기술기고문
산업용 제어와 측정을 향상하는 MeasureWare 3-와이어 RTD 솔루션
글: 로건 카민스키(Logan Kaminski), 선임 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
한 산업용 공정제어 장비 회사가 자사 제품 라인을 새롭게 혁신하고자 했다. 이 회사 설계팀은 제어 시스템과 측정에 관한 전문성을 갖고 있음에도 온도 측정 서브시스템을 새로 설계하려고 할 때 일정이 촉박했다. 새로운 시스템은 EMI 내성과 측정 시간은 더욱 향상되고, 3-와이어 플래티넘 RTD(resistance temperature detector)를 사용하는 고객의 기존 장비와 호환되도록 설계돼야 했다.
측정팀의 설계 엔지니어인 크리스는, 이러한 요구를 충족하면서 센서가 -200 ~ +850ºC 온도 범위에서 0.5ºC의 정확도와 0.1ºC의 분해능을 유지하도록 해야 한다는 것이 주어진 짧은 일정으로는 결코 쉽지 않은 과제라는 것을 깨달았다. 그는 이전에 한 전시회에 방문한 적이 있는데, 거기서 ADMW1001을 사용해서 측정한 3-와이어 RTD의 EMI 내성을 확인할 수 있었다. ADMW1001은 MeasureWare™ 기술을 채택한 상태 모니터링 플랫폼 디바이스이다. 그는 MeasureWare 설계자들이 3-와이어 RTD 검출을 위해 고유의 특허기술을 이용한 켈빈 모드(Kelvin mode)를 개발했고 이로 인해 저가의 RC 필터를 사용할 수 있다는 것을 알게 되었다. 열악한 산업용 환경에서 모터, 액추에이터, 대형 전원장치 같은 장치들이 발생하는 EMI를 처리하기 위해서는 필터가 필요하다. “이것이 지난 몇 년 간 우리 동료들이 씨름해 왔던 어려운 문제를 해결할 수 있는 스마트한 해결책이 될 수 있겠다는 생각이 들었다”고 크리스는 말했다. 전시회에서 그가 본 ADMW1001은 아날로그 센서와 인터페이스하는 데 필요한 모든 회로를 포함하고 있는 소프트웨어 구성가능형 측정 엔진으로서, 압력과 습도도 측정할 수 있다. 그는 나중에 자신의 프로젝트에 활용할 수 있을 것 같아서 이러한 기능에 대해서 메모해 두었다. ADMW1001은 듀얼 ADC에 유연한 프런트 엔드와 범용 센서 선형화 프로세서를 통합하고 있으며, MeasureWare 기술을 채택해서 다양한 센싱 용도로 사용하기 편리한 단일 솔루션을 제공한다.
그림 1: 크리스가 관심을 가지게 된 이 솔루션은 MeasureWare Designer로 로드 할 수 있다.
3-와이어 RTD는 산업용 애플리케이션에 흔히 사용되는 것으로서, 산업용 환경에서는 센서가 측정 시스템으로부터 멀리 떨어져 있을 수도 있고 케이블의 무게와 비용이 중요한 문제가 될 수도 있다. 4-와이어 배선은 저항 소자로 직접 켈빈 검출을 할 수 있지만, 케이블에 추가적인 와이어가 필요하고 지금까지는 주로 실험실에서만 사용되어 왔다.
3-와이어 RTD를 사용할 때는 정확도를 높이기 위해 리드 저항을 제거해야 한다. 따라서 센서 회사와 시스템 회사가 협력해서 모든 리드들을 매칭하는 작업이 필요하다. 이 길이(케이블 저항)가 조금이라도 불일치하면 오프셋이 발생한다. 게다가 RC 타입 필터를 추가하면 이 리드 저항 불일치가 더 심해질 수 있다. RC 필터는, 산업용 애플리케이션에서 흔한 문제인 전기적 간섭으로 인한 측정 잡음을 낮추기 위해서 사용되는 경제적인 기법이다.
