열전쌍, RTD, 써미스터로 온도 측정하기

온도 측정하기

온도 현상을 측정 가능한 신호로 변환하는 센서는 여러가지가 있습니다. 세 가지 일반적인 센서 종류는 열전쌍, RTD, 써미스터입니다. IC 또는 FBG (Fiber Bragg Gratings)와 같은 다른 온도 측정 센서를 사용할 수 있습니다. 단, 이는 이 자료에서 다루지 않을 것입니다.

열전쌍은 제베크 효과라는 원리에 따라 작동합니다. 서로 다른 금속으로 만들어진 두 개의 와이어를 연결하고 한쪽 끝을 가열하면 "차가운" 끝부분에서 제베크 전압이라 불리는 측정 가능한 전압 차를 일으키는 열전기 회로가 형성됩니다. 주어진 금속 쌍은 해당 금속의 특성에 따라 온도 범위, 민감도, 에러가 달라집니다.

그림 1. 제베크 효과의 예시

각 유형의 열전쌍은 고유한 금속 쌍으로 구성됩니다. 온도를 측정하기 위해 선택한 열전쌍 유형의 작동 사양을 이해해야 합니다. 일부 열전쌍은 매우 비선형적인 전압-온도 관계를 잃어가면서 온도 범위를 넓히는 반면 다른 열전쌍은 더 작은 (그러나 더 선형적인) 온도 범위를 제공합니다.

RTD (측온 저항체)는 주변 온도의 변화에 따라 저항을 바꿔 작동하는 능동적인 측정 디바이스입니다. RTD는 일반적으로 세라믹 또는 유리 코어와 안정성 때문에 종종 백금을 사용하는 얇은 금속 권선으로 구성됩니다.

그림 2. 기본 측온 저항체 구성요소

다른 설정은 다른 절연 및/또는 권선 재료를 사용하므로 성능과 온도 범위가 다릅니다. 또 다른 옵션인 박막 RTD는 절연 재료 층 간에 얇은 금속 층으로 구성됩니다. 이렇게 하면 RTD 표면 전체에서 더 균일하게 접촉될 수 있어 표면 온도 측정에 가장 적합합니다.

RTD가 온도를 측정하는 역량의 핵심은 금속 권선의 열 특성입니다. 이러한 속성을 잘 이해하면 측정된 저항에서 온도를 확실하게 예측할 수 있습니다. 예측 가능한 저항-온도 관계는 정확한 온도 측정 디바이스로 이어집니다.

RTD와 같은 써미스터는 주변 온도 변화에 따라 저항을 바꿔 작동하는 능동적인 측정 디바이스입니다. 금속 산화물 반도체는 작은 비드, 디스크, 웨이퍼 또는 기타 용기에 압착되어 있고 에폭시 또는 유리로 코팅되어 있습니다. 써미스터는 반도체 재료로 구성되어 있기 때문에 모든 측정 디바이스 중 민감도가 가장 좋아 작은 온도 변화를 측정하는 데 이상적입니다. 또한 일반적으로 RTD보다 저항이 훨씬 높습니다. RTD와 달리 써미스터는 일반적으로 음의 온도 계수 디바이스로, 이는 온도가 증가하면 저항이 감소한다는 의미합니다.

온도 센서 비교하기

세 가지 다른 유형의 온도 센서를 사용하는 경우 각 센서의 차이점과 유형을 각각 고려하기 전에 상위 레벨에서 이 세 가지 중 선택 범위를 좁히는 것이 중요합니다.

세 가지의 일반적인 옵션 중에서 무엇을 선택해야 할지 잘 모르겠다면 먼저 표 1을 통해 몇 가지 기본과 개괄적인 장점과 단점을 검토하십시오. 세부 사항이 필요하면 표 2의 센서 특성과 비교를 검토하십시오.

사용할 온도 센서, 열전쌍, RTD 또는 써미스터를 선택한 후 각 센서에 대한 추가 고려사항을 검토할 수 있습니다.

