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.
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?
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