Top 10 측온 저항체 Trust The Answer

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#025. 온도센서 측온저항체(RTD), 서미스트

측온저항체(RTD) : 네이버 블로그

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측온 저항체

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측온 저항체

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■ 측온저항체-RTD(Resistance Temperature Detector)

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측온저항체(RTD)

측온저항체

백금센서 혹은 백금박막을 이용한 측온저항체(RTD) 온도센서는 실용화 되어 있는 온도센서 중에서 가장 안정도가 높으며, 감도가 좋아 정밀온도 측정에 이용된다. 그 외에도 온도-저항의 선형특성이 우수하고 비교적 간단한 부가회로로 직선출력을 얻을 수 있는 장점이 있다. 따라서 측온저항체는 소형화되고 양산화 되면서 앞으로 각종 가전제품,산업용,자동차용,사무용에 이르기까지 정밀온도 측정 및 제어용으로 광범위하게 사용될 전망이다.

측온저항체는 재질상 금속저항체와 써미스터 측온 저항체로 분리하며, 금속의 전기저항과 온도와의 사이에는 일정한 관계가 있으므로, 전기저항이 온도변화에 비례증감만 한다면 그 온도를 알 수 있다. 여기에 사용되는 금속으로는 백금,니켈,구리 등이 있으며, 그 중에서도 백금을 이용한 측온저항체는, 저항식 온도계가 갖추어야 할 조건에 가장 적당한 것이어서 백금 측온저항체는 공업용으로 널리 이용되고 있다.

열전대는 전류가 흐르지 않게 하면서 온도를 측정하는데 비해, 측온저항체는 전류를 흐르게 하고 온도를 측정하는 점이 본질적으로 다르다. 따라서 금속저항체에 전류를 흐르게 하면 그 양끝의 전압은 오옴의 법칙에 의하여, 전류를 일정하게 하면 전압을 신호변환기에 의해 측정 저항을 알 수 있다. 이 때의 전류를 규정전류라 하고, 사용되는 규격으로는 2mA, 5mA, 10mA 이며, 사용범위 구분은 저온용(-200~100℃), 중온용(0~350℃), 고온용(0~650℃) 로 구분되며, KSC-6303에 의거 표준용과 공업용으로 구분되어 있다.

표준용과 공업용의 제사양

종류별 사양 표준용 공업용(KSC-6303) 공칭저항치(0 ℃ ) 25.5 ± 1 Ω 100Ω 사용온도범위 -159.34~961.78 ℃ -183~1064 ℃ 측정규정전류 1mA 2mA, 5mA, 10mA 정도 ±0.001~0.005℃ ±0.01~0.3℃ 저항비(R100/R0) R100/R0≥1.3925 R100/R0≥1.3916 사용온도

범위 저온용 18.8083K~250℃ -200~100℃ 중온용 -1.83~631℃ 0~350℃ 고온용 -1.83~961.78℃ 0~650℃ 내부 도선형식 4선식 2,3선식

금속의 전기저항은 일반적으로 온도의 변화에 따라 증감하며 전기저항과 온도는 일정한 관계가 있다. 이 원리를 이용하여 온도를 측정하는 계기가 저항온도계이다. 측온저항체로서 사용되는 금속은 다음의 요건을 충족해야 한다.

① 사용 온도 범위에서 온도와 전기저항의 관계가 연속적이고 일관성이 있어야 한다.

② 저항값의 경시 변화나 다른 조건에 의한 변화가 없다.

③ 저항값의 온도에 의한 이력 현상이 없다.

④ 내식성이 있고 안정되어 있다.

⑤ 고유저항, 저항온도계수가 크다.

⑥ 호환성이 있다.

⑦ 가공이 용이하다.

이러한 요건을 갖춘 측온저항체의 소선재료는 백금, 동, Nickel등이 있으며 이중 백금선은 온도의 관계가 매우 정확하며 안정성 재현성이 우수하고 균일한 소선의 제작이 용이하므로 가장 많이 사용되고 있고 사용온도범위는 -200 ~ +500℃이다.

측온 저항체는 니켈, 구리, 또는 니켈/철로 만들 수 있다. 각 금속은 알파 상수와 운전 범위가 다르다. 측온 저항체의 알파 상수는 계기와 일치되어야 하며 상수와 일치하지 않았을 때는 오차가 날 수 있다.

측온저항체는 열전대와 비교하여 다음과 같은 특징이 있다.

① 감도가 크다. ② 진동이 적은 환경에서 사용하면 장기간에 걸쳐 안정되어 있다. ③ 형상이 크기 때문에 응답이 늦다. ④ 최고 사용온도가 500~600℃로 낮다. ⑤ 미세한 저항 소선을 사용하고 있기 때문에 기계적 충격이나 진동에 약하다. 열전대에서는 전류를 흘리지 않고 측정하는 데 비해 측온저항체에서는 전류를 흘려 측정하는 점이 본질적인 차이점이다.

