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2006-01-11 12:06:38, 조회 : 281, 추천 : 18 |
포지티브 아날로그 피드백을 사용한 PT100 트랜스 듀서 보상
Gert N. Helles, Maxim Integrated Products Inc.
이 글에서는 일반적인 온도 센서의 기본 특성을 살펴보고 RTD PT100 온도
트랜스듀서의 구조를 설명한 후 해당 소자 의 출력을 선형화하고 컨디셔닝하는
간단한 아날로그적 방식 을 소개한다. 온도는 가장 흔히 측정되는 물리량 중 하나이다
서모커플과 RTD 센서를 사용하면 대부분의 고온 측정에 적합하지만 애플리케이션에
가장 적합한 특성을 가진 센서 유형을 선택해야 한다. 다음 표 1에는 센서 선택을 위한
일반 적인 지침이 나와 있다.
저항 온도 검출기(RTD)는 높은 정밀도를 제공하며 동작 온도 범위는 －200°C~850°C
이고 전기적 출력의 전송, 전 환, 표시, 기록 및 처리가 적절한 데이터 처리 장치를 사용하 여 쉽게 가능한 편이다. RTD 저항은 온도에 비례하므로 저 항을 통해 알려진 값의 전류가 흐르면 온도에 따라 증가하는 출력 전압이 생성된다. 저항과 온도 간의 정확한 관계를 알면 주어진 온도의 계산이 가능하다.
어떤 소재에 있어 전기적 저항의 온도 변화를 해당 소재의 ‘저항 온도 계수’라고 한다. 대부분 금속의 온도 계수는 양수 이며 대부분의 순수한 금속에서는 사용 가능한 온도 범위의 대부분에서 기본적으로 상수값을 갖는다. 또한 저항 온도계 는 온도 측정에 있어 가장 안정적이고 정확하며 선형적인 장 치이다. RTD에 사용되는 금속(백금, 구리, 니켈)의 고유 저 항은 필요한 온도 측정의 범위에 따라 달라진다.
백금 RTD의 공칭 저항은 0°C에서 100Ω이다. 백금 RTD 의 경우 표준화가 많이 진행되어 있기는 하지만 세계적으로 통일되지 않은 다수의 표준을 따르고 있다. 따라서 하나의 표 준에 맞춰 만들어진 RTD를 다른 표준에 맞춰 설계된 기기에 사용할 때는 문제가 발생한다. 백금은 장기 안정성, 반복성, 빠른 응답 속도 및 넓은 온도 범위 등으로 인해 여러 애플리케이션에서 유용하게 사용된 다. 따라서 백금 RTD는 온도 측정에 있어 가장 신뢰도 있는 표준으로 인식되어 있다. PT100 RTD는 다음 공식으로 나타 낼 수 있는데 온도와 저항은 당연히 비선형적인 관계이다.
해당 데이터를 표 형식으로 나타내면 표 3과 같다.
PT100 RTD는 2선식, 3선식 또는 4선식을 사용하여 측정 애플리케이션에 연결할 수 있다(그림 1, 2, 3).
PT100 RTD의 비선형성을 보상하는 방법으로는 몇 가지의 아날로그 및 디지털 방식을 사용할 수 있다. 예를 들어 디지털 선형화는 대조표를 사용하여 구현하거나 위의 일반식을 사용하여 구현 할 수 있다.
마이크로프로세서 메모리에 있는 대조표를 사용하면(보간 법 사용) PT100의 저항 측정값을 해당하는 선형화된 온도 값으로 변환할 수 있다. 반면 위의 식을 사용할 경우 실질적 으로 측정된 RTD 저항값으로부터 온도값을 직접 계산할 수 있다.
대조표의 경우 필요한 정확도와 사용 가능한 메모리의 양 에 따라 제한된 수의 저항/온도 값이 필수적으로 포함된다. 구체적인 실제 온도 계산을 위해서는 먼저 두 가지의 가장 가 까운 저항값(측정된 RTD 값의 위와 아래에 있는 값)을 찾은 후 이 두 값 사이에서 보간을 수행하게 된다. 예를 들어 측정된 저항의 값이 109.73°C인 경우, 대조표의 해상도가 10°C라면 두 개의 가장 가까운 값은 107.79Ω(20°C) 과 111.67Ω(30°C)이 된다. 이 세 개 값으로 보간법을 쓰면 다음과 같다.
