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글 / 브라이언 콘델(Brian Condell)  제품 애플리케이션 엔지니어, 마이클 잭슨(Michael Jackson) 최종 시장 스페셜리스트, 아나로그디바이스(Analog Devices)

이 글에서는 더 작은 폼 팩터, 유연한 통신, 원격 설정 기능을 갖춘 온도 측정 장치에 대한 스마트 팩토리의 요구 사항을 충족하기 위해 저항 온도 감지기(resistance temperature detector, RTD) 산업용 온도 센서를 신속하게 재설계하는 방법에 대해 설명한다. 통합 수준이 높은 아날로그 프런트 엔드(AFE)와 IO-Link® 송수신기를 사용함으로써 이 작업을 수행할 수 있다.

스마트 팩토리를 위한 RTD 센서

“고장 나지 않았다면 고치지 말라”는 말이 있다. 어떤 것이 정상적으로 잘 작동한다면 굳이 손대지 말고 그냥 내버려두라는 뜻이다. 이 조언은 전세계 산업 제조 설비에서 묵묵히 그리고 효율적으로 온도를 측정하는 수많은 RTD 센서에 사용되는 회로 설계에도 적용된다. 하지만 인더스트리 4.0 시대에 공장들이 점점 스마트 팩토리로 전환함에 따라 기존에 사용되고 있는 많은 RTD 센서들이 이러한 환경에 사용하기에 부적합하게 되었다. 

오늘날 자동화 엔지니어들은 산업용 온도 센서에 대해 더 작은 폼 팩터, 유연한 통신, 원격 설정 가능성을 중요하게 요구하는데, 기존 솔루션은 이러한 요구들을 충족하지 못한다. 이 글에서는 많은 RTD 기반 온도 센서의 설계에 사용되는 기본 기능 블록들에 대해 살펴보고, 이들이 센서 애플리케이션에 부과하는 한계에 대해 논의한다. 그리고 이러한 센서를 새로운 산업화 시대의 요구를 충족하도록 빠르게 재설계할 수 있는 방법에 대해 설명한다.

그림 1. RTD 기반 온도 센서의 예시

온도 센서의 기능 블록들

그림 2는 RTD 산업용 온도 센서의 기능 블록들을 보여준다.

그림 2. RTD 산업용 온도 센서의 기능 블록들

RTD는 물리적인 양(온도)을 전기 신호로 변환한다. RTD는 통상적으로 -200 ~ +850℃의 온도를 측정할 수 있으며, 이 온도 범위에서 극히 선형적인 응답을 나타낸다. RTD에 주로 사용되는 금속 물질은 니켈(Ni), 구리(Cu), 플래티넘(Pt)인데, 그 중에서도 Pt100과 Pt1000 플래티넘 RTD가 가장 일반적이다. RTD는 2-와이어나 3-와이어, 또는 4-와이어로 이루어질 수 있으며, 3-와이어와 4-와이어가 가장 널리 사용된다. 

RTD는 수동 디바이스이므로 출력 전압을 발생시키기 위해서 여자 전류(excitation current)를 필요로 한다. 이는 전압 레퍼런스를 사용해서 생성되고 RTD로 전류를 구동하는 연산 증폭기에 의해 버퍼링 되어, 온도 변화에 반응하여 달라지는 출력 전압 신호를 발생시킨다. 이 신호는 사용되는 RTD 유형과 측정된 온도에 따라서 수십 밀리볼트에서부터 수백 밀리볼트까지 변화한다(그림 3).

그림 3. 온도 증가에 반응하여 Pt100 RTD에 의해 발생된 전압 신호

AFE가 작은 진폭의 RTD 신호를 증폭 및 컨디셔닝하면, 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 이것을 디지털화하고, 마이크로컨트롤러가 알고리즘을 실행해서 포함된 어떠한 비선형성을 보정한다. 그 다음에는 이 디지털 출력을 통신 인터페이스를 통해서 프로세스 컨트롤러로 전송한다. 흔히 AFE는 여러 부품들을 사용하는 신호 체인으로 이루어지며, 각각의 부품은 저마다의 기능을 수행한다(그림 4).

그림 4. AFE는 신호 체인에서 여러 디스크리트 소자들을 사용해서 구현된다.

기존의 많은 온도 센서 설계가 이 같은 디스크리트 방식을 사용한다. 이 방식은 모든 부품들을 탑재하고 신호와 전원을 배선할 수 있을 만큼 충분히 큰 PCB를 요구하고, 센서 인클로저를 위한 사실상 최소 크기를 정한다. 이보다 더 나은 방법이면서 설계를 간소화할 수 있는 방법이 AD7124-4 같은 통합 AFE 디바이스를 사용하는 것이다(그림 5). 

이 컴팩트한 IC는 단일 패키지로 제공되는 완전한 AFE로서, 멀티플렉서, 전압 레퍼런스, 프로그래머블 이득 증폭기, 시그마-델타 ADC를 모두 포함하고 있다. 뿐만 아니라 RTD를 구동하기 위한 여자 전류도 제공하므로, 위 그림에서 5개의 신호 체인 부품을 효과적으로 대체할 수 있다. 따라서 필요한 보드 공간을 크게 줄이고 훨씬 더 작은 크기의 센서 설계가 가능하게 한다.

