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금속선이나 반도체의 저항값은 온도에 따라 변화하는 성질이 있다. 또한 종류가 다른 금속선의 결합접점을 가열하면 기전력이 발생하는 경우도 있다. 여기서 발생하는 저항이나 기전력을 측정하여 온도를 구하는 방법이 온도센서의 원리이다.
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계측기에서 주로 사용되는 온도센서이나, 현장에 어떤 온도센서가 적용되면 좋을지 판단하기 어려운 경우가 있습니다. 그래서 이번 편에서는 온도센서와 주의해야 할 점에 대해 설명하도록 하겠습니다. 다 들으시면 어떤 온도센서를 사용해야 할 지 쉽게 결정하실 수 있을거에요 ~
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온도센서의 종류 및 사용 방법
온도센서의 원리 … 열전대(써모커플)는 기본적으로 두 개의 막대와 서로 다른 금속으로 만들어지고 끝에서 이들이 만나게 되는 전선으로 구성됩니다. 특정 시점에서 온도의 …
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Date Published: 12/29/2022
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측정 대상이 방출하는 에너지를 감지하는 비접촉식 온도센서로 구분할 수 … 온도센서| Temperature Sensor | 온도센서종류 및 온도센서원리 | OMEGA.
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주제에 대한 기사 평가 온도 센서 원리
- Author: Dr. 봉 DR. BONG
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- Date Published: 2019. 1. 21.
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온도센서 – 원리/분류
온도센서
1. 온도센서의 개요
(1) 온도센서의 원리
온도는 원자 또는 분자가 갖고 있는 미세한 범위의 진동 운동에너지의 크기라고 정의된다. 금속선이나 반도체의 저항값은 온도에 따라 변화하는 성질이 있다. 또한 종류가 다른 금속선의 결합접점을 가열하면 기전력이 발생하는 경우도 있다. 여기서 발생하는 저항이나 기전력을 측정하여 온도를 구하는 방법이 온도센서의 원리이다.
(2) 측정 방법에 따른 온도센서의 분류
1) 접촉 온도센서: 피측정물, 환경에 직접 센서를 접촉시켜 측정
2) 비접촉 온도센서: 피측정물에서 방사되는 적외선을 떨어진 장소에서 측정
접촉형 방식 비접촉형 방식 측정물의 크기 피측정물의 온도가 변할수 있고 작은물체의 측정이 어려움 작은물체도 측정가능 응답속도 고속으로 움직이는 물체에 부적합 고속으로 움직이는 물체도 측정가능 측정상태 접촉상태에서 측정가능 원거리 측정가능 측온점 임의의 개소에서 측정가능(내부온도 가능) 표면온도 온도범위 2000℃ 정도 고온 측정 가능 수명 일반적으로 단명 길다
(3) 온도센서를 실제 사용시의 검토사항
1) 검출대상의 온도 범위
2) 감도, 정밀도, 잡음
3) 응답 속도
4) 실장 회로
5) 치수 형상
6) 기계적 강도, 내후성, 내열성
7) 생산성, 가격
2. 접촉형 온도 센서
(1) 서미스터
1) 개요
일반적으로 서미스터라고 하는 것은 전기저항의 온도계수가 부(+)인 TC(Negative Temperature Coefficient)형 서미스터이고, 좀더 넓은 의미에서 사용되는 PTC(Positive Temperature Coefficient)도 있지만, 여기서 설명하는 서미스터는 NTC형을 기준으로 한다. 서미스터의 전기저항은 백금이나 니켈의 전기저항과 비교하여 표시되어 있는 바와 같이 온도의 상승에 따라서 급속히 감소한다. 온도 T 0 (K)에서 서미스터의 저항치를 R 0 (Ω)로 했을 경우, 온도 T(K)에서 저항치 R은 다음식으로 주어진다.
R = R 0 expB(1/T-1/T 0 )
위 식에서 B는 서미스터 상수라 불리는 것으로, 개개의 서미스터의
고유한 값으로 대개 3500K정도의 크기의 값이다.
2) 서미스터의 재료 및 제조
NTC 서미스터는 Electro Ceramic의 일종으로 천이 금속화합물의 소결체이다. 주섬분은 망간, 코발트, 니켈등이 있지만, 알루미나, 철 등을 첨가하는 경우가 있다. 1000도 이상의 고온에서 구운 것으로 상온부근에서 아주 안정한 성질을 가지고 있다. 아래그림은 NTC 서미스터의 제조방법의 예이다.
3) 서미스터의 특징
– 신호출력이 커 실용상 2/10000 정도의 미소 온도변화를 검지할 있다.
– 소자 자체의 전기저항이 크므로, 리드선의 길이를 길게 할수 있다.
– 보상도선이나 기준점과 같은 것을 필요로 하지 않고 제작비용이싸다.
– 외계의 영향을 받기 어렵고, 수명이 길다.
– 전자회로와의 조합이 용이하여 응용범위가 넓다.
– 소자치수가 비교적 작고, 목적에 따라서 각종 형상의 소자를 만들 수 있다.
– 품질의 불균일성이 커서 출력신호의 비직선성이 현저하며, 기계적 충격에 취약하다.
– 공업계측용, 각종 자동제어기기, 가정용 기기등에 널리 사용된다.
4) 각종 서미스터의 특징
– 마이크로 비드형 서미스터
현재 바깥지름 0.7mm정도의 주사침 속에 봉입하여 동식물의
실험용으로 사용된다든지, 다시 유리관에 봉입하여 피복등의
응용을 통해 사용된다.
– 디스크형 서미스터
대량 양산용 모델이며, 100도 이하의 비교적 저온형 온도 보상
소자로써 사용된다.
– 칩 서미스터
디스크형의 서미스터에 은-파라듐계 합금등의 전극을 붙여 칩
모양으로 잘라낸 것으로 1mm 정도의 작은 칩모양으로 잘라
전자회로에 내장하여 온도 보상용 부품으로 사용된다.
