온도 계측 센서들과 그 특징

온도계는 이처럼 많은 사람들과 역사를 거쳐 발 전되어 왔으며, 현재에도 발전을 거듭하고 있다. 온도 측정의 역사와 같이 긴 역사를 가진 온도계 (유리 온도계 등)도 물론 현재까지 사용되고 있으 며, 앞으로도 일정 부분 이 온도계들은 각기 다른 온도 측정 분야에서 각각 다른 용도로 사용될 것 이다. 여기에서는 이러한 온도계들의 종류를 알아보 고 이들 온도계 및 온도 계측용 센서들에 대하여 개략적으로 알아보기로 한다. 물론 각각의 온도 계측 센서에 대하여 세부적인 내용까지 깊이 있게 다루려면 측온저항체나 열전 대 각각에 대해서도 한권의 책 이상의 분량이 되어 질 것이지만, 이들 온도계 및 온도 계측 센서들은 각각 어떤 원리적 배경을 가지고 있으며, 어떤 특 징이 있는 가에 대하여 간단하게만 설명하려 한다. 특히 온도계를 분류하는 방식에서도 여러 가지 의 방식이 있을 수 있지만, 온도를 계측하려는 물 체에 온도계나 온도 계측 센서를 직접 접촉하여 측 정을 하는 방식이냐, 아니면 온도 측정 센서를 물 체에 직접 접촉하지 않고 측정하는가에 따라 접촉 식이냐 비접촉식이냐를 구분하게 되며, 비접촉 방 식의 온도계는 광고온계나 복사온도계 등이 있다. 또 같은 온도를 측정하는 온도계도 온도계의 측 정값을 사람의 눈 등으로만 확인하는 것에 만족하 는 유리 온도계나 바이메탈 온도계 등이 있으며, 측정 온도 값을 일정한 방식의 신호로 만들어 이 를 전송하고 다른 장소에서 이를 이용 지시, 기 록, 제어 등의 부차적인 기능을 수행하기 위해 고 안된 것이 대부분 산업용으로 사용되는 열전대나 측온 저항체 등의 온도 측정 센서들이다. 온도를 측정하는데 사용되는 센서들 가운데 특 별히 프로세스 계측에 많이 사용되는 열전대나 백 금 측온 저항체의 온도 센서들에 대하여 아주 간 략히 이야기하려 한다. 온도계의 또 다른 분류 방법으로 일차 온도계 (Primary Thermometer)와 이차 온도계 (Secondary Thermometer)로 나눌 수 있으며, 일차 온도계는 일반적으로 상태방정식을 이용하 여 온도를 측정하는 방식의 온도계이며, 이외의 온도계는 모두 이차 온도계이다. 일차 온도계의 대표적인 예는 기체 온도계, 음 향 온도계, 잡음 온도계, 자기 온도계 등이 있고, 이차 온도계는 열전대 온도계, 백금 측온 저항 온 도계 등이 있으며, 상용되는 이차 온도계는 다음과 같다

 

(1) 접촉식 온도계

접촉식 온도계 및 온도 계측 센서들의 종류 또 한 아주 다양하며 측정 원리도 온도계의 종류만큼 이나 다양한 원리를 가지고 있다. 물체가 온도에 따라 팽창 또는 수축되는 양을 이용하여 온도를 계측하는 유리 온도계, 바이메탈 온도계, 기체 봉입식 온도계 등이 있으며, 이들 온도계들은 현재 프로세스 계측에 있어서 온도의 현장 지시 또는 간단한 온도 스위치의 역할을 담 당하고 있다. 대부분의 프로세스 계측에 있어서 온도의 계측 에 사용되는 접촉식 온도 센서들은 열전대를 사용 한 열전 온도계나 백금 측온 저항체 등의 저항식 온도계 등이 있다.

 

1) 유리관 액체 봉입식 온도계

일반적으로 유리관 온도계 또는 유리 온도계라 고 불리고 있는 유리관 액체 봉입식 온도계는 온 도에 변화에 따라 부피가 팽창하는 액체를 담아 온도에 따라 액체가 팽창하도록 한 원통의 측온부 와 팽창되는 액체가 모세관을 통해 팽창하는 유리 막대부, 액체의 부피 팽창을 통해 유리 막대부의 모세관으로 팽창하면서 온도 눈금을 통해 보여지 는 온도 눈금부 등 3부분으로 구성되어 있다. 온도를 지시하기 위한 액체를 담고 있는 부분인 측온부는 다른 말로 감온부라고도 하며, 이 부분 에 들어 있는 감온액이라고도 하는 이 액체는 온 도에 따른 일정 부피 팽창률을 갖고 있어 온도 변화에 따라 부피가 증감하게 된다

 

