오버헤드 교반기용 임펠러 종류의 자동 식별을 위한 자기장 신호의 디지털화

1. 서론

4차 산업혁명의 가장 핵심 기술 중 하나는 IoT를 이용하여 제품 생산공정을 자동화하고 또 이를 원격으로 제어하는 기술을 실현하는 것이다. 특히 비접촉 센서를 이용하여 부품의 형상을 자동적으로 인식하거나 불량 여부를 판단하는 기술은 제조 공정 자동화와 공정효율을 높이기 필수적인 핵심기술 중 하나라고 할 수 있다.

한편 교반기(Stirrer/Agitator)라고 하는 장치를 사용하여 두 가지 이상의 액체를 섞어 혼합액체를 만들어 주는 공정에서, 특히 고점도의 액체를 혼합하기 위해서는 Fig. 1에서 보이는 것과 같이 다양한 형태의 블레이드를 가진 임펠러를 회전시켜 큰 토크를 발생시키는 오버헤드(Overhead)형 교반기를 주로 사용한다.^1,2 이 공정에서는 두 액체를 섞어 주면서 혼합 액체가 원하는 점도에 도달했는지 확인하기 위하여 교반 작업 도중에 점도계를 사용하여 수시로 혼합물의 점도를 수작업으로 측정³하고 원하는 점도에 도달했다고 판단되면 교반 작업을 중지하는 일이 빈번하게 발생한다.

Fig. 1

Overhead stirrer, impeller and blade

본 연구진은 별도의 점도 측정장치 없이 오직 임펠러의 회전속도와 모터에 가해지는 전압 정보만으로 교반 중인 유체의 점도를 측정할 수 있는 ‘점도 측정 기능을 갖춘 교반 장치’를 개발하는 것을 최종 목표로 두고 연구를 진행하였다. 임펠러 부품 내부에 축 방향으로 구멍을 가공하고 다양한 종류의 영구자석을 임펠러에 삽입한 후 임펠러를 교환할 때 발생하는 자기장의 차이를 이용하여 임펠러의 종류를 식별할 수 있음을 확인하였으며, 또한 상용화 측면에서의 한계도 확인하였다.^4,5

본 연구에서는 이러한 선행연구의 한계를 극복하고 임펠러의 종류를 보다 정확하게 식별하기 위하여 동일한 종류의 영구자석이 같은 극을 마주보도록 배치한 배열(Array) 형태를 사용할 것을 제안하였다. 실험과 유한요소해석(FEM) 결과를 통해 자석의 배열 방식과 자기장 측정 방향을 결정하였다. 또한 홀 센서(Hall Sensor)⁶로 측정된 아날로그 자기장 신호를 디지털 신호 형태로 바꾸어 줌으로써 아날로그 신호에 포함되어 있는 오차의 영향을 줄임과 동시에, 교반기 제어용 마이크로컨트롤러(Micro-Controller Unit, MCU)에 보다 적합한 방법을 개발하였다.

2. 선행연구 결과^4,5

액체 혼합물이 교반기 내에서 회전할 때 교반기 임펠러에 걸리는 토크의 크기는 임펠러의 회전속도와 블레이드를 포함한 임펠러의 형상(종류), 그리고 액체 혼합물의 점도에 의해서 결정된다.^7,8 여기에서 회전속도는 모터에 장착된 엔코더 신호를 통해 알 수 있고, 모터 토크는 모터의 회전속도와 모터에 인가되는 전압을 측정함으로써 계산할 수 있기 때문에, 결국 남은 두 개의 변수 중 하나인 ‘임펠러의 형상’을 자동적으로 인식할 수 있다면 나머지 하나의 변수인 ‘혼합물의 점도’를 실시간으로 추정할 수 있다.

본 연구진은 선행연구에서 교반기 작업 중 사용자가 임펠러를 교반기에 장착하는 순간에 별도의 입력작업없이 어떤 종류의 임펠러가 삽입되었는지 파악하기 위하여 Fig. 2와 같이 서로 다른 임펠러에 직경과 길이가 다른 원통 형태의 영구자석을 삽입하고 축 외부에서 홀 센서를 이용하여 이들 영구자석이 생성하는 자기장의 크기를 측정하였다. 실제 제품에서는 홀 센서가 부착될 수 있는 공간이 충분하며 홀 센서와 관련 회로의 추가비용은 교반기 가격에 비해 무시할 수 있는 수준이다.

