[Automation System] 04

1. 스트레인 게이지

• 형태: 원통형, ㄹ자 형태
• 원리: 휘트스톤 브릿지(측정 회로) 개념이 포함됨.

2. 유체의 압력센서

• 타입: 탄성 변형 기반 센서
• 원리:
  1. 다이어프램(Diaphragm)
     • 박막 양측의 압력 차이에 의해 변형됨.
     • 스트레인 게이지를 박막에 부착하여 변위를 측정함.
     • 압력을 받으면 중앙의 박막이 내려가고 스트레인 게이지로 변위 측정.
     • 다이어프램은 주름이 있는 금속판으로 구성됨.

       

       Diaphragm

  2. 캡슐 벨로우즈(Capsule Bellows)
     • 내부의 압력 변화로 인해 팽창 또는 수축하여 측정.
  3. LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
     • 변위를 감지하여 전기적 신호로 변환.

 

3. 압전 센서 (Piezoelectric Sensor)

• 특징: 압전소자를 이용하는 센서.
• 원리: 이온 결정체가 인장 또는 압축 시 전기(전하)를 발생시킴.
• 식: q = kx = SF
  • q: 발생 전하량
  • kx: 물체의 탄성 변화량, 탄성 계수
  • S: 전하 감도
  • F: 가해지는 힘
• 캐퍼시터와의 관계: 압전 소자를 캐퍼시터 안에 넣어 전하를 측정하며, q = C * V (C: 전기 용량, V: 전압)
• 접촉식 센서: 감압식 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 필름이 사용되며, 부드러움으로 인해 생체 부착에 유리함.

*캐퍼시터(Capacitor) : 전기를 저장하는 전자 부품으로, 전하를 저장하고 방출하는 기능을 합니다. 일반적으로 두 개의 전극(판) 사이에 절연체(유전체)를 두어 구성됩니다.

4. 유체의 흐름 측정

• 오리피스(Orifice Plate):
  • 유로가 좁아지면 유속은 증가하고 압력은 감소함.
  • 압력 차로 유량을 계산.
  • 단점: 압력 손실이 큼.

    

• 해결 방법: 터빈 미터(Turbine Meter)
  • 비접촉식으로 유체의 흐름을 방해하지 않음.
  • 주기성을 파악하여 터빈의 속도를 측정.

 

5. 액위 측정

*액위 : 액체의 높이를 나타내는 용어

• 부표 방식: 물체의 부력을 이용하여 액위 측정.
• 차동 입력 방식 (Differential Pressure):
  • 밀어내는 유체의 압력과 가스를 이용하여 중간 판의 변위를 측정함.

6. 온도 센서

• 바이메탈(Bimetal):
  • 서로 다른 두 금속으로 이루어진 금속띠. 주로 스위치로 사용됨.

    

• 저항식 온도 검출 (RTD):
  • 식: Rt = R0(1 + αt)
  • Rt: 측정 온도에서의 저항값, R0: 기준 온도에서의 저항값, α: 온도계수, t: 온도.
• 서미스터(Thermistor):
  • 금속에 산소를 붙여 산화물 형태로 사용.
  • 특징: 저항 변화가 크며 비선형적 특성을 가짐.

    

 

7. 다이오드 (Diode)

• 정의: 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 반도체 소자.
• 구성: P형(Positive)과 N형(Negative)으로 나뉨.
• 특징: 실리콘과 특정 물질을 결합하여 공유 결합 구조를 가짐.

8. 열 다이오드, Thermodiode

• 개념: 다이오드는 온도 변화에 따라 전하를 옮길 수 있는 능력이 달라짐.
• 동작 원리:
  • 양공이 생성되고 전자가 풍부해지며, 양공과 전자가 양쪽 끝에 몰리게 되어 저항값이 커짐.
  • 두 가지 경우로 설명 가능:
    1. 고온의 경우: 전하 이동이 활발해져 전기 전도도가 증가.
    2. 저온의 경우: 전하 이동이 둔화되어 전기 전도도가 감소.

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양공 : 반도체 물질에서 전자가 빠져나간 자리

Cold Junction(냉접점) 은 **열전대(Thermocouple)**에서 중요한 개념입니다.

✅ Cold Junction(냉접점) 정의:

열전대는 두 가지 서로 다른 금속을 접합한 구조로 이루어져 있으며, 이 두 금속 접합점에서 온도 차이가 발생하면 **전위차(전압)**가 발생하게 됩니다.

• Hot Junction(열접점): 측정하려는 대상의 온도를 접촉하여 발생하는 부분. (예: 높은 온도를 측정할 때 고온의 금속 표면에 접촉)
• Cold Junction(냉접점): 일반적으로 기준 온도로 설정된 부분으로, 열전대의 다른 끝을 의미합니다.

🔍 왜 Cold Junction이 필요한가?

열전대는 두 접합점 사이의 온도차에 의해 전압이 발생합니다. 하지만 이 전압이 정확하게 측정되기 위해서는 **기준점(참조점)**의 온도가 일정하게 유지되어야 합니다. 이 기준점이 바로 Cold Junction입니다.

❓ Cold Junction이 0°C가 아닌 이유:

1. 환경 유지 문제: 0°C를 유지하기 위해 얼음이나 냉각 장치를 계속해서 사용해야 하므로 비효율적입니다.
2. 보상 회로 사용: 실제로는 Cold Junction Compensation(냉접점 보상) 이라는 기술을 사용하여 측정된 온도에서 자동으로 보정하여 기준값으로 변환합니다.
3. 실온 기준 사용: 대부분의 경우 실온을 기준으로 사용하고, 보정 회로로 정확한 온도 값을 얻습니다.

*접점(Junction)**이라는 것은 두 개의 다른 도체(금속)가 물리적으로 맞닿아 있는 지점을 의미

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9. 열전대 (Thermocouple)

• 개념: Hot과 Cold의 온도차로 전위차가 발생하여 전류가 흐르는 원리.
• 특징: Cold junction이 0도로 설정되지 않는 이유는 실제 환경에서 온도가 0도로 일정하게 유지되기 어렵기 때문.

10. 광센서

• 포토다이오드 (Photodiode):
  • 다이오드에 역방향 전류를 흘려 빛을 받으면 저항이 줄어들어 전류가 흐르게 됨.
• 포토트랜지스터 (Phototransistor):
  • 빛에 의해 전류를 증폭하는 반도체 소자.
  • NPN과 PNP 방식으로 나뉨.
  • 트랜지스터의 장점: 신호 증폭이 가능함.
• 포토레지스터 (Photoresistor):
  • 빛에 의해 저항이 달라지는 소자 (대표: CdS - Cadmium Sulfide).