2020년 9월 21일 월요일

T Technical Report

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보정 실리콘 압력 센서와 정밀 델타-시그마 ADC를 이용한 액체 수위 제어 및 공급 시스템

개요
이 글에서는 보정 실리콘 압력 센서와 고정밀 델타-시그마 ADC를 이용한 데이터 포착 시스템(Data Acquisition System: DAS)을 기반으로 한 경제성 뛰어난 저전력 액체 수위 제어 및 공급 시스템에 대해서 설명한다. 이 참조 디자인은 비접촉 측정 방식을 이용해서 산업용 액체를 측정하고 공급해야 하는 다양한 유형의 정밀 검출 및 이동형 장비 애플리케이션에 이용하기에 유용하다. 이 시스템은 보정 실리콘 압력 센서를 이용해서 대부분의 산업용 액체를 측정하고 분배할 수 있다. 이 글에서는 고정밀 델타-시그마 ADC 기반 DAS를 방해하지 않으면서 고전류 솔레노이드 밸브 및 펌프 제어를 달성하는 방법에 대해서 설명한다. 또한 시스템 알고리즘 잡음 문제 시스템 성능은 향상시키면서 복잡성과 비용은 낮추는 보정 방법에 대해서 설명한다.
보정 실리콘 압력 센서와 정밀 델타-시그마 ADC를 이용한 액체 수위 제어 및 공급 시스템

글/Joseph Shtargot Strategic Applications Engineer
Sohail Mirza Application manager.
Mohammad Qazi Applications Engineer Maxim Integrated

 

이 글은 “보정 실리콘 압력 센서(Compensated Silicon Pressure Sensor)” 애플리케이션 시리즈의 2부이다.1 압력 센서는 온도에 민감한데 다수의 첨단 산업용 프로세스와 상업용 및 의료용 애플리케이션은 확장된 온도범위를 필요로 하지 않는다. 뿐만 아니라 일부 애플리케이션은 실제로 에어 컨디셔닝이 가동되는 환경으로 동작하고 온도 범위를 상당히 엄격하게 제한한다. 온도 보정 실리콘 압력 센서는 바로 이와 같은 애플리케이션에 이용하기에 매우 적합하다. 주변 온도가 변화함에 따라서 사양을 우수하게 유지할 수 있기 때문이다.

Freescale® Semiconductor 및 OMROM®의 온도 보정 실리콘 압력 센서는 크기가 작고 패키지 타입에 따라서 수 달러 대의 가격으로 이용할 수 있는 제품들이다. 그러므로 이들 센서 제품은 비용을 크게 낮출 수 있으며 또한 마찬가지로 중요한 점으로서 디자이너들이 어떤 타입의 PCB(printed circuit board)로나 이들 센서를 이용할 수 있는 유연성을 제공한다. Freescale Semiconductor의 널리 이용되고 있으며 경제적인 가격대의 MPX2010 시리즈 실리콘 압저항(piezoresistive) 압력 센서는 0?C~+85?C 범위로 온도 보정을 제공하는 제품이다. 이 글의 디자인에서는 이 센서를 채택하고 있다.

시스템 디자인
그림 1은 이 참조 디자인의 개략적인 블록 다이어그램을 보여준다. 이 개발 시스템은 측면에 100mL 측정 눈금이 표시되어 있는 수직 플라스틱 워터 튜브로 이루어진 수위 제어 튜브를 포함한다. 이 수위 제어 튜브 내부에는 또 다른 가는 내부 측정 튜브가 들어 있으며 이 튜브가 센서의 포지티브 압력 포트로 연결된다. 한편 센서의 레퍼런스 압력 포트는 대기 압력으로 노출된다.

압력 센서로 직접적으로 연결된 소형 DAS PCB가 액체 수위 측정을 이용한 동적 제어를 제공한다. 이 DAS가 PC 기반 제어 및 공급 GUI로부터 제어 신호를 생성해서 밸브 드라이버 PCB와 펌프 드라이버 PCB를 작동함으로써 액체 공급 용기로 지정된 양의 액체를 공급한다. 이 DAS는 또한 워터 펌프로 제어 신호를 제공한다.

외부에 있는 메인 액체 저장통은 수위 제어 튜브를 보충할 수 있도록 많은 양의 액체를 저장할 수 있다. 이 튜브를 일정하게 보충함으로써 일정한 압력을 유지하도록 한다. 수위 제어 튜브의 수위가 지정된 눈금 이하로 낮아질 때마다 워터 펌프가 작동한다. 그럼으로써 수위 제어 튜브로 일정한 액체 높이를 유지한다.

