[31호]측정/센서 필수 길라잡이 5.하중, 압력, 토크

한국NI에서 알려주는 측정/센서 필수 길라잡이 5

글 | 한국 NI, SW 및 측정 담당 이지석

5. 하중, 압력, 토크

교량이나 건축에서는 물체에 가해지는 힘들을 모니터링 하는 것이 굉장히 중요합니다. 자칫 일부분에 집중된 하중은 전체 시스템을 파괴 할 수도 있기 때문입니다. 이번 글에서 데이터 수집 시스템에 로드, 압력 및 토크 센서를 통합하는 방법과 보다 나은 데이터를 수집할 수 있는 측정 하드웨어와 기법에 대해 알아보겠습니다.

압력, 로드, 토크는 어떤 부위 주변에서 밀고 당기거나 회전하는 힘들을 뜻합니다. 이런 힘들은 전용 계측기를 이용하여 수동으로 측정할 수 있었습니다. 하지만 PC로 이런 측정 값을 읽기 위해서는 물리적인 힘을 PC가 측정할 수 있는 값인 전자 신호로 변환해야 합니다. 이렇게 물리적인 값을 전기적인 신호로 바꿔주는 것을 센서 또는 트랜스듀서라고 하며 하중, 압력, 토크를 측정하기 위한 압력센서, 로드셀, 토크센서에 대해 알아보겠습니다.

해당 센서들을 이해하기 위해서는 우선적으로 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)를 알아야 합니다. 휘트스톤 브리지는 알 수 없는 전기 저항을 측정하는데 사용합니다. 휘트스톤 브리지는 브리지 회로 중 두 개 지점의 균형을 유지하며, 두 지점 중 하나에는 알 수 없는 컴포넌트(저항)가 포함되어 있습니다. 휘트스톤 브리지는 센서 회로망의 시작점이라고 할 수 있습니다.

상단의 그림에서, 변형률을 측정하는 단일 스트레인 게이지가 구조에 부착된 상태에서 구조에 힘이 가해질 때, 길이의 변형으로 인해 게이지의 저항 변화 (ΔR)가 유발됩니다. 따라서 스트레인 ε이 구조의 원래 길이 (L)로 나눈 구조의 길이 (ΔL) 변화와 동등하다는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 사실상 요소에 유도된 스트레인(변형률)입니다.

로드셀에서(압력 및 토크 센서에도 적용) 스트레인 게이지들은 전략적으로 측정부분에 배치되어 있고, 휘트스톤 브리지 방식으로 배선되어 있습니다. 일부 저항 변화들은 증가하고(+ 저항), 일부는 감소하도록(- 저항) 게이지가 배치되면 브리지의 출력이 불균형화되고 로드셀 구조에 적용된 힘에 비례하게 합니다. 휘트스톤 브리지에는 고정된 입력 전압(V in)으로 전력을 공급하며, 브리지의 출력은 포인트 B와 D 사이의 전압으로 측정됩니다. 로드가 가해지지 않은 조건에서 포인트 B와 D 사이에서 측정된 출력 전압은 약 0이 되며, 풀스케일 로드가 가해질 때는 출력 전압(V out)이 밀리 볼트로 측정됩니다. 일반적으로 로드셀의 민감도는 2mV/V 이지만(입력 전압이 10V일 경우, 완전히 로드가 가해진 조건에서 출력은 20 mV가 됩니다), 어플리케이션에 따라 다양한 민감도를 가진 로드셀을 선택하여 사용할 수 있습니다.

이제 보다 다양한 종류의 로드셀, 압력 센서, 토크 센서에 대해 자세히 알아보겠습니다.

압력은 유체가 가한 유닛당 힘을 나타냅니다. 압력의 측정 SI 단위는 Pascal(Pa)이지만, psi(pounds per square inch), in H2O(inches of water), N/mm2(Newton’s per millimeter squared)도 일반적으로 사용됩니다.

압력 트랜스듀서에서 가장 중요한 기계 부품은 일반적으로 압력 감지 구조 (스프링 요소)입니다. 유체의 압력은 압력 감지 구조에 힘을 가합니다. 이 구조는 가한 힘에 반응하는 기능을 합니다. 그리고 이를 통해 압력 측정을 위해 스트레인 게이지가 위치할 수 있는 절연된 단일 변형장에 힘의 영향을 집중할 수 있습니다.

상단의 예는 실리콘 피에조 저항성 압력 센서와 관련이 있습니다.

