어려운 조건의 데이터 수집: 러기드 어플리케이션에 대한 안정적 테스트

정확한 계측 결과를 제공하기 위하여 이례적인 습도, 비정상적 온도 및 극심한 진동 같은 정말 어려운 조건에서 테스트를 할 때 울트라-러기드 테스트 및 계측 장비가 필요합니다. 이렇게 높은 수준의 성능을 보장하려면 데이터 수집 장비가 현장에서 사용되기 전에 철저하게 테스트 되어야 합니다. 이에 대한 예시로써 새로운 러기드 Quantum X 모듈을 사용하여, 각각의 테스트 절차를 좀 더 자세하게 설명하고자 합니다. 

울트라-러기드라는 용어로 예를 들죠. 모든 기후상황과 거친 지형에서 벌어지는 테스트에서 작동 내구성 및 데이터 수집 안정성을 보장하는 새로운 러기드 QuantumX 모듈에 관한 것은 무엇일까요?


처음에 언뜻 보면 밀봉 금속 인클로저(enclosure)와 튼튼한 커넥터의 단순한 공급이 모든 환경에 적합한 DAQ 장비를 만드는데 충분한 것으로 보입니다. 하지만, 첫 번째 난제 가운데 하나는 타겟 어플리케이션(target application)과 특정 환경 조건을 면밀히 관찰하는 것인데, 그 이유는 이러한 것들이 DAQ 장치의 전반적 디자인에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 적합한 울트라-러기드 타겟 어플리케이션에는 이동적이거나 고정적이거나 심지어 실험실 테스트에 사용되었는지 여부에 상관 없이 건축, 채광, 농업, 또는 해양에서 사용하는 것 등이 포함됩니다. 


사용자들과 밀접하게 작업하면서, HBM은 전형적인 로드 프로필(load profile)을 수집하였고 데이터 질을 최적화하기 위한 일정 범위의 필터(filter)를 개발할 수 있도록 이 로드 프로필을 분류하였습니다. 로드 프로필은 시간이 지나면서 모인 진폭 및 주파수를 혼합한 것이며, DAQ의 결합 및 영향에서 달라질 수 있습니다.

신뢰성의 보장

HBM는 또한 극한 환경의 어플리케이션용 데이터 수집 모듈의 안정성을 보장할 수 있도록 물리적으로 요구되는 상황을 모의실험 하여 집중적인 환경 테스트에 착수하였습니다.


표준화된 테스트에서 재현 가능한 결과를 제공하는 모듈의 능력을 개발하는데 있어 매우 유용한 피드백을 제시하기 때문에 표준화된 테스트를 개발하는 것은 이 작업에 있어 주요한 측면입니다. 예시용 모듈은 패키지가 깨지거나 선 연결이 불량할 때도 완전히 작동될 수 있는 상태입니까?


이러한 안정성 테스트의 대부분은 HBM에서 자체적으로 승인한 환경 테스트 연구소에서 실행됩니다. 이 곳에는 기후실, 전자전기 충격 및 진동 시스템, 수분(water basin) 및 EMI 테스트 시설(전문적인 외부 테스트 시설이 추가 성능 확인에 사용될 수 있습니다) 등이 갖추어져 있습니다.

온도와 습도의 영향에 관한 테스트

한 가지 중요한 설계 명세는 새로운 러기드 QuantumX 모듈에 맞는 -35 ~ 80 °C (-30 ~ 175°F)의 확장된 주위 온도 범위에 필요합니다.


모듈이 이러한 극한 온도에서 적정하게 기능할 수 있는지 여부에 대한 테스트를 장치에 미치는 빠르게 순환하는 온도 변화 및 습도의 영향을 검사한 기후실에서 착수하였습니다. 이러한 테스트는 전환 중이거나 저장되는 중이거나 작동 중에 있는지 여부에 상관없이 이러한 환경 조건에서 지속적 기능성을 보장하였습니다. 


장치가 온도 상의 급격한 변화를 견뎌내는 능력을 결정할 수 있도록 열충격 테스트를 실행하였습니다. 온도 관련 테스트에는 온도 변화율을 급속도로 변경시키는 것이 포함되기 때문에 이러한 테스트는 모두 가장 극심한 온도 관련 테스트입니다. 해당 모듈은 분당 30°C의 가동율(operational rate) 변화에 맞게 설계되었습니다. 모듈이 차량 겨울철 테스트에 사용될 수 있기 때문에(모듈이 모든 전원이 꺼지면서 완전히 얼 수 있고 이후에 전원이 재공급되었다면 다시 데워질 수 있음) 이 테스트는 특히 중요합니다.