측온저항체의 온도 사용범위 및 허용오차

종류 측정온도범위 계급 허용차 백금측온저항체 -200~100 ℃ 0.3 ±0.3℃ 0.5 ±0.5℃ 100~650℃ 0.3 측정온도의 ±0.3℃ 0.5 측정온도의 ±0.5℃

측온저항체의 종류별 특징

종류 재료 사용온도범위 특징 백금 측온 저항체 Pt -200~650 ℃ – 사용온도 범위가 넓다.

– 가장 안전해서 표준용으로 사용

– 20K 이하에서는 감도가 나쁘다.

– 자계의 영향이 크다. 동 측온저항체 Cu 0~200 ℃ – 동의 산화로 온도범위 좁다.

– 백금에 비해 비례성이 아주 좋다.

– 열전대 등의 온도 보상회로에 사용 니켈 측온저항체 Ni -50~300 ℃ – 온도계수가 백금에 비해 크다.

– 제작회사마다 출력특성이 상이 Pt-Co 합금

측온저항체 Pt 0.5%

Cu 99.5% 2~300 ℃ – 재현성이 좋다.

– 20K이하에서도 감도가 좋다.

– 저온에서 실온까지 측정이 가능

– 가계의 영향이 크다. Rh-Fe 합금

측온저항체 Rh 0.5%

Fe 99.5% 0.5~300K – 재현성이 좋다.

– 자계의 영향이 크다.

– 저온에서 안정성이 좋다.

– 기계적 충격에 약하다.

백금 측온저항체

1. 측온 저항체의 원리

일반적으로 금속의 전기저항은 온도에 따라 변한다. 그 중에서 백금(Platinum)은 타금속에 비하여 온도계수가 직선적으로 변화하며 중량도 가볍고 물리적, 화학적 성질이 우수하여 고순도의 것을 얻기 쉬우며 따라서 장기간 안정적인 온도측정용 Sensor로서 사용되고 있다.

백금측온저항체(Pt 100Ω, 500Ω, 1000Ω)는 일반적으로 금속의 전기저항은 온도의 변하에 따라서 증감하고 그 사이에 일정한 관계가 있다. 그 저항으로 온도를 측정하는 계기가 저항온도계이고, 백금선의 저항변화를 이용한 것이 백금저항온도계이다.

측정저항계는 백금, 동, Nickel 등이 있으며, 그 중 백금선이 온도변화에 예민하게, 전기저항이 증감하므로 현재 널리 이용되며 사용온도범위는 -200℃～600℃이다. 백금측온저항체에는 백금선을 유리관에 권선한 것과, 운모(Mica)에 권선한 것 등이 있으며 저항소자와 내부도선 사이에 단락방지의 절연관, 내부를 보호하는 보호관 및 단자관으로 구성되어 있다.

측온 저항체는 저항 대 온도 출력을 나타내며 수동적 기구이므로 가동하는데 1mA 정도만 필요하다. 가장 많이 쓰는 측온 저항체는 알파 상수 0.00385 ohms/ohm/℃인 100ohm, 백금 센서이다. 0℃에서 (얼음 점) 초기 정확도와 운전 범위에 걸치는 정확도를 나타내는 DIN A와 DIN B로 주문된다. IEC 751에 따르면 DIN A는 0.15℃ ± 0.002/t, t는 특정 온도, DIN B는 0.3℃ ± 0.005/t 이다.

측온저항체의 특징

공업용으로 사용되는 측온저항체는, 다른 온도SENSOR와 비교하여 다음과 같은 특징이 있다.

– 감도가 양호하다.

– 안정성, 재현성이 우수하다.

– 고정도를 얻을 수 있다.

측온저항체의 구성요소

측온저항체(이하 RTD)는 저항소자, 내부도선, 절연관, 보호관, 단자 Box, 기타 취부에 필요한 취부금구 등으로 구성되어 있다.

1 저항소자(RTD Element)

백금체소자로서 내저항성을 갖도록 되어 있으며, 보호관내에 고정시켜 사용하는 측온 Sensor이다.

2 내부도선(Inner Lead Wire)

저항소자와 단자를 접속하기 위한 것으로 주로 Nickel 도선을 사용하며, 3선식(3-Wreds Connection)이 표준이다.

3 절연관(Insulation Tube)

내부도선의 절연과 단락방지를 위한 것으로 주로 애자관(Ceramic tube)을 사용한다.

4 보호관(Protection Tube)

저항소자, 내부도선 등을 측온분위기의 여건에 따라 보호하기 위하여 사용하며, 여기에 단자 Box 및 취부금구 등을 부착한다.

5 단자 Box, 단자판(Terminal Box, Plate)

저항소자와 외부도선을 접속하고 누수 등에 대하여 보호하는 것이다.

