서모커플과 온도 조절 회로를 이용한 광범위한 온도 모니터링 시스템 구현
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서모커플과 온도 조절 회로를 이용한 광범위한 온도 모니터링 시스템 구현
  • 양대규 기자
  • 승인 2019.02.26 09:06
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[테크월드=양대규 기자] 광범위한 온도 범위에서의 정확한 온도 측정은 산업용 열관리나 유해환경 모니터링과 같은 다양한 엔지니어링 애플리케이션에 대한 관심을 증가시키고 있다. 전체 온도 범위에서 정확성을 얻기 위해서는 센서와 신호 온도 조절 회로가 모두 세심하게 조절되고 조정돼야 한다. 이 글에서는 온도 측정의 정확도에 가장 큰 영향을 미치는 요소에 대한 분석과, 정확하고 비용 효율적인 서모커플 기반 온도 모니터링 디바이스를 보장하는 기술적 솔루션을 제시한다.

온도 측정 디바이스 비교

온도를 모니터링 시스템에 의해 정량화와 분석 가능한 전자 신호로 변환하기 위해 흔히 고려되는 네 종류의 온도 센서에는 서모커플, 서미스터, 저항형 온도 감지기(RTD), 온도 센서 IC가 있다. 측정 범위, 정확도, 선형성, 비용 등의 모든 측면에서 만족스러운 특성을 제공하는 정답은 없지만, 각 특정 애플리케이션의 요건들을 평가하여 찾을 수 있는 절충 시나리오들이 있다. 서모커플은 광범위한 온도 범위(-200~2500℃)를 측정할 수 있고 혹독한 환경에서도 견딜 수 있는 특성 덕분에 가장 일반적으로 사용되는 측정 디바이스다. 이에 비해 서미스터는 상대적으로 제한된 온도 범위 내에서 적절한 정밀도를 제공하며, IC 기반 센서는 더 좁은 온도범위 내에서 보다 높은 정확도와 최고의 선형성을 제공한다. 따라서 이 글에서는 서모커플 기반의 온도 감지 디바이스에 초점을 맞출 것이다.            

[그림 1] 일반적인 서모커플 구조

[그림1]에서 보듯이 서모커플은 측정 대상과 접촉하는 감지 접점(일반적으로 ‘열접점’으로 불림)에서 서로 연결된 두 개의 다른 금속 도체로 구성된다. 제베크 효과(Seebeck effect)의 결과로 두 접합부 사이의 온도 기울기에 따라 냉접점에서 서로 다른 금속 커넥터 사이에 기전력(EMF, 일반적으로 μV 단위로 사용)이 생성된다. 여러 유형의 서모커플은 다른 제베크 계수를 가진 금속·합금 조합을 기준으로 다르게 분류되며(E, J, K 등), 온도 변화에 따라 다양한 선형성, 감도 특성을 나타낸다.

서모커플의 장단점

IC 기반 온도 센서와 서미스터는 모두 150℃ 미만의 온도 측정에 효과적이다. RTD는 주로 500℃까지의 온도를 측정하는데 사용된다. 따라서 서모커플은 500℃ 이상의 고온을 측정할 수 있는 유일한 솔루션으로, 특정 유형의 서모커플은 온도가 2500℃까지 상승하는 매우 혹독한 조건에도 대응할 수 있다. 금속 접합부의 단순한 구조로 인해 측정 대상과 직접 접촉할 수 있으며 혹독한 환경에 적합하다. 또한, 서모커플은 온도 감지를 방해할 수 있는 열을 발생시키는 전류 또는 전압 여기(Excitation)를 필요로 하지 않는 수동 디바이스이다. 마지막으로 서모커플은 또한 많은 애플리케이션을 위한 비용 효율적인 솔루션이다.

그러나 서모커플과 관련해 몇 가지 기술적 제약이 존재한다. 먼저, 사용되는 서모커플 디바이스 유형에 관계없이 전체 온도 범위에서 제베크 계수가 일정하게 유지되지 않는다. 이는 서모커플의 출력 전압이 온도를 반영하기엔 완벽한 선형 함수가 아니라는 것을 의미한다. 따라서 온도와 EMF 전압 사이의 변환에서 비선형성을 줄이기 위해 정확한 보정 알고리즘이 필요하다.

