한국NI에서 알려주는

측정/센서 필수 길라잡이 7

글 | 한국 NI, SW 및 측정 담당 조한길

7. 엔코더, 주파수

측정 및 센서 기본 시리즈의 마지막 순서인 엔코더와 주파수에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

엔코더는 선형 또는 회전 변위를 디지털 또는 펄스 신호로 변환하는 전기 기계 디바이스입니다. 가장 많이 사용하는 엔코더 유형은 광학 엔코더로서 회전 디스크, 광원, 광감지기(빛 센서)로 구성되어 있습니다. 회전하는 샤프트에 장착되는 디스크는 부호 처리되어 있는 불투명 및 투명한 섹터들의 패턴을 가지고 있습니다(그림 1 참고). 디스크가 회전하면, 이 패턴은 광감지기에 방출된 빛을 해석하고 디지 털 또는 펄스 신호 출력을 생성합니다.

절대위치 엔코더: 절대위치 엔코더는 샤프트의 모든 위치에 대한 특정 문자 패턴을 생성합니다. 절대위치 엔코더 디스크의 트랙은 일반적으로 4 ~ 6개이며, 일반적으로 바이너리 코드, binary-coded decimal(BCD), 그레이 코드 출력을 생성하도록 부호 처리됩니다. 절대위치 엔코더는 장기간 동안 디바이스가 활성화되지 않고, 전력이 차단될 리스크가 있거나 시작 위치를 알지 못하는 어플리케이션에 가장 많이 사용됩니다.

증분 엔코더: 증분 엔코더는 전체 디지털 문자에 상반되는 펄스를 각 증가 단계를 위해 생성합니다. 증분 엔코더는 절대 위치를 출력하지 않지만, 더 낮은 가격으로 더 뛰어난 분해능을 제공합니다. 예를 들어, 단일 코드 트랙을 가진 증분 엔코더는 타코미터 엔코더라고도 하며 주파수가 변위의 속도를 나타내는 주파수의 펄스 신호를 생성합니다. 하지만, 단일 채널 엔코더의 출력은 방향을 나타내지는 않습니다. 방향을 결정하기 위해 2-채널 또는 구적 엔코더는 두 개의 감지기와 두 개의 코드 트랙을 이용합니다.
증분 엔코더를 이용하면, 위치의 변화만 측정할 수 있지만(속도와 가속을 판단할 수 있는 곳에서), 대상의 절대 위치는 파악할 수 없습니다.

엔코더 측정에는 기본적인 전자 컴포넌트인 카운터가 필요합니다. 여러 개의 입력을 가지고 있는 기본 카운터는 카운트된 에지 수(웨이브폼으로 low ~ high 전환)를 나타내는 값을 출력합니다.
대부분의 카운터는 세 개의 입력인 게이트, 소스, 업/다운을 가지고 있습니다. 카운터는 소스 입력에 등록된 이벤트를 카운트하고 업/다운 라인의 상태에 따라 카운트를 증분하거나 감소시킵니다. 예를 들어, 업/다운 라인이 “high”일 경우 카운터는 카운트를 증분하고 “low”일 경우 카운터는 카운트를 감소시킵니다.

카운터가 수집하고 생성할 수 있는 세 가지 유형의 신호에 대해 알아보겠습니다. 카운터는 TTL 호환 신호로 작동합니다. TTL 호환 신호란 다음과 같습니다:

0V – 0.8V = 로직 low
2V – 5V = 로직 high
최대 상승/하강 시간 = 50ns

디지털 I/O에서 배운 것처럼, 디지털 라인은 디지털 라인의 상태를 설정하거나 모니터링 할 수 있습니다. 카운터는 신호의 상태와 관련이 없을 뿐 아니라 한 상태에서 다른 상태로의 변화에도 관련이 없습니다.
카운터는 상승 에지(로직 low에서 로직 high로 전환)와 하강 에지(로직 high에서 로직 low로)를 감지할 수 있습니다. 상승 및 하강 에지와 관련된 두 개의 중요한 파라미터는 상승/하강 시간 그리고 최소 펄스폭입니다.
상승/하강 시간은 신호가 low에서 high로 얼마나 빠르게 전환되는지 알 수 있는 방법입니다. 카운터가 에지를 감지하기 위해서는 TTL 호환 신호의 사양에 따라 정의된 것처럼 50ns 미만 내에 반드시 발생해야 합니다.
얼마나 빠르게 신호가 전환되는 지에 대한 시간 규제 외에도, 카운터가 다른 상승 또는 하강 에지를 감지할 때까지 상승 또는 하강 에지를 감지할 때 최소한의 지연이 필요합니다. 이런 지연을 최소 펄스폭이라고 합니다. 최소 펄스폭은 사용되는 카운터 칩에 좌우됩니다. 두 소스와 DAQ-STC 칩의 게이트에 대한 최소 펄스폭은 10ns입니다. 카운터의 최소 펄스폭에 대한 사양은 디바이스의 하드웨어 매뉴얼에서 확인할 수 있습니다.

엔코더는 계측기를 연결하는데 필요한 5개의 와이어를 가지고 있으며, 엔코더에 따라 와이어의 색상은 다양합니다. 이 와이어를 이용하면 엔코더에 전력을 공급하고 A, B, Z 신호로 읽을 수 있습니다.
다음 단계는 이 와이어 각각을 연결해야 할 위치를 결정해야 합니다. 위에서 기술한 것처럼 카운터를 고려할 경우, 신호 A는 소스 터미널에 연결되어 펄스가 카운트되는 신호로 만듭니다. 신호 B는 업/다운 터미널에 연결되며, +5V DC와 접지 신호를 원하는 전력원에 연결할 수 있습니다. 대부분은 데이터 수집 디바이스 카드의 디지털 라인이면 충분합니다.
에지가 카운트되면 다음으로 이 값들이 어떻게 위치로 변환될지 개념을 고려해야 합니다. 에지 카운트가 위치로 변환되는 프로세스는 사용되는 엔코딩의 유형에 따라 다릅니다. 기본적인 엔코딩 종류에는 세 가지로 X1, X2, X4가 있습니다.

