저항 온도계

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 저항/온도 관계
- 2.1. 금속별 특성
3. 교정
4. 소자 유형
5. 배선 구성
6. 장점 및 한계
7. 응용 분야
8. 역사
9. 국제 표준
참조

1. 개요

저항 온도계(RTD)는 온도 변화에 따라 저항이 변하는 금속을 사용하여 온도를 측정하는 센서이다. 주로 백금, 니켈, 구리 등 금속을 사용하며, 1871년 윌리엄 시멘스 경이 백금을 저항 온도 검출기 요소로 제안했다. RTD는 고정점 교정, 비교 교정 등의 방법으로 교정되며, 박막형, 권선형, 코일형 등 다양한 소자 유형이 있다. RTD는 높은 정확도와 넓은 작동 온도 범위를 가지지만, 응답 속도가 느리고 고온에서의 사용에 제약이 있다. 두 선식, 세 선식, 네 선식 배선 구성이 있으며, 산업, 항공우주 등 다양한 분야에서 활용된다.

더 읽어볼만한 페이지

온도계 - 바이메탈
바이메탈은 열팽창률이 다른 두 금속을 접합하여 온도 변화에 따라 굽어지는 성질을 이용, 온도 감지, 스위치 제어 등 다양한 용도로 활용되는 부품이다.
온도계 - 수은 온도계
수은 온도계는 수은의 열팽창을 이용하여 넓은 온도 범위를 측정하는 장치로, 과거에는 널리 사용되었으나 수은의 독성 때문에 현재는 사용이 줄어들고 안전한 대체재로 대체되는 추세이다.

저항 온도계
지도
기본 정보
유형	온도 센서
작동 원리	저항의 온도 변화에 따른 변화 측정
측정 범위	-200~850 °C
특징
장점	정밀도가 높음 안정성이 뛰어남 넓은 온도 범위 측정 가능
단점	반응 속도가 느림 외부 충격에 취약 가격이 비쌈
상세 정보
측정 원리 (상세)	온도 변화에 따른 도체 저항 변화 이용
온도 계수	온도에 따른 저항 변화 비율
재료	백금, 니켈, 구리 등
감도	온도 변화에 따른 저항 변화량
정확도	정밀도 높음
안정성	주변 환경 변화에 안정적
반복성	장기간 사용시 반복 측정값 일관성
반응 시간	열용량으로 인해 느림
종류
주요 종류	백금 저항 온도계 (Pt100, Pt1000 등) 니켈 저항 온도계 구리 저항 온도계
백금 저항 온도계	가장 일반적이며 정확도가 높음
활용 분야
산업	온도 제어 측정 분야
의료	체온 측정 의료 기기 온도 제어
과학	실험 연구
관련 정보
관련 센서	서미스터, 열전대

2. 저항/온도 관계

생체의학 분야에 일반적으로 사용되는 백금(Pt), 니켈(Ni) 또는 구리(Cu)로 제작된 일반적인 RTD 감지 소자는 반복 가능한 저항 대 온도 관계(''R'' 대 ''T'')와 작동 온도 범위를 갖는다. ''R'' 대 ''T'' 관계는 온도 변화 1도당 센서의 저항 변화량으로 정의된다.^[1] 저항의 상대적 변화(저항의 온도 계수)는 센서의 유용한 범위에서 약간만 변한다.

1871년 베이커 강좌에서 윌리엄 시멘스 경이 저항 온도 검출기의 요소로 백금을 제안했다.^[2] 백금은 귀금속이며 가장 넓은 온도 범위에 걸쳐 가장 안정적인 저항-온도 관계를 갖는다. 니켈 소자는 저항의 온도 계수가 300 °C 이상의 온도에서 변하기 때문에 온도 범위가 제한적이다. 구리는 매우 선형적인 저항-온도 관계를 갖지만, 중간 온도에서 산화되므로 150 °C 이상에서는 사용할 수 없다.