새로운 시스템의 개발 마감 시기가 가까워지자 크리스는 analog.com/measureware에 접속해서 MeasureWare Studio를 실행했다. MeasureWare Studio는 측정 요건을 입력해서 센서와 측정 시스템을 포함한 전체적인 시스템을 쉽고 빠르게 생성할 수 있는 온라인 툴이다.
얼마 후, 그의 사무실로 전체 평가 키트가 배송되었다. 이 키트에는 MeasureWare EV-ProMW1001ARDZ 아두이노 우노 R3 호환 쉴드 보드, 온라인 ARM® Mbed™ 툴체인과 호환되는 호스트 프로세서 개발 보드, 고품질 3-와이어 RTD 침수형 프로브가 포함돼 있다. Mbed 기술을 사용해서 ADMW1001을 실행하고 가동하는 것에 관해서는 아나로그디바이스의 온라인 엔지니어 커뮤니티인 EngineerZone®에서 확인할 수 있다. MeasureWare는 Mbed를 통한 프로젝트 예제를 제공한다. 그러므로 사용자들은 제공된 개발 보드로 호스트 프로세서 펌웨어를 빠르게 개발할 수 있다. 크리스는 배송된 박스를 개봉하고서 MeasureWare Lab을 다운로드할 수 있는 링크를 발견했다. MeasureWare Lab은 MeasureWare 용으로 사용하기 편리한 데스크톱 평가 소프트웨어이다. MeasureWare Lab을 EV-ProMW1001ARDZ에 연결하여 호환 호스트 프로세서 상에 예제 펌웨어를 실행하고, 모든 연결된 센서들로부터 데이터를 표시하고, 나중에 분석 작업을 위해 데이터를 기록해 둘 수 있다.
크리스가 MeasureWare Lab에서 자신의 MeasureWare 계정으로 로그인하자 앞서 자신이 MeasureWare Studio로 빌드했던 3-와이어 RTD 구성을 다운로드할 수 있었다. 이 MeasureWare 계정으로 구성에 대한 모든 변경 사항이 저장되므로 동료들과 공유할 수 있고 필요할 때 다시 다운로드할 수 있다.
그런 다음, 크리스는 EV-ProMW1001ARDZ 쉴드 보드를 개발 보드로 연결하고 USB를 통해서 자신의 랩톱에 연결했다. 동봉된 프로브를 3-와이어 RTD 도터 보드의 단자 블록에 연결하고, 이 도터 보드를 EV-ProMW1001ARDZ의 범용 아날로그 입력 두 가지 중 하나에 연결했다. 이 두 범용 입력은 2-, 3-, 4-와이어 RTD, 써모커플과 그것의 2-와이어 RTD 냉접점, 4-와이어 또는 6-와이어 저항 브리지, 그 밖의 아날로그 전압 센서를 인터페이스하는 데 필요한 모든 배선들을 제공한다. 사용자가 특정 센서용 어댑터 도터 보드를 구매하거나, 또는 범용 브레이크아웃 보드를 사용해서 자체적인 배선 연결을 할 수도 있다.
그림 2: MeasureWare Lab 데이터 포착 화면
모든 것을 연결하자 곧바로 MeasureWare Lab의 라이브 그래프 상에 실내 온도가 표시되었다. “키트를 받고 나서 화면 상에 3-와이어 RTD 판독값이 표시되는 것을 확인하는 데까지 걸리는 시간이 얼마나 빠르던지, 놀랄 정도였다”고 크리스는 말했다.
크게 고무된 크리스는 자신의 랩톱과 EV-ProMW1001ARDZ 키트를 실험실 테스트 챔버에 내장된 RTD로 가져갔다. MeasureWare가 제공하는 단자 블록을 사용해서 내장형 프로브를 매우 쉽고 간단하게 연결할 수 있었다. 그로부터 불과 몇 분 내에 온도 안정화 시스템이 적절하게 작동하는 것을 MeasureWare Lab을 통해 확인할 수 있었다.
크리스는 장시간 테스트에서도 시스템이 적절히 작동하는지도 확인하고 싶었다. 그래서 자신의 랩톱으로 MeasureWare Lab을 실행한 채 놔두고 퇴근했다. 이 툴은 데이터 수집 기능이 있기 때문에 자동으로 계속해서 데이터를 저장할 수 있다.
