계기 장비

계기 장비(instrumentation)는 물리량을 지시, 측정, 기록하는 데 사용되는 측정 기기의 총칭이다. 또한 도량형학, 자동화, 제어이론과 관련된 분야를 포함하여 측정 기기를 제작하는 기술과 과학에 대한 연구 분야이기도 하다. 이 용어는 과학 기구 제작의 기술과 과학에서 유래했다.

계기 장비는 직접 판독하는 온도계처럼 간단한 장치부터 산업 제어 시스템의 복잡한 다중 센서 구성 요소에 이르기까지 다양하다. 계기는 실험실, 정유 공장, 공장 및 차량뿐만 아니라 일상적인 가정용(예: 연기 감지기 및 온도조절기)으로도 사용된다.

 측정 매개변수 

섬네일|right|제어 밸브

계기 장비는 다음을 포함하여 다양한 매개변수(물리량)를 측정하는 데 사용된다.
 압력, 차압 또는 정압
 유량
 온도
 액체 레벨 등
 수분 또는 습도
 밀도
 점성도
 이온화 방사선
 진동수
 전류
 전압
 유도계수
 전기 용량
 저항률
 화학 조성
 화학적 특성
 독성 가스
 위치
 진동
 속도
 중량

 역사 

섬네일|증기 터빈의 현장 계기 패널
계기 장비의 역사는 여러 단계로 나눌 수 있다.

 산업화 이전 
산업 계기 장비의 요소들은 오랜 역사를 가지고 있다. 무게를 비교하는 저울과 위치를 나타내는 간단한 지시기는 고대 기술이다. 가장 초기의 측정 중 일부는 시간 측정이었다. 가장 오래된 물시계 중 하나는 기원전 1500년경에 매장된 고대 이집트의 파라오 아멘호테프 1세의 무덤에서 발견되었다. 시계에는 개선 사항이 통합되었다. 기원전 270년경에는 자동 제어 시스템 장치의 기본을 갖추고 있었다.

1663년 크리스토퍼 렌은 왕립 학회에 "날씨 시계" 디자인을 발표했다. 그림은 시계 장치로 구동되는 종이 위로 펜을 움직이는 기상 센서를 보여준다. 이러한 장치는 2세기 동안 기상학에서 표준이 되지 못했다. United States National Museum, Bulletin 228. Contributions from The Museum of History and Technology: Paper 23.
Available from Project Gutenberg. 압력 벨로스가 펜을 변위시키는 공압식 차트 기록계에서 볼 수 있듯이 이 개념은 거의 변하지 않았다. 산업 혁명 전에는 센서, 디스플레이, 기록계 및 제어 장치를 통합하는 것이 필요와 실용성 모두에서 제한되어 일반적이지 않았다.

 초기 산업 
섬네일|공압 시대부터 전자 시대까지 아날로그 제어 루프 신호의 진화
초기 시스템은 제어 및 지시를 위해 로컬 제어 패널에 직접 공정 연결을 사용했으며, 1930년대 초부터 공압식 송신기와 자동 3항(PID) 컨트롤러가 도입되었다.

공압 송신기의 범위는 현장에서 밸브와 액추에이터를 제어할 필요에 따라 정의되었다. 일반적으로 신호는 표준으로 3~15psi(20~100kPa 또는 0.2~1.0kg/cm2) 범위였으며, 더 큰 밸브에는 가끔 6~30psi가 사용되도록 표준화되었다.
트랜지스터 전자 장치는 배관을 배선으로 대체할 수 있게 했으며, 처음에는 루프 전원 장치에 대해 최대 90V에서 20~100mA 범위였고, 최신 시스템에서는 12~24V에서 4~20mA로 감소했다. 송신기는 출력 신호를 생성하는 장치이며, 종종 4~20mA 전기 전류 신호 형태이지만, 전압, 진동수, 압력 또는 이더넷을 사용하는 다른 많은 옵션도 가능하다. 트랜지스터는 1950년대 중반에 상용화되었다.

제어 시스템에 연결된 계기는 솔레노이드, 밸브, 레귤레이터, 회로 차단기, 전자계전기 및 기타 장치를 작동하는 데 사용되는 신호를 제공했다. 이러한 장치는 원하는 출력 변수를 제어하고 원격 모니터링 또는 자동 제어 기능을 제공할 수 있었다.