– 후막식 서미스터
알루미나 기판상에 서미스터용 페이스트를 인쇄하여, 후막저항
소자를 제작하는 경우와 유사한 방법으로 온도검출용 소자를
구성한 것이다.
(2) 실리콘 온도센서
(예 : MA900)
항 목 정 격 단 위 동작 온도 최대 전류 -55 ~ 175 10 ℃ mA
1) 실리콘 온도센서의 특성
실리콘 온도센서는 n형 실리콘 단결정의 전자이동도에 대한 의존성
을 이용한 소자이며 온도계수는 25℃에서 0.75% / ℃ 이다.
2) 구 조
– 유리를 봉입한 다이오드의 패키지에 센서부가 되는 Si 칩을 봉입 한 형태이다.
– 칩의 위쪽에는 직경이 약 40um인 원형 커넥터가 있고, 밑에는 수 um의 n+ 확산층 영역이 있다.
– 컨텍트 위에는 두께가 수십 um인 Ag계 다층 전극이 형성되어 있다.
3) 응 용
실리콘 온도센서는 소형으로 사용 온도 범위가 넓고, 신뢰성이 높기 때문에 각종 제조공정에 대한 온도센서, 전자회로의 온도 보상용 센서, 과열보호회로 등에 쓰인다.
Temperature Sensor
온도센서 온도센서의 종류 및 사용 방법
온도는 다양한 종류의 센서에 의하여 측정 가능합니다. 일단 측정 대상과 접촉하여 그 온도 변화에 반응하는 접촉식과, 측정 대상이 방출하는 애너지를 감지하는 비접촉 온도센서로 구분할 수 있습니다.특정 온도의 기전력을 감지하는 써모커플 (열전대 | Thermocouples), 저항을 감지하는 RTD와 써미스터, 온도에 따라 상태가 변하는 온도라벨, 액체 온도계, 바이메탈 온도센서와 같은 종류가 있습니다.적외선 (Infrared)으로 온도를 감지하는 적외선 온도계가 대표적입니다. 이 모든 센서들을 물리적 특성에 있어서의 변화를 감지하여 온도를 추론합니다.산업분야에서 언지니어리와 연구원들이 사용할 가능성이 높은 여섯 가지 유형은 써모커플 적외선 온도계 , 온도라벨, 바이메탈 (아날로그 계측기) 입니다.
써모커플를 사용한 온도 측정
RTD를 사용한 온도 측정
써미스터를 사용한 온도 측정
적외선센서를 사용한 온도 측정
온도센서의 원리 Top
열전대 온도센서 (Thermocouple)
열전대(써모커플)는 기본적으로 두 개의 막대와 서로 다른 금속으로 만들어지고 끝에서 이들이 만나게 되는 전선으로 구성됩니다. 특정 시점에서 온도의 변화는 양 끝간의 기전력(emf)에 변화를 가져오게 됩니다. 온도가 상승하게 되면 써모커플의 출력 emf는 상승하지만 반드시 선형인 것은 아닙니다. 열전대의 두 개의 서로 다른 금속, 즉 금속 쌍은 J, K, T, E, N, R, S, B, C, G, D와 같이 다양한 타입이 정해져 있으며, 이 타입에 따라 온도 범위와 기전력 대 온도 값 데이터가 달라집니다. 열전대(써모커플)는 기본적으로 두 개의 막대와 서로 다른 금속으로 만들어지고 끝에서 이들이 만나게 되는 전선으로 구성됩니다. 특정 시점에서 온도의 변화는 양 끝간의 기전력(emf)에 변화를 가져오게 됩니다. 온도가 상승하게 되면 써모커플의 출력 emf는 상승하지만 반드시 선형인 것은 아닙니다. 열전대의 두 개의 서로 다른 금속, 즉 금속 쌍은 J, K, T, E, N, R, S, B, C, G, D와 같이 다양한 타입이 정해져 있으며, 이 타입에 따라 온도 범위와 기전력 대 온도 값 데이터가 달라집니다.
RTD (Resistance Temperature Detector) / Thermistor
RTD와 써미스터는 저항온도센서로, 온도가 변하면 물질의 전기 저항도 변한다는 사실을 이용합니다. RTD는 금속의 저항 변화에 의존하며 저항은 온도에 대략 선형으로 상승합니다. 써미스터는 반도체의 저항 변화에 근거하며 온도가 상승하면 저항은 비선형으로 떨어지게 됩니다. RTD와 써미스터는 저항온도센서로, 온도가 변하면 물질의 전기 저항도 변한다는 사실을 이용합니다. RTD는 금속의 저항 변화에 의존하며 저항은 온도에 대략 선형으로 상승합니다. 써미스터는 반도체의 저항 변화에 근거하며 온도가 상승하면 저항은 비선형으로 떨어지게 됩니다.
적외선 온도계
적외선 온도계는 비접촉 온도센서 입니다. 적외선 센서는 물질이 방사하는 열복사를 측정하여 온도를 추론합니다. 측정 물체의 방사율과 측정 거리에 따라 측정 정밀도가 달라지나, 측정 대상에 접촉할 수 없는 경우에 사용되는 센서입니다. 적외선 온도계는 비접촉 온도센서 입니다. 적외선 센서는 물질이 방사하는 열복사를 측정하여 온도를 추론합니다. 측정 물체의 방사율과 측정 거리에 따라 측정 정밀도가 달라지나, 측정 대상에 접촉할 수 없는 경우에 사용되는 센서입니다.