저항 요소로 사용되는 금속의 중요한 특징은 0~100 °C 사이의 저항 대 온도 관계의 선형 근사이다. 이 저항의 온도 계수는 α로 표시되며 일반적으로 Ω/(Ω·°C) 단위로 제공된다.

:

\alpha = \frac{R_{100} - R_0}{100~^\circ\text{C} \cdot R_0},

여기서

:

R_0

는 0 °C에서 센서의 저항이고,

:

R_{100}

는 100 °C에서 센서의 저항이다.

순수 백금은 0~100 °C 범위에서 α = 0.003925 Ω/(Ω·°C)이며 실험실 등급 RTD의 제작에 사용된다. 반대로, 산업용 RTD에 대한 두 가지 널리 인정되는 표준인 IEC 60751 및 ASTM E-1137은 α = 0.00385 Ω/(Ω·°C)를 지정한다. 이러한 표준이 널리 채택되기 전에는 여러 다른 α 값이 사용되었다. α = 0.003916 Ω/(Ω·°C) 및 0.003902 Ω/(Ω·°C)인 백금으로 만들어진 이전 프로브를 찾을 수 있다.

백금의 이러한 다양한 α 값은 도핑을 통해 달성된다.

2. 1. 금속별 특성

생체의학 분야에 일반적으로 사용되는 백금(Pt), 니켈(Ni) 또는 구리(Cu)로 제작된 일반적인 RTD 감지 소자는 반복 가능한 저항 대 온도 관계(''R'' 대 ''T'')와 작동 온도 범위를 갖는다. ''R'' 대 ''T'' 관계는 온도 변화 1도당 센서의 저항 변화량으로 정의된다.^[1] 저항의 상대적 변화(저항의 온도 계수)는 센서의 유용한 범위에서 약간만 변한다.

1871년 베이커 강좌에서 윌리엄 시멘스 경이 저항 온도 검출기의 요소로 백금을 제안했다.^[2] 백금은 귀금속이며 가장 넓은 온도 범위에 걸쳐 가장 안정적인 저항-온도 관계를 갖는다. 니켈 소자는 저항의 온도 계수가 300 °C(572 °F) 이상의 온도에서 변하기 때문에 온도 범위가 제한적이다. 구리는 매우 선형적인 저항-온도 관계를 갖지만, 중간 온도에서 산화되므로 150 °C(302 °F) 이상에서는 사용할 수 없다.

저항 요소로 사용되는 금속의 중요한 특징은 0~100 °C 사이의 저항 대 온도 관계의 선형 근사이다. 이 저항의 온도 계수는 α로 표시되며 일반적으로 Ω/(Ω·°C) 단위로 제공된다.

:

\alpha = \frac{R_{100} - R_0}{100~^\circ\text{C} \cdot R_0},

여기서

:

R_0

는 0 °C에서 센서의 저항이고,

:

R_{100}

는 100 °C에서 센서의 저항이다.

순수 백금은 0~100 °C 범위에서 α = 0.003925 Ω/(Ω·°C)이며 실험실 등급 RTD의 제작에 사용된다. 반대로, 산업용 RTD에 대한 두 가지 널리 인정되는 표준인 IEC 60751 및 ASTM E-1137은 α = 0.00385 Ω/(Ω·°C)를 지정한다. 이러한 표준이 널리 채택되기 전에는 여러 다른 α 값이 사용되었다. α = 0.003916 Ω/(Ω·°C) 및 0.003902 Ω/(Ω·°C)인 백금으로 만들어진 이전 프로브를 찾을 수 있다.

백금의 이러한 다양한 α 값은 도핑을 통해 달성된다.

3. 교정

임의의 저항 온도계(RTD)의 ''R'' 대 ''T'' 관계를 특성화하려면 0 °C 및 100 °C 이외의 온도에서 교정을 수행해야 한다.^[3] 이는 교정 요구 사항을 충족하기 위해 필요하다. RTD는 작동이 선형적이라고 간주되지만, 실제로 사용될 온도에 대해 정확한지 확인해야 한다. 일반적인 교정 방법에는 고정점 방법과 비교 방법이 있다.