서모커플의 두 번째 제약 사항은 감도와 관련이 있다. 제베크 계수는 여러 종류의 서모커플에서 8μV/℃에서 60μV/℃까지 다양하게 나타난다. 열접점과 냉접점 사이의 온도 경도가 500℃라고 가정하면 EMF는 4~30μV 범위에 있어야 한다. 따라서EMF신호를 큰 왜곡 없이 아날로그-디지털 컨버터(ADC)의 입력단으로 증폭하기 위한 핵심은 오프셋과 노이즈가 낮은 증폭기이다. 또한, 원격 서모커플을 연결하는 긴 전선으로 인해 발생하는 공통모드 노이즈의 영향을 차동 증폭기를 사용하여 제거하는 것도 중요하다. 노이즈 기능이 손상된 부적절한 증폭기는 서모커플의 정확도를 저하시킬 수 있다.

기술적 도전과제와 대응 솔루션

서모커플로 측정되는 온도는 서모커플의 열접점과 냉접점 사이의 온도 기울기를 반영하는 EMF 전압에서 도출된다. 열접점의 온도 산출을 위해서는 냉접점 온도의 정확한 측정을 기반으로 계산이 이뤄져야 한다. 냉접점 보상은 EMF 전압에서 도출된 냉접점 온도와 델타 온도를 합산해 열접점 온도를 계산하는 것을 나타낸다. 이는 고정밀 외기온도 센서가 서모커플 신호 온도 조절 회로 내에 통합되어야 함을 의미한다. 보드 레이아웃을 고려할 때, 외기온도 센서는 온도 기울기의 오차를 최소화하기 위해 서모커플 기준점에 최대한 가까이 배치되어야 한다.

앞서 언급했듯이 서모커플의 명백한 단점 중의 하나는 비선형성이다. EMF에서 이러한 비선형성이 온도 변환에 미치는 영향을 줄이기 위해서는 ADC 시스템에 보정 알고리즘을 통합하는 것이 바람직하다. 서로 다른 서모커플 유형의 경우 제베크 계수가 온도 범위에 걸쳐 일정하지 않으므로, EMF와 온도 간의 비선형적 관계를 수정하는데 여러 가지 방법이 필요하다.

한 가지 가능한 해결책은 쌍으로 된 EMF 전압에 해당하는 온도를 찾기 위해 메모리 내 룩업 테이블을 사용하고, 선형보간법으로 인접한 점 사이의 온도를 추론하는 것이다. 변환 쌍은 각 서모커플 유형에 대한 경험적 테스트나 측정 결과로 얻는다. 정확한 매칭이 이루어지기 위해서는 룩업 테이블에서 인접한 점들이 가능한 가장 가깝게 위치하고 있어야 하며, 이는 더 많은 데이터와 그로 인한 더 큰 용량의 메모리 크기를 의미하는 것이다.   

EMF에서 온도 변환에 대한 비선형성을 보상하는 또 다른 방법은 모델링 방법을 사용하는 것이다. 각 온도 지점에 대해 기존의 EMF 전압 측정 데이터를 수학적으로 적용해 각 서모커플 유형별로 고차 다항식이 수립될 수 있으며, 이렇게 수립된 다항식은 EMF 전압에서 상응하는 델타 온도를 도출하는 전달 함수로 사용될 수 있다. 그런 다음 마이크로프로세서 또는 MCU의 도움을 받아 보정 절차가 수행된다. 아래의 예는 모든 서모커플 유형에 대해 최고의 변환 정확도를 보장하기 위해 미국 국립표준기술연구소(NIST) ITS-90 서모커플 데이터베이스에서 추출된 보정 계수를 사용하고 있다.   

많은 산업용 애플리케이션에서 몇 가지 다른 유형의 서모커플이 연속적으로 사용된다. 따라서 온도 조절 회로는 이와 같은 여러 유형의 서모커플을 우수한 정확도를 동일하게 유지하며 수용할 수 있을 것으로 기대된다. 그렇지 않은 경우 신호 온도 조절 인터페이스 설계의 복잡성이 훨씬 더 커지게 된다.