6 취부금구(Attatched Accessory)

RTD를 측온개소에 취부하기 위하여 보호관측에 설치하는 것으로 나사나 Flange등을 사용한다.

측온저항체의 구조 및 측정방법

1. 구조

온도에 따라 전기저항이 변하는 현상을 이용하는 금속도선을 저항소자라 하며, 보통 백금을 측온 Sensor로 사용합니다. 이것을 흔히 RTD소자(Resistance Temperature Detector Element)라 부르며, 일반적으로 RTD는 RTD Element, Lead wires, 보호관 및 Terminal로 이루어져 있다.

2. 내부도선

2-Wires Connection (‘W’ type)

3-Wires Connection (‘X’ type) RTD 소자의 두 Terminal에 각각 하나씩의 도선을 접속한 형식으로 비용이 절감되는 효과는 있으나 도선저항의 영향을 받기 때문에 고정도(High Accuracy)를 요하는 곳에는 적합하지 않다. 4-Wires Connection (‘Y’ type) RTD 소자의 한쪽 Terminal에는 2개의 도선을, 다른 한쪽에는 도선저항으로부터의 영향을 줄이기 위해 한 도선만을 각각 연결하는 방식으로 신뢰도가 높기 때문에 가장 많이 적용되고 있다. RTD 소자의 양단에 각각 2개씩의 도선을 접속하여 도선저항의 영향을 없애기 위한 방식으로, 특히 높은 정도(Accuracy)의 온도를 측정하고자 하는 곳에 적합하다.

3. 규준저항소자

t(℃)와 0(℃)에서의 저항소자 저항값을 각각 Rt,R0로 하고 그 비 Rt/R0를 저항비라 한다. 금속은 순도 저하나 가공에 의해서 저항비가 내려간다. 백금의 순도는 상당히 높아 99.99% 이상으로서 그 순도의 기준은 R100/R0로 표시된다. KS C 1603에서는 저항비 Rt/R0가 온도에 따라서 일정한 값을 지닌 가상적인 저항소자를 규준저항소자라 부르며 백금 규준 저항 소자의 저항비가 주어져 있다.

4. 사용시 주의사항

온도를 보다 정밀하게 측정하기 위해서는 측온 장소에 알맞은 측온저항체를 선택하는 것이 가장 중요하다. 따라서 측온저항체를 선정할 때에는 열, 부식, 기계적충격 등의 주위여건에 대하여 내저항성이 있는 구조나 설치방법 및 RTD 소자와 보호관도 신중히 고려하여 선정하여야 한다.

백금 측온저항체의 종류

1. MICA SPRING TYPE 백금측온저항체 PT100Ω

고순도백금 저항체(30μ～40μ)을 양측에 구를 붙인 운모판(폭3m～10m, 후0.3mm～0.4mm)에 가볍게 감고 절연용운모판을 양측에 끼워 양원의 SUS금속판 Spring을 붙여 SUS선에 의하여 고정되어 있다. 따라서 저항소선에 걸리는 응력이 적고 튼튼하므로 취급이 간단하여 공업용 온도센서로 널리 사용된다.

2. CERAMIC TYPE 백금측온저항체 PT100Ω

CERAMIC TYPE 백금측온저항체의 구조는 Coil 상태로 되어 있는 고순도 백금선을 정밀하게 연마한 재결정 알루미나 세라믹에 장착하여 특수내열 frit에 고정시킨 것으로서 저항선의 80%가 온도변화로부터 heat sttrain이 열려 있기 때문에 저항치의 편차가 극소화되고 다른 소자에 비해 재현성과 안정성이 우수하다.

특히, 세라믹을 사용한 백금 측온 저항체 소자는 -200～600℃의 온도 측정에 사용되어지며 백금 코일은 극히 순도가 높은 산화 알루미늄으로 채워진 모세관 안에 세라믹 프리트(유리 원료)에 설치되어 있다. 이 저항체는 수시로 발생하는 과열 현상에 영향을 받지 않으며, 히 스테레시스현상이 없으며, 치수가 정확하여(외경±0.1mm)설치시의 문제점이 없다.

가능한 허용치는 A 및 B급에서 DIN IEC751까지로서 공업 온도 측정에서 광범위하게 사용되고 있으며 잘 입증된 제품이며 표준 측온저항체 대부분에 사용되고 있다.

