Simcenter Testing Solutions How to setup & measure the thermocouples with Testlab and SCADAS Hardware(T8, CN4, TCK8)

2023-03-23T01:58:30.000-0400

Simcenter Testlab

요약

This article describes how to setup and measure thermocouples with Simcenter Testlab software and Simcenter SCADAS Hardware for T8, CN4, TCK8 module.

세부 정보

이번 기술자료에서는 Simcenter Testlab 소프트웨어와 Simcenter SCADAS 하드웨어인 T8, CN4, TCK8 모듈을 가지고 온도측정 센서인 써머커플의 설정과 측정하는 방법에 대해서 설명을 합니다.

1. 온도센서(Thermocouple, 써머커플, 열전대)에 대해서 알아보기

써머커플(그림 1)은 온도 측정을 하는데 사용되는 센서입니다. 이 센서는 접촉하는 물체의 온도에 비례해서 전압을 발생합니다. 써머커플에는 2개의 서로 다른 전도체인 구리선과 철선으로 구성되어 있습니다.

1822년 독일의 물리학자 Thomas Seebeck은 2개의 서로 다른 와이어를 배치해서 끝이 루프를 형성하도록 하면 접합 온도가 다를 때 회로에 전압이 발생한다는 것을 발견 하였습니다. 이 현상을 Seebeck 효과라고 부르며, 써머커플이 작동하는 원리입니다.

그림 1: 써머커플은 온도에 비례하여 전압 발생을 시키는 2가지 전도성 재료가 접합되어 있습니다.

2. 써머커플 종류

써머커플에 사용되는 금속의 종류에 따라서 측정이 가능한 온도 범위가 결정되며, 그림 2와 같이 사용되는 금속 종류와 해당 온도 범위에 따라서 B, E, J, K, N, R, S, T로 표시를 합니다.

K타입 써머커플은 온도 범위가 넓어서 가장 많이 사용하는 종류 가운데 한가지 입니다. K 타입 써머커플은 다음과 같이 구성되어 있습니다.

Positive : 90% 니켈, 10% 크롬으로 구성
Negative : 95% 니켈, 2% 알루미늄, 2% 망간, 1% 실리콘으로 구성

N 타입은 K 타입과 비슷한 온도 범위를 보여줍니다. 그러나 N 타입은 가격이 높아서K타입 만큼 많이 사용되지 않습니다. N 타입은 K 타입보다 572℉ ~ 932℉(300℃ ~ 500℃)의 온도 범위에서 정확도가 더 좋습니다.

그림 2: 써머커플 종류와 온도범위

3. SCADAS Hardware 온도측정 모듈

SCADAS T8 모듈(제품 코드: SCM-T8A, SCM-T8A-RT)은 8개의 써머커플 측정이 가능하고 B, E, J, K, N, R, S 및 T 타입의 써머커플 사용이 가능합니다. SCADAS T8 모듈은 그림 3과 같이 SCADAS 프레임에 장착이 됩니다.

그림 3: SCADAS T8 모듈과 1개의 써머커플이 장착된 SCADAS Recorder

T8모듈을 사용하는 경우에 별도의 외부 컨디셔너가 필요없으며, 써머커플은 그림 4와 같이 T8모듈의 채널에 직접 연결하면 됩니다. T8모듈은 최대 70볼트까지 절연이 되어 있고 이렇게 하면 써머커플이 측정대상체와 결합되어 잠재적으로 고전압 AC 신호가 SCADAS Hardware로 들어오는 것을 방지할 수 있습니다

그림 4: SCADAS T8 모듈의 플러그는 써머커플 센서를 바로 연결 가능합니다.

4. SCADAS T8 모듈과 Testlab설정

Testlab에서 T8 모듈을 사용하기 위해서는 Channel Setup 워크시트에서 Tools → Channel Setup Visibility로 이동합니다. Source Fields에서 Thermocouple을 찾아서 그림 5와 같이 Selected Fields로 add 시켜 줍니다.

그림 5: Tools → Channel Setup Visibility에서 Thermocouple 선택 후 Source field names 에서 Selected Fields로 add 합니다.

Channel Setup에서 T8 모듈을 활성화 시켜고 그림 6과 같이 Thermocouple Type을 선택합니다.
써머커플 타입은 Testlab을 통해서 각 채널별로 설정이 가능합니다. 예를 들어서 K타입과 T타입을 혼용해서 측정이 가능합니다.

그림 6: 채널을 체크하고 Thermocouple Type을 선택합니다.

