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레벨 스위치란?

레벨 스위치는 액체나 분말 등 물질의 잔량을 감지하는 센서의 일종입니다.

재고 관리나 제품 탱크 등의 유지 보수 작업에 필수적입니다. 간단한 제품부터 고정밀 제품까지 다양한 종류가 있습니다.

레벨 스위치의 사용 용도

레벨 스위치는 주로 물질의 저장 시설에 사용됩니다. 수돗물이나 화학물질 등의 액체를 저장하는 탱크나 분말 재료를 투하하는 설비인 서비스 호퍼 등이 있습니다.

탱크도 형태와 크기, 설치 방법이 다양하기 때문에 설치 방향과 상황에 따라 적합한 레벨 스위치가 사용됩니다. 또한, 설치 목적은 단순히 탱크 내 잔량 감지 및 발보를 위해서만 설치하는 경우와 어떤 임계치를 넘었을 때 다른 장치에 어떤 피드백 제어를 하는 경우로 나뉩니다.

레벨 스위치의 원리

레벨 스위치는 크게 액체를 감지하는 ‘플로트식’과 분말 등을 감지하는 ‘소리식’으로 구분할 수 있습니다.

1. 플로트식

액체 감지에 많이 사용되는 플로트식 레벨 스위치는 플로트가 달린 레벨 스위치로, 기계적으로 제어하는 방식입니다. 플로트가 액체에 닿지 않은 상태에서는 플로트가 기울어져 있고, 플로트 반대편에 있는 내부 회로는 차단된 상태입니다. 반면, 플로트가 액체에 의해 밀려 올라가면 반대편 회로가 접촉하여 회로가 통전되어 변화를 감지할 수 있다. 단, 플로트형은 액체만 감지할 수 있습니다.

2. 음파식

분말 등의 감지에는 음파식 레벨 스위치가 사용됩니다. 항상 일정한 진동수로 진동하는 음파를 준비하고, 그 부분에 분말 등이 접촉하면 공기 중의 진동수와 다른 진동수가 감지됩니다. 진동수의 변화를 감지하여 분말의 위치를 판단하는 구조입니다.

레벨 스위치 선택 방법

감지하고자 하는 물질이 액체인지, 분말 등 고체인지에 따라 선택할 수 있는 레벨 스위치가 달라집니다. 액체의 잔량 검지와 같은 간단한 것이라면 플로트 스위치가 적합할 것입니다. 화학물질의 경우 내화학성이 있는지 확인해야 합니다.

고체의 경우 음파식 레벨 스위치가 적합하지만, 입경이나 크기에 따라 음파에 끼는 등의 문제가 발생할 수 있습니다. 전극형 등 다른 원리를 이용한 레벨 스위치도 있으므로 제조사에 문의해 보는 것도 좋습니다.

레벨 스위치의 기타 정보

1. 전극식 레벨 스위치

전극식 레벨 스위치는 증폭기가 되는 전원 장치에서 전극 사이에 아주 낮은 전압을 인가하는 극 유지용 기구로 구성됩니다. 앰프의 접점은 히스테리시스(히스테리시스)를 가지고 있는 경우가 많으며, 레벨이 높은 전극이 액면에 닿을 때부터 레벨이 낮은 전극이 액면을 차단할 때까지 접점을 단락시킵니다.

유지기구는 주변 피팅과 전극을 절연하기 위해 수지 등의 절연 재료로 제작됩니다. 전극은 공통전극과 레벨고, 레벨저의 3전극 구성이 일반적입니다. 경보용으로 2전극으로 사용하는 경우도 있습니다.

플로트식 레벨 스위치는 교반기가 있는 탱크 내부 등에서는 사용할 수 없는 반면, 전극식이라면 안정적으로 사용할 수 있습니다. 단, 전도성이 아닌 액체(기름 등)에서는 사용할 수 없습니다.

또한, 액체의 종류에 따라 전극이 부식 등으로 녹아내리기 때문에 전극 재질도 신중하게 선정해야 합니다. 일반적으로 부식성이 낮은 액체의 검출에는 SUS304나 SUS316L이 많이 사용됩니다. 부식성이 높은 액체에는 하스텔로이, 티타늄 등을 사용하지만 가격이 더 비쌉니다.

2. 정전용량식 레벨 스위치

정전용량식 레벨 스위치는 분말이나 액체에 사용할 수 있는 레벨 스위치입니다. 원리는 접지된 전극과 감지용 전극이 절연되어 배치되고, 액체를 접촉시켜 전극 간의 정전 용량 변화를 감지하여 작동한다. 정전 용량으로 검출하기 때문에 절연 재료의 레벨 검출도 가능합니다.

모양은 하나의 원통형이며, 약액 탱크나 호퍼 등의 측면에 부착하여 사용합니다. 단점은 측정 대상에 접촉하여 감지하기 때문에 부식이나 부착으로 인한 오검출이 발생할 수 있다는 점입니다.

딥 스위치란?

딥 스위치는 인쇄 회로 기판 등에 사용되는 소형 스위치입니다. 듀얼 인라인 패키지 스위치를 줄여서 딥 스위치라고 합니다.

단자간 거리가 3mm 정도, 높이도 3mm 정도로 매우 작으며, 정밀 드라이버 등으로 전환합니다. 설정용 스위치로 사용되며 작동 빈도가 낮은 경우에 사용됩니다.

조작 방식에는 슬라이드 스위치, 푸시록 스위치, 로터리 스위치 등이 있습니다. 또한, 기판의 구멍에 삽입하는 타입과 실장하는 타입이 있습니다. 극수나 실링 성능도 다양한 종류가 출시되어 있습니다.

딥 스위치의 사용 용도

딥 스위치는 가전제품, 통신기기, 음향기기 등 다양한 제품에 내장되어 있다. 산업용으로는 온도 조절기나 서보 컨트롤러에 사용된다.

OA기기에도 사용되며, 컴퓨터나 저장기판 등에 사용된다. 주로 전자기기의 기본 설정용으로 이용됩니다. 다양한 사용 조건을 견딜 수 있도록 고온 사용에도 견딜 수 있는 내열 사양, 박형 사양 등 다양한 종류가 있습니다.

딥스위치의 원리

일반 스위치와 마찬가지로 켜고 끄는 동작을 통해 회로를 통-차단합니다. 스트라이커라는 노브와 슬라이더가 연동되어 있으며, 슬라이더와 접점이 접촉 및 개방함으로써 회로가 전환됩니다. 스트라이커는 슬라이더와 접점을 접촉시키는 추의 역할도 합니다.