바이메탈 온도센서
바이메탈 장비는 서로 다른 금속 간의 열팽창율의 차이를 이용합니다. 두 가지 금속 막대가 함께 결속 된 설계로, 측정단이 가열되면 한 쪽이 다른 쪽 보다 더 팽창하고 구부러져 이는 기계적으로 연결된 눈금에서 온도로 판독됩니다. 이러한 장비는 휴대용이며 전원공급을 필요로 하지 않지만 써모커플이나 RTD 만큼 정확하지 않으며 온도 기록을 위하여 정보를 제공하기 힘듭니다. 바이메탈 장비는 서로 다른 금속 간의 열팽창율의 차이를 이용합니다. 두 가지 금속 막대가 함께 결속 된 설계로, 측정단이 가열되면 한 쪽이 다른 쪽 보다 더 팽창하고 구부러져 이는 기계적으로 연결된 눈금에서 온도로 판독됩니다. 이러한 장비는 휴대용이며 전원공급을 필요로 하지 않지만 써모커플이나 RTD 만큼 정확하지 않으며 온도 기록을 위하여 정보를 제공하기 힘듭니다.
액체 팽창 온도센서
액체 팽창 온도센서는 학교나 가정에서 흔히 사용하는 유리구 온도계로, 보통 수은과 유기액체의 두 가지 유형으로 제공됩니다. 액체 대신 기체를 사용하는 것도 있습니다. 수은은 환경 유해물질로 규정되어 이제 수은 온도계는 거의 사용되지 않습니다. 액체 팽창 온도센서는 전력을 필요로 하지 않으며 폭발위험이 없고 반복적으로 사용해도 안정적입니다. 그 반면에 쉽게 기록 및 전송 가능한 데이터를 생성하지 못하며 지점 측정을 하지 못합니다. 액체 팽창 온도센서는 학교나 가정에서 흔히 사용하는 유리구 온도계로, 보통 수은과 유기액체의 두 가지 유형으로 제공됩니다. 액체 대신 기체를 사용하는 것도 있습니다. 수은은 환경 유해물질로 규정되어 이제 수은 온도계는 거의 사용되지 않습니다. 액체 팽창 온도센서는 전력을 필요로 하지 않으며 폭발위험이 없고 반복적으로 사용해도 안정적입니다. 그 반면에 쉽게 기록 및 전송 가능한 데이터를 생성하지 못하며 지점 측정을 하지 못합니다.
상태 변화 온도센서
상태 변화 온도 센서는 온도라벨, 펠릿, 온도 크래용, 온도라커와 같이 특정 온도에 도달하면 모양이 변하는 액체결정으로 구성됩니다. 온도라벨로 예를 들자면 측정 대상에 부착하고, 측정 대상이 특정 온도를 초과하면, 부착된 센서 라벨의 하얀 점이 검은색으로 상태가 변하는 방식입니다. 응답 시간은 보통 몇 분 정도 걸리므로 이 장비는 단기 적인 온도 변화에는 반응하지 않습니다. 그리고 정확도는 다른 유형의 센서들보다 낮습니다. 추가로 상태의 변화는 액체결정 디스플레이의 경우를 제외하고는 비가역적입니다. 그렇지만 상태 변화 센서는 예를 들어 제품이 배송되는 동안 장비 또는 물질의 온도가 특정 수준을 넘지 않았는지 확인해야 하는 경우 유용합니다. 상태 변화 온도 센서는 온도라벨, 펠릿, 온도 크래용, 온도라커와 같이 특정 온도에 도달하면 모양이 변하는 액체결정으로 구성됩니다. 온도라벨로 예를 들자면 측정 대상에 부착하고, 측정 대상이 특정 온도를 초과하면, 부착된 센서 라벨의 하얀 점이 검은색으로 상태가 변하는 방식입니다. 응답 시간은 보통 몇 분 정도 걸리므로 이 장비는 단기 적인 온도 변화에는 반응하지 않습니다. 그리고 정확도는 다른 유형의 센서들보다 낮습니다. 추가로 상태의 변화는 액체결정 디스플레이의 경우를 제외하고는 비가역적입니다. 그렇지만 상태 변화 센서는 예를 들어 제품이 배송되는 동안 장비 또는 물질의 온도가 특정 수준을 넘지 않았는지 확인해야 하는 경우 유용합니다.
써모커플은 가장 빈번하게 사용하는 반면 가장 알려지지 않은 써모커플에 대해 알아보겠습니다. 본래 써모커플은 2가지 합금을 한쪽 끝에서 연결하고 다른 쪽은 개방되어 있습니다. 출력단 (개방단; 그림 1a의 V1)의 기전력은 폐쇄단에 있는 온도 T1의 함수입니다. 온도가 오르면 기전력도 증가합니다.써모커플은 다양한 환경으로부터 보호하는 금속 실드나 세라믹 실드 내부에 위치해 있는 경우가 많습니다. 금속 보호관 써모커플도 부식성 용액 안에서 고장 없이 이용하기 위해 폴리테트라플루오로에틸렌 같이 다양한 타입으로 외부 코팅을 해서 구입할 수 있습니다.개방단 기전력 폐쇄단 온도(예: 측정 점에서의 온도)의 함수일뿐 아니라 개방단 (그림 1a의 T2) 온도에 함수이기도 합니다. T2를 표준 온도에 고정해야만 측정한 기전력을 T1 변화의 직접적인 함수로 간주할 수 있습니다. 업계에서 허용되는 T2의 표준은 0°C입니다. 따라서 대부분의 표와 도표는 T2가 그 정도 상태에 있다고 가정합니다. 산업 계기 장치에서 T2의 실제 온도와 0°C 간의 차이는 보통 계기 장치 내에서 전자적으로 교정됩니다. 이 기전력 조정은 냉접점 또는 CJ 정정이라고 부릅니다.배선이 써모커플 합금이나 열전기 등가물 (그림 1a)일 경우 입력단과 출력단 간의 배선에서 온도 변화는 출력 전압에 영향을 주지 않습니다. 예를 들어 써모커플이 용광로에서 온도를 측정하고 판독 값을 보여주는 장치가 조금 떨어져 있을 경우, 와이어를 녹일 정도로 충분히 뜨거워지거나 그 전열 작용이 영구적으로 변화하지 않는 한, 이 둘 간의 배선은 근처의 다른 용광로를 지날 수 있고 그 온도에 영향을 받지 않을 수 있습니다.접점 전체에 걸쳐 온도 T1이 일정하게 유지되고 접점 재료가 전도성을 띄는 한, 접점 자체의 구성은 써모커플 작용에 아무런 영향을 주지 않습니다 (그림 1b). 