5. TCK8과 CAN(Controller Area Bus) 모듈을 사용해서 온도 측정하는 방법

SCADAS frame에 CAN bus모듈이 장착되어 있을 경우에 TCK8 모듈(제품 코드 SC-TCK8A 및 SC-TCK8B)과 연결하여 온도측정이 가능합니다. TCK8은 방수, 방진 IP(Ingress Protection) 등급 67을 만족하고, K 타입 써머커플만 지원합니다.

TCK8 모듈은 8개의 써머커플 측정이 가능하고, TCK8-A과 TCK8-B로 구성되어 있습니다. TCK8-A 모듈이 CAN bus 모듈과 연결되며, TCK8-B 모듈은 TCK8-A와 연결합니다.

그리고 TCK8-A 모듈은 케이블 연결을 사용해서 TCK8-B 모듈에 전원 공급을 하고 터미네이터 커넥터가 필요합니다. TCK8 모듈은 그림 7과 같습니다.

그림 7: TCK8(A & B) 전면(왼쪽) 및 후면(오른쪽). A 및 B 표시는 하단에 있습니다.

TCK8 모듈은 CAN bus 모듈에 연결해서 사용가능하고 CN4 모듈의 예시가 그림 8에 나와 있으며, 여기에서는 SCADAS CN4 모듈과 TCK8모듈 1개만 연결된 구성 입니다

그림 8: CN4 CAN bus 모듈과 연결된 TCK8 모듈.

6. TCK8과 CAN bus 모듈 연결 및 옵션

SCADAS Hardware에서 CAN bus 기능 사용은 2가지 옵션이 있습니다.

내장형 CAN bus : SCADAS 인터페이스 모듈에는 CAN bus 기능을 기본으로 제공하고 있습니다.
CN4 모듈 : CN4모듈에는 4개의 CAN 채널이 있으며, SCADAS 프레임에서 1개의 슬롯을 차지합니다.

4개의 TCK8 모듈(32개의 써머커플)을 사용할 경우에 그림 9와 같이 구성이 가능합니다.

CN4 모듈의 각 채널별로 총 16개의 써머커플에 전원 공급을 하고 측정이 가능하며, CAN채널은 TCK8-A 모듈과 연결하고 TCK-B 모듈은 TCK-A 모듈과 데이지 체인 방식으로 연결됩니다.

TCK8 모듈은 SCADAS CAN 입력에 따라서 2가지 방식으로 전원 공급이 가능합니다.

SCADAS CN4 모듈 : SCADAS CN4 모듈을 사용하는 경우에 최대 4개의 TCK8 모듈 사용을 할 수 있고, 4개의 TCK8 모듈에서 총 32개의 써모커플 채널 사용을 할 수 있습니다.

SCADAS 인터페이스의 기본 CAN bus : SCADAS 인터페이스 모듈에 기본으로 내장된 CAN 채널을 사용할 경우에 TCK8모듈에 전원 공급을 할 수 없으므로, 별도의 외부 전원이 필요합니다. 인터페이스 모듈의 CAN Bus와 TCK8 모듈을 함께 사용하는 경우에는 바나나 플러그 케이블로 외부 전원과 연결을 해야 하고 이렇게 외부 전원 사용시 최대 10개의 TCK8 모듈에서 총 80개의 써머커플 사용이 가능합니다.

그림 9: 최대 32개의 써머커플(K타입)을 지원하는 4개의 TCK8 모듈로 구성된 SCADAS 시스템.

CN4 모듈에는 2개의 CAN 포트가 있으며, 각 포트에서 2개로 분할되는 케이블을 사용할 수 있습니다. 이것을 사용해서 CN4 모듈에서 4개의 CAN 연결을 할 수 있고, 모듈과 케이블은 그림 10을 참고하시기 바랍니다.

TCK8 모듈과 함께 스플리터 케이블을 사용하면 다른 종류의 CAN 신호도 계측이 가능합니다. 예를 들어서 TCK8을 사용해서 온도 측정을 하면서, 차량의 다른 신호도 측정할 수 있습니다.

그림 10 : CN4 Can Bus 모듈과 스플리터 케이블.

7. TCK8과 SCADAS XS연결 방법

7.1 SCADAS XS의 CAN Bus와 TCK8-B 연결 방법(8채널), 터미네이터 필요

이 구성은 TCK8-B 모듈과 SCADAS XS의 CAN Bus 연결에서 TCK8-B에 터미네이터가 필요한 경우 입니다. 그리고 TCK8-B 모듈은 바나나 커넥터를 외부 전원에 연결해서 전원이 공급됩니다.

