주메뉴 바로가기 본문 바로가기 페이지하단 바로가기
  • 기초이론
  • 기초원리

기초원리

기술용어

에프엠테크에서 현재 사용 중인 질량, 부피, 비중, 유량, 밀도, 점도와 같이 기본적인 단위와 온도 압력과 관련한 보일, 샤를의 법칙 및 옴의 법칙, 혹은 펄스 등의 전기 전력의 가장 기본적인 사항에 대해서 안내해 드리고 있습니다.

비중

어떤 물질의 질량과, 이것과 같은 부피를 가진 표준 물질의 비중밀도와의 비율

어떤 물질의 질량과, 이것과 같은 부피를 가진 표준물질의 질량과의 비율. 비중은 기체의 경우 온도와 압력에 따라 달라지며, 대부분의 경우 밀도와 같은 개념으로 생각해도 무방하다. 표준물질로서는 고체 및 액체의 경우에는 보통 1∨atm, 4∨ºc의 물을 취하고, 기체의 경우에는 0 ºc, 1 atm 하에서의 공기를 취한다. 비중은 온도 및 압력에 따라달라지며, 무차원수인데, 고체 액체에 대해서는 그 값이 소수점 이하 5자리까지 밀도와 일치하여 대부분 밀도와 그 값이 같다고 생각해도 무방하다.

질량

장소나 상태에 따라 달라지지 않는 물질 고유한 양을 질량이라고 한다.

단위로는 kg, g, mg 등을 사용

부피

도형이 차지하는 공간을 부피라고 한다.

SI 단위는 세제곱미터(㎥)를 사용

질량 및 부피변화

그림과 같이 온도와 밀도 변화에 따라 부피는 변하지만, 질량은 변하지 않는다는 것을 알 수 있다.

밀도

밀도(Density)는 물질의 질량을 부피로 나눈 값(Density=Mass/Volume)으로 물질마다 고유한 값을 지닌다. 단위는 kg/㎥, g/㎤ 등을 주로 사용한다. 밀도가 크다는 것은 같은 부피에 대해 질량이 더 크다는 것을 의미하므로 여러 물질이 섞여 있을 때, 밀도가 큰 물질일수록 아래쪽에 위치하게 된다.

밀도1
밀도2

4 ℃ 일때 물의 밀도 1000 kg/㎥ = 1 g/cc

고체나 액체의 경우 밀도는 온도나 압력의 변화에 의해 거의 변화하지 않는다. 그러나 기체의 경우에는 온도가 올라갈수록 부피가 커져도 밀도가 작아지고, 압력이 높아질수록 부피가 작아져 밀도가 커진다.

유량
유량

유량이란 단위시간에 고정된 단면을 흐르는 유체의 양을 말한다.
단면적을 A, 평균유속을 V라 하면 유량 Q는 Q=AV 로 나타내며,
그 단위는 l/s, ㎥/s, ㎥/h 등으로 표기되고 질랴유량의 경우 kg/h, Ton/h 등으로 표시할 수 있다.

(그림의 경우 유량(Flow Rate) = 100 grams/minute ( 100 g/m)

점도
점도

유체의 흐름에 대한 저항을 말하며 운동하는 액체나 기체 내부에 나타나는 마찰력이므로 내부마찰이라고도 하며, 유체의 끈끈한 성질이다. 액체는 일반적으로 기체보다 점성이 크다. 또한, 액체의 점성은 온도가 높아지면 줄지만 반대로 기체는 증가한다. 일반적으로 단위는 kg/m·s, Pa·s이며 CGS 단위계로는 g/cm·s ( 1 g/cm·s = 1 poise = 100 cP )

CGS 단위계
g/cm·s ( 1 g/cm·s = 1 poise = 100 cP ) 액체는 일반적으로 기체보다 점성이 크다.
또한, 액체의 점성은 온도가 높아지면 줄지만 반대로 기체는 증가한다.

일반적으로 단위는 kg/m·s, Pa·sE

보일-샤를의 법칙이란?

온도가 일정할 때 기체의 압력은 부피에 반비례한다는 보일의 법칙과 압력이 일정할 때 기체의 부피는 온도의 증가에 비례한다는 샤를의 법칙을 조합하여 만든 법칙으로 온도, 압력, 부피가 동시에 변화할 경우 이들 사이의 관계를 나타낸다. 보일의 법칙 온도가 일정할 때, 압력이 증가하면 부피는 감소하고, 압력이 감소하면 부피는 증가한다.