마찬가지로 판독 값은 “가짜” 재료 끝의 온도가 동일한 경우, 비 써모커플 합금을 한쪽이나 양쪽 리드에 첨가해도 이에 영향을 받지 않습니다(그림 1c).전송 경로에서 가금속과 함께 작용하는 써모커플의 이 기능을 통해 써모커플 스위치 같은 전문적인 다양한 장치를 이용할 수 있습니다. 전송 배선은 보통 써모커플 스위치 같은 전문적인 다양한 장치를 이용할 수 있습니다. 전송 배선은 보통 써모커플 합금의 열전기 등가물인데 반해서 올바로 작동하는 써모커플 스위치는 금도금 또는 은도금 구리 합금 소자로 만들고 적절한 강철 스프링을 이용해서 접촉이 잘 되도록 해야 합니다. 스위치의 입력 및 출력 접점 온도가 동일한 동안은, 이 구성 변화는 영향을 주지 않습니다.연속 써모커플 법칙이라 할만한 것을 알아두는 것이 중요합니다. 그림 1d의 윗부분에 있는 2가지 소자 중, 한 써모커플은 가열단에 T1에 있고 개방단에 T2가 있습니다. 두 번째 써모커플은 T2에 가열단이 있고 T3에 개방단이 있습니다. T1을 측정하는 써모커플의 기전력 수준은 V1입니다. 그리고 다른 써모커플의 기전력 수준은 V1입니다. 그리고 다른 써모커플의 경우는 V2입니다. 두 기전력의 합 V1+V2는 T1과 T3사이에서 작동하는 써모커플 결합해 생성한 기전력 V3와 같습니다. 이 법칙의 장점 덕분에, 한쪽 개방단 기준 온도에 맞춰 지정된 써모커플은 다른 쪽 개방단 온도에도 이용할 수 있습니다.일반적인 저항온도검출기는 삼축을 가는 백금 와이어로 감고 보호 코팅을 한 구조로 되어 있습니다. 보통 심축과 코팅은 유리나 세라믹입니다.저항온도검출기 저항 대 온도 대표의 평균 기울기는 알파 값 (그림 2)으로 불리는 경우가 많고, 이떄 알파는 온도 계수를 나타냅니다. 주어진 센서의 곡선 기울기는 센서에 있는 백금의 순도에 따라 다소 달라집니다.특정 순도 및 구성의 백금과 관련해 가장 흔하게 이용하는 표준 기울기의 값은 0.00385입니다. (저항은 옴 단위로 측정하고 온도는 섭씨 단위로 측정한다고 가정). 이 기울기로 도출한 저항 대 온도 곡선을 소위 유럽식 곡선인데, 이 구성의 저항온도검출기는 유럽 대륙에서 우성적으로 광범위하게 이용되기 때문입니다. )그리고 그림에 대해서, 약간 다른 백금 구성과 관련된 또 다른 표준 기울기가 있습니다. 이 기울기는 알파 값인 0.00392로 약간 더 높고, 소위 미국식 곡선을 따릅니다.주어진 저항온도검출기의 알파 값이 지정되지않았으면 그 값은 보통 0.00385입니다. 그러나 신중하게 확인해야 하고, 특히 측정할 온도가 높을 경우에 그러합니다. 이 점은 그림 2에서 볼 수 있는데, 가장 널리 이용되는, 즉 0°C에서 저항이 100옴인 저항온도검출기의 유럽 및 미국식 곡선을 보여줍니다.써미스터의 저항-온도 관계는 부의 관계이고 아주 비선형적입니다. 그리고 이러한 특징은 회로망을 설계해야 하는 기술자에게 심각한 문제가 됩니다. 그러나 대응쌍에 써미스터를 이용하면 비선형성을 서로 상쇄하기 때문에 어려움을 줄일 수 있습니다. 더욱이 판매 회사는 써미스터의 선형성 부족을 내부적으로 보상하는 패널 계측기와 제어장치를 제공합니다.써미스터는 보통 25C에서 그 저항에 따라 지정됩니다. 가장 흔한 정격은 2252옴이고 그외에 5000 및 10,000옴이 있습니다. 별도로 상반되게 지정하지 않으며, 대부분의 장비는 2252 타입의 써미스터를 허용합니다.이들 장치는 표면에서 방출하는 복사선의 양을 측정합니다. 전자기 에너지는 모든 물질에서 그 온도에 관계 없이 방사됩니다. 많은 공정 환경에서, 에너지는 적외선 영역에 있습니다. 온도가 오르면 적외선 복사선의 양과 그 평균 빈도가 증가합니다. 다양한 물질이 다양한 수준의 효율로 방출됩니다. 이 효율은 0과 1 또는 0과 100% 사이의 10진수나 백분율의 복사능으로 수령화됩니다. 피부를 포함한 대부분의 유기 물질은 복사능 0.95를 보이는 경우가 많습니다. 반면 광택이 있는 금속 대부분은 상온에서 방출이 버효율적인 경향이 있고, 복사능이나 휴율이 20% 이하인 경우가 많습니다.올바로 기능하려면, 적외선 측정 장치는 측정할 표면의 복사능을 고려해야 합니다. 복사능 수준이 알려지지 않은 경우 적외선으로 오도를 측정하는 현실적인 방법은 보호 테이프 (복사능 95%)나 고도의 복사성 테이프로 포면을 덮어 복사능을 알려진 수준으로 “강제”하는 것입니다. “센서 입력 일부를 구성하는 에너지는 목표한 장치나 물질 표면에서 방출되지 않는 대신 다른 장치나 물질에서 방출되어 그 표면에 반사된 에너지입니다. 복사능은 표면에서 방출하는 에너지와 관련이 있지만, 반면 “반사”는 다른 우너천에서 반사된 에너지와 관련이 있습니다. 불투명한 물질의 복사능은 반사율의역 지표입니다. 복사능이 좋은 물질은 입사 에너지를 반사하지 않고, 따라서 표면 온도를 측정할 때 센서에 도달하는 에너지 대부분이 온도가 다른 용광로 같은 곳에서 반사된 것일수 있습니다. 뜨겁고 불필요한 반사성 대상에는 주의하십시오.적외선 장치는 카메라와 같아서 특정한 시야를 다룹니다. 예를 들어 이 장치는 1도의 시각 원추나 100도의 원추를 “볼” 수 있습니다. 표면을 측정할 때 표면이 시야를 완전히 채우는지 확인해야 합니다. 대상 표면이 처음에 시야를 채우지 않으면, 가까이 이동하거나, 시야가 더 좁은 장비를 이용하세요. 아니면 장치를 판독할 때 단순히 배경 온도를 고려해도 됩니다 (배경 온도에 맞춰 조정).
