온도센서(Temperature Sensor)의 종류 / 사용방법

온도센서(Temperature Sensor)의 종류 / 사용방법

온도는 다양한 종류의 센서에 의하여 측정 가능합니다. 일단 측정 대상과 접촉하여 그 온도 변화에 반응하는 접촉식과, 측정 대상이 방출하는 애너지를 감지하는 비접촉 온도센서로 구분할 수 있습니다.

- 접촉식 온도센서: 특정 온도의 기전력을 감지하는 써모커플 (열전대 | Thermocouples), 저항을 감지하는 RTD와 써미스터, 온도에 따라 상태가 변하는 온도라벨, 액체 온도계, 바이메탈 온도센서와 같은 종류가 있습니다.

- 비접촉 온도센서: 적외선 (Infrared)으로 온도를 감지하는 적외선 온도계가 대표적입니다. 이 모든 센서들을 물리적 특성에 있어서의 변화를 감지하여 온도를 추론합니다.

산업분야에서 언지니어리와 연구원들이 사용할 가능성이 높은 여섯 가지 유형은 써모커플, RTD, 써미스터, 적외선 온도계, 온도라벨, 바이메탈 (아날로그 계측기) 입니다.

 

써모커플을 사용한 온도 측정

그림 1a

써모커플은 가장 빈번하게 사용하는 반면 가장 알려지지 않은 써모커플에 대해 알아보겠습니다. 본래 써모커플은 2가지 합금을 한쪽 끝에서 연결하고 다른 쪽은 개방되어 있습니다. 출력단 (개방단; 그림 1a의 V1)의 기전력은 폐쇄단에 있는 온도 T1의 함수입니다. 온도가 오르면 기전력도 증가합니다.

써모커플은 다양한 환경으로부터 보호하는 금속 실드나 세라믹 실드 내부에 위치해 있는 경우가 많습니다. 금속 보호관 써모커플도 부식성 용액 안에서 고장 없이 이용하기 위해 폴리테트라플루오로에틸렌 같이 다양한 타입으로 외부 코팅을 해서 구입할 수 있습니다.

개방단 기전력 폐쇄단 온도(예: 측정 점에서의 온도)의 함수일뿐 아니라 개방단 (그림 1a의 T2) 온도에 함수이기도 합니다. T2를 표준 온도에 고정해야만 측정한 기전력을 T1 변화의 직접적인 함수로 간주할 수 있습니다. 업계에서 허용되는 T2의 표준은 0°C입니다. 따라서 대부분의 표와 도표는 T2가 그 정도 상태에 있다고 가정합니다. 산업 계기 장치에서 T2의 실제 온도와 0°C 간의 차이는 보통 계기 장치 내에서 전자적으로 교정됩니다. 이 기전력 조정은 냉접점 또는 CJ 정정이라고 부릅니다.

그림 1b

배선이 써모커플 합금이나 열전기 등가물 (그림 1a)일 경우 입력단과 출력단 간의 배선에서 온도 변화는 출력 전압에 영향을 주지 않습니다. 예를 들어 써모커플이 용광로에서 온도를 측정하고 판독 값을 보여주는 장치가 조금 떨어져 있을 경우, 와이어를 녹일 정도로 충분히 뜨거워지거나 그 전열 작용이 영구적으로 변화하지 않는 한, 이 둘 간의 배선은 근처의 다른 용광로를 지날 수 있고 그 온도에 영향을 받지 않을 수 있습니다.

접점 전체에 걸쳐 온도 T1이 일정하게 유지되고 접점 재료가 전도성을 띄는 한, 접점 자체의 구성은 써모커플 작용에 아무런 영향을 주지 않습니다 (그림 1b). 마찬가지로 판독 값은 "가짜" 재료 끝의 온도가 동일한 경우, 비 써모커플 합금을 한쪽이나 양쪽 리드에 첨가해도 이에 영향을 받지 않습니다(그림 1c).

그림 1c

전송 경로에서 가금속과 함께 작용하는 써모커플의 이 기능을 통해 써모커플 스위치 같은 전문적인 다양한 장치를 이용할 수 있습니다. 전송 배선은 보통 써모커플 스위치 같은 전문적인 다양한 장치를 이용할 수 있습니다. 전송 배선은 보통 써모커플 합금의 열전기 등가물인데 반해서 올바로 작동하는 써모커플 스위치는 금도금 또는 은도금 구리 합금 소자로 만들고 적절한 강철 스프링을 이용해서 접촉이 잘 되도록 해야 합니다. 스위치의 입력 및 출력 접점 온도가 동일한 동안은, 이 구성 변화는 영향을 주지 않습니다.

