온도 측정 및 제어

소개글

온도 측정 및 제어에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 온도의 정의

2. 온도 scale

3. 온도 측정
1) Thermocouple
(1) Elementary theory of thermoelectricity
① Seebeck 효과
② Thomson 효과
③ Peltier 효과
(2) Law of thermoelectric circuit
① Homogeneous circuit의 법칙
② Intermediate temperature의 법칙
③ Intermediate metal의 법칙
(3) 측정과 분석
(4) Thermocouple의 종류
2) Pyrometer
(1) 기본적인 법칙
① Stefan-Boltzmann's law
② Planck's law of radiation
③ Wien's displacement law
④ Emissivity
(2) Pyrometer의 종류와 특성
① Disappearing filament optical pyrometer
② Two color pyrometer
③ Automatic optical pyrometer

4. Temperature control method
1) PID control method
① Proportional control action
② Integral control action
③ Derivative control action

5. 일반적인 온도 측정 및 제어장치
1) 온도 측정 및 제어장치의 구성
2) 온도 측정 및 제어장치의 회로도

본문내용

의 출력을 바꾸고 부하 변동 후의 새로운 상태에서 offset이 없도록 할 수 있다. 이 관계를 Fig. 21에 나타내었다.
Fig. 21 Manual reset
② Integral control action (I 동작)
조작 신호
y`
가 동작 신호
epsilon `
의 적분값에 비례하는 것이며 다음 식으로 표시된다.
y= k_i INT epsilon `dt`
k_i`
: 적분 비례 정수
이 적분 동작은 조금이라도 편차가 있으면 반드시 적분되므로 조작량은 증가하고 항상 편차가 0이 되도록 조작 신호를 내고 있다. 단독으로 응답이 빠른 프로세스에 적합한 동작이지만 offset을 제거시키므로 비례 동작과 조합시켜서 비례+적분 동작(PI 동작)으로서 많이 사용된다.
PI action
조작 신호
y`
와 동작 신호
epsilon `
은 다음 식으로 표시된다.
y=K_P epsilon + k_i INT epsilon dt`
= K_P `( epsilon + 1 over T_I INT epsilon dt` )
K_P , k_i , T_I`
: 정수
Fig. 22 PI action
P 동작에 의한 조작 신호의 변화를 I 동작만으로 일어나는 데에 필요한 시간
T_I`
를 적분 시간이라고 하고 P 동작의 세기에 대한 I 동작의 세기를 표시한 것이 Fig. 22이다. 또한
T_I`
를 분으로 표시한 것의 역수를 리셋률이라고 한다. 이것은 매분당 I 동작에 의한 변화를 P 동작에 의한 변화로 나눈 값과 같다.
Fig. 20에서 편차가 생겼을 때, 매분당 I 동작에 의한 변화
B/T`
를 P 동작에 의한 변화 C로 나눈 값이며
B=C`
일 때
T=T_I`
이다.
PI(proportional plus integral control action) 동작은 가장 널리 사용되고 있는 제어 동작이다.
③ Derivative control action (D 동작)
Fig. 23과 같이 조작 신호가 동작 신호의 미분값(변화의 속도)에 비례하는 것을 미분 동작이라고 한다. 현재의 편차에서 다음의 순간에는 어떠한 상태로 되는가를 예측하고, 제어를 행하는 것에 상당하는 것이 미분 동작이며 편차가 일어나기 시작하는 데에 큰 정정 동작을 행한다. 그러나 미분 동작만 단독으로 사용되는 일은 없으나 보통 P 동작 또는 PI 동작과 조합시켜 사용한다.
Fig. 23 D action
PD action
PI 동작에 의한 제어는 offset을 제거하는 효과가 있지만 프로세스에 큰 헛된 시간이 있을 경우에는 제어 결과가 진동적으로 되기 쉽다. 이와 같은 경우에 PD 동작을 사용하면 transient 특성을 빠르게 안정시킬 수 있다.
편차가 생겼을 경우, 그 변화의 비율을 감지하여 앞질러 항 동작을 행하게 하여 프로세스의 지연을 회복하고 빠르게 steady state에 도달하게 한다. 즉 Fig. 22에서 보는 것처럼 (a)와 같은 편차가 있었을 경우, (b)에 나타낸 것처럼 우선 출력이 크게 변하고 그 후 비례동작에 의한 출력으로 되돌린다.
Fig. 24 PD action
편차
epsilon
과 조작 신호
y`
사이의 관계는 다음과 같다.
y=K_P`` epsilon +k_2 {d epsilon} over dt = K_P ( epsilon + T_D { d epsilon} over dt )`
k_2 , T_D`
: 상수
T_D`
: derivate action time
Fig. 25 PD action
Fig. 25와 같이 편차 신호가 일정 속도로 변화해 가는 경우, 이 미분 계수는 일정하므로 D 동작에 의한 조작 신호는 그림 (b)에 나타내듯이 어느 일정량만 급속히 변화하지만 PD 동작에서는 여기에 P 동작에 의한 조작 신호의 변화가 더해져 그림 (c)와 같은 변화를 한다. 미분 시간
T_D`
는 이와 같은 경우에 D 동작에 의한 조작 신호의 변화가 P 동작에 의한 변화와 같아질 때까지의 시간으로 표시된다. 미분 시간이 클수록 미분 동작은 강하고, 작을수록 약하다.
PID action
PI 동작과 PD 동작의 양자를 조합시켜 결점을 보완하도록 한 것이며 편차에 비례하는 응답(P 동작), 편차의 크기와 지속시간에 비례하는 응답(I 동작), 제어량의 변화 속도에 비례하는 응답(D 동작)을 포함한다. 그러므로 미분 동작에 의해서 오버슈트가 적고 응답도 빠르게 되며 적분동작에 의해서 offset을 제거할 수가 있다.
5. 일반적인 온도 측정 및 제어장치
1) 온도 측정 및 제어장치의 구성
Fig. 26 온도 측정 및 제어장치
Fig. 27 Temperature controller Fig. 28 누전차단기
Fig. 29 Power 공급장치 Fig. 30 Thermocouple
2) 온도 측정 및 제어장치의 회로도
Fig. 31 온도 측정 및 제어장치의 회로도
온도 측정 및 제어장치는 Power 공급장치, Temperature controller 그리고 누전차단기로 구성되어 있다.
Power 공급장치로는 보통 SSR(solid state relay)을 사용하는데 시간을 제어해 power를 공급하는 장치이다. SSR은 신뢰성이 높고 수명이 길며 응답속도가 빠른 장점이 있다.
PID control을 이용한 temperature controller는 설정치와 측정치를 비교해 SSR로 하여금 적당한 power를 공급하도록 신호를 보내는 역할을 한다.
누전차단기는 어떠한 원인으로 인해 일정 power 이상이 heater에 가해졌을 때 스스로 전력을 끊어 누전을 방지한다.
Reference
1. 이평기, 공업계측, 1993
2. 김종식, 선형 제어시스템 공학, 1993
3. 박동국 장성연, 제어공학, 1987
4. Barret, The principles of Engineering materials, 1996
5. ASTM, Manual on the use of thermocouples in temperature measurement, 1981
6. T. J. Quine, Temperature, 1983

키워드

온도,   temperature,   Thermocouple,   Seebeck,   Thomson,   Peltier,   Pyrometer,   PID control method