• 열전쌍 선택
• RTD 선택
• 써미스터 선택

온도 센서의 장점과 단점

예산에서 하드웨어 기능에 이르기까지 제한 사항이나 요구 사항에 따라 각 센서에는 장단점이 있습니다. 어플리케이션에 가장 적합한 센서를 선택하려면 테스트 요구 사항을 이해하고 우선 순위를 지정하는 것이 중요합니다.

테이블 1. 온도 센서 유형의 장단점

온도 센서 특성

센서를 선택할 때 측정에 대한 각 특성의 영향을 이해하고 프로젝트 요구사항과 밀접하게 일치하는 센서를 선택해야 합니다. 다음 특성을 사용하여 온도 센서 기능 및 성능을 정의하십시오. 이러한 특성은 모든 온도 센서 유형에 적용되지만 몇 가지 주의 사항과 예외 사례가 있습니다. 표 2에서는 세 가지 일반적인 센서의 서로 다른 특성을 비교합니다.

사용할 온도 센서, 열전쌍, RTD 또는 써미스터를 선택한 후 어플리케이션에 적합한 센서를 선택하기 전에 센서의 추가 고려사항을 검토하십시오.

표 2. 온도 센서 유형 비교

온도 범위

센서의 온도 범위는 센서가 안전하게 작동하고 정확한 측정을 제공한다고 평가되는 온도입니다.

• 열전쌍: 각 유형에는 해당 열전쌍를 만드는 데 사용되는 금속의 특성을 기반으로 하는 지정된 온도 범위가 있습니다.
• RTD: 선형성과 정확도를 높이기 위해 더 작은 온도 범위를 교환합니다.
• 써미스터: 온도 범위는 가장 낮지만 민감도가 뛰어납니다.

센서를 노출할 수 있는 전체 온도 범위를 이해하면 센서 손상을 방지하는 동시에 더 나은 측정을 보장할 수 있습니다.

선형성

이상적인 센서는 완벽한 선형 응답을 갖습니다. 센서의 전체 온도 범위에 걸쳐 측정 단위만큼의 온도 변화는 측정 단위만큼의 전압 출력 변화를 초래합니다.

그러나 완벽하게 선형인 센서는 없습니다. 그림 3은 이 자료에서 조사한 세 가지 센서의 온도 대 전압 응답을 간략히 보여줍니다.

그림 3. 센서의 온도 대 출력 응답

민감도

주어진 센서의 민감도는 주어진 온도 변화에 대한 측정 가능한 출력의 백분율 변화를 나타냅니다. 써미스터와 같이 더 민감한 센서는 열전쌍과 같은 덜 민감한 센서보다 작은 온도 변화를 더 쉽게 감지할 수 있습니다.

그러나 이러한 민감도는 선형성을 희생시켜서 얻는 것입니다. 이것은 측정 중인 온도에 대한 이상적인 센서를 선택할 때 중요한 요소가 될 수 있습니다. 작은 온도 범위에서 아주 작은 변화를 포착하려는 경우 써미스터 또는 RTD가 더 이상적입니다. 더 넓은 온도 범위에서 더 큰 온도 변화를 포착하려면 열전쌍으로 충분할 수 있습니다. 그림 4는 전압의 상대적인 개념을 보여줍니다.

그림 4. 다양한 온도 센서 유형의 민감도

응답 시간

응답 시간은 센서가 온도 변화에 응답하는 데 걸리는 시간을 측정한 것입니다. 많은 요인이 응답 시간을 증가시키거나 감소시킬 수 있습니다.

예를 들어 더 큰 RTD 또는 써미스터는 작은 것보다 응답 시간이 느립니다. 이러한 단점과 열악한 열 분류 성능이 있는 대신 더 큰 RTD 또는 써미스터는 자체 발열 에러에

덜 민감합니다. 마찬가지로 접지되지 않은 열전쌍 접합은 전기적 절연을 제공하는 대신 응답 시간이 더 느립니다. 그림 5는 접지되지 않은 열전쌍과 접지된 열전쌍에 대한 응답 시간의 상대적인 차이를 보여줍니다.