연속 써모커플 법칙이라 할만한 것을 알아두는 것이 중요합니다. 그림 1d의 윗부분에 있는 2가지 소자 중, 한 써모커플은 가열단에 T1에 있고 개방단에 T2가 있습니다. 두 번째 써모커플은 T2에 가열단이 있고 T3에 개방단이 있습니다. T1을 측정하는 써모커플의 기전력 수준은 V1입니다. 그리고 다른 써모커플의 기전력 수준은 V1입니다. 그리고 다른 써모커플의 경우는 V2입니다. 두 기전력의 합 V1+V2는 T1과 T3사이에서 작동하는 써모커플 결합해 생성한 기전력 V3와 같습니다. 이 법칙의 장점 덕분에, 한쪽 개방단 기준 온도에 맞춰 지정된 써모커플은 다른 쪽 개방단 온도에도 이용할 수 있습니다.

 

RTD를 사용한 온도 측정

일반적인 저항온도검출기는 삼축을 가는 백금 와이어로 감고 보호 코팅을 한 구조로 되어 있습니다. 보통 심축과 코팅은 유리나 세라믹입니다.

저항온도검출기 저항 대 온도 대표의 평균 기울기는 알파 값 (그림 2)으로 불리는 경우가 많고, 이떄 알파는 온도 계수를 나타냅니다. 주어진 센서의 곡선 기울기는 센서에 있는 백금의 순도에 따라 다소 달라집니다.

특정 순도 및 구성의 백금과 관련해 가장 흔하게 이용하는 표준 기울기의 값은 0.00385입니다. (저항은 옴 단위로 측정하고 온도는 섭씨 단위로 측정한다고 가정). 이 기울기로 도출한 저항 대 온도 곡선을 소위 유럽식 곡선인데, 이 구성의 저항온도검출기는 유럽 대륙에서 우성적으로 광범위하게 이용되기 때문입니다. )그리고 그림에 대해서, 약간 다른 백금 구성과 관련된 또 다른 표준 기울기가 있습니다. 이 기울기는 알파 값인 0.00392로 약간 더 높고, 소위 미국식 곡선을 따릅니다.

주어진 저항온도검출기의 알파 값이 지정되지않았으면 그 값은 보통 0.00385입니다. 그러나 신중하게 확인해야 하고, 특히 측정할 온도가 높을 경우에 그러합니다. 이 점은 그림 2에서 볼 수 있는데, 가장 널리 이용되는, 즉 0°C에서 저항이 100옴인 저항온도검출기의 유럽 및 미국식 곡선을 보여줍니다.

 

써미스터를 사용한 온도 측정

써미스터의 저항-온도 관계는 부의 관계이고 아주 비선형적입니다. 그리고 이러한 특징은 회로망을 설계해야 하는 기술자에게 심각한 문제가 됩니다. 그러나 대응쌍에 써미스터를 이용하면 비선형성을 서로 상쇄하기 때문에 어려움을 줄일 수 있습니다. 더욱이 판매 회사는 써미스터의 선형성 부족을 내부적으로 보상하는 패널 계측기와 제어장치를 제공합니다.

써미스터는 보통 25C에서 그 저항에 따라 지정됩니다. 가장 흔한 정격은 2252옴이고 그외에 5000 및 10,000옴이 있습니다. 별도로 상반되게 지정하지 않으며, 대부분의 장비는 2252 타입의 써미스터를 허용합니다.

 

적외선센서를 사용한 온도 측정

이들 장치는 표면에서 방출하는 복사선의 양을 측정합니다. 전자기 에너지는 모든 물질에서 그 온도에 관계 없이 방사됩니다. 많은 공정 환경에서, 에너지는 적외선 영역에 있습니다. 온도가 오르면 적외선 복사선의 양과 그 평균 빈도가 증가합니다.

다양한 물질이 다양한 수준의 효율로 방출됩니다. 이 효율은 0과 1 또는 0과 100% 사이의 10진수나 백분율의 복사능으로 수령화됩니다. 피부를 포함한 대부분의 유기 물질은 복사능 0.95를 보이는 경우가 많습니다. 반면 광택이 있는 금속 대부분은 상온에서 방출이 버효율적인 경향이 있고, 복사능이나 휴율이 20% 이하인 경우가 많습니다.

올바로 기능하려면, 적외선 측정 장치는 측정할 표면의 복사능을 고려해야 합니다. 복사능 수준이 알려지지 않은 경우 적외선으로 오도를 측정하는 현실적인 방법은 보호 테이프 (복사능 95%)나 고도의 복사성 테이프로 포면을 덮어 복사능을 알려진 수준으로 "강제"하는 것입니다. "

센서 입력 일부를 구성하는 에너지는 목표한 장치나 물질 표면에서 방출되지 않는 대신 다른 장치나 물질에서 방출되어 그 표면에 반사된 에너지입니다. 복사능은 표면에서 방출하는 에너지와 관련이 있지만, 반면 "반사"는 다른 우너천에서 반사된 에너지와 관련이 있습니다. 불투명한 물질의 복사능은 반사율의역 지표입니다. 복사능이 좋은 물질은 입사 에너지를 반사하지 않고, 따라서 표면 온도를 측정할 때 센서에 도달하는 에너지 대부분이 온도가 다른 용광로 같은 곳에서 반사된 것일수 있습니다. 뜨겁고 불필요한 반사성 대상에는 주의하십시오.

