[기고]산업용 앱을 위한 mmWave 레이더를 사용한 레벨 감지

[테크월드뉴스=장민주 기자] 유체와 고체(대량 자재)의 레벨 감지는 많은 산업용 애플리케이션(앱)에서 일반적인 요구사항이다. 레벨 감지는 석유화학과 제약 공정, 수처리, 곡물 저장고, 폐기물 관리에 사용된다. 또 레벨의 감지는 일반적으로 전기 기계적, 초음파 기법을 포함한다. 이 방법은 실행 가능한 솔루션을 제공하지만, 상당한 전력을 필요로 한다. 먼지가 많은 조건에서는 신뢰할 수 없고, 설정 기능이 부족하거나 3D 레벨 감지 기능을 제공하지 못한다.

이 글은 밀리미터파(mmWave) 레이더 기반 감지 기법에 대해 자세히 알아보기 전에 다양한 레벨 감지 방법의 사용과 장단점, mmWave 레이더의 작동 방식을 알려준다. 이어서 구체적 산업 사용 사례와 마우저의 TI mmWave 레이더 SoC(시스템온칩) 솔루션을 소개한다.

산업용 레벨 감지 방법

산업 분야에서 유체와 고체 감지는 크게 재료와 접촉하는 감지와 접촉하지 않는 감지로 나뉜다. 접촉을 필요로 하는 센서는 포인트 접촉 센서라고 하며, 저렴하지만 재료 수준의 변화하는 양을 연속적으로 결정할 수 없으며 지정된 수준에 도달 유무만 알 수 있다. 또 일부 액체와 고체가 센서 움직임을 방해하거나 감지 메커니즘을 부식시킬 수 있다.

ㆍ 플로트 스위치: 플로트 스위치는 간단한 레벨 감지 방법이다. 이 스위치는 오일, 물, 기타 유체 화학물질과 같은 액체를 감지한다. 또 전원 공급장치가 필요하지 않아 최소 비용으로 긴 서비스 수명을 제공한다.

ㆍ 전도성 프로브: 이 센서 프로브는 한 쌍의 금속 전극을 사용해 액체 또는 고체의 전도도를 측정한다. 전도성 프로브는 전극 사이에 작은 전기 전류를 흐르게 하기 때문에 발화 위험이 있어 특정 재료에는 적합하지 않다. 또 측정 전류로 인해 전극 표면이 시간이 지남에 따라 부식할 수 있어 정기적인 유지보수 작업이 필요하다.

ㆍ 광학 센서: 광학 센서는 포인트 접촉과 연속 레벨 감지 모두 사용할 수 있다. 포인트 접촉 센서는 IR 빛과 펄스 변조를 사용해 특정 레벨을 감지한다. 또 연속 광학 센서는 레이저와 같이 더 긴 거리를 측정하려면 더 강력한 광원을 필요로 한다.

ㆍ 초음파 센서: 연속 초음파 기반 센서는 다양한 액체와 고체에 적합하다. 또 트랜스듀서에서 발생하는 초음파를 사용해 재료의 표면까지 거리를 측정한다. 이들 센서는 움직이는 부품이 없고 재료와 접촉하지 않는 많은 산업용 앱에 실행 가능하다.

mmWave 레이더 레벨 감지 기술

레이더 센서는 초음파와 유사하지만 먼지, 온도, 압력 변화가 정확한 측정에 영향을 미치지 않는다. 온칩 자동, 사용자 프로그래밍이 가능해 다양한 조건에 적용할 수 있어 다양한 산업용 대량 자재, 액체와 함께 사용할 수 있다. 또 레이더 기반 레벨 감지는 '빔 조항' 안테나를 사용해 측정 지점을 변경할 수 있어 정확한 3D 측정 기능을 제공한다.

레벨 감지에 사용하는 레이더 유형은 최신 차량에 탑재하는 자동차 첨단 운전자 보조 시스템과 비슷하게 작동한다. 이들 유형의 레이더는 일반적으로 파장이 약 4mm(밀리미터)인 76~81㎓(기가헤르츠) 사이의 mmWave 무선 스펙트럼에서 동작하고 주파수 변조 연속파(FMCW) 신호를 방출한다.

FMCW 레이더 전송 신호(처프)는 일정한 진폭을 갖지만 방출하는 주파수는 시간에 따라 선형으로 변한다. [그림 1]은 77㎓(fc)에서 시작해 40µs(마이크로초)(Tc) 동안 지속돼 81㎓에서 끝나는 처프 신호를 보여준다. 대역폭은 4㎓(B)이고 주파수의 기울기(S)는 100㎒/㎲(메가헤르츠)의 속도로 변한다.

[그림 2]는 FMCW 레이더의 간단한 기능 블록 다이어그램을 상세히 보여준다.

합성기(1)는 안테나(2)에서 방출하는 처프 신호를 생성한다. 송신기 안테나 앞의 물체가 처프 신호를 반사하면 수신기 안테나가 반사 신호를 감지한다(3).

믹서(4)는 합성기의 신호와 반사된 처프를 결합해 새로운 중간 주파수(IF)를 생성한다. [그림 3]에서 위쪽 차트는 단일 물체에서 송신하고 수신된 처프를 모두 보여준다. 'r'은 송신된 처프의 시작과 수신된 처프 사이의 시간 지연을 나타낸다.