압력 감지 요소는 실리콘으로 제작된 다이어프램입니다. 이 실리콘 다이어프램은 유리 하부 구조에 부착됩니다. 이 실리콘 다이어프램 구조는 압력이 가해지면서 예측과 반복이 가능한 방식으로 작동합니다(구조에서 아주 얇은 굴절발생). 압력은 실리콘 다이어프램 표면에 장착된 스트레인 게이지의 저항 변화에 따라 신호 전압으로 변환되고 전기 회로에 구성됩니다.
T&M 압력 센서의 실리콘 다이어프램은 부착된 휘트스톤 브리지가 노출된 상태에서 현재 측정 중인 압력 매개체로부터 절연됩니다. 절연을 위해 현재 측정 중인 매개체 사이에 구멍을 만든 후, 실리콘이나 전기회로에 붙지 않는 기름으로 채웁니다. 구멍의 반대 측면에는 현재 측정 중인 압력을 구멍의 기름으로 전달하기에 유연한 금속/철 다이어프램 즉, 실리콘 다이어프램이 있습니다. 이 금속/철 다이어프램은 다이어프램 절연이라고 합니다.
이 기술은 10,000 psi (6.9 kPa ~ 69 Mpa)에 대한 H2O에서 압력을 측정하는데 사용합니다.
아주 상위 수준에서 보면, 이 기술은 마이크로 머신 실리콘 다이어프램으로 구성된 압력 센서로 설명할 수 있습니다. 이 다이어프램은 피에조 저항성 스트레인 게이지로 구성되어 있으며 다이어프램에 분산되어 있고, 실리콘 또는 유리판 뒤에 용해되어 있습니다. 압력 유도된 스트레인은 저항기의 값을 높이거나 낮추고, 이 저항의 변화는 30%까지 될 수 있습니다. 저항기들은 휘트스톤 브리지로서 연결되며, 출력은 압력에 직접 비례합니다.

많이 사용되는 또 다른 압력 센서는 접착형 호일 스트레인 게이지를 활용하여 가해진 압력을 두 방향 중 한 방향으로 측정합니다. 일부 모델, 특히 소형 압력 센서에서 호일 스트레인 게이지는 철 다이어프램의 후면에 접착되어 측정 중인 매개체에 노출됩니다. 압력은 다이어프램 표면 주변에 전략적으로 정렬된 스트레인 게이지의 저항 변화에 따라 신호 전압으로 변환된 후 전기 회로에 구성됩니다.

하지만 다른 모델에서 호일 스트레인 게이지는 측정 중인 매개체에 노출된 다이어프램에 기계적으로 연결된 요소에 접착됩니다. 이 스트레인 게이지는 사실상 기계로 작동하는 연결장치에 의해 다이어프램에서 전달된 힘을 측정합니다. 이 요소는 로드셀로서 작동하며, 다이어프램에 가해진 로드에 직접 비례하는 힘을 측정하도록 제작되었습니다.

이 기술은 일반적으로 10psi ~ 174,000psi (69 kPa ~ 1,206 Mpa)의 압력을 측정하는데 사용됩니다.

이제 로드셀로 넘어가보겠습니다.

힘/로드를 측정하는 SI 단위는 Newton(N)입니다.
로드셀은 힘을 직접적으로 정확하게 측정합니다. 스트레인 게이지는 셀 내부의 측정 툴입니다. 로드셀이나 스트레인 게이지 트랜스듀서에서 가장 중요한 기계 구성요소는 보통 구조(스프링 요소)입니다. 이 구조의 기능은 가해진 로드에 반응하는 것으로, 로드 측정을 위해 스트레인 게이지가 배치될 수 있는 절연된 단일 변형장에 가해지는 로드의 효과에 집중합니다.

로드셀 구조 디자인에 가장 많이 사용되는 세 가지로 multiple-bending beam, multiple-column, shear-web이 있으며, 가능한 모든 로드셀 프로파일 및 구성을 위한 기본요소를 형성합니다. 이 로드셀 구조(스프링 요소) 재질은 일반적으로 탄소강, 스테인리스스틸 또는 알루미늄이지만 반드시 이 재질이 사용되는 것은 아닙니다.

Multiple-bending 로드셀은 저용량(20 ~ 22K Newton)이며, 휠 모양의 스프링 요소로 제작되어 있어 낮은 프로파일 트랜스듀서, 네 개 활성 게이지 또는 브리지 암 당 몇 세트의 게이지에 적용 가능하고 동등한 반대 스트레인과 쌍을 이룹니다.

로드셀 유형에는 여러 버전의 Bending Beam, Shear Beam, Colum 디자인이 있습니다. 도표에서 확인할 수 있듯이, 로드셀은 앞에서 언급했던 기본 로드셀 디자인을 기초로 하여 변형된 다양한 로드셀 폼팩터가 있습니다.

Bending beam 디자인에는 다음과 같은 폼팩터가 있습니다.

• 단일 포인트 weighbeam
• bending beams with bellows
• 캐니스터 타입
• S- 타입

위의 그림에는 없지만 저용량 프로파일 / 팬케익도 있습니다. 하지만 bending beam design에서는 잘 활용하지 않습니다.

