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계측공학
계측공학(計測工學, instrumentation engineering)이란 물리량, 화학량의 측정에 필요한 계측이론과 측정된 데이터의 통계적 처리방법 등을 다루는 학문 분야이다.
개요
계측이란 용어는 특정한 목적을 가지고 양적으로 받아들이기 위한 방법·수단을 강구하여 실시하고 그 결과를 이용하여 소기의 목적을 달성시키는 것이라는 의미를 가진다. 측정이라는 용어는 어떤 양을 기준으로 하여 사용하는 양과 비교하여 수치 등을 사용하여 표시하는 것이라는 의미로 계측과는 차이가 있다.
따라서 계측시스템은 측정원리, 센서 관련 기술, 측정을 위한 하드웨어, 소프트웨어 및 계측 결과 운용의 모든 것을 포함한다.
계측시스템에서 어떠한 양을 측정할 때에 아무리 노력을 하여도 참값을 구하는 것은 불가능하다. 어떠한 측정에서도 측정결과에 다소의 오차가 포함되는 것을 피할 수 없다. 오차는 측정기기의 정밀도, 주변 온도 조건의 변화 등의 일정한 원인에 따라 발생하는 계통적 오차(systematic error)와 측정자의 과실에 의한 과실오차, 원인이 충분하게 판명되지 않는 확률오차(probable error) 등으로 나누어진다.
확률오차를 줄이기 위한 방법으로 동일 조건하에서 여러 번 반복하여 측정을 한 후 통계적 기법을 적용한다. 평균값을 구하는 방법 또는 최소자승법(method of least squares) 등이 이러한 통계적 기법에 해당한다고 볼 수 있다. 또한 계측장비나 센서가 얼마나 정확하고 정밀한가에 따라 발생하는 오차는 계측장비나 센서를 교정하여 개선할 수 있다. 계측장비의 교정은 계통적 오차를 줄일 수 있는 방법으로 자동제어계 또는 자동화 설비들을 유지 보수할 때 주기적으로 반드시 수행하여야 하는 항목 중의 하나이다.
센서에서 출력되는 신호를 처리하는 회로로는 출력된 신호가 작을 경우에 신호의 크기를 키우는 기능의 증폭회로와 외부로부터 영향에 따른 전기적 잡음을 제거하는 필터회로로 구성된다. 통상적으로 센서에서 출력되는 신호는 매우 작기 때문에 센서 출력 신호의 크기를 정확하게 비례하면서 크기를 키우는 증폭회로를 필요로 한다. 증폭회로를 설계할 때는 얼마나 센서신호에 정확하게 비례하도록 하면서 증폭시킬 수 있는가가 중요하다. 정확하게 비례하지 않게 증폭기가 설계되면 이 역시 계통적 오차의 원인이 되기 때문이다.
일반적으로 전기신호는 주변에 다른 전기장치가 있거나 변화하는 자기장이 존재하면 이에 영향을 받아 전기신호에 전기적 잡음이 발생하게 된다. 이러한 전기적 잡음은 센서신호에 원하지 않는 전압을 유기하여 정확하게 센서의 출력신호를 계측하는 데 오차를 유발하게 된다. 이를 제거하기 위해서는 센서신호의 출력파형을 측정하여 외부의 요인에 의해서 유기되는 전압을 제거하는 것이 필요하며 이 역할을 필터가 수행하게 된다.
계측공학에서는 다양한 물리량, 화학량을 계측하는 방법들에 대하여 많은 내용들을 포함하고 있어서 자동제어시스템을 구성하는 데 필요한 계측기술들을 다루고 있다.
역사와 발전단계
고대에는 지렛대의 원리를 응용하여 자에 눈금을 표시하고 무게를 측정하는 저울을 사용하였다. 물시계 등도 시간을 계측하기 위한 고대의 기술이다. 계측은 이렇게 매우 오랜 역사를 가지고 있으나 오늘날 자동제어시스템에서 사용되는 계측은 20세기에 들어와서 급속도로 발전하였다.
1950년대 중반에 트랜지스터가 상용화되면서 전기신호를 이용한 계측이 발달하기 시작했으며, 이후 반도체 기술발전에 영향으로 다양한 센서들이 개발되면서 오늘날과 같은 형태의 계측시스템들이 보급되었다. 한편 컴퓨터와 마이크로프로세서의 발달은 계측 분야에 디지털 계측 방식을 도입하게 만들어 획기적인 도약을 이루게 하였다. 기존의 아날로그 신호를 이용한 계측은 센서의 신호를 장거리로 전송할 때 발생하는 전기적 잡음에 따라 발생하는 오차와 전압강하 등의 문제가 있었으나, 디지털 방식의 계측을 한 후 데이터를 디지털 통신방식으로 전송할 경우 이러한 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있다.
