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.
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.
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 가진 계측기로 RL2와 RL3을 통해 Rsensor의 전압을 계측합니다.
이 때, 계측기의 임피던스는 충분히 매우 높으므로, RL2와 RL3에 의한 전압은 무시 가능한 수준입니다. (전류가 매우낮으므로, 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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