고정점 교정: 국가 계량 연구소에서 가장 정확한 교정에 사용된다.^[3] 물, 아연, 주석, 아르곤과 같은 순수 물질의 삼중점, 어는점 또는 녹는점을 이용하여 알려지고 반복 가능한 온도를 생성한다. 이를 통해 ITS-90 온도 눈금의 실제 조건을 재현할 수 있다. 고정점 교정은 ±0.001 °C 이내의 매우 정확한 교정을 제공한다. 산업용 프로브의 경우 얼음조를 이용한 방법이 일반적이며, 이는 ±0.005 °C의 정확도를 가진 보조 표준으로 지정된다.
비교 교정: 2차 표준 백금 저항 온도계 및 산업용 RTD에 사용된다.^[4] 교정 중인 온도계는 온도가 균일하게 안정적인 조를 이용하여 교정된 온도계와 비교된다. −100 °C와 500 °C 사이의 어떤 온도에서도 비교할 수 있으며, 자동화된 장비를 사용하면 여러 센서를 동시에 교정할 수 있어 비용 효율적이다. 실리콘 오일 및 용융염이 매체로 사용된다.

4. 소자 유형

저항 온도계(RTD) 센서의 주요 유형은 박막형, 권선형, 코일형 소자가 있으며, 이 세 가지 유형이 산업 현장에서 가장 널리 사용된다.^[5] 초저온(-273 °C ~ -173 °C) 환경에서는 탄소 저항기가 사용되기도 한다.^[5]

'''탄소 저항기 소자'''는 저렴하고 널리 사용되며, 저온에서 매우 재현성 있는 결과를 제공한다. 넓은 온도 범위에서 신뢰성이 높으며, 히스테리시스나 스트레인 게이지 효과가 거의 나타나지 않는다.^[5]

'''스트레인 프리 소자'''는 불활성 기체로 채워진 밀폐된 하우징 내에서 최소한으로 지지되는 와이어 코일을 사용하며, 까지 작동한다.

'''박막형 소자'''는 세라믹 기판 위에 얇은 저항성 물질(주로 백금) 층을 증착하여 만든다.^[6] 이 층은 10~100옹스트롬(1~10나노미터) 두께이며,^[6] 에폭시나 유리로 코팅하여 보호한다. 제한된 온도 범위에서만 사용할 수 있다는 단점이 있다.

'''권선형 소자'''는 넓은 온도 범위에서 높은 정확도를 제공한다. 절연 맨드릴(코어)에 감긴 감지 와이어(주로 백금)로 구성되며, 코어 재료의 열팽창 계수는 감지 와이어와 일치하도록 맞춰져 기계적 스트레인을 최소화한다. 660 °C까지의 온도에서 작동한다.

'''코일형 소자'''는 산업 현장에서 권선형 소자를 대체하고 있다. 온도에 따라 자유롭게 팽창하는 와이어 코일을 사용하며, 기계적 지지대로 고정되어 코일 모양을 유지한다. 850 °C까지의 온도에서 작동한다.

백금 저항 온도계(PRT)의 허용 오차 및 온도-전기 저항 관계를 규정하는 국제 표준은 IEC 60751:2008이며, 미국에서는 ASTM E1137도 사용된다. 산업에서 가장 많이 사용되는 것은 Pt100 센서로, 0 °C에서 100 옴의 공칭 저항을 갖는다.

5. 배선 구성

가장 간단한 저항 온도계 구성은 두 개의 선을 사용하는 방식이다. 이 방식은 연결선의 저항이 센서의 저항에 더해져 측정 오차가 발생하기 때문에 높은 정확도가 필요하지 않은 경우에만 사용된다. 100미터 길이의 케이블을 사용할 수 있으며, 균형 브리지와 고정 브리지 시스템에 모두 적용된다.

균형 브리지의 일반적인 설정은 R2 = R1이고, R3는 RTD 범위의 중간값 근처이다. 예를 들어, 0°C에서 100°C 사이를 측정하는 경우, RTD 저항은 100Ω에서 138.5Ω까지 변하므로 R3 = 120Ω을 선택하여 브리지에서 측정되는 전압을 작게 만들 수 있다.