월요일에 출근한 후, 그는 수집된 데이터와 MeasureWare EV-ProMW1001ARDZ를 기반으로 한 간단한 레퍼런스 디자인을 팀장에게 보여주었다. 반응은 긍정적이었다. 팀장인 랄프는 “이 플랫폼은 범용 아날로그 입력을 사용해서 유연성이 정말 뛰어나다. 앞으로 몇몇 프로젝트에 ADMW1001 레퍼런스 디자인을 사용하는 것을 고려해 보겠다”고 말했다. 다른 팀들에서도 관심을 보여왔다. 펌웨어 팀은 온라인 Mbed 기반 프로젝트 예제를 손쉽게 다운로드하고 자신들이 사용하는 데스크톱 IDE로 손쉽게 이식할 수 있다는 것을 알았다. 호스트 인터페이스 라이브러리가 포함되어 있으므로 레지스터 맵은 필요가 없었다. 그 후, 새로운 시스템 설계의 환경 모니터링에 ADMW1001을 사용하기로 결정되었다. 이로써 고정밀 측정 인터페이스를 완전히 처음부터 설계해야 할 때와 비교해서 시간과 노력을 크게 줄일 수 있게 되었다.
# # #
저자 소개
로건 카민스키(Logan Kaminski)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 선임 애플리케이션 엔지니어로서, 12년 넘게 센싱과 측정 사업을 맡고 있다. 사용자가 ADI 디바이스를 활용해서 정밀 측정 과제를 해결할 수 있도록 돕는 것을 보람으로 여기고 있다. 리니어 테크놀로지(Linear Technology, 현 ADI)에 입사하기 전에는, 상용 UAV의 안전성과 신뢰성을 높이기 위한 항공 전자장치 설계 업무를 담당했다. 여가 시간에는 북부 캘리포니아의 시에라 산에서 하이킹을 하고 스키를 타는 것을 즐긴다. 문의: logan.kaminski@analog.com
한 산업용 공정제어 장비 회사가 자사 제품 라인을 새롭게 혁신하고자 했다. 이 회사 설계팀은 제어 시스템과 측정에 관한 전문성을 갖고 있음에도 온도 측정 서브시스템을 새로 설계하려고 할 때 일정이 촉박했다. 새로운 시스템은 EMI 내성과 측정 시간은 더욱 향상되고, 3-와이어 플래티넘 RTD(resistance temperature detector)를 사용하는 고객의 기존 장비와 호환되도록 설계돼야 했다.
측정팀의 설계 엔지니어인 크리스는, 이러한 요구를 충족하면서 센서가 -200 ~ +850ºC 온도 범위에서 0.5ºC의 정확도와 0.1ºC의 분해능을 유지하도록 해야 한다는 것이 주어진 짧은 일정으로는 결코 쉽지 않은 과제라는 것을 깨달았다. 그는 이전에 한 전시회에 방문한 적이 있는데, 거기서 ADMW1001을 사용해서 측정한 3-와이어 RTD의 EMI 내성을 확인할 수 있었다. ADMW1001은 MeasureWare™ 기술을 채택한 상태 모니터링 플랫폼 디바이스이다. 그는 MeasureWare 설계자들이 3-와이어 RTD 검출을 위해 고유의 특허기술을 이용한 켈빈 모드(Kelvin mode)를 개발했고 이로 인해 저가의 RC 필터를 사용할 수 있다는 것을 알게 되었다. 열악한 산업용 환경에서 모터, 액추에이터, 대형 전원장치 같은 장치들이 발생하는 EMI를 처리하기 위해서는 필터가 필요하다. “이것이 지난 몇 년 간 우리 동료들이 씨름해 왔던 어려운 문제를 해결할 수 있는 스마트한 해결책이 될 수 있겠다는 생각이 들었다”고 크리스는 말했다. 전시회에서 그가 본 ADMW1001은 아날로그 센서와 인터페이스하는 데 필요한 모든 회로를 포함하고 있는 소프트웨어 구성가능형 측정 엔진으로서, 압력과 습도도 측정할 수 있다. 그는 나중에 자신의 프로젝트에 활용할 수 있을 것 같아서 이러한 기능에 대해서 메모해 두었다. ADMW1001은 듀얼 ADC에 유연한 프런트 엔드와 범용 센서 선형화 프로세서를 통합하고 있으며, MeasureWare 기술을 채택해서 다양한 센싱 용도로 사용하기 편리한 단일 솔루션을 제공한다.
