측온저항체(RTD)의 원리와 구조: 정확한 온도 측정 기술

측온저항체(RTD)의 원리와 구조: 정확한 온도 측정 기술

 

 

 

1. 원리

 

  - 측온저항체(RTD, Resistance Temperature Detector)는 온도 변화에 따라 저항값이 변하는 성질을 이용하여 온도를

    측정하는 장치임
  - 일반적으로 백금(Pt 100, Pt 1000), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등의 금속을 사용하며, 금속의 저항이 온도에 따라 

    선형적으로 변하는 특성을 활용함
  - 저항과 온도 관계는 다음과 같은 공식으로 표현됨

 

 

 

 

2. 저항식 온도계(RTD)의 장점

 

1) 높은 정확도

  - 일반적으로 열전대(Thermocouple)보다 정밀도가 높으며, 0.1℃ 이하의 오차를 가짐

 

2) 우수한 장기 안정성

  - 금속 저항체의 특성상 시간이 지나도 성능 변화가 적음

 

3) 선형성(Linearity)

  - 저항과 온도 관계가 상대적으로 선형적이어서 보정이 용이함

 

4) 저온 환경에서도 높은 신뢰성

  - 극저온 환경(-200℃ 이하)에서도 안정적인 성능 제공

 

5) 산업용 공정에서 활용 용이

  - 측정 환경에 따라 다양한 형태(SHEATH, 세라믹형 등)로 제작 가능

 

 

 

 

 

3. 저항식 온도계(RTD)의 단점

 

1) 응답 속도가 느림

  - 열전대에 비해 온도 변화에 대한 응답 속도가 다소 느림

2) 가격이 상대적으로 높음

  - 열전대에 비해 제조 및 설치 비용이 높을 수 있음

3) 신호 전송 시 오차 발생 가능

  - 2선식 사용 시 리드선 저항에 의해 측정 오차 발생 가능

4) 측정 범위 제한

  - 일반적으로 -200℃ ~ 850℃까지 사용 가능하며, 열전대보다 측정 범위가 좁음

 

 

 

 

 

4. 구성

 

RTD는 일반적으로 측온저항체(센서 부분), 보호 튜브, 단자부로 구성됨

1) 측온저항체(Sensing Element)

  - 온도 변화에 따라 저항이 변하는 금속 재료(백금, 니켈, 구리 등)

2) 리드선(Lead Wire)

  - 저항값을 측정 장비로 전송하는 전선

3) 절연체(Insulation)

 - 측온저항체와 리드선을 보호하는 절연 재질

4) 보호관(Protective Sheath)

  - 외부 충격이나 부식으로부터 보호하는 금속 또는 세라믹 보호 튜브

5) 단자부(Terminal or Connector)

  - 측정 장비와 연결하는 부분

 

 

 

 

 

5. 결선 방식

1) 2선식(2-wire RTD)
  - 가장 단순한 방식으로, 측온저항체와 계측 장비가 두 개의 선으로 연결됨
  - 장점: 구조가 간단하고 설치 비용이 저렴함
  - 단점: 리드선(배선)의 저항이 측정값에 영향을 주어 오차가 발생할 가능성이 큼

 

2) 3선식(3-wire RTD)
  - 2선식의 단점을 보완한 방식으로, 추가적인 리드선을 사용하여 리드선 저항 영향을 보정함
  - 장점: 리드선 길이에 따른 저항 영향을 최소화하여 보다 정확한 측정 가능
  - 단점: 2선식보다 배선이 복잡하며, 약간의 비용 증가

 

3) 4선식(4-wire RTD)
  - 가장 정밀한 방식으로, 두 개의 리드선이 저항을 측정하고 나머지 두 개의 리드선이 전류를 공급하는 구조
  - 장점: 리드선 저항의 영향을 완전히 제거할 수 있어 매우 높은 정밀도를 제공함
  - 단점: 배선이 복잡하고 설치 비용이 상대적으로 높음

 

 

 

6. SHEATH RTD

 

1) 세라믹형(Ceramic Type RTD)
  - 세라믹 튜브 내에 백금 와이어를 감아 제작하며, 고온에서도 안정적인 성능 제공
  - 일반적으로 산업용 고온 측정 장비에 사용됨
  - 고온(650℃ 이상)에서도 높은 정확도를 유지할 수 있음

 

2) 응답 속도(Response Time)
  - RTD의 응답 속도는 열전도율과 센서 크기에 따라 달라짐
  - 열전대에 비해 응답 속도가 느리지만, 보호관이 얇거나 노출형 설계를 적용하면 개선 가능
  - 일반적으로 0.5~5초 정도의 응답 시간을 가짐

 

3) SHEATHED RTD
  - 보호관(SHEATH) 내부에 RTD 소자를 밀봉하여 제작한 방식
  - 외부 환경(부식, 습기, 충격)으로부터 센서를 보호할 수 있어 산업 현장에서 많이 사용됨

  - 주요 특징
    : 내구성이 강하여 오염이나 손상에 강함
    : 보호관의 재질에 따라 내산화성, 내부식성이 달라질 수 있음
    : 소형화가 가능하여 제한된 공간에서도 설치 가능