3. GLASS TYPE 백금측온저항체 PT100Ω

백금측온저항체 소자는 600℃에서도 견디기 위하여 일체형으로 된 유리안에 설치되어 있다. 강한 유리캡슐에 장착된 측온저항체 소자는 격한 진동에 특히 강하며, 백금선 자체가 밀봉되어서 액체 안에서도 직접 온도를 측정할 수 있다. 고객의 요구시, 유리 칼라 길이가 연결 부분측에서 최소 10mm까지 제공될 수 있으며, 따라서 유리 확장물의 연결도 가능하다. 직경에 대한 허용치는 세라믹형보다 더욱 크다. 실제로는 이 부분이 약간 문제점으로 고려되지만, 제작 방법에 따라서 직경은 매 공정마다 약간 다르게 나타난다. 500℃까지는 측정이 안정적이다. 550℃ 이상에서 계속 사용하면, 결빙 점에서 약간의 저항 변화가 예상된다(일반적으로 0.1Ω이내에서)온도의 급변에 따라서 약간의 히스테리시스 현상이 발생할 수 있다. 가능한 허용치는 B급에서 DIN IEC751까지이다. 고객의 요구에 따라 해당 온도범위 내에서의 부속품에 대하여 A급 허용치를 적용시킬 수 있다.

4. FILM TYPE 백금측온저항체 PT100Ω

감지 부위를 최대한 노출시켰기 때문에 응답속도가 빠르다. 길이 및 두께(3～12mm)가 소형이므로 한정된 공간에 설치할 수 있으며 충격에 강한 장점을 가지고 있고 우수한 내진동성이 있으며 단면은 무기절연재질이며 단면부위에 백금막을 입히고 다시 고온용의 무기물로 피복을 하였다.

백금 측온 저항체 소자는 -200～600℃의 온도 측정에 사용되어지며 허용치는 A 및 B급에서 DIN IEC751까지로서 공업 온도 측정에서 광범위하게 사용되고 있다.

측온저항체의 특성과 표준사양

1. 측온저항체 허용차

Standard Type JIS C 1606 DIN 43760 IEC PUB 751 Grade Tolerance (℃) Grade Tolerance (℃) Grade Tolerance (℃) Pt 100 Ω (R100/RO=103850) ClassA ±0.15+0.002 /t ClassA ±0.15+0.002 /t ClassA ±0.15+0.002/t ClassB ±0.3+0.005 /t ClassB ±(0.3+0.005 /t ClassB ±0.3+0.005 /t

2. 측온저항체 종류별 사용온도

기 호 종 류 사용온도 (℃) L 저온형 -200 ~+100 M 중온형 0 ~ 350 H 고온형 0 ~ 600

3. 측온저항체의 표준사양

공칭 저항치 기 호 소자수 도선수 기 호 Pt100 Ω at 0 ℃ Pt100 Single element 3-wire 3 Pt500 Ω at 0 ℃ Pt500 Double Element 6-wire 6 Pt1000 Ω at 0 ℃ Pt1000

기타 자료

저항 온도계의 종류

종류

구분 표준백금저항온도계

( SPRT ) 산업용저항온도계

( Pt, Cu, Ni등) 써어미스터

(반도체 저항 온도계 사용영역 -259.34℃ ~ 630.74℃ -183℃ ~ 2700℃ 1K ~ 260℃ 정 확 도 ±0.001℃ ~ ±0.005℃ ±0.01℃ ~ ±0.3℃ ±0.1℃ ~ ±0.3℃ 감 응 도 0.1 Ω/℃ 0.4 Ω/℃ 200 Ω/℃~10 5 Ω/℃

저항 온도계용 금속의 특성

금속

구분 백 금
[platinum] 구 리
[copper] 니 켈
[nickel] 발 코*
[balco] 텅 스 텐
[tungsten] 평균기울기 α 0.00385 ~0.03925이상 0.0042 0.0067 0.0052 0.0045 비 저 항ρ
[Ω- ㎝] 9.81×10-6 1.529×10-6 5.91×10-6 20.0×10-6 4.99×10-6 선 형 성
[linearity] 우 수 함 우 수 함 나 쁨 나 쁨 보통임

온도

구분 -100℃ 0℃ 100℃ 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ DIN Pt100Ω과 JIS Pt100Ω의 온도 대 저항값 비교 DIN Pt100 60.25Ω 100.00Ω 138.50Ω 175.84Ω 212.02Ω 247.9 280.9 JIS Pt100 59.57Ω 100.00Ω 139.16Ω 177.13Ω 213.93Ω 249.56Ω 284.02Ω

여러 가지 금속의 온도 대 저항 관계

[제어] 온도 측정-측온저항체(RTD)

■ 측온저항체 -RTD(Resistance Temperature Detector)

<참고자료>

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1. RTD 원리 및 배경

금속은 자기의 고유 저항값을 갖고 있으며 그 전기저항은 온도에 따라 일정하게 변하는 성질을 갖고 있다. 이러한 특성을 이용하여 순도가 아주 높은 금속선을 감온부로 만들어 온도측정대상체에 접촉시켜 온도를 감지하게한다. 그리고 온도 크기에 따라 변한 저항값을 저항측정기로 계측하여 온도눈금으로 바꾸어 읽는 전기식 온도계를 만들 수 있다. 이 온도계가 측온저항체온도계(Resistance Temperature Detector;약자로 RTD)이다.

