프로세스제어 기술 강좌

[산업일보]
기타 사항
1. 습도측정-1% RH와 이슬

(1) 목표
1) % 상대 습도와 이슬을 측정하기 위한 여러 방법을 연구하기 위하여
2) 건습구 습도 도표를 사용하는 법을 배우기 위하여

(2) 이론
가정이나 상점, 공장의 % 상대 습도는 우리의 생활 여건이 좋아지고(에어컨) 치수가 더 정확한 정교한 물건을 점점 더 많이 만들어야 하는 것에 따라 습도의 중요성이 점점 더 커지고 있다. 직물을 직조하거나 종이에 컬러 인쇄를 하는 것은 부품의 치수를 보다 더 정확하게 제어해 줄 것을 요구한다.
어떤 재료는 습기를 먹으면 치수와 형상이 상당히 변화된다. 그러나 또 다른 재료들은 물기를 먹으면 그 저항력이 변한다. 또 어떤 재료는 % 상대 습도가 변함에 따라 평형점이 변한다. 물체의 온도가 물체위에 습기를 맺을 때까지 내려가면 이 온도를 이슬(노점) 온도라고 한다. 중요한 전기식 습도 결정법은 정확한 이슬을 결정하기 위해 전기 광학식 센서와 차가운 거울을 사용한다. % 상대 습도를 측정하기 위한 일반적인 방법은 건습구를 사용하는 것이다. 이것을 건습구 습도계라고 한다.

(3)장비
● 건습구 세트
● 머리카락 습도계
● 공기식 습도 전송기
● 달아놓는 습도계
● 1쌍의 백금 RTD 센서
● DMM
● 선풍기
● 건습구 습도표
● 상업용 % RH, 이슬, 온도센서
● 건습구 습도 도표

(4) 진행 순서
1) 여러가지 계기나 이슬 측정 시스템을 가지고 % 상대 습도를 측정한 값을 기록하기 위해 표를 준비한다. 실험실의 % RH와 다른 조건에서의 RH를 확인한다(실외는 또 다른 %RH 조건이다). 표를 작성하는 목적은 측정값과 방법을 비고하기 위한 것이다.
2) 매달아 놓는 건습구 습도계의 사용(순서)
● 증류수로 심을 적신다(실내온도)
● 공정 주위를 움직이면서 30초간 매단다.
● 첫째 습구를 읽고 기록한다. 그리고 난 후 건구를 읽고 기록한다.
● 5번 반복한다. 평균값을 읽고 건습구 도표를 사용하여 % RH를 결정한다.
3) 건습구 시스템을 준비한다. 이 기기에서 % RH를 확인하고 기록한다.
4) 습도계의 % RH를 기록한다. 계기를 조사하고 % RH를 결정하기 위한 방법을 관찰한다.
5) 전기식 건습구 습도 측정, 두 개의 RTD 센서를 사용하여 전기식 건습구 % RH 시스템을 설계하고 만든다.
● RTD 쌍의 출력을 체크한다(같은 온도 조건에서는 같은 저항값).
● 젖은 헝겊이나 심 조각을 RTD 위에 덮는다. 증류된 물로 젖은 RTD를 포화시킨다.
● 선풍기를 사용하여 양 RTD 위에 공기를 흘려 보낸다.
● 온도차를 확인하고 기록한다.
● % RH를 구하기 위해 건습구 습도 도표와 데이터 표를 사용한다.
● 이 값들을 표에 기록한다.
6) 공기식 % RH 전송기
● 표시기로서 3~15psi의 공기식 기록계를 사용한 이 측정 시스템의 블록도를 그린다.
● 이 전송기의 매뉴얼을 읽고 동작 원리를 파악한다.
● 전송기를 공급 공기에 연결하고 얻어지는 출력으로부터 % RH를 평가한다. 측정값을 표에 기록한다.
(5) 분석과 결과
1) 얻어진 데이터로부터 측정 조건에 있어서의 % RH의 참값에 대해 논한다.
2) % RH 측정에 사용된 계기의 정밀도와 반복성에 대해서 논한다.
3) % RH에서 계단 변화를 줄수 있다면 각각의 응답 속도에 관하여 어떻게 시스템의 등급을 매길 수 있는가?
4) % RH 측정을 위해 정확한 상업용 측정 기기를 구하는 데 있어서의 문제점을 논한다.
5) 전기적으로 % RH를 측정하기 이한 다른 방법은 어떤 것이 있는가?
6) 이슬 센서는 어떻게 동작되는지 기술한다.

