기본 정확도가 높은 FlexRange 기술을 활용하면 다양한 측정 범위로 여러 가지 토크 테스트를 수행할 수 있습니다.
자동차 응용 분야에서 토크 측정은 쉬운 일이 아닙니다. 일부 제품의 경우 토크 센서 하나만으로 다수의 측정 범위를 감당해야 하는 상황도 존재합니다. 몇 가지 접근 방식을 통해 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. 예를 들어 전기적으로 혹은 기계적으로 센서의 측정 범위를 확대할 수 있습니다. 하지만 전자의 경우 히스테리시스, 노이즈 및 영점에서의 열 응답과 같이 측정 불안정성을 야기하는 요소가 측정 범위 확대에 따라 함께 커집니다. 후자의 경우에는 측정체의 복잡한 구조로 인해 기계적 속성이 저하될 수 있습니다. 따라서 HBM은 다른 접근 방식을 채택하여 FlexRange 기술을 기반으로 하는 12HP 디지털 토크 센서를 개발했습니다. 이 센서는 하나의 센서로 여러
브레이크 테스트와 같이 평균적인 측정 토크에 비해 매우 높은 토크가 발생하는 응용 분야가 많습니다. 센서의 공칭(정격) 측정 범위는 첨두 토크 발생 시에도 센서의 과부하, 손상 또는 파손을 방지할 수 있도록 적절히 정해집니다. 첨두 토크란 해당 제품/테스트에서 발생 가능한 최대 토크를 의미합니다. 하지만 센서가 최대 토크로 조정되어 있을 경우 테스트 동안 발생하는 다른 토크를 측정할 때 오버디멘션 문제가 생길 수 있습니다. 오버디멘션이 적용된 센서는 단점이 있습니다. 즉, 오류를 평가하는 데 사용해야 하는 중요 데이터 시트 정보가 평균 측정 토크가 아닌 공칭(정격) 측정 범위를 기준으로 한다는 것입니다.
따라서 데이터 시트에 수록된 열 응답(TC0), 비선형성, 히스테리시스와 같은 중요 파라미터와 기생 부하로 인한 효과가 일반적으로 센서의 공칭(정격) 측정 범위를 기준으로 하기 때문에 오차 평가가 바람직하지 않은 결과를 도출할 수 있습니다.
듀얼 범위 센서에 대한 두 가지 접근 방식
단일 테스트에서 복수의 측정 범위를 기록하기 위한 이상적인 해결책은 센서 측정 범위를 각각의 최대 토크에 맞게 지속적으로 조정하는 것입니다. 하지만 이는 기술적으로 현실성이 없기 때문에 큰 측정 범위와 작은 측정 범위를 모두 감당할 수 있는 다양한 종류의 이중 범위 센서가 개발되었습니다. 이중 범위 센서의 기본적인 구성은 크게 두 가지입니다. 즉, 두 개의 스프링
다수의 측정 범위를 가능하게 하는 멀티플 스프링 요소(Multiple Spring Elements)
듀얼 레인지(Dual Range) 토크 센서는 크기가 다른 두 가지 토크 범위를 측정합니다. 이 때문에 이중 범위 센서는 크기와 공칭(정격) 측정 범위가 다르고 직렬 혹은 병렬로 연결되는 두 개의 스프링 요소 또는 측정체를 지닙니다. 측정체 각각에는 특별히 조정된 스트레인 게이지 (SG)
브리지가 있으며 측정용 증폭기에 연결됩니다. 이렇게 하면 측정체의 소재 변형률을 판단하고, 그로부터 토크를 도출할 수 있습니다. 이와 같은 유형의 토크 트랜스듀서를 ‘진성(true)’ 듀얼 레인지 센서 라고 합니다. 스프링 요소가 직렬로 연결된 유형의 단점은 정적 혹은 준정적 토크 측정에만 적합하다는 것입니다.