리드 저항의 영향을 최소화하기 위해 3선식 구성을 사용할 수 있다. 이 구성에서는 R1 = R2이고, R3는 RTD 범위의 중간 정도로 설정하는 것이 권장된다. 휘트스톤 브리지 회로에서 왼쪽 아래의 전압 강하는 V_rtd + V_lead이고, 오른쪽 아래의 전압 강하는 V_R3 + V_lead이므로, 브리지 전압(V_b)은 V_rtd - V_R3가 되어 리드 저항으로 인한 전압 강하가 상쇄된다. 이는 R1=R2이고 R1, R2 >> RTD, R3일 때 항상 적용된다. 예를 들어, Pt100의 경우 1mA로 제한하고 5V로 제한하려면 약 R1 = R2 = 5/0.001 = 5,000 옴의 제한 저항을 사용하는 것이 좋다.

4선식 저항 측정 방식은 저항 측정의 정확도를 높인다. 4단자 감지는 측정 리드선의 전압 강하가 오차의 원인이 되는 것을 방지한다. 정확도를 더욱 높이기 위해, 서로 다른 와이어 종류나 나사 연결로 인해 발생하는 잔류 열전압은 1mA 전류의 방향과 DVM(디지털 전압계)으로 연결되는 리드선의 방향을 반대로 하여 제거할 수 있다. 열전압은 한 방향으로만 발생하며, 반대로 측정한 값의 평균을 구함으로써 열전 오차 전압이 상쇄된다.

6. 장점 및 한계

백금 저항 온도계(RTD)는 높은 정확도, 낮은 드리프트(drift), 넓은 작동 온도 범위를 가지며 정밀 측정에 적합하다.^[9]

산업용 RTD는 660 °C 이상의 온도에서는 거의 사용되지 않는다. 660 °C 이상에서는 백금이 온도계 금속 외피의 불순물에 오염되기 때문이다. 실험실 표준 온도계에서 금속 외피 대신 유리 구조를 사용하는 이유가 바로 이것이다. 매우 낮은 온도(−270 °C(3 K) 이하)에서는 포논이 매우 적어 RTD의 저항이 주로 불순물과 경계 산란에 의해 결정되므로 온도와 무관하다. 결과적으로 RTD의 민감도는 0이 되어 사용할 수 없다.

써미스터와 비교했을 때, 백금 RTD는 작은 온도 변화에 대한 민감도가 낮고 응답 시간이 느리지만, 써미스터는 온도 범위와 안정성이 낮다.^[9]

산업용 온도 측정에는 저항 온도 검출기(RTD)와 열전대가 주로 사용된다. 선택은 일반적으로 온도, 응답 시간, 크기, 정확도 및 안정성 요구 사항에 따라 결정된다.^[9] 공정 온도가 -200°C ~ 500°C인 경우 산업용 RTD가 선호된다. 열전대는 -180°C ~ 2320°C의 범위를 가지므로,^[9] 500°C를 초과하는 온도 측정에 사용된다. 공정에서 온도 변화에 매우 빠른 응답이 필요한 경우 열전대가 최상의 선택이다. 표준 RTD 외장의 직경은 3.175 mm ~ 6.35 mm이며, 열전대의 외장 직경은 1.6 mm 미만일 수 있다. 2°C의 허용 오차가 허용되고 최고 수준의 반복성이 필요하지 않은 경우 열전대가 적합하며, RTD는 더 높은 정확도를 제공하고 수년간 안정성을 유지할 수 있다.^[9]

7. 응용 분야

8. 역사

1821년, 험프리 데이비 경은 금속의 저항률이 온도에 따라 달라진다는 사실을 발견하여 발표했는데, 이는 제벡 효과와 동시대의 발견이었다.^[10]

