열 모니터링이란?

온도는 장비 및 프로세스 성능을 나타내는 기본적인 지표입니다. 과도한 열은 마모된 컴포넌트, 과부하 부품, 냉각 시스템 고장으로 인한 마찰을 시사하며, 비정상적으로 낮은 온도는 냉각 또는 극저온 공정에서 비효율성이나 문제를 나타낼 수 있습니다. 온도 추세를 지속적으로 모니터링함으로써 팀은 자산 상태에 관한 귀중한 통찰을 얻어, 사전 유지보수를 가능하게 하고 제품 품질을 보장하며 안전한 작업 환경을 조성합니다.

^{그림 1: 온도 센서}

온도 모니터링에 흔히 사용되는 여러 종류의 센서가 있습니다.

• 열전쌍—이 센서들은 제베크 효과를 활용합니다. 서로 다른 금속으로 된 두 선이 한쪽 끝(측정 접점)에서 연결되면, 이 접점과 다른 쪽 끝(참조 접점) 사이 온도 차가 전압을 생성합니다. 이 전압은 온도 차에 비례하며 사용된 금속 종류에 따라 달라집니다(예: K, J, T, E 타입). 열전쌍은 견고하고 저렴하며 넓은 온도 범위를 측정할 수 있지만, 냉접점 보상(CJC)이 필요합니다.
• 저항 온도 감지기(RTDs)—RTD는 금속의 전기 저항이 온도에 따라 예측 가능하게 변한다는 원리에 작동합니다. 보통 안정성과 선형성이 뛰어난 백금으로 된 가는 와이어를 세라믹 또는 유리 코어에 감아 만듭니다. RTD는 중간 온도 범위에서 높은 정확도와 안정성을 제공하지만, 일반적으로 비용이 더 높고 저항 측정을 위해 구동 전류가 필요합니다.
• 써미스터—이 반도체 디바이스는 온도에 따라 저항이 변합니다. 두 종류가 있습니다: 음의 온도 계수(NTC) 써미스터는 온도가 상승하면 저항이 감소하고, 양의 온도 계수(PTC) 써미스터는 온도가 상승하면 저항이 증가합니다. 써미스터는 매우 높은 민감도를 제공해 미세한 온도 변화를 감지하는 데 이상적이며, 상대적으로 저렴합니다. 하지만 RTD에 비해 온도 범위가 제한적이고 반응이 비선형적이어서 데이터 해석이 복잡할 수 있습니다. 또한 구동 전류가 필요합니다.

^{그림 2: 무선 열 모니터링 프로세스}

컴포넌트와 프로세스는 정상 작동 시 고유한 열적 신호를 나타냅니다. 예상 온도에서 벗어나는 경우 문제가 있음을 알 수 있습니다. 열 모니터링 시스템은 센서, DAQ 하드웨어 및 NI LabVIEW 같은 전문 분석 소프트웨어를 이용해 온도 데이터를 감지, 변환, 분석합니다. 분석 결과를 토대로 문제가 심각해지기 전 유지보수를 예약하거나 프로세스를 조정할 수 있습니다. 유선 및 무선 시스템을 통한 온라인 연속 모니터링뿐 아니라 오프라인 모니터링 등 다양한 설정으로 데이터 수집이 가능합니다.  

• 유선 온라인 모니터링—센서는 케이블로 DAQ 디바이스 및 컴퓨터에 연결됩니다. 이 설정은 높은 신뢰성, 리얼타임 데이터 제공, 간섭에 강한 환경을 제공합니다. 하지만 설치가 복잡하며 케이블 손상 가능성, 센서 재배치 시 재배선 필요성이 있습니다.
• 무선 온라인 모니터링—센서는 온도 데이터를 무선으로 게이트웨이나 DAQ 디바이스에 전송합니다. 이 설정은 긴 케이블 없이 접근하기 어려운 장소나 위험 구역에 센서를 배치할 수 있게 합니다. 배터리 수명, 무선 보안, 신호 범위 제한 및 간섭 문제가 우려될 수 있습니다.
• 주기적(오프라인) 모니터링—기술자가 휴대용 디바이스를 사용해 다양한 지점의 온도를 주기적으로 측정합니다. 이 방식은 유연하지만 연속 모니터링이 아니며 수동 점검에 의존하고, 운전 중인 기계 근처에 인력을 배치해야 할 수 있습니다.

