오늘날 산업 환경에서는 극단적으로 높은 온도를 쉽게 찾아볼 수 있다. 철강 생산·석유 및 가스 시추·발전소·사출성형·열 성형 등이 대표적이다. 이 외에도 항공우주 및 운수 분야에서도 온도가 쉽게 상승한다. 이러한 환경은 센서에게 특히 가혹하다. 당신의 센서가 극한의 온도에서 살아남을 수 있는 법을 소개한다. 자료 | MTS Sensors(www.mtssensors.com)
Q. 극한의 온도는 센서에 어떤 영향을 미치는가? A. 정격 사용범위를 벗어난 온도에서 작동하던 센서가 갑자기 정확하게 작동하지 않는 상황을 겪어보았을 것이다. 멀쩡하게 잘 사용하던 센서가 어느 순간부터 말썽을 일으키는 이 현상을 ‘센서 드리프트’ 현상이라고 일컫는다.
소프트웨어 알고리즘을 활용하여 온도를 고려하여 계산하면 센서 드리프트 현상을 어느 정도 보상할 수 있다. 오늘날 많은 디지털 센서의 신호처리기는 이러한 알고리즘을 내장하고 있다.
하지만, 극도로 높은 온도의 문제점은 이뿐만이 아니다. 가장 큰 문제는 센서 수명이 줄어드는 데 있다.
센서에 사용되는 반도체 부품의 평균고장시간(Mean Time To Failure, MTTF) 설정은 주위 온도가 25℃인 조건 하에서 결정된다. 하지만 반도체의 주위 온도가 10℃ 올라갈 때마다 평균 고장시간은 절반으로 줄어든다. 따라서 25℃ 온도에서 작동했을 때의 평균고장시간이 10년인 신호처리기를 45℃의 온도에서 사용한다면 30개월마다 제품을 교체해주어야 한다.
평균 고장시간에 대한 계획을 세울 때는 전자제품을 담고 있는 하우징 내부의 온도가 주위 온도보다 상당히 높아진다는 사실을 기억해야 한다.
Q. 보다 높은 온도에서도 센서를 지킬 수 있는 방법은? A. 일차적으로 생각할 수 있는 방법 중 하나는 보호장치(인클로저)를 차갑게 만드는 것이다. 보호장치를 냉각하여 열에 민감한 부품을 보호함으로써 센서의 정확도를 유지할 수 있다.
하지만 보호장치를 냉각하려면 설계 관련 복잡성이 증가한다. 또 보호장치를 사용하는 것은 많은 환경에서 보편적으로 구현할 수 있는 솔루션이 아니다.
센서를 보호하는 또 다른 방법으로는 열에 민감한 전자장치를 온도가 높은 곳에서 멀리 떼어놓는 것이 있다. 이 경우 감지(센싱) 모듈이 열을 감지하고, 열로부터 안전한 곳에 있는 처리 장치(프로세서)로 열에 대한 신호를 전송한다.
Q. 넓은 범위의 온도에 적합한 센서가 있을까? A. 일부 반도체 부품을 높은 온도에서도 작동할 수 있게 만듦으로써 고온에서의 작업에 적합한 센서를 만들 수 있다. 실제로 평균고장시간 실험 자체를 85℃ 온도에서 실행하는, 고온에 특화된 제품을 만드는 업체도 있다. 하지만 고온에서도 작동하는 반도체를 사용하는 것은 감지장치의 구성 비용을 크게 높인다.
센서 기술은 각종 어려운 환경에서 안정적으로 물체를 감지하고 작동하는 것에 영향을 미친다.
물리적 세계에서의 측정값을 전기적인 신호로 변환시키는 전자기계(Electromechanical) 센서·전위차계(포텐셔미터)·광학 센서 등은 높은 온도와 맞닥뜨렸을 때 큰 센서 드리프트 현상을 겪는다. 또 직접적으로 대상과 접촉해야만 감지할 수 있는 센서는 극한의 온도에서 열팽창 현상을 일으킨다.
