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연재 센서 기초 강좌(8) <온도 센서>

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작성자 댓글 0건 조회 1,071회 작성일 20-06-10 16:00

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그림 1. 온도 센서 종류와 분류([ ] 안은 기본 동작 원리를 나타냄)

 

서론

온도는 일곱 가지 SI 단위 중 하나다. 2018년 국제도량형총회에서 남아 있던 질량의 물리 단위(원기)가 재정의되었다. 이 재정의에 따라 모든 SI 단위가 기본이 되는 물리 상수로 정의되었으며 2019510일부터 시행되었다. 온도도 마찬가지로 온도(켈빈)JK-1(s-2K-1과 동일)로 표현하고 볼츠만 상수 k를 정확하게 1.380649×10-23으로 정함으로써 설정된다.”라고 정의되었다. 이것은 국제적인 기본 단위의 정의이며 일본 국내에서는 1, 특정, 실용의 표준기에 의해 교정된다. 따라서 물의 삼중점 열역학 온도의 1/273.16라는 표현은 살아있다. 2차 표준으로는 물의 삼중점 장치, 백금 저항 온도계, 방사 온도계, 증기압 온도계가 사용되고 있으며 가장 많이 사용되는 것은 백금 저항 온도계다.


섭씨[]는 스웨덴의 천문학자 셀시우스가 고안한 온도 눈금이다.

절대 온도[K]와 섭씨[]와의 관계는 0K(- 273.15), 273.15K(0t)의 관계이며 물의 액체, 기체, 고체 삼중점은 273.16K(0.01t).

다른 기호인 화씨[°F]는 이것은 독일 과학자가 제안한 온도 눈금으로, 32°F(0)부터 212°F(100 )에 대응한다. , 어는점과 끓는점을 180 등분 한 것이다. 구미에서 사용되고 있긴 하지만 세계적인 표준은 아니다. 절대온도[K]가 중심이며 일반적으로는 섭씨[]가 세계적으로 사용되고 있다. 방사 온도계용 센서는 이전의 광센서에서 다루었기 때문에 그 특징만 다시 언급하도록 하고 여기에서는 접촉식을 중심으로 설명하기로 한다. 


금속 측온 저항체

금속 측온 저항체는 저항 변화형 온도 센서이며, 온도에 의해 도체의 전기 저항이 바뀌는 것을 이용한다. 금속 재료로 백금, 니켈, 구리 등이 사용된다. 특징은 아래와 같다.

①뛰어난 내부식성으로 경시 변화가 매우 적다.

히스테리시스 효과가 없다.

압력, 습도 등의 온도 외 다른 조건으로 변하지 않는다.

금속 내에서는 저항의 온도 변화율이 높다.

비교적 직선성이 좋고 측정 범위를 한정하면 리니어라이즈 없이 정밀도 측정이 가능.

이 중에서도 백금 측온 저항체는 저항의 온도계쑤가 비교적 크고 국제 온도 눈금(ITS-90)에서 표준 온도계로 채용되었으며 일본 국내에서도 온도 측정의 특정2차표준품(실용표준)으로 시용되고 있다.

 

서미스터

서미스터(thermister)는 금속 측온 저항체와 같이 온도에 따른 전기 저항 변화를 이용한다.

재료는 열에 민감한 저항체로서 주로 세라믹을 사용한다. 그 온도 특성에 따라 아래의 종류로 나눌 수 있다.

NTC (Negative Temperature Coefficient) 서미스터

PTC (Positive Temperature Coefficient) 서미스터

CTR (Critical Temperature Coefficient) 서미스터

이 서미스터의 온도 특성은 <그림 2>와 같다.

NTC 서미스터에서 온도와 저항의 관계는 아래 식으로 표현된다. 

 

R=R0exp(B/T-BT0...(1)

   

여기에서 R, R0은 각 서미스터의 임의의 온도 T[K] 및 기준 온도 T0[K]일 때의 저항값이며 B는 서미스터 계수라고 불린다. 그 특징은 아래와 같다.

①금속과 반대로 온도가 상승하면 저항이 작아진다. 백금 저항 측온체에 비해 온도에 대한 저항 변화률이 10배 정도 크다.

소형이며 저렴하게 구할 수 있다.

자기 발열이 있다.

경년 변화가 있다


 

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그림 2. 서미스터의 온도 특성

 

 


...(후략)




石垣 武夫 / (일사)차세대센서협의회

본 기사는 2020년 6월호에 게재되었습니다. 

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본, 일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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