열 데이터 해석은 센서로 수집한 온도 정보를 검토하며, 주로 특수 소프트웨어를 사용합니다. NI DIAdem 같은 도구를 활용하여 임계값 비교, 추세 분석, 복잡한 열 모델링, 이미지 분석까지 다양한 기법이 사용됩니다. 급격한 온도 상승, 예상치 벗어남, 불확실한 측정값 같은 문제 신호는 사람이 검토할 수 있도록 표시됩니다. 열 모니터링 시스템은 임계 온도 초과 시 냉각 시스템 작동, 부하 감축, 경보 발생, 장비 정지 등 자동 작업을 트리거할 수 있도록 설정 가능합니다.

열 모니터링은 공장, 가공 시설, 시설 관리 등 다양한 산업 분야에서 광범위하게 활용됩니다. 대표적인 적용 분야로는 다음과 같은 디바이스 또는 프로세스 모니터링이 있습니다.

• 베어링 및 기어박스
• 모터 및 발전기
• 엔진 및 터빈
• 펌프 및 압축기
• 전자 컴포넌트 및 캐비닛
• 프로세스 유체 및 배관
• HVAC 시스템
• 화로 및 오븐
• 서버실 및 데이터 센터
• 재료 경화 공정

온도 측정은 부하 하 전자 제품 시험, 엔진 컴포넌트의 열 사이클, 배터리 충전/방전 열 성능 시험 등 신제품 및 재료 설계, 검증, 확인 테스트에서 기본입니다. 엔지니어는 NI TestStand 같은 도구로 시퀀스를 자동화하고, 컴포넌트가 지정된 온도 범위 내에서 안정적으로 작동함을 확인하며, 열 관리 시스템 효율성을 검증하고, 열 스트레스 하 재료 거동을 이해합니다.  

열 모니터링은 다음과 같은 주요 혜택을 제공합니다.

• 과열이나 열 고장으로 인한 예기치 않은 가동 중단 시간 감소
• 예측 유지보수 및 에너지 사용 최적화를 통한 비용 절감
• 화재 또는 위험 물질 상황 방지로 안전성 향상
• 최적 온도 범위 내 운전으로 장비 수명 연장
• 온도 최적화를 통한 공정 컨트롤 및 제품 품질 개선

NI의 온도 입력 모듈은 열전쌍의 CJC, RTD 및 써미스터의 구동 전류, 필터링, 증폭 등 정확한 측정에 필수적인 신호 컨디셔닝을 내장하고 있습니다. NI LabVIEW, NI FlexLogger™, NI DIAdem 같은 소프트웨어 제품은 데이터를 수집, 분석, 시각화, 보고해 포괄적 열 모니터링 솔루션을 제공합니다.  

NI의 열 모니터링 솔루션은 다른 접근법보다 여러 이점을 제공합니다:

• 다양한 애플리케이션에 걸친 NI의 오랜 측정 역사로 인해, NI 장비로 수행하는 측정은 상태 모니터링 전용 하드웨어보다 더 높은 품질을 제공합니다. NI 제품은 더 정확하고, 시간 정밀도가 높으며, 측정 신뢰도가 뛰어납니다.
• NI 플랫폼은 모듈식 설계 기반이므로 시스템 설계가 효율적이고 어플리케이션 전반에 걸쳐 유지관리가 용이합니다. 고정된 퍼스낼리티 시스템과 달리, 모듈 추가로 채널과 측정 항목을 쉽게 확장할 수 있습니다.
• NI 고속 시스템은 주기적 신호뿐 아니라 모든 데이터를 캡처할 수 있습니다. 이는 타 시스템이 놓치는 이벤트도 기록할 수 있음을 의미합니다.