온도 센서 개요

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개요

온도 현상을 측정 가능한 신호로 변환하는 다양한 센서 중에서 적용 분야에 적합한 센서를 선택할 수 있습니다. 일반적으로 많이 사용되는 3가지 센서는 열전쌍, RTD 및 써미스터입니다. 각각의 센서에는 고유한 원리, 고려사항, 장단점이 있습니다. 이 문서는 어플리케이션 요구사항을 충족하는 최적의 온도 센서를 선택하는 데 도움이 되는 정보와 설명을 제공합니다.

센서 자체의 특성 이외에도 작동 범위, 민감도, 선형성, 응답 시간 등과 같이 센서 유형별로 측정 하드웨어에 적용되는 요구사항을 고려해야 합니다. 예를 들어, 열전쌍은 써미스터와 달리 전류 구동이 필요하지 않지만 특정한 측정 하드웨어 시스템에서만 사용할 수 있는 냉접점 보상이 필요합니다. 온도 측정에 필요한 측정 하드웨어에 대해 자세히 알아보려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어용 가이드를 다운로드하십시오.

표 1은 다양한 온도 센서 유형을 비교한 것입니다.

 

표 1: 온도 센서 유형별 장점 및 단점

 

참고 : 이 문서에 소개되지 않은 IC 또는 FBG (Fiber Bragg Grating) 등의 기타 온도 측정 센서를 사용할 수도 있습니다.

표 2에는 이 백서에서 다루는 3가지 일반적인 센서의 다양한 특성이 표시되어 있습니다.

 

특성

열전쌍

RTD

써미스터

온도 범위

탁월

-210 °C ~ 1760 °C

우수

-240 ℃ ~ 650 ℃

양호

-40 ℃ ~ 250 ℃

선형성

우수

양호

미흡

민감도

낮음

중간

매우 높음

응답 시간

중간, 빠름

중간

중간, 빠름

안정성

우수

양호

미흡

정확도

중간

높음

중간

자체 발열에 영향을 받는지 여부

아니요

예, 미미한 영향을 받음

예, 크게 영향을 받음

내구성

탁월

양호

미흡

비용  

가장 낮음

높음

낮음

신호 컨디셔닝 요구사항

냉접점 보상

증폭

단선 열전대 감지

스케일링

구동

도선 저항 교정

스케일링

구동

스케일링

표 2: 온도 센서 유형 비교

 

온도 센서 선택 단계

  1. 측정 분야와 요구사항을 명확히 파악합니다.
    • 온도가 얼마나 빠르게 변화합니까? 적절한 응답 시간을 결정합니다.
    • 배포하는 데 걸리는 시간과 센서의 관리 수준은 어느 정도입니까? 유지보수를 줄일 수 있을 정도로 충분히 견고한 센서 유형을 선택합니다.
    • 얼마나 높은 정확도가 필요합니까? 포괄적 측정 정확도에 미치는 센서의 영향을 고려합니다.
  2. 측정해야 하는 온도 범위를 결정합니다.
    • 적용 가능한 전체 온도 범위 이상에서 작동하는 센서 유형을 선택합니다.
    • 범위 요구사항을 충족하는 각 유형의 선형성을 고려합니다. 이를 기준으로 전압 또는 저항과 온도 간의 변환 정확도를 향상시킬 수 있도록 관심 범위 이상으로 최고의 선형 응답을 제공하는 유형을 선택합니다.
  3. 센서를 배포하는 환경을 고려합니다.
    • 화학 물질의 노출에 견딜 수 있는 적합한 덮개 재질을 선택합니다.
    • 접지 루프/노이즈를 방지하기 위한 절연의 필요성을 판별합니다.
    • 진동 또는 마모 가능성이 있는 환경에서 센서가 이를 견딜 수 있는 등급을 갖추고 있는지 확인합니다.
  4. 센서의 장착 방식을 고려하고 열 전도를 극대화할 수 있는 적절한 장착 방식을 선택합니다.
  5. 온도 신호의 컨디셔닝, 수집, 분석, 표시 및 저장에 필요한 측정 하드웨어를 선택합니다. 자세한 내용은 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어용 가이드를 참조하십시오.
 

