Transcript Chapter 05-1 온도센서

센서 전자 공학
제5장
온도 센서
내용
5.1 온도센서의 기초
5.2 RTD
5.3 서미스터
5.4 열전대
5.5 반도체 온도센서
5.6 접촉식 온도센서의 비교
5.7 비점촉식 온도센서
제 5 장 온도 센서
242
온도 센서
우리가 물체와 접촉할 때 어떤 물체는 차다고 느끼고, 어떤 물체는 뜨겁
다고 느낀다. 이와 같은 물체의 차고 뜨거운 정도를 수량으로 나타낸 것
이 온도이다.
온도를 분자의 입장에서 생각하면, 물질을 구성하고 있는 분자는 정지해
있지 않고 불규칙한 운동을 하고 있는데, 이 불규칙한 운동을 열운동이라
부르며, 온도가 높을수록 분자들의 평균 운동 에너지가 커지기 때문에 온
도는 분자의 열운동의 활발함의 척도라고 말할 수 있다.
온도는 지구상에 존재하는 모든 물체에 영향을 미친다. 따라서 온도를 정
확히 측정하는 것은 매우 중요한 일이다.
제 5 장 온도 센서
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5.1 온도센서의 기초
 온도센서의 분류
• 온도센서는 그 사용방법에 따라
- 접촉식(contact temperature sensor)
센서를 측온 대상의 물체(고체, 액체, 기체)에 직접 접촉시키면 측정 점의 온
도가 열전도에 의해서 센서에 전달됨
- 비접촉식(noncontac temperature sensor)
멀리 떨어져 있는 센서가 측온 대상으로부터 방사(radiation)되는 열(적외선)
을 검출하여 온도를 측정
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온도센서의 기초
• 접촉식에는 RTD, 서미스터(NTC, PTC), 열전대, IC온도센서 등이 있으며, 비접촉식에는
서모파일, 초전센서 등이 있다. 여기서는 현재 널리 사용되고 있는 접촉식 온도센서에
대해서 먼저 설명한다.
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5.2 RTD
 구조와 동작원리
• 온도를 변화시키면서 금속선의 전기저항 값을 측정하면 온도에 따라 저항 값이
증가한다. 그러므로 금속선의 저항을 측정함으로써 역으로 온도를 알 수 있다.
이와 같은 온도센서를 RTD(resistance temperature detector; 측온 저항체라고도
부름)라고 한다.
• 금속의 전기저항
𝐿
𝑅=𝜌
𝐴
ρ: 물질의 비저항(比抵抗; resistivity; 고유저항이라고도 함)
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RTD
• 금속의 전기저항-온도관계
- 금속의 저항 값은 온도에 따라 증가한다.
𝑅 = 𝑅𝑜 1 + 𝛼1 𝑇 − 𝑇𝑜 + 𝛼2 𝑇 − 𝑇𝑜
2
+ ⋯ + 𝛼𝑛 𝑇 − 𝑇𝑜
Ro: 기준온도 To (보통 0 °C)에서 금속저항
α1, α2 , … , αn : 각 온도에서 저항측정으로부터 결정되는 계수
- 백금의 온도계수
𝛼1 = 3.9083 × 10−3 /℃
𝛼2 = −5.775 × 10−7 /℃2
𝑛
(5-2)
제 5 장 온도 센서
RTD
- 제한된 온도범위(예를 들면 0℃～100℃)에서,
𝑅 = 𝑅𝑜 1 + 𝛼 𝑇 − 𝑇𝑜
α : 저항의 온도계수((temperature coefficient of resistance; 약해서 TCR)
- 온도계수(TCR) : α
> 두 기준온도에서 측정되는 저항 값으로부터 결정된다.
> 예를 들면, 두 기준온도를 각각 T1=0℃와 T2=100℃라고 하면
1 𝑅100 − 𝑅𝑜
1 𝑅100 − 𝑅𝑜
𝛼=
=
𝑅𝑜 𝑇2 − 𝑇1
𝑅𝑜 100℃
> α를 상대감도(relative sensitivity)라고도 함
247
제 5 장 온도 센서
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RTD
• RTD용 금속의 특성
- 순 금속에 대한 전기저항의 온도계수는 0.3～0.7%/℃이며, 이 저항변화를 검출하여
온도를 측정한다.
- 순 금속의 비저항은 작으므로 길고 가는 선으로 만들어 사용한다. 또 기계적, 화학적
으로 강하지 않으면 안된다.