X1 엔코딩
위 그림은 구적 사이클과 X1 엔코딩의 결과 증분 및 감소를 나타냅니다. 채널 A가 채널 B를 이어줄 때, 증분은 채널 A의 상승 에지에서 발생합니다. 채널 B가 채널 A를 이어줄 때, 감소는 채널 A의 하강 에지에서 발생합니다.

X2 엔코딩
채널 A의 각 에지에서 어떤 채널이 다른 채널로 연결되는 지에 따라 카운터가 증분되거나 감소한다는 점 외에 X2 엔코딩은 X1과 동일합니다. 각 사이클은 두 번의 증분 또는 감소가 발생합니다.

X4 엔코딩
카운터는 X4 엔코딩의 채널 A와 B의 각 에지에서 비슷하게 증분되거나 감소합니다. 각 사이클은 위 그림과 같이 네 번의 증분 또는 감소가 발생합니다.

For Rotational Position

Amount of rotation is Edge Count/xN * 360
where N = number of pulses generated by the encoder per shaft revolution

x = encoding type

For Linear Position

Amount of displacement is (Edge Count/xN) * (1/PPI)
where PPI = pulses per inch (a parameter specific to each encoder)

엔코딩 타입을 설정하고 펄스를 카운트했다면, 위치를 변환하는 것은 위의 공식 중 하나를 이용하면 됩니다.

본 섹션에서는 NI cDAQ-9178 섀시와 NI 9401 C 시리즈 디지털 I/O 모듈을 이용한 예를 들어보겠습니다. 절차는 다른 계측기나 디바이스를 이용할 때와 비슷합니다.
NI 9401은 8개의 디지털 채널과 연결하기 위한 D-Sub 커넥터를 제공합니다. 각 채널은 디지털 입력이나 출력 디바이스를 연결할 수 있는 디지털 I/O 핀을 가지고 있습니다.
cDAQ-9178의 4개 카운터는 섀시의 어떤 슬롯에서도 사용할 수 있습니다. cDAQ-9172를 이용할 경우, 두 개의 카운터는 슬롯 5와 6을 통해서만 가능하기 때문에 9401은 슬롯 5에 삽입합니다.

엔코더를 측정 디바이스에 연결했으므로, NI LabVIEW 그래픽 기반 프로그래밍 소프트웨어를 이용하여 데이터를 시각화 처리하고 분석할 수 있도록 컴퓨터로 전송할 수 있습니다.

디지털 신호의 주파수 측정은 데이터 수집 하드웨어에서 사용할 수 있는 카운터를 이용하여 수행됩니다.

첫 번째 방식은 하나의 카운터를 이용하는 방법입니다. 이는 낮은 주파수를 측정하는데 주로 사용됩니다. 입력신호의 rising edge가 타임베이스의 틱 수를 카운트합니다. 타임베이스 주파수는 알고 있으므로 입력 신호의 주파수를 계산할 수 있습니다.

두 번째 방식은 두 개의 카운터를 이용하는 것입니다. 한 카운터는 알 수 없는 주파수와 함께 펄스 트레인을 생성하고, 한 카운터는 구간 측정을 수행합니다. 카운터 1은 구간 측정을 수행하며, 내부 타임베이스가 아닌 소스를 외부 신호로 사용합니다. 카운터 1의 게이트 신호는 카운터 0의 출력에서 나오며, 이 신호는 펄스 트레인을 생성합니다. 카운터 0의 출력 주파수를 알고 있으므로 카운터 1의 게이트 사이클 길이를 정확히 알고 있습니다. 카운터 1의 소스에 도달하는 소스 에지 수에 따라 주파수를 추정할 수 있고, 카운터 1의 구간 측정을 게이트 구간으로 나눌 수 있습니다. 예를 들어, 카운터 0은 10 Hz의 펄스 트레인을 출력할 경우 게이트 구간은 0.1s입니다. 이 구간 동안일 경우, 100개의 소스 에지를 카운트하고 카운트의 소스 주파수가 (100+/-1)/0.1 또는 1000+/-10 Hz라는 것을 알고 있습니다.

지금까지 엔코더 및 주파수에 대한 원리와 측정하는 방법에 대하여 알아보았습니다. 간단한 DIO 만으로도 엔코더 및 주파수를 쉽게 측정할 수 있는 더 자세한 방법은 www.ni.com에서 확인하시길 바랍니다.

 6.  전압, 전류, 전력

전력을 측정하는 이유는 여러 가지가 있습니다. 여러분들은 스마트 그리드에 대해 들어본 적이 있을 것입니다. 스마트 그리드는 생성되고 있는 전기를 보다 더 효율적으로 사용할 수 있는 방법을 연구하기 위해 엄청난 양의 자본이 투입되고 있는 부분 중 하나입니다. 효율성을 실현하기 위해서는 모니터링부터 시작하며, 전력의 생성부터 소모가 이루어지는 망을 모니터링해야 합니다.

회전 기계의 온도와 진동의 모니터링은 일반적으로 이루어지고 있지만, 머신이 상태가 어떤지 더 잘 이해하기 위해서는 전압, 전류, 전력이라는 3가지 요소를 추가적으로 활용할 수 있습니다. 펌프, 프레스, 컴프레셔 또는 기타 전기 장비의 일부가 동일한 작업을 수행하는 상황에서 시간에 따라 더 많은 전류를 도출한다면, 머신에 유지보수가 필요하다는 의미일 것입니다.

세 번째 어플리케이션은 어플리케이션 테스트입니다. 냉장고나 오븐은 대량의 전기를 소모하는 기기가 아닌 것 같습니다. 하지만 세상 모든 사람들이 이 기기들을 가지고 있기 때문에 효율성을 조금만 증진하여도 엄청난 효과를 거둘 수 있습니다.
이번 호에서 다룰 전력 측정은 이러한 어플리케이션에 기본적으로 모두 동일하게 적용됩니다.

Facilities/Utilities	Machine Health	White Goods Testing

전력과 에너지를 다룰 때 모호할 수 있는 용어와 단위들이 있습니다. 전력에 대해 말할 때 많은 사람들이 생각하는 부분에 대해 알아보겠습니다.