그림 5. 접지된 열전쌍과 접지되지 않은 열전쌍의 응답 시간

안정성

온도 센서의 안정성은 주어진 온도에서 일관된 출력을 유지하는 능력을 나타냅니다.

재료는 주어진 센서의 안정성에 중요한 역할을 합니다. RTD는 이 높은 안전성과 낮은 반응성을 보장하기 위해 종종 백금으로 제조됩니다. 그러나 백금이 결합된 기판은 고온에 장기간 노출되면 변형될 수 있으며, 이로 인해 측정된 저항의 변화로 이어지는 예상치 못한 추가 변형이 발생할 수 있습니다.

정확도

모든 측정 어플리케이션과 마찬가지로 정확도 요구사항을 이해하는 것은 신뢰할 수 있는 결과를 보장하는 데 필수적입니다. 센서 및 측정 하드웨어 선택은 절대적인 측정 정확도에 중요한 역할을 하지만 케이블 연결, 다른 장비와의 상대적 근접성, 차폐, 접지 등과 같은 작은 세부 사항도 모두 정확도에 영향을 줄 수 있습니다.

센서를 선택할 때는, 지정된 허용 오차와 해당 사양에 영향을 줄 수 있는 모든 요인 (예: 고온에 장기간 노출)을 확인하십시오. 또한 정확도가 비슷한 센서와 측정 디바이스를 선택하도록 주의하십시오. 엄격한 허용 오차 RTD는 더 비싸지만 품질이 낮은 측정 장치를 사용하는 경우 추가적 정확도를 달성하지 못할 수 있습니다.

내구성

온도 센서가 어플리케이션 기간 동안 계속 작동하도록 하려면 센서를 배포하는 환경을 이해해야 합니다. 일부 센서 (예를 들어 열전쌍)는 구조 때문에 내구성이 높습니다. 그러나 특정 열전쌍에서 선택된 금속은 부식에 대한 저항이 다릅니다. 게다가 절연 광물과 보호 금속 외피로 둘러싸인 센서는 시간이 지남에 따라 마모 및 부식에 더 강하지만

비용이 더 많이 들고 민감도가 떨어집니다. 또한 서로 다른 센서 구성에는 견고한 물리적 및 열적 연결을 보장하기 위해 특별한 장착 요구사항이 있을 수 있습니다.

비용

프로젝트의 모든 측면과 마찬가지로 비용은 주요 제한 요소가 될 수 있습니다. 예를 들어 채널 수가 많은 어플리케이션에서 RTD의 선형성 이점은 열전쌍에 비해 상대적으로 비싼 비용 때문에 빛이 바랠 수 있습니다. 또한 총 시스템 비용을 고려할 때 추가되는 배선, 장착 및 신호 컨디셔닝 비용도 고려해야 합니다.

올바른 센서 선택하기

온도 센서를 선택할 때는 다음 네 가지 주요 어플리케이션 요소를 고려하십시오.

1. 측정 어플리케이션 및 요구 사항을 이해하십시오.

• 온도는 얼마나 빠르게 변합니까? 적절한 응답 시간을 결정합니다.
• 배포 기간은 얼마입니까? 센서의 유지보수성은 어떻습니까? 유지보수 필요를 줄이기 위해 내구성 높은 센서 유형을 선택하십시오.
• 정확도가 얼마나 필요합니까? 센서 정확도가 전체 측정 정확도에 미치는 영향을 고려하십시오.

2. 측정해야 하는 온도 범위를 결정하십시오.

• 가능한 전체 온도 범위를 넘어 작동하는 센서 유형을 선택하십시오.
• 범위 요구사항을 충족하는 각 유형의 선형성을 고려하십시오. 관심 범위에서 가장 선형적인 응답을 가진 유형을 선택하여 전압 또는 저항에서 온도로의 변환 정확도를 향상하십시오.