이 참조 디자인에서는 측정 튜브에 갇혀 있는 공기로부터 센서의 포지티브 압력 포트로 압력이 전달되며 그러므로 튜브 내의 액체와 센서 사이에 장벽을 제공할 수 있다. 그러므로 이 디자인은 화학적으로 독성이거나 부식성인 액체를 이용하는 산업용 애플리케이션에 경제적인 가격대의 범용 압력 센서를 이용할 수 있다.

기본적인 시스템 동작 이 시스템(그림 1)은 액체의 높이를 측정해서 체적을 측정한다. 이 액체의 높이는 밀봉 튜브 내에서 액체가 내부 공기를 밀어냄으로써 생기는 압력으로서 계산한다. 이 시리즈의 1부에서 살펴보았듯이 이 압력은 용기 내의 액체 높이에 정비례한다. 이 내부 튜브 안에 갇혀 있는 공기가 압력을 발생시킨다. 액체의 높이가 높아질수록 압력이 높아진다.

이 시스템은 대형 용기 내의 액체 높이를 아주 훌륭하게 리딩할 수 있다. 특정한 직경의 용기일 때 총 체적은 다음과 같은 간단한 공식을 이용해서 계산할 수 있다: π × radius × radius × H.

그림 1: 수위 제어 튜브 하단에서 만들어지는 액체 기둥이 일으키는 정수압(hydrostatic pressure)이 측정 튜브 안에 갇혀 있는 공기를 이용해서 센서에서 동일한 압력을 발생시킨다. 압력 센서가 출력에서 압력에 해당되는 전압을 발생시키면 이를 MAX11206 ADC가 측정 및 디지털화하고 MAXQ622 마이크로컨트롤러가 프로세싱하고 최종적으로 USB 케이블을 통해서 PC로 전송한다. 그런 다음 이 PC 기반 제어 및 공급 GUI가 DAS로 공급 요청을 전송하면 DAS가 밸브 드라이버 PCB를 작동해서 소프트웨어가 지정한 특정한 양의 액체를 공급한다. DAS는 또한 펌프 드라이버 PCB로 제어 신호를 제공해서 턴온/턴오프하도록 함으로써 일정한 액체 높이를 유지하도록 한다.

정밀도 및 분해능
이와 같은 시스템에서 중량을 기준으로 공급하고자 할 때는 액체의 밀도를 고려해야 한다. 일반적으로 액체의 밀도2는 온도에 따라서 변화한다. 예를 들어서 물의 밀도3는 융점인 0?C부터 4?C까지는 상승하고 +4?C에서는 999.972(거의 1000)kg/m3의 표준 값에 도달한다. +22?C의 실온에서 물의 밀도는 997.774kg/m3이다. 이 글에서의 모든 측정은 +22?C ? 3?C의 실온에서 이루어졌으며 물의 밀도는 ?0.1% 내외로 변동적이다. 이 정도이면 이 글에서 설명하고 있는 DAS에 요구되는 목표 정밀도보다 낮은 것이다. 10kPa의 정격 MPX2010 풀스케일 범위일 때 등가 수위(equivalent water height)는 1.022m이다. (1부 글 참조).

먼저 이 센서로 최대 압력 PFS – 10kPa이 인가되었을 때 이 압력 센서로 발생되는 풀스케일 전압 스윙부터 계산해야 한다. 10kPa는 수위가 1미터에 해당되는 것이다.

VFS = VFST × (VDD/VPST)      (Eq. 1)

VFS  :  VDD로 여기되었을 때 풀스케일 전압 스윙
VPST  : 정격 여기 전압
VFST  : VPST로 여기되었을 때 풀스케일 센서 전압
VDD : 여기 전압

이 압력 센서를 10V의 정격 VPST가 아니라 3.3V의 VDD를 이용해서 여기하므로 스윙은 VFST = 25mv가 아니라 VFS = 8.25mV만 될 것이다.

