[실험보고서] 온도계측 - PC를 사용한 가열로의 온도계측 및 제어

소개글

[실험보고서] 온도계측 - PC를 사용한 가열로의 온도계측 및 제어에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적

2. 실험 이론
　1) 온도센서의 원리와 종류
　2) 열전쌍의 원리와 종류
　　1. 열전대 (Thermo couple) 의 정의
　　2. 열전대 (Thermo couple) 의 원리
　　3. 열전대 (Thermo couple) 의 특징
　　4. 열전대 (Thermo couple) 의 종류와 특성

3. 실험 장치의 구성 및 실험방법
　1) 열전쌍
　2) 열전상용 온도 조절기
　3) 계측
　4) 전력조절기
　5) 실험 방법

4. 실험결과 및 분석
　1) on-off Control
　2) P Control, PI Control
　3) on-off제어, P제어, P-I제어 결과 분석
　4)가장 우수한 결과 - 가장 안좋은 결과 비교
　5) 열전대 (Thermo Couple) 종류별 온도 특성

6. 고찰

본문내용

차)
○ 0~1200℃ : ±2.5℃ 또는 측정온도의 ±0.75%(허용차)
※ K K型 열전대 (Chromel/Alumel) -200∼1,250℃ :
K형 열전대는 1906년 미국의 Hoskins사의 A.L.Marsh씨가 처음 개발했고, 그 이후 많은 개량을 해 왔다. 오늘날 다양한 특성 때문에 신뢰성이 높은 산업용 열전대로 가장 널리 사용된다. 1260℃까지 산화 및 비활성 분위기내에서 사용할 수 있다. K형 열전대는 이슬점(Dew-point)이 -42℃보다 낮으면 수소 또는 분해된 암모니아 분위기에서 사용가능
■ T-type 열전대(Copper-constantan)
이 열전대는 +쪽에 순동(Cu)과 -쪽에 Cu-Ni합금(constantan) 을 사용한 열전대이다. T열전대는 비교적 저온(-200-300 ℃)에 사용되고 약산화 분위기 또는 환원분위기 중에서의 사용에 적당하다. 기전력은 안정되어 정도가 높고 또 취급이 간단하므로 실험실 등에서 많이 사용되고 있다.
※ T T型 열전대 (Copper/Constantan) -200∼350℃ :
T형 열전대는 습한 분위기에서 부식에 강하며, 중간이 0℃인 온도 측정에 적합하다. 400℃까지 진공 및 산화, 환원 또는 비활성 분위기에서 사용할 수 있다. 기전력 특성이 안정되고 정확하기 때문에 실험용으로 폭넓게 사용되고 있다. T형은 규격화 된 열전대 중에서 중간이 0℃인 온도 범위 내에서 공차(Tolerance)가 가장 적은 열전대다.
3. 실험 장치의 구성 및 실험방법
1) 열전쌍
본 실험에서는 동-콘스탄탄 소재로 만들어진 T type의 열전쌍을 사용한다.
2) 열전상용 온도 조절기 본 실험에서는 이 장치의 기능중 온도 신호 증폭 기능만을 사용하는데, 열전쌍에서 생성되는 E의 값을 수 V의 DC 전압신호로 증폭하는 기능을 수행한다.
3) 계측 제어용 컴퓨터
온도 조절기에서 출력되는 전압 E는 A/D 변환기를 거쳐서 제어용 컴퓨터에 입력된다.
4) 전력조절기
본 실험에서 사용되는 전력 조절기는 제어 입력 u[DC4~20mA]에 비례하는 전압[실효치 전압 0~110 V AC]을 히터에 공급한다.
5) 실험 방법
① 제어용 컴퓨터의 구동 순서
- 제어용 컴퓨터 전원을 켠다
- 바탕화면의 Temp Control.exe 파일을 실행한다.
② 그 외의 실험 장비준비
③ 제어용 프로그램 화면의 좌측상단에 있는 제어기 선택 버튼을 클릭해서 ‘on-off control'을 선택한다.
④ 목표 온도와 데드존의 상한치 및 하한치를 설정한다.
⑤ 시작 버튼을 누른다.
