Tare zeroing 과 Bridge Balancing

 

계측 업무의 기본은 내가 측정하고자 하는 물리량을 센서가 전기적인 신호로 정확히 표현하고, 출력하고,

계측 장비, 인디게이터, 데이터로거 라고 불리는 저장을 위한 장비들이 정확하게 전압 또는 전류를 측정하여,

내가 원하는 물리량 값으로 표현하고 저장하는 업무를 의미합니다.

 

그런데 내가 지금 하는 계측 업무가 얼마나 정확한지, 어떻게 정확하게 만드는지에 대해서는 좀 더 공부가 필요합니다.

 

Balancing, 우리가 이해하는 제로잉( Zeroing 0으로 만든다는 놀랍게도 쓰는 단어), 밸런싱, 0점 조절, Bridge, Tare (태어로 읽는 실제 영어 스펠링)은 계측 장비에서 사용자가 설정하는 최소한의 밸런싱 동작이며,

 

Calibration, 캘리브레이션, 검교정 (실제로 검정과 교정은 다른 뜻이고 전기적인 신호 출력의 센서는 교정), 캘 (왜 줄이는지는 알 수 없음) 이라고 부르는 계측 업무를 조금 더 알게 되면 듣게 되는 단어와,

 

Adjustment, 조정, 보정 이라는 계측 업무를 벗어난 것만 같은 계측 장비나 센서 제조업체들이 사용하는 단어

 

크게는 세 가지의 의미에 대해 공부하고 이번 시간에는 Tare zeroing과 Bridge balancing에 대해 알아보고자 합니다.

 

Tare zeroing & Bridge balancing

계측장비 정확도의 대분류에서의 Tare zeroing 과 Bridge balancing

 

Tare 와 Bridge balancing의 차이는 단순하게는 Tare는 저울에서의 영점 버튼과 같은 의미이고, Bridge balancing은 센서의 종류가 스트레인 게이지(Strain gauge) 일 때, 사용하는 것 정도라고 이해하고 있는데 이것을 좀더 들어다보면 측정 범위(input range)에서 서로 다른 점이 있습니다.

 

 

단순히 현재 값을 0으로 표현하는 Tare는 측정 범위(measurement range) 내에서만 조절이 가능하지만 Bridge balancing은 선택한 측정 범위보다 더 큰 값을 보상할 수 있습니다.

 

스트레인 게이지 센서는 아주 작은 변형도 검출이 가능하지만 반대로 센서마다 생산 공차 및 대칭성이 정확하지 않을 수 있습니다. 예를 들면 실제로 계측은 +/- 1mV/V의 범위에서 계측하고자 하지만 쿼터 브릿지(quarter bridge, 1/4 bridge)의 초기 오차는 +/- 3mV/V 까지도 벗어나 측정하고자 하는 대역의 범위(input range)를 쉽게 넘어서게 됩니다.

 

Tare zeroing의 의미

1-1 Tare zeroing

위의 그림에서 밝은 부분과 같이 일반적인 +/- 10V 의 전압 측정 범위를 가지는 채널에서, 예를 들어 +1V의 오프셋(offset)이 있는 경우 Tare zeroing을 수행하면 즉시 0V로 현재 오프셋을 조정하게 되지만 우측 그림과 같이 밝은 부분의 실제 측정 장비의 측정 범위(input range)는 변화하지 않기 때문에 비대칭 측정 범위를 가지게 됩니다.

 

Bridge balancing의 의미

1-2 Bridge balancing

 

Analog Bridge balancing 과 Digital Bridge balancing

Bridge balancing 에서 사용되는 증폭기의 실제 측정 범위는 현재 사용되고 있는 측정 범위보다 클 것입니다. 위에서 설명한 것과 같이 좌측의 밝은 부분인 측정 범위가 현재의 오프셋(초기 상태에 의한)보다 작은 경우에도(0mV/V에는 도달하지 못함) Bridge balancing을 수행하면 현재 상태를 0mV/V로 측정되고 "가상의" 영점에 대해 새로운 측정 범위(input range)가 대칭적으로 주어지게 됩니다.

