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

델타-시그마 ADC를 이용한 데이터 포착 시스템은 보정 실리콘 압력 센서를 이용하여 대부분의 산업용 액체를 측정 및 분배할 수 있다. 여기서는 고정밀 델타-시그마 ADC 기반 DAS를 방해하지 않으며 고전류 솔레노이드 밸브 및 펌프 제어를 달성하는 방법에 대해 알아보고 시스템 알고리즘, 잡음 문제, 시스템 성능은 향상시키면서 복잡성과 비용은 낮추는 보정 방법에 대해서도 살펴본다.

압력 센서는 온도에 민감한데, 다수의 첨단 산업용 프로세스와 상업용 및 의료용 애플리케이션은 확장된 온도 범위를 필요로 하지 않는다. 뿐만 아니라 일부 애플리케이션은 실제로 에어 컨디셔닝이 가동되는 환경에서 동작하며 온도 범위를 상당히 엄격하게 제한한다. 온도 보정 실리콘 압력 센서는 바로 이와 같은 애플리케이션에 적합하다. 주변 온도가 변화해도 사양을 유지하는 능력이 뛰어나기 때문이다.
여기서는 보정 실리콘 압력 센서와 고정밀 델타-시그마 ADC를 이용한 데이터 포착 시스템(Data Acquisition System : DAS)을 기반으로 한 경제적인 저전력 액체 수위 제어 및 공급 시스템에 대해 설명한다.
이 디자인은 비접촉 측정 방식을 이용하여 산업용 액체를 측정, 공급해야 하는 다양한 유형의 정밀 검출 및 이동형 장비 애플리케이션에 유용하게 이용될 수 있다.
프리스케일 세미컨덕터(Freescale^® Semiconductor) 및 옴론(OMROM^®)의 온도 보정 실리콘 압력 센서는 크기가 작고 패키지 타입에 따라 수 달러 대의 가격으로 이용할 수 있다. 그러므로 이러한 센서 제품은 비용을 크게 낮출 수 있으며, 디자이너들이 어떤 타입의 PCB에서든 이들 센서를 이용할 수 있도록 유연성을 제공한다. 경제적인 가격대로 널리 이용되고 있는 프리스케일 세미컨덕터의 MPX2010 시리즈 실리콘 압저항(Piezoresistive) 압력 센서는 0℃~＋85℃ 범위로 온도 보정을 제공하는 제품이다. 여기서는 이 센서를 채택했다.

시스템 디자인

그림 1은 이 디자인의 개략적인 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 수위 제어 튜브 하단에서 만들어진 액체 기둥이 일으키는 정수압(Hydrostatic Pressure)이 측정 튜브 안에 갇혀 있는 공기를 이용, 센서에서 동일한 압력을 발생시킨다.



압력 센서가 출력에서 압력에 해당되는 전압을 발생시키면 이를 MAX 11206 ADC가 측정 및 디지털화하고, MAXQ622 마이크로컨트롤러가 프로세싱하여 최종적으로 USB 케이블을 통해 PC로 전송한다. 그 후, 이 PC 기반 제어 및 공급 GUI가 DAS로 공급 요청을 전송하면 DAS가 밸브 드라이버 PCB를 작동하여 소프트웨어가 지정한 특정한 양의 액체를 공급한다.
DAS는 또한 펌프 드라이버 PCB로 제어 신호를 제공하여 턴온/턴오프하도록 함으로써 일정한 액체 높이를 유지하도록 한다.
더 자세히 살펴보면, 개발 시스템에는 측면에 100mL 측정 눈금이 표시되어 있는 수직 플라스틱 워터 튜브로 이루어진 수위 제어 튜브가 포함되어 있다. 이 수위 제어 튜브의 내부에는 또 다른 가느다란 내부 측정 튜브가 함께 들어 있으며 이 튜브가 센서의 포지티브 압력 포트로 연결된다. 한편 센서의 레퍼런스 압력 포트는 대기 압력으로 노출된다.
압력 센서와 직접 연결된 소형 DAS PCB는 액체 수위 측정을 이용한 동적 제어를 제공한다. 이 DAS가 PC 기반 제어 및 공급 GUI로부터 제어 신호를 생성하여 밸브 드라이버 PCB와 펌프 드라이버 PCB를 작동시킴에 따라 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 작동하며, 그에 따라 수위 제어 튜브로 일정한 액체 높이를 유지할 수 있다.
이 디자인에서는 측정 튜브에 갇혀 있는 공기로부터 센서의 포지티브 압력 포트로 압력이 전달되므로, 튜브 내의 액체와 센서 사이에 장벽이 제공된다. 그러므로 이 디자인의 경우 화학적으로 독성이거나 부식성인 액체를 이용하는 산업용 애플리케이션에서 경제적인 가격대의 범용 압력 센서를 이용할 수 있다.

