1. 공업과 계장
1-1. 계장의 개념과 발전과정
1-1-1. 계장 (Instrumentation) 이란?
계장이란 계기를 장비한다 혹은 계기장치의 약어로 제어대상으로 하는 공정에 적합한 계기를 배치한
다는 것을 뜻함. 공정을 보다 합리적이고 효율적으로 관리 운전함으로써 생산효과를 높이는 것이다.
※ 계장 : Instrument (Instrumentation)
악기, 도구, 기구, 계기라는 의미로 1950년 미국의 공업사회에서 사용되었다.
1-1-2. 계장의 발전과정
온도,압력,유량과 같은 공업량을 측정하여 이것을 자동적으로 제어하는 계장제어는 석유정제공정에
서 시작되었다. 1920년대에는 대형의 공기식 조절계를 현장에 설치한 국소적인 계장이었지만, 전자
소자와 IC 등의 급속한 발전과 Computer 기술, 통신기술, 제어기술의 발전에 힘입어 계장의 발전은
가속화되고 있다.
2. 공정 제어
2-1. 제어계의 분류
a. 정치(定値)제어 : 목표값이 항상 일정한 제어
(압력,온도,액면제어 등의 공정제어)
b. 추치(追値)제어 : 목표값이 임의로 변화하는 제어 (추종제어, 비율제어)
(대공포의 포신제어, 자동 아날로그 선반, 자동 평형기록계)
c. 프로그램 제어 : 목표값이 미리 정해진 시간에 따라 변화하는 제어
(열처리로의 온도제어, 열차의 무인운전)
2-2-2. 공정제어 방식
a. 궤환제어 (Feed-back Control)
: 유체의 유량을 측정한 후, 목표치와 비교평가(FRC-100)하여 유체의 유량을 공정의 목표치로
유지시키기 위한 제어로서 가장많이 사용되는 방식
b. 비율제어 (Ratio Control)
: 유체1과 유체2를 일정한 비율로 혼합되도록 하는 제어
c. 종속제어, 계층제어 (Cascade Control)
: 2개의 제어계가 주종관계(계층)로 이루어져 있는 제어방식
d. 전치제어 (Feed-forward Control)
: 궤환제어의 반대 개념으로 제어계에 영향을 미치는 측정가능한 모든 요소들을 측정하고, 상관
관계를 파악하여 제어계를 조절하는 것
3. 공정계기도
3-1. 공정계기도
3-1-1. 공정계기도(P&ID : Process and Instrument Diagram) 란 ?
공정을 구성하는 기기 혹은 계기등의 설치위치와 기능, 그리고 계기 상호간의 연계 상태 등을 나타내
는 도면이다.
3-1-2. 기호의 종류
a. 문자기호 (Tag-No) : 계기의 변량기호 + 기능기호 + 개별기호 등을 나타냄 => 계기 식별기호
b. 그림기호 (Symbol) : 신호의 종류, 계기의 종류와 설치상태, 설치위치 등을 표현
4. 측정
4-1. 측정과 측정의 종류
4-1-1. 측정 (Measurement) 이란 ?
