열전대, RTD 및 서미스터로 온도 측정

측정 온도

다양한 센서 중에서 선택하여 온도 현상을 측정 가능한 신호로 변환할 수 있습니다. 세 가지 일반적인 센서 종류는 열전대, RTD 및 서미스터입니다. 

 

열전대는 제베크 효과로 알려진 원리에 따라 작동합니다. 서로 다른 금속으로 만들어진 두 개의 와이어가 한쪽 끝에서 결합되고 가열되면 열전 회로가 형성되어 "콜드"끝에서 제베크 전압으로 알려진 측정 가능한 전압 차이가 발생합니다.

주어진 금속 쌍은 해당 금속의 특성에 따라 온도 범위, 감도 및 오류가 다릅니다.

 

 

그림 1. 제베크 효과의 그림

 

 

열전대의 각 유형은 금속의 유일한 쌍으로 이루어져 있습니다. 온도 측정을 위해 선택한 열전대 유형의 작동 사양을 이해해야 합니다. 일부 열전대는 매우 비선형 전압-온도 관계를 희생시키면서 넓은 온도 범위를 제공하는 반면, 다른 열전대는 더 작은(그러나 더 선형적인) 온도 범위를 제공합니다.

 

저항 온도 감지기(RTD)는 주변 온도 변화에 따라 저항을 변경하여 작동하는 능동 측정 장치입니다. RTD는 일반적으로 세라믹 또는 유리 코어와 안정성으로 인해 종종 백금인 얇은 금속 권선으로 구성됩니다.

 

 

그림 2. 기본 저항 온도계 구성 요소

 

 

대체 구성은 서로 다른 절연 및/또는 권선 재료를 사용하므로 성능과 온도 범위가 다릅니다. 또 다른 옵션인 박막 RTD는 절연 재료 층 사이에 얇은 금속 층으로 구성됩니다. 이 스타일은 RTD 표면 전체에 걸쳐 보다 균일한 접촉을 제공하기 때문에 표면 온도 측정에 가장 적합합니다.

 

RTD가 온도를 측정하는 기능의 핵심은 금속 권선의 열적 특성입니다. 이러한 특성을 잘 이해하면 측정 된 저항에서 온도를 안정적으로 예측할 수 있습니다. 예측 가능한 저항-온도 관계는 정확한 온도 측정 장치로 이어집니다.

 

RTD와 같은 서미스터는 주변 온도 변화에 따라 저항을 변경하여 작동하는 능동 측정 장치입니다. 그들은 작은 비드, 디스크, 웨이퍼 또는 기타 용기에 압착되고 에폭시 또는 유리로 코팅 된 금속 산화물 반도체로 구성됩니다.

서미스터는 반도체 재료로 구성되어 있기 때문에 모든 측정 장치 중 최고의 감도를 제공하며 더 작은 온도 변화를 측정하는 데 이상적입니다. 또한 일반적으로 RTD보다 훨씬 높은 저항을 가지고 있습니다. RTD와 달리 서미스터는 일반적으로 음의 온도 계수 장치이므로 온도가 증가함에 따라 저항이 감소합니다.

 

온도 센서 비교

세 가지 유형의 온도 센서의 경우 각 센서의 차이점과 유형을 각각 고려하기 전에 이 세 가지 중 하나를 높은 수준으로 좁히는 것이 중요합니다. (열전대, RTD, 써미스터)

 

온도 센서의 장점과 단점

 

예산에서 하드웨어 기능에 이르기까지 한계 또는 요구 사항에 따라 각 센서에는 각 센서 유형에 장단점이 있습니다. 어플리케이션에 가장 적합한 센서를 선택하기 위해 테스트 요구 사항을 이해하고 우선 순위를 지정하는 것이 중요합니다.