또한 반도체의 발달로 대용량 메모리를 사용하여 디지털 방식으로 계측한 데이터를 실시간 제어에 사용하기도 함과 동시에 저장하여 데이터베이스를 구축한 후 통계적인 처리를 통해 제어시스템 전반의 동향과 문제점을 분석해 볼 수 있는 방법을 가능하게 하였다.
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디지털 방식의 계측의 발달로 최근 산업체에서는 분산제어시스템(DCS: Distributed Control System) 및 SCADA(Supervisory Control And Data Aquisition)의 첨단화된 계측시스템을 구축하여 사용하고 있다. 분산제어시스템은 산업체에서 공정제어를 수행할 때 여러 개의 분산된 중앙처리장치(컴퓨터)들을 기능별로 나누어 통신 네트워크로 연결하여 전체 시스템을 구성한 것으로 디지털 방식의 계측과 통신기술을 통해 구현한 것이다.
SCADA는 집중 원격감시 제어시스템이라 하며 멀리 떨어진 원격장치의 상태정보 데이터를 수집하여 중앙제어 시스템에서 원격장치를 모니터링하고 제어하는 시스템으로 발송배전 시설, 석유화학 플랜트 등의 원격지에 시설들이 존재하는 산업 분야에 널리 사용되는 시스템이다. 이러한 시스템들에서는 장비들을 모니터링 하는 과정에 디지털 방식의 계측이 사용되며, 디지털 방식으로 계측된 데이터들을 원격지로 전송하는 디지털 통신기술이 사용된다.
계측 신호처리 및 응용분야
계측한 정보를 통계적 방법으로 처리하고 분석하는 방법은 이미 학문적으로 거의 정립되어 있다. 또한 센서 출력신호를 증폭하고 잡음을 제거하는 필터 분야의 기술도 상당 부분 정립되어 있다. 최근 들어서는 분산제어시스템, SCADA와 같이 분산된 센서들로부터 계측한 정보들을 이용하여 전체 시스템의 효율을 높이는 등의 목적으로 데이터를 분석하는 기법들에 대한 응용기술들이 연구되고 있다.
컴퓨터나 마이크로프로세서를 이용한 제어시스템에서 계측된 정보를 사용하기 위해서는 센서의 출력신호는 아날로그 형태를 가지는데 이를 디지털화하는 것이 필요하다. 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환하는 소자를 AD 컨버터(AD converter)라 한다.
아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 방법은 우선 아날로그 신호를 샘플링 타임이라고 하는 일정한 시간 간격으로 그 순간의 전압만 측정한다. 이 과정을 샘플링이라 한다. 샘플링을 한 전압의 측정값을 기준전압은 5[V]이고 8비트의 디지털 신호로 변환시키는 과정을 아래 그림에서 표시하고 있다.
2진수의 8비트로 표현할 수 있는 값은 0∼255이고 경우의 수는 256가지이므로 255를 기준전압 5V로 표현하자는 약속이다. 즉 최대 5V전압을 255로 표현하였을 때 그에 비례하여 0∼5[V] 범위의 전압을 그에 비례하는 숫자로 표현하는 것이다. 이렇게 변환시킨 숫자는 1인 경우는 5[V], 0인 경우는 0[V]의 이진수 형태의 디지털 신호로 만들어 샘플링 타임 내에 변환을 마치게 작동한다.
샘플링 타임이 짧으면 더욱 시간 간격을 줄여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있으므로, 아날로그 신호의 변화가 빠른 경우에는 이에 맞게 샘플링 타임을 빠르게 하여야 한다. 디지털 신호로 변환할 때 이진수로 표현할 수 있는 분해능은 몇 비트로 변환하느냐에 따라 결정된다. 즉 기준전압 5[V]로 8비트의 이진수로 변환할 때는 20[mV]≅5[V]/255의 분해능을 가지지만 10비트의 이진수로 변환할 때는 5[mV]≅5[V]/1023의 분해능을 가지게 되어 더욱 정밀하게 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. AD 컨버터의 기능과 반대로 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 것도 가능하며 이러한 기능을 수행하는 것을 DA 컨버터라 한다. 오늘날에 계측기기 들은 대부분 디지털 방식을 사용하고 있다.
계측공학의 응용분야는 화학공장의 프로세스 제어, 제철소의 제철 공정, 반도체 설비, 제조라인의 자동화설비 등 거의 모든 제조 산업 분야에 걸쳐있다. 항공기, 통신위성, 우주왕복선 등의 우주항공 분야에는 안전을 위해 수많은 계측장비가 탑재되어 계측공학의 첨단 응용분야에 해당한다.
산업체에서는 분산제어시스템(DCS: Distributed Control System) 및 SCADA(Supervisory Control And Data Aquisition)의 첨단화된 계측시스템을 구축이 늘어나고 있으며, 유통부문에서도 물류 관리를 위한 POS시스템(Point of Sales system) 등도 계측공학의 발달로 인한 응용분야라 볼 수 있다.
