센서는 물리적 현상을 측정가능한 전자 신호로 바꾼다. 그러나 일부 센서들은 변화하는 물리적 현상이나 필요한 신호 조절에 반응하지 못 한다. 센서 출력이 디지털화 되기 전에, 측정 하드웨어의 충분한 능력을 이용할 수 있고, 외부 인터페이스로부터 발생하는 노이즈 효과를 줄일 수 있는 신호를 생산하기 위해 신호는 추가적인 장치와 전기회로망을 필요로 할 수 도 있다. 이 자료는 센서와 설비의 연결, 실행을 위한 적절한 신호 조절, 그리고 시스템 에러의 잠재적 소스를 줄이는 실제 사례들로 구성되어 있다.

서모커플, RTDs, 서미스터는 다양한 온도 변화 속 특정 금속의 예측가능하고 측정가능한 반응적 특성을 기본으로 만들어졌다. 이 세 가지의 경우 측정 반응이 일반적으로 매우 작다는 점과, 매우 낮은 온도 단계의 측정에서는 정확하고 신뢰할 만한 측정이 어렵다는 단점이 있다. 측정 시스템 하드웨어와 소프트웨어 구성 속 적절한 신호 조절은 온도측정을 매우 간단하게 할 수 있다. 다음에 나오는 내용은 서모커플, RTD, 그리고 서미스터의 정확성을 위한 권장 신호 조절 필요조건들을 보여준다.

- 필터링

온도 측정은 종종 측정 장비와 멀리 떨어진 곳에서 이루어지고는 한다. 이는 아날로그 신호가 디지털 신호로 옮겨지는 과정에서 먼 곳을 이동해야 한 다는 것을 의미한다. 이렇게 긴 케이블을 통과 하다 보면, 운영 환경으로부터 발생하는 노이즈가 아날로그 신호에 잡히게 되고, 이는 곧 정확하지 못 한 측정으로 이어진다. 케이블을 설치 할 때는 이런 문제를 최소화 하기위해 고민 해야 할 것이다. 교류전력과 형광 빛, 그리고 컴퓨터 모니터를 피하는 것은 50/60Hz 송전선 노이즈를 피하는 데 도움이 된다.

또한 원하지 않는 고역 신호를 제거하는 데에는 저역필터(lowpass filter)를 들어오는 신호에 적용하거나, 측정 하드웨어에 내장 하는 것이 도움이 된다.

- 분리

서모커플, RTDs, 그리고 서미스터의 공통된 핵심은 전기에 반응하는 금속으로 만들어 졌다는 것이다. 만약 이에 대해 간과하고 설치 작업을 했다면 이는 측정 장비나 작업자를 잠재적 위험에 노출 시키는 것을 의미하게 된다.

거대한 전기 모터의 피복(casing)에 서모커플을 적용했다고 생각해 보자. 거대한 모터는 매우 높은 전압을 필요로 하고, 종종 운영되는 동안 그 보다 더 높은 전압의 스파이크가 발생하기도 한다. 만약 모터의 피복(casing)이 내적 결함으로 인해 이러한 높은 전압에 노출 되었다고 가정해보자, 전압의 스파이크는 서모커플의 배선을 통해 측정 하드웨어로 흘러가게 될 것이다. 이것을 방지하기 위해서는 분리된 서모커플을 사용할 수 있다. 하지만, 이럴 경우 느린 반응 시간과 추가 비용이 발생한다.

대안으로는 분리 채널을 가지고 있는 측정 장비를 사용 하는 것인데, 이는 ADC(analog-to-digital)변환기 전기회로망을 보호하고, 가까운 채널로부터의 노이즈를 최소화 하는데 도움이 될 수 있다. 또한, 높은 공통모드(common-mode)⁴ 전압이 분리된 ADC 전기회로망에 의해 주어졌을 때, 정확한 측정을 하기 위해 분리된 측정 장치를 사용할 수 있다.