1821년에 Sir Humphry Davy가 온도가 증가함에 따라 금속들이 전기전도도가 비례한다는 현상을 발견하여 발표한 것이 측온저항체 온도계의 시초로 볼 수 있다. 1877년에 SirWilliam Siemens가 백금측온 저항온도계로 온도를 측정하는 방법을 처음으로 제시하였고 그 측정의 실현은 1877에 와서야 Hugh Callendar에 의해 오늘날과 같은 현대적 측온 저항온도계에 의한 온도측정이 시작되었다.

2. RTD 측정 및 보정

가. 측정 전 알아야하는 실험값

▲ 저항 개념도

Ｒt = ρt × ℓ/Ａ

(ρt : 온도 t( ℃)에서 금속의 비저항(Ω.㎝), A : 금속선의 단면적(㎠), ℓ : 금속선의 길이(㎝))

균일한 굵기의 순도 높은 금속선이 온도 t℃에서 나타내는 전기저항 Ｒt(Ω)는 다음식으로 표현할 수 있다. 측온저항체의 소자로 사용하는 금속선의 비저항값은 온도에 따라 변하며 그 금속마다 고유의 값을 갖는 특성값이다. 즉, 온도 변화에 따라 단면적과 길이가 일정한데 저항이 변하는 것은 비저항이 변해서라고 생각하면 편하다.

▲ 금속 온도 대 저항 그래프

그림은 각종 금속의 온도에 따른 저항의 관계를 나타낸 것이다. 이를 일반적인 관계식으로 표현하면, 온도t(℃)에서 금속의 전기저항 Rt(Ω)은 다음과 같다. 그리고 b,c는 계산과정에서 너무 작은 값이라 제외하고, 선형적인 구간(0℃ ~ T℃)으로 제한한다면 간단한 식이 나온다.

Rt = R0(1 + a(T-T0) + b(T-T0)2 + c(T-T0)3+ ․․․)

(R0 : 0℃에서의 저항, a : 저항의 온도계수 (Ω/Ω/℃), b와c : 각 온도에서의 온도계수)

Rt=R0[1+aT]
길게 설명했지만, 0℃에서 저항값 R0, 온도계수 a를 알고, 저항 Rt를 측정하면 온도T를 구할 수 있다. 여기서 a : 저항의 온도계수((temperature coefficient of resistance; TCR)이고 T1=0℃와 T2=100℃을 산업표준으로 하고 있다.

온도계수(TCR) : a = 1/R0 * (R100-R0)/(T-T0)

= 1/R0 * (R100-R0)/100℃

= 1/100℃ * R100/R0 – 1/100℃

식에서도 볼 수 있듯이 온도계수 a, R100/R0 값이 주요한 값으로서 감도와 정확도를 결정한다. 온도계수가 클수록 감도가 좋고, 온도계수의 선형성이 좋을수록 정확하고 사용하기 쉽다. 그리고 이 값들은 실험을 통해 얻을 수 있다.

나. 측정 및 보상 방법

이제 저항을 측정하면 온도를 측정할 수 있다. 저항은 브리지(Bridge)회로를 이용하여 측정한다. 제일 기본적인 휘스톤 브리지를 통해 저항측정의 기본 원리를 설명한다.

▲ 휘스톤 브리지 회로

그림에서 미지의 저항 Rx를 측정하기 위하여 저항 R1,R2의 비를 같게 한 후 검류계 G가 0을 지시할 때까지 Rs를 조절한다. 즉, 전위차가 0 Ｖ일 때 검류계는 0을 지시하고 이때에 브릿지가 평형이 되었다고 한다. 다음의 식으로부터 Rx를 유도할 수 있다.

R1∙Rx = R2 ∙Rs

그런데 저항을 측정하는데 RTD Rx와 연결된 도선에 대한 저항이 현장마다 사정이 다르기 때문에 오차가 많아 실생활에 적용하기가 어렵다. 그래서 오차를 보정하기 위해 보상방법으로 3선식 결선방법, 4선식 결선방법이 고안되었다.

▲ 2선식 결선 측정

2선식 결선의 측정을 다시 살펴보면 2 도선의 저항이 측온저항소자의 저항값과 직렬합성이 되어 도선의 저항값과 연장도선의 주변온도 변화에 따라 일정하지 않는 합성저항의 오차를 감수해야 하는 측정회로이다. 전류가 모두 같다고 생각하고 키르호프법칙을 적용하여 풀면,(r1 + r2) 만큼 오차가 생기게 된다.