동적 토크 측정에서는 작은 스프링 요소의 과부하 보호로 인해 신호 중첩이 발생합니다. 작은 스프링 요소가 큰 스프링 요소의 큰 토크도 기록하므로 토크가 너무 높을 때 연결을 해제하여 큰 센서로 토크를 보내는 기계식 과부하 보호 장치가 장착됩니다. 이와 같은 과부하 보호 장치가 없다면 작은 스프링 요소가 손상될 위험이 존재합니다. 하지만 동시에 과부하 보호 장치 때문에 신호가 불명확하다는 측면도 있습니다. 그 결과 나중에 측정치를 평가할 때 부정확한 해석이 초래될 수 있습니다. 또한 이 배치에서는 낮은 토크에서 충분히 높은 특성값을 생성할 수 있도록 두 번째 작은 측정 범위에 소프트 디자인을 적용하는 경우가 종종 있습니다. 이 때문에 작은 측정 범위가 축력과 같은 기생 부하에 매우 민감하게 반응하고, 따라서 토크에 대한 누화(크로스토크)가 발생하여 극단적인 경우에 센서를 손상시키거나 파괴할 수 있습니다.
또 다른 유형의 ‘진성(true)’ 이중 범위 센서에서는 각기 다른 크기의 스프링 요소가 병렬로 연결됩니다. 이 유형은 과부하 보호 장치 없이 작동하기 때문에 신호 중첩에 내재되는 간섭을 방지할 수 있습니다. 그러나 이 경우도 작은 스프링 요소가 큰 토크 또한 기록해야 합니다. 따라서 작은 스프링 요소에 과부하가 걸려 소성 변형이 초래될 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 작은 스프링 요소는 큰 측정체와 함께 최대 토크를 지탱할 수 있도록 설계됩니다. 하지만 이로 인해 두 번째 변형률 게이지(SG) 브리지에 대한 특성값이 너무 작아지게 됩니다. 결과적으로, 열 응답을 포함하여 높은 수준의 부정확도와 불충분한 해상도가 야기됩니다.
Electrical dual-range sensor simulates small measuring range
HBM의 T12HP 토크 센서는 단일 스프링 요소 또는 측정체만을 가지고 두 번째 스프링 요소를 전기적으로 시뮬레이트하는 ‘비진성’ 듀얼레인지 센서와 또 다릅니다.
T12HP 토크 센서에는 작은 측정 범위에 맞게 설정된 센서에 연결되는 추가 측정용 증폭기가 포함됩니다. 이 두 번째 측정용 증폭기는 출력 신호를 증폭해 줍니다(통상적으로 5배 또는 10배). 따라서 작은 토크 부하를 나타내는 두 번째 유효 신호가 구해집니다. 이 원리의 단점은 두 번째 측정 범위가 부정확도를 오히려 높인다는 것입니다. 측정 불확실성과 관련한 중요 파라미터는 증폭된 유효 신호가 아닌 공칭(정격) 측정 범위를 기준으로 한 것입니다. ‘비진성’ 이중 범위 센서에서 두 번째 신호가 신호를 전기적으로 확산시키기 때문에 두 번째 범위에 대해 별도의 수치가 데이터 시트에 명시되어 있지 않다면 이들 요인 또한 증폭되어 측정 불확실성을 높이게 됩니다.
중요한 점은 다음과 같습니다.:
- 시그널 노이즈
- 영점에서의 열 응답(TC0)
- 히스테리시스
- 기생 부하
1.시그널 노이즈
모든 전자 신호에는 측정 시 같이 감지되는 배경 잡음이 포함되어 있습니다. 이중 범위 센서에서 작은 측점 범위의 신호는 속성상 품질이 떨어지는데, 증폭에 의해 신호 잡음 또한 증가하기 때문입니다. 큰 측정 범위의 신호 대 잡음비(1:1)와 작은 측정 범위의 신호 대 잡음비(1:5)를 비교하면 전기적 증폭이 잡음 또한 약 5배 가량 증가시킴을 알 수 있습니다. 따라서 측정 신호의 허용 오차(예: 온도 영향으로 인한 허용 오차) 또한 증폭됩니다. T12HP 토크 센서를 사용하면 신호 잡음이 줄어드는데, 전자 증폭에 의해 두 번째 작은 측정 범위가 생성되지 않기 때문입니다. 전 측정 범위에 걸쳐 센서의 높은 해상도에 따른 높은 기본 정확도(FlexRange 기능)가 적용됩니다. 그렇기 때문에 낮은 범위에서 신호 강도가 약할 때라도 신호 잡음이 낮게 유지됩니다.
