온도 센서의 특성과 선택 시 고려 사항

온도 센서의 특성

온도 센서의 온도 범위는 센서가 안전하게 작동하고 정확한 측정치를 제공할 수 있는 온도의 범위를 뜻한다. 대표적인 온도 센서 중 하나인 열전쌍은 제품 제작에 활용된 금속의 특성에 따라 온도 범위가 지정되어 넓은 반면, 서미스터와 RTD는 상대적으로 범위가 작다.

선형성이란 입력 변화와 출력 변화 사이의 관계를 나타낸 것으로, 열전쌍과 RTD가 상대적으로 높은 선형성을 보이는 반면, 서미스트는 두 센서에 비해 낮은 선형성을 보인다. 다음 그림은 세 개의 센서가 갖추고 있는 온도와 전압 간의 응답성을 보여준다.

민감도의 경우, 측정 가능한 출력의 변화를 백분율로 나타낸 것인데, 이 부분에 있어서는 서미스터가 나머지 다른 두 센서보다 상대적으로 높다는 특성을 가지고 있다. 이를 그림으로 나타내면 다음 그림과 같다.

응답 시간이란 센서가 온도 변화에 응답하는 데 걸리는 시간을 뜻하는 용어로, 다양한 요인에 의해 증가와 감소를 반복한다. 열전쌍은 상대적으로 크기가 큰 RTD와 서미스트보다 빠른 응답시간을 보유하고 있는데, 이에 반해 RTD와 서미스트는 느린 응답 시간과 낮은 열 분기에도 불구하고 자체 발열 오류가 적게 발생한다는 장점을 갖추고 있다.

열전쌍의 경우, 다른 두 센서보다 응답 시간이 빠르지만 접지 여부에 따라 응답 시간이 달라지는데, 접지되지 않은 열전쌍의 응답 시간이 상대적으로 느리다. 온도 센서의 안정성은 지정된 온도에서 일관되게 출력을 유지할 수 있는가와 관련된 것인데, 제품 재질에 의해 영향을 받는다.

RTD는 백금으로 제작되기 때문에 다른 두 센서보다 높은 안정성을 보유하고 있다. 하지만 RTD는 이와 동시에 백금의 접합 방식에 따라 고온에 장시간 노출될 시 변형이 발생할 가능성이 높다는 맹점 또한 갖추고 있다.

세 센서 중 가장 높은 정확도를 보이는 센서는 RTD인데, 이는 RTD가 낮은 허용 오차를 갖추고 있기 때문에 가능하다. 내구성에 있어서는 열전쌍이 구조 자체의 특성으로 인해 다른 두 센서보다 높은 내구성을 보유하고 있는데, 이 같은 열전쌍은 열전쌍 제작에 사용된 금속의 부식을 막는 내성이 열전쌍 제품마다 차이가 있다는 특성을 지니고 있다.

한편, 지금까지 설명한 세 온도 센서가 측정된 신호를 처리하기 위해서는 데이터를 적절히 수집하고 디지털화하는 데에 필요한 일정 수준의 신호 컨디셔닝이 필수적으로 요구된다. 이 같은 신호 컨디셔닝에는 ▲ 증폭 ▲ 냉접점 보상(열전쌍에만 해당) ▲ 필터링 ▲ 구동(RTD와 서미스트에만 해당) ▲ 오프셋 오류 조정 ▲ 온도 단위 스케일링 ▲ 도선 저항 교정 ▲ 채널 간 절연 ▲ 단선 열전대 감지(열전쌍에만 해당) 등이 해당된다.

온도 센서 선택 시 고려 사항

사용자는 온도 센서를 선택할 때 몇 가지 사항을 신중하게 고려한 후 지금까지 설명한 센서들 중에서 자신이 처한 상황에 적합한 센서를 선택해야 한다. 사용자가 온도 센서 선택 시 고려해야 할 사항들은 ▲ 측정 분야와 요구 사항 ▲ 측정해야 하는 온도의 범위 ▲ 센서 설치 환경 ▲ 센서 장착 방식과 열 전도를 극대화 시킬 수 있는 장착 방식 ▲ 온도 신호의 컨디셔닝, 수집, 분석, 표시 및 저장에 필요한 측정 하드웨어 등이다.

측정 분야와 요구 사항에서 사용자가 중점적으로 생각해 보아야 할 부분은 온도의 변화 속도와 센서의 견고성 및 정확도이다. 측정 온도 범위에 있어서 사용자는 적용 가능한 전체 온도 범위 이상에서 작동 가능한 센서의 유형과 전압 또는 저항과 온도 간의 변환 정확도를 향상시킬 수 있는 높은 선형 응답성을 갖춘 센서의 유형이 무엇인지를 고민해야 한다.

센서 설치 환경 측면을 고려할 때 사용자는 자신이 몸담고 있는 현장이 화학 물질에 노출된 환경 하에 있는지를 파악한 후, 센서가 화학 물질에 노출되는 현상을 막을 수 있는 적합한 센서 덮개를 센서에 적용하는 것을 고민해야 한다.

또한 사용자는 현장에서 발생할 수 있는 센서 접지 루프 및 노이즈 현상을 방지할 수 있는 절연의 필요성을 판별해야 하는 동시에 현장에 설치될 센서를 마모시키고 센서에 진동을 전달하는 요소가 있는지를 파악해 이 같은 요소가 있을 시 이를 견딜 수 있는 등급을 갖춘 센서를 도입해야 한다.

자료 제공 : 한국내쇼날인스트루먼트