필요한 케이블 종류는 아래와 같습니다.
- 4-pin LEMO to SUB-D 케이블
- 9-pin LEMO/banana to SUB-D 케이블

그림 11 : SCADAS XS의 CAN Bus와 TCK8-B 연결 구성도

7.2 SCADAS XS의 CAN Bus와 TCK8-A 또는 TCK8-B 연결 방법(8채널), 터미네이터 불필요

이 구성은 TCK8(A or B)와 SCADAS XS의 CAN Bus 연결 구성이며, 이때 TCK8-B에 터미네이터 대신 전원 케이블을 연결해 줍니다.

필요한 케이블 종류는 아래와 같습니다.
- 4-pin LEMO to SUB-D 케이블
- SUB-D to 9-pin LEMO 케이블
- 9-pin LEMO to banana 케이블

그림 12 : SCADAS XS의 CAN Bus와 TCK8-A or B 연결 구성도

7.3 SCADAS XS의 CAN Bus와 TCK8-A & TCK8-B 연결 방법(16채널), 터미네이터 필요

이 구성은 TCK8(A and B)와 SCADAS XS의 CAN Bus 연결에서 TCK8-B에 터미네이터가 필요한 경우 입니다. 그리고 TCK8-B 모듈은 바나나 커넥터를 외부 전원에 연결해서 전원이 공급됩니다.

필요한 케이블 종류는 아래와 같습니다.
- 4-pin LEMO to SUB-D 케이블
- 9-pin LEMO/banana to SUB-D 케이블
- 9-pin LEMO to 9-pin LEMO 케이블

그림 13 : SCADAS XS의 CAN Bus와 TCK8-A and B 연결 구성도(터미네이터 필요)

7.4 SCADAS XS의 CAN Bus와 TCK8-A & TCK8-B 연결 방법(16채널), 터미네이터 불필요

이 구성은 TCK8(A and B)와 SCADAS XS의 CAN Bus 연결 구성이며, 이때 TCK8-B에 터미네이터 대신 전원 케이블을 연결해 줍니다.

필요한 케이블 종류는 아래와 같습니다.
- 4-pin LEMO to SUB-D 케이블
- SUB-D to 9-pin LEMO 케이블
- 9-pin LEMO to 9-pin LEMO 케이블
- 9-pin LEMO to banana 케이블

그림 14 : SCADAS XS의 CAN Bus와 TCK8-A and B 연결 구성도(터미네이터 불필요)

8. TCK8 모듈 사용시 Testlab 설정 방법

① Channel Setup 우측 상단의 CAN Settings 선택
② DB Path에서 TCK-8AB.dbc(Testlab설치시 포함됨)을 로드 합니다.
이 파일은 C:\Program Files (x86)\Simcenter\Testlab 2206\central\Application Resources\CAN 폴더에 있습니다.
③ CAN ACK 모드를 Passive로 설정
④ 화면 왼쪽의 Show All 버튼 클릭
⑤ 측정할 채널 체크

CN4 모듈과 TCK8 모듈은 SCM01 프레임에서는 사용이 불가능 하며, 그 이유는 프레임에 최소 1개의 Input 모듈이 있어야 하기 때문입니다.

그림 15 : Channel Setup 워크시트에서 Testlab CAN bus 셋팅

9. 온도측정을 위해서 Fluke meters, MicroTC 등의 외부기기 사용을 하는 경우

9.1 Testlab에서 온도 측정 셋업

온도에 비례하는 전압 출력을 하는 여러 장치(예, Fluke 미터 등)가 있는데, 이런 기기들을 SCADAS하드웨어의 채널과 연결하고 Testlab에서 그림 16와 같이 Input Mode를 Voltage DC 로, Measured Quantity를 Temperature 로 설정해야 합니다.

그림 16: 온도 측정이 가능한 외부기기를 사용하기 위한 Testlab의 채널 설정.

온도의 경우에는 절대 온도(Kelvin은 섭씨의 절대 온도)로 저장되기 때문에 채널 설정에서 오프셋을 입력해 주어야 합니다. 이는 외부 전압 기반 온도 장치를 지원하는 데 필요합니다. Tools → Channel Setup Visibility을 선택하고 Offset EU를 추가합니다. 그리고 그림 17과 같이 섭씨 값을 0에서 273.15로 변경합니다. 화씨에서 작업하는 경우 오프셋은 459.67입니다.

