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원격측정 시스템 구성요소

개요

보통 원격측정 시스템은 입력장치인 변환기와 전송매체(주로 무선전파), 신호의 수신 및 처리장치, 기록 또는 표시장치로 이루어져 있다.

변환기

변환기는 온도·진동·압력과 같은 물리적 자극을 전기신호로 바꾸어 측정이 가능하게 함으로써 실제 측정기구의 역할을 하며, 여러 가지 형태가 있다.

스스로 에너지를 만드는 것도 있고 외부에서 에너지를 공급받는 것도 있다. 스스로 에너지를 만드는 형태로는 압전기적 물질을 사용한 진동 감지기가 있다(압전체 장치). 이것은 물리적인 변형을 받으면 전기신호를 발생한다. 외부에서 에너지를 공급받는 많은 변환기도 물리적 변형에 반응하는 전기신호를 발생한다.

그와 같은 변형을 일으키는 물리적 입력은 압력, 기계적 응력, 가속 등이다. 간단한 역학적 변환 감지장치로는 인장력(引張力)을 받고 있는 전선이나 반도체 물질의 저항의 변화를 이용하는 변형 게이지가 있다. 외부에서 에너지를 공급받는 다른 변환기로는 가변자기저항형(variable-reluctance type)이라는 것이 있는데, 이것은 자기회로가 공기틈에 의해 단절된 형태이다.

우리가 측정하려는 역학적 운동이 이 공기틈을 변환시켜 회로의 자기장 형성을 막는 자기저항을 변화시킨다. 자기저항의 변화는 뒤이어 전기신호로 바뀐다.

통신접속 장비

원격측정장치를 위한 통신설비는 주로 유선 또는 무선 접속으로 이루어져 있다.

일부의 경우 빛이나 음파신호를 사용하기도 하지만 환경적인 요인(대기방해)과 지역성 잡음 때문에 널리 사용하기에는 알맞지 않다. 무선통신은 우주항공산업이나 유선접속이 불가능한 관리 시스템에 사용된다. 밀집거주지역에 있는 공공이용시설에는 안테나를 설치할 장소와 방해받지 않는 무선 가시선(可視線) 경로를 찾기가 쉽지 않다. 이런 경우에는 케이블이나 유선접속을 사용한다.

무선접속에서는 운용 주파수의 선택이 중요한데, 이 운용 주파수는 국제협약에 의해 할당된 범위로 제한 되어 있다.

전파범위는 주파수의 범위에 따라 매우 다양하다. 대기 속을 통과하여 전송하는 항공우주분야에서는 주파수범위가 100㎒(1초당 1억 번의 진동)에서 1만㎒이다. 관리 시스템에서 쓰이는 유선접속은 좁은 3,000Hz의 대역인 음성 채널 대역폭의 전체 또는 일부를 사용한다. 접속방법은 직접 유선회로나 반송파(搬送波) 통신장치의 한 채널을 이용한다.

다중화 및 표본화

원격측정 시스템은 보통 하나이상의 정보 채널(즉 궤도위성의 일상적인 측정치들이나 용수[用水]공급망의 유속 및 저장 수위)을 다루어야 한다.

이들 자료 측정 채널은 다중방식에 의해 함께 전송된다. 다중방식은 채널들을 통신접속에 전송하기 위해 하나의 복합신호로 모은다. 다중방식은 시분할과 주파수분할 방법이 있으며, 시분할 방식에서는 채널들이 시간순으로 하나씩 합쳐지고, 주파수분할 방식에서는 각 채널이 분리된 주파수 대역에 할당되고 이 대역들이 결합되어 동시에 전송된다.

마지막으로 원격측정 시스템에서 자료는 아날로그 방식이나 디지털 방식으로 다룰 수 있다. 나중의 방법을 사용하는 것은 순수한 디지털 신호를 얻기 위해 아날로그 신호를 디지털 형태로 바꾸어주는 부호화과정을 필요로 하게 되어 상대적으로 더 복잡하다.

