전류 4-20mA 센서 , 전압 0-10V 센서

1. 산업용 센서

진동, 기울기, 토양수분 및 PH 센서

센서의 출력 특성은 센서에서 생성되는 전기 출력 유형에 따라 달라진다. 센서의 출력은 대부분 전압, 전류 이고 아주 특이한 경우로 임피던스(저항)이거나 다른양의 함수일 수도 있다.

스마트 팩토리나 자동화에 들어가는 센서들은 산업용 센서를 주로 사용하는데, 센서의 출력 특성이 4-20mA 전류이거나, 0-10V의 전압 신호이다. 특히 수치가 필요한 아날로그적 센서에 많이 사용된다. (디지털은 ON/OFF)

종류에는 온도, 압력, 진동, 수분, 속도, 기울기 등이 있겠다.

2. 센서 스케일 (Scale)

센서를 사용할 때, 고려해야할 특성들은 여러가지가 있겠지만 기본적으로 스케일(Scale)을 따져봐야한다.

스케일은 전압 전류 또는 디지털 값과 같은 전기적 신호로 데이터를 출력할 때, 이 데이터가 의미하는 실제 물리적 단위라 볼 수 있겠다. (쉽게 해석해보자면 센서의 측정범위라 볼 수 있겠다.)

4-20mA 전류 출력을 가지는 압력센서

 

예를 들어, 4-20mA 전류를 출력하는 압력센서의 측정 범위가 0-20 Bar 라면 4mA를 출력할 때 0Bar이고 20mA를 출력할 때 20Bar라는 것을 알 수 있다. (즉 1mA 증가 할때 마다 1.25Bar 증가하는 것을 의미하고 0.1mA가 증가할 때 마다 0.125Bar 압력이 증가함으로 해석 할 수 있다.)

3. Current Loop ( 4-20mA 전류 )

• 4-20mA 전류신호를 출력하는 방식을 Current Loop 방식이라고 한다.
• 0-20mA 신호가 아닌 4-20mA 신호인 이유는 센서의 단선 ( 0mA이면 단선 )을 구분할 수 있기 때문이다.
• 입력회로를 구성할 때, 전압을 감지하는 ADC의 특성에 따라 션트저항기를 구성하여 전압으로 변환한다. (250옴일때 1-5V 출력이라서 보통 250옴을 사용한다. 단, ADC가 5V 시스템일 경우에만 가능하다.)

https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=ZMys4RuaEZo

• 센서의 전원 입력방식으로 4선식(4-Wire), 3선식(3-Wire), 2선식(2-Wire) 센서로 구분된다.

4. 입력회로를 설계해보자.

(1) 4-20 mA 전류 신호 입력회로

• 250옴 저항기를 션트로 사용하면 1~5V 신호로 변환 되므로 3.3V 시스템에서는 사용할 수 없다.
• 160옴 저항기를 션트로 사용하여 4~20mA 전류를 0.64V ~ 3.2V로 변환하여 보았다. 물론 실무에 적용할 때 션트저항기는 오차율이 적은 걸로 채택하여 사용한다.
• 3.2V를 사용한 이유는 Rail to Rail OPAMP 특성으로 최대 출력 전압이 100mV 정도 낮아지기 때문이다.
• OPAMP를 사용하여 전압팔로워를 구성해보았다. 이렇게 하면 ADC와 임피던스가 적절히 매칭될 것이다. (설계규칙: 출력 임피던스는 입력 임피던스의 최소 1/10로 구성)

(2) 0-10V 전압 신호 입력 회로

• 반전증폭기를 구성하여 최대 10V 입력을 3.2V로 감쇠시키는 회로를 구성하였다. (반전증폭기는 증폭률이 1보자 작게 할 수 있어 전압을 감소시킬 수 있다.)
• Vout = -Vin*(Rf/Rin)
• TVS 다이오드는 10V 이상의 전압이 인가 되었을 때를 대비할 수 있고, 음의 전압이 인가 되었을때 바이패스 할 수 있을 것이므로 회로 안전성에 기여할 수 있다.
• 위에 회로에서 수정사항이 생겼는데, 출력 신호는 신호가 음극(-) 으로 반전된다. (이부분을 간과하였다.) OPAMP를 일단 양전원 OPAMP로 바꾸고 다시 반전 증폭기를 구성하여 양극(+)으로 바꾸는 회로를 구성해야 겠다. (OPAMP를 2개 사용)