최근 들어서는 광대한 전력계통 시스템에 디지털 계측장비와 정보통신기술을 접목하여 스마트 그리드(Smart Grid)를 도입하고 있는데, 수많은 계측장비를 통한 계측과 데이터의 분석을 통한 다양한 기능을 수행할 수 있도록 응용되고 있다.
계측이란 용어는 특정한 목적을 가지고 양적으로 받아들이기 위한 방법·수단을 강구하여 실시하고 그 결과를 이용하여 소기의 목적을 달성시키는 것이므로, 계측은 단순한 측정만이 아니라 점차 복잡하고 대형화된 시스템에 적용되어 발전하고 있다.
얼마나 정확하고 다양한 정보를 취득하는가에 따라 시스템들은 보다 지능화될 수 있으므로 계측공학은 향후에 모든 산업분야에서 더욱더 응용이 많아질 것이다.
관련 용어
- 센서: 측정대상물로부터 감지 또는 측정하여 그 측정량을 전기적 신호 또는 광학적인 신호로 변환하는 장치이다.
- 최소자승법: 계측에서 측정한 값들의 오차의 제곱들의 합을 가장 작게 만드는 추정값을 구하는 방법이다.
- 교정: 계측기에서 측정하려는 입력량과 출력되는 신호가 정확하게 변환이 이루어지도록 계측기의 구성요소들을 조정하는 것을 말한다.
- 자동제어계: 제어대상을 자동으로 제어하는 시스템을 말하는 것으로, 제어량을 센서 등을 이용하여 계측하여 목표 값과 비교하여 오차를 검출하고 이 오차를 줄여나가 제어량이 목표치에 일치하도록 제어하는 제어계를 말한다.
- 증폭회로: 입력신호의 크기를 확대해 출력신호를 만드는 회로를 말한다. 트랜지스터 등의 회로를 이용하여 구성하며 입력신호의 전압, 전류의 크기를 비례적으로 확대하는 기능을 가진 회로이다.
- 전기적 잡음: 신호선 주변에 존재하는 자기장의 변화 또는 전류의 흐름의 변화 등의 전기적인 간섭에 따라 신호에 유기되는 전압이다.
- 필터 회로: 특정한 주파수 대역에 해당하는 전기신호만을 통과시키는 기능을 가진 회로를 말한다. 높은 주파수는 제거하고 낮은 주파수만 통과시키는 회로를 저역통과필터라 한다. 주로 전기적 잡음을 제거하는 목적으로 사용한다.
- 공정제어: 프로세스 제어(process control)라 부르기도 하며, 산업체에서 생산과정의 공정을 자동으로 제어하는 것을 말한다.
- 아날로그: 연속해서 변화하는 물리량을 의미한다. 즉, 아날로그 신호는 시간의 변화에 따라 연속적으로 변화하는 신호를 말한다.
- [[디지털 신호정보를 표현하는 방식으로 아날로그와 달리 이진수 값의 '0'과 을 표시하는 신호로 구성되어 있으며 컴퓨터와 같은 제품에서 사용되고 있다. 헤드폰을 통해서 우리가 듣게 되는 소리는 아날로그 신호이지만 MP3 플레이어에서 재생하려는 음악 파일은 디지털 코드로 구성되어 있다. 따라서 MP3 플레이어 내에는 이러한 디지털 코드를 아날로그 신호로 변환시켜주는 장치가 들어 있다. 반대로 우리가 듣고 있는 음악을 녹음할 때는 이러한 음악신호를 디지털 코드로 변환시켜주는 장치가 들어 있다.
- 마이크로프로세서: 컴퓨터에 사용하고 있는 주 연산장치를 의미한다. 마이크로프로세서는 프로그램에 따라서 연산처리를 하여 제어기를 구성하는 용도로 널리 사용되고 있으며 모든 전자제품의 두뇌 역할을 하고 있는 전자부품이다.
- AD 컨버터: 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 장치로 반도체로 집적된 소형의 IC로 만들어져서 사용되고 있다.
- DA 컨버터: 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 장치로 반도체로 집적된 소형의 IC로 만들어져서 사용되고 있다.
- 샘플링: 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때 아날로그 신호의 값을 어느 순간 측정하는 행위를 말한다.
- 분해능: 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때 분해하여 표현할 수 있는 정도를 말하는 것으로 AD 컨버터의 비트수가 많을수록 분해능이 높아진다.
- 스마트 그리드: 기존의 전력망에 정보·통신기술을 접목하여, 공급자와 수요자 간의 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써 지능형 수요관리, 신재생 에너지 연계, 전기차 충전 등을 가능케 하는 차세대 전력인프라 시스템을 말한다.
참고자료
- 〈계측공학 및 계측기기〉, 《학문명백과 : 공학》
같이 보기
