Ⅱ. 지시 계기

2. 지시 계기의 종류

<표2-1 지시 계기의 동작 원리에 의한 분류>

<표2-2 지시 계기의 정도 계급과 허용 오차에 의한 분류>

(1) 가동 코일형 계기

[1] 구조 및 원리

① 가동 코일형 계기 : 영구 자석이 만드는 자기장 내에 가동 코일을 놓고, 코일에 측정하고자 하는 전류를 흘리면 이 전류와 자기장 사이에 전자력이 발생한다. 이 전자력을 구동 토크로 한 계기를 영구 자석 가동 코일형 계기라 한다.

[2] 가동 코일형 계기의 특징

① 감도와 정확도가 높다.
② 구동 토크가 크고 정확한 측정이 된다.
③ 소비 전력이 대단히 적다.
④ 균등 눈금을 사용함으로써 측정 범위를 간단히 변경시킬 수 있다.
⑤ 직류 전용이므로 교류를 측정하려면 정류기를 삽입해야 한다.
⑥ 측정 범위가 낮으므로 측정 범위를 확대하기 위해서는 분류기나 배율기를 삽입해야 한다.

[3] 온도 오차와 보상

① 오차의 원인 : 온도 변화로 가동 코일의 저항(+0.4[%/℃]), 스프링의 제어 토크(-0.04[%/℃]), 공극의 자속 밀도([-0.02[%/℃])가 변화.
② 보상 방법 : 실용상 온도 계수가 0에 가까운 망가닌 권선 저항기를 가동 코일과 직렬로 접속하여 종합 온도 계수를 낮추어 온도의 영향이 없도록 한다.


- 스왐핑 저항을 이용한 보상 : 스왐핑 저항(계측기에서의 가동 코일과 직렬 및 병렬로 접속한 망가닌 저항으로, 측정 회로의 온도에 의한 영향을 흡수하기 위한 것.)
- 서미스터를 이용한 보상
- 정자강편을 이용한 보상

[4] 계기의 감도 표시

① 계기의 감도 : 주어진 전기량에 대한 가동 부분의 변위 또는 회전각과의 비를 말하며, 일반적으로 사용되는 가동 코일형 전류계의 감도는 편의상 그 계기가 지시하는 최대 지시 전류값인 정격 전류로 나타낸다. 따라서 작은 전류를 측정하는 계기일수록 감도는 높다.
② 전압계의 경우에는 전류계에 배율기를 달아 전압계로 만든 것으로 볼 수 있기 때문에, 전류계 자체의 감도를 간접적으로 나타낼 수 있는 표시법을 사용하며, [㏀/V]로 나타낸다.

(2) 가동 철편형 계기

[1] 구조 및 원리

① 가동 철편형 계기 : 고정 코일에 흐르는 전류에 의해서 자기장이 생기고, 이 자기장 속에서 연철편을 흡인, 반발 또는 반발, 흡인하는 힘을 구동 토크로 사용한 것이다.
② 구동 토크의 발생 방법에 따라 흡인식, 반발식 또는 반발 흡인식이 있다.

[2] 가동 철편형 계기의 특징

① 구조가 간단하고 견고하며, 가격이 싸다.
② 분류기 없이 비교적 큰 전류까지 측정할 수 있다.
③ 눈금은 0부근을 제외하고는 균등 눈금에 가깝게 할 수 있다.
④ 히스테리시스 오차 때문에 직류 측정은 곤란하고, 교류 전용 계기로 사용된다.
⑤ 오차가 많은 결점이 있고, 감도가 높은 것은 제작이 곤란하다.
⑥ 고정 코일의 자기장이 적으므로 외부 자기자의 영향을 받기 쉽다.

[3] 가동 철편형 전류계 및 전압계

① 전류계 : 정격 전류가 작은 것은 제작되지 않으며, 보통 수십 [mA]정도 이상 100[A]정도의 것들이 있다.
② 전압계 : 보통 15[V]이상의 것이 있으며, 정격 전압이 높은 것에는 고정 코일에 망간 또는 콘스탄탄 저항을 직렬로 접속하여 정격 전압 600[V]정도까지도 제작된다.

(3) 전류력계형 계기

[1] 구조 및 원리

① 전류력계형 계기 : 고정 코일에 피측정 전류를 흘려 자기장을 만들고, 그 자기장 중에 가동 코일을 설치하여 여기에도 피측정 전류를 흘려, 이 전류와 자기장 사이에 작용하는 전자력을 고통 토크로 이용하는 계기.