 

온도 센서 특성

다음 특성을 사용하여 온도 센서 기능 및 성능을 정의하십시오. 이러한 특성은 모든 유형의 온도 센서에 적용되지만 몇 가지 주의사항과 특수한 사례가 존재합니다. 센서 선택 시 측정에 대한 각 센서의 영향을 이해하고 프로젝트 요구사항에 부합하는 센서를 선택해야 합니다.

온도 범위

센서의 온도 범위는 센서가 안전하게 작동하고 정확한 측정치를 제공할 수 있는 온도를 정의합니다. 각각의 열전쌍 유형은 제작에 사용된 금속의 특성에 따라 온도 범위가 지정되어 있습니다. RTD는 훨씬 높은 선형성 및 정확도를 제공하지만 온도 범위가 더 좁으며, 써미스터는 온도 범위가 가장 좁지만 민감도가 탁월합니다. 센서가 노출되는 전체 온도 범위를 이해하면 센서 손상을 예방하는 동시에 정확한 측정을 보장할 수 있습니다. 

선형성

이상적인 센서는 완벽한 선형 응답을 제공하는 센서입니다. 온도의 단위 변화는 센서의 전체 온도 범위에서 전압 출력의 단위 변화로 이어질 수 있습니다. 그러나 실제로는 완벽한 선형성을 갖춘 센서는 존재하지 않습니다. 그림 1은 이 백서에서 설명하는 3개 센서에 대한 온도와 전압 간의 응답을 보여줍니다.

그림 1: 센서의 온도와 전압 간 응답

민감도

센서의 민감도는 지정된 온도 변화에 대해 측정 가능한 출력의 변화를 백분율로 나타냅니다. 써미스터와 같이 보다 민감한 센서는 열전쌍과 같이 덜 민감한 센서보다 작은 온도 변화를 훨씬 쉽게 감지할 수 있습니다. 그러나 이 민감도는 선형성의 저하를 유발합니다. 측정할 온도에 이상적인 센서를 선택할 때 이 요인은 중요하게 작용하기도 합니다. 작은 온도 변화에 대해 도 단위의 측정치를 캡처하려는 경우 써미스터 또는 RTD가 더 적합합니다. 보다 넓은 온도 범위에서 대규모 온도 변환을 캡처할 때에는 열전쌍으로도 충분할 수 있습니다. 그림 2에는 전압과 관련된 민감도를 보여줍니다.

그림 2: 다양한 온도 센서 유형의 민감도.

 

응답 시간

응답 시간은 센서가 온도 변화에 응답하는 데 걸리는 시간을 측정한 값입니다. 응답 시간은 다양한 요인에 의해 증가하거나 감소할 수 있습니다. 크기가 큰 RTD 또는 써미스터를 예로 들면, 크기가 작은 센서보다 응답 시간이 더 느립니다. 느린 응답 시간과 낮은 열 분기라는 단점이 있는 반면, 크기가 더 큰 RTD 또는 써미스터는 자체 발열 오류가 더 적게 발생합니다. 이와 마찬가지로, 접지되지 않은 열전쌍 접점은 절연 기능이 뛰어나지만 응답 시간이 더 느립니다. 그림 3은 접지되지 않은 열전쌍과 접지된 열전쌍에 대한 응답 시간의 상대적 차이를 보여줍니다 .