- 선형화⁵

서모커플, RTDs, 서미스터로부터 발생하는 유닛당 전압 출력 온도는 선형의 관계에 있지 않다. 왜냐하면, 간단하게 말해 스케일링⁶ 계수는 측정된 전압에서 서모커플의 모든 범위 내에 의미 있는 온도 출력 값으로 변환하기위해 적용할 수 없기 때문이다.

Figure 1.) 예를 들어, 온도 변화 값에 걸친 다양한 서모커플들의 서모일렉트릭(열전변화, thermoelectric)⁷ 전압 출력 값을 한 번 보자. 이들은 선형의 관계에 있지 않다.



이 비선형성(nonlinearity)⁸에 대한 정확한 측정과 크기 조절을 이 두 가지 옵션으로부터 선택 할 수 있다.

1. 표 색인과 표에 나타나 있는 데이터 값 사이의 측정된 전압 값을 위한 선형 보간(interpolation)⁹를 사용하자. 이는 꽤나 효과적이지만, Figure2에 표여지는 타입K 서모커플을 위한 하나의 주제와 같이 잠재적으로 큰 표 색인의 코딩을 필요로 한다.



2. 측정을 위해 사용하는 센서 종류에 전압-온도 방정식을 적용해 보자. 예를 들어, 고차 다항식은 어떤 서모커플에도 필수 이다.



서모미스터 또한 광범위한 온도 범위내 정확한 신호 변환을 위해서 위와 비슷한 정도의 복잡한 방정식이 필요하다.



이런 복잡한 계산을 수행하는 것은 채널의 수와 샘플 비율, 그리고 온도 운영범위에 따라 상당한 컴퓨터의 능력이 필요하다. 측정 하드웨어와 밀접하게 통합된 소프트웨어 플랫폼을 가진다는 것은 내장된 스케일링 능력을 통해 이런 방대한 업무를 획기적으로 간소화 할 수 있다는 것을 의미한다.

- 여자 전류 Current Excitation¹⁰

서미스터와 RTDs는 저항성을 가지는 센서로 장비를 통해 측정가능한 전압을 생성하기위해서는 여자 전류가 필요하다. 지속적이고 정확한 전류 소스는 측정을 위한 정확하고 일관된 전압을 보장하기 위해 매우 중요하다. RTDs와 서미스터 측정을 위해 선택한 DAQ시스템은 신뢰할 수 있도록 지정된 여자 전류를 제공해야 한다. 그래야만 가장 정확하고 정밀한 측정을 할 수 있다.

- 2-,3-, 그리고 4- 배선 배열을 사용한 하드웨어 연결 (RTDs만 해당)

RTDs는 3가지 배선 배열형태로 구매 할 수 있다. 각 각의 차이점과 장점은 RTDs 센서 부분에서 좀 더 자세히 알아 보겠다. 시스템을 위해 선택한 측정 하드웨어는 어플리케이션이 필요로 하는 RTDs의 종류를 내장하기 위해 충분한 유연성이 요구된다. 많은 측정 하드웨어가 3-,4-배선의 자동 검출을 제공하는 반면 몇 몇의 측정 하드웨어는 오직 2-배선 RTDs에만 가능하다. RTDs를 위해 설계된 DAQ 장비를 선택할 때는, 저항 단계를 꼭 고려해야 한다. 예를 들어 100 Ω인지 1000 Ω RTDs인지를 꼭 확인 해야 한다.

- 어플리케이션

서모커플은 주어진 온도의 변화를 위해 일반적으로 대략 밀리볼트(1000분의 1볼트) 또는 이 보다 낮은 전압을 스스로 출력한다. 예를 들어 타입K 서모커플은 섭씨 당 오직 40 μV만 출력한다. 대부분의 전통적인 측정 하드웨어는 주어진 범위 내에서만 측정하고, 장비의 분해능10은 감지가능한 가장 작은 전압범위를 결정한다. 서모커플의 사례에서는 측정한 전압은 매우 작기 때문에, 아마도 측정 장비의 최대 입력 범위를 활용하기 위해서 측정된 신호를 증폭시키고 싶을 것이다.



