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열 계측기기 - 측온 저항체 (RTD) 온도센서
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앞으로 각종 가전제품, 산업용, 자동차용, 사무용에 이르기까지 정밀온도 측정 및 제어용으로 광범위하게 사용될 측온저항체가 무엇일까? 백금센서 혹은 백금박막을 이용한 측온저항체(RTD) 온도센서는 실용화 되어 있는 온도센서 중에서 가장 안정도가 좋으며, 감도가 좋아 정밀온도 측정에 이용된다. 그 외에도 온도-저항의 선형특성이 우수하고 비교적 간단한 부가회로로 직선출력을 얻을 수 있는 장점이 있다.

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.




측온 저항체 (RTD) 의 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 Sensor 로서 사용되고 있다. 백금측온저항체(Pt 100Ω, 500Ω, 1000Ω)는 일반적으로 금속의 전기저항은 온도의 변화에 따라서 증감하고 그 사이에 일정한 관계가 있다. 그 저항은 온도를 측정하는 계기가 저항온도계이고, 백금선의 저항변화를 이용한 것이 백금 저항온도계이다. 측정 저항계는 백금, 동 Nickel 등이 있으며, 그 중 백금선이 온도변화에 예민하게 전기저항이 증감하므로 현재 널리 이용되며 사용온도 범위는 -200℃~600℃이다.

백금 측온저항체에는 백금선을 유리관에 권선한 것과 운도(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 A 는 0.15℃ ± 0.002/t, t는 특정 온도, DIN B는 0.3 ℃ ± 0.005/t이다.

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 옴의 법칙에 의하여, 전류를 일정하게 하면 전압을 신호변환기에 의해 측정 저항을 알 수 있다. 이 때의 전류를 규정전류라 하고, 사용되는 규격으로는 2mA, 10mA이며, 사용범위 구분은 저온용(-200~100 ℃), 중온용(0~350 ℃), 고온용 (0~650 ℃)로 구분되며, KSC-6303에 의거 표준용과 공업용으로 구분되어 있다.

▲ 표준용과 공업용의 제사양


금속의 전기저항은 일반적으로 온도의 변화에 따라 증감하며 전기저항과 온도는 일정한 관계에 있다. 이 원리를 이용하여 온도를 측정하는 계기가 저항온도계이다.


측온저항체로서 사용되는 금속은 다음의 요건을 충족해야 한다.
① 사용 온도 범위에서 온도와 전기저항의 관계에 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, Nickel 등이 있으며 이중 백금선은 온도의 관계에 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 본절적인 차이점이 있다.

▲ 측온저항체의 온도 사용범위 및 허용오차





측온 저항체 (RTD) 의 구조 및 측정방법

측온저항체(RTD)는 기본적으로 아래의 그림과 같은 구조를 가지고 있으며, 내부도선에는 W Type, X Type, Y Type 으로 나뉘어진다. 아래에서는 측온저항체의 구조와 내부도선의 종류, 규준저항소자와 사용상 주의사하에 대하여 알아보겠다.


  측온저항체의 기본적인 구조


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



  내부도선의 종류


① ('W' type) 2-wires connection

RTD 소자의 두 Terminal에 각각 하나씩의 도선을 접속한 형식으로 비용이 절감되는 효과가 있으나 도선저항의 영향을 받기 때문에 고정도 (High Accuracy)를 요하는 곳에는 적합하지 않다.


② ('X' type) 3 - Wires Connection

RTD 소자의 한쪽 Terminal에는 2개의 도선을, 다른 한쪽에는 도선저항으로부터의 영향을 줄이기 위해 한도선만을 각각 연결하는 방식으로 신뢰도가 높기 때문에 가장 많이 적용되고 있다.


③ ('Y' type) 4 - Wires Connection

RTD 소자의 양단에 각각 2개씩의 도선을 접속하여 도선저항의 영향을 없애기 위한 방식으로, 특히 높은 정도(Accuracy)의 온도를 측정하고 하는 곳에 적합하다.





  규준 저항 소자

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.



  사용시 주의사항

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





측온 저항체 (RTD) 의 특징

 

▲ 측온저항체의 종류별 특징


다른 온도 Sensor와 비교하여 다음과 같은 특징이 있다.
      ① 감도가 양호하다.      ② 안정성, 재현성이 우수하다.      ③ 고정도를 얻을 수 있다.





측온 저항체 (RTD) 의 구성요소

측온 저항체 (이하 RTD)의 기본적인 구성요소에는 저항소자, 내부도선, 절연관, 보호관, 단자 Box, 기타 취부에 필요한 취부금구 등으로 구성되어 있다. 

① 저항소자 (RTD Element)
금체 소자로서 내 저항성을 갖도록 되어 있으며, 보호관 내에 고정시켜 사용하는 측온 sensor 이다.

② 내부도선 (Inner Lead Wire)
저항소자와 단자를 접속하기 위한 것으로 주로 니켈 도선을 사용하며,
3선식(3-Wires 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 보호관 측에 설치하는 것으로 나사나 Flange 등을 사용한다.





측온 저항체 (RTD) 특성과 표중사양


  측온 저항체의 허용차





  측온 저항체의 종류별 사용온도



 

  측온 저항체의 표준사양






백금 측온 저항체 (RTD) 의 종류

 
  MICA SPRING TYPE 백금 측온저항체 PT 100Ω



고순도백금 저항체 (30 µ ~ 40 µ) 을 양측에 구를 붙인 운모판 (폭 3m ~ 10 m, 후 0.3 mm ~ 0.4 mm) 가볍게 감고 절연용 운모판을 양측에 끼워 양원의 SUS 금속판 Spring 을 붙여 SUS 선에 의하여 고정되어 있다. 따라서 저항소선에 걸리는 응력이 적고 튼튼하므로 취급이 간단하여 공업용 온도센서로 널리 사용된다.



  CERAMIC TYPE 백금 측온저항체 PT 100Ω


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 스테레시스 현상이 없으며, 치수가 정확하여 (외경 ± 0.1mm) 설치시의 문제점이 없다. 가능한 허용치는 A 및 B 급에서 DIN IEC 751 까지로서 공업 온도 측정에서 광범위하게 사용되고 있으며 잘 입증된 제품이며 표준 측온저항체 대부분에 사용되고 있다.



  GLASS TYPE 백금 측온저항체 PT 100Ω


백금 측온 저항체 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 부분 측에서 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 사용하며, 결빙 점에서 약간의 저항 변화가 예상된다. (일반적으로 0.1Ω이내에서) 온도의 급변에 따라서 약간의 히스테리시스 현상이 발생할 수 있다. 가능한 허용치는 B급에서 DIN IEC 751 까지이다. 고객의 요구에 따라 해당 온도범위 내에서의 부속품에 대하여 A급 허용치를 적용시킬 수 있다.



  FILM TYPE 백금 측온저항체 PT 100Ω

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 단면 부위에 백금막을 입히고 다시 고온용의 무기물로 피복을 하였다.

백금 측온 저항체 소자는 -200 ~ 600℃ 의 온도 측정에 사용 되어지며 허용치는 A 및 B 급에서 DIN IEC 751까지로서 공업 온도 측정에서 광범위하게 사용되고 있다.





기타 자료

 
  저항 온도계의 종류





  저항 온도계용 금속의 특성



 

  DIN Pt100Ω과 Pt100Ω의 온도 대 저항값 비교




  여러가지 금속의 온도 대 저항 관계



 
본 내용은 여러 서적 및 웹 공유 자료나 전문 자료 등을 참고하여 제가 직접 수정, 작성한 내용입니다.
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