⑥ 실험이 완료되면 자동으로 실험 데이터를 저장하기 위한 창이 생성된다. 적절한 파일명과 데이터 저장 위치를 선택한 후 실험 데이터를 저장한다.
⑦ 제어기 선택버튼을 클리해서 ‘PID control'을 선택한다.
⑧ 시작버튼을 누른다.
⑨ 실험이 완료되면 자동으로 실험 데이터를 저장하기 위한 창이 생성된다. 적절한 파일명과 데이터 저장 위치를 선택한 후 실험 데이터를 저장한다.
4. 실험결과 및 분석
1) on-off Control
목표 온도
상한치
하한치
35℃
36℃
31℃
2) P Control, PI Control
구분
목표 온도
P 제어
PI 제어
①35℃
I 게인
①
35℃
6
-
-
②
35℃
7
-
-
③
35℃
-
6
1.1
④
35℃
-
6
9.9
①
②
③
④
3) on-off제어, P제어, P-I제어 결과 분석
on-off 제어분석 : on-off 제어의 경우 상한치 하한치 값이 있어서 그런지 목표온도에서 상한치 하한치까지 거의 균일한 움직임을 보이며 온도의 변화라 상한치 하한치 값에 딱 맞아 떨어지게 움직이는 것이 아니라 약간의 오차 값이 존재한 움직임을 보인다.
P제어 분석 : 우리조의 P게이지 값은 6,7 이었다. 6의 값과 7의 값을 비교해 보면 6에서 조금 더 균일한 온도변화율을 보인다.
P-I제어 분석 : P게이지 6 I게이지 1.1, 9.9를 주었는데 거의 비슷한 변화율을 보이지만 9.9의 변화율이 조금더 균일하게 보인다.
위와 같은 변화는 제어신호에 차이 때문에 나타나는 데 제어값이 변화함에 따라 오차신호도 변화하기 때문이라 할 수 있다.
4)가장 우수한 결과 - 가장 안좋은 결과 비교
① on-off제어
⒜best(2조)
⒝ worst(1조)
② P제어
⒜best (P=8)
⒝ worst (P=6.5)
⒞ 분석
P제어기의 경우 P게인 값에 따라 비례게인 값이 변화한다. 위의 결과를 보면 우리조의 실험에서 P=8일 때 온도조절이 더 잘되고 P=6.5일 때 온도 조절이 안되는 것을 볼 수 있다. 이는 작은 오차신호에도 강한 제어신호를 발생시켜야 기준선에 근접이 되는 데 P값이 8일 때 비례게인값이 더 크다고 할 수 있다.
③ P-I제어
⒜best (P=5, I=5)
⒝ worst (P=7, I=7)
⒞ 분석
P-I제어의 경우 오차신호에 비례 및 적분 요소의 합을 곱하여 제어 신호를 발생시킨다. P=5, I=5 일 때 비례 및 적분 신호의 값이 크다고 할 수있다. P=7, I=7일 때 도 크게 다르지 않은 움직이지만 변화율이 균일하지 않다는 것을 볼 수 있다. 이는 P=7, I=7일 때 제어신호가 균일하지 않다는 것을 알 수있다.
5) 열전대 (Thermo Couple) 종류별 온도 특성
▲ 열전대 기전력 온도 특성표
6. 고찰
이번 실험은 온도 계측의 원리, PC를 사용한 제어의 기본원리, 온도 제어계의 특성을 학습하기 위해 하였다. 결과로 보아서는 P제어가 온도 조절에 가장 좋은 결과를 보였다. 그러나 모든 결과가 크게 차이나는 것은 아니었다. 이는 실험 환경에 차이도 있겠지만 우리 실험자의 문제가 가장 큰 듯 했다. 온도 조절에 경우 우리 실험자들이 적용하는 게인 값에 가장 큰 영향을 받는다고 할 수 있는데 사전지식이 없고 기초지식이 없어서 인지 어떤 값을 대입해야 가장 온도 조절이 안되는 지 알 수 없어 가장 좋은 값을 얻을 수 없었다. 모든 실험이 큰 차이가 없는 이유도 게인 값이 기준 없이 변화하기 때문이라 생각된다. 실험을 통해 비교 결과를 얻으려면 많은 실험을 할 수있었어야 되는데 실험의 여유가 없어 아쉬운 실험이었다.

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