접점과 단자는 베이스 수지와 일체형으로 성형됩니다. 납땜 시 고온이 발생하기 때문에 베이스 수지는 내열성이 높은 플라스틱을 사용합니다. 부품을 일체형으로 성형함으로써 소형화, 경량화를 이룰 수 있습니다. 또한, 베이스 수지는 단자 보호 역할도 합니다.

접점 단자의 형태는 기판 구멍에 삽입하는 타입과 표면에 실장하는 타입이 있습니다. 스위치가 장기간 방치되기 쉽기 때문에 산화되지 않도록 접점에 금도금을 하기도 합니다. 셀프 클리닝 메커니즘으로 슬라이딩 시 접점을 청소하여 이물질이나 산화물을 제거하는 제품도 있습니다.

딥 스위치는 매우 작기 때문에 스위치를 전환하기 위해서는 가느다란 드라이버나 핀셋 등이 필요하다.

스위치와 딥 스위치의 종류

스위치는 용도에 따라 다양한 종류가 있습니다. 스위치는 다음과 같은 종류가 있으며, 산업, 민생 등 다양한 곳에서 사용된다.

스위치의 종류

• 푸시 스위치
  이름에서 알 수 있듯이 버튼을 눌러 전환하는 스위치입니다.
• 토글 스위치
  레버를 상하 또는 좌우로 돌려서 전환하는 스위치입니다.
• 로커 스위치
  버튼의 양 끝을 눌러 전환하는 스위치입니다.
• 슬라이드 스위치
  이름 그대로 슬라이드 조작으로 전환하는 스위치입니다.
• 로터리 스위치
  스위치 부분의 손잡이를 돌려서 전환하는 스위치입니다.
• 마이크로 스위치
  작은 힘으로 전환하는 스위치입니다.
• 딥 스위치
  전자기기의 각종 설정에 이용되는 기판에 장착되는 스위치입니다.
• 촉각 스위치
  기판 위에 장착되어 사람이 스위치를 눌러서 전기 회로에 전원을 공급하는 소형 스위치입니다.

딥 스위치의 종류

• 슬라이드 타입
  조작부를 슬라이딩하여 전환합니다. 조작부가 평평한 것과 볼록한 것이 있습니다.
• 피아노 타입
  조작부를 눌러서 전환합니다. 레버가 짧은 것, 긴 것 등이 있습니다.
• 로터리 타입
  조작부를 회전시켜 값을 설정합니다. 조작부가 기판에 대해 수직 상면에서 조작하는 것과 수평 방향으로 조작하는 것이 있습니다.

조작부 이외도 실장 방식이나 극수 등 그 특성에 따라 다양한 종류가 있습니다.

딥 스위치의 구조

딥 스위치의 구조는 커버, 스트라이커, 슬라이더, 베이스의 네 가지로 구성됩니다. 커버는 스위치 윗면을 덮는 수지 사출 성형 부품이다. 베이스와 결합하여 내부 메커니즘을 보호합니다.

스트라이커는 스위치의 조작부입니다. 슬라이더에 힘을 전달하여 접점을 작동시킵니다. 슬라이더는 가공된 금속판 등으로 움직이는 접점입니다. 베이스는 금속 단자와 접점을 수지 사출 성형으로 일체화한 것으로, 내열성이 있는 수지 소재가 사용됩니다.

슬라이드 스위치란?

슬라이드 스위치는 손잡이를 밀어서 켜고 끄는 스위치입니다.

세로 슬라이드와 가로 슬라이드가 있으며, 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 가전제품에도 사용되고 있습니다. 그러나 디지털화되는 제품에 채택되는 기회는 점점 줄어들고 있는 추세다. 슬라이드 스위치의 단자 연결 방법은 다양하며, 스루홀, 라이트앵글, 솔더, 나사 등이 있다. 최근에는 소형화가 진행되어 딥 스위치로 탑재되는 제품도 있습니다.

슬라이드 스위치의 사용 용도

전원 켜기/끄기 등이 주요 용도이며, 산업용 제품부터 가전제품까지 폭넓게 사용됩니다. 다음은 슬라이드 스위치의 사용 용도의 일례입니다.

• 선풍기 등 가전제품
• 면도기, 드라이어 등 휴대용 제품
• 손전등 등 조명기구
• 인버터 등 산업기기 설정용

얇은 제품으로는 두께가 1.4mm 정도인 제품도 있어 더욱 소형화가 진행되고 있다. 소형 슬라이드 스위치는 딥 스위치로 기판에 내장되어 사용되는 경우도 있습니다. 접촉기구를 고안하여 셀프 클리닝 효과가 있는 제품도 있습니다.

슬라이드 스위치의 원리

슬라이드 스위치는 단자, 노브-케이싱, 접점 등으로 구성됩니다.

단자는 외부 배선을 연결하는 부품입니다. 핀 모양이나 납땜 단자 등이 사용됩니다. 일반적으로 구리 합금 등을 재료로 사용하지만, 미세한 전류 부하를 위해 금이나 은을 사용한 고가의 접점을 사용하는 경우도 있습니다.

노브는 사람이 조작하는 움직이는 부품이고, 케이싱은 다른 부품을 지지하면서 절연하는 부품입니다. 강도가 높은 절연 재료가 선호되기 때문에 일반적으로 단단한 합성수지가 사용됩니다. 손잡이 아래에는 접점의 이동식 절편이 있으며, 손잡이를 돌려서 스위치를 전환할 수 있습니다.

접점은 전기의 통로가 되는 부품으로, 이동식 절편과 고정식 절편으로 구성됩니다. 가동절편과 고정절편의 접촉기구가 1점인 제품보다 2점으로 접촉하는 제품이 스위치로서 신뢰성이 높습니다. 또한, 클립형으로 슬라이딩하여 접촉시키는 방식에서는 셀프 클리닝 효과를 기대할 수 있습니다.

슬라이드 스위치를 선택하는 방법

슬라이드 스위치는 필요한 회로 수와 단자 수 등에 따라 제품을 선택합니다. 구체적으로 다음과 같은 관점에서 선정합니다.

1. 허용 전류, 허용 전압

허용전류는 슬라이드 스위치가 통전할 수 있는 전류의 크기입니다. 허용전류가 클수록 큰 전류를 흘릴 수 있지만, 소형화할수록 허용전류가 작아지는 경향이 있습니다. 수십A에서 수백mA 정도의 제품이 판매되고 있으며, 일반적으로 0.1~1A 정도의 제품이 많습니다.

