개념 한 쪽
계측·제어 설비는 센서, 변환기(트랜스듀서), 전송기, 제어기, 최종제어요소로 구성되며 각각의 역할을 명확히 이해해야 설계와 고장해석을 정확히 한다.
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출제기준 단원 「부품의 구조와 용도」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 차압 전송기 용도 판별 | 1 | 차압 전송기의 응용과 한계를 가려내기 |
| 제어루프 특성 판단 | 1 | 제어루프 구성요소와 공정별 제어기 성질을 구분하기 |
| 열전대 관련 효과 식별 | 1 | 열전대와 관련된 열전 효과를 구별하기 |
제어루프의 기본 하드웨어는 측정(센서)→변환(트랜스듀서/트랜스미터)→처리(제어기)→구동(최종제어요소) 순서로 구성된다고 정리한다. 센서는 공정의 물리량을 감지하여 신호로 바꾸는 역할을 하고, 트랜스듀서는 물리량을 전기 신호로 변환하며, 전송기는 그 신호를 표준화하거나 증폭하여 전달하는 역할을 한다고 설명한다.
전송기의 고장 유형은 신호 처리 영역의 문제에 해당한다는 점을 구분한다. 예컨대 잡음 혼입, 보정 오류, 해상도 저하 등은 전송기 관련 문제이나, 과도한 수송지연과 같은 유체의 물리적 이동 지연은 전송기 전자적 신호 처리 문제와 거리가 멀다고 설명한다.
차압 전송기(Differential Pressure Transmitter)는 두 지점 압력 차이를 측정하여 유량, 탱크 액위, 절대압 응용 등에 쓰이는 원리 장비라고 정리한다. 반면 특정 기체의 분압을 직접측정하는 용도에는 차압 전송기가 적합하지 않으므로, 물리적 압력 차이 측정기와 화학적 성분 분석기를 명확히 구분해야 한다고 강조한다.
센서와 계장의 신호 규격으로 4~20mA 전류 신호가 널리 사용된다는 점을 명시한다. 4mA가 0%(Live Zero)에 해당하고 20mA가 100%에 해당하므로 유효 범위는 16mA이며, 이득 계산 시 분모·분자는 이 점을 기준으로 삼아야 한다고 설명한다.
제어밸브는 센서와 달리 비선형 특성(퀵 오프닝, 동등 백분율형 등)으로 제작되기도 하며, 그 이유는 파이프라인의 압력강하 등 공정 특성과 결합했을 때 전체 유량 특성이 선형에 가깝도록 보정하기 위해서라고 정리한다.
1) 제어밸브 선형 특성 예제는 다음과 같다. 정상상태 유량 100 L/min, 최대유량을 정상의 4배인 400 L/min으로 설계한 경우 현재 유량은 최대의 25%이므로 밸브 개도는 25%가 된다. 4~20mA 신호 범위에서 25% 지점의 전류는 4 + 16×0.25 = 8 mA가 되므로 정상상태에서 전송기에 공급되는 표준전류는 8 mA라고 계산한다.
2) 4~20mA 이득 계산 예제는 다음과 같다. 측정범위가 0~150℃인 센서에서 이득을 전류 변화량/온도 변화량으로 정의하면 출력 변화량은 16 mA이므로 이득은 16 mA / 150 ℃가 된다.
차압 전송기(differential pressure transmitter)의 가능한 용도가 아닌 것은?
정답 ③ · 차압 전송기(Differential Pressure Transmitter)는 이름 그대로 두 지점 사이의 '압력 차'를 측정하여 전기적 신호로 변환하는 기기입니다. 이 원리를 응용하여 오리피스 양단의 차압을 통해 기체 및 액체의 유량을 측정하거나(보기 1번), 밀폐된 탱크의 액주 차압을 이용해 액위(수위)를 측정하고(보기 2번), 대기압을 기준으로 차압을 측정하여 절대압을 구하는 용도로도 쓰입니다(보기 4번).
차압 전송기는 두 지점 압력 차이를 측정하므로 단일 기체의 분압 직접 측정에는 부적합하다.
전형적인 제어루프에 관한 설명 중 틀린 것은?
정답 ③ · 적분 공정 형태인 액위 제어루프(Level Control Loop)는 용기 내 물질 수지에 의해 주로 결정되는 공정으로, 설계상 유량의 변화가 일어나면 천천히 액위가 변합니다. 액위는 자연적으로 비례 동작을 띠는 특성이 있으므로 굳이 적분 동작을 위주로 제어기를 설계할 필요는 없으며, 정상상태 편차를 없애기 위해 비례적분제어(PI)가 주로 사용됩니다.
액위 제어는 적분 공정이므로 비례 동작 위주로 설계하는 것이 일반적이나 적분 동작도 사용된다.
열전대(Thermocouple)와 관계있는 효과는?
정답 ① · 문항은 열전대의 작동에 관련된 열전 효과를 묻고 있다. 열전대는 서로 다른 금속 접합에서 온도차에 의해 기전력이 발생하는 열전효과(제백/펠티에/톰슨 효과)에 기반하므로 톰슨·펠티에 계열이 관련된다.
열전대는 두 금속 접합부의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 열전효과(제백, 펠티에, 톰슨 효과)를 이용한다.
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