 

센서	장점	단점
열전대	견고한 간단한 싸다 외부 전원 없음 넓은 온도 범위 다양한 스타일	비선형 응답 작은 감도 작은 출력 전압 CJC 필요 가장 안정성이 낮음
증권 시세 표시기	가장 안정적 좋은 선형성 가장 정확한	낮은 감도 외부 전원 공급 비용이 많이 드는 작은 출력 저항 자체 발열 오류
서미스터	빠른 높은 입력 리드 저항 오류 최소화	제한된 온도 범위 외부 전원 공급 비선형 더 깨지기 쉬운 자체 발열 오류

표 1. 온도 센서 유형의 장단점

 

온도 센서 특성

 

센서를 선택할 때 각 특성이 측정에 미치는 영향을 이해하고 프로젝트 요구 사항에 밀접하게 부합하는 센서를 선택해야 합니다. 다음 특성을 사용하여 온도 센서 기능 및 성능을 정의합니다. 이러한 특성은 모든 온도 센서 유형에 적용되지만 몇 가지주의 사항과 코너 케이스가 있습니다. 표 2는 세 가지 공통 센서의 서로 다른 특성을 비교합니다.

 

사용할 온도 센서, 열전대, RTD 또는 서미스터를 선택한 후 애플리케이션에 적합한 센서를 선택하기 전에 추가 센서 고려 사항을 검토하십시오.

 

특성	열전대	증권 시세 표시기	서미스터
온도 범위	훌륭한 -210 °C에서 1760 °C	대 -240 °C에서 650 °C	좋다 -40 °C에서 250 °C
선형성	박람회	좋다	가난한
민감	낮다	보통	매우 높음
응답 시간	중간에서 빠름	보통	중간에서 빠름
안정성	Fair	Good	Poor
정밀eh	보통	높다	보통
자체 발열에 취약	아니요	예, 최소	예, 매우
내구성	훌륭한	좋다	가난한
비용	최저	높다	낮다
신호 컨디셔닝 요구 사항	냉접점 보상 증폭 개방형 열전대 감지 스케일링	흥분 리드 저항 보정 스케일링	흥분 스케일링

표 2. 온도 센서 유형 비교

 

온도 범위

센서의 온도 범위는 센서가 안전하게 작동하고 정확한 측정을 제공하도록 평가되는 온도를 정의합니다.

 

• 열전대: 각 유형에는 해당 열전대를 만드는 데 사용되는 금속의 특성에 따라 지정된 온도 범위가 있습니다.
• RTD: 더 나은 선형성과 정확도를 위해 더 작은 온도 범위를 교환합니다.
• 서미스터: 가장 낮은 온도 범위이지만 뛰어난 감도를 제공합니다.

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

 

선형성

이상적인 센서는 완벽하게 선형 응답을 갖습니다: 온도의 단위 변화는 센서의 전체 온도 범위에서 전압 출력의 단위 변화를 초래합니다.

그러나 완벽한 선형의 센서는 없습니다. 그림 3은 이 리소스가 검사하는 세 센서의 온도 대 전압 응답에 대한 아이디어를 제공합니다.

그림 3. 센서의 온도-출력 응답

 

민감

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

 

그러나 이러한 민감도는 선형성을 희생합니다. 이는 측정하는 온도에 대한 이상적인 센서 선택을 결정할 때 중요한 요소가 될 수 있습니다. 작은 온도 범위에서 차수의 변화를 캡처하려는 경우 서미스터 또는 RTD가 더 이상적입니다. 더 넓은 온도 범위에서 더 큰 온도 변화를 포착하려면 열전대가 충분할 수 있습니다. 그림 4는 전압에 대한 상대적인 아이디어를 제공합니다.

 

그림 4. 다양한 온도 센서 유형의 감도

 

응답 시간

응답 시간은 센서가 온도 변화에 반응하는 데 걸리는 시간을 측정한 것입니다. 많은 요인으로 인해 응답 시간이 증가하거나 감소할 수 있습니다.