이러한 디지털 방식 접근을 위해서는 마이크로프로세서를 사용해야 하지만 그림 4의 작은 회로를 사용하면 정확한 선형성 보상을 아날로그 방식으로 수행할 수 있다.
이 회로의 출력은 －100°C에서 0.97V이고 200°C에서 2.97V이다. 출력 범위를 예를 들어 －100°C에서 －100mV, 200°C에서 200mV가 되도록 하려면 이득 조정(스팬) 및 레벨 이동(오프 셋)을 추가할 필요가 있을 것이다.
PT100의 비선형성을 보상하기 위해 제시되는 방법은 R2 를 사용한 약간의 포지티브 피드백이다. 이 피드백을 사용하 면 높은 PT100 값에 대해 약간 더 높은 출력을 제공하여 전 달 함수를 선형화하는 데 도움이 된다. 이 전달 함수는 다음 과 같이 중첩 원리를 적용하여 쉽게 구성할 수 있다.
그림 5에는 보정하지 않은 PT100 출력과 y=ax＋b 형태의 선형적 근사값 간의 관계, 그리고 그림 6에는 회로의 선형화된 버전과 선형 근사값 간의 관계가 나와 있다.
각 그림에는 그림 4의 회로로부터 계산된 출력과 비교한 온도와 저항 사이에서 계산된 관계가 나와 있다. 그림 7 및 그림 8의 그래프를 보면 아날로그 보정 전과 후의 PT100 오차를 알 수 있다.
아날로그 온도계의 영점을 조정할 때는 언제나 제작 및 영점 조정 시의 조 절 및 제어 측정의 필요를 최소화하는 것이 좋다. 일반적으로는 두 개의 PT100 값에 대해 오프셋과 스팬만 조 정하는 것이 좋다. 그러나 이러한 방법 을 위해서는 PT100 저항과 온도 간에 선형적인 관계가 있어야 하는데 그렇지 않은 경우가 문제이다.
위의 예제를 보면 아날로그 보정의 경우 약 80% 정도의 PT100 오차를 줄일 수 있음을 알 수 있다. 단, 전달 함 수가 PT100 값과 측정된 온도 사이에 선형적인 상관관계를 나타내는 것으로 가정했을 때를 전제로 한다. 또한 PT100의 경우 전력 소비가 적어 (0.2mW~0.6mW) 자체 발열이 최소 화된다. 따라서 PT100 신호를 아날로 그 방식으로 선형화하게 되면 예를 들 어 ±200mV 패널 미터에 대해서 소프 트웨어적으로 추가 부담 없이 손쉽게 인터페이스를 구성할 수 있다.
디지털 방식의 예
디지털 방식(그림 9)의 예제 회로에는 RTD, 차동 증폭기, 전류원 및 마이크로프로세서에 의해 제어되는 A/D컨버터(그림에는 나와 있지 않음)가 포함된다.
온도 측정은 센서에 1mA~2mA의 전류를 흘리고 그 센서 양단의 전압을 측정함으로써 이루어 진다. 전류를 더 많이 사용하게 되면 센서 내의 더 많은 전력 소비가 초래되고 자체 발열에 의해 측정 오차가 발생하게 된 다. 4,096V의 기준 전압이 내장되어 있어서 센서용 구동 전 류 생성이 간단하게 구현된다.
도선의 저항이 측정 정확도를 악화시키는 것을 막기 위해 4개의 별도의 도선이 RTD와 차동 증폭기를 연결하고 있다. 센서 쪽 도선은 증폭기의 고 임피던스 입력에 연결되므로 전 류가 매우 적고 전압 강하가 거의 없다. 4,096mV 기준 전압 과 3.3㏀의 피드백 저항이 여기 전류를 약 4,096mV/3.3k =1.24mA로 설정하게 된다. 따라서 ADC와 전류 소스를 동 일한 기준 전압으로 구동함으로써 기준 전압의 드리프트가 변환 결과에 영향을 미치지 않는 비례적 측정값이 나온다. MAX197의 입력범위를 0V~5V로 구성하고 차동 증폭기 의 이득을 10으로 설정하면 저항 측정값이 최고 400이 되는 데 이는 약 800°C를 나타내게 된다. 마이크로프로세서는 대 조표를 사용하여 센서 신호를 선형화할 수 있다. 시스템의 영 점 조절을 위해서는 RTD를 두 개의 정밀 저항(0에 대해 100 Ω, 전체 스팬에 대해 300Ω)으로 대체하고 변환 결과값을 저 장하면 된다. | | | |