온도 센서

온도 센서

모든 센서 중 가장 일반적으로 사용되는 유형은 온도 또는 열을 감지하는 센서 유형입니다 .

이러한 유형의 온도 센서는 가정용 온수 가열 시스템을 제어하는 ​​단순한 ON/OFF 온도 조절 장치부터 복잡한 공정 제어 용광로 플랜트를 제어할 수 있는 고감도 반도체 유형까지 다양합니다.

우리는 학교 과학 수업에서 분자와 원자의 움직임이 열(운동 에너지)을 생성하고 움직임이 클수록 더 많은 열이 생성된다는 것을 기억합니다. 온도 센서는 물체나 시스템에서 생성되는 열 에너지의 양이나 차가운 정도를 측정하여 해당 온도에 대한 물리적 변화를 "감지"하거나 감지하여 아날로그 또는 디지털 출력을 생성합니다.

다양한 유형의 온도 센서를 사용할 수 있으며 모두 실제 적용에 따라 서로 다른 특성을 갖습니다. 온도 센서는 두 가지 기본 물리적 유형으로 구성됩니다.

• 접촉식 온도 센서 유형 – 이러한 유형의 온도 센서는 감지되는 물체와 물리적으로 접촉하고 전도를 사용하여 온도 변화를 모니터링해야 합니다. 이 센서는 광범위한 온도에서 고체, 액체 또는 기체를 감지하는 데 사용할 수 있습니다.
• 비접촉식 온도 센서 유형 – 이러한 유형의 온도 센서는 대류와 복사를 사용하여 온도 변화를 모니터링합니다. 대류 흐름에 따라 열이 상승하고 냉기가 바닥에 가라앉을 때 복사 에너지를 방출하는 액체와 가스를 감지하거나 적외선 복사(태양)의 형태로 물체에서 전송되는 복사 에너지를 감지하는 데 사용할 수 있습니다.

두 가지 기본 유형의 접촉 또는 비접촉 온도 센서는 전기 기계 , 저항성 및 전자 의 세 가지 센서 그룹으로 세분화될 수 있으며 세 가지 유형 모두 아래에 설명되어 있습니다.

 

온도 센서로서의 온도 조절 장치

온도 조절 장치는 기본적 으로 니켈, 구리, 텅스텐 또는 알루미늄 등과 같은 서로 다른 두 가지 금속이 서로 결합되어 바이메탈 스트립을 형성하는 접촉형 전자 기계식 온도 센서 또는 스위치입니다 . 두 개의 서로 다른 금속의 서로 다른 선형 팽창률은 스트립이 열에 노출될 때 기계적 굽힘 운동을 생성합니다.

바이메탈 스트립은 그 자체를 전기 스위치로 사용하거나 자동 온도 조절 장치의 전기 스위치를 작동하는 기계적 방법으로 사용할 수 있으며 보일러, 용광로, 온수 저장 탱크 및 차량의 온수 가열 요소를 제어하는 ​​데 광범위하게 사용됩니다. 라디에이터 냉각 시스템.

바이메탈 온도 조절기

온도 조절 장치는 열적으로 서로 다른 두 개의 금속이 서로 붙어 있는 구성입니다. 날씨가 추우면 접점이 닫히고 전류가 온도 조절 장치를 통과합니다. 뜨거워지면 한 금속이 다른 금속보다 더 많이 팽창하고 결합된 바이메탈 스트립이 위로(또는 아래로) 구부러져 접점이 열리면서 전류가 흐르는 것을 방지합니다.

온/오프 온도 조절기

온도 변화에 따른 움직임에 따라 주로 두 가지 유형의 바이메탈 스트립이 있습니다. 설정된 온도 지점에서 전기 접점에 순간적인 "ON/OFF" 또는 "OFF/ON" 유형 동작을 생성하는 "스냅 동작" 유형과 점차적으로 위치를 변경하는 느린 "크리프 동작" 유형이 있습니다. 온도가 변하면서.