Shear Beam 디자인에는 다음과 같은 폼팩터가 있습니다.

• Shear 팬케익 / 로우 프로파일 범용 셀
• Shear 팬케익 / 로우 프로파일 피로도 등급 셀
• Clevis pins
• 도넛셀 (저용량)

Column 디자인에는 다음과 같은 폼팩터가 있습니다.

• 단일 칼럼 캐니스터 셀
• 다단 (Multi-column) 캐니스터 피로도 등급 셀
• 도넛셀 (더 높은 용량)

토크 측정에 사용되는 SI 단위는 Newton Meter (Nm)입니다.

토크에 대해 간단히 정의하면 토크 = 힘 X 거리로서, 시계 방향의 토크 (트위스트)는 보통 양의 토크를 제공하며 시계 반대 방향 토크 또는 트위스트는 보통 음의 토크를 제공합니다.

토크 센서는 엔진 크랭크 샤프트 또는 자전거 페달과 같은 회전 드라이브 소스와 로드 소스간의 트위스트 또는 windup을 측정합니다.
토크 센서로 많이 사용하는 네 가지 디자인은 다음과 같습니다.

■ Hollow Cruciform
• Solid Square Shaft
• Radial Spoke
• Hollow Tubular

응답형 토크 센서는 억제되어 있어 하우징이나 커버가 센서 요소에 고정되어 있기 때문에 케이블 랩핑 없이는 360° 회전이 불가합니다. 기본적으로 이 센서는 인라인 토크를 측정하며 비회전 상태에 있습니다.
도표를 보면, 드라이브 소스가 회전하려고 할 때 로드 소스가 뻣뻣한 상태를 유지하고 있을 경우 토크가 감지됩니다. (이 상태를 스톨 토크라고 함.)
앞뒤로 움직여 모션을 흔들 경우 (+/- 90도), 응답형 센서가 여러 번 사용됩니다.
로터리 토크 센서: 토크 센서의 샤프트가 360도 회전할 때, 신호 전압이 회전 요소에서 고정 표면으로 전송되기 위한 수단이 반드시 필요합니다. 이는 슬립링, 로터리 변환기 또는 텔레메트리를 이용하여 수행 가능합니다.
슬립링 방식은 슬립링과 브러시 사이뿐 아니라 베어링과의 접촉이 필요합니다.
아날로그 또는 디지털 텔레메트리 방식은 접점이 없습니다.

이 방식들이 어떻게 작동하는지 알아보겠습니다.
슬립링 방식의 경우, 스트레인 게이지 브리지는 회전 샤프트에 장착된 네 개의 실버 슬립링에 연결됩니다. 실버 그래파이트는 이 슬립링들을 문질러 들어오는 브리지 구동과 나오는 신호에 대한 전기 경로를 제공합니다. 스트레인 게이지 브리지를 구동하기 위해 AC 또는 DC를 사용하든 둘 다 이점이 있습니다.

변환기 방식의 경우, 회전 변환기가 기존의 변환기와 유일하게 다른 점은 주 와인딩이 회전하거나 두 번째 와인딩이 회전한다는 것입니다. 한 변환기는 AC 구동 전압을 스트레인 게이지 브리지에 전송하는데 사용되며, 두 번째 변환기는 신호 출력을 트랜스듀서의 비회전 부품에 전송하는데 사용됩니다. 따라서 두 개의 변환기는 네 개의 슬립링을 대체하고 트랜스듀서의 회전 요소와 고정 요소간에 직접적인 접촉이 필요 없습니다.

변환기 자체는 동심으로 감겨진 코일스위치 한 쌍으로서 한 코일이 고정 코일 내 또는 옆에서 회전합니다. 자속선은 시간에 따라 변하는 전압을 이 코일들 중 하나에 적용하여 생성됩니다. 자로에 유동을 집중하고 코일간의 커플링을 강화하기 위해 고도자율 코어가 추가됩니다.
지금까지 센서에 대해 알아보았으므로 이제 이 센서들을 이용하여 어떻게 측정 할 수 있는지 살펴보겠습니다.

NI DAQ 하드웨어는 여러 다른 센서들과 함께 사용할 수 있습니다. 한 예로 위의 슬라이드의 내용은 Honeywell 센서를 NI 9237 C 시리즈 모듈에 연결한 것입니다. Honeywell은 다양한 감지 & 컨트롤 제품을 제공하는 업체로 제품 품질이 뛰어나고 브랜드 인지도도 높습니다.
TEDS 활성 케이블을 이용하면, Honeywell 센서를 NI 하드웨어에 직접 연결할 수 있습니다.

