온도 센서

모든 센서 중 가장 일반적으로 사용되는 유형은 온도 또는 열을 감지하는 센서 유형입니다.

이러한 유형의 온도 센서는 가정용 온수 가열 시스템을 제어하는 단순한 ON/OFF 온도 조절 장치부터 복잡한 공정 제어로 플랜트를 제어할 수 있는 고감도 반도체 유형에 이르기까지 다양합니다.

우리는 학교 과학 수업에서 분자와 원자의 움직임이 열(운동 에너지)을 생성하고 움직임이 클수록 더 많은 열이 생성된다는 것을 기억합니다. 온도 센서는 물체나 시스템에서 생성되는 열 에너지의 양 또는 냉기를 측정하여 아날로그 또는 디지털 출력을 생성하는 해당 온도에 대한 물리적 변화를 "감지"하거나 감지할 수 있도록 합니다.

다양한 유형의 온도 센서를 사용할 수 있으며 모두 실제 응용 분야에 따라 특성이 다릅니다.

 

온도 센서는 두 가지 기본 물리적 유형으로 구성됩니다.

 

  - 접촉 온도 센서 유형 – 이러한 유형의 온도 센서는 감지되는 물체와 물리적으로 접촉해야 하며 전도를 사용하여 온도 변화를 모니터링해야 합니다. 광범위한 온도에서 고체, 액체 또는 기체를 감지하는 데 사용할 수 있습니다.

 

  - 비접촉식 온도 센서 유형 – 이러한 유형의 온도 센서는 대류와 복사를 사용하여 온도 변화를 모니터링합니다. 열이 상승하고 대류에서 바닥으로 추위가 가라앉을 때 복사 에너지를 방출하는 액체 및 가스를 감지하거나 적외선 복사(태양)의 형태로 물체에서 전달되는 복사 에너지를 감지하는 데 사용할 수 있습니다.

 

접촉식 또는 비접촉식 온도 센서의 두 가지 기본 유형은 전자 기계, 저항성 및 전자식의 세 가지 센서 그룹으로 세분화 할 수 있습니다. 

 

온도 센서로서의 서모스탯
서모스탯은 접촉식 전기 기계식 온도 센서 또는 스위치로, 기본적으로 니켈, 구리, 텅스텐 또는 알루미늄 등 두 개의 서로 다른 금속이 결합되어 바이메탈 스트립을 형성합니다. 서로 다른 두 금속의 선형 팽창 속도는 스트립이 열을 받으면 기계적으로 벤딩 운동을 발생시킵니다.

바이메탈 스트립은 자체적으로 전기 스위치 또는 온도 조절 장치에서 전기 스위치를 작동하는 기계적 방법으로 사용할 수 있으며, 보일러, 용해로, 온수 저장 탱크 및 차량 라디에이터 냉각 시스템의 온수 가열 요소를 제어하는 데 광범위하게 사용됩니다.

 

바이메탈 온도 조절기

온도 조절기는 열적으로 다른 두 개의 금속이 연속적으로 붙어 있습니다. 추울 때 접점이 닫히고 전류가 온도 조절기를 통과합니다. 뜨거워지면 한 금속이 다른 금속보다 더 많이 팽창하고 결합된 바이메탈 스트립이 위로(또는 아래로) 구부러져 접점을 열어 전류가 흐르지 못하게 합니다.

온/오프 온도 조절기

서모스탯은 서로 다른 두 금속이 서로 뒤로 붙어 있는 형태로 구성됩니다. 추울 때는 접점이 닫히고 전류가 서모스탯을 통과합니다. 뜨거워지면 한 금속이 다른 금속보다 더 팽창하고 접합된 바이메탈 스트립이 위로(또는 아래로) 구부려 접점을 열어 전류가 흐르지 못하게 됩니다.

서모스탯 온도 센서
온/오프 온도 조절기

바이메탈 스트립은 주로 온도 변화에 따른 움직임에 따라 크게 두 가지 유형이 있습니다. 설정된 온도 지점에서 전기 접점에 순간적으로 "ON/OFF" 또는 "OFF/ON" 유형의 동작을 생성하는 "스냅 액션" 유형과 온도가 변화함에 따라 위치가 점진적으로 변경되는 느린 "크립 액션" 유형이 있습니다.

스냅액션형 온도조절기는 오븐, 다리미, 침지 온수탱크의 온도설정점을 조절하기 위해 우리 가정에서 흔히 사용되며, 가정용 난방시스템을 제어하기 위해 벽에도 사용될 수 있습니다.

크리퍼 유형은 일반적으로 온도 변화에 따라 천천히 풀리거나 코일이 감기는 바이메탈 코일 또는 스파이럴로 구성됩니다. 일반적으로 크리퍼 유형의 바이메탈 스트립은 스트립이 길고 얇기 때문에 표준 스냅 ON/OFF 유형보다 온도 변화에 더 민감하여 온도 게이지 및 다이얼 등에 사용하기에 이상적입니다.