“전기 미터기”는 대부분 익숙할 것입니다. 하지만 이 미터기가 실제로 무엇을 측정할까요? 이 미터기는 사용한 에너지 양을 전기 업체에 알려줄 목적으로 제작되었습니다. 여기서 중요한 것은 이 미터기가 전력이 아닌 에너지 양을 측정한다는 것입니다. 에너지는 시간에 따른 가용전력을 뜻합니다. 한 예로, 헤어드라이어를 살펴보겠습니다. 1500 와트 헤어드라이어는 이론적으로 1500 와트의 전력을 사용합니다. 이 헤어드라이어를 1시간 동안 계속 사용하여 1500 Whr 또는 1.5 kWhr의 에너지를 사용했다면 전기 업체는 약 8-15센트의 요금을 부과할 것입니다 (미국 기준).

에너지는 와트시로 측정되고, 전력은 와트로 측정됩니다. 그렇다면 전력은 무엇이고 어떻게 측정할까요?

전력은 직접 측정할 수 없지만, 두 개의 요소를 이용하면 계산할 수 있습니다. 전력을 측정하기 위해서는 이 두 요소를 개별적으로 측정해야 합니다. 전력은 입자의 전압 또는 전위를 전하의 “흐름 속도” 즉, 전류 (암페어로 측정)와 조합한 것입니다.

전기는 볼 수도 없고 만질 수도 없기 때문에 설명이 쉽지 않습니다. 그래서 이 전기를 보다 쉽게 설명하고자 기계/물리적 비유를 들어보겠습니다. 전기를 간단하게 비유할 수 있는 것은 물입니다. 전기를 물에 대입해보면, 전류는 물이 흐르는 속도이고 전압은 물이 흐를 수 있게 하는 압력입니다. 고압의 물은 철을 자를 수 있고, 천천히 흐르는 6인치 높이의 물은 도로 위의 자동차를 밀어낼 수 있습니다. 전기 역시 마찬가지입니다. 전기도 양이 많으면 더 많은 것을 해낼 수 있습니다. 전기가 생성되어 소모되는 방법을 보면 그 이유를 알 수 있습니다.

측정을 진행하기 위해 알아야 할 몇 가지 계측 고려사항에 대해 빠르게 알아보겠습니다. 동시 샘플링, 고분해능, 앨리어싱 제거 필터는 전력 측정에 상당한 효과를 줄 수 있는 세 가지 요소이며 전력을 측정하기 위해 계측기를 선택할 때 알아야 할 중요한 요소입니다.

프레젠테이션 시작에서 예로 다루었던 세 가지 어플리케이션의 전력은 교류를 나타내는 AC 전력입니다. 이 설정에서 전류 흐름 방향은 초당 몇 번을 순환합니다. 미국에서는 초당 60Hz 또는 60번입니다. 이 수치는 회전 장비의 생성, 위치 및 사용한 자석 개수에 따라 결정됩니다.

위의 이미지에서 전압 웨이브폼은 녹색으로 생성되고 전류 웨이브폼은 빨간색으로 생성되는 것을 확인할 수 있습니다. 전류 웨이브폼은 망에 연결된 부하의 결과이며 가해진 부하의 유형과 수에 따라 변하게 됩니다. 전력을 측정하기 위해서는 전압 웨이브폼과 전류 웨이브폼간의 동기화 측정을 진행해야 하며 이 둘간의 위상 변화를 측정할 수 있습니다. 이 측정은 효율성 연산을 수행할 때 더 중요합니다. 동기화 계측에는 채널당 하나의 ADC가 있기 때문에 V 및 I 동시 측정을 제공합니다.

측정된 신호의 분해능은 디바이스가 감지할 수 있는 아주 작은 변화를 나타냅니다. 아날로그 신호를 디지털로 변환하면 유한한 전압 레벨 세트와 함께 신호를 표현합니다. 아날로그 신호를 표현하기 위해 사용 가능한 전압 레벨의 개수는 DAQ 시스템의 ADC 분해능에 달려있습니다.

분해능은 데이터 수집 계측기의 속성으로서 변경이 불가합니다. 분해능은 비트로 측정되며, 디지털 표현 전압 수준에 얼마나 많은 비트가 사용 가능한지를 뜻합니다. 표현할 수 있는 전압 레벨 수를 파악하기 위해서는 비트 수의 전력에 2를 올립니다. 3비트 디바이스에서 예를 들면, 세 번째 전력은 8이므로 8개의 다른 전압 레벨만 표현할 수 있습니다.

차트를 보면, 이론상 3비트 데이터 수집 계측기는 10V 범위로 1.25V의 변화만을 감지할 수 있습니다. 다른 대안으로는 16비트 데이터 수집 보드로 수집한 동일한 웨이브폼을 확인할 수 있습니다. 이 웨이브폼은 아날로그 형태의 실제 사인파처럼 보입니다. 이 사인파를 줌인하여 살펴보면 계단 형태가 있는 것을 알 수 있지만, 분해능이 더 높기 때문에 계단이 더 작습니다.

전력 측정에서는 감지하고자 하는 변화가 얼마나 작은지에 따라 분해능이 중요합니다. 최소 전력은 120/240/480이 될 수 있고 아주 작은 변화도 감지하고자 한다면 더 높은 분해능의 컨버터가 필요합니다.

Shannon 샘플링 이론에 따르면, 분석할 수 있는 가장 높은 주파수(나이퀴스트 주파수: fN)는 샘플링 주파수입니다. fN보다 큰 아날로그 주파수는 샘플링 후 0과 fN 사이의 주파수로 나타납니다. 이런 주파수를 “앨리어스” 주파수라고 합니다. 디지털(샘플된) 도메인에서 0과 fN 사이에 놓인 주파수의 앨러어스 주파수를 파악할 수 있는 방법은 없습니다. 따라서, 이러한 앨리어스 주파수는 A/D 컨버터가 샘플링하기 전에 용량성 필터로 아날로그 신호에서 제거해야 합니다.