R1 + Rs = R2 + r1 + Rx + r2

Rs = Rx + (r1 + r2)

▲ 3선식 결선 측정

3선식 결선은 대부분의 산업용 측온저항체에 적용하는 결선방식이다.여기서 도선의 저항 r1 와 r3 의 차이만큼 오차가 난다. 같다면 오차는 없다. 3선식 결선 측정은 도선의 저항이 같다고 보고 측정하는 것이다. 그러므로 도선은 재질,선경,길이 및 전기저항계수가 같고,전체 길이에 걸쳐 동일한 온도분포가 되도록 해야한다.

R1 + Rs + r3 +r2 = R2 + r1 + Rx +r2

Rs = Rx + (r1 – r3)

▲ 4선식 결선 측정 1

4선식 결선은 표준용 저항온도계의 교정등 극히 고정도 온도측정에 사용한다. 저항 측정회로의 도선과 전류의 측정용 도선을 구분하여 도선의 저항을 등가로 만들어 도선저항에 의한 오차를 배제한 것이다. 그러므로 4선식 측정은 3선식 회로에 두 가지로 결선하여 2회 측정한다. 이것은 저항 측정기에 부착되어 있는 스위치로 절환한다.

왼쪽 회로 : R1+Ra+r1+r2=R2+r3+Rx+r2, Ra = Rx+r3-r1

오른쪽 회로 : R1+Rb+r4+r3=R2+r2+Rx+r3, Rb = Rx+r2-r4

Ra+Rb=2Rx-r1+r2+r3-r4=2Rx

Rx=(Ra+Rb)/2

▲ 4선식 결선 측정 2

4선식은 또 다른 형식으로 측정할 수 있다. 알고 있는 전류원(I)을 2선으로 공급하고, 나머지 2선으로 전압을 측정하여 V=IR에 따라 저항 Rx를 얻을 수 있다.

라. 자기가열

동작 시 RTD에는 전류가 흐르기 때문에 자기가열(self heating)에 의해 영향을 받는다. 그래서 센서의 지시온도는 실제의 온도보다 약간 더 높다. 필요한 정밀도를 얻기 위해서는 이 자기가열에 의한 영향을 고려하여 가능한 한 RTD에 흐르는 전류를 충분히 작고 일정하게 유지해야 한다. RTD의 소비전력상수(dissipation constant)는 RTD 온도를 1[℃] 증가시키는데 필요한 전력[W/℃]으로 주어진다. 산업용 RTD에서 자기가열의 대표적인 범위는 30∼60 mW/℃이며, 이는 소비전력이30∼60 mW일 때 RTD가 1 ℃ 만큼 가열됨을 의미한다. 일반적으로 RTD에 흐르는 전류는 1mA 이하로 규정하고 있다.

3. 백금 RTD 종류

가장 특성이 좋은 백금으로 RTD를 많이 사용하기 때문에 백금 RTD를 대상으로 설명한다. 저항소자는 제조방법에 따라 구분하고 소재에 따라 구분하여 별도의 이름을 갖는다. 저항소선(백금선)을 어떤 절연물질에 감아서 만든 권선형 측온 저항소자(Wire Wound Type RTD)가 있다. 그리고 얇은 세라믹판에 백금을 증착한 후 저항비를 마추어 저항회로로 만든 박막형 저항소자(Thin Film Type RTD)가 있다.대체적으로 저항소선을 권선한 권선형 측온저항소자와 박막형 측온저항소자로 구분하여 사용한다.

가. 세라믹형 ( 권선형 ) 백금 측온저항체

백금 코일은 순도가 높은 산화 알루미늄으로 채워진 모세관 세라믹 안에 설치되어 있다. 세라믹은 정밀 연마된 알루미나 도기체 구멍 속에 삽입된 고순도 백금선으로 결정되어 있으며, 특수한 열저항 도기재료에 의해 바닥이 고정되어 있다. 저항선의 약 80%가 온도의 변화에서 오는 열로 인한 변형을 받지 않고 반영구적으로 사용할 수 있다. 사용범위는 -200~600도 정도.

나. 글래스형 ( 권선형 ) 백금 RTD

일체형으로 된 유리 안에 감아서 설치되어 있고, 강한 유리캡슐에 장착된 측온저항체 소자는 백금선 자체가 밀봉되어 있어 액체 안에서도 직접 온도를 측정할 수 있다. 사용범위는 500도까지 안정적.

다. 운모판형 ( 권선형 ) 백금 RTD

운모판에 백금 저항선을 감고 절연용 운모판을 양면에 다시 덮은 후 그 위에 반원형의 스테인리스 스프링판을 덮어서 가는 스테인리스선으로 묶어 온도 감지 속도를 극대화한 것이다. 진동에 매우 강하지만 습기에는 약한 단점이 있다.