[2] 전류력계형 계기의 특징

① 고정 코일에 흐르는 전류로 자기장을 만들므로 가동 코일형에 비하여 자기장이 약하고, 또한 외부 자기장의 영향을 받기 쉬우므로 계기에 자기 차폐를 하여야 한다.
② 이 계기는 실효값을 지시하며, 직류로 눈금 교정을 할 수 있으므로 사용 주파수 교류의 표준용으로 사용할 수 있다.
③ 코일의 인덕턴스에 의한 주파수의 영향이 크다.
④ 계기의 소비 전력이 크고, 구조가 다소 복잡하므로 조로 전려계로서 널림 사용된다.
⑤ 직류와 교류를 같은 눈금으로 측정할 수 있는 정밀급 계기이다.
⑥ 1[A]이상의 전류에서는 온도 보상 및 주파수 보상을 하여야 한다.
⑦ 자기 가열의 영향이 비교적 크므로 주의가 필요하다.

[3] 전류력계형 전류계 및 전압계

이 형태의 계기는 전류계나 전압계로는 별로 사용되지 않는다.

[4] 전류력계형 전려계

① 고정코일(전류코일)F는 부하와 직렬로, 가동코일(전암코일)M은 부하와 병렬로 접속시킨다.
② 전력계의 눈금은 균등 눈금이다. 이 형태의 단상 전력계는 주로 상용 주파수에 사용되며, 단상용과 3상용이 있다.

(4) 유도형 계기

[1] 구조 및 원리

① 유도형 계기 : 피측정 전류 또는 전압을 여자 코일에 공급해서 자기장을 만들고, 이 자기장과 가동부의 전자 유도 작용에 의해서 생기는 맴돌이 전류 사이의 전자력에 의한 구동 토크를 이용한 계기.
② 종류
- 회전 자기장형 : 회전 자기장에 의해서 원통에 맴돌이 전류가 발생하고, 이 맴돌이 전류와 자기장 사이의 전자력에 의한 구동 토크를 이용하는 것.
- 이동 자기장형 : 측정하려는 전류 또는 전압에 의해서 만들어진 이동 자기장 속에 알루미늄 원판을 놓고, 여기에 생기는 맴돌이 전류와 코일에 생기는 자속 사이의 전자력에 의해서 구동 토크를 만드는 것.

[2] 유도형 계기의 특징

① 가동부에 전류를 흘릴 필요가 없으므로 구조가 간단하고 견고하다.
② 구동 토크가 다른 계기에 비하여 크고, 조정이 쉽다.
③ 공극 내의 자기장이 강하므로 외부 자기장의 영향이 작다.
④ 회전력은 가동부의 위치에 관계 없으므로 극히 넓은 범위의 눈금으로 쓸 수 있다.
⑤ 주파수의 영향이 다른 계기에 비하여 크므로 정밀급 계기에는 사용이 곤란한다.
⑥ 교류용이며, 직류에는 사용할 수 없다.
⑦ 교류 배전반용 기록 장치와 전려계 및 이동 자기장식은 적산 전력계로 이용된다.

[3] 유도형 적산 전력계

단상 유도형 적산 전력계

[4] 3상 적산 전력계

① 3상 3선식 부하의 전력량을 계량하는 유도형 계기로서 2전력계법의 원리를 이용한 것이다.
② 2개의 단상용 적산 전력계 소자를 각각 상하에 배치하고, 두 원판을 한 축에 붙여서 각 원판에 작용하는 구동 토크의 대수합으로 계량장치를 움직이도록 한 것.

(5) 정전형 계기

[1] 구조 및 원리

① 정전형 계기 : 2장의 고정 전극과 그 사이에 알루미늄 가동 전극을 장치한 것으로, 구동력은 양 전극에 걸어 준 전압에 의하여 축적된 정전 에너지로서, 양 극판에 대전된 전하 사이에 작용하는 힘을 이용한 것.
② 정전 전압계 또는 전위계는 전압을 직접 측정하는 유일한 계기이다. 이 계기는 대전된 도체 사이에 작용하는 정전 흡인력 또는 반발력을 이용한 것으로, 주로 고압 측정용 전압계로 쓰인다.
③ 정전 전압계를 동작 원리로 크게 나누면 양 전극 중의 한쪽 전극을 평행 이동시키는 것과 회전시키는 것의 두 종류가 있으며, 대표적인 예로는 에이브러햄 빌라드 형과 켈빈 형의 정전 전압계가 있다.
④ 정전 전압계의 제동은 공기 제동이나 액체 제동 또는 전자 제동을 사용한다.