 

예를 들어, 더 큰 RTD 또는 서미스터는 작은 RTD 또는 서미스터보다 응답 시간이 느립니다. 이러한 단점과 열악한 열 션트 대신 더 큰 RTD 또는 서미스터는 자체 발열에 덜 민감합니다.

오류. 유사하게, 접지되지 않은 열전대 접합은 전기 절연에 대한 대가로 더 느린 응답 시간을 제공합니다. 그림 5는 접지되지 않은 열전대와 접지된 열전대의 응답 시간의 상대적 차이를 보여줍니다.

 

그림 5. 접지 대 접지되지 않은 열전대의 응답 시간

 

안정성

온도 센서의 안정성은 주어진 온도에서 일관된 출력을 유지하는 능력을 나타냅니다.

 

재료는 주어진 센서의 안정성에 중요한 역할을 합니다. RTD는 이러한 이유로 백금으로 구성되는 경우가 많으며 낮은 반응성을 보장합니다. 그러나 백금이 접착되는 기판은 고온에 장기간 노출되면 변형될 수 있으며, 이로 인해 측정된 저항이 변경되는 예상치 못한 추가 변형이 발생할 수 있습니다.

 

 

정확성

모든 측정 어플리케이션과 마찬가지로 정확도 요구 사항을 이해하는 것은 신뢰할 수 있는 결과를 보장하는 데 매우 중요합니다. 센서 및 측정 하드웨어 선택은 절대 측정 정확도에 중요한 역할을 하지만 케이블 연결, 다른 장비와의 상대적 근접성, 차폐, 접지 등과 같은 작은 세부 사항도 모두 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

센서를 선택할 때 지정된 허용 오차와 해당 사양에 영향을 줄 수 있는 모든 요소(예: 고온에 장기간 노출)를 기록해 두십시오. 또한 정확도가 유사한 센서와 측정 장치를 선택할 때 주의하십시오. 엄격한 허용 오차 RTD는 더 많은 비용이 들지만 저품질 측정 장치를 사용하는 경우 추가 정확도를 달성하지 못할 수 있습니다.

 

 

내구성

온도 센서가 애플리케이션 기간 동안 작동 상태를 유지하도록 하려면 온도 센서를 배포하는 환경을 이해해야 합니다. 일부 센서(예: 열전대)는 구조 때문에 본질적으로 내구성이 더 높습니다. 그러나 특정 열전대에 대해 선택된 금속은 부식에 대한 내성이 다릅니다. 또한 절연 광물과 보호 금속 피복으로 둘러싸인 센서는 시간이 지남에 따라 마모 및 부식에 더 강하지 만

더 많은 비용이 들고 감도가 낮습니다. 또한 다양한 센서 구성에는 견고한 물리적 및 열적 연결을 보장하기 위한 특별한 장착 요구 사항이 있을 수 있습니다.

 

 

비용

프로젝트의 모든 측면과 마찬가지로 비용은 주요 제한 요소가 될 수 있습니다. 예를 들어, 채널 수가 많은 응용 분야에서 RTD의 선형성 이점은 열전대 대비 비용의 상대적 증가보다 클 수 있습니다. 또한 총 시스템 비용을 고려할 때 배선, 장착 및 신호 컨디셔닝의 추가 비용을 고려해야 합니다.

 

올바른 센서 선택

온도 센서를 선택할 때 네 가지 주요 응용 요소를 고려하십시오.

1. 측정 응용 프로그램 및 요구 사항을 이해합니다.

• 온도가 얼마나 빨리 변할까요? 적절한 응답 시간을 결정합니다.
• 배포 기간은 얼마이며 센서는 얼마나 서비스 가능합니까? 유지 보수를 줄일 수 있을 만큼 내구성이 뛰어난 센서 유형을 선택하십시오.
• 얼마나 많은 정확도가 필요합니까? 센서 정확도가 전체 측정 정확도에 미치는 영향을 고려하십시오.