생각했던 것보다 훨씬 복잡해 보일 수 있는데요. 전력의 가장 기본이라고 할 수 있는 전압 및 전류 측정에서 시작했기 때문에 그렇습니다. 많은 사람들이 전압 측정을 생각할 때 전압과 전류를 측정할 수 있는 DMM을 생각합니다. 와트미터와 같은 일부 디바이스들 역시 전력을 와트로 측정할 수 있습니다. 이런 디바이스들에는 내부에 칩이 있어 연산을 수행하지만 앞에서 언급했듯이 V와 I의 측정으로 시작합니다. 사실상, 위와 같은 디지털 디스플레이 디바이스는 AC 전력/전압/전류에 대한 RMS 값을 보여줍니다. 디스플레이에 나타나는 연산 값은 AC 전력을 수량화하는데 사용하며, 콘센트에서 이루어지는 측정은 다음과 같습니다.

이상적으로 생각한다면, 전기 업체에서 공급하는 전력은 정밀한 주파수에 있으며 일관적인 RSM 값을 가지고 있고 과도나 고조파가 없습니다. 하지만 실제로는 모든 것이 유동적입니다. 이렇게 발생하는 유동은 사용할 수 있는 품질을 유지할 수 있도록 지정한 범위 내에 있어야 합니다. 사양 안에 전력이 존재하도록 하기 위해 수행하는 전압 및 전류 웨이브폼의 모니터링 프로세스를 전력 품질 분석이라고 합니다. 간단한 DMM과 와트미터는 웨이브폼이 사인파의 모양과 멀어지게 되면 연산을 추정하기도 합니다. 더 낮은 레벨에서 웨이브폼으로 시작했기 때문인데, 이 때는 직접 연산을 적용하는 것이 좋습니다.

그럼 이제 전압, 전류 및 전력 측정에 대한 배경지식을 가지게 되었으니, 물리적으로 측정하는 방법을 알아보겠습니다.

전압은 병렬로 측정됩니다. 한 터미널은 핫(흰색) 리드에 연결되고 한 터미널은 반환(검정) 리드에 연결됩니다. 이론상 전압은 전체 망에서 동일해야 합니다. 하지만 실제로는 서브스테이션과 서브스테이션간에 약간의 차이가 있습니다.

전류는 일련으로 측정됩니다. 즉, 전원 케이블의 한 와이어를 활용할 수 있으며, 반으로 나누어 데이터 수집 카드를 통해 직접 연결할 수 있습니다. 이렇게 연결하면 데이터 수집 카드는 회로에 직접 통합됩니다. 이러한 직접 측정 방식은 더 작은 전류에서만 유효합니다. 좀 더 분명하게 말하면, 작은 전류 범위를 제공하는 대부분의 데이터 수집 카드로는 전력설비나 머신 또는 일부 가전기기의 전력을 측정할 수 없습니다. 변류기(CT)는 전류를 앞에서 언급한 것처럼 보다 작은 측정 가능한 전류로 낮추는데 사용합니다.

변류기 또는 CT를 사용할 때 로드 와이어는 데이터 수집 모듈에 직접 통하는 것이 아닌 CT의 개방을 통합니다. 이 방식은 로드 와이어를 통해 흐르는 전류와 함께 변하는 CT에 전류를 유도합니다. 이는 발전기가 작동하는 방식과 비슷하지만, 다른 점은 출력을 측정하는데 사용하고 있다는 것입니다. 계측기에 대한 CT의 출력은 2차 권선의 개수에 따라 달라집니다. 개방 주변에 2차 권선이 더 많은 CT를 이용하면 측정된 전류가 훨씬 더 낮아지게 됩니다.

그렇다면 DMM에서 보았던 디지털 출력을 웨이브폼 데이터에서 어떻게 얻을 수 있을까요? 웨이브폼 데이터로부터 계산할 수 있는 기능 중 하나는 RMS입니다.

RMS는 Root Mean Square (평균평방근)의 약자로 명칭에 의미를 함축하고 있습니다. 평균적으로 모든 데이터 포인트의 제곱 합의 제곱근은 웨이브폼에서 측정됩니다. 이 측정 값은 한 번의 주기 또는 여러 주기를 통해 계산할 수 있습니다.

웨이브폼 모양을 추정하기 위한 RMS를 계산하는 다른 방법도 있습니다. 이 추정치를 사용하고 더 쉽게 계산을 진행하면 계측기를 더욱 낮은 비용으로 구축할 수는 있지만 항상 최상의 결과 값을 얻을 수는 없을 것입니다.

하지만 단순히 RMS를 넘어 수행할 수 있는 다른 종류의 계산과 신호 처리도 있습니다.

앞에서도 언급한 것처럼, 모든 어플리케이션의 측정은 동일하게 전압과 전류의 측정부터 시작합니다. 이 전압과 전류를 통해 웨이브폼 기반으로 수행할 수 있는 다른 모든 종류의 계산을 확인하기 시작할 수 있습니다. 이 계산들은 일관적으로 수행될 수 있는 표준이 마련되어 있습니다.

sag/swell과 인터럽션과 같은 전력 “이벤트”는 표준 120/60Hz 장비에 좋지 않은 영향을 미칩니다. IEEE와 IEC 같은 조직은 전력 현상을 수량화하기 위한 표준을 정립했고, CBMEA와 ITIC 같은 조직은 사무용 장비의 운용 가능 지역을 정립했습니다. 사람들을 ‘세이프 존’에 있게 하기 위한 전력 품질 모니터링은 머신의 사용 기간을 연장시킬 수 있습니다. 품질이 좋지 않은 전력은 전력 공급 업체나 전력 컨디셔닝 장비를 통해 처리할 수 있습니다.

한 가지 유념할 점은 전력 컨디셔닝 장비의 가격은 저렴하지 않기 때문에, 전력을 모니터링하고 장비의 작동이 실패하는 원인을 이해한다면 새 장비 구입 시 적절한 ROI를 계산할 수 있습니다.