반면 자기변형 위치센서는 비접촉 방식을 활용해 특정 지점에서 물리량의 변형을 감지하고, 감지한 물리량을 기계적으로 변환한다. 이 센서는 물리적인 접촉이 불필요하므로 온도에 덜 민감하다.
Q. 자기변형 센서의 작동 원리는? A. 자기변형은 일종의 ‘현상’이다. 철·니켈·코발트 등의 자성을 띤 재질이 자기장과 맞닥뜨리면 미세한 왜곡을 일으킨다. 이를 탄성 변형(Elastic Strain)이라 한다. 탄성 변형의 정도는 자기장의 세기와 정비례한다.
자기변형 센서는 강자성을 띤 도파관(Ferromagnetic Waveguide)을 활용하여 유동적인 자석(Mobile Magnet)의 위치를 측정해야 하는 대상에 고정한다.
도파관은 방사형 자기장(Radial Magnetic Field)을 만드는 짧은 전류 펄스를 운반한다. 펄스가 유동적 자석에 접근하면 방사형 자기장과 유동적 자석의 상호작용이 일어나고, 그 결과 도파관 내에서 자기변형 반응(Magnetostrictive Response)이 발생한다.
자기변형 반응은 초음파 비틀림 변형파(Ultrasonic Torsion Strain Wave)의 형태를 띤다. 비틀림 변형파는 일정한 속도로 도파관을 따라 반대 방향으로 후퇴한다. 비틀림 변형파가 도파관의 끝에 다다르면, 변형파 변환기(Strain Converter)가 변형파를 전기 신호로 변환시킨다.
전자(Electrionics)는 유동적 자석의 위치에 따라 파형이 이동하는 시간과 연관이 있다.
Q. 자기변형 센서의 이점은? A. 자기변형 위치센서는 절대 위치측정을 보장한다. 상대측정 방식을 활용하지 않으므로 재조정(Recalibration) 작업이 불필요하다. 높은 처리량 등 극단적인 환경에서 큰 이점으로 작용한다.
자기변형 센서를 활용하면 다양한 제품을 동시에 이동시킬 수 있다. 한번에 다수의 위치조정이 가능함을 의미한다.
또 자기장이 상호작용할 때에도 전류 펄스가 바뀌지 않으므로 유동적 자석이 추가되며 만들어지는 자기장과 연속적으로 상호작용할 수 있게 된다. 다양한 정보를 받아들일 수 있는 센서를 활용하면 신호처리 관련 전자장치가 하나만 있으면 되므로 설치과정을 줄이고 비용을 절약할 수 있다.
여타 센서보다 수명이 긴 것 또한 장점이다. 자기변형 센서는 비 접촉 기술을 활용하므로 부품이 움직이거나 부품끼리 접촉할 일이 없다. 장치 간의 마모·부품 교체·재 교정 등의 작업이 필요 없음을 의미한다. 접촉이 일어나지 않으므로 민감한 감지표면을 깨끗하게 유지할 수 있고, 먼지 혹은 이물질이 끼어 오작동을 일으킬 염려도 없다. 또 비틀림 변형파를 활용하는 자기충격이나 진동에 덜 민감하다. 보다 거친 환경에서도 활용할 수 있음을 의미한다.
Q. 자기변형 센서를 보다 넓은 온도에서 사용할 수 있는 방법은? A. 자기변형 위치센서 중 보다 넓은 온도범위에서 작동하는 제품이 있다. MTS Sensors의 Temposonics ET는 최대 105℃에서 작동한다. 유럽 방폭 규정인 ATEX 인증을 획득하여 폭발 위험이 있는 환경에서도 안정적으로 적용할 수 있다. 필요하다면 316L 스테인리스강 하우징을 도입할 수도 있다. 넓은 온도에서 활용할 수 있는 또 다른 제품군으로는 MTS Sensors의 RD4 및 RT4 제품군이 있다. 최대 100℃ 가량의 온도에서 원활하게 작동한다. 두 제품 모두 각종 전자장치와 물리적으로 떨어진 곳에 설치할 수 있고, 배선(와이어) 및 파이프를 통해 감지 모듈과 연결할 수 있다.