보일의 법칙
온도가 일정할 때, 압력이 증가하면 부피는 감소하고, 압력이 감소하면 부피는 증가한다.
P₁V₁= P₂V₂= k ( P-압력 V-부피 k-상수 )
샤를의 법칙
압력이 일정할 때, 온도가 증가하면 부피는 증가하고, 온도가 감소하면 부피는 감소한다. => 온도 1∨℃ 오를 때 부피는 1/273씩 증가
V₁/ T₁= V₂/ T₂= k ( V-부피 T-절대온도 k-상수 )
이상기체 방정식
P V / T = n R => P V = n R T 기체의 압력(P)
기체의 압력(P) | 기체의 온도(T) - 절대도(TK) = 273 + t ℃(섭씨온도) ) | 기체의 부피(V) n은 몰 수, R은 기체상수

예제) 20℃에서 10 L 의 강철용기에 수소 기체를 넣었더니 3 atm이었다. 이 용기 속의 수소 기체의 압력은?

PV = nRT 에서 n = PV/RT. ∴ n = 3 atm × 10 L / 0.082 atm·L/mol·K × 293 K = 1.25 atm

보일샤를의법칙
압력이란?

단위면적당 작용하는 힘(P = F/A = m x a / A (P=압력 , F=힘, A=단면적, m=질량, a=가속도)을 압력이라고 하는데 압력의 종류로 대기압을 0으로 기준하여 압력을 측정(kgf/㎠-g)하는 게이지압과 절대진공을 0으로 기준하여 압력을 측정(kgf/㎠-a)하는 절대압력이 있다. 아래의 그림을 살펴보면 동일한무게, 다른압력을 확인할 수 있다. 즉, 단위면적당 무게가 핵심이다.

Absolute Pressure (절대압력) = Gauge Pressure(계이지압력) + Atmospheric Pressure(대기압력)

압력의 종류

액체, 가스 및 기체로 이루어진 물질의 형태에 따라 압력이 달라진다.

액체에 의해 발휘된 압력은 아래의 3개 주요 요인에 의해 좌우된다.
액체의 높이. 액체의 조밀도. 액체의 표면에 압력.

가스는 압축성으로 가스에 의해 발휘된 압력은
가스 콘테이너의 양과 온도, 두 가지 주요 요인에 의해 좌우된다.

대기압은 공기의 무게에 의한 힘 (공기는 지상 30 km까지 존재)
단위 면적에 수직으로 작용하는 힘 국제단위계(SI)에서 압력은 파스칼(Pa)로 나타낸다.
1 ㎡ 의 면적에 1 N (뉴턴)의 힘이 작용할 때의 압력을 1 Pa

1643년 토리첼리는 그림과 같이 1 m 짜리 유리관에 수은(Hg)을 채워 거꾸로 세워 대기압을 측정하였다. 수은주의 높이(h)가 760 mm (76 cm)일 때의 압력을 1기압 (atm) 이라고 한다. 이는 곧 1기압 (atm) = 760 mmHg 1기압 = 1㎡당 10 톤의 힘이 가해지는 것과 같다.

옴의 법칙(Ohm's law)이란?

도체의 두 지점사이에 나타나는 전위차(전압)에 의해 흐르는 전류가 일정한 법칙에 따르는 것을 말한다. 두 지점 사이의 도체에 일정한 전위차가 존재할 때, 도체의 저항(resistance)의 크기와 전류의 크기는 반비례한다. I는 도선에 흐르는 전류로 단위는 암페어(A,ampere),  V 는 도체의 양단에 걸리는 전위차로 단위는 볼트(V,volt), 그리고  R 는 도체의 전기저항(resistance)으로 단위는 옴(Ω, ohm)이다. 특히, 옴의 법칙에서 저항 R는 상수이고, 전류와 독립적이다.

펄스(Pulse)란?
pulsejitter
pulsejitter

아주 짧은 시간 동안에 큰 진폭을 내는 전압이나 전류 또는 파동을 펄스라 하며 대개 펄스의 50%상승부터 50% 하강까지의 시간 길이와 같은의미를 펄스 폭이라 한다.