[2] 정전형 계기의 특징

① 이 계기는 주로 고압 측정용으로 사용된다.
② 눈금은 제곱 눈금으로 되어 있다.
③ 입력 임피던스가 높고, 소비 전력이 극히 적다.
④ 외부 자기장의 영향은 받지 않으나, 정전기장에 의한 오차를 발생한다.
⑤ 주파수와 파형의 영향이 없으므로 직교류 겸용 및 직교류 비교기로도 이용된다.

(6) 열전형 계기

- 열전형 계기 : 전류의 열작용에 의한 금속선의 팽창, 또는 종류가 다른 금속의 접합점의 온도차에 의한 열기전력으로 가동 코일형 계기를 동작하게 한 계기.
- 금속선의 팽창을 이용한 열선형은 현재 사용되지 않으며, 열전쌍형이 고주파 전류계로 널리 사용되고 있다.

[1] 열전쌍형 계기

① 종류가 다른 금속의 접합점의 온도차에 의한 열기전력으로 가동 코일형 계기를 동작하게 한 계기.
② 열전쌍의 재료 : 구리-콘스탄탄, 철-콘스탄탄, 망가닌-콘스탄탄, 크로멜-알루멜 등의 합금.
③ 열선의 재료 : 백금, 콘스탄탄, 망간, 나트륨.

(가) 열전쌍 전류계 : 측정 전류 I를 저항 R의 열선에 흘려 발생하는 열 RI²[W]에 의하여 열전쌍에 발생하는 열기전력을 가동 코일형 직류 계기로 지시하는 것. 열기전력은 전류의 제곱에 비례하므로 눈금은 제곱 눈금이고, 그 지시는 직류, 교류의 실효값을 표시하며, 오차가 없고, 주파수 특성이 우수하므로 주로 고주파용 전류계로 사용된다.
- 진공 열전쌍 : 공기의 대류 작용에 의한 열손실을 방지하고, 감도를 높이기 위하여 진공 유리구 안에 봉입한 열전쌍을 사용한다.
- 노출형 열전쌍 : 1[A]이상의 전류 측정에는 공기 중에 노출한 노출식 열전쌍을 사용한다.
- 고주파 변류기 : 대전류를 측정.

(나) 열전쌍 전압계 : 열전쌍 전압계는 10-20[mA]정도의 열전쌍 전류계에 고주파 직렬 저항을 접속하여 사용. 측정 전압은 0.5-150[V]정도이며, 사용 한계 주파수는 100[㎑]정도. 소비 전류가 크고, 입력 임피던스가 작으므로 별로 사용되지 않는다.

(다) 열전쌍 전력계 : 열전쌍의 제곱 특성을 이용한 것.

[2] 열전쌍형 계기의 오차와 방지책

① 공진 오차 : 도입선의 인덕턴스와 포유 용량의 직렬 공진에 의한 오차.
- 방지책 : 열전쌍의 바로 뒤에 초크 코이를 삽입.
② 전위 오차 : 계기의 정전 용량을 통하여 고주파 전류가 흘러 열전쌍을 가열함으로써 열선을 손상.
- 방지책 : 자석 또는 내부 금속부를 가동 코일로부터 절연하여, 이것을 일괄적으로 음(-)의 단자에 접속.
③ 분배 오차 : 피측정 전류가 크면 열선이 굵어야 하는데, 열선이 굵으면 피복 저항이 커지므로 복선을 사용할 때 복선 중 하나만을 이용하므로 굵기나 저항값이 다르면 오차 발생.
- 방지책 : 전기적 규격이 일정한 것을 사용.
④ 표피 오차 : 주파수가 높아지면(50[㎒]이상)열저항선이 표피 효과로 인하여 전류가 도체의 표면에만 흐르게 되므로 열선의 저항값이 증가되어 발생되는 오차.
- 방지책 : 가는 열선을 사용.

[3] 열전쌍형 계기의 특징

① 열기전력은 전류의 제곱에 비례하므로 눈금은 제곱 눈금이다.
② 지시는 직류, 교류의 실효값을 표시하며, 파형 오차가 없다.
③  열선이 짧으므로 인덕턴스가 매우 작아 교류와 직류가 같은 저항값으로 된다.
④ 직류에서 무선 주파수(약 300[㎒])까지 동일 눈금으로 측정할 수 있다.
⑤ 과전류에 약하고, 대전류용의 것은 지시 시간이 지연된다.