송신기와 반사 지점 사이의 거리는 d = r c /2를 사용해 계산한다. 여기서 c는 3 x 108에 가까운 광속 상수다. 믹서에서 파생된 IF는 정주파수이며 [그림 3]에 강조 표시돼 있다.

레벨 감지와 같은 범위 측정 앱에서 액체와 고체의 표면은 단일 반사를 생성하는 물체다. 푸리에 변환 함수를 사용하는 디지털 신호 처리 기술은 IF에서 동작해 IF 신호의 주파수와 범위를 결정한다. 이러한 범위는 여러 물체 반사에서 수신된 개별 IF 주파수를 분리한다. mmWave 레이더는 다중 처프를 사용해 속도를 측정하고 다중 수신 안테나를 사용해 반사 각도 알 수 있다.

산업용 레벨 감지 앱의 설계 요구사항

산업 4.0과 같이 정부가 적극적으로 추진하는 정책은 산업용 사물 인터넷(IIoT) 배치를 가속화하고 자동화 수준을 높인다. 오늘날의 공장은 공장 제어와 성능 모니터링에 중요한 데이터를 제공하는 수많은 센서가 설치돼 있다. 또 IIoT 센서가 신뢰성 저하와 유지보수 문제없이 효율적으로 동작하려면 여러 가지 주요 기준을 만족해야 한다.

배터리 전원은 설치 비용이 저렴하지만 잦은 배터리 교체로 유지보수 직원에게 반복적인 작업을 요구한다. 이에 설계 엔지니어는 최소 1년 이상 배터리로 동작하거나 기존 4 - 20mA(밀리 암페어) 전류 루프를 활용할 수 있는 저전력 센서 구성요소를 찾아야 한다.

뿐만 아니라 공장 유선 네트워크에 연결하거나 저전력 프로토콜을 사용해 무선으로 연결하는 커넥티비티 용이성 문제와 물리적 크기 문제가 있다. 공장 플로어 공간은 더 중요해지고 있어 모든 레벨 감지 장치는 이상적으로 제어 캐비닛이나 추가 하드웨어의 필요 없이 자체 내장형이어야 한다.

TI의 mmWave 레벨 감지 솔루션

TI의 mmWave 레이더 제품에는 IWR1843, IWR1443, IWR6843이 있다. IWR1443, IWR1843은 76~81 ㎓ 동작을 요구하는 산업용 탱크 레벨 감지 앱에 적합하다. 이때 IWR6843은 60㎓ 대역용이다. 모든 디바이스는 아키텍처가 유사하며 동일한 소프트웨어 개발 키트(SDK)에서 지원한다. 또 TI의 산업용 레이더 툴박스에서 무료로 다운로드해 모든 플랫폼에 사용할 수 있는 레벨 감지 예제가 있다.

[그림 4]는 단일 IC 센서 IWR1443의 기능 블록 다이어그램을 보여준다. 161핀 BGA 패키지로 제공하는 FMCW 트랜시버는 76㎓~81㎓의 4㎓ 대역폭에서 동작해 4개의 수신 채널과 3개의 송신 채널이 있다. 송신 전력은 12dBm이다.

Arm Cortex-R4F 코어가 트랜시버 제어, 보정, 자가 테스트 기능을 제공하며, 200㎒에서 실행하는 추가 Arm Cortex-R4F 코어를 사용자 앱에 사용할 수 있다. 주변 장치 인터페이스에는 I2C, 2개의 SPI, CAN 그리고 최대 6개의 범용 ADC 채널을 포함한다. 디바이스에 전력을 공급하려면 1.2V에서 3.3V 범위의 4개의 전원 레일이 필요하며 낮은 듀티 사이클 레벨 감지 앱에서 사용하는 경우 작동 중 평균 전력 소비는 100mW 이하 범위다.

IWR1443 설계 개발을 지원하기 위해 IWR1443BOOST 평가 모듈을 제공한다. 평가 모듈은 TI LaunchPad 생태계의 일부를 구성한다.

IWR1443BOOST는 PCB 기반 안테나를 포함하며 5V 전원에서 전력을 수신한다. [그림 5]는 MSP432 LaunchPad 개발 보드 위에 적층한 평가 모듈을 보여준다.

TI의 다른 mmWave 개발 리소스에는 원 센서 데이터에 대한 실시간 액세스와 캡처를 제공하는 DCA1000EVM, TI mmWave 소프트웨어 개발 키트 MMWAVE-SDK가 있다. MMWAVE-SDK는 TI mmWave 감지 포트폴리오를 위한 통합 소프트웨어 플랫폼으로 소프트웨어 빌딩 블록, 데모, 예제를 포함해 손쉬운 구성과 평가, 개발에 즉시 사용 가능한 액세스를 제공한다.

mmWave 레이더는 대량 재료와 유체의 산업용 레벨 감지에 이상적이다. TI의 단일 칩 mmWave 레이더 IC를 사용하면 엔지니어는 소형의 저전력 레벨 감지 솔루션을 만들 수 있다. 이들 제품은 먼지, 극한 온도, 기압 변화가 mmWave 레이더 감지 기술에 미치는 영향을 줄여 다양한 액체와 대량 재료의 레벨 감지에 신뢰할 수 있다.

마크 패트릭(Mark Patrick)

자료제공: 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)