1871년 윌리엄 지멘스 경은 영국 왕립 학회의 베이커 강연에서 온도가 상승함에 따라 전기 전도체의 전기 저항이 증가하는 경향을 실제로 적용한 내용을 처음으로 설명했으며, 백금을 적합한 원소로 제안했다.^[10] 같은 해, 칼 빌헬름 지멘스는 백금 저항 온도 검출기를 발명하고 3항 보간 공식을 제시했으나, 온도 측정의 불안정성으로 인해 빠르게 인기를 잃었다. 1885년 휴 롱번 캘린더는 최초로 상업적으로 성공한 백금 RTD를 개발했다. 1885년부터 1900년 사이에 캘린더, 그리피스, 홀본, 와인에 의해 필요한 제작 방법이 확립되었다.

1971년 에릭손, 케우터, 글라첼은 저항-온도 특성이 거의 선형적인 6가지 귀금속 합금(63Pt37Rh, 37Pd63Rh, 26Pt74Ir, 10Pd90Ir, 34Pt66Au, 14Pd86Au)을 확인했다. 합금 63Pt37Rh는 열전대에 사용되는 쉽게 구할 수 있는 70Pt30Rh 합금선과 유사하다.^[11]

우주왕복선은 백금 저항 온도계를 광범위하게 사용했다. 우주왕복선 주 엔진의 유일한 비행 중 정지 – 임무 STS-51F – 는 여러 번의 가열 및 냉각 주기를 거치면서 부서지고 신뢰성이 떨어진 RTD의 다중 고장으로 인해 발생했다.^[12]

9. 국제 표준

저항 소자는 BS EN 60751:2008에 따라 등급이 매겨진다.

허용오차 등급	유효 범위
F 0.3	−50 ~ +500 °C
F 0.15	−30 ~ +300 °C
F 0.1	0 ~ +150 °C

최대 1000 °C까지 작동하는 저항 온도계 소자도 제공될 수 있다. 온도와 저항 간의 관계는 캘린더-반 두젠 방정식(Callendar–Van Dusen equation)에 의해 주어지며, ''B''와 ''C'' 계수는 상대적으로 작기 때문에 저항은 온도에 따라 거의 선형적으로 변한다.^[13]

참조

_[1] 서적 Sensor Technology Series: Biomedical Sensors https://books.google[...] Momentum Press 2009-09-18
_[2] 논문 On the Increase of Electrical Resistance in Conductors with Rise of Temperature, and Its Application to the Measure of Ordinary and Furnace Temperatures; Also on a Simple Method of Measuring Electrical Resistances https://archive.org/[...] Royal Society 2014-05-14
_[3] 간행물 Standard Platinum Resistance Thermometer Calibrations from the Ar TP to the Ag FP https://nvlpubs.nist[...] National Institute of Standards and Technology 2008
_[4] 웹사이트 RESISTANCE TEMPERATURE DETECTOR – RTD https://www.punetech[...] 2023-11-04
_[5] 문서 Carbon Resistors http://www.bipm.org/[...] 2011-11-16
_[6] 문서 RTD Element Types
_[7] 웹사이트 Hand Held Thermometers {{!}} Charnwood Instruments http://www.instrumen[...]
_[8] 웹사이트 Temperature Coefficient of Resistance http://hyperphysics.[...]
_[9] 웹사이트 Omega Engineering | Shop for Sensing, Monitoring and Control Solutions with Technical Expertise http://www.omega.com[...]
_[10] 서적 Measurement and Control Basics, resources for measurement and control series. (3:e upplagan) The Instrumentation, Systems and Automation Society (ISA) 2002
_[11] 논문 A Linear Resistance Thermometer
_[12] 서적 Wings in Orbit: Scientific and Engineering Legacies of the Space Shuttle
_[13] Youtube Precision Low Current Source https://www.youtube.[...] 2014-02-11
_[14] 서적 Standard Platinum Resistance Thermometer Calibrations from the Ar TP to the Ag FP National Institute of Standards and Technology 2008
_[15] 서적 温度計の正しい使い方日本工業出版
_[16] 백과사전 저항온도계 http://100.naver.com[...] 2009-11-26

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com