2) 바이메탈 온도계

모든 물질들이 마찬가지겠지만, 특히 금속 등과 같은 고체는 고유의 팽창률을 가지고 있다. 바이메탈(Bimetal)은 열적으로 팽창계수가 다 른 두 개의 금속을 일정한 방법으로 접합을 하여 온도에 따라 각각 열팽창 계수가 달라서 열팽창 계수가 보다 작은 쪽 금속 방향으로 휘어지는 현 상을 갖은 금속을 말하며, 이러한 바이메탈을 이 용한 온도계가 바이메탈 온도계이다. 또 이런 바 이메탈을 이용하여 일정 온도에 따른 스위치 작용 을 하도록 만든 것이 바이메탈 온도 스위치이다. 또 이러한 현상을 이용한 온도계가 바이메탈 온도 계이다. 대부분의 바이메탈 온도계는 바이메탈을 스프 링의 모양처럼 만들어 한쪽을 고정하고 다른 한쪽 끝에 바늘을 연결하여 온도가 변하면 이에 따라 바늘이 움직이는 정도를 각도 등으로 나타내어 온 도지시를 하는데 사용한다

 

3) 기체 및 액체 봉입식 온도계

봉입식 온도계라 함은 감온부에 주입된 매개체 에 따라 비압축성의 액체 팽창을 이용한 액체압력 온도계, 기체 압력변화의 원리를 이용하여 휘발성 액체를 주입한 증기압력온도계와 불활성 가스의 압력변화를 이용한 기체압력온도계 등을 말한다. 대부분의 물리적 특성으로 가스의 체적이 일정 압력에서 유지하면 선의 전기적 저항, 금속대의 길 이, 액체의 부피는 온도에 따라 변화한다. 봉입식 온도계는 열팽창을 이용한다. 봉입식 온도장치는 액조 또는 벌브, 후렉시불 모세관, 신호전달 장치 인 버든 튜브, 현장 지시 온도 눈금판의 기본 요소 들로 구성된다 가스나 액체로 채워 진 이러한 시스템에서는 온도가 증가하면 버든 관 (Bourdon Tube) 내에 물질의 팽창으로 정정된 계 기판 위에 온도을 지시한다. 봉입 물체 또는 온도 측정 전달 매체는 기체, 수은, 가스 또는 기타 다른 액체이다. 액체 봉입식은 가장 적은 부피의 밸브 또는 적 은 계기가 필요하므로 일반적인 현장 지시용으로 사용되어진다. 가스 봉입식은 이상적인 상태에서 의 가스 법칙을 적용한다.

 

4) 열전 온도 센서

전기적 성질이 서로 다른 재질의 금속으로 구성 된 2개선 양쪽 끝을 접속하여, 한쪽 끝에 열을 가했을 시 열기전력 회로 내에 전류는 계속 흐르게 된다. 토마스 지벡은 1821년 이러한 발견을 했다 회로 중간이 개방 되었다면 새로 개방 된 회로 전압(지벡 전압)은 두 금속의 구성과 접점 온도의 함수로도 생성된다. 모든 전기적 성질이 서로 다른 금속들 간에는 크고 작음이 있을 뿐 이 러한 효과를 나타낸다. 그리고 두개의 다른 물질 을 함께 접속한 이러한 구조는 열전대(Ther mocouple)라고 부른다

 

5) 저항식 온도 센서

백금이 오늘날까지 높은 정밀성을 가진 저항 온 도계의 일차 소자로 사용되어지는 것과 같이 탁월 한 안정성과 좋은 직선성을 유지하는 동안, 높은 온도에 견딜 수 있는 이유로 특별히 이러한 목적 에 아주 적합하다 백금을 사용한 고전적인 RTD 구조는 1932년 시메이어에 의해 제안되었다. 그는 십자형의 마이카 편에 백금 코일을 감았다. 이러한 구조는 최대 저항시 선에 미치는 변형을 최소화 했다. 비록 이러한 구조는 대단히 안정적이나 백금과 측정점 사이의 열점인 접속은 아주 나쁘다. 이는 열적 응답 속도가 느리게 되는 결과를 만든다. 이 러한 구조가 부스러지기 쉬워서, 오늘날에는 원래 상태로 만들어진 구조의 백금 측온 저항 온도계는 온도 실험 표준용으로 제한적으로 사용된다. 최근의 구조 기술에 있어서, 백금 또는 금속, 유 리 상 얇은 필름을 작고 평평한 엷은 세라믹 편 위 에 도포하여, 레이저 트리밍 시스템이라는 것을 사용해 레이저로 저항 값을 미소 조정하는 하고, 외부와 전기적으로 차단하면서 온도를 잘 전달 할 수 있는 구조로 밀봉하여 사용하는 백금 저항 박 판형은 백금 저항 온도 센서의 생산 시간을 획기 적으로 단축시켰다. 박판형 백금 저항 온도 센서(Thin File RTD 센서)는 수작업으로 제작되는 측온 저항체(RTD: Resistance Temperature Detector) 보다 안정 성은 적으나, 저렴한 가격과 크기에 있어서의 이 점으로 더욱 일반화되어지고 있다. 백금 측온 저항체의 공칭 저항 값은 10Ω에서부 터 수 kΩ까지의 범위를 가지고 있으며, 가장 일 반적인 백금 측온 저항체는 공칭 저항 값으로 0℃ 에서의 100Ω을 나타내는 PT100 센서이다. 또 일반적으로 PT-100 RTD 온도 센서의 표준 온도 계수는 α=0.00385Ω/℃이며, 이 α값은 0℃에서 100℃까지의 평균 기울기를 나타내는 값이다. RTD와 같이 서미스터(Thermistor)는 온도 감 지 저항체이며, RTD는 아주 높은 직선성을 갖고 있다면, 서미스터의 가장 좋은 장점은 온도 변화 에 대해 가장 큰 변화 값을 나타낸다는 것이다. 서 미스터는 일반적으로 반도체 물질로 구성되어져 있다. 또한 포지티브 온도계수의 것도 사용 될 수 있지만 대부분의 서미스터는 증가되는 온도에 따 라 저항이 감소하는 부 온도계수를 갖는다. 부 온도계수는 셀시우스도에 대한 백분율만큼 커질 수 있다. RTD 또는 열전대로 관측되어 질 수 없는 미세한 온도변화를 감지 할 수 있는 서미 스터(Thermistor) 회로가 온도를 측정하는 전자 회로로 최근 많이 사용되고 있다.