HBM의 엔지니어들은 모듈을 세 시간 동안 -40 °C에 노출시켰다가 단시간 내에 85°C에 노출시켜 실제 생활 조건을 모의실험 합니다. 모듈에 대한 영향을 확인할 수 있게 물이 응축되는 것을 보장하여 이슬점을 통과할 수 있도록 해당 온도는 주위 실온에 저장되기 전에 이후 세 시간 동안 이 수준에 머물러 있습니다. 해당 테스트는 최소 십 분간 반복됩니다.

부품이나 조립품을 흔들거나 충격을 가하는 것을 진동 테스트를 통해 실시하였습니다. 모듈이 매우 거친 지형에서 현장 테스트에 사용될 때 어떻게 견뎌내는 지를 보는데 이 테스트가 필요합니다. 해당 장치가 고유 주파수 또는 공진 주파수에서 진동하게 될 때 손상이 대체로 발생합니다.

진동 및 충격테스트

부품이나 조립품을 흔들거나 충격을 가하는 것을 진동 테스트를 통해 실시하였습니다. 모듈이 매우 거친 지형에서 현장 테스트에 사용될 때 어떻게 견뎌내는 지를 보는데 이 테스트가 필요합니다. 해당 장치가 고유 주파수 또는 공진 주파수에서 진동하게 될 때 손상이 대체로 발생합니다.

 

 

 

사진: 진동 테스트

최대 서비스 수명을 보장하기 위해, 이 모듈은 진동기(shaker)나 진동 시스템에 장착된 다음 세 지향성 축 모두에서 55와 2000 Hz 사이에 35분간 5g의 진폭을 보이는 진동 프로파일에 연결됩니다. 발견된 공진 주파수는 0.06 인치의 일정한 진폭으로 이후 5분간 재테스트 되었습니다. 10~55 Hz의 저주파수는 모든 방향에서 두 시간 동안 지속되는 총 테스트와 함께 1분 만에 스윕(sweep) 되었습니다.

 

 

 

사진: 진동 테스트 – 스웹트 사인 흔들림(swept sine shaking)

이와 유사하게, 35g의 충격 진폭이 장치에 맞게 명시되었습니다. 이 테스트를 위해, 해당 모듈이 진동 시스템에 장착되어 세 지향성 축 모두에서 6 ms 동안 35g의 진폭으로 충격을 받았습니다.

 

 

 

 

사진: 충격 테스트

최종적으로, 이 장치는 1m에서 낙하 테스트(drop test)에 연결되며, 충격 이후에 정확하게 기능하는지 여부가 확인되었습니다.

물, 먼지 그리고 분진에 대한 테스트

HBM은 두 가지 부분으로 테스트를 실행하였습니다. IP65와 IP67 두 가지 경우에, 해당 모듈을 펌프가 극히 미세한 탤컴 파우더(talcum powder)를 순환시키는 전밀폐 집진기(dust chamber)에 놓습니다. 해당 모듈이 자체적으로 주위 기압 이하인 것을 보장하는데 진공 펌프가 사용됩니다. 해당 장치로 먼지가 전혀 유입되지 않았기 때문에 이러한 테스트는 성공적이었습니다.


IP65 테스트의 두 번째 부분에서는, 몇 시간 동안 고압 노즐에서 분사된 물로 해당 모듈을 테스트한 한편 IP67의 경우에서는 24시간 동안 1m의 깊이의 물에 해당 모듈을 담가서 테스트하였습니다. 이 두 가지 테스트 모두에서 수분 침투는 전혀 발견되지 않았습니다

사진: IP 테스트 – 집진기 테스트

사진: IP 테스트 – 고압 노즐에서 분사된 물

전기-자기 간섭 테스트

선박의 레이다에 대한 가능한 영향과는 별도로, HBM의 최신의 견고한 모듈에 맞는 타겟 어플리케이션에는 특정 EMI 요건이 요구되지 않습니다. 그럼에도 불구하고, HBM에서는 EN61326에 따른 전자기 간섭을 테스트하였으며 해당 장치는 EMI 및 저전압 지침에 대한 준수를 나타내는 CE 마크를 받았습니다.

추가적인 기준

HBM에서 매우 엄중한 요구사항을 충족시킬 수 있도록 견고한 QuantumX 모듈을 엄격하게 테스트하였지만, 이러한 모듈의 설계 또는 테스트에 필수적인 것으로 고려되지 않았던 추가 기준이 있습니다.

그 기준들은 다음과 같습니다:

  • 저압(고도) – 모듈이 특수 멤브레인에 잘 맞는 한편 이것은 저압이나 진공에서 테스트되지 않았습니다.
  • 화학물질, 유체 감수성(fluids susceptibility), 염(salt)
  • 직사광선
  • 자기효과(magnetic effects)
  • 폭발성 및 인화성
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