라. 필름형 ( 박막형 ) 백금 RTD

감지 부위를 최대한 노출시켰기 때문에 응답속도가 빠르고 표면적이 넓어 공기 온도를 측정할 때 효과적이며 길이 및 두께가 소형이므로 한정된 공간에 용이. 값이 싸고 대량생산이 가능하지만 권선형보다는 정밀도가 떨어지는 단점이 있다. 또한 소자의 접착문제로 고온에서는 사용이 어렵다. 사용범위는 -50~500도 정도.

4. 백금 RTD 특성

백금은 넓은 온도범위(-200~850℃)에 걸쳐 안정성, 직선성, 내화학성, 내부식성이 우수하여 가장 널리 사용된다. 보통 PT100(0℃에서 100옴)의 RTD를 많이 사용하며, TCR은 약 a = 0.00385 = 0.004 (Ω/Ω)/℃ 이다. 이것은 온도가 약 1℃만큼 변하면, PT100 RTD의 저항은 0.4옴이 변하는 것을 의미한다.

5. RTD 구조

측온 저항 소자, 연장도선, 절연재료, 보호관 및 단자판으로 구성되어 있다. 보호관에 따라 크게 일반형 측온저항체와 시스형 측온저항체 2종류로 구분한다. 금속관을 보호관으로 사용하여 내부도선을 보호하는 일반형 측온저항체, 금속시스에 내부도선을 넣고 무기절연재를 충전하여 일체화시킨 형태를 시스형 측온저항체라한다.

측온저항체(RTD, Resistance Temperature Detector)에 대하여

안녕하세요, 센서와 스위치를 다잡는 센서보이 입니다.

이번 글에서는 측온저항체(RTD, Resistance Temperature Detector)에 대해 알아보겠습니다.

온도를 측정할 수 있는 센서 중 하나인 측온저항체(이하 RTD)는 산업용 온도센서의 기본입니다.간편한 설치와 사용, 뛰어난 내구성, 뛰어난 정밀도와 직선성, 그리고 다양한 모양으로 가공되어 넓은 응용 범위를 자랑합니다.그럼, RTD의 역사와 기본적인 원리, 구조, 종류, 결선 및 응용 가능한 모양들에 대하여 알아보는 시간을 가져 보겠습니다.

RTD의 역사

RTD는 온도에 따라 특정 금속물질의 저항이 변하는 성질을 활용한 센서로, 온도를 측정하는 모든 분야에서 오랫동안 사용되어 왔으며, 정확도와 반복성, 그리고 뛰어난 안정성을 보입니다.

온도에 의한 금속저항의 변화는 1871년 Wiliam Siemens(그 지멘스 맞습니다.)에 의해 처음 거론되었고, 1885년에서 1900년까지 여러 학자들에 의해 온도 센서로 활용하는 방법이 확립 되었습니다.

RTD의 구조

Wire-Wound RTD(Outer wound design) : 초기 개발된 RTD는 얇은 금속 선을 절연 코어 주위에 감아 사용 하였습니다. 최초에는 내구성이 약해 사용할 수 없는 지경이었습니다. (다만 정밀도는 최상입니다.)

Wire-Wound RTD(Coil Design) : 이후, 기술의 발달 및 지속적인 연구로 RTD Wire 소자를 절연체 및 세라믹 튜브로 감싸고, 외부에 단단한 금속제 Housing을 씌워 내구성을 대폭 증가 시켰습니다. 일반적인 Probe Type RTD의 구조입니다.

Thin-Film RTD : 기술이 발전하면서 RTD wire는 Thin Film 형태로 가공되어 더욱 뛰어난 내구성을 가지게 되었습니다. Surface 온도측정 또는 굉장히 소형 Application에 활용됩니다.

RTD의 종류

예전에는 Platinum(백금), Nickel(니켈), Copper(구리) 등 다양하게 사용 되었습니다만, 최근에는 거의 모든 RTD가 백금 소자로 구성되어 있습니다. (80~90년대에 설치된 센서들은 Nickel, Copper가 간혹 있습니다.)

RTD는 소자명 + 숫자의 형태로 표기되며, 소자명+숫자+옴 으로 읽습니다.

(예시 : PT100 = PT100옴)

이것은 0도일 때 100옴의 저항을 가지는 Platinum 소자로 이루어진 RTD센서라는 뜻으로, RTD 센서는 PT100, PT1000, Nickel120, Cu50 등 각 소자별로 다양한 종류가 있습니다.

RTD의 결선 (2-Wire, 3-Wire, 4-Wire RTD)

RTD는 2선, 3선, 4선식 결선이 있습니다.

결선에 따라 소자나 원리가 달라지는 것은 아니고, 저항을 측정하는 RTD의 특성에 의해 더욱 정밀하게 저항을 측정하고자 고안된 결선 방법일 뿐입니다.

2선식 결선방법 : 2선식 결선은 소자의 저항에 더불어 리드선의 저항을 포함하여 측정하는 방식입니다.

2선식 RTD는 주로 짧은 리드선이나 정밀한 정확도가 필요하지 않은 경우, 또는 PT1000옴에서 주로 사용합니다.

