공조냉동기계기사 전압검출기 — 물리량을 전기 신호로 바꾸는 기기

공업용 계측은 물리량을 전기 신호로 바꾸는 일에서 시작한다. 변위와 속도와 가속도와 압력과 열과 빛 같은 양을 다루려면 먼저 이를 전기적인 신호로 옮겨야 하는데, 이 역할을 하는 요소가 변환검출기, 곧 센서다. 회로시험기는 회로의 결함을 찾는 도구이고 인버터는 전압의 주파수를 바꾸는 장치라 계측의 1차 요소가 되지 못한다.

압력을 변위로 바꾸는 요소에는 벨로우즈와 다이어프램과 스프링이 있다. 벨로우즈는 주름진 관이 압력에 따라 늘고 줄어 변위를 만들고, 다이어프램은 얇은 판이 압력을 받아 휘면서 변위를 내며, 스프링도 압력에 따라 압축되거나 늘어나 변위를 나타낸다. 노즈플래퍼는 방향이 반대다. 노즐과 플래퍼 사이의 간격을 조절해 공기 저항을 바꾸는 장치로, 기계적 변위를 공기압이나 유량 신호로 바꾸는 변환기이므로 압력을 변위로 바꾸는 요소가 아니다. 이 문제는 입력과 출력 신호의 방향을 어느 쪽으로 잡았는지로 갈린다.

압력계는 측정 원리에 따라 나뉜다. 압력에 따라 탄성체가 변형되는 정도를 재는 탄성식에는 벨로스식과 버어돈관식과 다이어프램식이 있고, 액체 기둥의 높이를 읽는 경시관식은 액주식, 압전 소자를 쓰는 압전기식은 전기식이다. 환상평형식은 정밀 측정을 위한 표준기이므로 탄성식과 구별한다.

온도를 다루는 검출 요소는 변환하는 대상에 따라 갈린다. 서미스터는 온도가 오르면 저항이 줄어드는 소자로, 일반적으로는 음의 온도 계수를 가진 NTC를 가리킨다. 온도가 오를 때 저항이 커지는 PTC와 뒤바꾸어 놓은 선지가 함정이다. 온도를 전압으로 바꾸는 장치는 열전대다. 두 가지 다른 금속을 이어 붙이고 한쪽을 가열하면 온도차에 따라 전압이 생기는 열전 효과를 이용하는데, 전자석은 전류에서 자기력을 얻는 장치이고 광전다이오드는 빛을 전기 신호로 바꾸는 소자라 이 자리에 서지 못한다.

변환 장치의 특성은 시간이 끼는지로 갈린다. 분해능과 정밀도와 히스테리시스와 반복성은 입력이 고정되거나 천천히 변할 때의 성능을 나타내는 정적 특성이고, 시정수는 입력이 변한 뒤 출력이 안정되기까지 걸리는 시간을 나타내므로 동적 특성에 속한다. 제어 요소도 여기서 함께 정리된다. 미분 요소는 입력의 변화율에 비례하므로 값이 갑자기 튀는 계단 입력에서 순간적으로만 존재하는 임펄스 출력을 내고, 적분 요소는 입력을 시간에 따라 쌓으므로 일정한 유량을 넣으면 물탱크의 수위가 시간과 함께 선형으로 오른다. 트랜지스터 증폭은 비례 요소, 스프링의 변위는 정적인 비례 관계로 이들과 구별한다.