[센서] 온도 센서의 구분과 종류 : 접촉식과 비접촉식 (열전대, RTD, 써미스터, 적외선, 바이메탈, 수은)
열(Heat)는 에너지로써 우리 주변에 항상 존재하는 물리량이다.
그리고 이 열이라는 물리량은 온도(Temperature)로써 측정된다.
이 온도를 감지하고 측정하는 것은 매우 활용도가 높은 영역이다.
다양한 온도 센서가 존재하지만 모두 물리, 화학적인 특징이 다르므로
측정 가능한 온도, 가격, 작동 방식 등에 따라 쓰임새가 달라진다.
온도센서 원리 및 종류 정리
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가정이나 산업현장에서 사용하는 센서에는 다양한 종류들이 있습니다. 특히 자주 사용하는 센서는 온도센서인데요 온도를 감지하는 아날로그 센서나 디지털 센서들이 존재합니다.
오늘은 온도센서의 원리 및 종류에 대해 알아보도록 하겠습니다.
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목차
1. 온도센서란
2. RTD 온도센서
3. 열전대 온도센서
4. 서미스터 온도센서
5. 적외선 온도센서
온도센서의 원리
1) 온도센서란?
온도센서란 열을 감지하는 센서로 일반적으로 접촉식과 비접촉식으로 나누어집니다.
일반적으로 온도에 따라 재질의 저항이 변화하는 온도 저항소자와 열전 효과를 이용하는 열전소자 등을 사용합니다.
비접촉식 센서의 경우 적외선으로 열을 감지하는 적외선 센서를 이용하는 경우가 많습니다.
2) RTD 온도센서
일반적으로 많이 사용하는 RTD 온도센서의 원리입니다.
RTD센서는 Resistance Temperature Detector로 저항 온도센서입니다. 소자의 저항이 온도에 따라 변화하는 특성을 이용하여 온도를 검출하는 센서인데요, 일반적으로 백금 소자인 PT센서를 이용합니다.
PT 100 센서의 경우 백금 소자의 저항체를 이용하며 0도에서 100옴의 저항을 가지는 센서를 말합니다.
RTD 센서 외형
온도 검출의 원리는 간단합니다. 저항체를 온도 검출 장치에 설치하면 설치장소의 온도에 의해 백금 소자의 저항이 변하게 됩니다.
사진에서 길죽한 막대 모양이 소자가 백금 소자의 PT 100 센서입니다.
이러한 저항소자에 전선을 연결하여 저항을 검출함으로써 온도를 검출하게 됩니다.
전선의 수에 따라 2-Wire, 3-Wire 센서 등 종류로 나누어지는데요, 일반적으로 3-Wire RTD를 많이 사용합니다.
저항 검출에는 2선만 있으면 검출이 가능하지만 저항값에 의해 온도값을 검출하는 센서인 만큼 도선 저항의 영향을 많이 받게 되는데요, 이러한 도선 저항의 영향력을 최소화하기 위해 한쪽 단자에 공통선을 설치하여 도선 저항을 최소화합니다.
도선에 공통 도선을 추가하게 되면 도선이 병렬로 접속되어 도선저항이 1/2로 감소되는 원리를 이용합니다.
이렇게 검출된 저항값을 아날로그 저항값을 디지털 전기신호로 변화시키는 T/D에 연결하여 최종적으로 온도를 검출하게 됩니다.
PT 100 Table
인터넷 검색을 통해 쉽게 PT 100 센서의 기준 저항 표를 찾을 수 있는데요, 온도에 따라 해당 저항값을 가지게 되며, PT 100 센서의 경우 0도에서 100옴의 저항값을 가지게 됩니다.
3) 열전대 온도센서
출처 : 네이버 지식백과
서모커플이라고 불리는 열전대 온도센서의 경우, 열전 효과를 이용하여 온도를 검출하게 됩니다.
열전 효과란 다른 종류의 두 금속을 접합시켰을 때 양단의 온도차에 의해 두 금속 사이에 전류가 흐르는 현상을 말하는데요, 이렇게 흐르는 전류의 크기를 통해 온도의 차이를 확인할 수 있습니다.
백금-백금 로듐, 구리-콘스탄탄 등의 조합을 이용하여 사용합니다.
서모 커플 외형
열전대 센서의 경우 종류에 따라 다양한 외형을 지닙니다. RTD 센서와 유사한 외형을 지니기도 합니다.
4) 서미스터 온도센서
서미스터는 온도의 작은 변화에도 비례하여 큰 변화를 보이는 물질로 구성된 온도 감지 소자입니다. 서미스터는 가장 정확한 유형의 온도 센서로 낮은 오차율을 가지고 있습니다.
하지만 온도 범위가 0~100도로 제한된 측정범위를 가지는 단점이 있습니다.
