온도 센서, 기본 사항

온도 센서는 식품 가공, HVAC 환경 제어, 의료 기기, 화학 물질 처리 및 자동차의 후드 모니터링(예: 냉각수, 공기 흡입구, 실린더 헤드 온도 등) 같은 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 온도 센서는 해당 응용 제품의 안전한 사용을 위해 공정이 특정 범위 내에서 유지되도록 또는 극단적 열, 위험 또는 접근 불가능한 측정 지점을 처리하는 경우 공정이 의무 조건을 충족하여 해당 응용 제품의 안전한 사용을 제공하도록 보장하기 위해 열을 측정하는 경향이 있습니다.

여기에는 접점 및 무접점 온도 센서라는 두 개의 주요 옵션이 있습니다. 접점 센서는 측정해야 하는 개체에 접촉하는 열전대와 서미스터를 포함하는 반면 비접점 센서는 해당 개체의 온도를 측정하기 위해 열원이 방출하는 열 방사를 측정합니다. 후자의 비접점 센서 그룹은 거리를 두고 온도를 측정하며 종종 위험 환경에서 사용됩니다.

온도 및 센서 유형

열전대

열전대(TC)는 서로 다른 2개의 금속으로 구성된 한 쌍의 접합입니다. 한 접합은 기준 온도를 나타내고 다른 접합은 측정되는 온도를 나타냅니다. 열전대의 작동 원리는 온도 변화에 따라 전압(제백 효과)이 발생하고 이 전압이 온도 판독으로 변환되는 것입니다. TC를 사용하는 이유는 저가이고 견고하며 신뢰할 수 있는 성능을 제공할 뿐만 아니라 배터리가 필요하지 않고 광범위한 온도에서 사용 가능하기 때문입니다. 열전대는 최대 2,750°C까지 우수한 성능을 달성할 수 있으며 최고 3,000°C 및 최저 -250°C에서도 단시간 동안 사용할 수 있습니다.

열전대의 장점 및 문제점은 다음과 같습니다.

• 고유 온도를 측정합니다.
• 개체의 온도를 유추해야 하며 사용자가 열전대 사이에 열 흐름이 없도록 해야 합니다.
• 장기 사용 후 온도 판독에 오류가 발생하는 경향이 있습니다. 이러한 오류는 수분 또는 열 조건으로 인해 전선 절연이 저항을 손실하거나 환경적으로 화학적, 핵 방사 또는 기계적 간섭으로 인해 발생합니다.
• 열전대는 전기적 도체이므로 다른 전기 소스에 접촉할 수 없습니다.
• 접합부에서 측정하지 않습니다.
• 이러한 장치는 저항 온도계와 비교하여 신속하게 대응합니다.

서미스터

서미스터는 열전대와 마찬가지로 저가이고 지속적으로 사용 가능하며 사용이 쉽고 새로운 환경에 적응할 수 있는 온도 센서입니다. 그러나 서미스터는 고온 응용 제품에 비해 상대적으로 단순한 온도 측정을 사용합니다. 서미스터는 온도에 특히 민감한 저항률을 가진 반도체 재료로 구성됩니다. 서미스터의 저항은 온도가 상승함에 따라 감소하므로 온도가 변하면 저항 변하를 예측할 수 있습니다. 서미스터는 유입 전류 제한기, 온도 센서, 자체 리셋 과전류 보호기 및 자동 조절 난방 소자로 널리 사용됩니다.

서미스터는 다음과 같은 점에서 저항 온도 감지기(RTD)와 구별됩니다. (1) RTD에 사용되는 재료는 단순 금속입니다. (2) 두 장치의 온도 반응이 다릅니다. 서미스터는 k 표시(서미스터 저항을 켈빈 온도로 변환하는 Steinhart-Hart 서미스터 방정식)에 따라 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. k가 양인 경우 온도가 상승함에 따라 저항이 증가하며 해당 장치는 정비례 온도 계수(PTC) 서미스터라고 합니다. k가 음인 경우 온도가 상승함에 따라 저항이 감소하며 해당 장치는 반비례 온도 계수(PTC) 서미스터라고 합니다.

NTC 서미스터의 예를 들어, 간헐적 또는 연속적 환자 온도 모니터링을 위해 설계된 GE Type MA 계열 서미스터 조립품을 살펴보겠습니다. 이 응용 제품은 특히 유아 치료 또는 마취 시 사용되는 경우 반복성 및 신속한 반응을 필요로 합니다.

MA300(그림 1)은 환자 피부 부위를 체온 표시기로 사용하는 편의성을 통해 정기적 및 연속적 환자 온도 모니터링을 실현할 수 있도록 합니다. 스테인리스강 하우징을 통해 환자의 안락함을 최대한 유지하면서 재사용 및 일회용 응용 제품에 모두 사용할 수 있습니다. 공칭 저항 2,252/3,000/5,000/10,000Ω(25°C)이 제공됩니다.

