다음 프로젝트에서 온도측정기를 사용하는 방법

온도 센서를 사용하는 전자 프로젝트에서 사용할 수 있는 주요 온도 센서 유형을 모두 살펴보는 시리즈의 마지막 센서 유형은 열전대입니다. 이 시리즈에서는 프로젝트에서 다양한 온도 센서를 구현하는 여러 방법을 살펴보았습니다. 시리즈의 마지막에서는 실제 조건을 사용하여 센서와 구현 방법을 직접 비교할 예정입니다. 이러한 실제 테스트를 통해 다양한 센서가 변화하는 조건에 어떻게 반응하고, 감지된 온도의 출력이 얼마나 선형적이고 정확한지에 대해 더 잘 이해하게 될 것입니다.

이 프로젝트의 설계 파일은 GitHub에서 오픈 소스 MIT 라이선스 하에 공개되어 있으며, 나의 다른 모든 프로젝트와 마찬가지입니다. 상업적 프로젝트를 포함하여 원하는 대로 회로나 프로젝트를 사용할 수 있습니다.

온도 센서는 많은 산업에 필수적이며, 특히 열전대는 더욱 그렇습니다. 열전대는 매우 정밀할 수 있으며, 감지 온도 범위가 매우 넓어 많은 산업용 온도 조절, 공정 제어 및 모니터링 응용 프로그램에 이상적입니다. 이 시리즈에서는 다양한 센서 유형과 그 사용법을 살펴볼 것입니다. 우리가 살펴볼 내용은 다음과 같습니다:

• 음영 온도 계수(NTC) 서미스터
• 양영 온도 계수(PTC) 서미스터
• 저항 온도 검출기(RTD)
• 아날로그 온도 센서 IC
• 디지털 온도 센서 IC
• 열전대

이전에, 우리는 온도 센서에 대한 이 시리즈의 소개에서 두 개의 프로젝트 템플릿을 구축했습니다. 이 프로젝트 템플릿은 각각 동일한 인터페이스와 커넥터 배치를 가지고 있어, 우리가 살펴보고 있는 모든 다양한 온도 센서에 대해 표준 테스트 설정을 할 수 있게 해줍니다. 이 프로젝트 중 하나는 디지털 온도 센서용으로 설계되었고, 다른 하나는 아날로그 온도 센서용으로 설계되었습니다. 이 글에서는, 디지털 프로젝트 템플릿을 고해상도 ADC용으로 사용하고, 아날로그 템플릿을 다른 모든 구현에 사용할 것입니다.

이 시리즈의 결론으로, 우리는 이 센서 카드들을 위한 두 개의 호스트 보드를 구축할 것입니다. 하나는 검증 목적으로 단일 카드를 테스트하기 위해 설계되었고, 다른 하나는 카드 더미와 인터페이스하기 위해 설계되었습니다. 이 두 번째 호스트 보드는, 우리가 여러 센서를 그 위에 장착하게 되면, 모든 센서 구현의 성능을 평가할 때 사용될 것입니다.

열전대

만약 여러분이 이미 살펴본 센서들을 넘어서 극단적인 온도를 측정하고자 한다면, 여러분은 아마도 열전대를 찾고 있을 것입니다. 열전대는 우리가 살펴본 다른 모든 센서들과는 매우 다르게 작동하는데, 저항의 변화를 측정하는 대신, 두 가지 다른 합금의 금속이 용접된 것에서 발생하는 전위차(전압)를 생성합니다. 이를 통해 절대 영도부터 철과 강의 용융점을 넘어서는 온도까지 측정할 수 있습니다. 열전대는 구조적으로도 매우 견고하여 이 프로젝트에서 살펴본 다른 센서들보다 쉽게 고장 나지 않습니다. 열전대는 저항 온도 검출기만큼 정확하지는 않지만, 특히 엄청난 온도 범위를 고려할 때 대부분의 응용 분야에서 충분히 정확합니다.

온도로부터 전기를 생성한다는 사실은 열전대를 우주 탐사에서 전원원으로 소중하게 만듭니다. 방사성 열원 주변에 직렬로 연결된 수천 개의 열전대가 라디오아이소토프 열전기 발전기를 만들어, 보이저 탐사선, 카시니, 뉴 호라이즌스와 같은 심우주 임무뿐만 아니라 화성의 큐리오시티 로버 등에서 사용되었습니다.