그림 5. AD7124-4를 사용한 AFE 구현

통신 인터페이스

많은 산업용 센서는 하나 (혹은 그 이상의) 산업용 네트워크를 사용해서 프로세스 컨트롤러에 연결되도록 설계된다. 이를 위해 다양한 유형의 필드 버스나 산업용 이더넷을 사용할 수 있다. 선택한 네트워크 프로토콜을 구현하기 위해서는 ASIC이 필요하다. 

그러나 이러한 접근법에는 몇 가지 단점이 있다. 첫째, 센서 설계를 위해 선택한 네트워크 전용 ASIC을 사용해야 하므로 비용이 크게 늘어난다. 특히나 사용하고자 하는 산업용 네트워크가 표준 기술이 아닌 고유 기술일 때는 더욱 그렇다. 둘째, 센서를 사용할 수 있는 시장의 범위가 해당 네트워크를 사용하는 고객들로 제한된다. 이 센서를 다른 네트워크 프로토콜과 함께 작동할 수 있도록 하기 위해서는 별도의 ASIC을 추가해야 하므로 시간과 비용이 그만큼 늘어날 뿐만 아니라 설계 위험성도 높아진다. 세 번째는, 네트워크 유형별로 진단 기능의 숫자와 종류가 크게 차이가 난다(아무런 진단 기능을 제공하지 않는 것도 있을 수 있다). 어떤 프로토콜을 선택하느냐에 따라 공장 작업자가 센서 자체와 현장에서 발생하는 성능 문제를 식별 및 유지관리하기 어려울 수 있다.

이에 대한 해결책은 센서를 모든 산업용 네트워크에 상관없이 작동할 수 있도록 설계하는 것이다. 그럼으로써 개발 비용을 낮추고 적용 가능한 고객 기반을 넓힐 수 있다. 이것을 가능하게 하는 것이 IO-Link이다. IO-Link는 3-와이어 산업용 통신 표준으로서, 센서(와 액추에이터)를 모든 산업용 제어 네트워크와 연결할 수 있게 해준다. IO-Link 애플리케이션에서 송수신기는 데이터 링크층 프로토콜을 실행하는 마이크로컨트롤러에 대해 물리층 인터페이스 역할을 한다. 

IO-Link를 사용할 때 장점은 프로세스 데이터, 진단, 설정, 이벤트의 네 가지 서로 다른 유형의 전송을 수행하므로 센서들을 빠르게 식별 및 추적하고, 오동작 발생 시 개입할 수 있도록 한다는 것이다. 또한 IO-Link를 사용하면 원격 설정이 가능하다. 예를 들어서 프로세스 경보를 발생하는 온도 임계값을 변경하고자 할 때, 이 작업을 원격으로 수행할 수 있으므로 기사가 굳이 현장을 방문할 필요가 없다. 

MAX14828은 저전력 초소형 IO-Link 디바이스 송수신기다. 이 송수신기 제품은 4 x 4mm 크기의 24핀 TQFN 패키지와 2.5 x 2.5mm WLP(wafer-level package) 패키지로 제공되므로 산업용 RTD 기반 온도 센서와 그 밖에 다른 유형의 센서에 쉽게 통합이 가능하다. 이 송수신기를 통해, 센서는 산업용 네트워크에 상관없이 작동할 수 있다. 송수신기가 프로세스 컨트롤러 측에 설치된 IO-Link 호스트와 직접 통신하고, 이 호스트가 인터페이스 ASIC과 통신하기 때문이다(그림 6).

그림 6. 컨트롤러 측의 IO-Link 호스트 송수신기가 산업용 네트워크와의 통신을 처리한다.

맺음말

스마트 팩토리 자동화 엔지니어들은 더 작은 크기, 유연한 통신, 원격 설정 가능성을 포함하여 산업용 온도 센서에 대한 기대치를 높이고 있다. 이 글에서는 통합 수준이 매우 높은 AFE를 사용해서 RTD 온도 센서를 빠르게 재설계하고 인클로저 크기를 줄일 수 있다는 것을 설명했다. 또한 IO-Link 디바이스 송수신기를 사용해서 센서가 프로세스 컨트롤러에 연결하기 위해 사용되는 산업용 네트워크 인터페이스에 상관없이 작동할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이 글에서는 RTD 기반 온도 센서에 초점을 맞춰서 설명했지만, 이 재설계 방법은 서미스터나 서모커플 트랜스듀서를 기반으로 한 온도 센서에도 적용될 수 있다.

저자 소개

브라이언 콘델(Brian Condell)은 아나로그디바이스(Analog Devices) 아일랜드 리머릭의 산업용 커넥티비티 및 제어 사업부에서 IO-Link를 맡고 있는 제품 애플리케이션 엔지니어이다. 1997년에 ADI에 입사했으며, 2003년에 리머릭 대학에서 전기공학 우등 학사학위를 취득했다. 25년 넘게 반도체 업계에서 FAB 유지보수, IC 레이아웃, 아날로그 설계, 기능 안전, 그리고 좀더 최근에는 애플리케이션과 관련한 다양한 직책을 거치면서 풍부한 경험을 쌓았다.

마이클 잭슨(Michael Jackson)은 아나로그디바이스의 글로벌 애플리케이션팀에서 자동화 최종 시장 스페셜리스트를 맡고 있다. 전자공학 석사학위를 취득했다.