기본적인 시스템 동작

이 시스템(그림 1)은 액체의 높이를 측정하여 체적을 측정한다. 액체의 높이는 밀봉 튜브 내에서 액체가 내부 공기를 밀어냄에 따라 생기는 압력으로서 계산한다. 압력은 용기 내의 액체 높이에 정비례하며, 내부 튜브 안에 갇혀 있는 공기가 압력을 발생시킨다. 액체의 높이가 높아질수록 압력이 높아진다.
이 시스템은 대형 용기 내의 액체 높이를 훌륭하게 리딩할 수 있다. 특정 지름의 용기일 때 총 체적은 다음과 같은 간단한 식을 이용하여 계산할 수 있다.
π×radius×radius×H

정밀도 및 분해능

이와 같은 시스템에서 중량을 기준으로 공급하고자 할 때에는 액체의 밀도를 고려해야 한다.
일반적으로 액체의 밀도⁽¹⁾는 온도에 따라 변화한다.
예를 들어 물의 밀도⁽²⁾는 융점인 0℃부터 4℃까지 상승하고, ＋4℃에서는 999.972(거의 1000)kg/m³의 표준 값에 도달한다. ＋22℃의 실온에서 물의 밀도는 997.774kg/m³이다. 여기서는 모든 측정을 ＋22℃±3℃의 실온에서 실행했으며, 물의 밀도는 ±0.1% 내외로 변동적이다. 이 정도면 여기서 설명하는 DAS에 요구되는 목표 정밀도보다 낮은 것이다.
10kPa의 정격 MPX2010 풀스케일 범위일 때 등가 수위(Equivalent Water Height)는 1.022m이다.
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 ) (1)
여기서 VFS는 VDD로 여기되었을 때 풀스케일 전압 스윙, VPST는 정격 여기 전압, VFST는 VPST로 여기되었을 때의 풀스케일 센서 전압, 그리고 VDD는 여기 전압을 나타낸다.
이 압력 센서는 10V의 정격 VPST가 아니라 3.3V의 VDD를 이용하여 여기되므로 스윙은 VFST＝25mv가 아니라 VFS＝8.25mV뿐일 것이다.
VFS = 25mV × ( 3.3/10 ) = 8.25mV ( Fullscale Spanat3.3V ) (2)
식 (2)에서 ADC 범위가 어느 정도 필요한지 알 수 있다. 8.25mV로 최대 1000mm 수위를 측정해야 한다.
이 셋업 예에서 ADC는 3.3V를 이용하고 있다. 또한 실제적으로 이 센서는 1000mm의 최대 범위를 이용하지 않는다. 이 시스템에서는 높이가 480mm까지인데, 이는 최대 범위인 10kPa의 약 절반의 압력에 해당된다. 다시 말해서, 새로운 풀스케일 전압 스윙을 간단히 구하려면 0.48만 곱하면 되는 것이다.
이 디자인에 이용된 MAX11206은 넓은 동적 범위를 필요로 하는 저전력 애플리케이션에 이용하는 데 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㎶이다(Flicker-free Code라고도 한다).
이 범위에서의 Noise-free Code는 이용하는 ADC 범위는 Input-referred Noise-free 비트 크기로 나눔으로써 구할 수 있다.

H_FS는 높이의 측정 분해능이다. 그러므로 다음 식과 같다.

±0.056%로 계산된 풀스케일 분해능은 이 디자인에서 DAS의 ±1% 목표 정밀도와 견주었을 때 충분하다. 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 이용하여 공급할 양을 계산할 수 있다. 이 디자인 예에서의 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 있으며 최대 단일 공급량이 1.5L이기 때문이다. Y2와 Y1은 각각 ADC 코드를 나타낸다.



이 두 지점 보정과 식 (2)를 이용하면 식 (3)과 같은 직선 함수식을 얻을 수 있다.
ΔY＝KCAL×ΔX (3)
여기서 ΔY－ADC는 ΔX 체적의 액체를 공급하기 위해 필요한 코드, KCAL은 식 (4)에서 계산된 보정 계수(그림 2 참조)이다. 그러므로 다음과 같이 계산할 수 있다.
KCAL＝ (Y2－Y1)/(X2－X1) (4)
이 계산법은 두 지점의 보정을 이용할 수 있을 때 효과적이다.
이와 같은 보정의 경우 체적 공급을 특정한 액체 밀도에서 독립적일 수 있도록 해준다.

전자장치 디자인

그림 3은 압력 측정 및 제어 DAS PCB의 개략적인 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 비율식(Ratiometric) 기법을 이용하여 보정 실리콘 압력 센서로 직접 인터페이스를 이용, 압력 측정 및 제어 DAS PCB를 구현하는 것을 보여준다. 이 디자인은 아날로그 전원을 레퍼런스로 이용할 수 있다. DAS PCB는 또한 PC 기반 제어 및 공급 GUI 소프트웨어를 이용하여 USB 기반 인터페이스를 제공하며, 동일한 밸브 드라이버 PCB 및 펌프 드라이버 PCB로 제어 신호를 제공한다. 이 기법은 완벽하게 자동화된 공급 시스템을 달성한다.



