4 장온도센서 (A)

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명환 조
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1 4 장온도센서 (A)

2 온도센서 - RTD (Resistance Temperature Detector) - 써미스터 (Thermistor) - 열전대 (Thermocouple) - 반도체온도센서 4-2

3 온도 4.1 온도센서의개요 - 온도 ( 溫度 ; temperature) : 물체의차고뜨거운정도를수량으로나타낸것 - 분자의열운동의활발함의척도물질을구성하고있는분자는고체, 액체, 기체등어느상태에있어서도정지해있지않고불규칙한운동을하고있다. 이와같이물질을구성하고있는분자의불규칙한운동을열운동 (thermal motion) 이라고하는데, 온도는분자의열운동의활발함과관계가있다. - 우리주위에있는대부분의물리, 화학, 전자, 기계, 생체시스템이온도에의해서영향을받기때문에온도는가장자주측정되는환경과관련된양 온도눈금 - 섭씨 (celsius or centigrade scale) - 화씨 (fahrenheit scale) - 절대온도 (Kelvin or absolute temperature) 4-3

4 온도센서의종류 접촉식 (contact temperature sensor) 측정점의온도가열전도 (thermal conduction) 에의해서센서에전달됨 비접촉식 (noncontact temperature sensor) 비접촉식에서는열이방사 (radiation) 를통해서전달됨 온도센서에이용되고있는물리량과온도센서의종류 4-4

5 4.2 RTD RTD(resistance temperature detector) - 온도변화에따른금속의전기저항변화를이용한온도센서 - 일부에서는측온저항체라고도부름 금속의전기저항과온도관계 금속의전기저항 - 물질의전기저항 (electric resistance) 은 R = L r A r : 물질의고유저항 4-5

6 전기저항과온도의관계 - 금속의전기저항값은온도에따라증가한다 백금선에대해서 4-6

7 - 제한된온도범위 ( 예를들면 0 ~100 ) 에서, 다음과같이직선근사식으로쓸수있다. - 두기준온도를 0 와 100 라고하면 TCR 은 a 를때로는상대감도 (relative sensitivity) 라고도부르며, 그값은기준온도에의존한다. - 순금속에대한전기저항의온도계수는 0.3~0.7[%/ ] 이며, 이저항변화를검출하여온도를검출한다. - 순금속의비저항은작으므로길고가는선으로만들어사용한다. 4-7

8 RTD 용금속의특성 - 기계적, 화학적으로강해야된다. - 백금은온도범위가넓고, 재현성, 안정성, 내화학성, 내부식성이우수하여가장널리사용된다. - 니켈은감도가가장높지만, 백금에비해직선영역 (linear range) 이좁다. - 구리는넓은직선영역을가지나산화되기쉽다. 4-8

9 RTD 의구조와종류 권선형 (wire wound element) - 직경 0.05[mm] 정도의고순도백금선을백금과동일한열팽창계수를갖는유리봉이나운모봉에감고피복한다. 전체직경은 2~3[mm] 이다. 유리를피복한백금 RTD 세라믹봉입 RTD 4-9

10 Glass wire wound platinum RTD Ceramic-wound Pt temperature sensors 4-10

11 백금박막온도센서 (thin film RTD) - 세라믹기판 ( 또는실리콘맴브레인 ) 위에백금박막을특정의패턴으로증착한소형 RTD - 특징 고저항 (0 에서 1000 Ω) 이기때문에저항값변화율이크고고감도 선로도선의저항 (lead wire resistance) 에기인하는오차가작으므로 3 선식배선이불필요 크기가작고박막이므로열응답성이우수 넓은온도범위 (-200 ~ 540 ) 에걸쳐직선성이우수 Platinum Thin Film RTD Elements 4-11

12 Platinum Thin Film RTD Elements 4-12

13 RTD 특성 감도 - 백금 RTD의저항온도특성이다. RTD의감도는저항온도계수 a 의값으로부터결정될수있다. - 백금의온도계수는약 0.004[/ ] : 이것은온도가약 1 만큼변하면, 100 Ω RTD의저항이 0.4Ω 만큼변함을의미한다. 4-13

14 확도 - IEC751 표준에는백금 RTD 의허용오차에대해서 2 종류 (class A 와 class B) 를규정하고있다. 0 에서허용오차 (tolerance) 는 4-14

15 응답시간 - 일반적으로, RTD 의응답시간은 0.5~5 s 정도이다. 응답이느린이유는센서가주위온도와평형상태로되는데시간이걸리기때문이다 소비전력 - 자기가열 ( 自己加熱 ; self heating) 에의한영향으로센서의지시온도는실제의온도보다약간더높다 - 필요한정밀도를얻기위해서는가능한한 RTD 에흐르는전류를충분히작고일정하게유지해야한다. - RTD 의소비전력 (dissipation constant) 은 RTD 온도를 1 증가시키는데필요한전력 [W/ ] 으로주어진다. 예를들면, 25 mw/ 는소비전력 I 2 R 이 25[mW] 이면, RTD 는 1 만큼가열됨을의미한다. - 일반적인사용에서 RTD 에흐르는전류는 2~10 ma 이하이다. 4-15

16 응용회로 리드선의영향 - 백금 RTD 로온도를측정하는경우통상휘트스토운브리지를사용한다. 이경우백금선의저항이작기때문에도선의저항을무시할수없다. 4-16