- 백금
> 백금은 넓은 온도범위 (-200∼850℃) 에 걸쳐 안정성, 직선성, 내화학성, 내부식성이
우수하여 가장 널리 사용된다.
> 기본 저항값은 100, 200, 500, 1000Ω 이다.
> 저항값이 크면 클수록 감도와 분해능은 더 우수하다.
> TCR은 약 α=0.00385(Ω/Ω)/℃
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RTD
• RTD의 구조
 권선형(wire wound element)
- 직경 0.05 mm 정도의 고순도 백금선을 백금과 동일한 열팽창 계수를 갖는 유리봉이나
운모봉에 감고 피복한다.
- 전체 직경은 2～3 mm이다.
- 그림 (a): 권선형 RTD의 기본 구조
그림 (b): 유리를 피복한 백금 RTD
그림 (c): 세라믹 봉입 RTD
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RTD
 박막형(thin film element)
- 세라믹 기판 (또는 실리콘 기판) 위에 백금 박막을 특정의 패턴으로 증착한 소형 RTD
- 0 ℃의 전기저항은 1000 Ω
- 반도체 제조 기술을 이용해 제작하기 때문에 가격이 저렴하여 광범위한 온도측정 및
제어용으로 사용된다.
- 특징
> 고저항이기 때문에 저항 값 변화율이 크고 감도가 높다
> 선로 도선의 저항(lead wire resistance)에 기인하는 오차가 작으므로 3선식 배선이
불필요하다.
> 크기가 작고 박막이므로 열 응답성이 우수하고, 넓은 온도범위(-200 ℃～540℃)에
걸쳐 직선성이 우수
제 5 장 온도 센서
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RTD
 RTD 특성
• 감도
- 그림은 백금 RTD의 저항온도 특성이다.
- RTD의 감도는 저항 온도계수 α의 값으로부터 결정할 수 있다.
- 백금의 온도계수는 약 0.004 (Ω/Ω)/℃ 이다. 이것은 온도가 약 1 ℃만큼 변하면, 100 Ω
RTD의 저항은 단지 0.4 Ω이 변함을 의미한다.
- 반도체 제조 기술을 이용해 제작하기 때문에 가격이 저렴하여 광범위한 온도측정 및 제
어용으로 사용된다.
백금 RTD의 저항-온도 특성
제 5 장 온도 센서
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RTD
• 확도(accuracy)
- 백금 RTD의 산업체 표준은 0℃에서 100 Ω이다.
- 비록 백금 RTD는 고도로 표준화되어 있지만 여러 기관에서 만든 다른 국제 표준들이 존재.
그러므로 한 기관의 표준에 따라 만든 RTD를 다른 표준에 따라 설계된 계측기와 함께 사용
하면 문제가 발생한다.
- DIN과 BS는 IEC751과 일치한다.
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RTD
- IEC751 표준에서는 백금 RTD의 허용 오차(tolerance)에 대해서 클래스 A와 클래스 B 등
2 종류를 규정하고 있다.
즉 0℃에서 허용오차는 클래스 A에 대해서 ±(0.15+0.002T) [℃], 클래스 B에 대해서
±(0.3+0.005)[℃]이다.
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RTD
• 응답시간(response time)
- RTD의 응답시간은 3 ft/s의 속도로 흐르는 물속에서 측정되며, RTD를 온도 70∼90 ℃의
물속에 직접 투입한 후 63.2 %에 도달하는 시간으로 정의한다.
- 일반적으로 응답시간은 0.5～5 s 정도이다.
- RTD의 응답이 이와 같이 느린 이유는 센서가 주위온도와 평형상태로 되는 데 시간이
걸리기 때문이다.
• 자기가열(self-heating)
- 동작 시 RTD에는 전류가 흐르기 때문에 자기가열(自己加熱; self heating)에 의해 영향
을 받는다. 그래서 센서의 지시온도는 실제의 온도보다 약간 더 높다.
- 필요한 정밀도를 얻기 위해서는 이 자기가열에 의한 영향을 고려하여 가능한 한 RTD에
흐르는 전류를 충분히 작고 일정하게 유지해야 한다.
- RTD의 소비전력상수(dissipation constant)는 RTD 온도를 1[℃] 증가시키는데 필요한
전력[W/℃]으로 주어진다.
- 산업용 RTD에서 자기가열의 대표적인 범위는 30∼60 mW/℃이며, 이는 소비전력이
30∼60 mW일 때 RTD가 1 ℃ 만큼 가열됨을 의미한다.