우리의 목적을 위해, 양극에는 니켈-크롬을, 음극에는 니켈-알루미늄을 사용한 K 타입 열전대는 가장 일반적이고 가장 저렴한 열전대 유형으로, 우리가 사용할 것입니다. K 타입 열전대를 사용하면 -270C부터 약 1372C까지 측정할 수 있으며, 이는 각각 -6.458mV에서 54.886mV를 생성합니다. 볼 수 있듯이, 이 넓은 온도 범위에서 생성되는 전압의 양은 상당히 적으므로, 이 작은 전압에서 온도를 측정할 수 있는 회로가 필요합니다. 모든 K 타입 열전대가 열 접합부가 견딜 수 있는 최대 온도를 견딜 수 있는 것은 아니라는 점을 주목할 가치가 있습니다. 많은 저비용 K 타입 열전대는 절연체가 열화되기 전에 500-700C만 견딜 수 있을 수 있습니다. 저비용, 저온 K 타입과 고비용, 고온 K 타입 열전대의 구현은 일반적으로 동일할 것입니다. 왜냐하면 우리가 읽고 있는 전압 잠재력을 제공하는 것은 열 접합부이기 때문입니다. 그럼에도 불구하고, 모든 금속이 동일하게 만들어지는 것은 아니며, 일부 저가 열전대는 덜 순수한 금속을 사용하거나 다른 지름길을 사용할 수 있어 더 비싼 옵션이 더 나은 선택이 될 수 있습니다.

써모커플의 성능을 넘어서, 정확도가 예상대로 확보되도록 써모커플을 사용할 때 고려해야 할 다른 사항들이 있습니다. 측정 영역에서 열을 빼앗아 가지 않는 한 가능한 가장 큰 와이어 직경을 써모커플에 사용해야 합니다. 저는 McMaster Carr에서 제공하는 8 게이지 와이어와 주조 세라믹 부분으로 단열된 K 타입 써모커플을 사용해 본 적이 있습니다 - 다이 캐스팅 및 열처리 응용에 완벽합니다. 두꺼운 와이어는 더 낮은 와이어 저항을 통해 더 정밀한 측정을 가능하게 할 뿐만 아니라 와이어가 파괴될 가능성도 줄입니다. 기계적 스트레스와 진동은 써모커플의 리드를 빠르게 손상시킬 수 있으므로, 써모커플은 가능한 한 둘로부터 격리되어야 합니다. 써모커플 와이어가 길 경우, 핫 정션에서 생성된 작은 전압을 정확하게 읽는 것을 더 어렵게 만들 수 있는 간섭으로부터 면역성을 향상시키기 위해 차폐된 꼬인 쌍 확장을 사용하세요. 확장 와이어를 사용하는 경우, 확장과 써모커플 사이의 인터페이스인 냉접합이 위치한 곳이므로, 써모커플의 케이블과의 연결은 변환 IC의 온도에 가능한 가깝게 해야 합니다.

온도를 써모커플에서 정확하게 읽는 것은 전압을 증폭하는 것처럼 간단하지 않습니다. 그러나 정확한 측정을 위해서는 측정의 기준점이 되는 일반적으로 냉접점이라고 불리는 참조점이 필요합니다. 써모커플을 보드나 단순한 연장선에 연결할 때, 두 개의 서로 다른 금속 사이의 연결을 만들고 있습니다. 따라서, 온도를 감지하는 써모커플의 끝이 "핫 접점"인 곳에서 "냉접점"에서 두 개의 추가적인 열전기 접점을 만들고 있습니다.

냉접점 보상을 수행하는 몇 가지 방법이 있지만, 대부분은 PCB에 실용적이지 않습니다. 대부분의 써모커플 변환 IC가 사용하는 방법은 IC의 온도를 접점 온도의 오프셋으로 사용하는 것이므로, 써모커플의 커넥터가 변환 IC에 가깝고 변환 IC와 같은 온도인 것이 정확한 측정에 중요합니다. 이 프로젝트에서는 변환 IC를 사용한 써모커플만을 살펴볼 것입니다. 이는 추가 구성 요소를 추가하고, 마이크로컨트롤러 코드에서 냉접점 보상을 수행하기 위한 엔지니어링 및 테스트 시간을 언급하지 않고도 고비용에 비해 과정을 크게 단순화합니다.

이 프로젝트에서는 K 타입 써모커플을 읽는 두 개의 써모커플 증폭기를 구현할 것입니다.

열전대 구현: MAX31855

이것은 아마도 가장 인기 있는 온도커플 인터페이스 IC로, 각 온도커플 유형마다 다른 IC 모델이 있습니다. MAX31855는 K, J, N, T, S, R, E 유형의 온도커플을 지원하며, 실제 세계에서 마주칠 가능성이 있는 모든 것을 커버합니다. MAX31855 뒤에 붙는 문자 접미사는 온도커플 유형을 의미하므로, 이 프로젝트에서는 K 유형 온도커플과 함께 작업하기 위해 MAX31855K를 사용하고 있습니다. MAX31855는 내부적으로 14비트 ADC를 가지고 있으며 SPI 버스를 통해 읽기 값을 전달합니다. 최대 1800C의 높은 온도와 최저 270c의 온도를 읽을 수 있는 능력에도 불구하고, ADC는 -200c에서 +700c 사이의 K 유형 온도커플에 대해 +/- 2C의 정확도로 0.25c의 해상도를 제공합니다. 위에서 언급했듯이, 온도커플로 정확한 측정을 하기 위해서는 냉접합 보상이 필수적이며, MAX31855는 온도커플 출력의 신호 조절과 함께 이를 투명하게 처리합니다.