매우 저렴하고 광범위한 작동 범위에서 사용할 수 있지만, 온도 센서로 사용할 때 표준 스냅 동작형 온도 조절기의 주요 단점 중 하나는 전기 접점이 열릴 때부터 다시 닫힐 때까지 히스테리시스 범위가 크다는 것입니다. 예를 들어, 20도로 설정할 수 있지만 22도까지 열리지 않거나 18도까지 다시 닫힐 수 있습니다.

따라서 온도 흔들림의 범위가 상당히 높을 수 있습니다. 시판되는 가정용 바이메탈 서모스탯에는 온도 조절 나사가 있어 원하는 온도 설정 지점과 이력 레벨을 보다 정확하게 사전 설정할 수 있습니다.

 

온도 센서로서의 서미스터

서미스터는 또 다른 유형의 온도 센서로, 이름은 THERM-ally-sensitive res-ISTOR라는 단어의 조합입니다. 서미스터는 온도 변화에 노출될 때 물리적 저항을 변화시키는 특수한 유형의 저항입니다.

서미스터는 일반적으로 유리에 코팅된 니켈, 망간 또는 코발트의 산화물과 같은 세라믹 물질로 만들어져 쉽게 손상됩니다. 스냅 액션 유형에 비해 주요 이점은 온도, 정확성 및 반복성의 변화에 대한 응답 속도입니다.

대부분의 서미스터 유형은 온도가 증가함에 따라 저항값이 내려가는 부온도계수(NTC)를 가지고 있으며, 온도가 증가함에 따라 저항값이 상승하는 PTC(Positive Temperature Coefficient)도 있습니다.

서미스터는 망간, 코발트, 니켈 등의 금속 산화물 기술을 사용하여 세라믹 타입의 반도체 재료로 구성됩니다. 반도체 재료는 일반적으로 작은 압착 디스크 또는 공으로 형성되며, 이는 온도 변화에 비교적 빠르게 반응할 수 있도록 밀폐되어 있습니다.

서미스터는 실온(일반적으로 25oC)에서의 저항값, 시간 상수(온도 변화에 반응하는 시간) 및 서미스터를 통과하는 전류에 대한 전력 정격으로 평가됩니다. 저항기와 마찬가지로 서미스터는 실온에서 10's MΩ에서 몇Ω까지 저항 값을 사용할 수 있지만 감지 목적을 위해 킬로옴 값을 갖는 유형이 일반적으로 사용됩니다.

서미스터는 수동 저항 소자이며, 이는 측정 가능한 전압 출력을 생성하기 위해 전류를 통과시켜야 함을 의미합니다. 그런 다음 서미스터는 일반적으로 적합한 바이어스 저항과 직렬로 연결되어 전위 분배기 네트워크를 형성하며, 저항을 선택하면 다음과 같은 사전 설정된 온도 지점 또는 값에서 전압 출력이 제공됩니다

 

온도 센서 예

다음 서미스터는 25도에서 10kΩ의 저항값을 가지며 100oC에서 100Ω의 저항값을 갖습니다. 12V 전원 공급 장치에서 1KΩ 저항과 직렬로 연결된 경우 두 온도 모두에서 서미스터 전체의 전압 강하와 그에 따른 출력 전압(Vout)을 계산합니다.

25도

100도

 

R2(예: 1KΩ)의 고정 저항 값을 전위차계 또는 사전 설정으로 변경하면 전압 출력을 미리 설정된 온도 설정 지점에서 얻을 수 있으며, 예를 들어 60oC에서 5V 출력을 변경하면 더 넓은 온도 범위에서 특정 출력 전압 레벨을 얻을 수 있습니다.

그러나 서미스터는 비선형 장치이며 상온에서의 표준 저항 값이 서미스터마다 다르며, 이는 주로 반도체 재료로 만들어졌기 때문입니다. 서미스터는 온도에 따라 기하급수적으로 변화하므로 주어진 온도 지점에 대한 저항을 계산하는 데 사용할 수 있는 베타 온도 상수(β)가 있습니다.

그러나 분압기 네트워크 또는 Wheatstone Bridge 유형 배열과 같은 직렬 저항기와 함께 사용할 경우 분압기/교량 네트워크에 인가되는 전압에 응답하여 얻은 전류는 온도에 따라 선형입니다. 그러면 저항기의 출력 전압이 온도에 따라 선형이 됩니다.

 

저항성 온도 감지기(RTD)

또 다른 유형의 전기 저항 온도 센서는 저항 온도 감지기 또는 RTD입니다. RTD는 백금, 구리 또는 니켈과 같은 고순도 전도성 금속으로 코일에 감겨 전기 저항이 서미스터와 유사하게 온도의 함수로 변화하는 정밀 온도 센서입니다. 박막 RTD도 사용할 수 있습니다. 이 장치들은 백금 페이스트의 얇은 막이 흰색 세라믹 기판 위에 증착되어 있습니다.

저항성 RTD

저항성 온도 감지기는 PTC(양의 온도 계수)를 가지고 있지만 서미스터와 달리 출력이 매우 선형적이어서 온도를 매우 정확하게 측정할 수 있습니다.

그러나 열 감도가 매우 나쁘기 때문에 온도 변화는 1Ω/oC와 같은 매우 작은 출력 변화만 생성합니다.