- 일반적인 사용에서 RTD에 흐르는 전류는 1 mA 이하로 규정하고 있다.
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RTD
 RTD 특징
• 장점
① 매우 정확하고 반복성이 우수하다.
② 장기간에 걸쳐 매우 안정하다. 드리프트는 0.1 ℃/년 이하이다.
③ 온도범위가 넓다.(-200 ℃∼650 ℃, 특수 RTD는 850 ℃까지 가능)
④ 선형성이 비교적 우수하다. (열전대나 서미스터에 비해)
⑤ 면적 또는 점 측정이 가능하다.
⑥ 호환성이 있다.
⑦ 산업계 표준화가 확립되어 있다.
• 단점
①
②
③
④
⑤
⑥
가격이 비싸고, 크기가 크다.(열전대나 서미스터에 비해)
동작 전류가 요구된다.
자기가열이 있다.
저항 값이 작다
큰 진동이나 충격이 있는 환경에서 열전대보다 내구성이 떨어진다.
정밀성을 위해서는 센서의 비직선성 때문에 마이크로콘트롤러에 직선화 룩업(look-up)
테이블이 요구된다..
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RTD
 응용 분야
• 백금 RTD는 열전대(차후에 설명)와는 달리 기준온도를 필요로 하지 않는 어느 곳이든
사용할 수 있고, 각종 공업 계측에 많이 사용되고 있다. 또한 항공기, 배, 탱크 등 군용에
도 상당수 사용된다.
• 그림은 RTD 어셈블리를 나타낸 것이다. 백금 RTD는 보통 보호관에 봉입하여 사용한다.
이것은 RTD를 기계적으로 보호하는 동시에 백금선 또는 인출선이 유해가스에 의해
열화되는 것을 방지하기 위함이다.
제 5 장 온도 센서
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RTD
• 백금 RTD의 결선법
- RTD로 온도를 측정하는 경우 통상 휘스토운 브리지를 사용한다. 이 경우 백금선의 저항이
-
작기 때문에 도선의 저항을 무시할 수 없다.
그 때문에 그림에 나타낸 것과 같이 3선식의 브리지 접속법을 사용하여 리드선의 저항을
상쇄시킨다.
만약 A와 B의 길이가 완전히 매칭되면 (즉 저항이 같아지면), 서로 브리지의 반대 변(arm)
에 있기 때문에 그들의 임피던스 영향은 상쇄된다.
3번째 선 C는 센서를 열결하는 리드선(sense lead)으로만 작용하고 전류는 흐르지 않는다.
3선식 브리지는 저항변화-출력전압변화 사이를 비직선 관계로 만든다. 이 경우 브리지 출
력전압을 등가의 RTD 저항으로 변환하기 위한 추가의 방정식이 요구되기 때문에 RTD의
온도-저항특성의 비직선성을 심화시킨다.
RTD
제 5 장 온도 센서
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5.3 서미스터
 서미스터의 정의와 종류
• 서미스터(thermistor; thermal resistor 또는 thermally sensitive resistor의 줄
임)는 주로 반도체의 저항이 온도에 따라 변하는 특성을 이용한 온도센서.
• 서미스터의 종류
- NTC(negative temperature coefficient)
- PTC(positive temperature coefficient)
- CTR(Critical temperature resistor)
제 5 장 온도 센서
서미스터
• 서미스터의 재료
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제 5 장 온도 센서
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NTC 서미스터
 기본 구조와 동작원리
• Mn, Ni, Co 등과 같은 천이금속 산화물(Mn2O3, NiO, Co2O3)의 분말을 두 개의
측정용 도선과 함께 소결(燒結; sintering)한 것.
• 종류
표면에 유리가 코팅되
어 있어 안정성이 우수
하고, 가장 소형이고
열용량이 작아 열 응답
속도가 빠르다(공기 중
에서 1.5～10s 정도).
또, 고온에 견디고, 재
현성 등이 좋다.
소형으로, 안정도가 높고
양산에 적합하기 때문에
저가이며, 디스크형에 비
해서 응답속도가 빠르다.
디스크형(disc type)은
감도, 안정성, 정도가
우수하고, 호환성이 있
다.
표면 실장형(surface mount
type)은 소자 양단에 전극이
형성되며, 크기는 PCB 규격에
따라 정해져 있다.
제 5 장 온도 센서
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NTC 서미스터
 특성
• B(β)와 감도(저항-온도 특성)
- NTC 서미스터의 저항변화 특성은 보통의 반도체와 마찬가지로 온도가 증가함에
따라 저항 값이 감소한다. 즉 부온도계수(negative temperature coefficient)이다.
