계측 업무의 기본은 측정하려는 물리량을 센서가 전기 신호로 바꾸고, 계측 장비·인디케이터·데이터로거가 그 전압이나 전류를 읽어 원하는 공학 단위로 표현하고 저장하는 일입니다.
그런데 내가 지금 하는 계측 업무가 얼마나 정확한지, 어떻게 정확하게 만드는지에 대해서는 좀 더 공부가 필요합니다.
현장에서는 zeroing, balancing, 0점 조절, tare 같은 말이 뒤섞여 사용됩니다. 한 단계 더 들어가면 calibration과 adjustment도 등장합니다. 하지만 화면의 숫자를 0으로 만드는 일, 브리지의 초기 불평형을 처리하는 일, 기준과 비교해 감도 관계를 확인하는 일은 서로 다릅니다. 이번 글에서는 그중 Tare zeroing과 Bridge balancing을 측정 범위 관점에서 구분합니다.
Tare zeroing & Bridge balancing
단순하게 말하면 Tare는 저울의 영점 버튼과 비슷하고, Bridge balancing은 스트레인 게이지처럼 브리지형 센서의 초기 불평형을 다루는 기능입니다. 두 동작의 차이는 표시값보다 실제 입력 범위와 남은 headroom을 보면 더 분명합니다.
Tare는 현재 읽기를 수학적으로 빼서 표시값을 0으로 만들지만, 아날로그 입력단에 이미 들어온 오프셋과 포화 여유를 되돌리지는 못합니다. 반면 장비가 별도의 넓은 내부 범위나 아날로그 보상 회로를 사용하는 Bridge balancing을 제공한다면, 선택한 사용자 범위보다 큰 초기 브리지 오프셋을 처리하면서 측정 범위를 새 영점 주위에 배치할 수 있습니다. 실제 동작 방식과 허용 보상 범위는 장비마다 확인해야 합니다.
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
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
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.
Analog Bridge balancing은 계측 장비 내부의 DAC(Digital-to-Analog Converter)나 가변 저항 회로로 브리지 오프셋과 반대인 전압을 만들어 ADC 앞단에서 더하는 방식입니다. 실제 아날로그 입력을 중앙으로 옮기므로 ADC의 양방향 측정 여유를 확보할 수 있습니다.
이 방식에는 보상 전압을 만드는 DAC와 기준 회로의 offset, noise, temperature drift가 측정 오차로 추가됩니다. 그렇다고 아날로그 balancing이 항상 부정확하거나 사라진 기술이라는 뜻은 아닙니다. 충분히 안정적인 부품과 정기적인 검증을 사용하면 여전히 유효하지만, 회로 비용과 장기 안정성을 함께 관리해야 합니다.
Digital bridge balancing은 ADC가 사용자에게 보이는 범위보다 넓은 입력 범위를 변환하고, MCU(Microcontroller Unit)가 저장한 초기값을 이후 측정값에서 빼는 방식입니다. 별도의 보상 DAC가 없으므로 DAC에서 생길 수 있는 오차는 줄지만, 센서·증폭기·기준전압·ADC의 noise와 drift는 그대로 남습니다. 또한 넓은 입력 범위를 사용하는 만큼 유효 분해능과 신호대잡음비가 충분해야 합니다.
과거의 낮은 해상도 ADC에서는 큰 초기 오프셋까지 포함하는 넓은 범위를 디지털화하면 관심 신호에 배정되는 code 수가 부족해지기 쉬웠습니다. 24비트 델타시그마 ADC가 보편화되면서 디지털 balancing을 구현할 여유가 커진 것은 맞습니다. 다만 16비트에서 24비트로 바뀌었다고 실제 정확도가 곧바로 2^8배 좋아지는 것은 아닙니다. noise-free resolution, 유효 비트 수(ENOB), 증폭기 noise, 기준전압과 온도 drift를 함께 봐야 합니다.
Stability of Bridge balancing and zeroing
계측 장비의 안정성에는 offset drift와 gain drift가 따로 포함됩니다. 큰 초기 오프셋을 보정한 상태에서 gain이 온도에 따라 변하면, 그 초기 오프셋에 gain drift가 곱해진 만큼의 잔여 offset 변화가 나타날 수 있습니다. 따라서 영점을 맞춘 직후의 숫자만 보지 말고, 예상 온도 범위에서 zero stability와 gain stability를 함께 확인해야 합니다.