 

2. 측정해야 하는 온도 범위를 결정합니다.

• 가능한 전체 온도 범위 이상에서 작동하는 센서 유형을 선택하십시오.
• 범위 요구 사항을 충족하는 각 유형의 선형성을 고려하십시오. 관심 범위에서 가장 선형적인 응답을 가진 유형을 선택하여 전압 또는 저항-온도 변환 정확도를 개선하십시오.

 

3. 센서를 배포하는 환경을 고려하십시오.

• 화학 물질 노출에 저항할 수 있는 적절한 피복재를 선택하십시오.
• 접지 루프/노이즈를 방지하기 위해 분리가 필요한지 확인합니다.
• 센서가 진동이나 마모에 노출될 경우 이를 견딜 수 있는 등급인지 확인하십시오.

 

4. 센서를 장착하는 방법을 고려하고 열 연결을 최대화하기 위해 적절한 장착 스타일을 선택하십시오.

 

온도 측정을 위해 열전대, RTD 및 서미스터 사이를 좁힌 후에는 구매할 센서 유형에 영향을 미치고 영향을 미치는 각 센서 범주에 대한 몇 가지 특정 고려 사항이 있습니다.

 

 

열전대 센서 고려 사항

 

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

 

유형은 일반적으로 문자 지정으로 정의되며 일반적인 유형은 E-, J-, T-, K-, C-, R- 및 S-유형입니다. NI의 온도 하드웨어 작업은 모두 NIST(미국 국립표준기술원) 표준 열전대입니다. 열전대 유형은 열전대를 만드는 데 사용되는 금속을 정의합니다. 따라서 열전대의 작동 범위, 정확도 및 선형성도 정의합니다.

 

다음 그래프는 온도 범위에서 다양한 열전대 유형의 전압 응답을 보여줍니다.

 

 

그림 6. 다양한 열전대 유형의 온도 반응

 

열전대의 유형 외에도 외장 구성을 선택해야합니다. 이러한 옵션 중 일부는 접지, 절연, 밀봉 및 노출을 포함하여 그림 7에 나와 있습니다.

 

열전대의 유형 외에도 외장 구성을 선택해야합니다. 이러한 옵션 중 일부는 접지, 절연, 밀봉 및 노출을 포함하여 그림 7에 나와 있습니다.

 

그림 7. 열전대 옵션

 

 

각 구성에는 응답 시간, 노이즈 내성 및 안전성과 관련하여 장단점이 있습니다. 표 3에서는 각 구성 옵션의 영향에 대한 개요를 제공합니다.

 

접합 구성	장점	단점
노출	가장 빠른 응답 (~ 0.1 초에서 2 초)	접지 루프 및 잡음 가능성 화학적 보호 없음 물리적 손상에 가장 취약
노출된 비드	빠른 응답 (~ 15 초)	접지 루프 및 잡음 가능성 화학적 보호 없음 물리적 손상이 발생하기 쉽다.
밀봉 및 접지	물리 화학적 보호	느린 응답 (~ 40 초) 접지 루프 및 잡음 가능성
밀봉 및 절연	물리 화학적 보호 전기 보호(접지 루프 및 노이즈 방지)	가장 느린 응답(~75초)

표 3. 열전대 접합 구성 개요

 

 

RTD 센서 고려 사항

 

다양한 유형의 RTD에는 리드선 수, 와이어 재료 및 물리적 구성의 세 가지 기본 정의 속성이 있습니다.

 

 

리드선의 수

RTD는 능동 센서이기 때문에 저항으로 변환될 수 있는 측정 가능한 전압 강하를 생성하기 위해 외부 여기가 필요합니다. 저항 값은 일반적으로 매우 낮기 때문에 리드선 저항으로 인해 측정이 덜 정확해질 수 있습니다. 이 때문에 RTD는 종종 다중 와이어 구성으로 제공됩니다. 리드선 구성의 수는 2에서 4까지 다양합니다.