VFS = 25mV × (3.3/10) = 8.25mV (fullscale span at 3.3V)     (Eq. 2)

공식 2로부터 얼마의 ADC 범위가 필요한지 알 수 있다. 8.25mV로 최대 1000mm 수위를 측정해야 한다. 이 셋업 예에서는 ADC는 3.3V를 이용하고 있다. 또한 실제적으로 이 센서는 1000mm의 최대 범위를 이용하지 않는다. 이 시스템에서는 높이가 480mm까지만 될 것인데 이는 최대 범위인 10kPa의 약 절반의 압력에 해당되는 것이다. 다시 말해서 간단히 새로운 풀스케일 전압 스윙을 구하기 위해서 0.48을 곱하기만 하면 된다.

이 디자인에 이용된 MAX11206은 넓은 동적 범위를 필요로 하는 저전력 애플리케이션에 이용하기에 적합한 20비트 델타-시그마 ADC이다. MAX11206은 10sps일 때 입력 참조 RMS 잡음이 570nV로 극히 낮다. NFR(noise-free resolution)은 약 6.6 × RMS 잡음이다. 그러므로 이 예의 경우는 약 2.86?V이다. (이를 flicker-free code라고도 한다.) 이 범위에서의 noise-free code는 이용하는 ADC 범위를 input-referred noise-free 비트 크기로 나눔으로써 구할 수 있다:

0.056%로 계산된 풀스케일 분해능은 이 참조 디자인으로 DAS의 1%의 목표 정밀도와 견주어서 충분하고도 남는다. 그러므로 ADC를 추가적인 계측 증폭기 없이 새로운 보정 실리콘 압력 센서로 곧바로 인터페이스할 수 있다.

보정 및 계산
이 디자인 예에서는 2개의 동심원 원통 튜브 안에 액체가 들어 있다. 그림 2에서와 같은 2지점 보정을 기반으로 한 직선 함수를 이용해서 공급할 양을 계산할 수 있다:

그림 2: 이 디자인 예에서 보정 기법은 체적이 X2 = 3L 및 X1 = 1.5L인 지점을 선택했다. 이 보정 범위를 선택한 것은 이 제어 시스템이 X2 = 3L 부근에서 일정한 액체 높이를 유지하고 최대 단일 공급량이 1.5L이기 때문이다. Y2와 Y1은 각각 ADC 코드를 나타낸다.

이 2-지점 보정과 공식 2를 이용해서 공식 3과 같은 직선 함수 공식을 얻을 수 있다:

?Y = KCAL × ?X     (Eq. 3)

?Y – ADC: ?X 체적의 액체를 공급하기 위해서 필요한 코드. KCAL: 공식 4로부터 계산된 보정 계수(그림 2 참조).

그러므로 다음과 같이 계산할 수 있다:

KCAL = (Y2-Y1)/(X2-X1)    (Eq. 4)

이 계산법은 2지점 보정을 이용할 수 있을 때 효과적으로 사용할 수 있다. 이러한 보정은 체적 공급을 특정한 액체 밀도로부터 독립적일 수 있도록 한다.

전자장치 디자인
그림 3은 이 압력 측정 및 제어 DAS PCB의 개략적 블록 다이어그램이다.

그림 3: 이 그림은 비율식(Ratiometric) 기법으로 보정 실리콘 압력 센서로 직접 인터페이스를 이용해서 압력 측정 및 제어 DAS PCB를 구현하는 것을 보여준다. 이 디자인은 아날로그 전원을 레퍼런스로 이용할 수 있다. 이 DAS PCB는 또한 PC 기반 제어 및 공급 GUI 소프트웨어를 이용해서 USB 기반 인터페이스를 제공하며 동일한 밸브 드라이버 PCB 및 펌프 드라이버 PCB로 제어 신호를 제공한다. 이 기법은 완벽하게 자동화된 공급 시스템을 달성한다.

그림 4는 밸브 및 펌프 드라이버 PCB의 회로도를 보여준다:

그림 4: 이 회로도는 광 절연 드라이버 PCB 구현을 보여준다. DAS PCB로부터의 제어 신호가 단순 2와이어 케이블을 통해서 드라이버 PCB로 전송되고 직접적으로 옵토커플러 U5로 적용된다. U5의 포토트랜지스터 출력이 전력 MOSFET Q1을 작동하고 밸브 또는 펌프를 작동하기 위해서 필요한 고전류 구동을 제공한다. 옵토커플러 U5는 DAS PCB의 고정밀 제어를 고전력 드라이버 PCB로부터 유입되는 어떠한 간섭으로부터 차단할 수 있도록 저렴한 비용으로 갈바니 절연을 제공한다.