스냅액션형 온도 조절 장치는 오븐, 다리미, 침수형 온수 탱크의 온도 설정점을 제어하기 위해 가정에서 흔히 사용되며, 가정 난방 시스템을 제어하기 위해 벽에도 설치됩니다.

크리퍼 유형은 일반적으로 온도 변화에 따라 천천히 풀리거나 감겨지는 바이메탈 코일 또는 나선형으로 구성됩니다. 일반적으로 크리퍼 유형 바이메탈 스트립은 스트립이 더 길고 얇기 때문에 표준 스냅 ON/OFF 유형보다 온도 변화에 더 민감하여 온도 게이지 및 다이얼 등에 사용하기에 이상적입니다.

매우 저렴하고 넓은 작동 범위에서 사용할 수 있지만 온도 센서로 사용할 때 표준 스냅액션 유형 온도 조절 장치의 주요 단점 중 하나는 전기 접점이 열릴 때부터 다시 닫힐 때까지 히스테리시스 범위가 크다는 것입니다. 예를 들어, 20oC 로 설정되어 있어도 22oC 가 될 때까지 열리지 않거나 18oC 가 될 때까지 다시 닫힐 수 있습니다.

따라서 온도 변동 범위가 상당히 높을 수 있습니다. 가정용으로 시중에서 판매되는 바이메탈 온도 조절 장치에는 원하는 온도 설정점과 히스테리시스 수준을 보다 정확하게 사전 설정할 수 있는 온도 조정 나사가 있습니다.

온도 센서로서의 서미스터

서미스터 (Thermistor) 는 또 다른 유형의 온도 센서로, 이름은 THERM (ally Sensitive Res- ISTOR) 이라는 단어를 조합한 것입니다 . 서미스터는 온도 변화에 노출되면 물리적 저항이 변하는 특별한 유형의 저항기입니다.

 

서미스터

서미스터는 일반적으로 쉽게 손상될 수 있는 유리에 코팅된 니켈, 망간 또는 코발트 산화물과 같은 세라믹 재료로 만들어집니다. 스냅액션 유형에 비해 가장 큰 장점은 온도 변화에 대한 반응 속도, 정확성 및 반복성입니다.

대부분의 서미스터 유형에는 음의 온도 저항 계수 (NTC) 가 있습니다 . 즉, 온도가 증가함에 따라 저항 값이 감소하며, 물론 양 의 온도 계수(PTC)를 갖는 것도 있습니다. 온도가 상승하면 저항값이 올라갑니다.

서미스터는 망간, 코발트, 니켈 등과 같은 금속 산화물 기술을 사용하는 세라믹 유형의 반도체 재료로 구성됩니다. 반도체 재료는 일반적으로 모든 온도 변화에 상대적으로 빠른 반응을 제공하기 위해 밀봉된 작은 압착 디스크 또는 볼로 형성됩니다. .

서미스터는 실온(보통 25oC)에서의 저항값, 시간 상수(온도 변화에 반응하는 시간) 및 이를 통해 흐르는 전류에 대한 전력 등급으로 평가 됩니다 . 저항기와 마찬가지로 서미스터는 실온에서 10MΩ부터 몇 옴까지의 저항 값을 제공하지만 감지 목적으로는 킬로옴 단위의 값을 갖는 유형이 일반적으로 사용됩니다.

서미스터는 수동 저항 장치입니다. 즉, 측정 가능한 전압 출력을 생성하려면 서미스터에 전류를 통과시켜야 합니다. 그런 다음 서미스터는 일반적으로 적절한 바이어스 저항기와 직렬로 연결되어 전위 분배기 네트워크를 형성하고 저항기를 선택하면 미리 결정된 온도 지점 또는 값에서 전압 출력이 제공됩니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

온도 센서 예시 No1

다음 서미스터는 25oC에서 10KΩ의 저항값과 100oC에서 100Ω의 저항값을 갖습니다. 1kΩ 저항기 와 직렬로 연결되었을 때 두 온도 모두에 대해 서미스터 양단의 전압 강하와 그에 따른 출력 전압(Vout)을 계산합니다. 12v 전원 공급 장치를 통해.