휘스톤 브리지 원리를 이용하여 온도를 검출할 수 있는데요, 저항 변화에 의해 온도를 검출하는 것은 RTD와 큰 유사성을 가집니다.
다만, 순수 금속 소자를 이용하는 RTD센서와 달리 서미스터의 경우 반도체 소자를 이용한다는 차이를 지닙니다.
5) 적외선 온도센서
적외선 온도 센서의 경우 표면에서 방출되는 복사선의 양을 측정하는 온도센서입니다. 전자기 에너지는 모든 물질에서 방사가 되는데요, 온도가 오르면 적외선 복사선의 양이 증가하는 원리를 이용하여 온도를 측정합니다.
일반적으로 적외선 열화상 카메라 등 온도를 측정하는 측정기기로도 많이 사용합니다.
적외선 온도센서의 경우 방출되는 적외선을 감지하는 센서이기 때문에 비접촉으로 온도를 검출할 수 있는 장점이 있습니다.
다만, 접촉식 온도센서에 비해 상당히 비싸다는 단점이 있습니다.
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forexp :: 온도센서(temperature sensor)의 원리 간단히 알아보기
Thermistors
반도체를 사용하며 이 온도 센서는 온도가 떨어지면 저항이 오르거나 떨어지는 2가지 형태가 있는데 이 2가지 형태모두 저항의 변화값을 온도와 대응시키면 온도를 측정하는 것이 가능하다.
Resistance temperature detectors(RTD)
Thermistors와 마찬가지로 온도에 따라 저항이 달라지는 방식을 사용하지만 반도체가 아닌 다른 방식을 사용하여 온도의 변화에 따른 저항변화를 측정한다. 온도에 따라 저항이 변하는 금속이나 구조를 사용하여 그 방식에 따라 4가지 종류가 있다.
By Nanite (Own work) via Wikimedia Commons
Thermocouples
이 방식은 위 사진처럼 2종류의 다른 금속 전선을 이용해 측정부위와 다른 부위의 온도차이로 인해 발생하는 전압차를 이용한다. 두 부위에 전압차이가 발생하고 이 전압차이를 온도와 대응시켜 온도를 측정한다.
Infrared sensors
열에너지를 전기에너지로 전환하는 과정을 사용해 온도를 측정한다.
온도센서(Temperature Sensor)에 대하여
안녕하세요, 센서와 스위치를 다잡는 센서보이 입니다.
이번 글에서는 온도센서(Temperature Sensor)에 대해 알아보겠습니다.
온도센서는 모든 센서 중 가장 다양하고, 가장 많이 사용된다고 해도 과언이 아니지요..
솔직히 온도센서라는 분야는 깊게 들어가면 너무나도 내용이 방대해 지기 때문에, 이번 글의 내용을 어느 범위까지 기술할 지 굉장히 고민을 많이 했습니다.
이번 글에서는 일반적으로 접할 수 있는 온도센서에 대해 큰 틀에서 다소 간략하게 적어보고자 합니다.
더 자세하고 상세한 내용은 추후 개별적으로 다루어 볼 계획입니다.
그럼, 온도센서의 종류, 특징 및 외형, 주요 사양 및 선정을 위해 고려해야할 내용에 대하여 알아 보겠습니다.
온도센서의 종류
온도센서를 큰 범위에서 분류하면, 일반적으로 아래 5가지로 나눌 수 있습니다.
– RTD(Resistance Temperature Detector)
– Thermocouple
– Thermistor
– Non Contact Temperature Sensor
– Digital Temperature Sensor
RTD(Resistance Temperature Detector)
RTD는 문자 그대로 저항온도센서, 즉 온도에 따른 소자의 저항변화를 측정하여 온도를 계측하는 센서 입니다.
예전에는 Nickel, Cobalt, Copper 등 여러 종류가 있었으나, 최근에는 대부분 Platinum(백금)이 사용됩니다.
그래서, RTD를 “PT100옴”이라고 부르는 분들도 심심찮게 볼 수 있습니다.
RTD의 주요 특징
– 금속 소자를 얇게 펴서(Thin Film), application 별로 packaging 처리
– 금속 소자의 온도에 따른 저항변화를 활용하므로, 수명/내구성이 매우 좋음
– Resistance Output (Ohm)
– 응답성이 다소 느림 (1s ~ )
– 측정 가능 온도범위 -200 ~ 650 degC
– 선형성이 상당히 좋음
– Class 1/10DIN, Class 1/3B(AA), Class A, Class B의 등급을 가짐 (정밀한 순서)
– 2선식, 3선식, 4선식 구성
* 2선식 : 소자의 저항만 측정, 선 저항에 대한 보상 없음
* 3, 4선식 : 선 저항에 대한 보상, 순수한 소자의 저항만 계산 가능
Thermocouple (T/C)
Thermocouple은 Seebeck Effect를 활용한 제품으로, 서로다른 두 금속의 한쪽 끝을 용접하여 제작합니다.
두 금속의 용접된 부분과 Open된 부분의 온도차가 발생하게 되면 두 금속 사이에 기전력이 발생하게 되는데, 이를 측정하여 용접부의 온도를 측정할 수 있습니다. 이 현상을 Seebeck Effect라고 합니다.
http://www.industrial-electronics.com/DAQ/industrial_electronics/input_devices_sensors_transducers_transmitters_measurement/Seebeck_Effect.html
Thermocouple의 주요 특징은 아래와 같습니다.
– 서로다른 두 금속의 한쪽 끝을 용접하여 제작
– 내구성 및 Long-term stability가 다소 좋지 못함
– mV Output
– 응답속도가 매우 빠름 (0.1s ~ )
– J, K, T, E, N, R, S, U, B 등 금속 조합의 종류에 따라 다양한 종류가 있음
– Ground, Unground Type 선택 (Element가 Probe에 닿아있냐, 떨어져 있냐)
– 종류별로 측정 가능 온도범위 및 정밀도가 상이함 (Min. -270 ~ Max. 2300 degC)
– 가장 일반적으로 K-Type이 많이 사용됩니다. (-270 ~ 1350 degC)
– 케이블 연장을 위해서는 전용 연장도선이 필요(중요)
– 굉장히 얇게 가공 가능 (머리카락보다 얇게)
Thermistor
Thermistor는 RTD와 마찬가지로, 온도에 따라 소자의 저항이 변하는 특성을 이용한 센서입니다.