또한 그림 4는 밸브 및 펌프 드라이버 PCB의 회로도를 나타낸 것으로, 광 절연 드라이버 PCB의 구현을 보여준다. DAS PCB로부터의 제어 신호는 단순 2와이어 케이블을 통해 드라이버 PCB로 전송되고, 직접적으로 옵토커플러 U5로 적용된다. U5의 포토트랜지스터 출력이 전력 MOSFET Q1을 작동시키며 밸브 또는 펌프를 작동시키기 위해 필요한 고전류 구동을 제공한다.



옵토커플러 U5는, DAS PCB의 고정밀 제어를 고전력 드라이버 PCB에서 유입되는 모든 간섭으로부터 차단할 수 있도록 저렴한 비용으로 갈바니 절연을 제공한다.

데이터 프로세싱

MAXQ622 마이크로컨트롤러의 펌웨어(그림 3 참조)는 USB를 통하여 소프트웨어로 데이터 리딩을 제공하게 된다.
이 GUI 소프트웨어는 그림 5에 차트로 표시된 바와 같이 다음과 같은 주요 기능들을 관리한다.



· MAX11200 ADC 초기화
· ADC 출력 데이터 수집 및 프로세싱
· 식 (3) 및 식 (4)를 이용하여 공급량 계산
MAX11200 ADC는 초기화 시 자체 보정 프로세스를 실시하고 입력 신호 버퍼를 작동시키며 또한 시스템 이득 보정 및 시스템 오프셋 보정을 정지시킨다.
산업용 및 의료용 애플리케이션에서 압력 측정 시 샘플링 레이트 선택은 매우 중요하다. 이 DAS는 뛰어난(100dB 이내로 우수한) 전력선 50Hz/60Hz 제거 성능을 이용하여 상당히 빠른 데이터를 포착할 수 있도록 한다. 60Hz 라인 주파수 제거에 권장되는 외부 클록은 2.4576MHz이며, 이 경우 1, 2.5, 5, 10, 15sps의 데이터 레이트가 효과적이다.
50Hz 라인 주파수 제거에는 권장 외부 클록이 2.048MHz이며 이 경우 0.83, 2.08, 4.17, 8.33, 12.5sps의 데이터 레이트가 효과적이다.
입력 신호 버퍼는 입력 임피던스를 수MΩ대로 증가시킨다. 그에 따라 입력 동적 전류의 션팅 효과가 제거되어 실제적으로 측정 정밀도가 향상된다.
이 소프트웨어는 식 (3) 및 식 (4)를 기반으로 한 알고리즘을 구현하고 있다. 원시 측정 데이터는 PC 내부에서 처리된다.

시스템 구현

그림 6은 그림 1의 개발 시스템을 구현한 것이다. 이 시스템에는 측면에 100mL 측정 눈금이 표시되어 있는 수위 제어 튜브가 포함되어 있다. 이 수위 제어 튜브 안에는 또 다른 가느다란 측정 튜브가 들어 있으며 이 튜브는 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 작동시킴에 따라 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 위해 필요한 액체를 저장하고 있다. 수위 제어 튜브의 수위가 3리터 아래로 떨어지면 워터 펌프가 가동하여 3리터의 일정한 액체 높이를 유지하도록 한다.
이 시스템을 테스트하기 위해 보정 액체 공급 용기를, 1mL(0.2%) 액체로 반복해서 500mL 수위로 채우는 시험을 실행했다.
표 1은 결과적인 출력 코드 측정을 나타낸 것이다.



표 1을 살펴보면 MAX11206 ADC를 기반으로 한 DAS 액체 수위 제어 및 공급 시스템이 500mL 공급 시 ±1% 이내의 정밀도를 달성한다는 것을 알 수 있다.

결론

새로운 MEMS 온도 보정 실리콘 압력 센서 제품들은 계속해서 가격이 낮아지고 있으며 패키지 크기도 소형화되고 있다. 그에 따라 비접촉 측정 기법을 이용하여 산업용 액체를 측정하고 일정한 양을 공급해야 하는 다양한 유형의 정밀 검출 및 이동형 장비 애플리케이션에서 경제적인 가격대로 이용할 수 있게 되었다.
이와 같은 애플리케이션에서는 PCB 탑재 실리콘 압력 센서로 직접 인터페이스하기 위해 MAX11206과 같은 저잡음 델타-시그마 ADC가 필요하다. 보정 절차가 단순한 이 기법은 이러한 압력 센서의 절대 정확도를 편리하게 향상시킬 수 있다.
여기서 설명한 디자인에서는 MAX11206을 추가적인 계측 증폭기나 전용 전류 소스 없이 MPXM2010과 같은 새로운 실리콘 압력 센서와 직접 인터페이스하고 있다.
그러므로 열 오차를 줄일 수 있어 단순한 직선 알고리즘을 구현할 수 있으므로 시스템 복잡성과 비용을 낮출 수 있다.
Freescale은 Freescale Semi-conductor의 등록상표 및 등록 서비스 마크이고, MAXQ 및 μMAX는 Maxim Integrated Products의 등록상표이며, OMRON은 OMRON의 등록상표이다.

Joseph Shtargot, Sohail Mirza, Mohammad Qazi Maxim Integrated