그림 3: 접지된 열전쌍과 접지되지 않은 열전쌍의 응답 시간 비교

 

안정성

온도 센서의 안정성은 지정된 온도에서 일관된 출력을 유지하는 능력을 나타냅니다.   센서의 안정성에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 재질입니다. 이런 이유뿐만 아니라 낮은 반응성을 보장하기 위해 RTD는 주로 백금으로 제작됩니다. 그러나 백금의 접합 방식에 따라 고온에 장시간 노출되면 변형이 일어날 수 있으며, 이로 인해 측정 저항의 변화를 유발하는 예기치 않은 스트레인이 추가로 발생할 수 있습니다.

정확도

다른 모든 측정 분야와 마찬가지로 정확도 요구사항을 이해하는 것은 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 위해 필수적입니다. 절대적 측정 정확도에서는 센서 및 측정 하드웨어의 선택이 중요하지만 케이블 연결, 기타 장비에 대한 상대적 근접도, 쉴드, 접지 등의 세부사항 역시 정확도에 모두 영향을 미칠 수 있습니다. 센서 선택 시 지정된 허용 오차와 함께 스펙에 영향을 줄 수 있는 모든 요인(예: 고온에 장시간 노출)을 확인하십시오. 또한 유사한 정확도를 지닌 센서 및 측정 장비를 선택할 때에는 주의를 기울여야 합니다. 낮은 허용 오차의 RTD에는 많은 비용이 들 수밖에 없지만, 품질이 떨어지는 측정 장비를 사용하면 보다 높은 정확도 요건을 충족할 수 없습니다.

내구성

어플리케이션의 수명 주기 전체에 걸쳐 온도 센서의 작동성을 보장하기 위해서는 배포 환경을 명확히 이해해야 합니다. 일부 센서(예: 열전쌍)는 구조 자체의 특징 때문에 내구성이 훨씬 우수합니다. 그러나 특정 열전쌍 제작에 사용된 금속의 부식에 대한 내성은 각기 다릅니다. 더군다나, 절연 광물질과 보호 금속 재질의 센서는 시간 변화에 따른 마모 및 부식에 잘 견디지만 가격이 비싸고 민감도가 낮습니다. 이 밖에도 다양한 센서 설정에는 단단한 물리적 연결 및 열 전도를 보장하기 위한 특수 장착 요구사항이 적용될 수 있다는 점도 고려해야 합니다.

비용

프로젝트의 다른 측면과 마찬가지로 비용 또한 제한이 따르는 주요 요인입니다. 예를 들어, 높은 채널 카운트가 필요한 분야에서 RTD의 선형성 이점은 열전쌍에 비해 상대적으로 높은 비용보다 중요할 수 있습니다. 또한 전체 시스템 비용을 산출할 때에는 도선 연결, 장착 및 신호 컨디셔닝에 대한 추가 비용도 고려해야 합니다.

신호 컨디셔닝 요구사항

각각의 온도 센서 유형은 측정된 신호를 처리하기 위해 데이터를 적절히 수집하고 디지털화하기 위한 일정 수준의 신호 컨디셔닝이 필요합니다. 선택하는 측정 하드웨어는 센서와 마찬가지로 정확한 측정을 보장하는 데 중요할 수 있으며, 각 센서 유형의 단점을 보완하거나 악화시킬 수 있습니다. 이런 신호 컨디셔닝 기능에는 다음이 포함됩니다.

  • 증폭
  • 냉접점 보상 (열전쌍에만 해당)
  • 필터링
  • 구동 (RTD 및 써미스터에만 해당)
  • 오프셋 오류 조정
  • 온도 단위 스케일링
  • 도선 저항 교정
  • 채널 간 절연
  • 단선 열전대 감지 (열전쌍에만 해당)

다음 단계

각 센서 유형의 차이점 및 작동 이론에 대한 자세한 내용은 아래에 나열된 센서별 백서를 참조하십시오.

 

참조 문헌

http://www.omega.co.uk/temperature/Z/pdf/z019-020.pdf

http://www.engineeringtoolbox.com/temperature-sensors-d_448.html

http://www.itsirl.com/admin/pdfmanual/1420797923pt100acc.pdf