MAX31855는 SPI를 사용하지만 읽기 전용 장치이므로 MOSI 핀을 사용하지 않으며, 통합 회로에는 3개의 데이터 라인만 필요합니다. 사용 중인 다른 SPI 장치에 따라, 이는 마이크로컨트롤러 핀을 절약하거나 적어도 온도커플에서 디지털 변환기 IC로의 라우팅을 더 쉽게 만들 수 있습니다. 통신 프로토콜에 대해 이야기할 때, 실제 경험에서 MAX31855에 빠른 변환 요청을 하지 않아야 합니다 - 만약 그렇게 하면, 잘못된 결과가 발생할 가능성이 높습니다. 저는 초당 4회 요청이 안전한 온도 요청 속도라고 생각합니다. 이를 통해 신뢰할 수 있는 데이터를 얻을 수 있습니다.

MAX31855의 구현은 매우 간단하며, 단지 2개의 패시브 부품과 마이크로컨트롤러의 SPI 포트만 필요합니다. 이 센서는 온도커플 출력 전압을 디지털 온도 읽기로 직접 변환하여 마이크로컨트롤러와의 구현을 매우 빠르고 쉽게 만듭니다.

저는 온도커플을 연결하기 위해 AVX의 낮은 프로파일 포크 홈 타입 와이어 투 보드 커넥터를 사용하고 있으며, 이는 제가 RGBW 조명 컨트롤러에서 사용한 것과 동일한 시리즈입니다. 이 커넥터는 낮은 높이로 인해 보드가 커넥터에 방해받지 않고 쌓일 수 있게 해주며, 온도커플을 안전하게 연결하는 매우 쉬운 방법을 제공하기 때문에 이러한 테스트 보드에 이상적입니다.

이 보드 디자인에서는 다른 테스트 쿠폰 보드들 사이에서 측정된 온도를 일관되게 유지하고자 열 차단을 그대로 두기로 했습니다. 써모커플의 뜨거운 접합부를 다른 센서들이 배치된 것과 같은 위치에 Kapton 테이프로 회로 기판에 붙일 것입니다. 이 배치는 시리즈의 다른 테스트 보드들에 비해 일관된 측정값을 제공해야 합니다.

앞서 언급했듯이, 커넥터는 변환 IC에 가능한 가까워야 합니다. 따라서, 두 개는 서로 바로 옆에 배치되며, 써모커플을 위한 디커플링 캐패시터가 그들 사이에 위치합니다.

써모커플 구현: AD8495

Analog Devices에서는 내장된 냉접합 보상 기능을 가진 계측용 증폭기를 제공합니다. 이 장치의 출력은 아날로그이므로, 마이크로컨트롤러를 백업하는 온도 제한 및 안전 애플리케이션 또는 순수하게 아날로그 회로에서 사용할 수 있습니다. 그러나 출력을 마이크로컨트롤러로 읽을 수는 있지만, 5mV/°C에서는 온도를 정확하게 읽을 수 있도록 외부 고비트 수 ADC를 사용하고자 할 것입니다.

AD849x 시리즈 온도측정 증폭기는 단일 전원으로 작동하지만, 온도계의 전압이 음수인 영하 온도도 측정할 수 있습니다. AD8495는 최대 5mA의 전류를 부하에 공급할 수 있지만, 이전 기사에서 논의된 바와 같이 자체 발열로 인해 읽기가 부정확해질 수 있습니다. 이 경우, 온도계의 온도가 아니라 냉접합 온도와 따라서 냉접합 온도 보상이 문제가 됩니다. AD8495를 사용하는 응용 프로그램에서 상당한 양의 전류가 필요한 경우, 전류를 공급하고 AD8495의 출력에 대한 고임피던스 입력을 제공하기 위해 전압 팔로워를 사용해야 합니다. AD849x의 계측 증폭기 구현은 긴 온도계 케이블에서 픽업할 수 있는 노이즈에 대한 우수한 공통 모드 잡음 제거를 제공합니다.