각 계기 회사는 자체 표준 계기 신호를 도입하여 혼란을 야기했으며, 4~20mA 범위가 송신기 및 밸브의 표준 전자 계기 신호로 사용될 때까지 계속되었다. 이 신호는 결국 1970년대에 ANSI/ISA S50 "전자 산업 공정 계측 기기용 아날로그 신호의 호환성"으로 표준화되었다. 기계식 공압 송신기, 컨트롤러 및 밸브에서 전자 계측기로의 전환은 전자 계측기가 기계식 계측기보다 신뢰성이 높아 유지 보수 비용을 절감했다. 이는 또한 정확도 향상으로 효율성과 생산성을 높였다. 공압은 부식성 및 폭발성 환경에서 선호되는 등 몇 가지 장점을 가지고 있었다.

 자동 공정 제어 
섬네일|연속적으로 변조되는 공정 흐름 제어를 보여주는 단일 산업 제어 루프의 예
공정 제어의 초기에는 밸브와 같은 공정 지시기 및 제어 요소는 작업자가 모니터링하여 원하는 온도, 압력 및 유량을 얻기 위해 밸브를 조정했다. 기술이 발전함에 따라 공압 컨트롤러가 발명되어 공정을 모니터링하고 밸브를 제어하는 데 사용되었다. 이것은 공정 작업자가 공정을 모니터링하는 데 필요한 시간을 줄였다. 후년에는 실제 컨트롤러가 중앙 제어실로 이동되었고, 공정을 모니터링하기 위해 제어실로 신호가 전송되었고, 필요에 따라 공정을 조정하기 위해 밸브와 같은 최종 제어 요소로 출력 신호가 전송되었다. 이러한 컨트롤러와 지시기는 제어 보드라고 불리는 벽에 장착되었다. 작업자는 이 보드 앞에 서서 공정 지시기를 모니터링하며 앞뒤로 걸어 다녔다. 이것은 다시 공정 작업자가 장치를 걸어 다니는 데 필요한 인원과 시간을 줄였다. 이 기간 동안 사용된 가장 표준적인 공압 신호 레벨은 3~15psig였다.

 대규모 통합 컴퓨터 기반 시스템 
섬네일|전자 장치가 안정적이고 저렴하며 위험한 지역에서 안전하게 사용되기 전에 널리 사용되었던 공압식 "3항" 공압 PID 제어기 (지멘스 텔레프뉴 예시)
섬네일|DCS/SCADA 이전 시대의 중앙 제어실. 제어 장치는 한 곳에 집중되어 있지만 여전히 개별적이며 하나의 시스템으로 통합되어 있지 않다.
섬네일|플랜트 정보 및 제어가 컴퓨터 그래픽 화면에 표시되는 DCS 제어실. 작업자는 앉아서 화면에서 공정의 어느 부분도 보고 제어할 수 있으며, 플랜트 전체 개요를 유지한다.
대규모 산업 플랜트의 공정 제어는 여러 단계를 거쳐 발전해 왔다. 처음에는 공정 플랜트에 가까운 패널에서 제어가 이루어졌다. 그러나 이것은 분산된 패널을 관리하기 위해 많은 인력이 필요했고, 공정 전체를 한눈에 볼 수 없었다. 다음 논리적 발전은 모든 플랜트 측정값을 상시 근무하는 중앙 제어실로 전송하는 것이었다. 사실상 이것은 모든 지역화된 패널의 중앙집중화였으며, 적은 인력과 공정의 쉬운 개요라는 이점을 제공했다. 종종 컨트롤러는 제어실 패널 뒤에 있었고, 모든 자동 및 수동 제어 출력은 플랜트로 다시 전송되었다.

그러나 이러한 구성은 중앙 제어 초점을 제공했지만 각 제어 루프가 자체 컨트롤러 하드웨어를 가지고 있었고 공정의 다른 부분을 보기 위해 제어실 내에서 지속적인 작업자 이동이 필요했기 때문에 유연성이 부족했다. 전자 프로세서와 그래픽 디스플레이의 등장으로 이러한 개별 컨트롤러를 자체 제어 프로세서가 있는 입출력 랙 네트워크에 호스팅되는 컴퓨터 기반 알고리즘으로 대체하는 것이 가능해졌다. 이러한 것들은 플랜트 주변에 분산될 수 있었고 제어실 또는 방의 그래픽 디스플레이와 통신할 수 있었다. 분산 제어 개념이 탄생한 것이다.