17 3 선식브리지 - 3 선식의브리지접속법을사용하여리드선의저항을상쇄시킨다. - 만약 A 와 B 의길이가완전히매칭되면, 각각은브리지의반대변 (arm) 에있기때문에그들의임피던스영향은상쇄된다. - 3 번째선 C 는 sense lead 로만작용하고, 전류는흐르지않는다. R RTD - 3 선식브리지는저항변화 - 출력전압변화사이를비직선관계로만든다. - 이경우, 브리지출력전압을등가의 RTD 저항으로변환하기위한추가의방정식이요구되기때문에 RTD 의비직선온도 - 저항특성을심화시킨다 4-17

18 - 3 선식의브리지접속법의오차만약리드선의영향이없다면, V S 와 V O 을안다면, R RTD 을구할수있고, 그 다음온도에대해서풀면된다. V o R = RTD R = 3 R + R R 3 3 VS - RTD V V S S - + 2V 2V o o 1 2 만약 R 3 =R RTD 이면, V o = 0 이다. V S R 1 = R

19 4-19 만약 R RTD 가 3 선식브리지로부터어느거리만큼떨어져위치하면, 리드선저항 R L 이나타난다. 3 선의길이같은경우 (R L = R S ) : B 와 C 선으로리드선저항측정하여보상함 à R RTD =(R L +R RTD +R S ) (R S +R L ) o S o L o S o S RTD V V V R V V V V R R = R s A C B

20 서미스터 (thermistor) 4.3 서미스터 - 서미스터 (thermistor; thermal resistor 또는 thermally sensitive resistor 의줄임 ) 는주로반도체의저항이온도에따라변하는특성을이용한온도센서 - 저항온도특성에따라다음과같이분류 * NTC(negative temperature coefficient) * PTC(positive temperature coefficient) * CRT(Critical temperature resistor) - 보통서미스터라고부르는것은 NTC 를말한다. - PTC 와 CRT 는특정한온도영역에서저항이급변하기때문에넓은온도영역의계측에는부적합하다. 4-20

NTC 서미스터 구조와동작원리 - Ni, Mn, Co계금속산화물 (Mn 2 O 3,

21 NTC 서미스터 구조와동작원리 - Ni, Mn, Co계금속산화물 (Mn 2 O 3, NiO, Co 2 O 3, Fe 2 O 3 ) 의분말을두개의측정용도선과함께소결 ( 燒結 ; sintering) 한것. - NTC 서미스터에는여러형태가있다. * 비드형 (bead type) 표면이유리가코팅되어있어안정성이우수하고, 소형이고열용량 ( 熱容量 ) 이작아열응답속도가빠르다 ( 공기중에서 1.5~10 s 정도 ). 이는백금 RTD로서는얻을수없는응답속도이다. 고온에견디고, 호환성, 재현성등이좋은특징을갖는다. 4-21

22 * 디스크형 (disc type) : 내환경성등이문제가있어사용조건이제한적이나가격이저렴하므로엄격한조건을필요로하지않는경우에사용된다. * 칩형 (chip type) : 소형으로, 안정도가높고양산에적합하기때문에저가이며, 디스크형에비해서응답속도가빠르다. * 표면실장형 (surface mount) : 리드를부착하지않은서미스터이며, 하이브리드 IC 또는 PCB에서금속패드 (pad) 에솔더링이나도전성에폭시로직접부착한다. 4-22

23 NTC 서미스터의저항값은온도가증가함에따라감소한다. NTC 서미스터의특성 와감도 : 저항 - 온도특성 b ú û ù ê ë é ø ö ç ç è æ - = o o T T R R 1 1 exp b R o : T o 에서서미스터저항 : 특성온도 (characteristic temperature) b ø ö ç è æ ø ö ç ç è æ - = o o R R T T ln b - 표현식 b - 값 : 보통 2000~6000 K ( 고온용에서는 6000~12000 K ) - 초기저항값이같더라도가다르면특성은달라진다. b b

24 b b - 에의해서서미스터의특성이결정되기때문에서미스터정수라한다. - 정수는서미스터를제작할때의성분이나열처리방법에따라정해지 는데, 각각의서미스터에고유한것이다. b - 정수는온도에따라증가하는온도의존성을갖는다. - 서미스터저항의온도계수 (TCR) 또는상대감도 (relative sensitivity) : a a - 가온도에반비례하므로 NTC 는낮은온도에서더감도가높다. b = 4000 K - ( 예 ) : 25 에서라면 - a 의대표적인값은 -5[%/K] 이며, 온도계수는백금저항선의약 10배. 4-24

25 NTC thermistor 자동차에응용 4-25

26 Sensor System Design

27 - Text LCD - Text LCD 동작원리 - 과제내용 기본예제프로그램이해및발표 예제프로그램을수정하여예제프로그램과다르게표현 4 주차에이어스위치와 FND 의프로그램합치기를계속진행

측정분야 (Measurement Field) : 501. 접촉식온도 (Contact thermometry) 권장교정주기표준교정수수료 ( 원 ) 분류번호 측정기명 교정용표준기 정밀계기이하 기본수수료 추가수수료 표준소급비 온도발생장치 ; 오븐, 전기로, 액체항온조, 빙점조

측정분야 (Measurement Field) : 501. 접촉식온도 (Contact thermometry) 권장교정주기표준교정수수료 ( 원 ) 분류번호 측정기명 교정용표준기 정밀계기이하 기본수수료 추가수수료 표준소급비 온도발생장치 ; 오븐, 전기로, 액체항온조, 빙점조 측정분야 (Measurement Field) : 0. 접촉식온도 (Contact thermometry) 온도발생장치 ; 오븐, 전기로, 액체항온조, 빙점조, 드라이블럭교정기등 00 (Temperature generators; ovens, furnaces, 2 2 isothermal liquid baths, ice-point baths, dry-block calibrators)