Fig. 2

Magnetic Hall sensor and permanent magnet for recognizing impeller type5 (Adapted from Ref. 5 on the basis of Open Access)

실험결과 임펠러가 장착되면서 자석 중심부가 홀 센서를 지나갈 때 측정된 자기장의 크기(Magnetic Flux Density)는 자석의 직경과 길이가 증가함에 따라 함께 증가하였으며 이는 ANSYS를 이용한 FEM 해석 결과와도 정확하게 일치하였다(Fig. 3). 특히 자석의 직경 변화가 길이 변화에 비해 자기장 변화가 더 컸지만, 자석 직경 변화에 대응하기위해 임펠러 내부구멍 크기를 모두 다르게 가공해야 하므로 부품원가 및 재고 부담이 증가한다. 이에 반해 임펠러에 동일한 직경의 축 방향 구멍을 가공해 놓고 자석의 길이를 변화시키는 방법은 재고 부담 등 상용화 측면에서는 유리하지만 자석의 길이가 늘어남에 따라서 반자화(Demagnetization) 현상이 작용하여 식별 능력이 저하될 수 있음을 확인하였다.

Fig. 3

Variation of maximum magnetic flux according to magnet length (Experiments vs. FEM simulation)5 (Adapted from Ref. 5 on the basis of Open Access)

3. 연구내용 및 실험 방법

3.1 자기장 신호 디지털화의 필요성

영구자석 자기장의 최대값을 이용해서 임펠러 종류를 구별하는 기존의 방법^4,5은 홀 센서에서 측정된 아날로그 신호의 크기 변화를 이용하기 때문에 신호에 포함된 잡음의 영향을 많이 받는다. 신호의 이동평균(Moving Average) 값을 이용하면 잡음의 영향을 줄일 수는 있지만 실시간으로 신호처리를 해야 하는 MCU에 부담을 주게 된다. 또한 자기장 신호의 절대 크기를 식별 변수로 하면 임펠러를 삽입할 때 어쩔 수 없이 발생하는 홀 센서와 영구자석 사이의 간격 변화에 의한 오차를 보정할 수 없게 된다. 무엇보다 교반기의 제어기로 사용되는 MCU의 인터럽트(Interrupt) 기능에 아날로그 신호를 효율적으로 적용시키기 위해서라도 디지털 신호로 변환할 필요가 있다.

본 연구에서는 위와 같은 아날로그 신호의 문제점을 해결하기 위하여 Fig. 4와 같이 아날로그 신호의 디지털화를 진행하였다. 선행연구의 방법대로 자기장의 크기(y축)에서 식별 정보를 추출하는 것이 아니라 시간 축(x축)상에서 식별 정보를 추출하는 하는 것이다. 이렇게 하면 PWM (Pulse Width Modulation)을 이용하여 정보를 전달하는 센서와 유사하게 잡음에 대한 면역성을 증가시키고 MCU와의 연결을 용이하게 해준다.

Fig. 4

Digitalization of magnetic analog signal

3.2 실험장치의 구성 및 실험방법

우선 Fig. 5에 보이는 바와 같이 축 내부에 크기가 같은 원통형 영구자석(ϕ5 × 3 mm)을 같은 극이 마주보도록 1, 2, 3개씩 삽입한 임펠러 시편 3개를 준비하였다. 이렇게 서로 다른 3가지 종류의 임펠러를 각각 축 방향으로 움직여가면서 교반기 내부에 장착된 홀 센서(SS495:Honeywell)를 이용하여 자석에서 발생하는 자기장 신호를 관찰하였다. 자기장 측정을 위한 홀 센서의 방향은 Fig. 6과 같이 임펠러 축(z축) 방향 및 반경(x축) 방향으로 각각 측정하였다. Fig. 7은 전체 실험장치 구성을 보여주고 있다. 실제 교반기 제품을 활용하여 구현함으로써 사용과정에 발생할 수 있는 문제점을 파악 할 수 있도록 하였으며 사용자가 임펠러를 삽입하는 속도의 차이가 변수가 되지 않도록 스텝모터를 이용한 자동 이송장치를 이용하여 임펠러 장착 과정을 구현하였다.

Fig. 5

Variation of magnetic field according to number of NS-SN-arrayed magnets inside impeller

Fig. 6

Dimension of multiple magnets and direction of hall sensor for measurement of magnetic field

Fig. 7

Experimental setup

홀 센서를 이용한 자기장 측정 실험과 함께 유한요소 해석을 이용한 수치적 분석도 진행하였다. ANSYS를 이용하여 영구자석을 모델링하고 자석 배열(개수)의 변화에 따른 자기장 신호 패턴의 변화를 계산하였다. 이를 통해 자기장의 변화를 가장 효율적으로 측정할 수 있는 자석 배열과 홀 센서의 구성 방안, 그리고 측정된 아날로그 자기장 신호를 디지털 펄스 패턴화하여 측정 오차를 최소화할 수 있는 방안을 제안하였다.