(7) 정류형 계기

① 정류형 계기 : 측정하고자 하는 교류를 반도체 정류기에 의해 직류로 변환한 후 가동 코일형 계기로 지시시키는 계기.
② 일반적으로 전류력계형이나 가동 철편형과 같은 교류용 계기는 직류형 계기에 비하여 감도가 낮기 때문에, 정류형 계기는 가동 코일형 계기가 가지는 정도와 감도를 교류 측정에 이용하는 것으로서 교류 계기 중 가장 감도가 좋다.
③ 이 계기는 배전반용 등의 교류 전류계 및 교류 전압계로 널리 이용.
④ 일반적으로 정류 회로는 반파 정류보다 계기의 지시를 2배로 할 수 있는 전파 정류를 사용.
⑤ 정류형 계기로 제작되는 전류계의 정격 전류는 500[㎂]∼100[mA]정도이고, 전압계의 경우에는 정격 전압이 1∼1000[V]정도이다.
⑥ 측정 범위를 확대하려면 전류계는 계기용 변류기를, 전압계는 배율기 저하을 접속하여 사용한다.

(8) 검류계

검류계 : 미소 전류나 전압의 유무를 검출하는 데 사용하는 고감도의 계기.

[1] 직류용 검류계

① 가동 코일형 검류계 : 가동 코일형 검류계는 가동 코일형 지식기와 구조가 거의 같으나, 감도를 높이기 위하여 제어 스프링을 쓰지 않고, 영구 자석의 자기장 속에 가동부의 관성을 작게 하기 위하여 세로의 폭을 길게한 장방형의 가동 코일을 인청동의 가는 선으로 매달아, 이것을 제어 토크로 이용하므로 가동부가 가볍게 되어 있다.
일반적으로 검류계의 눈금은 눈금판 중앙을 0 위치로 정해 놓고, 좌우로 균등한 눈금선이 매겨져 있다. 눈금선에 표기된 숫자는 어떤 전류값이 아니고, 광점의 이동량을 나타낼 뿐이다.
그리고 검류계는 감도가 매우 높기 때문에 적절한 제동을 걸어 주기 위하여 가동 코일에 제동용 직렬 저항을 외부와 접속하여 사용할 때도 있다.
② 충격 검류계 : 보통 검류계는 미소한 전류, 전압 등을 검출 또는 측정하는 것으로서, 축전기와 케이블 등의 정전 용량을 구하는 경우, 또는 자성 재료의 자기 특성을 구하는 경우와 같이 축전기가 충천할 때, 또는 코일과 쇄교하는 자속이 급변할 때와 같은 과도 전류는 충격적인 토크를 발생할 뿐 가동부는 그 값을 지시하지 못한다. 이를 위하여 만든 것이 충격 검류계 또는 진동 검류계이다. 이 검류계의 구조는 가동 코일형 검류계와 거의 같으나, 가동 부분에 적당한 추를 달든지, 또는 코일의 나비를 넓게 만들어 제어 토크에 비하여 관성을 크게 한 것이다.
충격 전류가 클 때에는 분류기를 사용하고, 분류기의 배율 계산은 일반 지시 계기에서와 같다. 가동부의 관성을 크게 하여 주기를 길 게 한 것은 충격 감도는 감소하나 도작의 안정을 위한 목적이다.
가동 코일형 충격 검류계는 외부 자기자의 영향도 받지 않고, 보통 검류계로는 측정할 수 없는 축전기와 케이블 등의 정전 용량의 측정, 자성 재료의 자속 측정 등에 적합하다.

[2] 교류용 검류계

① 교류용 검류계로 가장 많이 사용되는 것은 진동 검류계이다.
가동 코일형 진동 검류계는 영구 자석의 자기장 내에 가동 코일을 인청동 또는 은청동의 단선으로 매단 것이다.
반조 검류계에 낮은 주파수의 교류를 걸어 주면 그의 반주기마다 가동 부분에 걸리는 토크의 방향이 좌우로 변화하는 구동 토크가 생긴다.
따라서, 가동 부분의 고유 진동수를 적당한 바업으로 조절하여 피측정 교류의 주파수에 일치시키면 가동 부분에 공진이 일어나고, 이에 따라 진동하는 진폭이 증대되기 때문에 거울에 반사되어 나오는 광점이 좌우로 크게 이동하고, 눈금판 위에는 한 줄의 긴 가로선을 그린다.
이와 같은 원리를 이용한 진동 검류계는 미소한 교류를 검출해 내거나 교류 전원을 사용하는 교류용 브리지의 검류계로 쓰인다.