3. 센서를 배포하는 환경을 고려하십시오.

• 화학적 노출에 저항할 수 있는 적절한 피복 재료를 선택하십시오.
• 접지 루프/노이즈를 방지하기 위해 절연이 필요한지 확인하십시오.
• 센서가 진동이나 마모에 노출될 경우 이를 견딜 수 있는지 확인하십시오.

4. 센서를 장착하는 방법을 고려하고 적절한 장착 방식을 선택하여 열 연결을 최대화하십시오.

온도를 측정하기 위해 열전쌍, RTD, 써미스터 간 범위를 좁힌 후에는 구입할 센서 유형에 영향을 미치는 각 센서 범주에 대해 몇 가지 구체적으로 살펴봐야 할 고려사항이 있습니다.

열전쌍 센서 고려사항

다양한 열전쌍 유형과 구조가 있습니다. 열전쌍 센서의 두 가지 주요 측면은 유형과 피복 구성입니다.

유형은 일반적으로 문자로 정의됩니다. 일반적인 유형은 E, J, T, K, C, R, S 유형입니다. NI의 온도 하드웨어는 모든 NIST (National Institute of Standards and Technology) 표준 열전쌍에서 작동합니다. 열전쌍 유형은 열전쌍 생성에 사용되는 금속을 정의합니다. 이는 열전쌍의 작동 범위, 정확도, 선형도를 결정합니다.

다음 그래프는 온도 범위에서 다양한 열전쌍 유형의 전압 응답을 보여줍니다.

그림 6. 다양한 열전쌍 유형의 온도 응답

열전쌍 유형과 함께 피복 구성을 선택해야 합니다. 그림 7은 접지, 절연, 밀봉, 노출 등의 옵션 중 일부를 보여줍니다.

열전쌍의 유형 외에도 피복 구성을 선택해야 합니다. 그림 7은 접지, 절연, 밀봉, 노출 등의 옵션 중 일부를 보여줍니다.

그림 7. 열전쌍 피복 옵션

각 설정에는 응답 시간, 노이즈 방지, 안전성과 관련된 장단점이 있습니다. 표 3은 각 설정 옵션의 영향에 대한 개요를 제공합니다.

표 3. 열전쌍 접합 설정 개요

RTD 센서 고려사항

다양한 유형의 RTD는 도선의 개수, 와이어 재료, 물리적 구조라는 세 가지 주요 정의 속성을 가지고 있습니다.

도선 개수

RTD는 능동 센서이기 때문에 저항으로 변환할 수 있는 측정 가능한 전압 강하를 생성하려면 외부 구동이 필요합니다. 저항 값은 일반적으로 매우 낮기 때문에 도선 저항으로 인해 측정이 부정확해질 수 있습니다. 이 때문에 RTD는 종종 다중 와이어로 설정됩니다. 도선 설정 수는 2에서 4까지입니다.

• 2개 와이어 RTD는 가장 사용하기 쉽지만 도선 저항이 RTD 요소의 측정 저항에 비해 큰 경우 측정이 부정확해질 수 있습니다.

그림 8. 2개 와이어 RTD

• 3개 와이어 RTD는 산업용 어플리케이션에 가장 일반적으로 사용됩니다. 이를 통해 측정 하드웨어가 도선 저항을 특성화하고 수정할 수 있어 더 정확하게 측정할 수 있습니다. 그러나 도선 저항이 일치하지 않으면 예상치 못한 측정 에러가 발생할 수 있습니다.

  

그림 9. 3개 와이어 RTD

• 4개 와이어 RTD는 구동과 저항 측정을 위한 별도의 경로를 제공합니다. 이렇게 하면 도선 저항을 수정하고 구동 신호의 모든 노이즈를 분리할 수 있습니다. 4개 와이어 RTD는 또한 불일치 도선 저항에 영향을 받지 않지만 4개 와이어 저항을 측정할 수 있는 측정 하드웨어가 필요합니다.

