상대 습도(RH) 센서는 공기 중에 존재하는 수증기를 측정하는 개방형 캐비티가 달린 전문 센서를 이른다. 상대 습도는 중요한 척도이다. 보관 환경의 습도가 식품에 직접적인 영향을 미칠 수 있듯이 공기 중의 습도가 시스템 안정성(부식) 또는 제품 수명에도 직접적인 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
RH 센서가 안고 있는 과제 중 하나는 노출된 감지 요소가 시간이 흐르면서 노후화된다는 점이다. 주변의 습한 공기와 센서 물질에 침전되는 벤젠이나 에틸렌글리콜 등의 휘발성 유기 화합물에 계속 노출되면 센서의 정확도가 규격을 벗어나게 된다. 그러면 센서 교체나 보정을 위해 시스템을 해체해야 하며 결과적으로 총 소유 비용이 상승한다. 본 글에서는 상대 습도 센서의 정확도와 장기 드리프트 그리고 이러한 변수가 완제품 성능과 수명에 미치는 영향에 대해 살펴볼 예정이다.
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최고의 안정성을 갖춘 습도 선서 시스템 효율성과 수명을 최적화한 HDC3020 제품군 |
장기 드리프트와 정확도는 습도 센서에서 가장 중요한 사양이다. 오늘날의 습도 센서, 특히 정전식 센서에서는 보통 2%~3% RH에서 최대 3%~4% RH의 정확도를 표준으로 간주한다. 이러한 정확도를 일컬어 센서가 현장에 실제 사용되기 이전의 영점시간 정확도라고 하며, 장기 드리프트는 여기서 제외된다.
정전식 센서의 장기 드리프트는 보통 연간 0.25%~0.5% RH 정도이다. 저항식 센서(연간 약 1% RH)와 비교하면 드리프트 값이 아주 작지만 그래도 이는 10년으로 치면 5% RH 변화에 해당하며, 10년 이상 작동하도록 만들어진 가전과 자동차 같은 장비에 영향을 미치는 중대한 오차원이 될 수 있다.
그림 1은 정확도와 10년이 지나면 장기 드리프트가 결국 8% RH가 될 수 있음을 보여준다. 냉장고를 예로 들면, 드리프트로 인해 측정값이 고습도로 잘못 나오면 불필요하게 컴프레서가 작동하고, 컴프레서의 수명을 단축시키는 것은 물론 작동 효율을 떨어뜨리게 된다.
그림 1: 장기 드리프트를 적용한 습도 센서의 정확도
습도 정확도는 부패하기 쉬운 식품, 생명과학, 제약품 보관 및 수송과 같은 콜드체인 제품에서도 중요성이 높아지고 있다. 무선 배터리로 구동되는 트래커와 데이터 로거를 통해 센서는 원예 및 원료 가루 외에 식품 수송품의 온도와 습도 정보를 연속해서 기록할 수 있다. 로거는 제품의 수명을 예측하므로 신뢰도가 높아야 하며, 미국 국립표준기술원(NIST) 측정 표준에 유래하는 정확도를 갖추는 한편 엄격한 국제표준기구(ISO) 및 국제전기전자표준위원회(IEC) 17025 규정도 준수해야 한다.
전력 소모는 또 하나의 중요한 사양이다. 실시간 데이터 로거와 환경 센서 같은 배터리 구동식 제품에서 전력 소모는 더 크고 더 비싼 배터리 사용과 비용 절감에 도움이 되는 더 작은 배터리 사용의 차이를 의미할 수 있다. 전력 소모가 적으면 배터리 구동식 제품이 더 오래 작동할 수 있지만, 시간이 지나면 정확도가 더욱 중요해지며 정확도가 바뀌면 잠재적 보정이 필요하게 된다.
TI는 전력 소모를 줄이는 한편 시스템 수명을 늘리기 위해 HDC3020 RH 센서를 설계했다. 이 센서의 아키텍처는 온도와 습도의 전체 공급 전압에 걸쳐 정확도를 제공하며, 정확도는 연간 0.21% RH 미만의 장기 드리프트 적용 시 보통 1.5% RH에서 최대 2% RH에 이른다. 이러한 변수는 그림 1에 예시로 나왔듯이 10년 후 8% RH에서 4% RH로 장기 오류를 많게는 50%까지 낮추어 제품 및 기타 시스템 유형의 유효 수명을 연장하는 데 도움이 된다.
HDC3020은 자연적인 노후화, 환경 스트레스 또는 오염물질과의 상호작용으로 인한 드리프트를 줄여주는 통합 드리프트 보정 기술을 제공한다. 이 기술은 예비 성능은 HDC3020 EVM을 사용하여 평가할 수 있다. 환경 스트레스에 대한 자세한 내용은 폴리머 기반 습도 센서에 미치는 85°C/85% 가속 수명 시험 영향 백서에서 확인할 수 있다.
HDC3020에는 보통 0.1°C에서 최대 0.4°C의 고정밀, 초절전 온도 센서도 장착되어 있다. 습도와 온도 모두 NIST에서 추적 가능하며 ISO 9001:2015 절차와 ISO 및 IEC 17025 정책에 따라 표준에 대한 테스트를 거쳤다. 탈착식 테이프와 IP67 영구 필터 커버 옵션은 각각 PCB 세척 및 컨포멀 코팅을 지원하고 혹독한 환경에서 먼지와 물을 차단한다.
마무리
습도 센서를 선택할 때는 정확도는 물론 장기 드리프트와 환경 요인을 고려해야 한다. 센서의 노출된 개방형 캐비티가 센서 노후화를 가속화하기 때문이다. NIST의 온도 및 습도 추적은 시스템을 처음에 출시할 때 정확도를 제공하는 좋은 방법이지만, 노후화 또는 오염으로 인한 센서 드리프트 등 다른 측면의 이유가 되기 때문에 센서의 수명 기간에 재보정 없이 정확도를 유지하려면 장기 드리프트와 드리프트 보정이 필요하다. 따라서 매우 안정적인 센서를 선택하면 제품의 성능과 안정성이 높아지는 이점이 있다.
필립 루(Phillip Luu), 텍사스 인스트루먼트 제품 마케팅 엔지니어