2. 영점에서의 열 응답(TC0)
온도는 센서의 측정 정확도에 영향을 미칩니다. 전기식 이중 범위 센서의 측정 신호가 증폭되는 경우, 영점에서의 열 응답(TC0) 또한 증가합니다. SG 측정 브리지는 신호 강도 계수가 1:1인 공칭 측정 범위에 맞게 조정됩니다. 데이터 시트에 별 다른 언급이 없을 경우 1:5의 계수로 신호가 확산되면 정확도도 5배 가량 증가합니다. 큰 측정 범위의 열 응답이 0.1 %/10K로 명시되어 있는 경우, 두 번째 작은 측정 범위에 대해서는 0.5 %/10K의 하위 범위 최댓값이 구해집니다. 이 경우 두 번째 범위의 열 응답에 대한 별도의 수치가 데이터 시트에 명시되어 있는지 확인해야 합니다. 명시되어 있지 않다면 측정 신호 확산이 정확도 향상으로 이어지지 않을 것입니다. HBM의 FlexRange 기술 덕분에 T12HP는 한 번의 증폭만으로 전 측정 범위를 망라할 수 있습니다. 0.005 %/10K라는 극히 낮은 수치로 하위 범위 내에서도 높은 정확도를 구현할 수 있습니다.
3.히스테리시스
측정 신호의 특성 곡선이 먼저 연속적으로 증가하는 토크와 함께 기록된 다음 연속적으로 감소하는 토크와 함께 기록되는 경우, 출력 신호는 정확히 일치하지 않을 것입니다. 각각은 특성 곡선과 차이를 보일 것입니다. 감소 및 증가하는 부하 간의 최대 편차를 히스테리시스 또는 상대적 가역성 오차라고 합니다. 이는 스프링 요소 소재의 탄성과 측정체의 디자인에 좌우됩니다.
히스테리시스 수치는 측정체에 가해지는 응력과 그로 인한 변형률에 좌우되며, 따라서 최대 토크에 의해 영향을 받습니다. 토크 측정 시(예: 브레이크 열림 및 닫힘 상태에서 브레이크 테스트) 작은 측정 범위에 변화가 있을 경우, 스프링 요소의 높은 초기 부하 또는 변형으로 인해 히스테리시스가 스프링 요소에 ‘저장’된 채 유지됩니다. 그러나 측정 범위가 변하면 특성 곡선과의 편차도 변합니다(간격 축소).
이 때문에 변화가 일어나는 지점에서 기록된 측정 신호 곡선에 편차가 발생하는데, 이 지점을 불연속점 또는 영점 편차(지점)라고 합니다. 이 오차는 측정 신호의 이득 계수와 유사하게 증폭됩니다. 예를 들어, 전기식 이중 범위 센서의 상대적 가역성 오차가 큰 측정 범위(1:1)에서 공칭 토크의 0.05%라면 작은 측정 범위(1:5)로 직접 전환한 후에는 공칭 토크의 0.25%에 달하는 오프셋 오차가 발생할 수 있습니다. T12HP 토크 트랜스듀서는 전 측정 범위를 망라하므로 측정 범위 변경이 필요하지 않습니다. 따라서 FlexRange 기술을 활용하면 하나의 연속적인 측정 신호를 얻을 수 있고 불연속점이 생기지 않으므로 정확한 응용과 평가를 할 수 있습니다.
예를 들어 응용과 해석에 있어 항상 전부하와 따라서 히스테리시스에 의존하는 이중 범위 센서의 정확도 수준이 각기 다를 경우 항상 불연속점이 발생합니다.
4. 기생 부하(Parasitic loads)
특히 설계 및 조립에 의존하는 모든 드라이브트레인(구동 계통) 구성품에서는 축방향 출력 편차(axial offset)가 발생합니다. 이는 한 편으로 사용되는 구성품의 치수 정확도(허용 오차)와 얼라인먼트 문제와 다른 한 편으로 온도와 같은 기타 요인에 의해 발생합니다. 잔여 편차는 보상 커플링을 사용하여 실용적으로 보정할 수 있습니다. 그러나 기생 부하로 인한 누화(크로스토크)의 경우 추가적인 정교한 측정 기술적 조치가 수반되지 않고서는 보정할 수 없습니다. T12HP의 경우는 측정체의 정교한 기하학적 구조와 변형률 게이지의 높은 정확도 및 품질 덕분에 이와 같은 누화 효과를 최소화할 수 있습니다. 기생 부하는 영점에 상대적이며 전기식 이중 범위 센서에서의 측정 신호 확산이 이득 계수에 의한 부하 효과를 배가합니다. 이들 센서는 작은 측정 범위에서 큰 측정 오차를 생성합니다. T12HP와 같은 단일 범위 토크 센서의 경우 기생 부하가 관리 가능한 수준입니다.