단일 금속으로 구성된 RTD와는 다르게, 금속 및 금속산화물을 세라믹에 첨가하여 제작하며, 종류 또한 굉장히 많습니다.
가장 큰 장점으로는 역시 돈이죠. 단가가 굉~장히 저렴합니다 !
Thermistor는 NTC(Negative Temperature Coefficient)와 PTC(Positive Temperature Coefficient)가 있습니다.
NTC는 온도가 오를수록 저항이 낮아지는 특성을 가지며, PTC는 온도가 오를수록 저항도 같이 높아지는 특성을 가집니다.
이 특성이 굉장히 중요한데, 이러한 성질 때문에 PTC는 온도센서 대신 대부분 히터로 사용됩니다. (저항의 측정을 위해서는 전류를 흘려야하는데, PTC는 이 특성 때문에 계속 자체발열이 발생합니다.. 히터가 되어벌임)
Thermistor의 주요 특징은 아래와 같습니다.
– Metal or Oxygen Metal 등을 세라믹에 첨가하여 제작하는 반도체 소자
– 내구성이 나쁘지 않으며, 굉장히 정밀함
– 온도 범위가 넓지 않음 (-100 ~ 325 degC)
– Resistance Output (Ohm)
– 응답성이 빠름 (0.1s ~ )
– 가격이 매우!! 저렴함
– 소자별로 저항-온도 테이블이 있으며, 이 자료가 없으면 사용이 불가능함(선형성 없음)
– 주로 소형의 형태로 사용되며(Bead, Ring Terminal 등), 저렴한 Application에 주로 쓰임
Non Contact Temperature Sensor
비접촉식 온도센서는 이번 COVID-19 이후로 굉장히 핫했습니다.
모든 비접촉식 체온계에 전부 사용되는데, 한 때 이 온도센서 소자가 품귀현상을 빚어 납기가 50주를 넘어가기도 했지요.. (지금은.. 흠?)
사실 이 글을 여기까지 읽으신 분들은 가게 입구에 설치된 비접촉 온도측정기가 얼마나 부정확한지 대충 아실겁니다.
공항이나 기차역에 설치된 열화상 카메라는 굉장히 정밀하지만, 일반 비접촉식 온도센서는 환경에 의한 외란에 민감하기 때문에, 정확하기가 매우 힘듭니다.
이 센서는 Thermopile Element를 사용하는 제품이며, 사실 Thermopile은 미세하게 가공된 Thermocouple의 집합체 입니다.
발열체에서 발생하는 적외선(IR, Infrared)에 의해 소자가 가열되어 발생하는 기전력을 측정합니다.
이 때문에 Thermopile, IR Temperature Sensor, Non-Contact Temperature Sensor 등 부르는 이름이 많습니다.
Non Contact Temperature Sensor의 주요 특징은 아래와 같습니다.
– 접촉식 온도센서로 측정하기 곤란한 초고온(2000도 이상) 측정 가능
– 고체의 표면 온도측정에 용이함
– 정밀도가 다소 떨어짐
– 정확한 측정을 위해서는 주변 환경을 세심하게 고려해야 함(대상체의 반사율, 측정 거리, 주변온도, 주변 빛의 세기 등..)
– 비용이 다소 비쌈
Digital Temperature Sensor
디지털 온도센서는 IC Chip 형태로 제작된 반도체 온도센서 소자입니다.
이름에 걸맞게 Digital 통신 출력을 가지며, 크기가 굉장히 작고, 가격이 굉장히 저렴합니다.
PCB 실장을 위한 Packaging으로 구성되어 있으며, 반도체 소자이기 때문에 온도범위가 다소 제한적이라는 단점이 있습니다. (하지만, 측정가능 온도범위가 높다고 하더라도, 어차피 주변 IC 소자들이 견디지 못하지 않을까요?)
디지털 온도센서는 어떤 원리를 이용하여 온도를 계측하는지 알아보고자 오랜 기간 노력 하였으나, 실패했습니다..
죄송하게도, 이 센서에 대해서는 다른 센서처럼 기본 원리에 대해서는 설명이 어렵습니다.. T_T
(아시는 분은 알려주시면 감사 드리겠습니다..)
Digital Temperatuer Sensor의 특징은 아래와 같습니다.
– 굉장히 저렴함
– PCB 실장용 Packaging 구성으로, 굉장히 소형
– 다양한 통신출력을 가짐 (I2C, UART 등등)
– 정밀도가 상당히 좋으나, 온도 측정 범위가 제한적임 (-55 ~ 150 degC)
온도센서의 주요 사양 및 선정을 위해 고려해야 할 내용
온도센서는 여타 센서와는 달리, IC소자 이상의 크기에서는 기성품이 많이 없습니다.
측정하고자 하는 Application이 너무 다양하고, Application에 맞지 않는 형상으로는 적용이 어렵기 때문인데요,
때문에 이번 글에서는 선정을 위해 고려해야 할 주요 내용을 알아 보겠습니다.
온도센서의 주요 사양
– Application
– Temperature Range
– 외형정보
– Cost Level
고려해야 할 주요 내용
– 측정하고자 하는 온도의 범위
– 적용하고자 하는 온도센서의 외형정보 (SMT, Bead, Probe, Non-Contact 등)
– 얼마나 정확한 계측이 필요한가? (±0.1, ±1, ±2 등)
– 빠른 응답성이 필요한가?