허용전압(내전압)은 제품이 허용하는 전압의 크기로, AC100V에서 사용하도록 설계된 제품은 허용전압이 AC125V로 표기되어 있는 경우가 많습니다. 또한, 기판 실장용 등의 경우 허용 전압은 DC30V 정도의 제품이 많습니다.

2. 실장 방법

장착 방법은 슬라이드 스위치를 장착하는 방법입니다. 단자 형상과 밀접한 관련이 있으며, 기판 표면 실장용과 기판 구멍 삽입용 등이 있습니다. 스위치의 배치가 실장면에 대해 수직으로 배치된 제품, 수평으로 배치된 제품 등 모양도 다양합니다.

3. 기능 동작

슬라이드 스위치의 기능 동작에는 극, 투, 접점 종류가 있습니다. 이를 조합하여 양극, 쌍투 등으로 표현하는 경우가 많습니다.

스위치의 극은 한 번의 조작으로 개폐할 수 있는 회로의 수입니다. 스위치를 밀어서 전기 회로에서 몇 개의 접점을 동시에 전환할 수 있는지를 말합니다. 소형 제품은 1극이 많고, 2극부터 4극까지 다양한 제품이 판매되고 있습니다.

접점 종류는 전환에 의해 동작하는 접점의 종류를 말하며, a접점, b접점 등이 있습니다. 슬라이드 스위치에서는 평상시 열림 단자와 평상시 닫힘 단자를 가지고 하나의 공통 단자를 가진 c접점이 사용되는 경우가 많습니다. 또한 스위치의 투는 스위치에서 수행하는 작업의 수를 나타냅니다. 슬라이드 스위치의 투는 2접점을 의미하는 쌍투식이 일반적입니다.

4. 전환 방식

스위칭 방식은 전환할 때의 접점 동작입니다. 쇼팅과 비쇼팅 제품이 있습니다.

접점을 전환할 때 2개 이상의 접점이 동시에 통전하는 방식이 쇼팅이고, 접점을 전환하는 순간 회로가 한 번 단선되는 방식이 논 쇼팅입니다. 일반적으로는 비단락 제품이 많습니다.

DC 모터란?

DC 모터는 직류 전원으로 작동하는 모터입니다. 일반적으로 브러시 모터를 지칭하는 경우가 많습니다.

전기는 직류 전원과 교류 전원의 두 가지 종류가 있습니다. 직류전원은 전류의 방향이 항상 한 방향으로만 흐르는 전원이며, 교류전원은 전류의 방향이 주기적으로 바뀌는 전원입니다. 영어로 번역하면 직류는 Direct Current, 교류는 Alternate Current입니다. 각각 머리글자를 따서 DC 전원, AC 전원이라고 부릅니다.

따라서 DC 모터는 DC 전원을 사용하는 모터를 말합니다.

DC 모터의 사용 용도

DC 모터는 산업용, 일반용을 막론하고 널리 사용되고 있습니다. 일반용으로는 장난감 무선 조종기나 자동차 모형에 사용됩니다. 과거 유행했던 미니 네바퀴굴림은 DC 모터를 사용하는 장난감의 대표적인 예. DC 모터는 구조가 간단하고 저렴하며, 건전지를 전원으로 사용할 수 있기 때문에 장난감에는 DC 모터가 사용되는 경우가 많습니다.

산업용으로는 1800년대부터 기차의 주행 모터에 사용되어 왔습니다. 최근에는 전기자동차용 주행용 모터, HDD 회전용 모터 등에 사용되고 있습니다.

DC 모터의 원리

DC 모터의 내부에는 코일이 감긴 회전자(Rotor)가 중앙에 설치되어 있고, 그 주위에는 N극과 S극으로 분극된 고정자(Stator)가 각각 설치되어 있습니다.

DC 모터에 전류를 흘리면 플레밍의 법칙에 의해 코일 내부에 자기장이 발생합니다. 자화된 회전자 자극과 고정자 자극이 동극일 경우 반발력이 유도되고, 이극일 경우 흡인력이 유도되어 회전자 회전이 이루어집니다.

회전자에 흐르는 전류를 반전시키면 인력과 척력이 변화하기 때문에 이를 교대로 반복하여 회전자에 일정한 방향으로 회전시킵니다. 또한 자화에 필요한 전력은 정류자라고 불리는 부분에 도체 브러시가 접촉하여 공급됩니다.

간단한 구조로 인해 출력 토크 효율이 높은 모터를 저렴하게 제조할 수 있다. 하지만 정류자와 브러시가 접촉하여 회전하기 때문에 브러시가 마모됩니다. 따라서 소형 브러시 DC 모터는 브러시 수명이 모터 수명에 영향을 미칩니다.

DC 모터의 종류

DC 모터는 영구 자석형 DC 모터와 전자기장형 DC 모터가 주류이지만 최근에는 브러시리스 DC 모터도 있습니다.

1. 영구 자석형 DC 모터

영구자석형 DC 모터는 고정자에 영구자석을 사용합니다. 회전자는 철심과 코일로 구성된 전자석으로 합니다. 고정자에 통전할 필요가 없기 때문에 구조가 간단하고 제어가 쉽습니다.

2. 전자기장형 DC 모터

전자기장형 DC 모터는 고정자와 회전자 모두 전자석으로 구성됩니다. 고정자에 흐르는 전류를 크게 하면 계자속이 커지기 때문에 중대형 DC 모터에 사용되어 왔습니다.

3. 브러시리스 DC 모터

브러시리스 DC 모터는 회전자에 영구자석을 사용한 모터입니다. 회전자 변위를 자기 센서로 읽어내어 고정자의 발생 자기장을 변화시켜 제어합니다. 브러시가 없어 수명이 길고 유지보수가 쉬운 반면, 브러시리스 DC 모터 전용 전원을 사용해야 합니다.

DC 모터에 대한 추가 정보

DC 모터와 AC 모터의 차이점

DC 모터와 AC 모터의 차이점은 전원 공급 장치로, DC 모터는 직류 전원으로, AC 모터는 교류 전원으로 구동됩니다. 다음은 서로의 특징을 나열합니다.

DC 모터의 특징

• 배터리 전원을 그대로 사용 가능하다.
• 회전 특성이 안정적이다.
• 저렴한 가격으로 제작 가능하다.토크 제어 성능이 높고 응답이 안정적이다.
• 회전이 고르지 못한다.
• DC 고전압 발생이 어려워 대형화가 어렵다.