DCS와 스카다의 도입으로 계단식 루프 및 인터록과 같은 플랜트 제어를 쉽게 상호 연결하고 재구성할 수 있었고, 다른 생산 컴퓨터 시스템과의 쉬운 인터페이스가 가능해졌다. 이는 정교한 알람 처리를 가능하게 했고, 자동 이벤트 로깅을 도입했으며, 차트 기록계와 같은 물리적 기록의 필요성을 없앴고, 제어 랙을 네트워크화하여 케이블 연결을 줄이기 위해 플랜트에 로컬로 배치할 수 있도록 했으며, 플랜트 상태 및 생산 수준에 대한 높은 수준의 개요를 제공했다.

 응용 
어떤 경우에는 센서가 메커니즘의 아주 작은 요소이다. 디지털 카메라와 손목시계는 감지된 정보를 기록하고/하거나 표시하기 때문에 기술적으로 계기 장비의 느슨한 정의를 충족할 수 있다. 대부분의 상황에서 둘 다 계기 장비라고 불리지 않겠지만, 경과 시간을 측정하고 결승선에서 우승자를 기록하는 데 사용될 때는 둘 다 계기 장비라고 불릴 것이다.

 가정용 
계기 장비 시스템의 매우 간단한 예는 가정용 화로를 제어하고 실내 온도를 제어하는 데 사용되는 기계식 온도조절기이다. 일반적인 장치는 바이메탈 스트립으로 온도를 감지한다. 스트립의 자유단에 있는 바늘로 온도를 표시한다. 수은 스위치로 화로를 작동시킨다. 스위치가 스트립에 의해 회전하면 수은이 전극 사이에 물리적(따라서 전기적) 접촉을 만든다.

계기 장비 시스템의 또 다른 예는 가정용 보안 시스템이다. 이러한 시스템은
센서(움직임 감지, 문 열림 감지 스위치), 침입 감지를 위한 간단한 알고리즘, 로컬 제어(설정/해제) 및 경찰을 호출할 수 있도록 시스템 원격 모니터링으로 구성된다. 통신은 설계의 필수적인 부분이다.

주방 가전 제품은 제어를 위해 센서를 사용한다.
 냉장고는 온도가 너무 높아지면 냉각 시스템을 작동시켜 일정한 온도를 유지한다.
 자동 제빙기는 마이크로스위치가 작동할 때까지 얼음을 만든다.
 팝업 빵 토스터는 시간을 설정할 수 있다.
 비전기식 가스 오븐은 가스 버너로 가는 가스 흐름을 제어하는 온도조절기로 온도를 조절한다. 이 오븐에는 오븐의 주요 공간 내부에 위치한 센서 전구가 있을 수 있다. 또한 안전 차단 화염 감시 장치가 있을 수 있다. 점화 후에는 버너의 제어 손잡이를 센서가 뜨거워지고 버너로 가스 흐름이 허용될 때까지 잠시 잡고 있어야 한다. 안전 센서가 차가워지면 버너의 불꽃이 꺼졌음을 나타낼 수 있으며, 지속적인 가스 누출을 방지하기 위해 가스 흐름이 중단된다.
 전기 오븐은 온도 센서를 사용하고 온도가 너무 낮으면 발열체를 켠다. 더 고급 오븐은 온도 센서에 반응하여 팬을 작동시켜 열을 분산시키거나 냉각시킨다.
 일반적인 변기는 플로트가 밸브를 닫을 때까지 물탱크를 다시 채운다. 플로트는 수위 센서 역할을 한다.