그림을 보면 두 개의 9237 모듈이 있습니다. 첫 번째는 37-핀 매스 터미네이션으로 스크류 터미널을 이용하는 프런트 장착형 터미널 블록과 함께 사용됩니다. 두 번째는 RJ-50 연결을 제공하는 4개 채널을 제공하며 Honeywell TEDS 케이블과 함께 사용됩니다.

TEDS를 언급했는데요. TEDS가 무엇이고 무엇때문에 유용할까요?

센서를 NI 데이터 수집 하드웨어와 소프트웨어에 연결하면 TEDS를 이용하기가 더욱 쉬워집니다. TEDS는 Transducer Electronic Data Sheet의 약자입니다. IEEE 1451.4 표준은 TEDS 통신 프로토콜, 유형 및 센서나 센서 케이블에 물리적으로 위치한 EPROM에 저장된 핵심 센서 데이터의 위치를 처리합니다. 브리지 기반 센서용 EPROM에서 NI-DAQmx가 읽은 센서 정보의 예가 위의 그림 왼쪽에 있습니다.

그림에서 확인할 수 있듯이, 센서에 관련된 모든 정보인 제조업체, 모델, 버전, 시리얼 넘버 등이 저장되어 있습니다. 센서의 민감도(교정 인증에 표시) 또한 저장되어 있으며 풀 스케일 범위와 측정 단위도 함께 저장되어 있습니다. 이 정보는 TEDS 호환 하드웨어와 소프트웨어로 사용하여 스케일링 요소, 소프트웨어 프런트엔드 등을 자동으로 설정하기 때문에 이 이벤트 발생을 재프로그래밍하지 않아도 센서를 교환할 수 있습니다.

TEDS를 사용했을 때 몇 가지 장점이 있습니다. TEDS는 “플러그앤플레이” 기능을 제공하기 때문에 설정 시간이 줄어들 뿐 아니라 여러 제조업체 데이터 시트/교정 인증을 확인하는데 필요한 시간이 없어집니다. 또한, 최종 사용자에 의한 에러 가능성을 없앱니다. 시스템 설정을 위한 전문 기술인/엔지니어도 필요없다는 장점도 있습니다.

측정 정확도를 높이기 위해 TEDS에는 센서 교정 룩업테이블을 사용할 수 있는 기능과 센서를 더욱 뛰어난 특성화를 제공하는 커브피팅이 있습니다. 제조업체의 사전 동의에 따라, 최대 128개의 교정 포인트 또는 segmented multi order 다항식에 대한 계수를 저장할 수 있습니다.
센서를 선택하고 연결했다면, 측정 시스템에서 다음으로 진행할 단계는 신호 컨디셔닝과 모듈(아날로그-디지털 컨버터 포함)입니다.

NI 9237은 24-비트 분해능 아날로그-디지털 컨버터, 4개의 동시 ±25 mV/V 아날로그 입력, 50 kS/s 최대 샘플링 속도를 제공합니다. 이 모듈은 프로그래밍을 통해 하프 또는 풀 브리지 측정으로 설정 가능하며, 최대 10 V 내부 구동을 제공하고 TEDS와 호환됩니다.

앞에서 다룬 휘트스톤 브리지를 기억한다면, 측정에 반드시 구동 전압이 필요하다는 것을 기억하실 겁니다. 조금 더 자세히 알아보겠습니다.

센서가 구동을 사용하고 있을 때 활성 센서로 여겨집니다. 열전쌍 또는 포토다이오드와 같은 패시브 센서들은 구동이 필요 없습니다.

활성 트랜스듀서는 제어된 전류 또는 전압을 이용하여 구동할 수 있습니다. 전압 구동과 전류 구동 중 선택은 센서 디자인에 따라 결정됩니다. 데이터 수집 시스템에서 스트레인 또는 압력 센서에 사용되는 정전압 구동을 보기란 쉽지 않으며, 정전류 구동은 RTD 또는 서미스터와 같은 저항성 센서를 구동하는데 사용됩니다. 노이즈가 있는 산업 환경에서 전류 구동이 노이즈 면역이 뛰어나기 때문에 일반적으로 선호됩니다.

9237 모듈은 전압 구동을 제공합니다.

9237의 RJ-50 연결을 확인하면, 센서의 공통적인 핀아웃을 확인할 수 있습니다. 이 핀아웃에는 차동 신호 입력 AI, 션트 교정, 원격 감지, 센서와 TEDS 통신에 대한 구동이 포함되어 있습니다. 대부분의 센서들은 이 연결 방식에 동일하게 적용되며 이를 통해 손쉽게 데이터를 확인할 수 있습니다.
National Instruments에서는 위와 같은 값을 측정하는 시스템을 구성하기 위해 아래와 같은 플랫폼을 제공합니다.

http://www.ni.com/pressure/ko/ 에서 더욱 자세한 내용을 확인해 보시기 바랍니다.