AC 모터의 특징

• 상용전원을 그대로 사용 가능하다.
• 브러시가 없어 구조가 간단하고 견고하다.
• 고전압을 만들기 쉽고 대형화 가능하다.
• 전원 주파수에 따라 회전속도가 일정하게 유지된다.
• 회전속도 제어를 위해서는 VVVF 장치가 필요하다.

또한, 전력회사에서 제공하는 전원은 교류전원입니다. 교류 전원에서 DC 모터를 구동시키기 위해서는 정류기(컨버터)를 이용하여 직류 전원으로 변환하여 사용합니다.

DA 컨버터란?

DA 컨버터는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 전자회로입니다.

컴퓨터, 태블릿, 스마트폰 등의 디지털 기기에서는 다양한 처리가 디지털 신호로 이루어집니다. 하지만 그 결과를 소리나 빛과 같은 형태로 출력하는 경우, 이들은 아날로그 양이기 때문에 디지털 신호에서 아날로그 신호로 변환을 해야 합니다.

아날로그 양은 연속적인 값이고, 이산값인 디지털 양을 엄격하게 아날로그 양으로 변환하기 위해서는 무한한 자릿수가 필요하기 때문에 DA 컨버터에서 출력되는 값은 필연적으로 근사치가 될 수밖에 없습니다. 반대로 아날로그 양을 디지털 양으로 변환하는 회로를 AD 컨버터라고 합니다.

DA 컨버터의 사용 용도

DA 컨버터는 아날로그 신호를 출력해야 하는 모든 디지털 기기에서 사용됩니다.

스피커가 탑재된 PC, 스마트폰, 디지털 오디오, TV는 물론 스마트 스피커로 대표되는 음성합성 기능을 갖춘 기기에도 탑재되어 디지털 데이터를 아날로그 음성신호로 변환합니다. 최근에는 USB 연결 등의 외장형 DA 컨버터도 개발되어 고해상도 음원 등 고음질의 음성 출력을 위해서도 사용되고 있습니다.

또한, PC 모니터나 프로젝터 등 일부 영상기기에는 아날로그 데이터를 입력하는 VGA 단자나 RCA 단자가 있으며, DA 컨버터에 의해 디지털 데이터에서 변환된 아날로그 영상 신호가 입력됩니다.

산업용 기기에서는 특히 고정밀도의 연속적인 제어가 필요한 장면 등에서 DA 컨버터에서 출력되는 아날로그 신호가 필요합니다.

DA 컨버터의 원리

DA 컨버터의 변환 방식은 여러 가지가 있지만, 가장 간단하고 저렴한 방식은 저항 분할 방식입니다. 저항 스트링스라고 부르기도 합니다.

저항 분할 방식은 기준 전압과 접지 사이에 2^n 개의 등가 저항을 직렬로 연결하고 저항 사이의 노드를 출력으로 하여 기준 전압의 1/2^n의 정수배의 전압을 만듭니다. 디지털 신호를 디코딩하여 이 출력 노드 중 하나를 선택하여 임의의 전압을 출력할 수 있습니다. 이때 분해능은 n에 의해 결정되며, n비트의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환할 수 있게 됩니다.

저항분할 방식은 매우 단순하고 단조로운 증가성이 보장되기 때문에 선형성이 있고 정확도가 높은 반면, 해상도를 높이기 위해 비트 수를 늘리면 회로 규모가 기하급수적으로 커진다는 단점이 있습니다.

저항 분할 방식 이외의 변환 방식으로는 커패시터를 이용하는 방식, 전류원을 이용하는 방식, 저역 통과 필터를 이용하는 방식 등이 있습니다.

DA 컨버터의 기타 정보

1. DA 컨버터 사용 시 주의사항

DA 변환의 출력은 원칙적으로 이산값이기 때문에 변환 정밀도를 높여도 원래의 아날로그 신호와는 다른 값이 됩니다. 이 차이가 노이즈가 되어 아날로그 신호의 품질에 영향을 미칩니다. 또한, DA 컨버터 끝에 연결되는 스피커 등 전자부품의 품질도 아날로그 신호의 품질에 영향을 미칩니다.

이처럼 회로도의 파라미터만으로는 표현할 수 없는 부분이 존재할 수 있으며, 전체 균형을 염두에 두고 사용 부품을 검토하고 조정해야 합니다.

2. DA 컨버터의 정확도

DA 컨버터는 산업용 시스템, IoT 시스템, 각종 측정 시스템, 각종 미디어 시스템 등 다양한 경우에 활용되지만, 각 시스템의 고도화에 따라 보다 높은 정밀도가 요구되고 있습니다.

DA 컨버터에는 몇 가지 오차가 발생하는데, 주요 오차로는 다음과 같은 것들이 있습니다.

• 오프셋 오차 (OE)
• 게인 오차 (GE)
• 적분 비선형성 오차 (INL)

DA 컨버터의 정확도는 이 세 가지 오차를 모두 포함하여 평가되며, 종합 미수정 오차는 (OE^2+GE^2+INL^2)의 제곱근으로 표현됩니다.

세 가지 오차 중 OE와 GE는 시스템에서 간단한 코드를 사용하여 교정할 수 있지만, INL은 일반적으로 복잡한 코드가 되고, 오차 자체도 함수로 표현할 수 없는 오차이기 때문에 많은 파라미터를 메모리에 저장해야 합니다.

또한 캘리브레이션 코드 자체가 시스템 전체에 무시할 수 없는 부하를 줄 수 있기 때문에 INL 오차를 억제하는 것이 중요합니다.

CPLD란?

CPLD는 프로그램 재구성이 가능한 논리회로 소자 중 비교적 복잡한 회로 구성의 제품을 말합니다.

‘Complex Programmable Logic Device’의 약자로, CPLD를 통해 제품 개발이 이전과 비교하여 저비용으로 원활하게 이루어질 수 있게 되었습니다.

CPLD의 사용 용도

CPLD는 민생용품부터 산업기기까지 제어기판 내부 등에 광범위하게 사용되고 있으며, CPLD의 구체적인 사용 용도는 다음과 같습니다.

• 디지털 카메라 및 복합기
• 스마트폰
• 차량용 제어장치 및 내비게이션 장치
• 게임기

CPLD는 제어 회로 중에서도 특히 전원 회로 관리 등에 사용됩니다. 회로에 전원을 투입하는 순서 관리나 전압 선택 회로 등의 기능을 담당하는 경우가 많습니다.