 

• 2선식 RTD는 사용이 가장 간단하지만 리드선의 저항이 RTD 소자의 측정된 저항에 비해 중요한 경우 측정 정확도에 영향을 줄 수 있습니다.

 

그림 8. 2선식 RTD

 

 

• 3선 RTD는 산업 응용 분야에서 가장 일반적입니다. 이를 통해 측정 하드웨어가 리드선 저항을 특성화하고 수정할 수 있으므로 보다 정확한 측정이 가능합니다. 그러나 리드선 저항의 불일치는 예기치 않은 측정 오류로 이어질 수 있습니다.

• 

그림 9. 3선식 RTD

 

 

• 4선 RTD는 여기 및 저항 측정을 위한 별도의 경로를 제공합니다. 이를 통해 리드선 저항 보정이 가능하며 여기 신호의 모든 노이즈를 격리할 수 있습니다. 4선 RTD는 또한 일치하지 않는 리드선 저항에 영향을 받지 않지만 4선 저항 측정이 가능한 측정 하드웨어가 필요합니다.

 

그림 10. 4선식 RTD

 

와이어 재질

 

각 RTD LED 와이어 구성은 서로 다른 재료로 구성될 수 있습니다. 와이어 재료의 선택에 영향을 미치는 두 가지 핵심 요소는 배치 환경과 온도 범위입니다. 테스트 환경을 이해하면 예상되는 침수, 화학 물질 및/또는 마모를 견딜 수 있는지와 같은 다양한 제약 조건에서 사용할 수 있는 재료를 제한할 수 있습니다. 와이어 재질과 크기 조정도 리드선 구성에 따라 리드 저항에 영향을 미칩니다.

 

 

물리적 구조

 

물리적 구성은 응용 프로그램에 따라 다릅니다. 센서를 장착해야 하는 방법, 전기 절연 요구 사항 및 센서를 담글 매체 유형(액체, 가스, 고체 표면 등)을 고려하십시오.

 

사용 가능한 구성에는 기본 RTD 소자, 박막 표면 소자 및 RTD 소자를 금속 피복으로 감싸고 전기적으로 절연할 수 있는 프로브가 포함됩니다.

그림 11. RTD 구성 스타일

 

 

서미스터 센서 고려 사항

 

모든 온도 센서와 마찬가지로 서미스터에서 고려해야 할 중요한 요소는 재료 구성과 온도 범위, 감도, 정확도 등에 대한 후속 영향입니다.

 

센서 공급업체는 센서 장착 방법과 내화학성/내마모성 기능에 영향을 미치는 다양한 금속 산화물 조성 및/또는 케이싱 재료를 제공할 수 있습니다. 서미스터는 또한 다양한 응용 분야에 적합한 다양한 물리적 구성으로 제공됩니다. 그림 12에서는 이러한 옵션 중 일부를 보여 줍니다.

그림 12. 서미스터 구성

 

RTD와 달리 서미스터는 저항이 존재할 수 있는 리드선 저항보다 몇 배 더 크기 때문에 2선 이외의 구성이 거의 필요하지 않습니다. 측정된 저항에 대한 리드선 저항의 영향은 최소화되며 종종 무시할 수 있습니다.

 

온도 센서를 위한 신호 컨디셔닝

센서 자체의 특성(작동 범위, 감도, 선형성, 응답 시간 등) 외에도 각 센서 유형이 측정 하드웨어에 부과하는 요구 사항을 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, 서미스터, 열전대) 모두에 대한 신호 컨디셔닝:

• 증폭
• 오프셋 오류 조정
• 온도 단위로 스케일링
• 리드 저항 보정
• 채널 간 절연
• 필터링

열전대를 위한 신호 컨디셔닝:

• 냉접점 보상
• 개방 열전대 감지

RTD 및 서미스터를 위한 신호 컨디셔닝:

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