적외선 장치는 카메라와 같아서 특정한 시야를 다룹니다. 예를 들어 이 장치는 1도의 시각 원추나 100도의 원추를 "볼" 수 있습니다. 표면을 측정할 때 표면이 시야를 완전히 채우는지 확인해야 합니다. 대상 표면이 처음에 시야를 채우지 않으면, 가까이 이동하거나, 시야가 더 좁은 장비를 이용하세요. 아니면 장치를 판독할 때 단순히 배경 온도를 고려해도 됩니다 (배경 온도에 맞춰 조정).

 

온도센서의 원리

 

열전대 온도센서(Thermocouple)

열전대(써모커플)는 기본적으로 두 개의 막대와 서로 다른 금속으로 만들어지고 끝에서 이들이 만나게 되는 전선으로 구성됩니다. 특정 시점에서 온도의 변화는 양 끝간의 기전력(emf)에 변화를 가져오게 됩니다. 온도가 상승하게 되면 써모커플의 출력 emf는 상승하지만 반드시 선형인 것은 아닙니다. 열전대의 두 개의 서로 다른 금속, 즉 금속 쌍은 J, K, T, E, N, R, S, B, C, G, D와 같이 다양한 타입이 정해져 있으며, 이 타입에 따라 온도 범위와 기전력 대 온도 값 데이터가 달라집니다.

RTD(Resistance Temperature Detector) / Thermistor

RTD와 써미스터는 저항온도센서로, 온도가 변하면 물질의 전기 저항도 변한다는 사실을 이용합니다. RTD는 금속의 저항 변화에 의존하며 저항은 온도에 대략 선형으로 상승합니다. 써미스터는 반도체의 저항 변화에 근거하며 온도가 상승하면 저항은 비선형으로 떨어지게 됩니다.

적외선 온도계

적외선 온도계는 비접촉 온도센서 입니다. 적외선 센서는 물질이 방사하는 열복사를 측정하여 온도를 추론합니다. 측정 물체의 방사율과 측정 거리에 따라 측정 정밀도가 달라지나, 측정 대상에 접촉할 수 없는 경우에 사용되는 센서입니다.

바이메탈 온도센서

바이메탈 장비는 서로 다른 금속 간의 열팽창율의 차이를 이용합니다. 두 가지 금속 막대가 함께 결속 된 설계로, 측정단이 가열되면 한 쪽이 다른 쪽 보다 더 팽창하고 구부러져 이는 기계적으로 연결된 눈금에서 온도로 판독됩니다. 이러한 장비는 휴대용이며 전원공급을 필요로 하지 않지만 써모커플이나 RTD 만큼 정확하지 않으며 온도 기록을 위하여 정보를 제공하기 힘듭니다.

액체 팽창 온도센서

액체 팽창 온도센서는 학교나 가정에서 흔히 사용하는 유리구 온도계로, 보통 수은과 유기액체의 두 가지 유형으로 제공됩니다. 액체 대신 기체를 사용하는 것도 있습니다. 수은은 환경 유해물질로 규정되어 이제 수은 온도계는 거의 사용되지 않습니다. 액체 팽창 온도센서는 전력을 필요로 하지 않으며 폭발위험이 없고 반복적으로 사용해도 안정적입니다. 그 반면에 쉽게 기록 및 전송 가능한 데이터를 생성하지 못하며 지점 측정을 하지 못합니다.

상태 변화 온도센서

상태 변화 온도 센서는 온도라벨, 펠릿, 온도 크래용, 온도라커와 같이 특정 온도에 도달하면 모양이 변하는 액체결정으로 구성됩니다. 온도라벨로 예를 들자면 측정 대상에 부착하고, 측정 대상이 특정 온도를 초과하면, 부착된 센서 라벨의 하얀 점이 검은색으로 상태가 변하는 방식입니다. 응답 시간은 보통 몇 분 정도 걸리므로 이 장비는 단기 적인 온도 변화에는 반응하지 않습니다. 그리고 정확도는 다른 유형의 센서들보다 낮습니다. 추가로 상태의 변화는 액체결정 디스플레이의 경우를 제외하고는 비가역적입니다. 그렇지만 상태 변화 센서는 예를 들어 제품이 배송되는 동안 장비 또는 물질의 온도가 특정 수준을 넘지 않았는지 확인해야 하는 경우 유용합니다.

 

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PT100Ω RTD온도표