실무자가 들려주는 온도센서(열전대, RTD)란
열전대란
열전대는 영어로 "Thermocouple" 이라고 하며, "서로 다른 종류의 금속선을 접속한 것으로 열을 측정하는 온도 센서" 입니다.
열전대에 사용되는 금속선의 종류별로 사용할 수 있는 온도 범위가 달라집니다.
위 사진을 보면 철로 이루어진 J타입은 섭씨 0℃~760℃ 에서 사용이 가능한 것을 볼 수 있습니다.
열전대의 원리
열전대는 서로 다른 금속 선을 한 지점에서 만나게해 하나의 선으로 만들고, 그 선의 전압 차이를 측정하는 방법으로 센싱을 하게 됩니다.
철로 이루어진 봉의 한끝에 열을 가하게 되면 어떤일이 벌어질까요?
분명 열을 가하는 쪽은 뜨거워지고 반대쪽은 비교적 차가운 상태일 것입니다.
봉의 내부에서는 어떤 일이 벌어지는지 알고 계시는 가요?
뜨거운 쪽에 있는 자유전자들이 차가운 쪽으로 이동하여 자유전자가 차가운쪽에 과잉되어있는 상태가 됩니다.
열전대는 위 사진과 같은 모습을 하고있습니다.
만약 위에 있는 선인 주황색과 아래있는 선인 연두색 선이 같은 재질이라면 어던일이 벌어질까요?
파란 점에 열이 가해짐에 따라, 파란 점에서부터 전자들이 반대쪽으로 동일하게 이동하게 됩니다.
그렇게 되면 두 선의 전위차가 같아져, 0.00mV라는 결과를 만들어 내게 될것입니다.
그래서 열전대에 다른 금속의 선을 사용하는 것입니다.
RTD란
RTD는 저항 온도 측정기(Resistance Temperature Detectors)의 약자로, "저항 값을 측정하는 온도센서"입니다.
혹은 "측온저항체"라고 부르기도합니다.
RTD원리
RTD의 원리는 열전대보다 단순합니다.
열이 가해지면 저항 값이 달라지는 금속의 특징을 이용한 센서입니다.
RTD는 온도에 따라 일정하게 전압 값이 변하는 친구를 사용하여 저항 값을 측정하는 방법으로 온도를 측정합니다.
구리 선의 중앙에 온도를 가하게 되면, 저항 값이 변하는 것을 볼 수 있습니다.
단 구리선의 경우 온도에 따라 변하는 저항값의 비율이 일정하지 않아, 다른 금속이 RTD센서에 사용됩니다.
바로 그 친구의 이름은 "백금"이라는 친구입니다.
백금은 온도에 따라 일정하게 저항값이 변합니다.
0℃일때 100Ω인 백금을 사용하게 되면, 100℃일때는 138Ω을 가지게 됩니다.
RTD의 구조
RTD는 백금을 세라믹으로 코팅한 후 유리로 덮여있는 모습을 하고 있거나, 백금을 세라믹 봉에 돌돌감은 후 그위에 유리로 덮여있는 모습을 하고 있습니다. 보통 원기둥 모양을 하고 있으면 그것이 RTD센서입니다.
RTD센서 노이즈를 줄이는 방법
RTD센서는 노이즈를 줄이기 위해 백금을 두 줄로 만들어, 총 3가닥, 4가닥의 선으로 제작되는 경우도 많이 있습니다.
이 경우에는 두가지의 저항 값을 읽을 수 있다는 장점이 있기 때문에, 두 값을 평균하거나 너무 터무니없는 값을 무시하는 방법으로 노이즈를 줄이게 됩니다.
정리하자면,
온도를 측정하는 방법에는 열전대와 RTD라는 방법이 있습니다.
열전대는 다른 두 금속을 만나게하여, 열이 가해짐에 따라 생기는 전압의 차이를 측정하는 방법이고,
RTD는 백금을 사용하여 생기는 저항값의 차이를 읽어 사용하는 온도 측정 방법을 가지고 있습니다.