데이터 프로세싱
MAXQ622 마이크로컨트롤러의 펌웨어(그림 3 참조)가 USB를 통해서 소프트웨어로 데이터 리딩을 제공한다. 이 GUI 소프트웨어는 그림 5에서 차트로 표시하고 있듯이 다음과 같은 주요 기능들을 관리한다:

• MAX11200 ADC 초기화
• ADC 출력 데이터 수집 및 프로세싱
• 공식 3 및 공식 4를 이용해서 공급할 양 계산

초기화 시에 MAX11200 ADC는 자체 보정 프로세스를 실시하고 입력 신호 버퍼를 작동시키고 시스템 이득 보정 및 시스템 오프셋 보정을 정지시킨다.

산업용 및 의료용 애플리케이션에서 압력 측정을 위해서는 샘플링 레이트 선택이 매우 중요하다. 이 DAS는 뛰어난(100dB 이내로 우수한) 전력선 50Hz/60Hz 제거 성능을 이용해서 상당히 고속의 데이터 포착을 가능하게 한다. 60Hz 라인 주파수 제거에 권장되는 외부 클록은 2.4576MHz로서 그러면 1 2.5 5 10 15sps의 데이터 레이트가 효과적이다. 50Hz 라인 주파수 제거에는 권장 외부 클록이 2.048MHz로서 그러면 0.83 2.08 4.17 8.33 12.5sps의 데이터 레이트가 효과적이다. 입력 신호 버퍼는 입력 임피던스를 수 메가옴 대로 증가시킨다. 그럼으로써 입력 동적 전류의 션팅 효과를 제거함으로써 실제적으로 측정 정밀도를 향상시킨다.

이 소프트웨어는 공식 3 및 공식 4를 기반으로 한 알고리즘을 구현하고 있다. 원시 측정 데이터는 PC 내부에서 처리된다.

그림 5: DAS 펌웨어 및 소프트웨어의 고수준 동작을 보여주는 차트

시스템 구현
그림 6은 그림 1의 개발 시스템을 구현한 것을 보여준다.

그림 6: 이 시스템은 측면에 100mL 측정 눈금이 표시되어 있는 수위 제어 튜브를 포함한다. 이 수위 제어 튜브 안에는 또 다른 가는 측정 튜브가 들어 있으며 이 튜브가 센서의 포지티브 압력 포트로 직접 연결된다. 제어 DAS PCB는 압력 센서로 직접 연결되며 액체 수위를 동적으로 측정한다. PC 기반 제어 및 공급 GUI로부터의 제어 신호가 밸브 드라이버 PCB와 펌프 드라이버 PCB를 작동함으로써 액체 공급 용기로 지정된 양의 액체를 공급한다. 이 제어 및 공급 GUI는 또한 워터 펌프로 제어 신호를 제공한다. 메인 액체 저장통은 수위 제어 튜브를 보충하고 유지하기 위해서 필요한 액체를 저장하고 있다. 수위 제어 튜브의 수위가 3리터 아래로 떨어지면 워터 펌프가 가동해서 3리터의 일정한 액체 높이를 유지하도록 한다.   이 시스템을 테스트하기 위해서 보정 액체 공급 용기를 1mL(0.2%) 액체를 이용해서 반복적으로 500mL 수위로 채우는 시험을 했다. 표 1은 이의 결과적인 출력 코드 측정을 보여준다.

표 1: 액체 공급 용기를 500mL로 채웠을 때 출력 코드 측정

Dispense Volume (mL)

Number of Readings

Code with Full Dispenser

Code after 500mL Dispensed

Difference (mL)

500

1

545

443

102

500

2

545

443

102

500

3

545

443

102

500

4

545

443

102

500

5

545

443

102

표 1에서는 MAX11206 ADC를 기반으로 한 이 DAS 액체 수위 제어 및 공급 시스템이 500mL 공급 시에 ?1퍼센트 이내의 정밀도를 달성한다는 것을 알 수 있다.

결론 새로운 MEMS 온도 보정 실리콘 압력 센서 제품들이 가격이 낮아지고 패키지 크기가 소형화되고 있다. 그럼으로써 비접촉 측정 기법을 이용해서 산업용 액체를 측정하고 일정한 양을 공급해야 하는 다양한 유형의 정밀 검출 및 이동형 장비 애플리케이션에 경제적인 가격대로 이용할 수 있게 되었다. 이러한 애플리케이션은 PCB 탑재 실리콘 압력 센서로 직접 인터페이스하기 위해서 MAX11206 같은 저잡음 델타-시그마 ADC를 필요로 한다. 보정 절차가 단순한 이 기법은 이러한 압력 센서의 절대 정확도를 편리하게 향상시킬 수 있다.

