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반사계 칩을 사용하는 비접촉식 액체 레벨 측정 기술 ②

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글/브루스 헴프(Bruce Hemp) 선임 애플리케이션 엔지니어, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

간단한 설계 예제

데모를 위해, 자동차 윈드쉴드 워셔 탱크용 액체 레벨 모니터링 장치를 개발했다. 이 테스트 셋업은 2개의 동일한 탱크 사이에 물을 옮기도록 설계되었으며, 이 가운데 하나에 전송선을 부착하여 액체 레벨 측정을 할 수 있도록 했다.
앞서 논의한 바에 따르면 다음과 같다:
• 탱크 높이가 약 6인치(0.15m)이므로 약 300MHz의 RF 주파수 발생이 적당하다(그림 3 참조).
• 그 다음에는 LC 발룬을 이 주파수 범위에 맞게 설계하고 구축한다. 액체 레벨 변화에 대한 감도를 높이기 위해서는 ZO에 대해서 임피던스를 약간 높이는 것이 바람직하다[4](그림 4 참조). 네트워크 분석기 또는 반사계를 사용해서 싱글엔드 포트로 리턴 손실이 약 30dB 이상인지 확인한다. 전송선을 연결하기 앞서 고정된 저항 종단을 발룬에 직접 연결한다.

[그림 4] 발룬과 전송선을 사용한 액체 레벨 센싱

• 저항 값과 동일한 ZO로 병렬적인 전송선을 설계하고 제작한다. 전송선을 회로에 연결하고 저항 종단이 전송선 끝에 오도록 한다(그림 4와 그림 5 참조). 다시 네트워크 분석기나 반사계를 사용해서 리턴 손실이 여전히 약 25dB 이상인지 확인한다.

[그림 5] 탱크에 부착하기 전의 디스크리트 발룬과 종단한 전송선

그런 다음에는 그림 6에서 보듯이 전송선을 탱크 옆면에 부착할 수 있다. 빈 탱크에 부착했을 때에는 리턴 손실이 약간 떨어지는 것으로 관찰되는 것이 일반적이다. 이는 추가적인 절연층 역할을 하는 탱크 벽 소재의 디튜닝 효과 때문이다.

[그림 6] 탱크 옆면에 전송선 부착

테스트 결과

그림 7은 전체적인 테스트 셋업을 보여준다. 전송선을 탱크 옆면에 부착하고, 탱크를 통제된 방식으로 채우고 비울 수 있도록 했다.

[그림 7] ADI의 DC2874A 평가 키트를 사용한 전체적인 테스트 셋업

아나로그디바이스의 DC2847A 평가 키트를 사용해서 ADL5920 반사계 측정 결과를 손쉽게 판독할 수 있다. 이 평가 키트는 혼성신호 MCU를 사용해서 순방향 및 반사되는 검출기 아날로그 전압을 읽을 수 있다. PC 소프트웨어가 시간에 따른 결과를 자동으로 로드하고 그래픽 형식으로 표시한다. 리턴 손실은 순방향 전력과 반사 전력의 차로서 쉽게 계산할 수 있다. 그림 7은 이 제품을 사용한 전체적인 테스트 셋업을 보여준다.
둘 중 하나의 탱크로 펌프를 작동시켜서 액체 레벨 조건을 구축한다. 펌프를 작동할 때 유속은 비교적 일정하다. 그러므로 이상적으로는 탱크의 액체 레벨이 시간의 경과에 따라 선형적으로 증가해야 한다. 하지만 실제로는 탱크 단면적이 위에서부터 아래까지 완벽하게 일정하지 않다.
그림 8은 액체 레벨이 가득 찬 상태에서 빈 상태로 변화할 때 테스트 결과를 보여준다. 탱크에서 액체가 비워질수록 순방향 전력은 그대로 일정한데 반해, 반사 전력은 상대적으로 선형적으로 떨어진다.

[그림 8] 액체 레벨에 따른 테스트 결과. 본문에서 설명한 바와 같이 탱크 설계로 인한 것을 제외하고는 액체 레벨 측정이 비교적 선형성을 나타낸다.

t = 33초에 기울기가 달라지는 것을 볼 수 있다. 이는 탱크 설계 때문인 것으로 보인다. 그림 7에서 보듯이 탱크 아래쪽에 펌프 모터를 위한 공간을 마련하느라 탱크 단면적이 줄어들었다. 이 때문에 측정에 있어서 약간의 비선형성이 일어난다. 필요하다면, 이는 시스템 펌웨어에서 손쉽게 교정할 수 있다.