CPLD의 원리

CPLD는 여러 개의 프로그래머블 논리 회로가 집적된 블록과 다른 블록을 연결하는 배선 영역으로 구성됩니다. 블록을 구성하는 것은 AND-OR 게이트 구조를 가진 매크로셀과 1비트 정보를 0/1로 저장하기 위한 D형 플립플롭, 입출력을 위한 I/O 핀의 세 가지입니다.

매크로 셀은 Input 핀에서 디지털 신호를 입력받아 사용자가 프로그래밍한 논리회로로 Output 핀으로 신호를 출력합니다. 내부 1차 데이터는 플립플롭으로 저장합니다.

배선 영역은 블록 간을 연결하는 부분으로, 하나 또는 여러 개의 블록을 통해 데이터를 출력합니다.

CPLD의 기타 정보

1. CPLD와 FPGA의 차이점

CPLD와 유사한 논리회로 소자로는 FPGA가 있는데, FPGA는 휘발성 메모리를 이용하기 때문에 전원을 끄면 회로 데이터가 손실됩니다.

반면 CPLD는 EEPROM이나 플래시 메모리와 같은 비휘발성 메모리를 이용하기 때문에 회로 데이터가 유지된다는 차이가 있습니다. 또한, 양자는 규모에 있어서도 차이가 있습니다.

FPGA가 수만 개의 게이트를 가지고 있는 반면, CPLD는 수천 개 정도의 게이트만 가지고 있습니다. 따라서 대규모 로직 회로는 FPGA에 맡기고, 전원을 켤 때 CPLD가 FPGA에 설계 데이터를 주는 방식으로 사용합니다.

또한, 로직 블록이 배치된 위치에 따라 지연 시간이 다르기 때문에 FPGA는 지연 시간을 예측하기 어렵습니다. 반면, CPLD는 경유하는 매크로 셀의 개수가 정해져 있기 때문에 예측이 용이합니다.

2. CPLD의 역사

CPLD는 약 30년 전 TTL과 CMOS 로직 소자를 대체할 목적으로 개발되었습니다. 당시에는 NOT와 AND만 기능을 가진 범용 로직 IC를 기판 위에 조합하여 회로를 구성했습니다.

텍사스 인스트루먼트(TI)사의 7400 시리즈가 유명한데, 당시 기술자들은 수백 개가 넘는 디바이스를 거의 암기하고 있었다고 합니다. 회로가 복잡해지면 수십에서 수백 개의 범용 로직 IC가 필요하기 때문에 기판 크기가 커지는 문제가 있었습니다.

트랜지스터의 미세화가 진행되면서 수천, 수만 개의 범용 로직 IC를 몇 개의 LSI로 구현할 수 있게 되면서 CPLD의 개발이 가속화되었습니다.

3. CPLD 개발 프로세스

CPLD 설계의 개발 프로세스는 논리 설계, 논리 합성, 배치 배선, 타이밍 검증, 프로그래밍 단계로 구분됩니다.

논리 설계
Verilog, VHDL과 같은 하드웨어 설명 언어를 사용하여 회로 설계를 수행하며, RTL 설계라고도 합니다.

논리 합성
하드웨어 기술 언어로 표현한 회로를 CPLD에서 구현할 수 있는 게이트 회로(넷리스트)로 변환합니다. 회로 설명을 해석하여 NOT, AND 등의 논리식으로 변환합니다. 이때 회로 동작 속도 향상과 칩 면적 절감을 위한 최적화 작업도 함께 이루어집니다.

배치 배선
게이트 회로(넷리스트)의 내용을 CPLD 내부에서 어떻게 배치할 것인지를 결정합니다. 조합 회로 부분의 출력이 안정화될 때까지의 시간을 계산하거나, 신호 간 출력 타이밍이 너무 차이가 나지 않도록 조정합니다.

타이밍 검증
CPLD 내부 소자에 대한 지연 시간을 정의하고 시뮬레이션을 수행합니다.

프로그래밍
최종 설계를 바탕으로 개발 툴에서 생성된 데이터를 CPLD에 입력합니다.

AC 모터란?

AC 모터는 교류 전원으로 구동하는 전동기를 말합니다.

AC는 alternating current의 약자로, 시간에 따라 플러스와 마이너스가 번갈아 가며 주파수가 바뀌는 전류를 말합니다. 이러한 전류를 출력하는 전원을 교류 전원(AC 전원)이라고 합니다.

AC 모터는 크게 고정자와 회전자로 구성되어 있습니다.

고정자 : 전자기 강판에 코일을 감은 것입니다.
로터(회전자) : 전자기 강판으로 구성된 로터 코어에 알루미늄이나 코일을 감아 도체를 바구니 모양으로 구성한 것입니다.
직류 전원으로 구동하는 전동기를 직류 모터, 또는 DC 모터(영문: direct current motor)라고 합니다.

AC 모터의 사용 용도

AC 모터는 펌프 등의 장비나 공장 내 이송용 컨베이어, 롤러, 팬 등을 회전시키기 위해 사용됩니다. 회전시키고자 하는 설비와 로터의 출력축을 커플링이라는 장비 등으로 연결하여 사용합니다.

AC 모터는 직류 전원으로 구동하는 DC 모터에 비해 브러시라는 소모품이 없다는 점에서 유지보수성이 뛰어나 폭넓게 사용되고 있습니다.

원래 속도 제어로 운전하기에는 DC 모터가 더 다루기 쉽다고 여겨졌지만, AC 모터에서도 속도 제어가 보편화되면서 사용 용도가 더욱 확대되고 있습니다.

AC 모터의 원리

그림 1. 회전 자기장의 발생 원리

AC 모터는 120도씩 위상이 어긋난 3상 교류 전원을 고정자 코일에 공급하고, 코일에 흐르는 전류에 의해 전자기 강판이 전자석이 되어 전동기 내부에 자기장을 형성합니다(오른쪽 나사의 법칙에 의해 전자석의 극성이 결정됩니다).

교류전원은 시간이 지남에 따라 위상이 변하기 때문에 시간에 따라 자기장의 방향이 회전합니다.

그림 1은 회전 자기장의 발생 원리를 보여 주며, 3상 교류 전원의 U상, V상, W상의 위상이 변함에 따라 고정자 자기장의 방향이 변하는 것을 볼 수 있다(그림 1에서 회전 자기장은 반시계방향으로 회전한다).

자기장이 회전하면 회전자에 와전류가 발생하고, 와전류와 자기장에 의해 회전력이 발생하여 회전자에 회전력이 발생합니다. 회전력은 플레밍의 왼손의 법칙에 의해 방향이 결정됩니다.