 

(1) 비접촉식 온도계 비접촉식 온도계는 절대온도 0K 이상의 물체 표면에서 복사 에너지(복사 에너지는 전자기파와 같은 방식으로 복사되어 전파)가 방사하는 것을 이용하는 방식으로 물체의 표면에서 발생하는 열 복사는 대략 0.1에서 100μm의 파장 범위에서의 자외선 영역의 일부와 가시광선 영역 및 적외선을 포함하고 있다. 복사 에너지의 크기는 물체의 온도에 대한 함수 로 나타나는 데, 방사 에너지의 크기를 측정하여 그 물체의 온도를 알아 낼 수 있다. 상대적으로 보다 저온 물체 표면으로부터 방사 되는 복사 파장은 자외선의 영역이며, 고온의 물 체에서의 복사 파장은 가시광선으로부터 근적외 선 파장 영역으로, 물체를 가열 할 때 적색으로부 터 백색 상태로 변화하며 희게 보이는 것은 물체 에서 방사되는 복사 파장이 단파장에서 장파장 영 역으로 온도에 따라 변화되기 때문이다. 따라서 고온 물체의 발색광을 육안으로 판단하여 온도의 추정이 가능하다. 이러한 원리를 이용, 물체의 온 도 측정을 자동화하여 물체로부터 방사되는 복사 파장 중 0.65μm 파장 에너지를 이용해 물체의 온 도를 측정하는 것이 광고온계이다. 광고온계는 육안으로 판단하여야 하므로 온도 의 자동 측정이 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 한편 고온의 물체로부터 방사되는 복사 에너지 를 검출소자로 검출하여 온도를 자동으로 측정하 는 비접촉 온도계가 단색광 복사온도계이며, 고온 의 물체로부터 방사되는 에너지를 측정하여 온도 를 측정하는 전복사형 복사온도계가 있다. 물체의 표면으로부터 방사되는 열복사 강도에 대하여, 온도와 복사 적외선 파장의 함수 관계를 이용하여 온도를 측정하도록 고안된 것이 적외선 온도계(Infrared Thermometer)이다.

 

1) 광고온계

고온의 물체로부터 복사되는 복사 휘도와 광고 온계(Optical Pyrometer) 내에 내장된 전구의 필라민트(Filament) 휘도를 적색 유리를 통해 비 교 관측하여 물체로부터 복사된 휘도 온도를 측정 한다. 파장이 약 0.65μm인 적색 단색광의 가시광 선을 이용하기 때문에 700℃ 이상 3000℃ 정도 까지 측정된다

 

2) 복사온도계

복사 온도계(Radiation Pyrometer)는 흑체로 부터의 방사 에너지를 수열판 상에 집광하여 렌즈또는 반사경으로 구성된 집광부와 수열판 및 서모 파일(Thermo-pile)로 구성된 방사 발신기, 피측 정 물체의 흑체 온도를 지시하는 계기부로 이루어 져 있다. 원리적으로는 열복사에 관한 슈테판-볼츠만 법 칙 및 빈의 변위법칙을 기초 원리를 가지고 있으 며, 일반적으로 온도 측정 범위는 200�3,000℃ 정도이고, 정밀도는 ±10℃ 정도이다. 한편 넓은 파장 영역에 걸쳐 대상물로부터의 복 사 에너지를 수집하고, 그것의 전체 에너지로부터 온도를 구하는 방식의 복사온도계가 있는데, 파장 영역에 따라 전복사온도계 또는 적외선온도계라 고 한다. 이 방식은 상대적으로 비교적 저온도 영역을 측 정할 수 있으며, 응답이 빠른 비접촉온도계로서 새로운 응용분야를 넓히고 있다. 복사 온도계의 일종인 적외선 온도계(Infrared Thermometer)는 물체의 표면으로부터 방사되 는 열복사 에너지의 강도를 적외선 파장 범위에서 측정하는 비접촉 방식의 온도계이며, 최근 들어 상온에서 고온 영역까지 광범위한 온도 측정 범위 와 활용 범위를 갖고서 인체의 온도 분포 측정에 서부터 산업용으로의 적용되고 있다.