 자동차 
현대 자동차에는 복잡한 계기 장비가 있다. 엔진 회전 속도와 차량 선형 속도 표시 외에도 배터리 전압 및 전류, 유체 레벨, 유체 온도, 주행 거리, 다양한 제어 장치(방향 지시등, 주차 브레이크, 헤드라이트, 변속기 위치)의 피드백도 표시된다. 특수 문제(연료 부족, 엔진 점검, 타이어 공기압 부족, 문 열림, 안전벨트 미착용)에 대한 경고가 표시될 수 있다. 문제는 진단 장비에 보고될 수 있도록 기록된다. 내비게이션 시스템은 목적지에 도달하기 위한 음성 명령을 제공할 수 있다. 자동차 계기 장비는 혹독한 환경에서 장기간 저렴하고 안정적이어야 한다. 센서, 논리 및 액추에이터를 포함하는 독립적인 에어백 시스템이 있을 수 있다. 미끄럼 방지 제동 시스템은 센서를 사용하여 브레이크를 제어하고, 크루즈 컨트롤은 스로틀 위치에 영향을 미친다. 온스타 시스템의 통신 링크를 통해 다양한 서비스를 제공할 수 있다. 자율주행 자동차 (이국적인 계기 장비 포함)도 시연되었다.

 항공기 
초기 항공기에는 몇 가지 센서가 있었다.Aircraft Instrumentation – Leroy R. Grumman Cadet Squadron "증기 계기"는 공기 압력을 바늘 편향으로 변환하여 고도와 대기 속도로 해석될 수 있었다. 자기 나침반은 방향 감각을 제공했다. 조종사에게 표시되는 정보는 측정만큼이나 중요했다.

현대 항공기는 항공전자 시스템에 내장된 훨씬 더 정교한 센서 및 디스플레이 세트를 갖추고 있다. 항공기에는 관성항법장치, 위성 위치 확인 시스템, 기상 레이더, 자동 조종 장치 및 항공기 안정화 시스템이 포함될 수 있다. 신뢰성을 위해 중복 센서가 사용된다. 정보의 하위 집합은 사고 조사를 돕기 위해 사고 기록 장치로 전송될 수 있다. 현대 조종사 디스플레이에는 이제 전방 시현기를 포함한 컴퓨터 디스플레이가 포함된다.

항공교통관제 레이더비콘시스템은 분산 계기 장비 시스템이다. 지상 부분은 전자기 펄스를 보내고 (적어도) 반향을 수신한다. 항공기는 펄스를 수신하면 코드를 전송하는 트랜스폰더를 운반한다. 시스템은 항공기 지도 위치, 식별자 및 선택적으로 고도를 표시한다. 지도 위치는 감지된 안테나 방향과 감지된 시간 지연을 기반으로 한다. 다른 정보는 트랜스폰더 전송에 내장되어 있다.

 실험실 계측 
이 용어의 가능한 용도 중 하나는 IEEE-488 버스(일반 목적 계측 버스 또는 휴렛팩커드 계측 버스로도 알려진 GPIB 또는 HPIB)를 통해 컴퓨터로 제어되는 실험실 테스트 장비 모음이다. 많은 전기 및 화학량을 측정하는 실험실 장비가 있다. 이러한 장비 모음은 식수 오염 물질 테스트를 자동화하는 데 사용될 수 있다.

 계기 공학  
섬네일|배관 및 계장도의 계기 장비 부분은 계측 엔지니어가 개발한다.
계기 공학은 전기 및 공압 영역과 같은 분야에서 자동화 시스템의 설계 및 구성에 사용되는 측정 기기의 원리 및 작동에 초점을 맞춘 공학 전문 분야이며, 측정되는 양의 제어에 초점을 맞춘다.
이들은 일반적으로 화학 공장이나 제조업 공장과 같이 자동화된 공정을 가진 산업에서 시스템 생산성, 신뢰성, 안전성, 최적화 및 안정성을 개선하는 것을 목표로 일한다.
공정이나 특정 시스템의 매개변수를 제어하기 위해 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 또는 프로그래머블 로직 컨트롤러와 같은 장치가 사용되지만, 궁극적인 목표는 시스템의 매개변수를 제어하는 것이다.

계기 공학은 필요한 작업이 도메인에 따라 매우 다르기 때문에 느슨하게 정의된다. 실험용 쥐의 생의학 계측 전문가는 로켓 계측 전문가와는 매우 다른 관심사를 가지고 있다. 둘 다의 공통 관심사는 크기, 무게, 비용, 신뢰성, 정확도, 수명, 환경 강건성 및 주파수 응답을 기반으로 적절한 센서를 선택하는 것이다. 일부 센서는 문자 그대로 포탄에 발사된다. 다른 센서는 파괴될 때까지 열핵 폭발을 감지한다. 예외 없이 센서 데이터는 기록, 전송 또는 표시되어야 한다. 기록 속도와 용량은 엄청나게 다양하다. 전송은 사소할 수도 있고, 은밀하고, 암호화되고, 전파 방해 시 낮은 전력일 수도 있다. 디스플레이는 사소하게 간단할 수도 있고 인간 요소 전문가와 상담해야 할 수도 있다. 제어 시스템 설계는 사소한 것부터 별도의 전문 분야까지 다양하다.