2. pH 측정과 전송기
(1) 목표
1) 전극 결합에 대한 Nernst 방정식으로 예측한 pH 대 전압 고나계를 그림으로 그리기 위하여, 또한 전극 출력에 온도의 영향을 나타내는 40℃ 와 0℃에 대한 전극 곡선을 그리기 위하여
2) 완충 정제를 사용하여 알고 있는 pH의 용액을 준비하기 위하여(이는 pH 측정 시스템을 표준화하기 위한 수단이다).
3) 색채 시험범(리트머스 시험지)을 사용하여 산도와 염기도를 측정하기 위하여
4) pH측정을 위한 아날로그 및 디지털 휴대용 pH 측정기를 사용하기 위하여
5) 상업용 pH 측정기를 사용하기 위하여
6) 몇 개의 알지 못하는 용액의 pH를 측정하기 위하여
7) 산업용 pH 시스템을 조사하고 이 시스템의 블록도를 작성하기 위하여
(2) 이론





액체를 이온으로 분리할 때는 언제나 이온은 전류를 수반한다. 또한 금속이나 다른 재료가 용액에 녹을 때는 언제나 전위차가 발생한다. 이 전위차는 재료를 분리하는 양에 비례한다. 일정 온도(25℃)에서 수소 이온 농도에 의해서 발생되는 전위(E)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
E=413mV-59.120mV(pH)@25℃
완전 중성 용액은 pH가 7이며 수소 셀의 출력은 정확히 0이다. 전해질은 전극 사이에 통로를 만들기 때문에 측정에서 일어나는 어떤 전류도 사용 전극의 유리를 통해 흐른다.
유리의 높은 저항(MΩ)으로 인해 전류의 측정은 가능한 한 0 가까이로 축소되어야 한다. 그렇지 않으면 pH 유닛에서 발생하는 전위는 회로의 높은 저항을 통해 전류를 흘리는데 모두 소모된다. 그래서 단자에서는 실제로 전위차가 발생하지 않는다.
유리 전극을 사용한 pH 측정의 비결은 최소로 축소된 전류를 측정하는 것이다.
㎂로 측정된 전류를 위해서는 10의 6제곱에 해당하는 전류 증폭기가 필요하며 전극 사이의 전류가 반대로 측정 결과에 영향을 주지 않는다면 더욱 좋다.
(3) 장비
● pH 수용 완충 정제나 캡슐
● 온도계
● 상업용 완충 용액
● 증류수
● 휴대형 pH 측정기(아날로그 또는 디지털)
● 증류수
● 산업용 pH 측정 시스템
● 상업용 pH 측정기
(4) 진행순서



1) 전기식 pH 측정 시스템의 에너지 전달 곡선을 준비한다. Nernst 방정식을 사용하여 mV 대 25℃에서의 pH 값에 대한 측정 곡선을 그린다. <표 17>에 있는 값을 사용하여 0℃와 40℃의 온도에 대한 곡선에 Nernst 방정식의 데이터 곡선을 더한다.
2) 위의 데이터로부터 각 온도 조건에 대해 전극의 감도를 결정한다.
3) 정제나 캡슐을 사용하여 pH 4.0, pH 7.0, pH 10.0의 표준 완충 용액을 만든다. 완충 용액은 휴대용 pH 미터와 벤치형 pH 미터를 표준화하기 위해 사용된다.
4) 표준 완충 용액의 산도와 염기도를 측정하기 위해 리트머스 시험지를 사용한다. 그 결과를 기록한다.
5) 같은 리트머스 시험지를 사용하여 세 개의 알지 못하는 용액을 시험한다.
6) 휴대용 pH 미터와 벤치용 pH 미터의 사용순서
● pH 미터의 표준화를 체크한다. 완충 용액의 온도를 체크하고 이에 따른 온도 보상 다이얼을 세트한다.
● 표준화 과정을 마친 후에는 세 가지 미지의 용액에 pH를 정확하게 결정한다.
● 위로부터 얻어진 데이터를 기록한다.
7) 미지의 용액 pH를 측정하기 위해 벤치형 pH 미터를 사용한다. 값을 기록한다.
8) 산업용 pH 측정 시스템에서 나온 표시값을 관찰한다. 측정 시스템의 블록도를 준비한다.
9) 표준으로서 완충 용액을 사용하여 pH 전송기를 교정한다. 얻어진 데이터로부터 3점 오차 도표를 준비한다. 사양서에 나온 데이터와 정밀도를 비교한다.
(5) 분석과 보고
1) 이 실험 중에 얻어진 자료들을 조사 관찰한다.
2) 용액의 pH를 측정하는 몇 가지 다른 방법에 대해서 논한다.
3) 어떤 pH 측정 기기가 가장 정확한가? 이유는 무엇인가?
4) 전극 보관에 따르는 실제적인 문제점은 무엇인가?
5) 온도 변화로 인해 전극의 감도는 어떤 영향을 받는가?
6) pH 전송기의 교정이 사양서에 나와 있는 것과 비교하면 어떤가?

조 익 영 / ODVA TAG KOREA

<저작권자 ⓒ 자동제어계측(www.autocontrol.co.kr) 무단전재 및 재배포 금지 >