- 그림은 NTC 서미스터의 저항-온도 특성을 나타낸다.
𝑅 = 𝑅𝑜 exp 𝐵
1 1
−
𝑇 𝑇𝑜
Ro=절대온도 To일 때 서미스터 저항
B =특성온도(characteristic temperature)
라고 부르는 서미스터 정수
(thermistor constant)
- 위 식으로부터 서미스터 정수는
1
𝑅
𝐵=
ln
1 1
𝑅𝑜
−
𝑇 𝑇𝑜
제 5 장 온도 센서
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NTC 서미스터
- B는 보통 2000～6000K(고온용에서는 6000～12000K)값을 갖는다.
- 초기 저항 Ro가 같더라도 B가 다르면 특성은 달라진다.
- 이 B에 의해서 서미스터의 특성이 결정되기 때문에 B를 서미스터 정수라 한다.
- 정수 B는 서미스터를 제작할 때의 성분이나 열처리 방법에 따라 정해지는데,
각각의 서미스터에 고유한 것이다.
- 또 B정수는 온도에 따라 증가하는 온도 의존성을 갖는다.
- 서미스터 저항의 온도계수(TCR) 또는 상대감도 α
𝑑𝑅
𝐵
= − 2𝑅 →
𝑑𝑇
𝑇
𝛼=
1 𝑑𝑅
𝐵
=− 2
𝑅 𝑑𝑇
𝑇
(-)는 온도계수가 부(負), 즉 NTC임을 의미한다.
제 5 장 온도 센서
NTC 서미스터
- α가 온도 T에 반비례하므로 NTC는 낮은 온도에서 더 감도가 높다.
- 예: 25℃에서 B=4000K라면
𝛼=−
𝐵
4000
=
−
≅ −0.045
𝑇2
298 2
- α의 대표적인 값은 -5%/K이며, 이것은
백금 RTD의 약 10배이다.
- 서미스터의 동작저항은 수 Ω～100 MΩ
까지 임의로 만들 수 있으나, 100 Ω～
100 kΩ 정도의 것이 좋다.
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제 5 장 온도 센서
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NTC 서미스터
• 자기가열
- 서미스터에 전류가 흐르면 소비전력(P=I2R)에 의해 열이 발생된다.
- 서미스터에 인가하는 전압이 작을 때는 자기가열이 작으나, 전압이 크면 전류도
증가하여 자기가열에 의해서 서미스터 자신의 온도를 상승시킨다.
- 자기가열에 의한 오차는 측정할 온도의 정도(精度)에 따라 경감하여야 한다.
- 극단적으로 작게 하면 자기가열에 의한 오차는 없어지나 출력신호가 너무 작
아진다. 일반적으로 높은 정도(精度)로 온도를 측정하는 경우 자기가열 값은
0.05～0.01mW 정도이다.
• 응답속도
- 서미스터의 응답속도는 주로 크기와 주위 환경에 의존한다.
- 비드형 서미스터는 소형이므로 열용량이 작아 열 응답속도는 공기 중에서
1.5∼10sec 정도이며, 기름 속에서는 1sec 이하의 응답속도를 갖는다.
- 따라서 온도변화가 심한 측정에서도 지연오차를 적게 할 수 있다.
제 5 장 온도 센서
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NTC 서미스터
• 측정범위
- 일반적으로 측정범위를 제약하는 3가지 효과가 있다.
① 반도체의 용융(melting)이나 열화(deterioration),
② 피복재료의 열화,
③ 고온에서 감도부족
- 반도체 재료는 온도가 상승하면 녹거나 열화 된다. 이로 인해 일반적으로 서미스터의 측정
온도 상한(上限)을 300℃이하로 제한.
- 온도가 너무 낮으면, 서미스터 저항이 너무 높아(수 MΩ으로 됨), 실제로 사용하기가 곤란.
일반적으로 서미스터의 측정 가능한 온도하한(下限)은 -50℃～-100℃.
- 대부분의 경우 서미스터를 주위 환경으로부터 보호하기 위해서 플라스틱, 에폭시, 테프론 등
으로 피복한다. 이러한 물질들에 의해서도 서미스터의 사용온도에 제약을 받는다.
제 5 장 온도 센서
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NTC 서미스터
 특징
• 서미스터는 다른 온도센서만큼 정확하지는 않지만, 가격이 저렴하고, 크기가
작아 온도측정에 널리 사용된다..