이 회전 원리는 아라고의 원반 원리와 동일합니다.

또한, 고정자의 수를 극수(극수)라고 하며, 2극, 4극 등으로 표현합니다. 회전 자기장의 속도 Ns는 이 극수 p와 전원의 주파수 f로 정해지며 Ns=120f/p로 구할 수 있습니다.

회전자 속도 N은 후술하는 AC 모터의 종류에 따라 다르지만, 유도 모터는 회전 자기장보다 약간 느린 속도로 회전합니다. 회전 자기장과 회전자 속도 차이를 ‘슬립’이라고 부르는 파라미터 s를 사용하여 N=120f(1-s)/p로 나타냅니다.

AC 모터의 종류

그림 2. AC 모터의 종류

AC 모터는 주로 그림 2와 같이 분류됩니다.

크게 동기 모터와 유도 모터로 나뉘며, AC 전원의 종류에 따라 분류할 수도 있습니다.

단상 교류 모터
가정에 배전되는 것과 같은 AC100V를 전원으로 사용합니다. 세탁기용 모터 등 가전제품에 사용되는 모터가 이 분류에 속합니다.

삼상 교류 모터
공장 등에 배전되는 것과 같은 삼상 전원으로 작동하는 펌프용, 컨베이어용 모터가 이 분류에 해당합니다. 일본에서는 AC200V가 주류입니다.
또한 직류 전원으로 AC 모터를 구동할 수도 있습니다. 이 경우 직류를 삼상 교류로 변환하는 인버터를 함께 사용합니다.

1. 동기 모터

동기 모터는 회전 자기장과 로터의 회전 속도에 미끄러짐이 없는(동기화되는) 모터를 말하며, 모터의 극수(극수)와 전원 주파수에 따라 회전 속도가 결정됩니다.

동기모터는 로터의 구조에 따라 여러 종류로 나뉘는데, 여기서는 비교적 많이 사용되는 영구자석형에 대해 설명합니다.

영구자석형 동기모터는 로터 코어에 자석을 배치하여 자석의 자기장이 전원의 회전 자기장과 동기화되어 회전합니다.

자석을 로터 코어 표면에 고정한 것을 표면 영구자석형(Surface Permanent Magnet, SPM), 로터 코어 내부에 내장한 것을 내장자석형(Interior Permanent Magnet, IPM)이라고 합니다.

2. 유도 전동기

그림 3. 유도전동기의 로터 구조

유도전동기는 유도전동기 또는 비동기전동기라고도 합니다.

유도 전동기는 로터의 회전 속도가 동기 속도보다 약간 느리다는 특징이 있습니다(전원 공급 장치의 회전수와 로터의 회전수가 비동기식이다).

그림 3은 유도 전동기의 로터 구조를 보여줍니다. 유도전동기는 그림과 같이 알루미늄 등의 도체를 바구니 모양으로 구성하는 것이 일반적입니다.

교류전원으로부터의 회전 자기장에 의해 전자기 유도의 원리에 따라 바구니형 도체에 유도전류가 발생하고, 플레밍의 법칙에 따라 전류와 자기장의 작용으로 힘이 발생합니다. 이 힘으로 AC 모터가 회전하여 출력축으로 연결된 기계를 움직일 수 있습니다.

AD 컨버터란?

AD 컨버터는 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 장치를 말하며, Analog와 Digital의 머리글자를 따서 AD 컨버터이며, A/D 컨버터라고도 표기합니다.

실세계의 정보는 대부분 연속적인 아날로그 데이터이지만, 이를 컴퓨터에서 처리하기 위해서는 0과 1로만 표현되는 디지털 데이터로 변환해야 하는데, AD 컨버터는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 전자부품이며, 반대로 디지털 데이터를 아날로그 데이터로 변환하는 것을 DA 컨버터라고 합니다.

AD 컨버터는 다양한 아키텍처(변환 방식)가 있으며, 샘플링 속도와 해상도가 다릅니다. 따라서 목적에 따라 적합한 것을 선택해야 합니다.

AD 컨버터의 사용 용도

AD 컨버터는 우리의 일상 생활에서도 많이 사용되고 있습니다. 구체적으로 디지털 카메라나 오디오 기기입니다. 영상이나 소리 등의 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하여 출력합니다.

다양한 전자기기에서는 아날로그 신호를 입력 정보로 활용해야 하지만, 내부 처리는 디지털 신호로 이루어집니다. 따라서 AD 컨버터가 필요합니다. 빛이나 온도 등을 다루는 기기에는 AD 컨버터가 탑재되어 있습니다.

디지털 카메라나 오디오 기기 등에서는 고속 전송이 필요하기 때문에 높은 샘플링 레이트의 고속 AD 컨버터가 개발되고 있습니다.

AD 컨버터의 원리

AD 컨버터가 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 과정은 크게 3단계로 나뉩니다.

연속적인 아날로그 신호를 주기적으로 잘라내어 샘플링을 합니다.
샘플링된 신호의 진폭을 이산적인 값으로 근사화합니다.
근사화된 신호를 0과 1의 바이너리로 표현하는 부호화가 이루어집니다. 부호화를 수행하는 회로를 인코더라고 합니다.

AD 컨버터의 성능을 나타내는 지표로 샘플링 속도와 분해능이 있습니다. 샘플링 속도는 변환 속도를 나타내며, 값이 클수록 빠른 변환이 가능합니다.

분해능은 얼마나 세밀하게 표현할 수 있는지를 나타내는 지표로, 비트수(부호화 시 2진수 자릿수)로 표현됩니다. 이 값이 클수록 정확하고 매끄럽게 표현할 수 있습니다.

샘플링 속도와 해상도는 서로 상충되는 관계로, 고속으로 샘플링할 수 있는 것은 해상도를 희생하고, 반대로 고해상도를 달성하기 위해서는 샘플링 속도를 늦춰야 합니다.

AD 컨버터 기타 정보

1. AD 컨버터의 해상도

AD 컨버터의 지표에 해상도가 있는데, AD 컨버터의 해상도는 입력된 아날로그 신호를 얼마나 세밀하게 수치화할 수 있는지에 대한 개념입니다. 단위는 bit로 표시되며, 8bit 데이터라면 2의 8승의 수치로 분해하여 0~255의 수치로 표시합니다. 일반적으로 bit 수는 8의 배수인 경우가 많습니다.