이 프로젝트에서 사용하는 AD8495는 0°C에서 50°C 사이의 작동에 최적화되어 있지만, K 타입 온도계의 전체 범위를 읽을 수 있습니다. AD8494는 J 타입 온도계에 대해 동일한 온도 범위를 가집니다. 냉접합/변환기 작동 범위에 더 높은 온도가 필요한 경우, AD8496과 AD8497은 각각 J 타입 및 K 타입 온도계에 대해 25°C에서 100°C까지 최적화된 작동 범위를 제공합니다.

만약 여러분의 프로젝트에서 매우 높은 온도를 다루고 있고, 마이크로컨트롤러에 무슨 일이 생기더라도 작동할 안전 기능을 추가하고 싶다면, AD8495를 아날로그 비교기와 함께 사용하여 가열 요소에 대한 차단 기능을 제공할 수 있습니다. 디지털 출력은 간단하며 정확한 읽기를 허용하지만, 때로는 장치의 보조(또는 주요) 안전 기능을 위해 아날로그 출력이 필요할 수 있습니다.

AD8495의 구현은 MAX31855만큼 간단하지 않으며, 단일 공급을 사용하고 전체 센서 범위에 걸쳐 양의 전압 출력을 원한다면 음의 온도를 읽기 위해 신호에 직류 바이어스를 제공해야 합니다. 출력 전압은 다음과 같이 정의됩니다:

그러므로 우리는 100°C가 출력 전압을 0.5V 증가시킬 것임을 알고 있습니다. 이 온도측정소자 구현은 컨버터 IC를 호스팅하는 회로 기판에 온도측정소자를 부착할 것이기 때문에, K 타입 온도측정소자가 극단적인 온도로 간주할 상황을 경험하지 않을 것입니다. 1.25V의 바이어스를 제공함으로써, 0°C는 1.25V와 같게 되며, 우리는 -250°C부터 410°C까지의 온도를 측정할 수 있게 됩니다. 이는 컨버터 IC와 그것이 장착된 보드의 능력을 초과할 것입니다. 낮은 기준 전압을 사용할 수 있습니다. 하지만 여기서 데이터시트와 다른 방향으로 가고 있으며, 1.25V는 저에게 매우 편리합니다.

기준 전압을 제공하기 위해, 데이터시트는 전압 분배기를 직접 사용하는 것이 아니라, 분배기의 전압을 Ref 핀으로 버퍼링하기 위해 연산 증폭기나 버퍼 앰프를 사용할 것을 권장합니다. 비용을 비교할 때, 1.25V MAX6070 전압 참조는 더 저렴한 해결책이며 더 정밀합니다. 이는 제 라이브러리의 모든 전압 참조 중 가장 낮은 전압 출력입니다.

구현된 회로도는 콜드 정션 보상이 있는 온도커플 증폭기에 대해 여전히 비교적 간단하지만, 디지털 변환기만큼 간단하지는 않습니다. REF 핀에 대해 흥미로운 점은 여기에 단순히 전압 참조나 전압 분배기를 사용하는 대신, 원한다면 고정밀도 보정 회로를 제공하기 위해 저항 분배기에 가변 저항기를 추가할 수도 있다는 것입니다.

회로 기판은 MAX31855와 매우 유사하며, 온도커플 커넥터와 디커플링 캐패시터가 서로 바로 옆에 있어 좋은 콜드 정션 보상 참조를 제공합니다. MAX31855처럼, 우리는 이 시리즈에서 살펴본 다른 센서 유형과 같은 위치에 Kapton 테이프로 PCB에 온도커플 핫 정션을 부착할 것입니다.

온도커플 RF 필터

온도커플을 RF/EMI 환경에서 사용할 예정이라면, 온도커플 라인에 간단한 RC 필터를 추가하는 것을 고려해 보세요. 이 프로젝트에서 만들고 있는 PCB에는 이를 추가하지 않겠지만, 온도커플이 산업 및 공정 모니터링 응용 분야에서 널리 사용되고 있다는 점을 고려할 때, 이를 언급하는 것이 가치 있다고 생각합니다.

결론

이러한 각 테스트 회로 기판의 세부 정보와 다른 온도 센서 구현은 GitHub에서 확인할 수 있습니다. 이 보드들은 MIT 오픈 소스 라이선스 하에 공개되어 있으므로, 직접 제작하거나 프로젝트에 그 회로를 구현하거나 원하는 방식으로 사용할 수 있습니다.

온도 센서에 관심이 있다면 이 시리즈의 다른 프로젝트도 살펴보세요. 온도측정기를 사용하는 것보다 저렴한 대안을 찾거나 프로젝트에 적합한 다른 옵션을 찾을 수도 있습니다. 이 시리즈의 마지막에서는 모든 다른 센서 유형 간의 비교를 볼 수 있으므로, 다양한 조건에서 서로 다른 센서 구현이 어떻게 수행되는지 직접 비교할 수 있습니다.

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