• 서미스터의 등급과 가격에 따라, 성능(확도)이 낮은 것부터 고가의 RTD에 버금
가는 확도를 갖는 것까지 다양하다.
• 기본 저항값이 수 천 Ω으로 높기 때문에 동일 측정전류에 대해서 RTD보다 더
큰 전압변화를 나타낸다.
• 작은 서미스터는 RTD보다 자기가열에 더 민감하기 때문에 측정전류를 제한하
는데 유의해야 한다.
단점
• 견고하지 못하고, 온도 스팬이 제한적이고, 초기 소자의 드리프트가 크다.
• 또한 RTD나 열전대 같은 산업계 표준이 확립되어 있지 않다.
• 서미스터는 비직선적이기 때문에 온도보상용 룩업 테이블이 필요하다.
제 5 장 온도 센서
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NTC 서미스터
 응용 분야
• NTC 서미스터는 감도가 높기 때문에 온도 측정에 이상적이다.
• 저가의 NTC 센서는 보통 -40℃∼300℃의 온도범위에서 사용된다.
• NTC 서미스터의 선정시 고려해야 될 사항은 온도범위, 저항범위, 측정확도, 환경
(주위 매질), 응답시간, 크기 등이다.
• NTC 서미스터를 응용할 때는 그 특성에 따라 크게 다음과 같은 동작모드가 있
다.
- 저항-온도 모드: 온도 측정 모드
NTC의 자기가열을 무시할 정도로 작게 한 후
(즉 서미스터의 소비전력이 매우 작으면), 주
위온도가 변함에 따라 서미스터의 전기저항
이 변하는 것을 이용하여 온도를 측정한다.
이 모드에서 정확한 온도측정, 제어, 보상 등
을 수행한다.
제 5 장 온도 센서
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NTC 서미스터
(온도측정 예)
- 브리지의 한 변에 서미스터를 사용한다.
- 서미스터의 소비전력이 매우 작을 때, 주위온도가 변하면 서미스터의 전기저
항이 변하게 되어 전류계 A를 통해서 더 많은 전류가 흐르게 된다.
- 온도 측정 시 3선식을 사용하는 RTD 와는 달리, 서미스터의 저항은 리드선보다
훨씬 크기 때문에 2선식을 사용한다.
제 5 장 온도 센서
NTC 서미스터
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제 5 장 온도 센서
NTC 서미스터
- 전압-전류 모드
이 모드에서는 1개 또는 그 이상의 서미스
터가 자기 가열된 정상상태에서 동작한다.
전력소비인자가 전압-전류특성에 미치는
영향을 이용한다.
즉, 주위 매질에 따라 전력소비율이 달라
지는 것을 이용하는 것으로, 예를 들면 액
체 레벨 측정, 유량 측정 등이 있다.
- 전류-시간 모드
서미스터에 흐르는 전류를 시간의 함수로
측정하고, 전류의 증가를 관측한다.
이 특성에 기반을 둔 응용 예로는 릴레이에
서 시간 지연, 돌입전류제한기(inrush
current limiting ) 또는 서지 억제(surge
suppression) 등이 있다..
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제 5 장 온도 센서
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PTC 서미스터
 PTC의 종류와 응용
• 세라믹 PTC 서미스터
- 티탄산 바륨을 기본으로 한 소결체로서, 그림에 나타낸 바와 같이 큐리 온도
(Curie temperature) 에서 저항이 급증한다.
- 이 PTC를 포지스터(posistor)라고도 부르며, -100℃∼150℃]와 같이 비교적 좁
은 범위의 온도센서, 온도 스위치로 이용된다.
제 5 장 온도 센서
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PTC 서미스터
• 실리콘 단결정 PTC(silicon PTC thermister)
- 세라믹 PTC와는 달리 온도에 따른 전기저항의 변화가 거의 직선적으로 변한다.
- 이 PTC를 실리스터(silistor)라고도 부르며, 이 센서의 정온도계수는 0.77%/℃로
매우 커서 반도체 소자나 회로의 온도보상 및 온도측정에 사용된다.
- 동작온도 범위는 -65～150℃이다.
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CTR 서미스터
 CTR
• CTR는 저항값이 좁은 온도범위에서 온도와 함께 급격히 감소한다.
• 산화바륨 결정이 67℃ 이하의 저온에서는 절연성 전도를 나타내고, 고온에서는
금속전도를 나타내는 현상을 이용하여 일정온도를 검출하는 온도 스위치로 사
용한다.