RTD (측온저항체)

Instrument 세번째 시간!! 온도센서 두번째 시간으로!!

RTD에 대하여 이야기 해 보겠습니다.

RTD는 서미스터와 함께 측정체의 온도변화에 따른 전기적 저항변화를 이용한 온도센서로

정확도와 반복성, 안정성이 굉장히 뛰어납니다.

이 제품은 Thermocouple과 함께 수십년간 실험실 및 산업공정에서 온도 측정에 사용되어 왔습니다.

​

1. 측정원리

RTD는 위에서 이야기한것과 같이 온도 변화에 따라 측온체의 저항이 변화하는 특성을 이용하는

온도센서입니다.

​

2. RTD 구조

RTD의 저항소자, 센서부는 굉장히 약합니다. 그래서 프로브형태로 만들어 이용하는데,

RTD프로브내의 소자 구조는 여러가지가 사용되어져 오면서 발전에 발전을 거듭하다가

근래 들어서 산업용으로는 크게 권선형과 박만형 두가지로 정착이 되었습니다.

​

1)권선형

권선형의 내부 구조 및 외형 (출처:https://blog.naver.com/iotsensor/220299023762)

권선형은 선재를 코일로 감은 형태와 세라믹 재질의 맨드릴 주위로 선재를 감은 형태가 있습니다.

​

2)박막형

박막형의 내부 구조 및 외형 (출처:https://blog.naver.com/iotsensor/220299023762)

박막형은 세라믹 기판위에 측온체 소재를 얇게 증착시켜 박막형 또는 필름형 도체로 만들어 사용하는

타입입니다. 이런 기술로 인해 구조가 굉장히 간단하게 되었고 제작공정의 단순화로

RTD센서가 많이 저렴해 졌습니다.

​

 

3. RTD저항소자 재질

1) 백금

2) 니켈

3) 구리

4) 발코

5) 텅스텐

재질에 대해서는 잘 모르겠습니다. 저는 백금밖에 사용하질 않아서....

거의 PT100Ω이나 좀더 높은 정확도를 요할땐 PT1000Ω으로 귀결되지 않았나 싶습니다만...

제가 모르는 산업영역에서 타 재질을 사용할 수도 있으니 그건 해당 산업에 레퍼런스를 참고 하시는게

좋을듯 합니다.

​

 

4. RTD 리드와이어 수량에 따른 타입 분류

센서로부터 저항값을 읽어들이기 위해 컨트롤러는 전류를 흘려보내 전압의 변화를 검측합니다.

온도측정은 소자의 저항값을 기반으로 하기 때문에 회로에 추가된 다른 저항값들로 인하여 제대로된

측정을 하기가 어려운 경우가 있습니다.

가장 대표적인 예로 센서가 설치된 지점으로부터 컨트롤러(PLC)가 멀리 떨어져 있을 경우

상호 연결된 케이블의 저항에 의하여 RTD소자의 저항값을 정확히 측정하기 힘듭니다.

이러한 케이스의 오류를 제거하기 위해 RTD터미널 타입은 총 3가지가 있습니다.

​

1) 2wire type

가장 기본적인 2wire type입니다. 거리가 가까울때나 Transmitter 일체형일때

사용할 수 있는 타입입니다.

그리고 2wire type의 RTD배선 Bridge 등가 회로에 대한 좋은 정보가 있어서 공유합니다.

(네이버 전기박사 카페의 쐬뭉치님이 올리신 글입니다.)

위 그림에서 Rt가 측온저항체이고 L1과 L2가 Lead Wire입니다.

이 경우 L1, L2 Lead Wire의 저항성분 RL1과 RL2가 Rt와 합해져 측정하는데 오차를 발생시킵니다.

특히 보통 Pt-100 이라 부르는 100Ω Sensor에서는 이 Sensor보다 높은 저항값을 가지는

Sensor에 비해 상대적으로 큰 오차를 발생시키며, Lead Wire의 길이가 길면

더욱 큰 오차를 내게됩니다.

여기서 Lead Wire의 저항성분이 만약 변하지않는 상수(Constant)라면

보상저항을 삽입하여 오차를 상쇄시킬 수 있지만

Lead Wire의 저항성분도 온도의 함수이기 때문에

주변 온도 변화에 의한 측정 오차는 없앨수 없으므로

만약 2-Wire RTD를 사용한다면 RTD의 온도-저항 특성에 비해

충분히 저항값이 작은 Lead Wire를 사용하는 것이 바람직합니다.