아날로그 입력이 0~2의 숫자이고, AD 컨버터가 8bit의 분해능이라고 가정하면, 2/(2^8-1) = 2/255 = 0.007843이 됩니다. 위에서 0~2까지 입력할 수 있는 8bit-AD 컨버터의 최소 분해능은 0.007843입니다. 고정밀 AD 컨버터로 32bit나 64bit 제품이 실용화되어 있습니다.

2. AD 컨버터의 샘플링 속도

AD 컨버터에서 해상도와 마찬가지로 중요한 지표로 샘플링 속도가 있는데, AD 컨버터에서 샘플링 속도란 아날로그 양을 얼마나 자주 샘플링하는지를 말합니다. 이것이 AD 컨버터의 작동 속도가 됩니다.

나이키스트 정리에 의해 AD 컨버터는 입력 아날로그 신호의 2배 이상의 주파수가 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 AD 컨버터의 샘플링 속도는 입력 아날로그 신호 주파수의 2.2배 이상으로 설정됩니다.

3. AD 컨버터의 정확도

AD 컨버터에는 오차가 발생합니다. 예를 들어, 설계상 아날로그 입력이 0~2이고, 16bit AD 컨버터의 오차는 2/(2^16-1)=0.0000030518이 됩니다. 어느 정도의 정밀도로 샘플링해야 하는지는 위와 같은 계산을 통해 구할 수 있습니다.

주의해야 할 점은 AD 컨버터의 성능이 그대로 기기의 성능이 되는 것은 아니며, AD 컨버터의 입력 단자 앞에는 입력 보호 회로, 증폭기, 감쇠기 등이 설치되어 미세한 신호를 처리하게 됩니다.

이 부분에 따라 아날로그 신호가 영향을 받을 수 있으며, AD 컨버터의 주변 회로도 주의 깊게 선정하지 않으면 고정밀 AD 컨버터의 성능을 충분히 발휘하지 못할 수 있습니다.

유량 센서란?

유량 센서는 기체에서 액체까지 유체의 유량을 측정하는 계측기입니다.

유량계로 취급되기도 합니다. 유량은 단위 시간 동안 한 단면을 통과하는 유체의 부피 또는 무게를 나타냅니다.

유량 센서에는 유체 회로를 흐르는 유체의 이상 유무를 감시하는 목적의 아날로그식 유량 센서도 있고, 가스 공급량 등을 일정량으로 조정하기 위해 피드백 제어기구에 연결하는 디지털식 유량 센서 등 다양한 종류가 있습니다.

유량 센서의 사용 용도

유량 센서는 다음과 같은 분야에서 사용되고 있습니다.

1. 유압기기, 제약/화학/식품 분야

주로 제조 공정 내에서 원료 투입량 관리에 사용됩니다. 이 분야에서 사용되는 것은 용적식 유량 센서입니다.

2. 산업용 가스, 연료 가스 및 배기가스 측정

공장에서 사용되는 산업용 가스 및 연료 가스 사용량, 배기가스 관리에 사용됩니다. 열식 질량 유량계라고도 불리는 열식 질량 유량계가 주류를 이룹니다.

3. 음용수, 소스류, 가연성/폭발성 유체

식품 관련이나 위험성이 높은 유체에서는 유체에 닿지 않는 비접촉식 측정이 요구되며, 이를 위해 전자기식 유량 센서가 사용됩니다.

4. 산업 설비 및 수처리 시설

공장이나 수처리 시설에서 유량 관리를 위해 유량 센서가 사용됩니다. 특히 기존 경로에 유량 센서를 추가할 때 사용되는 것은 초음파식 센서입니다.

5. LNG 플랜트, 자동차 산업, 화학산업, 제약 산업

다양한 제조 현장에서 유량 센서가 사용되고 있습니다. 가장 많이 사용되는 것은 코리올리식 유량 센서입니다.

6. 화학 산업, 제약 산업

천연가스나 수증기를 취급하는 공장에서는 칼만 와류식 유량 센서가 널리 사용되고 있습니다.

유량 센서의 원리

유량 센서는 측정 대상 유체의 성질과 측정 목적에 따라 다양한 측정 형식이 채택되고 있습니다. 여기서는 공기, 물 등 일반적인 유체에 적용할 수 있는 차압식 유량 센서의 원리에 대해 설명합니다.

차압식 유량계에서 사용되는 원리는 베르누이의 정리입니다. 일정한 크기의 유체 유로에서 의도적으로 유로를 좁히면 유체에는 압력 손실이 발생하여 압력차가 생깁니다. 이 압력차를 베르누이의 법칙에 적용하여 유속을 계산합니다.

유로를 좁히는 구조에 어떤 메커니즘을 사용하느냐에 따라 오리피스형, 노즐형 등 다양한 종류가 있지만, 그 전후의 유체 압력차를 측정 원리로 삼는다는 점에서는 모두 동일합니다.

유량 센서 선택 방법

측정하는 유체의 종류에 따라 적합한 유량 센서가 달라집니다. 기체용인지 액체용인지 잘못 선택하면 잘못된 유량을 인식하는 것은 물론, 유해물질이나 가연성 물질의 유량 측정에 잘못된 유량 센서를 선택하면 큰 사고로 이어질 위험도 있습니다. 따라서 먼저 측정하고자 하는 물질의 성질을 면밀히 검토하는 것부터 시작하는 것이 중요합니다.

또한, 유량 센서는 일반적으로 넓은 범위를 한 번에 측정할 수 없습니다. 미리 예상되는 유량이 정해져 있다면 그 범위에 맞는 정밀도가 높은 유량 센서를 선정하는 것이 좋습니다.

유량 센서의 기타 정보

1. 클램프온식 유량 센서에 대하여

클램프온은 측정하고자 하는 유체가 흐르는 배관 외부에 계측기를 설치하는 것을 말합니다. 클램프온식 유량 센서에는 초음파식 유량계와 초음파식 유량 센서가 있습니다.

측정하고자 하는 대상이 초음파로 측정할 수 있는 유체 등이라면 측정 기기로 사용할 수 있습니다. 초음파식 유량계에는 전파 시간차식, 도플러 방식을 이용하여 주파수를 측정하는 방식 등이 있습니다. 초음파식 유량계의 장점은 배관을 제거하거나 절단하지 않고도 설치가 가능하기 때문에 설치비용을 절감할 수 있다는 점입니다.

또한, 시공 후 유지보수성이 크게 향상되고, 배관 내 압력 손실이 없다는 점도 장점으로 꼽을 수 있습니다. 반면, 배관 외부에 설치하기 때문에 직관부의 길이가 필요하고, 배관 구경 등이 관련되어 있다는 점, 측정하는 유체에 고형물이나 기포가 많으면 측정이 불가능하다는 점 등이 단점으로 꼽힙니다.

