계측은 물리적 프로세스의 측정 및 제어를 중심으로 하는 연구 및 작업 분야입니다. 이러한 물리적 프로세스에는 압력, 온도, 유량 및 화학적 일관성이 포함됩니다. 계측기는 모든 종류의 물리적 프로세스를 측정하고/하거나 제어하는 장치입니다. 전압 및 전류의 전기적 양은 장거리에서 측정, 조작 및 전송하기 쉽기 때문에 이러한 물리적 변수를 표현하고 정보를 원격 위치로 전송하는 데 널리 사용됩니다.
신호 는 정보를 전달하는 모든 종류의 물리적 양입니다. 청각적 언어는 확실히 일종의 신호입니다. 소리라는 물리적 매체를 통해 한 사람의 생각(정보)을 다른 사람에게 전달하기 때문입니다. 손짓도 신호이며, 빛을 통해 정보를 전달합니다.
이 텍스트는 또 다른 종류의 신호로, 영어로 훈련된 당신의 마음에 전기 회로에 대한 정보로 해석됩니다. 이 장에서, 신호 라는 단어 는 주로 전압이나 전류의 전기적 양을 나타내는 데 사용되며, 이는 다른 물리적 양을 나타내 거나 나타내는 데 사용됩니다.
아날로그 대 디지털
아날로그 신호 는 범위 내에서 제한된 수의 단계( 디지털 이라고 함)를 갖는 것과는 달리 지속적으로 변하는 신호의 일종입니다 . 아날로그와 디지털의 잘 알려진 예는 시계입니다. 아날로그는 원형 눈금 주위를 천천히 회전하는 포인터가 있는 유형이고, 디지털은 부드럽게 회전하는 대신 갑작스럽게 움직이는 10진수 표시 또는 "초침"이 있는 유형입니다.
아날로그 시계는 시간을 얼마나 세밀하게 표시할 수 있는지에 대한 물리적 한계가 없습니다. "바늘"이 부드럽고 멈춤 없이 움직이기 때문입니다. 반면 디지털 시계는 디스플레이가 허용하는 것보다 작은 시간 단위를 전달할 수 없습니다. 1초 간격으로 움직이는 "초침"이 있는 유형의 시계는 최소 1초의 분해능을 가진 디지털 장치입니다 .
아날로그와 디지털 신호는 모두 현대 전자공학에 적용되며, 이 두 가지 기본적인 정보 형태의 차이점은 이 책의 후반부에서 훨씬 더 자세히 다룰 것입니다. 지금은 이 논의의 범위를 아날로그 신호로 제한하겠습니다. 아날로그 신호를 사용하는 시스템은 일반적으로 더 간단한 설계이기 때문입니다.
이 주제에 대한 가장 기본적인 개요를 알아보려면 아날로그 및 디지털 전자공학에 대한 이 비디오 튜토리얼을 시청하세요 .
많은 물리적 양, 특히 전기적 양에서 아날로그 가변성은 쉽게 발견할 수 있습니다. 그러한 물리적 양이 신호 매체로 사용된다면 거의 무한한 해상도로 정보의 변화를 표현할 수 있을 것입니다.
산업용 계측 시스템
산업 계측 의 초기에는 압축 공기가 측정 기기에서 원격으로 위치한 표시 및 제어 장치로 정보를 전달하는 신호 매체로 사용되었습니다. 공기압의 양은 측정되는 변수의 크기에 해당했습니다. 약 20파운드/제곱인치(PSI)의 깨끗하고 건조한 공기가 공기 압축기에서 튜빙을 통해 측정 기기로 공급된 다음 해당 기기에서 측정되는 양에 따라 조절되어 해당 출력 신호를 생성했습니다.
예를 들어, 저장 탱크의 물 높이(프로세스 변수)를 측정하기 위해 설치된 공압(공기 신호) 레벨 "전송기" 장치는 탱크가 비어 있을 때는 낮은 공기 압력을 출력하고, 탱크가 부분적으로 찼을 때는 중간 압력을 출력하고, 탱크가 완전히 찼을 때는 높은 압력을 출력합니다.
"수위 표시기"(LI)는 공압 신호 라인의 공기 압력을 측정하는 압력 게이지에 불과합니다. 이 공기 압력은 신호 이므로 탱크의 수위를 나타냅니다. 탱크의 수위 변화는 공압 신호의 압력의 적절한 변화로 나타낼 수 있습니다.
공기압 장치의 기계적 특성으로 인한 특정한 실제적 한계를 제외하면, 이 공압 신호는 무한히 가변적이어서 수위의 어떤 정도 변화도 나타낼 수 있으며, 따라서 가장 순수한 의미에서 아날로그 입니다.