4. 실험 결과

4.1 자석의 개수 및 측정 방향에 따른 자기장의 변화

Figs. 8과 9는 각각 1, 2, 3개의 자석이 장착된 임펠러를 교반기에 삽입할 때, 임펠러로부터 3 mm 떨어진 외부 위치에 설치된 홀 센서에서 임펠러의 반경 방향(Fig. 8)과 축 방향(Fig. 9)으로 측정된 자기장 신호와, 같은 조건에서 계산된 유한요소해석 결과를 함께 보여주고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 홀 센서로 측정한 자기장 신호와 유한요소해석 방법으로 계산한 결과는 매우 정확하게 일치하였다.

Fig. 8

Magnetic flux density measured in x (radial) direction according to number of magnets

Fig. 9

Magnetic flux density measured in z (axial) direction according to number of magnets

Fig. 8에 나타난 x방향(반경 방향) 자기장 신호를 자세히 살펴보면 우선 자석이 하나일 경우 Fig. 6에 보인 것과 같이 임펠러가 삽입되는 동안 자기장의 방향이 N에서 S(혹은 S에서 N)로 바뀌기 때문에 그에 따라 약 100 G의 크기로 극성이 다른 두 개의 자기장 피크(1peak + 1valley) 값이 나타난 것을 볼 수 있다. 이에 반하여 자석의 개수가 증가하여 n개가 되었을 경우 자기장의 방향이 교대로 변화하면서 n + 1개의 자기장 피크 값이 나타나는 현상은 동일하지만, 피크 값의 크기에는 변화가 나타났다. 즉, 처음과 마지막에 나타나는 피크를 제외한 중간 위치의 피크 값들은 Fig. 5에서 살펴볼 수 있듯이 중간에 겹쳐져 있는 동일한 극성의 두 개의 자석이 생성하는 자기장이 중첩되어 그 크기가 자기장이 겹치지 않았을 때의 약 2배인 200 G로 나타났다. 이에 반하여 Fig. 9의 z방향 자기장 신호의 경우에는 Fig. 5에서 알 수 있듯이 자기장 중첩 없이 약 100 G의 일정한 크기로 자석의 개수와 동일한 개수로 N과 S방향으로 번갈아 가면서 측정되었다.

이러한 결과를 통해서 임펠러 내부에 삽입된 자석 배열이 생성하는 자기장 신호의 피크 개수로 자석의 개수를 알 수 있고, 임펠러 종류에 따라 영구자석 개수를 달리함으로써 자기장 신호로 임펠러 종류를 인식할 수 있음을 알 수 있다. 또한 이를 기반으로 임펠러의 종류를 구별하기 위해서는 자기장의 피크의 개수가 자석의 개수와 동일하고, 자기장 피크 값 크기가 일정하게 측정되는 z방향 자기장을 이용하는 것이 x방향 자기장을 이용하는 것보다 더 효율적이라는 것도 확인할 수 있었다.

4.2. 아날로그 자기장 신호의 디지털화 전략

아날로그 자기장 신호를 기준으로 하여 피크의 개수를 측정하고 이 피크의 개수만큼 임펠러 내부에 자석이 존재한다고 인식하는 알고리즘을 사용한다면 아날로그 신호가 가지고 있는 특성으로 인해 많은 문제가 발생한다. 즉, 홀 센서 신호의 DC 오프셋(Offset) 드리프트(Drift) 현상과 아날로그 신호에 내포된 잡음의 영향, 그리고 임펠러와 홀 센서의 상대적 위치 차이로 발생하는 오차 등으로 피크의 존재 유무를 판단하는데 큰 오류가 발생할 수 있다.

그러나 자기장의 절대적인 크기가 아니라 자기장이 일정한 값에 도달 한 이후 다시 그 값 이하로 떨어지는 사건(Event)을 기준으로 한다면 아날로그 센서 신호가 내포하고 있는 위와 같은 여러 가지 문제점을 해결할 수 있다. 이를 위해 본 연구에서는 Fig. 10에 보이는 것과 같은 전략으로 아날로그 자기장 신호를 디지털 펄스 패턴으로 변경하였고, 궁극적으로 펄스 개수로 임펠러 내부에 삽입된 자석의 개수 즉, 임펠러의 종류를 명확히 구별하는 방안을 다음과 같이 제안하였다.

