RTD(Resistance Temperature Detector) 작동원리 및 유형

온도는 모든 전기 및 전자 장치의 성능에 중요한 역할을 합니다. 서미스터, 열전대, RTD(저항 온도 검출기) 등 온도를 모니터링하는 데 사용되는 다양한 센서가 있습니다. 
도체는 온도가 변화할 때 전기 저항의 변화를 경험합니다. RTD는 이 특성을 사용하여 온도를 쉽게 측정할 수 있는 비례 전기 저항으로 변환합니다.

 

 

RTD "저항 온도 검출기"란

RTD 또는 저항 온도 감지기는 금속 와이어의 전기 저항 변화를 측정하여 환경의 온도를 측정하는 데 사용되는 전기 센서입니다.

 

금속 와이어는 온도에 따라 저항이 달라지는 온도 센서라고 합니다. 저항은 온도로 변환하기 위해 다른 장치를 사용하여 측정됩니다. 다른 온도 센서에 비해 높은 정확도와 선형 특성을 가지고 있습니다.

 

RTD의 작동 원리

RTD 장치는 온도 변화로 인해 도체의 저항이 변화하는 원리로 작동합니다. 길이가 "l"이고 면적이 "a"인 주어진 도체의 저항은 다음과 같습니다;

R = ρ l / a

 

• R = 전선의 저항
• ρ = 재료의 저항률
• l = 와이어 길이
• a = 와이어의 단면적

 

ρ는 옴-cm 단위로 측정되는 재료의 저항입니다. 그것은 재료의 종류와 온도에 따라 다릅니다. RTD 작동 내내 와이어의 길이와 면적이 일정하게 유지되기 때문에 저항은 온도만의 함수가 됩니다. 따라서 주어진 온도 't'에서 금속의 저항은 다음과 같이 주어집니다

 

Rt = Ro (1 + αt)

• Rt = 온도 t에서의 저항
• Ro = 기준 온도에서의 저항
• α = 온도 계수

저항 값은 온도 계수인 α에 따라 다릅니다. 금속마다 다릅니다. 따라서 이러한 금속은 α 값이 가장 높은 RTD 소자에 가장 적합합니다.

 

RTD 구성

RTD 또는 저항 온도 감지기는 운모 베이스 주위에 저항 물질을 감아 만듭니다. 사용된 재료는 RTD의 요소를 형성하기 위해 가는 와이어로 당겨집니다. 와이어는 나선형으로 감겨 있으며 두 단자는 같은면에서 나옵니다. 요소는 스테인리스 스틸 케이스 또는 외피로 보호됩니다. 요소와 외피 사이에 절연체가 있습니다.

 

 

요소는 장력으로 인한 영향을 줄이기 위해 나선형 모양으로 설계되었습니다. 전선의 저항은 전선의 길이뿐만 아니라 온도에 따라 달라진다는 것을 알고 있습니다. 열팽창으로 인해 와이어 길이는 온도에 따라 증가하며 이는 요소의 저항에도 영향을 미칩니다. 그것은 우리가 유일한 온도가 저항을 변화시키고 와이어에 대한 물리적 변형을 변화시키지 않기를 원하기 때문에 판독에 오류를 일으킨다. 따라서 요소는 나선형으로 설계되었습니다.

외부 보호 피복은 니켈, 철 및 크롬으로 만들어진 합금 인 인코넬로 만들어집니다. 열악한 환경으로부터 내부 요소를 보호하기 위해 우수한 내식성을 가지고 있습니다. 주변 온도에 빠르게 도달하여 소자에 전달하는 우수한 열전도체입니다.

 

RTD의 유형

박막 RTD

박막 RTD 소자는 절연 기판 상에 니켈, 백금 및 구리와 같은 온도에 민감한 물질의 얇은 층을 증착함으로써 제조된다. 재료는 필요한 온도를 충족시키기 위해 패턴으로 새겨 져 있습니다. 그런 다음 단자가 요소에 부착되고 보호 덮개가 요소를 덮어 보호합니다.

권선 RTD

권선 와이어 RTD의 요소는 나선형 코일로 만들어집니다. 가장 일반적으로 사용되는 디자인 유형입니다.

권선 선체는 두 가지 유형으로 구성 할 수 있습니다.