그림 1: GE의 MA300 서미스터 조립품은 의료 등급 PVC 테플론 절연을 사용하는 스테인리스 강으로 구성되었습니다(GE 제공).

저항 온도 감지기

저항 온도 감지기(RTD)는 온도 변환과 동시에 저항 값이 바뀌는 저항기를 사용하는 온도 센서입니다. 정확성을 제공할 뿐만 아니라 신뢰성 및 안정성으로 잘 알려진 RTD는 박막의 경우 -50°C ~ 500°C, 여러 권선의 경우 -200°C ~ 850°C의 넓은 온도 범위에서 사용할 수 있습니다.

박막 RTD 소자는 기판 위에 얇은 백금 레이어가 증착되었습니다. 특정 저항을 제공하도록 트리밍된 전기 회로를 제공하는 하나의 패턴이 생성됩니다. 납 전선이 연결되고 필름과 연결을 보호하기 위해 조립품이 코팅됩니다. 그에 비해 권선 소자는 전선 코일이 세라믹이나 유리 튜브로 패키지되어 있거나 유리 또는 세라믹 재료 주위에 감을 수 있습니다.

RTD의 예로 HVAC - 실내, 덕트 및 냉매 온도, 과부하 보호를 위한 모터 및 자동차 - 공기 또는 오일 온도 같은 응용 제품에 사용되는 Honewell의 TD 계열을 들 수 있습니다. TD 계열 내 TD4A 액체 온도 센서는 2단자 나선형 양극 산화 알루미늄 하우징입니다. 환경적으로 밀봉된 액체 온도 센서는 트럭의 측면에서와 같이 간편한 설치를 위해 설계되었지만 전체 침수용으로 설계되지는 않았습니다. 통상 반응 시간은(1회 연속) 정체 공기에서 4분, 정지 수역에서 15초입니다.

TD 계열 온도 센서는 온도 변화에 대해 신속하게 반응하고(그림 2) ±0.7C°(20C° 기준)의 정확도를 제공하며 재보정 작업 없이 완벽하게 상호 대체 가능합니다. 이 센서는 RTD(저항 온도 감지기) 센서이며 본질적으로 선형에 가까운 출력에서 8Ω/°C 감도를 제공합니다.

RTD는 우수한 상호 대체 가능성과 함께, 열전대에 비해 정확도가 향상되었으며 장기적으로 안정적인 성능을 제공합니다. 이러한 고온 성능 덕택에 산업 현장에서 종종 사용됩니다. RTD가 부식 또는 산화의 영향을 받지 않는 백금으로 만들어진 경우 안정성이 향상됩니다.

적외선 센서

적외선 센서는 -70°C ~ 1,000°C의 표면 온도 범위를 측정하는 데 사용됩니다. 이러한 센서는 개체에서 전달된 열 에너지(0.7um ~ 20um의 파장 범위)를 전기 신호로 변환하며 이 신호는 주변 온도에 대해 보정을 거친 후 온도 단위로의 표시를 위해 변환됩니다.

다음과 같은 경우 이 센서는 온도를 측정하는 데 사용됩니다.

• 열전대 또는 프로브를 사용할 수 없는 경우
• 대상 개체가 움직이는 경우(롤러 위, 이동 기기, 컨베이어 벨트)
• 대상 개체가 진공 상태인 경우
• 위험 상황의 경우(예: 고전압)
• 거리가 먼 경우
• 접점 센서에 대해 온도가 너무 높은 경우
• 매우 빠른 반응이 필요한 경우

적외선 옵션을 선택하는 경우 고려해야 할 주요 사항에는 시야(시야각), 방사율(동일한 온도에서 완벽한 라디에이터에서 방출되는 에너지에 대해 개체에서 방사되는 에너지의 비율), 스펙트럼 반응, 온도 범위 및 실장 등이 있습니다.

최근 발표된 제품인 Texas Instruments TMP006(그림 3)은 칩 크기 패키지의 적외선 열전퇴 센서입니다. 이 제품은 접점이 없고, 열전퇴를 사용하여 측정할 개체에서 방출되는 적외선 에너지를 흡수하며, 열전퇴 전압에서의 해당 변화를 사용하여 개체 온도를 판별합니다.

적외선 센서 전압 범위는 -40°C ~ 125°C로 지정되어 있어 광범위한 응용 제품에서의 사용이 가능합니다. 이 제품은 낮은 작동 전압과 함께 소비되는 전력도 낮기 때문에 배터리 구동 응용 제품에 적합합니다. 칩 크기 형식의 낮은 패키지 높이로 표준 대량 조립 방식이 가능하며, 측정할 개체에 대해 사용 가능한 공간이 제한되는 경우 유용할 수 있습니다.

접점 또는 비접점 센서를 사용하여 온도를 측정하는 경우 기본 가정 및 추론이 필요합니다. 그러므로 규격서를 주의 깊게 읽고 영향을 주는 요인을 이해하여 실제 온도가 표시된 온도와 동일함을 확신할 수 있어야 합니다.