25oC 에서 _ _

100oC 에서 _ _

R2의 고정 저항 값(예: 1kΩ)을 전위차계 또는 사전 설정으로 변경하면 미리 결정된 온도 설정점(예: 60oC에서 5v 출력)에서 전압 출력을 얻을 수 있으며 전위차계 를 특정 출력 전압으로 변경하면 됩니다. 더 넓은 온도 범위에서 수준을 얻을 수 있습니다.

그러나 서미스터는 비선형 장치이며 실온에서의 표준 저항 값은 서미스터마다 다르며 이는 주로 서미스터를 구성하는 반도체 재료로 인해 다릅니다. 서미스터는 온도 에 따라 지수적으로 변화하므로 주어진 온도 지점에 대한 저항을 계산하는 데 사용할 수 있는 베타 온도 상수( β )를 갖습니다.

그러나 전압 분배기 네트워크 또는 휘트스톤 브리지 유형 배열과 같은 직렬 저항기와 함께 사용할 경우 분배기/브리지 네트워크에 적용된 전압에 응답하여 얻은 전류는 온도에 선형적입니다. 그러면 저항기의 출력 전압은 온도에 따라 선형이 됩니다.

저항성 온도 감지기(RTD)

전기 저항 온도 센서의 또 다른 유형은 저항 온도 감지기 ( RTD) 입니다 . RTD는 백금, 구리, 니켈 등 고순도 전도성 금속을 코일에 감아 만든 정밀 온도 센서로, 전기 저항은 서미스터와 유사하게 온도에 따라 변합니다. 또한 박막 RTD도 사용 가능합니다. 이 장치에는 백금 페이스트의 얇은 필름이 흰색 세라믹 기판에 증착되어 있습니다.

저항성 RTD

저항성 온도 감지기는 양의 온도 계수(PTC)를 갖지만 서미스터와 달리 출력이 극도로 선형적이어서 온도를 매우 정확하게 측정합니다.

그러나 열 민감도가 매우 낮습니다. 즉, 온도 변화에 따라 1Ω/oC와 같은 매우 작은 출력 변화만 발생 합니다 .

보다 일반적인 유형의 RTD는 백금으로 만들어지며 백금 저항 온도계 또는 PRT 라고 하며 가장 일반적으로 사용 가능한 Pt100 센서는 0oC에서 표준 저항 값이 100Ω입니다. 단점 은 백금 저항 온도계입니다. 비용이 많이 들고 이러한 유형의 장치의 주요 단점 중 하나는 비용입니다.

서미스터와 마찬가지로 RTD는 수동 저항 장치이며 온도 센서를 통해 일정한 전류를 흘림으로써 온도에 따라 선형적으로 증가하는 출력 전압을 얻을 수 있습니다. 일반적인 RTD의 기본 저항은 0oC에서 약 100Ω이고 100oC 에서 약 140Ω으로 증가하며 작동 온도 범위는 -200~+ 600oC 입니다 .

RTD는 저항성 장치이므로 전류를 통과시켜 결과 전압을 모니터링해야 합니다. 그러나 전류가 흐르는 동안 저항성 와이어의 자체 열로 인한 저항 변화(  I 2 R  ,(옴의 법칙))로 인해 판독값에 오류가 발생합니다. 이를 방지하기 위해 RTD는 일반적으로 납 보상 및/또는 정전류 소스 연결을 위한 추가 연결 전선이 있는 Wheatstone Bridge 네트워크에 연결됩니다.

온도 센서로서의 열전쌍

열전대 는 모든 온도 센서 유형 중에서 가장 일반적으로 사용되는 유형입니다. 열전대는 크기가 작기 때문에 단순성, 사용 용이성 및 온도 변화에 대한 반응 속도로 인해 인기가 높습니다. 또한 열전대는 -200oC 미만에서 2000oC 이상까지 모든 온도 센서 중 가장 넓은 온도 범위를 갖습니다 .