[3] 직·교류용 검류계

① 전류력계형 검류계 : 가동 코일형 검류계의 영구 자석을 전자석으로 대치한 것으로서, 감도는 가동 코일형 검류계와거의 같다. 또, 이 계기는 직류, 교류 겸용으로 할 수 있으며, 거의 상용 주파수에서만 사용되고 있다.

(9) 기록 계기

- 어떤 종류의 전기량이나 공업량 등을 측정할 때에는 측정량의 시간적 변화 상태를 관측, 기록해야 하는 경우가 많은데 이러한 목적을 위해 만들어진 계기가 기록 계기이다.
 - 기록계기에는 측정량의 시간에 대한 변화를 기록하는 형식에는 직동형 기록계, 펜 오실로그래프 및 자동 평형형 기록계 등이 있으며, 두 측정량 사이의 관계를 나타내는 형식에는 X-Y기록계가 있다.

[1] 기록 계기의 구성

① 기록 계기는 피측정량을 지시하는 구동 장치와 그 지시를 하기 위한 기록 기구로 구성된다.
② 구동부의 지시용 지침 끝에는 기록용 펜이 달려 있어, 이 펜이 일정한 속도로 이동하는 기록 용지 위에 접촉되어 지시값을 기록한다.

[2] 직동식 기록 계기

①  편위법 지시 계기의 동작 원리로서, 지침이 달린 기록용 펜을 직접 움직여 측정량을 기록하는 계기로서 실선식과 타점식이 있다.

[3] 자동 평형 기록 계기

① 펜과 기록 계기는 펜과 기록 용지에서 생기는 마찰 오차를 피하기 위하여 고안 된 것으로, 영위법에 의한 측정 원리를 이용한 것.
② 펜의 구동력을 직접 피측정 에너지에서 받는 것이 아니라, 별개의 구동 에너지로 움직이게 하는 자동 평형 서보 기구를 사용한다.
③ 직동식 계기에 비하여 고정밀도의 측정이 가능하다.

(10) 회로 시험기

- 회로 시험기 : 전기·전자 및 통신 기기의 회로를 점검하는 데 필수적인 기본 측정기이다.

[1] 측정 범위

① 일반용 회로 시험기로 측정할 수 있는 내용은 주로 직류 전류, 직류 전압, 교류 전압 및 저항이다.
② 기종에 따라서는 콘덴서의 용량(㎌)측정 및 인덕터의 인덕턴스(H) 측정이 가는한 직독식 눈금이 있다. 그리고 통신 기기의 레벨 측정에 편리하도록 dB[dBm]눈금이 매겨져 있다.
③ 대부분의 회로 시험기의 범위 전환은 로터리 스위치 식이나, 디지털형의 회로 시험기에서는 누름 스위치가 쓰인다.

회로 시험기의 측정 범위

[2] 저항 측정의 원리

<그림2-50>


여기서 R_x=R_in 라면 로, 지시계의 지침은 최대 눈금, 즉 정격 전류의 1/2되는 곳을 지시한다. 그러므로 그 점에 저항값의 눈금을 표시해 둔다. 이와 같은 방법으로 여러 저항 값을 계기 눈금에 표시해 둔 것이 저항계이다.

[3] 인덕턴스 및 커패시턴스 측정의 원리

콘덴서의 용량 C 또는 인덕턴스 L 의 리액턴스( )에 의한 전압 강하를 이용한 것으로, 지정된 (AC V) 범위(보통 10[V]범위)에 변압기의 2차 전압(60[㎐], 10[V])과 직렬로 피측정물을 접속하여, 지침이 지시하는 [㎌] 또는 [H] 눈금을 읽어 낸다.

[4] dB 측정의 원리

① dB(데시벨) 의 측정 : 기준 전압을 정하고, 그 값과의 비를 대수를 취하여 20배 한 값.

그러므로 기준 전압이 1[V]일 때 측정 전압이 1[V], 5[V], 10[V]이면 dB은 각각 0[dB], 14[dB], 20[dB]이 된다.
② 회로 시험기에서는 흔히 dBm 눈금으로 표시되며, 이것은 기준 전압을 0.77[V](660[Ω]부하에 1[mW]가 공급될 때의 부하에 걸리는 전압 강하이다.)로 하고, 그 대수비에 20배한 값이다.

따라서, dBm을 측정할 때에는 반드시 600[Ω]부하의 단자 전압을 측정한다.
③ 일반용의 회로 시험기에는 dBm 눈금을 AC 10[V]범위에 맞춰 놓았기 때문에 측정 범위는 -10 ∼+22[dB]이다.

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