아무리 조잡하게 보일지 몰라도, 이런 종류의 공압 신호 시스템은 전 세계의 많은 산업용 측정 및 제어 시스템의 중추를 형성했으며, 단순성, 안전성, 신뢰성 덕분에 오늘날에도 여전히 사용되고 있습니다. 공기압 신호는 저렴한 튜브를 통해 쉽게 전송되고, 쉽게 측정되며(기계식 압력 게이지 사용), 벨로우즈, 다이어프램, 밸브 및 기타 공압 장치를 사용하는 기계 장치로 쉽게 조작할 수 있습니다. 공기압 신호는 물리적 프로세스를 측정하는 데 유용할 뿐만 아니라 이를 제어하는 데도 유용합니다 .
충분히 큰 피스톤이나 다이어프램을 사용하면 작은 공기압 신호를 사용하여 큰 기계적 힘을 생성할 수 있으며, 이 힘을 사용하여 밸브나 다른 제어 장치를 움직일 수 있습니다. 공기압을 신호 매체로 사용하여 완전한 자동 제어 시스템이 만들어졌습니다. 이러한 시스템은 간단하고 신뢰할 수 있으며 이해하기 비교적 쉽습니다. 그러나 공기압 신호 정확도에 대한 실제적인 한계는 어떤 경우에는 너무 제한적일 수 있으며, 특히 압축 공기가 깨끗하고 건조하지 않고 튜빙 누출 가능성이 있는 경우에 그렇습니다.
솔리드 스테이트 전자 증폭기와 기타 기술적 진보의 출현으로 전압과 전류의 전기적 양이 아날로그 계측기 신호 매체로 사용하기에 실용적이 되었습니다. 공압 신호를 사용하여 물 저장 탱크의 충만도에 대한 정보를 전달하는 대신, 전기 신호는 얇은 전선(튜빙 대신)을 통해 동일한 정보를 전달할 수 있으며 작동을 위해 공기 압축기와 같은 값비싼 장비의 지원이 필요하지 않습니다.
아날로그 전자 신호는 오늘날(2001년 1월) 계측 세계에서 여전히 주요 신호 종류이지만, 많은 응용 분야에서 디지털 통신 모드로 자리를 내주고 있습니다(이 주제에 대해서는 나중에 자세히 설명). 기술의 변화에도 불구하고 기본 원리를 철저히 이해하는 것이 항상 좋으므로 다음 정보는 결코 쓸모없게 되지 않을 것입니다.
라이브 제로
많은 아날로그 계측 신호 시스템에 적용되는 중요한 개념 중 하나는 "라이브 제로"로, 신호를 스케일링하는 표준 방식으로 0% 표시와 "데드" 시스템 상태를 구별할 수 있습니다. 공압 신호 시스템을 예로 들어보겠습니다. 송신기와 표시기의 신호 압력 범위가 0~12 PSI로 설계되었고 0 PSI가 프로세스 측정의 0%를 나타내고 12 PSI가 100%를 나타내는 경우, 수신된 0% 신호는 0% 측정의 합법적인 판독값 이거나 시스템이 오작동(공기 압축기가 멈춤, 튜빙이 끊어짐, 송신기가 오작동 등)했음을 의미할 수 있습니다. 0% 지점이 0 PSI로 표시되므로 둘을 쉽게 구별할 수 없습니다.
그러나 우리가 계기(송신기와 표시기)를 3~15 PSI의 척도로 조정한다면, 3 PSI는 0%를 나타내고 15 PSI는 100%를 나타내며, 표시기에서 공기압이 0이 되는 모든 종류의 오작동은 -25%(0 PSI)의 판독값을 생성하게 되는데, 이는 분명히 잘못된 값입니다. 그러면 표시기를 보는 사람은 무언가 잘못되었다는 것을 즉시 알 수 있을 것입니다.
모든 신호 표준이 라이브 제로 베이스라인을 사용하여 설정된 것은 아니지만, 보다 견고한 신호 표준(3-15 PSI, 4-20 mA)은 이를 적용했으며, 그럴 만한 이유가 있습니다.
검토:
- 신호 란 정보를 전달하는 데 사용되는 감지 가능한 모든 양을 말합니다.
- 아날로그 신호 는 작은 양의 변화도 나타내기 위해 연속적 또는 무한히 변화할 수 있는 신호입니다.
- 공압 또는 공기압 신호는 한때 산업 계측 신호 시스템에서 일반적이었습니다. 이는 전압 및 전류와 같은 아날로그 전기 신호로 대체되었습니다.
- 라이브 제로는 실제 측정값의 0%를 나타내기 위해 0이 아닌 양을 사용하는 아날로그 신호 스케일을 의미하며, 이를 통해 자연스러운 "휴식" 상태인 신호 압력, 전압 또는 전류가 0이 되는 모든 시스템 오작동을 즉시 인식할 수 있습니다.