열전대는 기본적으로 서로 용접되거나 압착된 구리 및 콘스탄탄과 같은 서로 다른 금속의 두 접합으로 구성된 열전 센서입니다. 한 접점은 기준(냉) 접점이라고 불리는 일정한 온도로 유지되는 반면, 다른 접점은 측정(열) 접점입니다. 두 접합점의 온도가 서로 다른 경우 아래와 같이 온도 센서를 측정하는 데 사용되는 전압이 접합점 전체에 발생합니다.

열전대 구성

열전대의 작동 원리는 매우 간단하고 기본적입니다. 구리와 콘스탄탄과 같은 두 개의 서로 다른 금속을 함께 융합하면 두 금속 사이에 불과 몇 밀리볼트(mV)의 일정한 전위차를 제공하는 "열전" 효과가 생성됩니다. EMF를 생성하는 도선을 따라 온도 구배가 생성되므로 두 접합 사이의 전압 차이를 "제벡 효과"라고 ​​합니다. 그러면 열전대의 출력 전압은 온도 변화의 함수입니다.

두 접합점 모두 동일한 온도에 있는 경우 두 접합점의 전위차는 0입니다. 즉, V 1  = V 2 이므로 전압 출력이 없습니다 . 그러나 접합이 회로 내에 연결되어 있고 둘 다 서로 다른 온도에 있는 경우 두 접합 사이의 온도 차이 V 1  – V 2 에 따라 전압 출력이 감지됩니다 . 이러한 전압 차이는 접합 피크 전압 레벨에 도달할 때까지 온도에 따라 증가하며 이는 사용된 두 가지 서로 다른 금속의 특성에 따라 결정됩니다.

열전대는 -200oC 에서 + 2000oC 이상의 극한 온도를 측정할 수 있는 다양한 재료로 만들 수 있습니다 . 재료와 온도 범위의 선택 폭이 넓기 때문에 사용자가 특정 응용 분야에 적합한 열전대 센서를 선택할 수 있도록 열전대 색상 코드가 포함된 국제적으로 인정된 표준이 개발되었습니다. 표준 열전대의 영국 색상 코드는 다음과 같습니다.

열전대 색상 코드

열전대 센서 색상 코드 확장 및 보상 리드
코드 유형	도체(+/-)	감광도	영국 BS 1843:1952
이자형	니켈 크롬 / 콘스탄탄	-200 ~ 900oC
제이	철/콘스탄탄	0 ~ 750oC
케이	니켈 크롬 / 니켈 알루미늄	-200 ~ 1250oC
N	나이크로실/니실	0 ~ 1250oC
티	구리 / 콘스탄탄	-200 ~ 350oC
유	"S"와 "R"을 보상하는 구리/구리 니켈	0 ~ 1450oC

위에서 일반적인 온도 측정에 사용되는 세 가지 가장 일반적인 열전대 재료는 철-콘스탄탄 (유형 J), 구리-콘스탄탄 (유형 T) 및 니켈-크롬 (유형 K)입니다. 열전대의 출력 전압은 매우 작습니다. 10oC의 온도 차이에 대해 불과 몇 밀리볼트(mV)에 불과하며 이 작은 전압 출력으로 인해 일반적으로 어떤 형태의 증폭이 필요합니다.

열전대 증폭

잦은 간격으로 열전쌍을 재교정하는 것을 방지하려면 우수한 드리프트 안정성이 필요하기 때문에 이산형 또는 연산 증폭기 형태의 증폭기 유형을 신중하게 선택해야 합니다. 이로 인해 대부분의 온도 감지 응용 분야에서는 초퍼 및 계측 유형의 증폭기가 선호됩니다.

여기에 언급되지 않은 다른 온도 센서 유형 에는 반도체 접합 센서, 적외선 및 열 복사 센서, 의료용 온도계, 표시기 및 색상 변경 잉크 또는 염료가 포함됩니다.

"온도 센서 유형"에 관한 이 튜토리얼에서는 온도 변화를 측정하는 데 사용할 수 있는 센서의 몇 가지 예를 살펴보았습니다. 다음 튜토리얼에서는 포토다이오드, 포토트랜지스터, 광전지 및 광 의존 저항기와 같은 광량을 측정하는 데 사용되는 센서를 살펴보겠습니다.