Fig. 10

Strategy for transforming magnetic analog signal into digitalized pulse pattern signal

우선, 홀 센서에서 측정된 아날로그 자기장 신호는 자기장이 없는 상태에서 2.5 V의 오프셋을 가지고 있으며 크기가 작으므로 연산증폭기(Operational Amplifier)로 덧셈기와 증폭기를 동시에 구현하여 홀 센서의 기준 전압을 2.5 V가 아닌 0 V로 만듦과 동시에 민감도를 향상시켜준다(Fig. 10(a)). 여기에 2개의 연산증폭기로 구성된 절대값 회로(Fig. 10(b))를 구성하여 홀 센서에서 측정된 양극성의 신호를 단극성 신호로 바꾸어준다.(Fig. 10(c)) 마지막 단계에서 비교기 회로(Fig. 10(d))를 적용하여 적절하게 설정된 임계치(Threshold)를 기준으로 아날로그 신호를 0 V/5 V의 디지털 신호로 변환시켜준다(Fig. 10(e)).

이렇게 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환함으로써 대부분의 MCU가 가지고 있는 상승 에지(Rising Edge) 또는 하강 에지(Falling Edge)를 포착하는 인터럽트를 이용하는 것이 가능하게 되고 MCU가 다른 기능을 수행하면서도 임펠러 식별 신호를 처리할 수 있게 된다. 결국 이와 같은 방식을 통해 아날로그 자기장 신호를 바로 이용하는 것에 비해 인식 과정에서 오차를 획기적으로 줄여 임펠러 종류에 따라 자석의 개수를 다르게 삽입한 임펠러를 오차없이 식별할 수 있게 된다.

4.3 아날로그 자기장 신호의 디지털화 실험 결과

z방향으로 측정한 아날로그 자기장 신호를 Fig. 10에서 설명한 방법으로 디지털 패턴 신호로 변경하는 실험을 수행하기 위하여 Fig. 11과 같이 브레드 보드 상에 증폭 및 오프셋회로, 절대값회로, 그리고 비교기 회로를 구성하였다.

Fig. 11

Experimental circuit

Fig. 12는 임펠러 축 내부에 영구 자석의 개수를 증가 시켜가면서 삽입하고 임펠러를 삽입할 때 z방향, 즉 임펠러 축 방향으로 변화하는 자기장을 홀 센서로 측정한 신호와 이를 디지털 패턴 신호로 변환한 결과를 함께 보여주고 있다. 이 과정에서 절대값 회로를 통과한 신호에 섞인 잡음의 크기는 0.1 V 이하이고 비정상 피크 신호들은 1 V를 넘지 않는 것을 확인하였고 따라서 임계치 값을 1.5 V로 설정하였다. 임펠러에 삽입된 영구자석의 개수에 맞추어 양극성을 띄며 피크 값을 나타낸 아날로그 자기장 신호는 Fig. 11과 같은 여러 회로를 거친 결과 명확한 모양의 디지털 펄스 신호로 전환되었음을 확인할 수 있다. 이러한 디지털 펄스 패턴을 마이크로컨트롤러의 인터럽트 또는 카운터 기능과 병용하면 임펠러를 장착하는 동안 손쉽게 임펠러의 종류를 자동적으로 식별할 수 있다.

Fig. 12

Digitalization of permanent magnetic analog signals

5. 결론

혼합 유체의 교반 작업 동안 임펠러 종류를 자동적으로 식별하고 궁극적으로 교반 작업 중 유체의 점도를 자동적으로 측정하는 교반 장치를 개발하기 위하여 임펠러 내부에 영구자석을 삽입하는 새로운 방식을 제안하였고 이 자석 배열에서 발생하는 아날로그 자기장 신호를 디지털화하는 연구를 수행하였다.

임펠러의 종류에 따라 개수를 달리하면서 같은 극을 마주보도록 영구자석을 삽입한 후, 임펠러를 삽입할 때 발생하는 자기장의 변화를 홀 센서로 측정한 결과 자석의 개수에 따라 자기장 피크 값이 확연히 다르게 나타났고, 자기장 개수에 따른 자기장 피크 값 개수, 그리고 자기장 피크 값 크기의 일관성을 고려할 때 임펠러 반경방향으로 측정한 자기장 보다는 축 방향의 자기장 변화를 이용하는 것보다 훨씬 더 유리함을 확인하였다.

신호에 포함된 잡음의 영향을 줄이고 교반기의 제어장치인 마이크로 컨트롤러와 연결을 위하여 아날로그 자기장 신호를 DC 옵셋, 증폭, 절대값 및 비교기 회로를 거쳐 디지털화된 펄스 신호로 변환하였으며, 임펠러의 종류를 자동적으로 식별하는데 있어서 아날로그 자기장 신호의 크기를 이용하는 것보다 디지털 패턴 신호를 이용하는 것이 오차를 줄일 수 있음을 확인하였다.

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