 

계측 장비 내부적으로는 어떤 방식으로 이것이 가능한지, 그리고 우리가 알아야 할 정확한 계측을 위한 정보는 어떤 것이 있을까요? Bridge balancing을 구현하는 회로는 아날로그 방식과 디지털 방식이 있습니다.

 

2-1 Analog Bridge balancing circuit

 

Analog Bridge balancing은 과거에 계측 장비 내부에 별도의 DAC(Digital to Analog Converter)를 사용했습니다. 측정 값과 비교하여 0과의 오차 만큼을 DAC를 통해 아날로그로 변환하여 ADC에 추가하는 원리입니다. 실제적인 측정 범위(input range)를 DAC가 보정하는 형태로 위의 그림과 같이 최종 측정단에서는 측정 범위 전체가 이동되는 효과가 있습니다.

 

그런데 왜 과거의 기술일까요? 완벽할 것 같았던 이 방식의 문제는 매우 안정적(stable)이고 드리프트(drift)가 없는 DAC가 필요하다는 점입니다. 이것은 물리적으로, 비용 대비 효율적으로 가능하지 않았고 이 방식의 Bridge balancing은 실제 측정 값이 아닌 유령 측정(이것은 측정값이 실제값과 다르거나 시간에 따라 점점 위아래로 이동하는 것을 의미하고 드리프트라고도 현장에서는 표현하며 원인으로는 이와 같이 측정 장비에 의해 발생하거나, 온도 드리프트, 부착 결함 등 여러 요소에 의해 발생이 가능하다) 현상을 유발하게 되고 곧, 정확한 측정을 방해하는 약점이었습니다.

 

2-2 Digital Bridge balancing circuit

Digital bridge balancing은 측정은 동일하게 ADC로 처리하고 MCU(Micro Controller Unit에서 현재 측정값을 0점으로 보정하게 됩니다. 위의 그림에서 표현되는 측정 범위는 밝은 영역이지만 실제로는 우측의 빨간 네모 영역만큼의 범위를 ADC에서 변환하고 있으며 이를 바탕으로 현재의 값을 balancing 하는 방식입니다. DAC가 필요하지 않고 마치 Tare 방식처럼 더 넓은 범위를 측정하고 zeroing 하게 됩니다. 단순히 숫자만 MCU를 통해 변경하는 것으로 DAC도 필요하지 않고, DAC에 의한 드리프트 현상도 발생하지 않으며 온전히 ADC의 정확도에 의해 측정하게 됩니다.

 

이전에는 그렇다면 왜 이 방식을 사용하지 않았을까요? 그것은 24 bit resolution의 ADC가 대중화 되지 않았기 때문입니다. 디지털 방식의 브릿지 밸런싱의 성패는 정확도에 달려있습니다. 왜냐하면 더 넓은 측정 범위(input range)를 필요로 하기 때문입니다. 예를들어 10을 측정하는데 20만큼을 보고 있다면 그 만큼 실제적인 정확도는 더 떨어지게 됩니다.

 

하지만 이전의 16비트 시스템으로 위와 같이 구현할 경우 불필요한 측정 범위를 넓히는데 정확도의 손실이 너무 커서(비율로 보았을때) 아날로그 방식을 통해 정확도를 유지했다면, 24비트 ADC시스템은 기존보다 2^8 배 만큼 더 정확도를 확보하게 되어 위와 같은 방식으로 구현이 가능하게 되었습니다.

 

Stability of Bridge balancing and zeroing

계측 장비의 측정 정확도를 표현하는 요소로 Stability(안정성) 이 있으며 이는 Gain drift로 표현되고는 합니다. 이는 온도나 환경에 따른 오차를 의미하는데 만일 우리가 위와 같이 Tare zeroing이나 Bridge balancing을 수행하면 Gain drift 만큼의 offset drift를 얻게 됩니다. 이는 아래와 같이 미미하지만 초기 오프셋과 Gain drift 만큼의 비율로 발생합니다.

Balancing에 의한 Offset과 Gain drift에 의해 추가로 발생하는 Offset drift