– 다소 열악한 환경인가? (진동, 충격 등 발생)
– 측정하고자 하는 Media가 특수한가? (부식성 또는 High-Purity 등)
– 비접촉 센서의 경우, 제품 공급처와 함께 적합성 검토를 진행하는 것이 좋음
– 검토 가능한 비용 수준은?
Basic :: 온도센서의 종류에 대하여
온도센서에 대하여 알아봅니다. 온도센서란? 온드롤 전압이나 저항변화와 같은 전기신호로 변환한 것을 온도센서라고 합니다. 온도센서는 설치장소, 프로세서 특정대상물의 물리적 특성에 따라 매우 다양합니다. 1. 온도센서의 종류 온도센서(sensor)를 크게 나누면 비접촉식과 접촉식이 있습니다. 접촉식은 측정 대상물에 온도 센서를 직접 접촉시키는 방법으로 온도를 측정하는 방법이고, 비접촉식은 측정 대상물에서 방사되는 열을 측정하는 방법입니다. 비접촉식은 접촉식으로 사용할수 없는 곳에 사용되며 아주 멀리 떨어진 온도 측정도 가능하지만 방사 에너지등을 모으는 각종 광학 장치와 보조 재료가 필요하기 때문에 일반적 으로 가격이 비싸지게 됩니다. 온도센서 설 명 열전대 재질이 다른 2개의 금속선을 한쪽을 접촉시키고 다른 한쪽을 일정한 온도로 유지하면 온도에 의존하는 열전력이 얻어지는 것(seeback효과)를 이용한 것이다. 금속 측온체 얇은 금속선의 온도에 따라 저항 값이 변화하는 것을 이용하는 온도센서, 금속재료는 녹는점이 높고(1768℃), 화학적으로 안정한 백금이 주로 이용됨 서미스터 저항체의 저항 값이 온도에 따라 변화하는 것을 이용한 센서로서 온도가 상승하면 저항값이 증가하는 정특성(PTC), 저항값이 감소하는 부특성(NTC)이 있으며, 어떤 온도에서 온도가 급격히 변하는(CTR)특성도 있다. IC온도센서 크게 다른 2개의 트렌지스터의 베이스 에미터 간의 전압차가 절대 온도에 비례하는 것을 이용한 직접화한 센서 자기 온도 센서 강자성체에서는 어떤 일정 온도(큐리온도)까지 상승하면 급격히 자성을 잃어 버려 상자성체가 되는 현상을 응용한 것 서모 파일 열전대를 여러개 직렬로 접속해서 열전대의 열접점에 온도를 측정할 대상물에서 열방사를 모으는 것을 이용한 센서 모아진 방사열은 열전대의 측정 온도의 접점이 온도를 상승시키고, 온도 상승에 따른 기전력이 온도 측정 대상물의 온도가 된다. 초전형 온도 센서 초전 소자의 자발 분극을 이용한 센서 LiTaO3, PbTIO3는 정상 상태에서는 자발 분극이라 부르는 분극이 있어서, 측정 대상물에서 방사열이 있으면 자발 분극이 크게 변화가 생긴다. 이 자발 분극에서 전하의 값을 측정하는 것이 측정 대상물의 온도가 된다. =>열전대의 특정 1.응답속도가 비교적 빠르며 오차가 비교적 적다 2. 적절한 열전대를 선정하기가 용이, 절대0~2600℃까지 온도 측정가능 3. 특정한 곳이나 좁은 장소에서도 온도 측정 가능 4. 온도가 열기전력으로 검출되므로 측정, 조절, 증폭, 제어, 변환등의 정보처리에 용이 5.다른 온도센서에 비해 가격이 비교적 저렴 => 금속 측온체의 특징 1. 감도가 양호하다. 2. 안정도 및 도가 우수하다. 3.고정도을 얻을 수 있다. 그중 특히 백금 측온체는 온도 계수가 직선적으로 변화하고 중량이 가볍고 물리적, 화학적 성질이 우수하여 고순도의 것을 얻기 쉬우며, 장기간 안정적인 온도측정용 SENSOR로서 사용됩니다. =>서미스터 NTC(Negative Temperature Coefficient Thermistor) : 온도가 상승하면 저항값이 연적으로 감소하는 형 PTC(Positive Temperature Coefficient Trmistor) : 온도가 상승하면 특정의 온도 이상에서는 저항 겂이 급격히 증가하는 형 CTR(Critical Temperature Resister Temperature Trmistor)\ : 온도가 상승하면 특정의 온도 이상에서는 저항 겂이 급격히 감소하는 형 온도계등 온도 제어에 사용되고 있는 형은 NTC형이 가장 많이 사용되고 있습니다. =>망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 동(Cu)등의 금속 산화물을 연소해서 결정체로 만든 반도체가 사용되며, 통상 서미스터라 함은 NTC서미스터를 말하며 다른 센서보다 가격이 저렴하죠. =>IC온도센서 1. 여러가지 신호회로와 감온소자가 일체화되어 있기 때문에 외부에서의 회로조작을 거의 필요로 하지 않습니다. 2. 좁은 범위의 온도측정에 많이 사용됩니다. 3. 많은 인터페이스 유형에서 사용할수 있습니다. 4.쉽게 기존 시스템에 통합할수 있습니다. =>자기온도센서 자기온도센서는 높은 신뢰성과 뛰어난 내환경성, 저잡음, 취급의 간편성의 특징을 가지고 있어 자동차나 에어컨 복사기 등의 각종 기기의 습도제어, 과열 감시용으로 널리 사용되어 집니다. 공유하기 게시글 관리 저작자표시 ‘마이크로프로세서 기초’ 카테고리의 다른 글 초음파 센서란 초음파 센서의 원리 (0) 2014.07.14 RC 서보모터 사용 방법 (0) 2014.07.13 온도센서의 종류에 대하여 (2) 2014.07.12 광 센서에 대하여 (0) 2014.06.26 광통신, 광섬유란? (0) 2014.06.24 8051기초 step 스텝모터 여자 방법 (0) 2014.05.14
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