그림 10. 4개 와이어 RTD

와이어 재료

각 RTD 주도 와이어는 서로 다른 재료로 구성될 수 있습니다. 와이어 재료 선택에 영향을 미치는 두 가지 핵심 요소는 배치 환경과 온도 범위입니다. 테스트 환경을 이해하면 예상되는 침수, 화학 물질 및/또는 마모를 견딜 수 있는지 등 다양한 제약 조건에서 사용할 수 있는 재료로 제한할 수 있습니다. 도선 설정에 따라 도선 재료와 크기도 도선 저항에 영향을 미칩니다.

물리적 구조

물리적 구조는 어플리케이션에 따라 다릅니다. 센서 장착 방법, 전기적 절연 요구 사항, 센서가 담기게 될 매체 유형 (액체, 기체, 고체 표면 등)을 고려하십시오.

사용 가능한 설정에는 기본 RTD 요소, 박막 표면 요소, RTD 요소가 금속 덮개에 싸여 있고 전기적으로 절연되어 있는 프로브가 포함됩니다.

그림 11. RTD 설정 스타일

써미스터 센서 고려사항

다른 온도 센서와 마찬가지로 써미스터를 사용할 때 고려해야 할 중요한 요소는 재료 구성과 온도 범위, 민감도, 정확도 등에 재료 구성이 미치는 영향입니다.

센서 공급업체는 센서 장착 방법과 내화학성/내마모성 기능에 영향을 미치는 다양한 금속 산화물 조성 및/또는 케이스 재료를 제공할 수 있습니다. 또한 써미스터는 다양한 어플리케이션에 적합한 여러 물리적 설정으로 제공됩니다. 그림 12는 이러한 옵션 중 일부를 보여줍니다.

그림 12. 써미스터 설정

RTD와 달리 써미스터는 2개 와이어 이외의 설정이 거의 필요하지 않습니다. 이유는 저항이 존재할지 모르는 도선 저항보다 수십 배 더 크기 때문입니다. 측정된 저항에 미치는 도선 저항의 영향은 미미하며 무시할 수 있는 경우가 많습니다.

온도 센서의 신호 컨디셔닝

작동 범위, 민감도, 선형성, 응답 시간 등과 같은 센서 자체의 특성 외에도, 각 센서 유형이 측정 하드웨어에 강요하는 요구사항을 고려해야 합니다.

각 유형의 온도 센서는 처리를 위해 측정된 신호를 적절하게 수집하고 디지털화하기 위해 일정 수준의 신호 컨디셔닝이 필요합니다. 선택한 측정 하드웨어는 센서만큼 정확한 측정을 보장하는 데 중요할 수 있으며 각 센서 유형의 단점을 완화하거나 악화시킬 수 있습니다.

세 가지 센서 유형 (RTD, 써미스터, 열전쌍) 모두의 신호 컨디셔닝:

• 증폭
• 오프셋 에러 조정
• 온도 단위 스케일링
• 도선 저항 수정
• 채널 대 채널 절연
• 필터링

열전쌍의 신호 컨디셔닝:

• 냉 접점 보상
• 개방형 열전쌍 감지

RTD 및 써미스터의 신호 컨디셔닝:

• 구동

NI의 일부 온도 측정 하드웨어에는 신호 컨디셔닝이 내장되어 있습니다. 온도 측정에 필요한 측정 하드웨어를 숙지하려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어 가이드를 다운로드하십시오.

NI 하드웨어에 온도 센서 연결하기

센서 또는 테스트 요구 사항을 파악한 후에는 해당 데이터를 수집할 하드웨어를 결정하는 것이 중요한 다음 단계입니다. 수집 하드웨어 품질은 수집되는 데이터의 품질을 결정합니다.

NI는 온도 데이터를 수집하기 위해 설계된 다양한 온도 측정 하드웨어를 제공하며 모든 NIST 열전쌍은 물론 일부 RTD 및 써미스터 센서와도 호환됩니다.