진동수 [振動數, frequency]
진동운동에서 물체가 일정한 왕복운동을 지속적으로 반복하여 보일 때 단위시간당 반복 운동이 일어난 횟수
헤르츠 [hertz]
헤르츠 [hertz]독일인 과학자 헤르츠(Heinreich Hertz)의 이름에서 유래된 진동수의 단위, 국제단위계(SI)의 단위이다. Hz로 표시하며 사이클(cycle)이라고도 한다.
예를 들어 1초 동안에 1,000개의 파동이 지나가면 1000 Hz 혹은 1000 cycle/s
pulsejitter
Pulse jitter란 펄스 시간축의 오차를 말하며, 펄스를 측정하는 것은 측량으로 아래에 보이는 바와 같이 본래부터 펄스폭이 실시간 시계의 정확한 배수일 가능성이 희박하기 때문에 측정값이 2, 3 으로 달라질 수 있다는 것을 의미한다.
왜 (4~20) mA 인가?
mA

가장 큰 이유는 전압은 감지된 곳으로부터 멀리 보내면 선로의 저항으로 인해 최종 단의 전압이 변하게 됩니다. 센서가 감지한 신호의 출력전압이 1 V 라고 할때 이것을 500 m 거리에 보낸다고 할때 500 m의 장치에서 이 신호를 측정하면 1 V 가 되어야 하지만 선로의 저항으로 전압의 손실이 발생하여 1 V 보다 작게 측정됩니다. 또한 전류는 루프가 형성이 되므로, 선로의 저항과 상관없이 직렬이기 때문에 전류는 센서의 출력과 종단지점과 같게 됩니다. 그러므로 센서의 출력이 12 mA 라고 할때 이것을 받는 장치에서도 읽으면 12 mA 가 됩니다.

일반적으로 수신 측에서 전류를 전압으로 바꾸어야 신호처리가 용이하므로 종단저항이라고 하는 저항을 답니다. 그리고 이 양단의 전압을 이용하여 처리합니다. 주로 사용되는 종단저항은 250 ∨Ω 입니다. 센서의 출력이 10 mA 가 나오면 종단측에는 10 mA * 250 = 2.5 V 가 얻어집니다. 대다수의 회로에선 (1~5) V를 많이 사용하므로 센서의 최대출력전류가 나오더라도 5 V 를 넘지 않게 하는 것이 여러 가지 표준적인 측면 때문에 편합니다. 그래서 5 V / 250 Ω = 20 mA 를 사용합니다. 또한, 센서가 연결이 되지 않으면 0 mA 가 나옵니다. 문제는 센서가 연결이 되어 있는 상황에서 센서가 고장나도 0 mA ,연결이 안되어도 0 mA 가 나오면 종단측에서는 항시 0 V 가 감지됩니다. 이렇게 되면 문제가 무엇인지, 정상인지 알 수 없게 됩니다. 그러므로, 최하 1 V 가 정상적인 경우 감지되게 만들자는 취지에서 1 V / 250 Ω = 4 mA 가 된것입니다.

결론 종단 측에서 1 V 이상이 감지되면 센서 이상무, 0 V 가 감지되면 원오류 및 단선문제, (0.5~1) V 감지되면 센서 오류로 판단 가능합니다.

Frequency(Hz)란?

일반적으로 현장에서 Counter로 Pulse가 입력되지 않을 때 원인 중 하나가 Counter의 Frequency(Hz) 와 펄스폭(ms)이 유량계의 출력사양(Frequency(Hz) 와 펄스폭(ms))과 달라 발생하는 경우가 있습니다.

hz구하는공식

현장에서 순시 유량이 10800 kg/h(180 kg/min)이며, 이때 1 pulse = 0.1 kg 로 하고 싶다고 한다. 이때 Frequency 는 얼마인가요?

hz구하는공식

이때, 주의할 점은 Factor 값이 인지 구분하며, 시간단위가 무엇으로 되어 있는지 확인 하여야 하고, 또한 Frequency 가 주어져 있을 경우에는 1 pulse 당 몇 kg 인지를 알고 싶을때는 위의 식을 역으로 계산하여 적용함.

Hart Protocol이란?
Hart Protocol 아날로그

Hart Protocol은 위그림과 같이 일반적인 아날로그 시그널에서 Digital 신호에 유일하게 쓰이는 1, 0 신호를 아래와 같은 Hz 변동으로 만들어내는 방식으로 아날로그환경에서 디지털 시그널을 창출해낸 획기적인 기술이다.

Hart Protocol