문제가 발생한 것 같다면 정밀 온도 센서를 보정해 보세요.

실제의 물리적 변수와 관련된 센서 보정의 난제는 여러 복잡한 상황을 고려해야 한다는 것입니다. 센서에 따라, 알려진 자극을 해당 센서로 제공하는 것이 그리 어렵지 않은 경우도 있고, 또 그 작업이 매우 난해한 경우도 있습니다.

쉬운 경우부터 살펴보겠습니다. 바로 모델에 따라 1cm에서 대략 25cm에 이르는 선형 연신(위치)을 정확하게 측정하는 선형 가변 차동 변압기(LVDT)입니다. 예를 들어 TE Connectivity Measurement Specialties의 02560389-000 LVDT는 전체 스트로크 범위에서 0.25% 선형성으로 2인치(5.08cm)에서 선형 변위 측정을 제공합니다.

그림 1: TE Connectivity Measurement Specialties의 모델 02560389-000 LVDT는 0.25% 선형성으로 2인치 범위에서 정확한 위치 측정을 제공합니다. (이미지 출처: TE Connectivity Measurement Specialties)

연결된 아날로그 프론트 엔드(AFE) 전자 제품을 보정하기 위해, 약 100년 전 개발되어 오늘날까지도 계속 사용되고 있는 비율 변압기와 같은 장치의 정확한 신호를 이용할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 이 옛날 스타일의 비율 변압기는 센서의 아날로그 인터페이스 회로의 성능을 보정할 때 위치에 대한 LVDT 출력을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. (이미지 출처: Tegam Inc.)

하지만 비율 변압기로 LVDT 자체를 테스트할 수는 없습니다. LVDT를 테스트하려면 스트레인 게이지 신장계, 디지털 기계 캘리퍼 또는 광학 캘리퍼를 LVDT에 부착한 다음, 특정 벤치마크 위치 설정에서 출력을 측정합니다.

하지만 온도 센서 보정의 경우는 어떻습니까? 다시 말해 온도 센서의 비선형 출력을 정확하게 시뮬레이션하는 전기 신호를 생성하고 AFE를 확인하는 작업은 비교적 수월하지만, 아주 미세한 정도의 정확도가 필요한 경우 온도 센서 자체를 어떻게 확인할 수 있을까요? 저항 온도 감지기(RTD), 서미스터, 무접점 장치 및 열전대와 같은 대부분의 표준 온도 센서는 1⁰C ~ 2⁰C를 측정하기에 적합하며 "바로 이용 가능한" 옵션이지만, 1/10⁰C 수준의 완벽한 정확도(물론 분해능과는 다름)를 측정하는 것은 또 다른 차원의 문제입니다.

현실적으로 기본 히터를 설정하고 정확도가 높은 시스템을 사용하여 온도를 측정한 다음, 동일한 시스템에서 아직 평가 중인 센서로 교체할 수는 없습니다. 테스트 수행과 관련된 여러 가지 요인으로 인해, 비교 결과가 변질될 가능성이 매우 높습니다. 그렇기 때문에 고정확도 온도 센서 사용자는 다음을 수행할 수 있습니다.

1) 센서를 Ellab A/S와 같이 테스트를 위한 환경이 설정되어 있는 실험실로 보내거나, Fluke Corp와 같은 벤더로부터 테스트 설정을 구입하여 직접 테스트합니다.

2) NIST 추적 가능 문서가 포함되며 완전히 보정된 "더 나은" 품질의 온도 센서를 다수의 제조업체 중 하나로부터 구입합니다.

0.1⁰C나 0.01⁰C 또는 그보다 더 정밀한 수준의 완벽한 정확도가 필요한 경우라면 어떻게 해야 할까요? 믿기 어렵겠지만 가능한 작업입니다. 미국 국립표준기술원(NIST)의 연구원들은 -50⁰C(-58⁰F) ~ 150⁰C(302⁰F) 범위(8μm ~14μm의 적외선 파장에 해당)에서 사용 가능한 열 적외선 방사 온도계(TIRT)를 개발했는데, 이 온도계는 섭씨 수천분의 1의 정밀도로 온도를 측정할 수 있습니다. 더 큰 장점은 많은 다른 고성능 자외선 온도 센서와는 달리 극저온 냉각을 요구하지 않는다는 점입니다.

어떻게 이런 수준의 성능이 가능하게 되었을까요? 아날로그 및 센서 관련 설계에서 자주 사용되는 3단계 접근법을 이용했습니다.

1) 장기 드리프트를 최소화하기 위해 "노후화" 요소를 포함하여 가능한 한 최상의 고성능 부품을 선택합니다.

2) 가능한 경우 오류를 최소화할 뿐 아니라 오류를 자체적으로 해결하는 설계 토폴로지를 이용합니다. 예를 들면 차동 또는 계측 증폭기의 공유 기판에서는 동일한 온도 계수가 있는 정합 저항기를 사용합니다.

3)전자기(EM)장 또는 주위 온도 변화와 같이 오류가 유도될 수 있는 외부 소스를 최소화합니다.

이러한 3가지 전략에 대해 처음 알게된 것은 1976년에 발행된 EDN에 실린 전설적인 아날로그 설계 천재 고 Jim Williams의 기사 “아날로그 설계의 건재함을 증명하는 30ppm 중량계.”에서였습니다. 이 중량계는 매우 까다로운 몇몇 목적에 부합하도록 설계되었는데, 휴대용, 저비용이며 300.00 전체 범위에서 0.01lb 단위의 측정(백만당 30)이 가능하고, 보정 또는 조정이 전혀 요구되지 않으며 0.02% 이내의 완벽한 정확도를 지녔습니다. 오래된(거의 50년이 된) 기사이기도 하고 기사가 쓰여진 이래로 부품 및 기술 관련 많은 변화가 있었음에도 불구하고, 이 기사에 나와 있는 기본적인 교훈은 여전히 유효합니다.

NIST의 연구원들은 어떻게 주변-방사 온도계(ART)(그림 3)라고 불리는 온도계를 개발했을까요? 해당 설계 관련 세부 사항은 미국 광학 협회의 Optics Express에 실린 “열 적외선 방사 온도계 및 센서 설계의 발전 과정”이라는 평범한 제목의 기사 및 NIST에서 출판된 “비가시 광선을 이용한 정밀 온도 측정”에 모두 담겨 있습니다.

그림 3: NIST 주변 방사 온도계에서는고정 온도 보정 소스로부터 나오는 적외선(IR) 광은 렌즈(1)를 통해 온도계 인클로저로 들어가고, 신호 레벨을 향상시키는 증폭기로 라우팅된 감지기 출력(6)을 통과합니다 (Image 출처: NIST)

결론

사용 중인 센서 기반 판독의 정확도에 대해 또 다시 우려가 생기는 경우, 해당 오류가 발생한 원인이 센서 자체인지 전자 제품인지를 파악하고, 각 상황에 대해 따로 확인하는 방법을 알아보세요.