그림 1: 크리스가 관심을 가지게 된 이 솔루션은 MeasureWare Designer로 로드 할 수 있다.
3-와이어 RTD는 산업용 애플리케이션에 흔히 사용되는 것으로서, 산업용 환경에서는 센서가 측정 시스템으로부터 멀리 떨어져 있을 수도 있고 케이블의 무게와 비용이 중요한 문제가 될 수도 있다. 4-와이어 배선은 저항 소자로 직접 켈빈 검출을 할 수 있지만, 케이블에 추가적인 와이어가 필요하고 지금까지는 주로 실험실에서만 사용되어 왔다.
3-와이어 RTD를 사용할 때는 정확도를 높이기 위해 리드 저항을 제거해야 한다. 따라서 센서 회사와 시스템 회사가 협력해서 모든 리드들을 매칭하는 작업이 필요하다. 이 길이(케이블 저항)가 조금이라도 불일치하면 오프셋이 발생한다. 게다가 RC 타입 필터를 추가하면 이 리드 저항 불일치가 더 심해질 수 있다. RC 필터는, 산업용 애플리케이션에서 흔한 문제인 전기적 간섭으로 인한 측정 잡음을 낮추기 위해서 사용되는 경제적인 기법이다.
새로운 시스템의 개발 마감 시기가 가까워지자 크리스는 analog.com/measureware에 접속해서 MeasureWare Studio를 실행했다. MeasureWare Studio는 측정 요건을 입력해서 센서와 측정 시스템을 포함한 전체적인 시스템을 쉽고 빠르게 생성할 수 있는 온라인 툴이다.
얼마 후, 그의 사무실로 전체 평가 키트가 배송되었다. 이 키트에는 MeasureWare EV-ProMW1001ARDZ 아두이노 우노 R3 호환 쉴드 보드, 온라인 ARM® Mbed™ 툴체인과 호환되는 호스트 프로세서 개발 보드, 고품질 3-와이어 RTD 침수형 프로브가 포함돼 있다. Mbed 기술을 사용해서 ADMW1001을 실행하고 가동하는 것에 관해서는 아나로그디바이스의 온라인 엔지니어 커뮤니티인 EngineerZone®에서 확인할 수 있다. MeasureWare는 Mbed를 통한 프로젝트 예제를 제공한다. 그러므로 사용자들은 제공된 개발 보드로 호스트 프로세서 펌웨어를 빠르게 개발할 수 있다. 크리스는 배송된 박스를 개봉하고서 MeasureWare Lab을 다운로드할 수 있는 링크를 발견했다. MeasureWare Lab은 MeasureWare 용으로 사용하기 편리한 데스크톱 평가 소프트웨어이다. MeasureWare Lab을 EV-ProMW1001ARDZ에 연결하여 호환 호스트 프로세서 상에 예제 펌웨어를 실행하고, 모든 연결된 센서들로부터 데이터를 표시하고, 나중에 분석 작업을 위해 데이터를 기록해 둘 수 있다.
크리스가 MeasureWare Lab에서 자신의 MeasureWare 계정으로 로그인하자 앞서 자신이 MeasureWare Studio로 빌드했던 3-와이어 RTD 구성을 다운로드할 수 있었다. 이 MeasureWare 계정으로 구성에 대한 모든 변경 사항이 저장되므로 동료들과 공유할 수 있고 필요할 때 다시 다운로드할 수 있다.