이제 좀 더 고급 내용으로 들어가보겠습니다. 여러분들께서는 일부 스크린샷에서 전압 및 전류 웨이브폼이 동일한 모양을 가지고 있다는 것을 눈치채셨을 것 같습니다. 하지만 앞에서 본 그림에서 전류 웨이브폼은 완벽한 사인파는 아니었습니다. 이런 결과는 다른 부하가 전류 신호에 영향을 미쳤기 때문입니다. 전압 및 전류 웨이브폼 사이의 위상 오프셋은 시스템에 가해진 부하의 종류에 직접적인 영향을 미칩니다. 그 중에서도 저항성 부하가 가장 효율적인데, 그 이유는 이 부하가 유도한 전류 웨이브폼이 전압 웨이브폼과 비슷하기 때문입니다. 모터와 같은 유도성 부하와 cfl과 같은 용량성 부하는 전류가 lag되거나 lead되도록 유발하지만, 동일한 망에 있을 때는 서로를 무효화시키게 됩니다. 이 현상을 역률보상이라고 합니다.

전류 웨이브폼의 lag 또는 lead는 현재 망에서 전력이 얼마나 효율적으로 사용되고 있는지를 나타내는 직접적인 징표입니다. 이 양을 수량화하기 위해 power triangle에 대해 알아보겠습니다.

위의 그림을 power triangle이라고 합니다. 전력에 대한 효율성을 계산하기 위해 사용되는 기하학적 유추입니다. 이 기하학을 이용하면, 두 개의 값 측정을 통해 삼각형의 모든 면을 계산할 수 있습니다.

실제 전력은 말 그대로 사용하는 전력입니다. 현재 소모 중인 실제 전력을 측정하는 것입니다.

무효 전력은 부하에서 유효하게 사용할 수 없는 전력 값입니다. 다시 말해, 이 전력은 “낭비”되고 있는 것입니다. 겉보기 전력은 실제 및 무효 전력의 벡터를 요약한 것입니다.

이 삼각형에서 중점적으로 봐야 하는 것은 실제 전력과 역률입니다. 역률은 망이나 현재 모니터링 중인 머신의 효율성을 측정한 것입니다. 상업 회사에서 역률이 특정 값 이하로 떨어지면 벌금을 받게 됩니다. 예를 들어, .95 범위는 지역별 규정과 전력 공급업체에 따라 달라집니다. 이 때문에 산업 제조업체들과 상업용 사용자들은 벌금을 피하기 위해 역률을 모니터링하고 필요할 경우 조정해야 합니다.

역률은 간단하게 계산할 수 있습니다. 실제 전력을 시스템의 겉보기 전력으로 나누기만 하면 됩니다.

Power triangle의 원래 물리학적 의미는 기동차를 끄는 말에서 비유되었습니다. 이 물리학에서는 말이 레일에 가까워질수록 더욱 효율적으로 기동차를 끌 수 있다는 것을 보여주고 있습니다. 이 예에서, 트랙에 수직인 힘 벡터는 낭비된 에너지인 이유는 기동차가 트랙에 수직으로 절대 이동하지 않기 때문입니다. 이는 power triangle에서 “무효 전력”을 뜻합니다. 위상각을 최소화하는 것이 중요한 이유는 소모된 전력의 효율성을 최대화할 수 있기 때문입니다.

지금 보는 사례는 CompactRIO 측정 플랫폼을 이용하여 전력 모니터링 시스템을 구현한 것입니다.

Nucor는 미국에서 가장 큰 철강 재활용 생산기업 중 하나입니다. 특성상 용광로를 실행하기 위해 엄청난 양의 전기가 필요하기 때문에 망에서 너무 많은 전력을 가져오는 경우에는 플리커라고 하는 현상이 유발되고는 했습니다. 이 현상이 발생할 때 에너지 공급업체는 상당한 벌금을 물게 되었습니다.

용광로가 너무 많은 전기를 쓰게 되면 운영자에게 경고하도록 망 모니터링 시스템을 구현하였고, 전력 양의 사용을 줄이고 벌금을 피하기 위해 제어 방식을 수정할 수 있었습니다.

앞에서 살펴본 사례와 데모는 NI의 C 시리즈 플랫폼으로 구축되었습니다. C 시리즈는 모듈형 데이터 수집 시스템으로서 100개 이상의 모듈을 활용할 수 있어 가속도계와 온도 데이터부터 전압과 전류를 한 시스템에서 모두 측정할 수 있습니다.

C 시리즈 제품은 두 가지 플랫폼으로 제공됩니다. 그 중 한 가지인 CompactDAQ은 웨이브폼 스트리밍 어플리케이션에 적합하며 USB, 이더넷, Wi-fi를 통해 연결할 수 있고, CompactRIO 시스템은 FPGA, 리얼타임 컴퓨터, 스토리지 디스크를 모두 내장하고 있어 임베디드 의사결정 및 컨트롤 어플리케이션에 적합합니다.

이 두 플랫폼은 앞에서 언급했던 전력 모니터링 플랫폼 예를 들어, 동시 샘플링, 앨리어싱 제거 필터 및 고분해능 측정 등의 요구사항을 모두 충족시킵니다.

내쇼날인스트루먼트는 C 시리즈 플랫폼 외에도 더 많은 채널 수와 더 뛰어난 성능을 제공하는 시스템으로 산업용 표준 PXI 폼팩터를 제공합니다. PXI를 이용하면, 더 높은 전류와 전압을 측정할 수 있고 1000개의 채널을 동기화할 수 있습니다.

본 웹 세미나를 통해 전력 측정 방법을 확실히 이해했을 것으로 확신합니다.

더 자세한 내용은 ni.com/data-acquisition 혹은 korea.ni.com/smart-measurements 에서 확인할 수 있습니다.

한국NI에서 알려주는 측정/센서 필수 길라잡이 5

글 | 한국 NI, SW 및 측정 담당 이지석

5. 하중, 압력, 토크

교량이나 건축에서는 물체에 가해지는 힘들을 모니터링 하는 것이 굉장히 중요합니다. 자칫 일부분에 집중된 하중은 전체 시스템을 파괴 할 수도 있기 때문입니다. 이번 글에서 데이터 수집 시스템에 로드, 압력 및 토크 센서를 통합하는 방법과 보다 나은 데이터를 수집할 수 있는 측정 하드웨어와 기법에 대해 알아보겠습니다.