2. 공기 유량계에 대하여

에어 유량계에는 클램프온식 유량계와 나사 연결식 유량계 등이 있습니다. 나사 연결식 유량계는 직관부가 불필요하고, 계측기기가 소형화되어 공간을 절약할 수 있습니다.

기존의 공기 유량계는 측정하는 기체가 압축성 유체라면 열식 질량 유량계가 사용되어 왔습니다. 열식 질량유량계에는 몇 가지 측정 방법이 있는데, 모세관식에서는 튜브 내부에 저항값을 갖는 유량 요소를 설치하고 튜브 외부에 히터를 감아 히터 양측의 온도 센서가 유량 밸런스를 측정합니다.

그러나 열식 질량유량계는 오염에 약하고 저압 환경에 취약하여 오일 미스트가 많은 설비에는 적합하지 않습니다. 현재 열식 질량 유량계는 유량 센서 방식이 주류입니다.

이 형식은 반도체 유량 센서로 구성되어 측정 범위가 넓고 오염에 강하며 저압 환경에서도 사용할 수 있습니다.

진동계란?

진동계(영어: Vibration meter)는 피측정물의 진동 크기를 측정하는 장치입니다. 진동의 크기는 변위, 속도, 가속도의 세 가지 척도로 표현하는 것이 일반적입니다.

측정하고자 하는 진동의 종류와 평가하고자 하는 항목에 따라 어떤 파라미터를 측정할 것인지 선택하는 것이 중요합니다. 가속도를 측정할 때는 가속도계라고 부르기도 합니다.

진동계의 사용 용도

진동계는 연구개발, 생산현장, 환경보전 등의 분야에서 널리 사용되고 있다. 연구개발 분야에서는 예를 들어 제품 개발 단계에서 부품 등의 진동 특성을 측정하여 공진, 파손, 이상음 등을 미연에 방지합니다.

생산 현장에서는 제품 출하 검사의 한 방법으로, 예를 들어 엔진의 진동 측정을 통해 제품의 양호 여부를 판단합니다. 또한, 운송으로 인한 파손 등을 방지하기 위해 운송 중 진동을 시험기로 재현하여 포장 등을 개선합니다.

또한, 터빈 발전기 등에서는 가동 중 진동을 모니터링하여 고장을 조기에 발견하는 작업을 하고 있습니다. 환경 분야에서는 공장이나 공사 등에서 발생하는 진동으로 인한 공해 문제를 해결하기 위해 진동 측정이 필수적입니다.

또한, 진동이 인체에 미치는 영향은 기준가속도 대비 비율을 나타내는 진동 레벨을 측정하여 판단합니다. 진동 레벨은 ISO나 JIS에 규정되어 있으며, 자동차나 철도 차량의 승차감 판단에도 사용됩니다.

또한, 지진의 진동을 측정하여 경보를 발령하거나 지진의 진동 파형을 측정하여 건물의 내진 및 면진 구조 평가에 사용하기도 합니다.

진동계의 원리

진동계에서 진동을 감지하는 것은 픽업이라는 것을 사용합니다. 픽업에는 압전식, 전자기식, 기계식, 광학식, 전자기파식 등이 있습니다.

1. 압전식 진동계

진동에 의해 발생한 힘은 피에조 소자의 압전 효과에 의해 그 힘에 비례하는 전압으로 변환됩니다. 피에조 소자 표면의 변형량을 측정하는 전단형과 피에조 소자에 추를 얹은 간단한 구조의 압축형 두 종류가 있다. 작고 가벼우며, 높은 주파수 영역까지 측정할 수 있습니다.

2. 전자기식 진동계

자석과 코일로 구성되어 있으며, 진동에 의해 자석과 코일의 위치관계에 따라 발생하는 전자기 유도에 의한 전류의 변화를 측정합니다.

3. 기계식 진동계

MEMS(micro electric mechanical system) 반도체 소자를 사용하여 가변 전극의 변위에 따른 커패시턴스 변화를 측정합니다.

4. 기타 진동계

레이저 빛을 조사하여 변위를 측정하는 광학식 및 마이크로파 도플러 레이저를 사용하여 상대적인 변위를 측정하는 전자파식 진동계도 있습니다. 이들 방식은 픽업이 진동체에 장착할 필요가 없어 미세한 물체나 고온의 물체 및 액면 등의 진동 측정에 적합합니다.

진동계의 기타 정보

1. 진동계 사용법

픽업의 고정방법은 비측정물에 밀착되도록 스터드 볼트 등으로 단단히 고정하는 것을 권장합니다. 고정방법이 제대로 고정되지 않으면 필터가 되어 정확한 측정이 불가능할 수 있으므로 주의가 필요합니다.

스터드 볼트 이외의 고정 방법으로는 접착제를 이용하는 방법, 자석을 이용하는 방법 등이 있습니다. 진동을 분석할 때는 주파수 분석이 널리 사용됩니다. 측정된 파형이 어떤 주파수가 각각 얼마나 큰 강도로 포함되어 있는지를 알아보는 방법입니다.

2. 진동의 단위

기계 진동의 정의는 기계계의 운동 또는 변위를 나타내는 양의 크기가 어떤 평균치 또는 기준치보다 큰 상태와 작은 상태가 교대로 반복되는 시간적 변화로 JIS에서 규정되어 있습니다. 진동은 진폭, 주파수, 위상의 세 가지 요소로 구성되어 있습니다. 진동을 측정할 때 변위, 속도, 가속도 세 가지 파라미터가 있으며, 이를 측정하기 위해 진동계를 사용합니다.

진동의 실용 단위는

변위 : cm, μm(=10-6 m), nm(=10-9 m)
속도: cm/s, mm/s
가속도: cm/s2, Gal(Gal=cm/s2), G(G=9.80665m/s2) 입니다.

또한, 환경진동 측정으로 사용되는 진동 레벨계는 인체의 진동감각 특성에 따른 측정값인 진동 레벨(dB)로 환경진동의 크기를 평가합니다. 이는 소음 레벨과 같은 개념으로, 물리적 진동량에 인체의 감각 특성에 따른 보정을 한 후 측정값을 평가 대상으로 삼고 있습니다.

진동 레벨 L=20log(V/ V0) [dB] [dB
V0 : 기준 진동 가속도
V : 진동가속도의 실효값(r.m.s.)
V0는 일본에서는 10-5 m/s2, 해외에서는 10-6 m/s2가 사용되고 있습니다.