• 가장 일반적인 디자인 유형은 상처 요소가 절연 및 보호 덮개 내부에 포장되어 있다는 것입니다. 단열재 세라믹이 사용됩니다.
• 다른 유형은 요소를 덮는 데 사용되는 추가 절연 재료와 함께 절연 코어 주위에 감긴 요소를 가지고 있습니다. 이 구조는 특수 목적 응용 분야에 사용됩니다.

 

와이어 구성

RTD는 온도를 측정하기 위해 일종의 저항 측정 회로 또는 장치에 연결되어야 합니다. 온도 판독 값은 요소의 저항에 따라 달라지기 때문에 리드 및 연결 저항과 같은 원치 않는 저항이 판독 값에 추가되어 오류가 발생합니다.

이 오차를 보상하기 위해 2 선식, 3 선식, 4 선식 및 보상 루프가있는 2 선식과 같은 다양한 유형의 와이어 구성이 사용되고 있습니다.

 

2 와이어

2선식 구성 시스템에서는 단일 리드선이 RTD 소자의 양단에 연결됩니다. 리드선은 RTD 소자를 측정 장치와 연결하는 데 사용됩니다. 이 장치는 두 리드선 1 및 2의 저항을 포함하는 회로의 총 저항을 측정하기 때문에 온도 판독값에는 이로 인한 오류가 포함됩니다. 판독값은 항상 실제 온도보다 높습니다.

 

사용되는 가장 간단한 구성입니다. 위에서 언급한 단점으로 인해 높은 정확도가 요구되지 않는 응용 분야에 사용됩니다.

 

 

3 와이어

3선식 구성에는 RTD 소자와 측정 장치 사이에 연결된 총 3개의 리드선이 포함됩니다. 두 개의 리드선은 RTD 소자의 한 면을 측정 장치에 연결하는 데 사용되며 단일 리드선은 다른 쪽을 연결하는 데 사용됩니다.

세 번째 와이어는 리드선 저항으로 인한 오류를 보상하는 데 도움이 됩니다. 빠르고 정확한 판독으로 인해 상업적으로 가장 일반적으로 사용되는 RTD 구성입니다.

리드선 3개의 길이와 사용되는 재료의 종류는 동일합니다. 리드 1 및 2는 RTD 소자와 리드 1 및 2의 전체 저항을 측정하는 데 사용됩니다. 반면 리드 1과 3은 리드의 저항만 측정하는 데 사용됩니다. 따라서 리드 저항이 전체 저항에서 차감되어 보다 정확한 온도 판독값을 얻을 수 있습니다.

그러나 세 리드 모두 저항이 동일한 경우에만 판독값이 정확할 수 있습니다. 그렇지 않으면 오류가 있을 수 있습니다. 이 오류를 0까지 제거하기 위해 4와이어 구성이 사용됩니다.

 

 

 

4 와이어

4-와이어 RTD 구성은 RTD 소자의 각 측면에 2개의 리드선이 연결되어 총 4개의 리드선이 연결됩니다. 온도 측정값이 가장 정확하지만 설치 비용이 많이 들고 응답 시간이 매우 느립니다. 정확성이 가장 중요한 실험실에서 사용됩니다.

리드선은 그림과 같이 1, 2, 3, 4로 표시하는 데 사용됩니다. 측정 장치는 리드선 4개를 모두 연결합니다. 외부 리드선 1 및 2는 RTD 소자를 통해 정전류를 전달하는 데 사용되고 내부 리드선 2 및 3은 소자 전체의 전압을 측정하는 데 사용됩니다. 전압 판독값은 옴의 법칙 V = IR을 사용하여 소자의 저항을 계산하는 데 사용됩니다.

 

2 보상 루프가 있는 와이어 구성

이 구성에는 보상 루프라고 하는 리드선의 추가 폐쇄 루프가 있습니다. 이 별도의 루프는 리드선의 저항을 측정하는 데 사용됩니다. 따라서 루프의 재질과 길이는 다른 두 리드선의 재질과 길이가 동일합니다. 그러나이 방법은 거의 사용되지 않습니다.

 

RTD  재료의 종류

RTD 소자는 전기 저항이 온도 변화에 정비례하는 순수 금속으로 구성되며, 온도 상승에 따라 저항이 증가하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 저항은 비례 온도 값을 나타내는 전압 신호로 변환됩니다.