이 2-Wire RTD는 보통 아주 짧은 Lead Wire 이거나

1000Ω Sensor(Pt-1000)의 경우 외에는 거의 사용하지 않습니다.

​

2) 3wire type

2wire type에서 선로나 기타 오차를 발생시키는 저항성분의 보상을 위해 개량된

3wire type입니다.

가장 대중적이고 가장 많이 사용하는 타입이라고 생각하시면 됩니다.

​

그리고 3wire type의 RTD배선 Bridge 등가 회로에 대한 좋은 정보가 있어서 공유합니다.

(네이버 전기박사 카페의 쐬뭉치님이 올리신 글입니다.)

3-Wire RTD는 Lead Wire의 저항성분 영향을 덜 받도록 하기 위하여 많이 사용하는 방식입니다.

위 그림에서 Lead Wire L1과 L3는 RTD Rt에 전류를 공급하는 Wire이며,

L2는 전위를 읽는 용도에만 사용됩니다.

L2가 전위를 읽는 용도로만 사용된다는 것은 전위를 읽는 전압계의 입력저항이 매우 크다면

이 L2를 통해서는 전류가 흐르지 않는다는 의미로서,

전류가 흐르지 않으면 L2의 선간 저항으로 인한 전압강하가 없다는 뜻이됩니다.

여기서 L1과 L3의 저항값이 완전히 일치한다면 Bridge Arm 구성이

L1+Rt 와 L3+R3로 되고 L1과 L3가 서로 상쇄되어 Lead Wire의 저항성분이

온도(전압, Vout)를 측정하는데 영향을 미치지 못하게 됩니다.

Pt-100과 같은 100 Ω Sensor를 사용하는 경우 Lead Wire의 길이가 수 Meter 정도에서는

온도측정에 큰 영향이 없도록 L1과 L3의 저항성분이 잘 Match 됩니다.

이 Bridge 보다 정전류원(Constant Current Source)으로

RTD회로를 구동하면 좀더 정밀한 측정, 즉 Lead Wire의 저항성분 영향을 받지않는

온도 측정을 할 수 있습니다.

​

3) 4wire type

매우 정밀한 측정이 필요한 실험실이나 고정밀 플랜트에서 주로 사용되는 타입입니다.

​

그리고 4wire type의 RTD배선에 대한 좋은 정보가 있어서 공유합니다.

(네이버 전기박사 카페의 쐬뭉치님이 올리신 글입니다.)

보다 정밀한 온도측정을 하는 용도로는 4-Wire RTD도 사용합니다. 이와 같은 4-Wire 측정법을 Kelvin 또는 4-Wire Sensing 이라 부릅니다.

아래 그림이 4-Wire RTD를 이용한 측정의 등가회로입니다.

​

이때까지 RTD에 대해서 알아보았습니다.

그럼 마지막으로 RTD의 장점에 대해 이야기 하고 마무리 짓도록 하겠습니다.

RTD는 백금과 같은 금속을 사용하여 매우 안정적이며 써모커플보다 훨씬 우수한 정밀도를 보장합니다.

그리고 센서소자 자체는 부식이나 산화의 영향을 거의 받지 않는다고 보시면 됩니다.

그리고 거의 모든 메이커의 PT100옴이나 PT1000옴은 온도테이블을 공유합니다.

즉 호환성이 매우 뛰어나다고 할수 있지요.

(예를들어 지멘스든 요꼬가와든 ABB든 어떤 메이커든 PT100옴 RTD의 온도테이블은 동일합니다.)

아울러 부식이나 산화등의 영향을 거의 받지 않기때문에 장기간 사용하는등의 수명도 굉장히 길고

반복성도 굉장히 뛰어납니다.

​

다만 써모커플에 비해 온도변화의 반응성이 약간.. 아주 약간 떨어지고 온도센싱의 특성인 리니어성을

잘 보여줍니다.

그리고 써모커플에 비해 하우징 재질에 제한이 조금 더 있습니다. (이건 메이커마다 상이함.)

​

다음시간에는 Thermowell(보호관)에 대해 알아보고자 합니다.

감사합니다.