의 농도와 비례합니다. 　　따라서 용액의 전류만 측정하면 산, 염기, 염의 농도를 계산할 수 있다. 　　산, 염기, 염의 농도를 측정하는 센서는 주로 전도도 세포, 전자 모듈, 디스플레이 장치, 그리고 하우징으로 구성됩니다.전자 모듈 회로는 구동 전원, 전도도 세포, 전도도 증폭기, 위상 감지 정류기, 디모듈레이터, 온도 보상 기능, 과부하 보호 기능, 그리고 전류 변환 기능 등의 구성 요소들로 이루어져 있습니다. 　　8. 전도도 센서
이는 용액의 전도도 값을 측정함으로써 이온 농도를 간접적으로 측정하는 프로세스 계측기(일체형 센서)로, 산업 공정에서 사용되는 수용액의 전도도를 실시간으로 지속적으로 측정할 수 있습니다. 　　전해질 용액도 금속 도체와 마찬가지로 우수한 전기 전도체이므로, 전류가 전해질 용액을 통과할 때는 반드시 저항이 작용하며, 이는 오움의 법칙에 부합한다.하지만 액체의 저항 온도 특성은 금속 도체와는 반대로 음의 온도 특성을 가진다.금속 도체와 구별하기 위해, 전해질 용액의 전기 전도 능력은 전도도(저항의 역수)나 전기전도율(저항률의 역수)로 표시됩니다.두 개의 서로 절연된 전극이 전도성 셀을 구성할 때, 그 사이에 측정하고자 하는 용액을 넣고 일정한 전압의 교류 전류를 흘려주면 전류 회로가 형성됩니다.전압의 크기와 전극의 크기를 일정하게 유지한다면, 회로의 전류와 전도도 사이에는 특정한 함수 관계가 존재합니다.이와 같이, 측정하고자 하는 용액을 통과하는 전류를 측정함으로써 그 용액의 전기전도도를 알아낼 수 있습니다. 　　전도도 전송기의 구조와 회로는 산, 알칼리, 염의 농도 전송기와 동일합니다. 　　구. 스마트 트랜스미터 　스마트 트랜스미터는 센서와 마이크로프로세서(마이컴)가 결합된 형태로 구성됩니다.이 장치는 마이크로프로세서의 연산 및 저장 능력을 최대한 활용하여 센서에서 수집된 데이터를 처리할 수 있습니다. 여기에는 측정 신호의 처리(예: 필터링, 증폭, A/D 변환 등), 데이터 표시, 자동 보정, 자동 보상 등이 포함됩니다. 　　마이크로프로세서는 스마트 트랜스미터의 핵심입니다.이 장치는 측정 데이터를 계산하고 저장하며 처리할 뿐만 아니라, 피드백 회로를 통해 센서를 조절함으로써 수집된 데이터가 최적의 상태가 되도록 합니다.마이크로프로세서는 다양한 소프트웨어 및 하드웨어 기능을 갖추고 있기 때문에, 기존의 트랜스미터로는 수행하기 어려운 작업들을 처리할 수 있습니다.따라서 스마트 트랜스미터는 센서의 제조 난이도를 줄여주며, 동시에 센서의 성능을 크게 향상시켜줍니다.또한, 스마트형 트랜스미터는 다음과 같은 특징도 가지고 있습니다: 1. 자동 보상 기능이 있어, 소프트웨어를 통해 센서의 비선형성, 온도 변화, 시간에 따른 변화 등을 자동으로 보상할 수 있습니다. 　　2. 자가 진단이 가능하여, 전원을 공급하면 센서를 자동으로 점검하여 센서의 각 부분이 정상인지 확인하고 판단할 수 있습니다. 　　3. 데이터 처리가 편리하고 정확하며, 내부 프로그램에 따라 통계 처리나 이상치 제거 등과 같은 작업을 자동으로 수행할 수 있습니다. 　　4. 양방향 통신 기능을 갖추고 있습니다.마이크로프로세서는 센서에서 전달되는 데이터를 수신하고 처리할 뿐만 아니라, 그 정보를 다시 센서로 전송함으로써 측정 과정을 조절하고 제어할 수 있습니다. 　　5. 정보를 저장하고 기억할 수 있으며, 센서의 특성 데이터, 설정 정보, 보상 특성 등을 저장할 수 있다. 　　6. 디지털 신호를 출력할 수 있는 인터페이스 기능을 갖추고 있어, 출력된 디지털 신호를 컴퓨터나 필드버스 등과 쉽게 연결할 수 있습니다.