계측 엔지니어는 센서를 기록기, 송신기, 디스플레이 또는 제어 시스템과 통합하고 공정에 대한 배관 및 계장도를 작성하는 일을 담당한다. 이들은 설치, 배선 및 신호 조절을 설계하거나 지정할 수 있다. 이들은 시스템의 시운전, 교정, 테스트 및 유지 보수를 담당할 수 있다.

연구 환경에서는 해당 분야 전문가가 상당한 계측 시스템 전문 지식을 가지고 있는 것이 일반적이다. 천문학자는 우주의 구조와 망원경(광학, 조준 및 카메라 또는 기타 감지 요소)에 대해 많은 것을 알고 있다. 여기에는 종종 최상의 결과를 제공하는 운영 절차에 대한 힘들게 얻은 지식이 포함된다. 예를 들어, 천문학자는 종종 망원경 내에서 공기 난류를 유발하는 온도 구배를 최소화하는 기술에 정통하다.

계측 기술자, 테크니션 및 정비사는 계측기 및 계측 시스템의 문제 해결, 수리 및 유지 보수에 특화되어 있다.

 일반적인 산업 송신기 신호 유형 
 공압 루프 (20-100KPa/3-15PSI) – 공압
 전류 루프 (4-20mA) – 전기
 HART – 데이터 신호, 종종 전류 루프 위에 오버레이됨
 Foundation Fieldbus – 데이터 신호
 프로피버스 – 데이터 신호

 현대 개발의 영향 
랄프 뮐러(Ralph Müller, 1940)는 "물리학의 역사는 대체로 도구와 그들의 지능적인 사용의 역사라는 것은 잘 알려져 있다. 시대마다 등장한 광범위한 일반화와 이론은 정확한 측정에 기반하여 서거나 무너졌으며, 여러 경우에 목적을 위해 새로운 도구가 고안되어야 했다. 현대인의 정신이 고대인보다 우월하다는 증거는 거의 없다. 그의 도구는 비교할 수 없을 정도로 낫다"고 말했다.

데이비스 베어드는 제2차 세계 대전 이후 플로리스 코헨이 "네 번째 큰 과학 혁명"으로 확인한 주요 변화가 화학뿐만 아니라 과학 전반에 걸친 과학 계측의 발전이라고 주장했다. 화학 분야에서 1940년대에 새로운 계측의 도입은 "과학 기술 혁명 그 자체"였다 이는 구조 유기 화학의 고전적인 습식 및 건식 방법이 폐기되고 새로운 연구 분야가 개척되었음을 의미한다.

1954년에 이미 W. A. 와일드핵은 공정 제어에 내재된 생산적 잠재력과 파괴적 잠재력 모두에 대해 논의했다.
과학 계측을 사용하여 이전에 관찰할 수 없었던 수준에서 자연 세계를 정밀하고 검증 가능하며 재현 가능한 측정을 할 수 있는 능력은 "세상의 다른 질감을 제공했다". 이 계측 혁명은 DDT 모니터링과 자외선 가시광선 분광법 및 기체 크로마토그래피를 사용하여 수질 오염 물질을 모니터링하는 예에서 알 수 있듯이 인간의 모니터링 및 대응 능력을 근본적으로 변화시킨다.

 같이 보기 

 산업 제어 시스템
 계측 및 제어 공학
 석유화학 산업의 계측
 측정 및 제어 연구소
 국제 자동화 학회
 센서 목록
 측정
 의료 기기
 도량형학
 배관 및 계장도 – 설치된 장비 및 계측과 함께 공정 흐름의 배관을 보여주는 공정 산업의 다이어그램.
 프로그래머블 로직 컨트롤러
 온도 및 압력 측정 기술 타임라인

 각주 

 외부 링크 


분류:계측기
분류:센서
분류:제어공학