이 글에서 설명하고 있는 참조 디자인에서는 MAX11206을 추가적인 계측 증폭기나 전용 전류 소스를 필요로 하지 않고서 MPXM2010 같은 새로운 실리콘 압력 센서와 직접 인터페이스하고 있다. 그러므로 열 오차를 줄일 수 있으므로 디자이너들이 단순한 직선 알고리즘을 구현할 수 있으므로 시스템 복잡성과 비용을 낮출 수 있다. 이 실리콘 압력 센서와 ADC가 이러한 유형의 애플리케이션에 이용하도록 성능과 경제성이 뛰어난 훌륭한 저전력 액체 수위 제어 및 공급 시스템을 달성하고 있다.

참고문헌 1 Joseph Shtargot Sohail Mirza Mohammad Qazi “Measuring pressure with compensated silicon sensors and precision delta-sigma ADCs” EE Times June 19 2012 www.embedded.com/design/real-world-applications/4375723/Measuring-pressure-with-compensated-silicon-sensors-and-precision-delta-sigma-ADCs- . 2 For a basic discussion of density see http://en.wikipedia.org/wiki/Density. 3 For a basic discussion of water seehttp://en.wikipedia.org/wiki/Water.

추가 정보 “Demystifying Piezoresistive Pressure Sensors” Maxim Integrated application note 871www.maximintegrated.com/AN871. “MAX1455 Diagnostic Clip Boost Circuit.”Maxim Integrated application note 840www.maximintegrated.com/AN840. Freescale Semiconductor“10 kPa On-Chip Temperature Compensated and Calibrated Silicon Pressure Sensors” http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPX2010.pdf. “Design Considerations for a Low-Cost Sensor and A/D Interface” Maxim Integrated application note 3775www.maximintegrated.com/AN3775. “Liquid-Level Measurement System Uses a Compensated Silicon Pressure Sensor and Precision Delta-Sigma ADCs” Maxim Integrated application note 5319www.maximintegrated.com/AN5319.

Freescale은 Freescale Semiconductor의 등록상표 및 등록 서비스 마크입니다. MAXQ 및 ?MAX는 Maxim Integrated Products의 등록상표입니다. OMRON은 OMRON의 등록상표입니다.

저자 약력 Joseph Shtargot은 Maxim Integrated의 신호 프로세싱 및 변환 사업부 전략 애플리케이션 엔지니어입니다. 이전에는 Apple에서 휴대기기 제품 부문 선임 엔지니어 General Electric에서 컴퓨터 지원 단층촬영 스캐너 개발 엔지니어 Metrotech에서 인력 개발 엔지니어로 근무했습니다. 2개 특허를 보유하고 있으며 다양한 산업용 애플리케이션에 이용되는 계측 및 측정에 관해서 공동저자로서 다수의 글을 발표하였습니다. 우크라이나 키예프 공과대학에서 전기 공학 석사학위를 취득하였습니다.

Sohail Mirza는 Maxim Integrated의 신호 프로세싱 및 변환 사업부 전략 애플리케이션 책임자로서 고정밀 ADC 그룹의 애플리케이션 및 고객 지원 업무를 책임지고 있습니다. Maxim에서 테스트 책임자 직책을 거쳤으며 그 이전에는 반도체 테스트 분야의 성공적인 스타트업 회사에서 근무하였습니다. 스탠포드 대학(캘리포니아)에서 경영 과학 및 엔지니어링 수료증을 취득하였으며 산호세 주립대학(캘리포니아 산호세)에서 전기 공학 석사학위와 일리노이 어바나 샴페인 대학에서 전기공학 학사학위를 취득하였습니다.

Muhammad Qazi는 Maxim Integrated의 신호 프로세싱 및 변환 사업부 애플리케이션 엔지니어입니다. 고정밀 A/D 변환 제품의 전략 고객 지원 및 특정용도 데모 키트 개발 업무를 맡고 있습니다. 이전에는 R&D 엔지니어 직책을 거쳤습니다. 산호세 주립대학(캘리포니아 산호세)에서 산업용 및 시스템 공학 석사학위 및 파키스탄의 NED 공과대학에서 전자공학 학사학위를 취득하였습니다.