그림 17: 온도 측정이 가능한 외부기기를 사용할 때 채널설정에서 오프셋 설정이 필요합니다.

전압을 출력하는 기기는 하나의 와이어(single-ended) 또는 두 개의 와이어(differential)를 통해 전압 신호 전달을 할 수 있으며, VB8모듈의 경우에 single-ended 또는 differential 지원을 합니다. Testla에서는 그림 18와 같이 설정을 할 수 있으며, coupling 설정이 온도 측정 기기가 지원하는 방식과 동일한지 체크해 주어야 합니다. SCADAS Hardware에서는 single-ended(녹색 LED) 또는 differential (파란색 LED)가 색깔로 구별을 할 수 있습니다.

그림 18: coupling 필드에서 Single-Ended 또는 Differential 모드를 선택 가능합니다.

9.2 온도센서 연결 셋업 예제

그림 19의 온도 측정 센서는 MicroTC의 선형 써머커플이며, S와 D의 2가지 종류가 있으므로 사용자의 온도 측정범위에 맞게 선택을 하면 됩니다.

– S는 single supply, + 7Volts ~ +16Volts 사이의 공급 전압을 사용
– D는 Dual supply, 2개의 공급 전압이 필요하며, 최대 ±16볼트, 최대 작동 전류는 3.25mA

그림 19: MicroTC 선형 써머커플 (linear thermocouple amplifier)

이 센서는 VB8 모듈을 사용해서 전원 공급과 측정이 가능한 K타입 써머커플입니다. 이런 경우는 1개 또는 2개의 써머커플만 필요한 경우에 유용하게 사용을 할 수 있습니다.

그림 20: VB8모듈과 MicroTC의 핀맵

그림 21: VB8모듈 사용시 Testlab의 Channel setup 설정

10. Numerical 디스플레이 설정

Testlab의 Numerical 디스플레이는 온도를 나타내는데 편리하며, 디스플레이에는 그림 22와 같이 온도 표시를 할 수 있습니다.

그림 22: 온도를 나타내는 Numerical 디스플레이

그림 23과 같이 Numerical 디스플레이에서 마우스 우클릭을 해서 Gauge 를 선택하여 Gauge 모드로 변경을 할 수 있습니다.

그림 23: Numerical 디스플레이에서 마우스 우클릭으로 Gauge 모드와 Numerical 모드 전환을 할 수 있습니다.

특정 임계값을 만족하게 되면 색상 변경이 되도록 디스플레이의 숫자와 게이지 모드를 설정할 수 있습니다. 디스플레이에서 마우스 우클릭을 하면 그림 24와 같이 Color Scale선택이 가능합니다. 예를 들어서 온도가 최대값을 초과한 경우에 Color Scale 메뉴를 사용해서 디스플레이를 붉은색으로 설정할 수 있습니다.

그림 24: Color Scale에서 Numerical 디스플레이가 특정 임계값 전후에서 색상 변경이 되도록 설정

디스플레이에 표시된 온도 단위 변경을 위해서는 Channel Setup 워크시트에서 그림 25와 같이Actual Sensitivity Field에서 설정할 수 있습니다.

그림 25: 디스플레이에서 마우스 우클릭을 하면 온도 측정 단위 변환이 가능 합니다.

Numerical 디스플레이는 실제 sensitivity 필드에서 선택한 단위로 변경이 되고, 전면/후면 필드에 온도 표시를 하는 경우에 그림 26과 같이 Y축에서 마우스 우클릭을 하면 단위를 변경할 수 있습니다.

그림 26: 서로 다른 온도 측정 단위에서 디스플레이에서 마우스 우클릭을 하면 변경이 가능함

CAN Bus 채널에서 포인트 이름을 만들경우에 "::" 로 표시가 자주 되는데, 이것은 그림 27과 같이 Numerical 디스플레이에서는 "::" 뒤에 나타나는 문자만 표시할 수 있는 옵션이 있습니다. Numerical 디스플레이에서 마우스 우클릭을 하고 Options 을 선택하면 Display::name only를 선택합니다.

그림 27: (상단) 이름이 "TCK8A_11::COOLANT TEMPERATURE"인 채널 설정. (하단 ) Numerical 디스플레이의 Options 메뉴를 선택하면 COOLANT TEMPERATURE만 디스플레이에 나타내게 할 수 있습니다.

KB 자료 ID# KB000111080_KO

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