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온도센서 선택기준 - 측온저항체(RTD)와 열전대(Thermo couple)
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온도센서를 선택할 경우, 대부분의 공학자들은 열전대와 측온저항체 중에 어떤 것을 선택해야 할지 고민에 빠지기 마련이다. 여러가지 온도계가 존재함은 물론이거니와, 온도계마다의 측정온도범위, 시간, 크기, 비용, 정확도 등의 차이가 존재하기 때문이다. 산업계에서 온도를 측정하는 장비로 가장 많이 선택하는 것이 측온 저항체 (RTD resistance temperature detector)열전대 (thermocouples)이다. 본 주제에서는 열전대와 측온저항체의 선택기준에 대해 알아보고, 고온에서의 측정에서는 어떤 온도 계측장비를 사용하는지 알아보도록 하겠다.




기본적인 선택도구 4가지

산업계에서 온도를 측정하는데 가장 많이 쓰이는 두가지 도구는 측온 저항체 (RTD resistance temperature detector)와 열전대 (thermocouples)이다. 어느 현장에서는 열전대를 쓰고 어느 때에 측온 저항체를 써야 하는가? 보통 네 가지 요소 (온도, 시간, 크기, 총 요구 정확도)에 따라 결정된다.

기술적 관점은 아니지만 가격은 고려 대상이 될 수 있다. 열전대 평균 가격은 개당 35$ 이며, 측온 저항체 평균 가격은 개당 55$ 이다. 보상 도선 가격도 생각해야 한다. 열전대는 열전대와 동일한 재질인 보상 도선이 필요한데 3$ / m 이다. 니켈 도금되고 테프론 코팅된 표준 측온 저항체 전선은 매우 싸다.



어느 온도가 요구되는가?

공정 온도가 200 ~ 500℃ 이면 산업용 측온 저항체가 적절하다.
그러나 온도가 많이 높으면 열전대를 쓸 수밖에 없다.


요구되는 시간 대응 조건은?

공정이 온도 변화에 대해 꽤 빠른 대응이 요구된다면
< 몇 초가 (2.5 ~ 10초) 아니라 1초 미만 > 열전대가 좋다.
3 ft/sec로 흐르는 물에 센서를 담그고 63.2 % 스텝 변화를 측정해서
시간 대응을 측정한다는 것을 명심하라.


크기 요구 조건은?

표준 측온 저항체 시스 직경은 3.1 mm ~ 6.35mm 이지만,
열전대 시스 직경은 1.57mm 보다 작을 수도 있다.


총 정확도 요구 조건은?

공정이 2 ℃ 이상 오차를 허용된다면, 열전대가 적당하다.
공정에서 2 ℃ 미만 오차를 요구한다면 측온 저항체를 써야 한다.
측온 저항체는 몇 년간 안정적으로 관리될 수 있지만,
열전대는 사용하기 시작 한지 몇 시간 후부터 오 지시할 수 있다는 것을 명심하라.

 



측온저항체 (RTD) 온도 선택

요소가 확인되면, 측온 저항체나 열전대의 타입이 선택된다. 측온 저항체는 저항 대 온도 출력을 나타내며 수동적 기구이므로 가동하는데 1mA 정도 만 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 A 와 DIN B로 주문된다.

IEC 751에 따르면 DIN A 는 0.15 ℃ ± 0.002/t* , t*는 특정 온도, DIN B 는 0.3℃ ± 0.005/t* 이다. 측온 저항체는 니켈, 구리, 또는 니켈/철로 만들 수 있다. 각 금속은 알파 상수와 운전 범위가 다르다. 측온 저항체의 알파 상수는 계기와 맞춰져야 되며 안되었을 때는 오차가 몇 도나 날 수 있다.





열전대 (Thermo Couple) 온도 선택

열전대는 서로 다른 금속으로 얼마든지 만들 수 있다. ISA는 열두개를 인정하고 있다. 타입 J, K, T, E 가 있다. 열전대를 선택하는데 가장 자주 쓰이는 것은 적용되는 온도 범위이다. 타입 J는 0 ℃ ~ 756 ℃ 에 적절하다. 타입 K 는 0 ℃ ~ 1260 ℃에 적절하다. 타입 T는 - 184℃ ~ 371 ℃를 측정한다. 타입 E는 0℃ ~ 871℃ 에 해당된다.

표준 오차 한계와 특수 오차 한계도 생각되어야 한다. 이 값은 열전대를 제작하는데 사용되는 전선 순도와 관련된다. 돈을 조금만 더 쓰면, 열전대 사양 선택자들은 정확도를 크게 향상시킬 수 있다. (100% 또는 이상 ) 특수한 경우에 제대로 열전대와 측온 저항체를 선택하는 것은 어려운 일 일 수도 있다. 대부분 측온 저항체나 열전대 제조 회사들은 고객들이 제대로 온도 측정 설비를 선택할 수 있도록 엔지니어링 지원을 해주고 있다.





매우 높은 온도에서는 광고온계를 사용하라




열전대와 측온저항체의 온도범위를 벗어나는 온도측정을 해야할 경우도 있다. 그럴 경우에 사용하는 온도 측정장비로는 광고온계 (optical pyrometer)가 대표적이다.

광학고온계라고도 한다. 측정물의 휘도(輝度)를 표준램프의 휘도와 비교하여 온도를 측정하는 것으로 700℃를 넘는 고온체, 특히 직접 온도계를 삽입할 수 없는 고온체의 온도를 측정하는 데 사용된다. 그 주가 되는 구조는 측정물을 들여다보는 망원경 속에 전지와 가변저항을 직렬로 접속하여 휘도를 조정할 수 있게 한 램프가 들어 있다.

제련, 정련, 주조 및 열처리 등 많은 금속공정에서는 고온을 사용하는데 고온을 조절하거나 측정하기 위해서 흔히 열전대나 광고온계를 사용하고 있다. 열전대는 직접 물체와 접촉하여 온도를 측정하므로 정확하지만 1600℃이상의 고온에서나 유도로 등 유도기전력이 발생되는 장치에서는 사용하기에 곤란하다. 반면 광고온계는 열원으로부터 복사되는 빛의 강도를 비교하여 온도를 측정하기 때문에 열원으로부터 떨어져서 측정할 수 있어 편리하고 1600℃이상의 고온에서도 온도측정이 가능하다.





측온저항체와 열전대의 간편 선택지침





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