이상적인 시나리오는, 증폭이 가능한 최초 측정 값에 최대한 가깝게 발생하여야 한다. 이는 증폭이 서모커플 배선을 따라 중간에 발생할 수 있는 노이즈로부터 피하는데 도움이 된다. 만약 외부 증폭이 불가능할 경우나, 측정 시스템의 간소화가 필요하다면, 24-bit ADC를 측정 장비와 함께 사용하면 좋다. 이 장비 타입은 약 0.2 °C의 측정 감도를 제공한다.

- 냉접점 보상(Cold-Junction Compensation, CJC)

위에서 언급한 것처럼 서모커플 측정의 특성은 두 종류의 금속을 조합하였을 때 접합 양단의 온도가 서로 다르면 두 금속 사이에 다른 전압이 발생해 전류가 흐르게 되는 것을 이용한 것이다. 문제는 서모커플과 측정 하드웨어의 터미널 사이의 연결에서 발생한다. 이 연결에서, 다른 금속의 또 다른 접점이 생성되고, 이는 주변 환경에 따라 다른 전압을 생성한다. 만약 이 부차적으로 발생하는 ”기생 서모커플”에 대해 충분히 설명하지 못 하면, 무효한 결과를 생성해 온도 측정을 상당히 왜곡할 수 있다.

이에 맞서, Figure4에서 볼 수 있듯이 참조측정 또는 “냉접점 측정”을 측정 하드웨어에 내장 할 수 있다. 최초 측정으로부터 떨어진 곳에서 이 참조측정을 할 수 있고, 이상적으로 실제 서모커플 측정 장치 터미널의 연결에 의해 발생한 “기생 서모커플”에 가깝게 할 수도 있다. 직접 측정 온도센서(예 : RTD 또는 서미스터)를 사용하고, 기생 요소를 위해 최초 측정으로부터 제외되거나 보상된 참조 측정 결과를 뺀다., 이런 과정을 냉접점 보상 또는 CJC라고 한다.



- 잔류 편차 오류의 제거

앞서 논의 되었듯이, CJC는 서모커플 전선과 하드웨어의 금속 터미널의 연결에 의해 생성된 기생 서모커플의 효과를 바로잡는데 있어 매우 중요하다. 기생 서모커플은 무효한 결과값을 이끌어내는 측정된 전압에서 잔류 편차를 일으킨다. 유사하게, 측정 장치를 둘러싼 주위 온도는 하드웨어 자체적으로 유발한 전압 때문에 서모커플로부터 측정된 전압에서 잔류 편차를 이끌어 낼 수 있다. 이를 정확하게 하기 위해, 서모커플 없이 정기적으로 잠복해 있는 전압을 측정하고, 각 서모커플 측정으로부터 이 값을 빼야 한다. 이 과정을 간소화 하기 위해서 측정 하드웨어는 주위 환경에 의해 생성된 잔류 편차 전압을 규칙적, 불규칙적으로 바로잡는 오토제로 기능을 제공해야 한다. 이는 전체 측정의 정확도를 획기적으로 높여 줄 것이다.



- 연결되지 않은 서모커플의 검출

서모커플은 시간이 지남에 따라 부식에 민감해 질 수 있다. 왜냐하면, 구성(두 종류의 금속을 접촉시켜 놓는 것은 특정 환경에 따라 부식을 유발 할 수 있다.)과 이런 센서 타입의 일반적 운영 환경 때문이다. 연결되지 않거나 부러진 서모커플은 작업자들이 읽기 명확하지 않은 데이터나, 무효한 데이터를 생성할 수 있다. 개방 서모커플 검출기는 하드웨어가 개방 연결을 검출하였을 때 전압 입력을 범위 밖으로 밀어내기 위해 작은 전류를 제공하는 하드웨어적 특징이 있다. 이는 소프트웨어에서 쉽게 확인 할 수 있다. 이 특징을 이용할 때, 작은 전류가 고정밀 어플리케이션에서 바이아스12 에러의 원인이 될 수 있음을 반드시 기억해야 할 것이다. 이를 정확하게 하기 위해서는, 개방 서모커플 검출기와 전류 적용과 미래 측정값으로부터의 제외가 있던 없던 측정 변차를 가지는 lead offset nulling과 짝을 지을 수 있다. 이는 사용자가 유발한 잔류 편차 에러를 정확하게 하는데 매우 효과적이다.



