제품기초지식

스코프코더의 기초 지식 1회｜스코프코더란?

그림１스코프코더 DL950

서론

교류전력망의 확대와 함께 업계에서는 송전선이나 전기 계통의 현상을 알아야 할 필요성이 제기되어 저주파 전기 신호의 파형을 관측해야 합니다.

19세기 말에 영국 기술자인 윌리엄 더델(William Duddell)이 전자 오실로스코프를 발명했고, 이것이 저주파 파형 관측의 기원이 되었습니다. 1970년대에 이르러 파형 측정에 적합한 A/D 변환기가 등장함에 따라 파형 측정의 디지털화가 시작되었습니다.

다양한 현상의 변화를 사람이 볼 수 있도록 해주는 계측기는 기록계·데이터 로거, 메모리 레코더, 오실로스코프가 있습니다. 각각의 차이는 아래 표와 같습니다.

표1. 기록계·데이터로거, 메모리 레코더, 오실로스코프의 차이

<최대 입력 채널은 기록계 : SMART DAC+(Yokogawa), 메모리 레코더 : DL950(Yokogawa), 오실로스코프 : DLM 5000(Yokogawa)>

스코프코더 기초 지식에서는 일반적인 호칭의 메모리 레코더로 분류되는 당사의 스코프코더를 이해하는데 필요한 기초지식을 4회로 나누어 설명 드리겠습니다.

스코프코더는 오실로스코프 사용법 및 외관은 비슷하지만 오실로스코프는 주로 전압·전류의 파형을 관측하는데 비해 스코프코더는 전압·전류 뿐만 아니라 여러 가지 물리 현상을 동시에 측정할 수 있습니다.

저주파 파형 측정은 일반 가정이나 공장의 배전반, 콘센트에 공급되는 교류 전원 뿐만 아니라 기계의 동작, 전기 화학 현상 측정, 생체 측정에도 사용되고 있습니다. 따라서 전자파와 같은 환경 노이즈에 영향을 받지 않는 설계가 필요합니다.

스코프코더가 많이 사용되는 메카트로닉스 기기나 파워일렉트로닉스 기기에서의 이용 사례를 소개하도록 하겠습니다.

스코프코더 기초 지식에서는 스코프코더의 구조, 측정 사례, 사용상 주의점 등을 알려 드릴 예정이며 특별한 사전 지식이 없어도 스코프코더를 처음 사용하는 사람이 배울 수 있도록 간단하게 구성하였습니다.

스코프코더를 사용한 계측

첫번째로 스코프코더가 사용되는 분야의 사례를 제시하여 설명하겠습니다. 스코프코더의 특징은 기기나 장치의 동작을 다양한 센서와 조합할 수 있다는 점입니다.

메카트로닉스에서의 측정

메카트로닉스(mechatronics)라는 말은 1969년 야스카와전기의 기술자였던 모리 테츠로씨에 의해 만들어진 기계장치(mechanism)와 전자공학(electronics)을 융합한 일본식 영어입니다. 현재는 많은 기계 장치가 전자식으로 제어되고 있기 때문에 해외에서도 일반적으로 사용하게 되었습니다. 디지털화된 전자기기에서는 기계나 아날로그 회로만으로는 할 수 없는 고도의 제어를 할 수 있게 되어 기계의 효율적인 운전을 할 수 있게 되었습니다.

예를 들어 전기 자전거는 사람의 다리 힘에 모터의 힘을 더해 언덕길에서도 쉽게 자전거를 사용할 수 있도록 되어 있습니다. 전기 자전거 평가 시 전기와 기타 물리량을 동시에 측정해야 하며 이때 스코프코더가 사용됩니다.

그림 2 전기 자전거의 평가

파워 일렉트로닉 측정

파워일렉트로닉스라는 말은 1973년 웨스팅하우스 사의 윌리암 뉴웰(William E. Newell) 박사가 정의한 것으로 파워(power), 일렉트로닉스(electronics), 제어(control) 기술이 융합된 분야로 알려졌습니다. 메카트로닉스와 파워일렉트로닉스는 겹치는 부분이 많기 때문에 엄밀하게 구분되어 있지 않습니다.
예를 들면  스위칭 전원의 제어 동작이나 스위칭 트랜지스터에서 생기는 손실을 온도로 관측하고자 하는 경우 온도 센서로 열전대가 사용됩니다.

                                                                                                                             그림 3 스위칭 전원 동작 측정

음향 방출(Acoustic Emission) 측정

음향 방출(Acoustic Emission)은 재료의 균열이나 마모가 발생되고 전개 및 파괴 될 때 발생하는 탄성파(진동, 음파)로 초음파 영역에서의 측정이 필요합니다. 음향 방출(Acoustic Emission)은 줄여서 AE라고 합니다. 음향 방출 측정에는 압전 재료인 PZT(티타늄산 지르콘산 납)를 사용한 AE 센서가 사용되고 주로 재료 평가나 보수 점검, 진동 분석, 최근에는 고장 진단에도 이용됩니다.

아래 그림에는 모터를 구성하는 주요 부품인 베어링의 균열이나 마모 진단에서의 구성을 보여줍니다. 베어링 평가에서는 균열이나 마모에 의한 초기 일시적인 현상은 AE 센서에서 검출되고 균열이나 마모가 진행되면 진동 등 이차적인 현상이 생겨 진동 센서에서 검출되게 됩니다. 나아가 열화가 진행되면 마찰에 의해 온도의 상승 등이 발생합니다. 

그림 4 AE 센서에 의한 베어링 시험

전기 화학 측정

전지(1차전지, 2차전지, 연료전지)나 도금 등은 전기 화학의 영역입니다. 이 분야에서는 임피던스 측정에 의해 전기 화학 현상을 측정합니다.

전지의 내부 상태를 추정하기 위해 교류 임피던스법을 사용하여 측정하며 콜-콜 플롯(나이키스트플롯)과 전지의 내부를 등가회로로 나타냅니다. 임피던스 측정에서는 발진기와 파형 측정기가 필요하지만 일반적으로는 전용 주파수 분석기(FRA)가 이용됩니다.

간단하게 전지의 내부 임피던스를 파악하는 방법으로 전류 차단법이 있습니다.

이 경우 아래 그림과 같은 구조를 구축하여 부하 변동에 따른 응답을 측정하여 임피던스를 추정합니다.

그림 5 전류 차단법에 의한 연료 전지의 임피던스 측정

생체 신호 측정

생체 신호를 측정하는 의료기기 평가에도 스코프코더가 사용됩니다. 먼저 생체 신호 측정에는 미소 신호를 다루기 위해 전용 고감도 차동증폭기를 사용합니다.

측정 주파수 대역은 맥박 변동파 0.7 ~ 12 Hz, 뇌파 0.5 ~ 30Hz, 심전도 0.05~ 100Hz, 근전도5 ~ 500Hz가 일반적입니다.

아래 그림은 전자 혈압계를 평가할 때 스코프코더를 이용한 사례입니다. 전자 혈압계의 동작 시퀀스와 측정치를 동시에 측정, 평가할 수 있습니다.

그림 6 전자 혈압계의 평가 시험