교정

최상의 정확도를 달성하기 위해서는 반사계 교정이 필요하다. 교정을 해서 반사계의 RF 검출기들의 제조 상의 차이를 보정할 수 있다. 즉, 기울기와 절편을 말한다. 그림 8에서 보는 DC2847A 평가 키트는 각각의 교정이 가능하다.
더 정확한 측정을 위해서는 리턴 손실에 따른 액체 레벨을 교정할 수 있다. 이것은 다음과 같은 불확실성 요인들 때문이다.
• 제조 시에 전송선과 탱크 벽 사이의 거리 차이
• 탱크 벽의 두께 차이
• 온도에 따라 액체 및 탱크 벽 절연 특성이 달라질 수 있다는 점
그림 8에서 기울기 변화가 관찰되었듯이, 시스템 차원의 비선형성도 존재할 수 있다. 이 경우, 선형 보간을 사용하면 3점 혹은 그 이상의 교정이 필요할 수 있다.
모든 교정 계수는 시스템의 비휘발성 메모리에 저장할 수 있다. 이를 위해 임베디드 프로세서 애플리케이션에서 사용하지 않는 코드 공간을 사용하거나, 또는 전용 비휘발성 메모리 소자를 사용할 수도 있다.

액체 레벨 측정의 한계

반사계는 방향도(directivity)가 중요한 요소이다. 발룬 손실을 무시했을 때, 전송선을 자체 ZO로 정밀하게 종단하면 반사 전력이 0이 되고 반사계가 자체의 방향도 사양을 측정할 것이다. 방향도 사양이 높을수록 반사계가 입사파와 반사파의 크기를 더 정확하게 구분할 수 있다.
ADL5920은 방향도 사양이 1GHz일 때 통상 20dB이며, 100MHz 이하일 때에는 통상 약 43dB로 증가한다. 그러므로 ADL5920은 탱크 높이가 약 30mm 이상의 액체 레벨 측정에 사용하기에 적합하다(그림 3 참조).

애플리케이션 확장

기초적인 형태의 이 비접촉식 액체 레벨 측정 원리를 애플리케이션에 따라 다음과 같은 다양한 방법으로 확장할 수 있다:
• 전력을 절약하기 위해서 낮은 듀티 사이클로 측정할 수 있다.
• 액체 레벨이 일정하게 유지된다면, 리턴 손실 측정을 또 다른 액체 특성, 예컨대 점성이나 pH 특성과 서로 관련이 있다.
• 각각의 애플리케이션마다 고유한 특성들을 고려해야 한다. 예를 들어서 어떤 애플리케이션은 값이 높은 쪽에서는 정확도가 더 좋고 낮은 쪽에서는 나쁘거나, 또는 그 반대일 수 있다.
• 탱크가 금속성이면 전송선을 탱크 안으로 집어넣을 수 있다. 애플리케이션에 따라서 전송선을 잠기게 할 수도 있다.
• 1개 이상의 RF 전력 레벨을 사용하면 외부 RF 간섭으로 인해서 오차가 발생하는지를 식별할 수 있다. 많은 단일칩 PLL 소자가 이 기능을 지원한다. 이를 통해 시스템을 검증하고 자체 테스트를 할 수 있다.
• 탱크의 두 벽면이나 네 벽면 모두에 전송선 센서를 사용해서 1축 혹은 2축으로 용기 기울기를 보정할 수 있다.
• 액체 레벨 임계 측정이 목표라면 1개 이상의 짧은 전송선을 높은 주파수로 동작하는 것이 좋은 솔루션일 수 있다.

맺음말

ADL5920 단일칩 반사계 소자를 사용하여 액체 레벨 측정 같은 새로운 애플리케이션을 구현할 수 있다. 기존에 이용하던 기계식 플로트나 움직이는 부품을 제거함으로써 신뢰성을 크게 높일 수 있다. 산업용이나 자동차 애플리케이션에서 이 새로운 방식으로 오일이나 연료 수위 모니터링을 할 수 있다.

주)
[1] 액체가 존재하면 전송선 임피던스, 손실, 전달 속도에 영향을 미친다.
[2] 산업용, 과학용, 의료용 주파수. 참고: en.wikipedia.org/wiki/ISM_band
[3] ATLC(arbitrary transmission line calculator). 참고: atlc.sourceforge.net
[4] 임피던스를 너무 높이는 것은 전송선 설계를 어렵게 하고 전송선 손실이 과도해질 수 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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