PT1000옴은 소자 자체의 저항이 1000옴이라, 리드선 저항 1~3옴 정도가 추가되어도 온도 측정에 거의 영향이 없습니다. 따라서, 배선 비용을 줄일 수 있기 때문에 빌딩/아파트 등의 건설 시 많이 사용합니다.

https://www.pyromation.com/Downloads/Doc/Training_RTD_Theory.pdf

3선식 결선방법 : 3선식 결선은 선간저항을 배제하여 실질적인 소자의 저항만 측정할 수 있도록 고려한 방식입니다. 소자의 저항을 정밀하게 측정해야 하는 경우나 PT100옴일 경우 주로 사용하며, 대부분 RTD는 3선식으로 구성되어 있습니다. (A, B, B’로 보통 명기됩니다.)

아래 도식을 보시면, RL1과 RL2사이의 저항을 찍으면 R(L1+R(b)+L2)의 저항이 측정됩니다.

여기서 우리가 알고싶은 저항은 R(b)이기 때문에, RL1, RL2, 즉 리드선의 저항을 빼줘야 합니다.

RL2와 RL3의 저항을 찍으면, R(b)가 물려있지 않기 때문에 R(L2+L3)의 선 저항만 측정됩니다.

이 때, RL1 = RL2 = RL3 이라고 가정하고, R(L2+L3)의 값을 앞서 측정한 R(L1+R(b)+L2)값에서 빼줍니다.

그렇게 하면, 간접적이지만 매우 정확하게 R(b)의 값을 알 수 있습니다.

https://www.pyromation.com/Downloads/Doc/Training_RTD_Theory.pdf

4선식 결선방법 : 4선식 결선은 리드선의 저항을 무시하는 수준의 매우작은 전류만으로 RTD저항을 측정합니다.잘 사용하지 않는 결선입니다만, 매우 정밀하게 온도를 측정해야 하는 경우에 사용합니다.

4선식 RTD의 RL4에서 RL1로 계측기에 의해 지정된 전류 I(+)가 흐릅니다.

이 때, RTD Element의 전압 값은 R(sensor) = V(Rsensor)/I(+) 입니다.

매우높은 임피던스를 계측기로 RL2와 RL3을 통해 Rsensor의 전압을 계측합니다.

이 때, 계측기의 임피던스는 충분히 매우 높으므로, RL2와 RL3에 의한 전압은 무시 가능한 수준입니다. (순수한 V(Rsensor)만 측정)

측정한 V(Rsensor)를 통해 R(sensor) = V(Rsensor)/I(+)를 계산할 수 있으며, 매우 정확하게 R(sensor) 값의 계측이 가능합니다.

RTD 센서의 응용

RTD 온도센서는 아래와 같은 형태로 가공되며, 각각 모양에 맞는 Application에 적용됩니다.

Wire-Wound RTD element : 굉장히 정밀한 Application에 적용됩니다. 진동/충격에 약하기 때문에 정적인 환경에서 섬세하게 취급해야 하며, 종류에 따라 측정 매체 등이 제한되기도 합니다.

Probe Type RTD : 거의 대부분의 온도측정 분야에 적용됩니다. 단단한 금속성 Sheath(보호관) 내부에 RTD Coil Element를 삽입/몰딩하여 제조하며, Lead wire, Connector, Head, Explosion-proof type 등 여러가지 형태로 제작됩니다.

Surface Measuring RTD : Thin-flim 형태의 RTD를 통해 표면온도를 측정할 수 있도록 얇게 제조한 제품들이 있습니다.

표면온도는 Probe 형태의 제품으로는 정밀하게 측정하기가 불가능하기 때문에, 납작한 형태의 Thin Flim 형태의 제품이 알맞으며, 굴곡이 있는 배관 등에 부착할 수 있도록 Silicone Rubber로 Thin-Flim을 감싼 말랑말랑한 재질의 제품또한 있습니다.

RTD 센서의 정밀도 등급

PT100 ohm은 IEC 60751:2008에 따라 4가지 Class로 정의됩니다.

Class 1/10 DIN B : 100 ohms at 0°C with a tolerance of ±0.03 °C.

Class 1/3 DIN B : 100 ohms at 0°C with a tolerance of ±0.10 °C.

Class A : 100 ohms at 0°C with a tolerance of ±0.15 °C

Class B : 100 ohms at 0°C with a tolerance of ±0.30 °C

하기 표는 온도에 따른 Accuracy를 나타냅니다.

PT100 Ohm 온도센서의 온도-저항 테이블

아래는 PT100 온도센서에 대하여 온도별 저항변화를 나타낸 테이블입니다.

본 테이블은 국제 규격이기 때문에, 검색하시면 엑셀 자료를 쉽게 다운받을 수 있습니다.

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