정확하고 유연하면서도 비용 효율적인 서모커플 온도 조절 회로 설계는 상당한 전문성을 요하며 매우 많은 시간이 소요될 수 있다. 이러한 설계를 단순화하고 설계에 드는 노력과 출시 기간을 단축하기 위해 집적 서모커플 온도 조절 IC를 사용할 수 있으며, 이중 다수는 현재 출시되어 있다.  마이크로칩테크놀로지(Microchip Technology)의 MCP9600을 그 예로 살펴보자.

MCP9600의 특징

[그림 2] MCP9600의 기능 구성도

마이크로칩의 MCP9600은 올인원 서모커플 EMF-온도 변환기 솔루션이다. [그림 2]에는 마이크로칩의 MCP9600 기능 구성도가 제시됐다. 이 그림에서 MCP9600은 I2C 인터페이스를 통해 변환된 디지털 출력 데이터를 직접 공급하는 고도로 집적된 모놀리식 솔루션임을 알 수 있다.  MCP9600은 정밀도와 변환 시간 간 균형 조절을 위한 다양한 설정이 가능한 18비트 시그마-델타 ADC가 통합됐다. 사용되는 서모커플 유형 및 필요한 정밀도에 따라 ADC는 12비트, 14비트, 18비트 정밀도로 구성될 수 있다. 절충 안으로, 낮은 해상도에서는 더 빠른 변환 시간을 가질 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지다. 온도 정밀도는 0.0625℃/LSB(Least Significant Bit) 또는 0.25℃/LSB로 사용자가 선택할 수 있다.  

위에서 언급했듯이 EMF 전압을 ADC 입력단에 맞추기 위해서는 노이즈가 낮은 증폭기가 필요하다. MCP9600은 스위치드 캐패시터 증폭기 입력단을 사용하여 18비트 ADC 설정에서 최대 2 μV/LSB의 정밀도로 입력 신호를 얻는다. 또한 전체 측정 범위에서 온접점 정확도를 최대 1.5%로 보장할 수 있도록 8가지 서모커플 유형(K, J, T, N, E, B, S, R)에 대한 전용 보정계수가 통합됐다.     

배터리로 동작하거나 에너지에 민감한 애플리케이션을 위해 MCP9600은 셧다운 및 버스트의 두 가지 저전력 작동 모드가 내장되어 있다. 이 두 모드는 모두 온도 모니터링, 전력 소비, 자가 열제어 등의 요소 중에서 최적의 절충안을 찾아낸다. 또한 MCP9600에는 사용자가 서모커플 유형 및 동작 모드를 선택할 수 있는 사용자 접근 가능 레지스터와 최대 4개의 경고 제한 및 ADC 설정 기능이 내장되어 있다. 따라서 다양한 온도 측정 애플리케이션을 위한 모든 유형의 주요 서모커플 디바이스를 수용할 수 있는 최고의 유연성을 제공한다.

결론

서모커플은 광범위하게 확장된 온도 범위에서의 온도 측정을 위한 우선적인 선택으로 자리잡았다. 상이한 환경에서 서모커플의 측정 성능을 극대화하기 위해서는 온도 조절 회로에서 여러 보정 알고리즘이 실행돼야 한다. 이런 알고리즘들은 선형화, 저노이즈 증폭, 냉접점 보상에 영향을 미친다. 집적 서모커플 디바이스는 개발자를 위해 이러한 요건을 단순화하도록 설계됐다. 마이크로칩의 MCP9600은 광범위한 온도 모니터링을 위한 정확하고 비용 효율적인 솔루션을 제공하고자, 앞서 언급된 구성요소들을 스위치드 캐패시터 증폭기, 18비트 ADC, 데이터 처리 장치가 결합된 하나의 모놀리식 칩에 통합된 제품이다.

글: 로빈 양(Robin Yang), 마이크로칩테크놀로지 MSLD 사업부 수석 애플리케이션 엔지니어(Senior Applications Engineer)

자료제공: 마이크로칩테크놀로지