압력, 로드, 토크는 어떤 부위 주변에서 밀고 당기거나 회전하는 힘들을 뜻합니다. 이런 힘들은 전용 계측기를 이용하여 수동으로 측정할 수 있었습니다. 하지만 PC로 이런 측정 값을 읽기 위해서는 물리적인 힘을 PC가 측정할 수 있는 값인 전자 신호로 변환해야 합니다. 이렇게 물리적인 값을 전기적인 신호로 바꿔주는 것을 센서 또는 트랜스듀서라고 하며 하중, 압력, 토크를 측정하기 위한 압력센서, 로드셀, 토크센서에 대해 알아보겠습니다.

해당 센서들을 이해하기 위해서는 우선적으로 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)를 알아야 합니다. 휘트스톤 브리지는 알 수 없는 전기 저항을 측정하는데 사용합니다. 휘트스톤 브리지는 브리지 회로 중 두 개 지점의 균형을 유지하며, 두 지점 중 하나에는 알 수 없는 컴포넌트(저항)가 포함되어 있습니다. 휘트스톤 브리지는 센서 회로망의 시작점이라고 할 수 있습니다.

상단의 그림에서, 변형률을 측정하는 단일 스트레인 게이지가 구조에 부착된 상태에서 구조에 힘이 가해질 때, 길이의 변형으로 인해 게이지의 저항 변화 (ΔR)가 유발됩니다. 따라서 스트레인 ε이 구조의 원래 길이 (L)로 나눈 구조의 길이 (ΔL) 변화와 동등하다는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 사실상 요소에 유도된 스트레인(변형률)입니다.

로드셀에서(압력 및 토크 센서에도 적용) 스트레인 게이지들은 전략적으로 측정부분에 배치되어 있고, 휘트스톤 브리지 방식으로 배선되어 있습니다. 일부 저항 변화들은 증가하고(+ 저항), 일부는 감소하도록(- 저항) 게이지가 배치되면 브리지의 출력이 불균형화되고 로드셀 구조에 적용된 힘에 비례하게 합니다. 휘트스톤 브리지에는 고정된 입력 전압(V in)으로 전력을 공급하며, 브리지의 출력은 포인트 B와 D 사이의 전압으로 측정됩니다. 로드가 가해지지 않은 조건에서 포인트 B와 D 사이에서 측정된 출력 전압은 약 0이 되며, 풀스케일 로드가 가해질 때는 출력 전압(V out)이 밀리 볼트로 측정됩니다. 일반적으로 로드셀의 민감도는 2mV/V 이지만(입력 전압이 10V일 경우, 완전히 로드가 가해진 조건에서 출력은 20 mV가 됩니다), 어플리케이션에 따라 다양한 민감도를 가진 로드셀을 선택하여 사용할 수 있습니다.

이제 보다 다양한 종류의 로드셀, 압력 센서, 토크 센서에 대해 자세히 알아보겠습니다.

압력은 유체가 가한 유닛당 힘을 나타냅니다. 압력의 측정 SI 단위는 Pascal(Pa)이지만, psi(pounds per square inch), in H2O(inches of water), N/mm2(Newton’s per millimeter squared)도 일반적으로 사용됩니다.

압력 트랜스듀서에서 가장 중요한 기계 부품은 일반적으로 압력 감지 구조 (스프링 요소)입니다. 유체의 압력은 압력 감지 구조에 힘을 가합니다. 이 구조는 가한 힘에 반응하는 기능을 합니다. 그리고 이를 통해 압력 측정을 위해 스트레인 게이지가 위치할 수 있는 절연된 단일 변형장에 힘의 영향을 집중할 수 있습니다.

상단의 예는 실리콘 피에조 저항성 압력 센서와 관련이 있습니다.

압력 감지 요소는 실리콘으로 제작된 다이어프램입니다. 이 실리콘 다이어프램은 유리 하부 구조에 부착됩니다. 이 실리콘 다이어프램 구조는 압력이 가해지면서 예측과 반복이 가능한 방식으로 작동합니다(구조에서 아주 얇은 굴절발생). 압력은 실리콘 다이어프램 표면에 장착된 스트레인 게이지의 저항 변화에 따라 신호 전압으로 변환되고 전기 회로에 구성됩니다.
T&M 압력 센서의 실리콘 다이어프램은 부착된 휘트스톤 브리지가 노출된 상태에서 현재 측정 중인 압력 매개체로부터 절연됩니다. 절연을 위해 현재 측정 중인 매개체 사이에 구멍을 만든 후, 실리콘이나 전기회로에 붙지 않는 기름으로 채웁니다. 구멍의 반대 측면에는 현재 측정 중인 압력을 구멍의 기름으로 전달하기에 유연한 금속/철 다이어프램 즉, 실리콘 다이어프램이 있습니다. 이 금속/철 다이어프램은 다이어프램 절연이라고 합니다.
이 기술은 10,000 psi (6.9 kPa ~ 69 Mpa)에 대한 H2O에서 압력을 측정하는데 사용합니다.
아주 상위 수준에서 보면, 이 기술은 마이크로 머신 실리콘 다이어프램으로 구성된 압력 센서로 설명할 수 있습니다. 이 다이어프램은 피에조 저항성 스트레인 게이지로 구성되어 있으며 다이어프램에 분산되어 있고, 실리콘 또는 유리판 뒤에 용해되어 있습니다. 압력 유도된 스트레인은 저항기의 값을 높이거나 낮추고, 이 저항의 변화는 30%까지 될 수 있습니다. 저항기들은 휘트스톤 브리지로서 연결되며, 출력은 압력에 직접 비례합니다.

많이 사용되는 또 다른 압력 센서는 접착형 호일 스트레인 게이지를 활용하여 가해진 압력을 두 방향 중 한 방향으로 측정합니다. 일부 모델, 특히 소형 압력 센서에서 호일 스트레인 게이지는 철 다이어프램의 후면에 접착되어 측정 중인 매개체에 노출됩니다. 압력은 다이어프램 표면 주변에 전략적으로 정렬된 스트레인 게이지의 저항 변화에 따라 신호 전압으로 변환된 후 전기 회로에 구성됩니다.