더 일반적인 유형의 RTD는 백금으로 만들어지며, Platinum Resistance Thermometer 또는 PRT로 불리며, 가장 일반적으로 사용되는 Pt100 센서는 0oC에서 표준 저항 값이 100Ω입니다. 단점은 Platinum이 비싸고 이러한 유형의 장치의 주요 단점 중 하나는 가격입니다.

서미스터와 마찬가지로 RTD는 수동 저항 소자이며, 온도 센서에 일정한 전류를 통과시킴으로써 온도에 따라 선형적으로 증가하는 출력 전압을 얻을 수 있습니다. 일반적인 RTD는 0oC에서 약 100Ω의 기본 저항을 가지며 -200~+600oC의 작동 온도 범위에서 100oC에서 약 140Ω으로 증가합니다.

RTD는 저항성 장치이기 때문에 전류를 통과시키고 결과 전압을 모니터링해야 합니다. 그러나 전류가 저항 와이어를 통과할 때 저항 와이어의 자체 열로 인한 저항 변동, I2R, (옴스 법칙)은 판독치에 오류를 발생시킵니다. 이를 방지하기 위해 RTD는 일반적으로 리드 보상 및/또는 정전류 소스 연결을 위한 추가 연결 와이어가 있는 Whitstone Bridge 네트워크에 연결됩니다.

 

온도 센서로서의 열전대

열전쌍은 모든 온도 센서 유형 중 가장 일반적으로 사용되는 유형입니다. 열전대는 크기가 작기 때문에 단순성, 사용 편의성 및 온도 변화에 대한 반응 속도로 인해 인기가 있습니다. 열전대는 또한 -200oC 미만에서 2000oC를 훨씬 초과하는 모든 온도 센서 중에서 가장 넓은 온도 범위를 가지고 있습니다.

열전대는 기본적으로 용접 또는 크림핑된 구리 및 콘스탄탄과 같은 이종 금속의 두 접합부로 구성되는 열전 센서입니다. 한 접점은 기준(콜드) 접점이라고 하는 일정한 온도로 유지되고 다른 접점은 측정(핫) 접점으로 유지됩니다. 두 접점이 서로 다른 온도에 있을 때 전압이 접점을 가로질러 발생하며, 이 전압은 아래 그림과 같이 온도 센서를 측정하는 데 사용됩니다.

 

열전대 구조

열전대의 작동 원리는 매우 간단하고 기본적입니다. 구리와 콘스탄탄과 같은 두 개의 이종 금속의 접합부가 함께 융합되면 "열전" 효과가 발생하며, 이는 두 금속 사이에 수 밀리볼트(mV)의 일정한 전위차를 제공합니다. 두 접점 사이의 전압 차이를 "시벡 효과"라고 하는데, 이는 전도선을 따라 온도 구배가 생성되어 엠프를 생성하기 때문입니다. 그러면 열전대의 출력 전압이 온도 변화의 함수가 됩니다.

두 접점이 모두 동일한 온도일 경우 두 접점의 전위차가 0이 됩니다. 즉, V1 = V2로 출력되는 전압이 없습니다. 단, 회로 내에서 접점이 연결되고 두 접점 모두 온도가 다를 경우 전압 출력이 두 접점 V1~V2 간의 온도 차이에 비례하여 감지됩니다. 이 전압 차이는 접점 피크 전압 레벨에 도달할 때까지 온도에 따라 증가하며, 이는 사용된 두 개의 이종 금속의 특성에 의해 결정됩니다.

열전대는 -200도에서 +2000도 이상의 극단적인 온도를 측정할 수 있도록 다양한 재료로 만들 수 있습니다. 다양한 재료와 온도 범위로 인해 사용자가 특정 용도에 적합한 열전대 센서를 선택할 수 있도록 열전대 색상 코드와 함께 국제적으로 인정받는 표준이 개발되었습니다. 표준 열전대의 영국 색상 코드는 아래와 같습니다.

 

열전대 색상 코드

 

일반 온도 측정에 사용되는 가장 일반적인 열전대 재료는 철-콘스탄탄(타입 J), 구리-콘스탄탄(타입 T) 및 니켈-크롬(타입 K)입니다. 열전대의 출력 전압은 매우 작으며, 온도 차이가 10oC일 경우 몇 밀리볼트(mV)에 불과하며, 이러한 작은 전압 출력 때문에 일반적으로 어떤 형태로든 증폭이 필요합니다.

 

열전대 증폭

 

열전대의 잦은 재보정을 방지하기 위해서는 양호한 드리프트 안정성이 필요하기 때문에 개별 앰프 또는 작동 앰프 형태의 앰프 유형을 신중하게 선택해야 합니다. 따라서 대부분의 온도 감지 용도에 적합한 증폭기의 초퍼 및 계측 유형을 선택할 수 있습니다.

여기에 언급되지 않은 다른 온도 센서 유형에는 반도체 정션 센서, 적외선 및 열복사 센서, 의료용 온도계, 표시등 및 색상 변경 잉크 또는 염료가 포함됩니다.