온도 센서 : 열전대, RTD, 써미스터

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CASE STUDY 작성자 테솔 조회 4,325회 작성일 22-05-23 11:18

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보편적으로 온도 센서는 세 가지 일반적인 온도 센서 유형(써모커플, RTD, 써미스터)을 사용합니다.
다양한 유형의 온도 센서에 익숙하지 않은 사람들에게 가장 적합한 센서를 선택하는 것은 어려운 작업일 수 있습니다.

1) 열전대 (Thermocouple)

두 개의 서로 다른 전기 전도성 물질이 서로 연결되어 루프를 형성하여 온도 차이가 있을 때, 전자는 온열기 접합부에서 냉각기 접합부로 흐르기 시작합니다. 이로 인해 온열기 접합부에서는 양전하가 발생하고 냉각기 접합부에서는 음전하가 발생하여 전압이 생성됩니다. 이러한 현상은 제벡(Seebeck) 효과로도 알려져 있습니다.

열전대는 온도를 측정하기 위해 이 효과(시벡효과)를 활용합니다. 열전대는 두 개의 서로 다른 유형의 금속 와이어로 구성되며, 각 금속 와이어는 회로를 형성합니다. 와이어 간의 접합부 중 하나에서 온도 변화가 발생하면 Seebeck 효과를 통해 생성된 전압을 측정하여 온도를 계산할 수 있습니다. 열전대 와이어의 전압은 차동 온도를 나타내므로 "냉접점 보상(콜드 정션 보상)"으로 알려진 프로세스에서 절대 온도를 결정하기 위해 기준 온도와 비교해야 합니다.

금속 와이어의 다양한 조합을 사용하여 열전대를 만들 수 있으며, 열전대 유형을 결정하는 것은 이 와이어의 조합입니다. 예를 들어, 일반적인 K형 열전대는 크롬과 알루미늄 와이어를 사용합니다. 열전대 유형 및 와이어 게이지에 따라 열전대를 사용할 수 있는 온도 범위가 결정되며 열전대의 정확도 등급에 영향을 미칩니다.

프로브 스타일은 열전대를 선택할 때 또 다른 중요한 고려 사항입니다. 온도는 서로 다른 두 와이어 사이의 접합부인 열전대 끝 부분에서 측정됩니다. 이 접합부는 노출될 수 있으며, 이 경우 두 와이어가 용접되거나 함께 꼬일 수 있습니다. 또는 와이어의 접합부를 덮는 프로브 피복(Sus 캡 등)이 있을 수 있습니다.

노출된 팁 열전대는 피복된 열전대 접합부보다 손상되기 쉬우므로 습기에 노출되어서는 안 됩니다. 단, 가격이 저렴하고 온도 응답 시간이 훨씬 빠르며 열전대를 절단 및 재용접하여 새 접합부를 만들면 수리할 수 있다는 장점이 있습니다.

피복 접합부(Sus 캡 등)는 노출된 팁 접합부보다 내구성이 뛰어납니다. 피복 접합부에는 접지된 접합부와 접지되지 않은 접합부의 두 가지 주요 유형이 있습니다. 접지된 접합부에서는 두 열전대 와이어가 금속 피복에 전기적으로 연결됩니다(일반적으로 납땜 또는 용접됨). 따라서 금속 피복과 열전대 접합부만 가열하면 열전대가 온도 변화를 반영할 수 있기 때문에 응답 시간이 비교적 빠릅니다. 그러나 접지된 피복은 전기적 간섭 및 접지 문제에 민감할 수 있으며, 이는 온도 판독의 정확성과 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다.

접지되지 않은 접합부에는 프로브 피복 내부와 열전대 와이어 사이에 절연체가 있으며 피복과 열전대 와이어 사이에는 전기적인 연결이 없습니다. 접지되지 않은 접합부는 접지된 접합부보다 전기적 간섭 및 접지 문제에 덜 취약하며, 위에 나열된 다른 접합부 유형보다 온도 응답 시간이 느립니다.

프로브 스타일 외에도 열전대를 MadgeTech 데이터로거(또는 기타 장치)에 연결하기 위해 올바른 커넥터 유형을 선택하는 것도 중요합니다. MadgeTech 데이터로거가 사용하는 세 가지 주요 커넥터 유형은 나사 단자, 미니 플러그 및 터미널 블록입니다.

멀티채널 TCTempX, TC101A, 무선 RFTCTemp2000A, TCTemp2000, Titan S8 등 외부 열전대 프로브를 수용할 수 있는 MadgeTech 데이터로거가 있습니다. 모든 MadgeTech 열전대 로거는 냉접점 보상이 내장되어 있으며 다양한 열전대 유형과 호환됩니다.

2) 저항 온도 검출기 (RTD)

저항 온도 검출기(RTD)는 저항을 사용하여 온도를 측정하는 센서입니다. RTD가 가열되면 센서의 저항이 증가합니다. 이는 반복 가능한 효과이므로 센서를 통해 소량의 전압을 발생시킨 후 회로 내 저항을 측정하면 높은 정밀도로 온도를 결정할 수 있습니다.