하지만 다른 모델에서 호일 스트레인 게이지는 측정 중인 매개체에 노출된 다이어프램에 기계적으로 연결된 요소에 접착됩니다. 이 스트레인 게이지는 사실상 기계로 작동하는 연결장치에 의해 다이어프램에서 전달된 힘을 측정합니다. 이 요소는 로드셀로서 작동하며, 다이어프램에 가해진 로드에 직접 비례하는 힘을 측정하도록 제작되었습니다.

이 기술은 일반적으로 10psi ~ 174,000psi (69 kPa ~ 1,206 Mpa)의 압력을 측정하는데 사용됩니다.

이제 로드셀로 넘어가보겠습니다.

힘/로드를 측정하는 SI 단위는 Newton(N)입니다.
로드셀은 힘을 직접적으로 정확하게 측정합니다. 스트레인 게이지는 셀 내부의 측정 툴입니다. 로드셀이나 스트레인 게이지 트랜스듀서에서 가장 중요한 기계 구성요소는 보통 구조(스프링 요소)입니다. 이 구조의 기능은 가해진 로드에 반응하는 것으로, 로드 측정을 위해 스트레인 게이지가 배치될 수 있는 절연된 단일 변형장에 가해지는 로드의 효과에 집중합니다.

로드셀 구조 디자인에 가장 많이 사용되는 세 가지로 multiple-bending beam, multiple-column, shear-web이 있으며, 가능한 모든 로드셀 프로파일 및 구성을 위한 기본요소를 형성합니다. 이 로드셀 구조(스프링 요소) 재질은 일반적으로 탄소강, 스테인리스스틸 또는 알루미늄이지만 반드시 이 재질이 사용되는 것은 아닙니다.

Multiple-bending 로드셀은 저용량(20 ~ 22K Newton)이며, 휠 모양의 스프링 요소로 제작되어 있어 낮은 프로파일 트랜스듀서, 네 개 활성 게이지 또는 브리지 암 당 몇 세트의 게이지에 적용 가능하고 동등한 반대 스트레인과 쌍을 이룹니다.

로드셀 유형에는 여러 버전의 Bending Beam, Shear Beam, Colum 디자인이 있습니다. 도표에서 확인할 수 있듯이, 로드셀은 앞에서 언급했던 기본 로드셀 디자인을 기초로 하여 변형된 다양한 로드셀 폼팩터가 있습니다.

Bending beam 디자인에는 다음과 같은 폼팩터가 있습니다.

• 단일 포인트 weighbeam
• bending beams with bellows
• 캐니스터 타입
• S- 타입

위의 그림에는 없지만 저용량 프로파일 / 팬케익도 있습니다. 하지만 bending beam design에서는 잘 활용하지 않습니다.

Shear Beam 디자인에는 다음과 같은 폼팩터가 있습니다.

• Shear 팬케익 / 로우 프로파일 범용 셀
• Shear 팬케익 / 로우 프로파일 피로도 등급 셀
• Clevis pins
• 도넛셀 (저용량)

Column 디자인에는 다음과 같은 폼팩터가 있습니다.

• 단일 칼럼 캐니스터 셀
• 다단 (Multi-column) 캐니스터 피로도 등급 셀
• 도넛셀 (더 높은 용량)

토크 측정에 사용되는 SI 단위는 Newton Meter (Nm)입니다.

토크에 대해 간단히 정의하면 토크 = 힘 X 거리로서, 시계 방향의 토크 (트위스트)는 보통 양의 토크를 제공하며 시계 반대 방향 토크 또는 트위스트는 보통 음의 토크를 제공합니다.

토크 센서는 엔진 크랭크 샤프트 또는 자전거 페달과 같은 회전 드라이브 소스와 로드 소스간의 트위스트 또는 windup을 측정합니다.
토크 센서로 많이 사용하는 네 가지 디자인은 다음과 같습니다.

■ Hollow Cruciform
• Solid Square Shaft
• Radial Spoke
• Hollow Tubular

응답형 토크 센서는 억제되어 있어 하우징이나 커버가 센서 요소에 고정되어 있기 때문에 케이블 랩핑 없이는 360° 회전이 불가합니다. 기본적으로 이 센서는 인라인 토크를 측정하며 비회전 상태에 있습니다.
도표를 보면, 드라이브 소스가 회전하려고 할 때 로드 소스가 뻣뻣한 상태를 유지하고 있을 경우 토크가 감지됩니다. (이 상태를 스톨 토크라고 함.)
앞뒤로 움직여 모션을 흔들 경우 (+/- 90도), 응답형 센서가 여러 번 사용됩니다.
로터리 토크 센서: 토크 센서의 샤프트가 360도 회전할 때, 신호 전압이 회전 요소에서 고정 표면으로 전송되기 위한 수단이 반드시 필요합니다. 이는 슬립링, 로터리 변환기 또는 텔레메트리를 이용하여 수행 가능합니다.
슬립링 방식은 슬립링과 브러시 사이뿐 아니라 베어링과의 접촉이 필요합니다.
아날로그 또는 디지털 텔레메트리 방식은 접점이 없습니다.

이 방식들이 어떻게 작동하는지 알아보겠습니다.
슬립링 방식의 경우, 스트레인 게이지 브리지는 회전 샤프트에 장착된 네 개의 실버 슬립링에 연결됩니다. 실버 그래파이트는 이 슬립링들을 문질러 들어오는 브리지 구동과 나오는 신호에 대한 전기 경로를 제공합니다. 스트레인 게이지 브리지를 구동하기 위해 AC 또는 DC를 사용하든 둘 다 이점이 있습니다.

변환기 방식의 경우, 회전 변환기가 기존의 변환기와 유일하게 다른 점은 주 와인딩이 회전하거나 두 번째 와인딩이 회전한다는 것입니다. 한 변환기는 AC 구동 전압을 스트레인 게이지 브리지에 전송하는데 사용되며, 두 번째 변환기는 신호 출력을 트랜스듀서의 비회전 부품에 전송하는데 사용됩니다. 따라서 두 개의 변환기는 네 개의 슬립링을 대체하고 트랜스듀서의 회전 요소와 고정 요소간에 직접적인 접촉이 필요 없습니다.