시분할 다중방식에는 수신점에 전송하기 위해 많은 서로 다른 측정 채널들로부터 교대로 표본을 선택하는 연속적인 동작을 필요로 한다(표본추출). 고정 주기가 선택되면 스위치 장치는 어느 한 채널을 미리 정해진 순서에 따라 송신용 통신접속에 연결시킨다.

주소응답 시스템에서 자료는 명령신호가 있어야만 보내지며 표본화과정은 미리 정해진 주사(scanning) 프로그램에 따라서 이루어진다. 이 프로그램은 예를 들어 경보상태가 발생하는 경우와 같이 정보에 대한 더 중요한 요구사항을 위해 조정될 수 있게 융통성이 있다.

전송

변조(變調)라는 과정을 통하여 정보를 반송파 주파수에 실어 보낸다.

설계할 때 고려하는 것 중에서 가장 중요한 것이 이 변조방법에 관한 것이다. 시스템의 성능에 직접적인 영향을 줄 뿐만 아니라 송신기와 수신기의 설계범위를 결정하기도 한다. 변조방법은 크게 둘로 나눌 수 있다. 그중 하나는 진폭변조(amplitude modulation/AM)와 주파수 변조(frequency modulation/FM) 및 이의 연관 형태이다.

대부분의 원격측정 시스템에서는 변조가 2단계로 나누어 진행된다.

첫번째 단계에서는 신호가 부반송파(副搬送波：최종 반송파보다 낮음)로 변조되고, 다음 단계에서 이 변조된 부반송파가 출력반송파를 변조한다. 많은 장치에서 부반송파에 원격측정정보를 실어 보내기 위해 주파수 변조를 쓴다. 만약 어떤 시스템이 주파수변조된 부반송파 채널을 하나로 묶기 위하여 주파수분할 다중방식을 쓰면 FM/FM 방식이라 한다. 이것을 사람이 알아볼 수 있는 형태로 나타내거나 화면에 표시해야 한다. 자료를 얻는 과정은 변조된 복합신호를 만들어낼 때와는 반대과정인 2단계의 과정으로 나누어진다. 먼저 복조(複調) 과정을 통해 변조된 부반송파를 얻고, 다음에 이 부반송파가 다중화의 반대 과정인 역다중화(demultiplexing)에 의해 원래의 측정 채널로 분할된다.

이 분리된 신호는 표시 장치의 각각의 위치로 입력된다. 자료는 어떤 순간 변화가 측정될 수 있는 '실시간'(real-time)으로 하나 또는 그 이상의 기록된 형태로 나타난다(컴퓨터, 정보과학). 자기 테이프가 가장 널리 쓰이는 기록매체이다.

응용

특히 연구 및 과학탐구 분야에서 끊임없이 새로운 적용분야가 나타난다. 중요한 분야로는 생화학 분야가 있는데, 환자가 삼키거나 외과 수술로 집어 넣은 극소형 전송기를 통하여 인체 내의 생물학적 정보가 체내로부터 원격측정되어진다.

표면변환기로 몸의 상태를 외부에서 화면으로 관찰할 수 있다(→ 생물학). 원격측정법이 쓰이는 다른 과학분야로 해양학도 있다. 이 경우 무인기구부표들이 적당한 거리에 분포되어져 중앙에 위치한 주통제소에 의해 원격제어된다. 해양자료(수온·염도)와 해면기상정보를 기록해서 주통제소에서 요구 신호가 오면 전송해준다.

기계공학에서는 주원동기(예를 들면 전기·가스·증기·디젤 기관)의 내부 정보가 여러 가지 무선접속을 통해 외부 수신기에 보내진다. 이 정보에는 대개 온도와 압력이 포함된다. 원격측정장치에는 종종 저대역 통신접속을 사용하는 텔레비전과 같은 장치가 있다. 이 형태의 설비는 인간이 접근할 수 없는 공정을 눈으로 확인하는 것이 필요할 경우에 좋다. 응용분야로는 로켓 엔진 시험과 고방사능(高放射能) 물질이 관련된 공정의 원격관찰 등이 있다.