그런 다음, 크리스는 EV-ProMW1001ARDZ 쉴드 보드를 개발 보드로 연결하고 USB를 통해서 자신의 랩톱에 연결했다. 동봉된 프로브를 3-와이어 RTD 도터 보드의 단자 블록에 연결하고, 이 도터 보드를 EV-ProMW1001ARDZ의 범용 아날로그 입력 두 가지 중 하나에 연결했다. 이 두 범용 입력은 2-, 3-, 4-와이어 RTD, 써모커플과 그것의 2-와이어 RTD 냉접점, 4-와이어 또는 6-와이어 저항 브리지, 그 밖의 아날로그 전압 센서를 인터페이스하는 데 필요한 모든 배선들을 제공한다. 사용자가 특정 센서용 어댑터 도터 보드를 구매하거나, 또는 범용 브레이크아웃 보드를 사용해서 자체적인 배선 연결을 할 수도 있다.
그림 2: MeasureWare Lab 데이터 포착 화면
모든 것을 연결하자 곧바로 MeasureWare Lab의 라이브 그래프 상에 실내 온도가 표시되었다. “키트를 받고 나서 화면 상에 3-와이어 RTD 판독값이 표시되는 것을 확인하는 데까지 걸리는 시간이 얼마나 빠르던지, 놀랄 정도였다”고 크리스는 말했다.
크게 고무된 크리스는 자신의 랩톱과 EV-ProMW1001ARDZ 키트를 실험실 테스트 챔버에 내장된 RTD로 가져갔다. MeasureWare가 제공하는 단자 블록을 사용해서 내장형 프로브를 매우 쉽고 간단하게 연결할 수 있었다. 그로부터 불과 몇 분 내에 온도 안정화 시스템이 적절하게 작동하는 것을 MeasureWare Lab을 통해 확인할 수 있었다.
크리스는 장시간 테스트에서도 시스템이 적절히 작동하는지도 확인하고 싶었다. 그래서 자신의 랩톱으로 MeasureWare Lab을 실행한 채 놔두고 퇴근했다. 이 툴은 데이터 수집 기능이 있기 때문에 자동으로 계속해서 데이터를 저장할 수 있다.
월요일에 출근한 후, 그는 수집된 데이터와 MeasureWare EV-ProMW1001ARDZ를 기반으로 한 간단한 레퍼런스 디자인을 팀장에게 보여주었다. 반응은 긍정적이었다. 팀장인 랄프는 “이 플랫폼은 범용 아날로그 입력을 사용해서 유연성이 정말 뛰어나다. 앞으로 몇몇 프로젝트에 ADMW1001 레퍼런스 디자인을 사용하는 것을 고려해 보겠다”고 말했다. 다른 팀들에서도 관심을 보여왔다. 펌웨어 팀은 온라인 Mbed 기반 프로젝트 예제를 손쉽게 다운로드하고 자신들이 사용하는 데스크톱 IDE로 손쉽게 이식할 수 있다는 것을 알았다. 호스트 인터페이스 라이브러리가 포함되어 있으므로 레지스터 맵은 필요가 없었다. 그 후, 새로운 시스템 설계의 환경 모니터링에 ADMW1001을 사용하기로 결정되었다. 이로써 고정밀 측정 인터페이스를 완전히 처음부터 설계해야 할 때와 비교해서 시간과 노력을 크게 줄일 수 있게 되었다.
# # #
저자 소개
로건 카민스키(Logan Kaminski)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 선임 애플리케이션 엔지니어로서, 12년 넘게 센싱과 측정 사업을 맡고 있다. 사용자가 ADI 디바이스를 활용해서 정밀 측정 과제를 해결할 수 있도록 돕는 것을 보람으로 여기고 있다. 리니어 테크놀로지(Linear Technology, 현 ADI)에 입사하기 전에는, 상용 UAV의 안전성과 신뢰성을 높이기 위한 항공 전자장치 설계 업무를 담당했다. 여가 시간에는 북부 캘리포니아의 시에라 산에서 하이킹을 하고 스키를 타는 것을 즐긴다. 문의: logan.kaminski@analog.com
제품스펙