거의 모든 도체는 온도 변화에 따라 저항의 변화를 보여줍니다. 그러나 온도 계수가 낮기 때문에 그다지 중요하지 않습니다. 그러나 최고의 성능과 선형 특성을 제공하는 특성을 나타내는 특정 금속이 있습니다. RTD 요소로 사용하려면 다음과 같은 특성을 가져야 합니다.

• 온도에 따라 높은 저항 변화를 제공하기 위해 높은 온도 계수를 가져야 합니다.
• 온도와 저항 사이에는 선형 관계가 있어야 합니다.
• 반복성, 즉 저항이 일정 기간 동안 동일한 온도에 대해 변하지 않아야 합니다.
• 내구성이 있어야합니다.
• 측정되는 온도를 견딜 수 있어야 합니다.

RTD의 원소는 일반적으로 백금, 니켈, 구리 또는 니켈 합금과 같은 양의 온도 계수를 갖는 금속으로 만들어집니다. 이 재료는 안정성과 고온 계수를 나타냅니다.

 

구리

구리는 상대적으로 높은 온도 계수, 즉 온도에 따른 높은 저항 변화로 선형 특성을 나타냅니다. 그러나 작동 온도 범위가 낮고 정확도가 낮습니다. 그것은 다른 성분 보다는 더 쌉니다. 그러므로, 고정확도 & 고열 범위가 모터 감기, 등과 같이 요구되지 않는 신청에서 사용됩니다.

 

니켈

니켈은 모든 RTD 소자 중 가장 높은 온도 계수를 나타낸다. 그러나 온도와 저항 사이의 관계는 덜 선형적입니다. 그 결과 정확도가 떨어집니다. 온도 범위는 구리보다 넓지만 백금보다 낮습니다. 정확도가 낮기 때문에 백금에 비해 가격이 저렴하기 때문에 사용됩니다.

 

백금

플래티넘은 세 가지 모두에서 가장 선형적인 특성을 보여줍니다. 높은 정확도와 반복성으로 광범위한 온도에서 작동합니다. 온도 계수가 높지만 다른 RTD 소자에 비해 비쌉니다. 백금 RTD 소자는 산업 응용 분야에서 더 일반적으로 사용됩니다.

 

RTD의 장점 & 단점

장점

RTD의 몇 가지 장점은 다음과 같습니다.

• 광범위한 온도에서 작동할 수 있습니다.
• 판독값은 일관되고 고온에서 반복 가능성이 높습니다.
• 부식에 강하고 극한 환경에 가장 적합합니다.
• 그것은 더 선형적인 특성을 가지고 있습니다.
• 광범위한 온도에서 정확도가 뛰어납니다.
• 그것은 안정되어 있고 고열 측정에 장수 경간이 있습니다.
• RTD는 쉽게 구성, 설치 및 교체됩니다.
• 차온도를 측정할 수 있습니다.
• 외딴 지역을 모니터링하는 데 적합합니다.

단점

 

RTD의 몇 가지 단점은 다음과 같습니다.

• 전류 소스가 필요합니다.
• 정확도는 배터리 상태에 따라 다릅니다.
• 자체 발열이라고도 하는 요소의 I2R 손실로 인해 열이 발생하며, 이는 측정 오류를 일으켜 정확도에 영향을 미칩니다.
• 크기가 커서 작은 지점에서 온도를 감지할 수 없습니다.
• 물리적 충격과 진동의 영향을 받습니다.
• 열전대에 비해 온도 작동 범위가 제한되어 있습니다.
• 열전대에 비해 초기 비용이 더 높습니다.
• 복잡한 작동 회로 또는 신호 조절 장치가 있습니다.
• 전원 공급 장치가 있는 브리지 회로와 같이 작동하려면 외부 회로가 필요합니다.
• 감도가 낮고 응답 시간이 느립니다.

 

RTD의 응용

RTD는 일반적으로 다양한 응용 분야에서 온도를 지속적으로 모니터링하는 데 사용됩니다. 

• 온도 제어가 중요한 응용 분야에 사용됩니다.
• 접근이 어려운 외딴 지역에서 사용됩니다.
• 자동차의 엔진 온도 및 공기 흡입구를 측정하는 데 사용됩니다.
• 식품 취급 및 제조와 같은 다양한 산업 공정에서 온도를 모니터링하는 데 사용됩니다.
• 다른 전력 전자, 의료 및 군용 전자 제품은 RTD를 사용합니다.
• 또한 온도 측정을 위한 다중 통신 및 계측에도 사용됩니다.