변환기 자체는 동심으로 감겨진 코일스위치 한 쌍으로서 한 코일이 고정 코일 내 또는 옆에서 회전합니다. 자속선은 시간에 따라 변하는 전압을 이 코일들 중 하나에 적용하여 생성됩니다. 자로에 유동을 집중하고 코일간의 커플링을 강화하기 위해 고도자율 코어가 추가됩니다.
지금까지 센서에 대해 알아보았으므로 이제 이 센서들을 이용하여 어떻게 측정 할 수 있는지 살펴보겠습니다.

NI DAQ 하드웨어는 여러 다른 센서들과 함께 사용할 수 있습니다. 한 예로 위의 슬라이드의 내용은 Honeywell 센서를 NI 9237 C 시리즈 모듈에 연결한 것입니다. Honeywell은 다양한 감지 & 컨트롤 제품을 제공하는 업체로 제품 품질이 뛰어나고 브랜드 인지도도 높습니다.
TEDS 활성 케이블을 이용하면, Honeywell 센서를 NI 하드웨어에 직접 연결할 수 있습니다.

그림을 보면 두 개의 9237 모듈이 있습니다. 첫 번째는 37-핀 매스 터미네이션으로 스크류 터미널을 이용하는 프런트 장착형 터미널 블록과 함께 사용됩니다. 두 번째는 RJ-50 연결을 제공하는 4개 채널을 제공하며 Honeywell TEDS 케이블과 함께 사용됩니다.

TEDS를 언급했는데요. TEDS가 무엇이고 무엇때문에 유용할까요?

센서를 NI 데이터 수집 하드웨어와 소프트웨어에 연결하면 TEDS를 이용하기가 더욱 쉬워집니다. TEDS는 Transducer Electronic Data Sheet의 약자입니다. IEEE 1451.4 표준은 TEDS 통신 프로토콜, 유형 및 센서나 센서 케이블에 물리적으로 위치한 EPROM에 저장된 핵심 센서 데이터의 위치를 처리합니다. 브리지 기반 센서용 EPROM에서 NI-DAQmx가 읽은 센서 정보의 예가 위의 그림 왼쪽에 있습니다.

그림에서 확인할 수 있듯이, 센서에 관련된 모든 정보인 제조업체, 모델, 버전, 시리얼 넘버 등이 저장되어 있습니다. 센서의 민감도(교정 인증에 표시) 또한 저장되어 있으며 풀 스케일 범위와 측정 단위도 함께 저장되어 있습니다. 이 정보는 TEDS 호환 하드웨어와 소프트웨어로 사용하여 스케일링 요소, 소프트웨어 프런트엔드 등을 자동으로 설정하기 때문에 이 이벤트 발생을 재프로그래밍하지 않아도 센서를 교환할 수 있습니다.

TEDS를 사용했을 때 몇 가지 장점이 있습니다. TEDS는 “플러그앤플레이” 기능을 제공하기 때문에 설정 시간이 줄어들 뿐 아니라 여러 제조업체 데이터 시트/교정 인증을 확인하는데 필요한 시간이 없어집니다. 또한, 최종 사용자에 의한 에러 가능성을 없앱니다. 시스템 설정을 위한 전문 기술인/엔지니어도 필요없다는 장점도 있습니다.

측정 정확도를 높이기 위해 TEDS에는 센서 교정 룩업테이블을 사용할 수 있는 기능과 센서를 더욱 뛰어난 특성화를 제공하는 커브피팅이 있습니다. 제조업체의 사전 동의에 따라, 최대 128개의 교정 포인트 또는 segmented multi order 다항식에 대한 계수를 저장할 수 있습니다.
센서를 선택하고 연결했다면, 측정 시스템에서 다음으로 진행할 단계는 신호 컨디셔닝과 모듈(아날로그-디지털 컨버터 포함)입니다.

NI 9237은 24-비트 분해능 아날로그-디지털 컨버터, 4개의 동시 ±25 mV/V 아날로그 입력, 50 kS/s 최대 샘플링 속도를 제공합니다. 이 모듈은 프로그래밍을 통해 하프 또는 풀 브리지 측정으로 설정 가능하며, 최대 10 V 내부 구동을 제공하고 TEDS와 호환됩니다.

앞에서 다룬 휘트스톤 브리지를 기억한다면, 측정에 반드시 구동 전압이 필요하다는 것을 기억하실 겁니다. 조금 더 자세히 알아보겠습니다.

센서가 구동을 사용하고 있을 때 활성 센서로 여겨집니다. 열전쌍 또는 포토다이오드와 같은 패시브 센서들은 구동이 필요 없습니다.

활성 트랜스듀서는 제어된 전류 또는 전압을 이용하여 구동할 수 있습니다. 전압 구동과 전류 구동 중 선택은 센서 디자인에 따라 결정됩니다. 데이터 수집 시스템에서 스트레인 또는 압력 센서에 사용되는 정전압 구동을 보기란 쉽지 않으며, 정전류 구동은 RTD 또는 서미스터와 같은 저항성 센서를 구동하는데 사용됩니다. 노이즈가 있는 산업 환경에서 전류 구동이 노이즈 면역이 뛰어나기 때문에 일반적으로 선호됩니다.

9237 모듈은 전압 구동을 제공합니다.

9237의 RJ-50 연결을 확인하면, 센서의 공통적인 핀아웃을 확인할 수 있습니다. 이 핀아웃에는 차동 신호 입력 AI, 션트 교정, 원격 감지, 센서와 TEDS 통신에 대한 구동이 포함되어 있습니다. 대부분의 센서들은 이 연결 방식에 동일하게 적용되며 이를 통해 손쉽게 데이터를 확인할 수 있습니다.
National Instruments에서는 위와 같은 값을 측정하는 시스템을 구성하기 위해 아래와 같은 플랫폼을 제공합니다.

http://www.ni.com/pressure/ko/ 에서 더욱 자세한 내용을 확인해 보시기 바랍니다.