기계, 기구, 장치 등을 이용하여 물질의 양 또는 상태를 수치로 나타내는 조작
4-1-2. 측정의 종류
a. 직접측정 (Direct Measurement)
: 측정하고자 하는 양을 직접 접촉시켜 그 크기를 구하는 방법
b. 간접측정 (Indirect Measurement)
: 측정량과 일정한 관계가 있는 몇 개의 양을 측정하고, 계산에 의해 측정값을 유도해내는 방법
c. 비교측정 (Relative Measurement)
: 기준치와 비교하여 측정하는 방법
d. 절대측정 (Absolute Measurement)
: 정의에 따라서 결정된 양을 사용하여, 기본량 만의 측정으로 유도하는 방법
U자관 압력계로 수은주의 높이/밀도/중력가속도를 측정해서 유도하여,압력을 측정
4-2. 측정방법의 종류
a. 편위법 (Deflection Method)
: 측정하려는 양의 작용에 의하여 계측기의 지침에 편위를 일으켜, 이 편위를 눈금과 비교함으로써
측정을 행하는 방식
b. 영위법 (Zero Method)
: 측정하려고 하는 양과 같은 종류로서 크기를 조정할 수 있는 기준량을 준비하여 기준량을 측정량
에 평행시켜 계측기의 지시가 0 위치를 나타낼 때의 기준량의 크기로 부터 측정량의 크기를 간접
으로 측정하는 방식
c. 치환법 (Substitution Method)
: 측정량과 기지량과를 대치해서 전 후 2회의 측정결과로 부터 측정량을 구하는 방법
d. 보상법 (Compensation Method)
: 측정량으로부터 거기에 거의 동등한 기지량을 차입하여 그 차를 측정하여 아는 방법
4-3. 측정 오차
4-3-1. 측정오차란 ?
측정에 의한 측정값에는 여러가지 원인으로 인하여 반드시 오차가 포함되어 있다.
이때, 측정값과 참 값의 차를 오차라 합니다.
a. 오 차 = 측정값 – 참값
b. 오차율 = (ㅣ오차ㅣ / 측정값) × 100 [%]
4-3-2. 오차의 원인별 분류
a. 이론오차 : 측정 원리나 이론상 발생되는 오차
b. 계기오차 : 측정기 본래의 기차(器差)에 의한 것과 히스테리시스(Hysteresis)에 의한 것으로 구분
c. 개인오차 : 눈금을 읽거나 계측기를 조정할 때 개인차에 의한 오차
d. 환경오차 : 주위 온도, 압력 등의 영향, 계기의 고정자세 등에 대한 오차
e. 과실오차 : 계측기의 이상이나 측정자의 눈금 오독 등에 의한 오차
4-3-2. 오차의 원인별 분류
a. 이론오차 : 측정 원리나 이론상 발생되는 오차
b. 계기오차 : 측정기 본래의 기차(器差)에 의한 것과 히스테리시스(Hysteresis)에 의한 것으로 구분
c. 개인오차 : 눈금을 읽거나 계측기를 조정할 때 개인차에 의한 오차
d. 환경오차 : 주위 온도, 압력 등의 영향, 계기의 고정자세 등에 대한 오차
e. 과실오차 : 계측기의 이상이나 측정자의 눈금 오독 등에 의한 오차
4-5-2. 디지털 계측기의 오차 표현법
디지털 계측기의 오차는 나타낼 수 있는 가장 작은 증감치 혹은 수치를 말하고, 이것을 분해능 이라고
도 한다.
a. LSB (Least Significant Bit) : 최소단위의 크기를 표현
b. PPM (Parts Per Million) : 최소단위가 100만분의 1의 크기로 표현
c. Counts : 표시되는 최소치로 표현
d. Digits : 최소자리에 대한 오차 표현
4-5-3. 오차계산의 예
a. Range가 0∼300℃인 계기의 정확도가 ±0.5% of FS 일때, 측정치가 100℃인 경우, 오차는 얼마
입니까 ?
> 오차 : 300℃×(±0.005)= ±1.5℃
> 참값의 존재범위 : 100℃ ±1.5℃
b. Range가 -100∼300℃인 계기의 정확도가 ±0.2% of Span 일때, 측정치가 100℃인 경우, 오차는
얼마입니까?
> Span : 300℃-(-100℃)= 400℃
> 오차 : 400℃×(±0.002)= ±0.8℃
> 참값의 존재범위 : 100℃ ±0.8℃
c. Range가 0∼50mA인 계기의 정확도가 ±5% of Reading 일때, 읽은 값이 20mA인 경우, 오차는
얼마입니까?
> 오차 : 20mA×[±0.05]= ±1.0mA
> 참값의 존재범위 : 20mA ±1.0mA