- 결론

온도 측정에서 신뢰할 만한 정확한 수준의 값을 얻기 위해서는 추천되고, 요구되는 신호 조절의 많은 단계 과정을 거쳐야 한다. 서모커플, RTDs 또는 서미스터 등 측정 시스템을 선택할 때에는 반드시 노이즈 제거 필터링이 내제되어 있는지, 그라운드 루프를 방지하기 위해 분리 되어 있는지, 그리고 전압과 온도의 크기 조절을 위해 선형화 되어 있는지를 확인해야 한다. 만약 서모커플을 온도 센서로 사용하고 있다면, 다음의 몇 가지 추가적인 에러 요인에 대해서도 명심해 두어라.

- 냉접점 에러 : 냉접점 보상 또는 CJC로 바로 잡을 수 있다.
- 잔류 편차 에러 : 오토제로와 lead offset nulling으로 바로 잡을 수 있다.
- 시스템 신뢰와 가동시간을 위한 개방형 서모커플 검출기

서모커플(Thermocouples)¹ : 두 종류의 금속을 조합하였을 때 접합 양단의 온도가 서로 다르면 이 두 금속 사이에 전류가 흐른다. 이 전류로 2접점 간의 온도차를 알 수 있다. 이 열전기(熱電氣)의 현상을 이용하여 고열로(高熱爐)의 온도를 측정하는 장치를 열전대라 한다. 발전소, 제철소 등에서 온도를 측정하기 위해 사용한다. 내구성이 좋아 극한상황에서 많이 이용된다.

RTDs² : Resistance temperature detectors의 약자. 전류에 대한 저항이 온도에 따라 변화하는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 장치.

서미스터(Thermistors)³ : 전자부품으로 사용하기 쉬운 저항값(抵抗値)과 온도 특성을 가진 반도체 디바이스. 온도가 오르면 저항값이 떨어지는NTC(negative temperature coefficient thermistor), 온도가 올라가면 저항값이 올라가는 PTC(positive temperature coefficient thermistor), 그리고 어떤 온도에서 저항값이 급변하는 CIR(critical temperature resistor)로 분류된다.

공통모드(common-mode)⁴: 노이즈의 한 종류, 접지에서 바라본 양라인의 노이즈 (라인에서 접지로 흐른다.)

선형화⁵ : 프로세서를 나타내는 방정식이 변수와 상수의 곱의 항의 합으로 나타날 때 이것을 선형 방정식 또는 1차 방정식(linear equation)이라고 한다.

스케일링⁶: 크기 조정, 표준 신호를 해당되는 공학적 단위로 변환시키는 것.

서모일렉트릭(Thermoelectric)⁷: Thermocouple에서 일어나는 현상을 일컫는 말

비선형성(nonlinearity)⁸: 함수의 값이 독립변수의 값과 비례관계에 있지 않는 것.

보간(interpolation)⁹: 수신된 신호에 있어서 송신기에서의 압축, 전송 도중에 감쇠, 수신 회로에서의 판별 작용 등에 의해 약해진, 혹은 수신 누락된 단위 길이의 신호 요소를 동기적으로 회복할 수 있는 특성을 가진 수신법. 신호 보간이라고도 한다.

여자전류(Current Excitation)¹⁰ : 변압기, 전압 조정기 등에서의 여자를 하기 위한 전류로, 적당히 선택한 권선의 정격 전류의 백분율 또는 퍼 유닛값으로 주어진다.

분해능(Resolution)¹¹ : 분해능이란 최소로 읽을 수 있는 눈금 단위를 말한다.

바이아스(bias)¹² : 전자관이나 트랜지스터의 동작 기준점을 정하기 위하여 신호전극 등에 가하는 전압 또는 전류이다.

원문 : NATIONAL INSTRUMENT IN WHITE PAPER
번역 : 박대희 선임연구원
편집 : 김수진 선임연구원