RTD는 일반적으로 금속 프로브 피복(Sus캡 등)에 들어 있습니다. 이러한 피복은 다양한 용도에 적합한 다양한 스타일로 제공됩니다. 여러 종류의 RTD를 사용할 수 있지만, MadgeTech 데이터로거는 PT100 프로브 타입과 호환되며, 여기서 "PT"는 물질(백금)을 나타내고 "100"은 0°C에서의 저항이 100옴을 나타냅니다.

RTD 프로브는 2-와이어, 3-와이어 및 4-와이어 구성으로 제공됩니다. 4-와이어 프로브는 최상의 정확도를 제공하므로 가능하면 4-와이어 RTD를 사용하는 것이 좋습니다. 대부분의 3선 RTD 프로브는 작동하지만 MadgeTech 장치와 함께 사용할 경우 3선 RTD 프로브의 정확성을 보장할 수 없기 때문에 2-와이어 프로브가 차선책이 될 수 있습니다. 외부 RTD 프로브를 수용하는 모든 MadgeTech 로거는 터미널 블록 또는 커넥터를 사용하여 RTD 프로브를 로거에 연결할 수 있습니다.

RTD 프로브는 일반적으로 열전대 프로브보다 훨씬 높은 수준의 정확도를 제공하므로 로깅 응용 프로그램에서 정확도가 최우선인 경우에 적합합니다. 그러나 RTD 프로브는 열전대보다 더 섬세하고 쉽게 손상되는 경향이 있으며, 열전대 프로브는 대체적으로 RTD보다 저렴합니다.

외부 RTD 프로브를 수용하는 MadgeTech 데이터로거는 RTDTemp101A, RFRTDTemp2000A, RTDTempX, Titan S8 등이 있습니다. 외부 RTD 프로브를 받아들이는 로거 외에도 많은 데이터로거들이 RTD 센서를 내장 온도 센서로 사용하고 있습니다. 예를 들어 HiTemp140 시리즈, Temp1000/RHTemp1000 및 101A 및 RF2000A 시리즈의 여러 모델은 모두 내장 RTD 센서를 사용합니다.

3) 써미스터 (Thermistors)

"써미스터"라는 단어는 "열"과 "저항기"의 합성어입니다. RTD와 마찬가지로 써미스터는 온도를 계산하기 위해 전기 저항을 측정합니다. 두 유형의 센서의 주요 차이점으로 RTD는 일반적으로 순수한 금속(일반적으로 백금)으로 구성되지만 써미스터는 다양한 반도체 재료로 구성된다는 것입니다.

써미스터는 온도 측정 외에도 다양한 용도로 사용할 수 있으며, NTC와 PTC의 두 가지 유형이 있습니다. NTC는 "부특성 온도계수"를, PTC는 "정특성 온도계수"를 의미합니다. NTC 써미스터의 경우 온도가 증가함에 따라 저항이 감소합니다. PTC 써미스터의 경우 온도가 증가함에 따라 저항이 증가합니다. 온도 측정에는 NTC 써미스터만 사용됩니다.

써미스터는 높은 수준의 정확도를 제공하지만 RTD 또는 열전대보다 훨씬 더 제한된 온도 범위를 가지고 있습니다. 대부분의 써미스터는 최대 온도 사양이 150°C이지만 일부 특수 써미스터는 더 높은 온도에서 사용할 수 있습니다.

써미스터의 또 다른 한계는 써미스터가 RTD나 열전대만큼 보편적이지 않다는 것입니다. 써미스터는 다양한 저항으로 사용할 수 있으며, 써미스터 저항으로부터 온도를 계산하는 데 사용되는 시스템은 해당 특정 저항과 사용되는 써미스터의 다른 특성으로 작동하도록 설계되어야 합니다.

이러한 제한에도 불구하고, 높은 정확도와 낮은 가격의 써미스터는 많은 응용 분야에 이상적인 솔루션입니다. 써미스터는 RTD 및 열전대와 마찬가지로 피복에 수용될 수 있는 외부 온도 탐침으로 사용할 수 있으며 일반적으로 가전제품과 같은 전자기기의 내부 온도 센서로도 사용됩니다.

CryoTemp, LyoTemp, MicroTemp 및 MicroTemp100을 포함하여 여러 MadgeTech 데이터로거의 내장 온도 센서로 써미스터를 사용합니다. 외부 써미스터와 함께 사용할 수 있는 데이터로거는 Titan S8 입니다. Titan S8은 2252와 10K NTC 써미스터와 호환됩니다. Titan S8은 앞서 나열된 모든 센서 유형을 사용할 수 있고, 8개 채널에서 세 가지 유형의 조합을 모두 지원할 수 있어 유연성이 요구되거나 여러 센서 유형이 필요한 경우 훌륭한 선택이라는 점에 주목할 필요가 있습니다.