FlexRange 기능
HBM은 T12HP 개발 시에 변형률 게이지 기술의 물리적 한계까지 도달했습니다. 이에 더해 반송 주파수 기술을 활용하여 신호 품질을 최적화했습니다. 그 결과 기본 정확도 및 안정성과 측정치의 유효 해상도가 매우 높은 토크 측정 시스템이 탄생했습니다. 이와 같은 고유한 특징이 조합된 충분히 높은 정확도와 해상도를 지닌 마치 ‘확대경’과 같은 센서로 측정 범위를 선택적으로 정하는 것이 가능해졌습니다.
FlexRange 기능의 실현을 가능하게 했던 원동력은 단 하나의 측정체와 단일 신호 경로를 통해 모든 측정치에 대해 탁월한 정확도, 안정성 및 해상도를 구현한다는 철학이었습니다. 결과적으로 하위 범위에서도 정확도 및 해상도 요건을 충족하는 데 측정 범위를 추가할 필요가 없게 되었습니다.
FlexRange functionality T12HP
결론
두 측정 범위에서 각기 다른 수치의 토크를 측정하는 방법은 많습니다. 하지만 대부분의 경우 설계상 특징(특히 작은 측정 범위)으로 인해 정확도 손실이 발생합니다. 복수의 측정체를 지닌 진성 이중 범위 센서는 과부하 정지가 요구되는 동적 측정 분야에 적합하지 않습니다. 두 번째 범위가 큰 유효 신호를 생성하도록 민감하게 설계되는 경우가 많기 때문에 허용 한계 부하가 그에 따라 낮아질 수밖에 없어 상대적으로 오차가 큰 토크 신호에 대해 누화(크로스토크) 증가를 야기합니다.
단일 측정체를 지니는 전기식 이중 범위 센서의 경우는 측정 신호 확산이 신호 잡음, 히스테리시스, 영점에서의 열 응답(TC0), 기생 부하 등의 간섭 속성을 증폭시킵니다. 데이터 시트에 달리 명시되어 있지 않은 한 이것이 두 번째 범위의 측정 정확도 향상으로 이어지지는 않습니다. 영점에서의 열 응답(TC0) 및 신호 잡음이 커지고 큰 측정 범위에서 작은 측정 범위로 변경 시에 불연속점이 발생할 수 있습니다. 응용 분야에 따라 전기식 이중 범위 센서의 원리가 기생 부하를 증폭하기도 합니다.
FlexRange 기능을 갖춘 T12HP 토크 센서에서는 이와 같은 간섭 효과가 최소화됩니다. 이 트랜스듀서는 디지털 신호 편집의 필터링 및 확장 유연성을 매우 높은 기본 정확도 및 해상도와 결합하여 이중 범위 센서의 이점은 살리고 해상도와 관련한 단점은 보완했습니다.
매우 높은 기본 정확도 및 해상도를 지닌 측정체(특허 등록 기술)와 반송 주파수 기술을 결합하여 선형성, 히스테리시스, 영점에서의 열 응답(TC0) 등과 같은 기술 데이터에 대해 0.007 % 또는 0.005 %/10K 수준의 보장 오차 한계를 구현할 수 있습니다. 이런 점을 감안할 때 T12HP 및 FlexRange 기능은 많은 측면에서 이중 범위 센서보다 확실히 우월합니다. 변형률 게이지 기술의 잠재성을 물리적 한계까지 활용하여 센서의 기본 정확도를 대폭 상향한다는 T12HP의 철학이 사용자의 기술 구현을 대폭 단순화시켜 줍니다.
HBM의 T12HP 측정 플랜지는 하위 범위에 대한 이차 증폭기를 필요로 하지 않습니다. 우수한 기계적 속성 덕분에 전 측정 범위에 걸쳐 매우 높은 정확도를 구현합니다. 이러한 장점들이 T12HP 토크 트랜스듀서가 엔진 가동 테스트 및 견인 테스트, 브레이크 테스트(브레이크 열림 및 닫힘 상태), 변속 테스트, 타이어 테스트와 같이 측정 범위가 다양한 고도로 동적인 토크 측정뿐만 아니라 고정밀 효율 측정에 적합한 제품인 이유입니다.
