정확한 온도 측정: 데이터 수집 시스템과 센서 기술에 대한 요구사항

측정 기술 분야에서 가장 많이 측정되는 것은 온도입니다. 그리고 이때 사용할 수 있는 센서와 방법도 다양합니다. 온도 측정에 가장 많이 사용되는 방법은 열전대 사용입니다. 이 논문에는 이 주제에 관한 개요를 담았습니다.

온도는 전 세계에서 가장 많이 측정됩니다. 온도 변화의 정확한 기록은 모든 시스템 종류의 동적 작동과 구조 측정 모두에서 매우 중요합니다.

열변화는 수많은 요인에 의해 일어납니다. 여기에는 환경 영향(열기, 냉기), 센서 가열, 연소 또는 폭발 과정, 유량, 마찰이나 전류를 야기하는 기계식 이동 시스템 부품이 포함됩니다.

온도 변화도 전류, 변형, 유량 또는 압력 같은 다른 물리적 수량에 영향을 줍니다. 이러한 열 종속성을 고려하여 실행 시간에 이를 보상해야 합니다. 이 경우, 정밀 온도 수집은 온도 변동에 의한 측정 관련 불확도를 낮추는 데 매우 중요한 역할을 합니다.

테스트 또는 모델 테스트 설정 시 수집되는 온도 프로파일을 사용하여 시스템을 분석하고 최적화할 수 있습니다. 이것은 회로 냉각 및 가열, 재료 설계 또는 전기 전도용 와이어 크기 결정에 도움이 될 수 있습니다.

가능한 디지털 온도 측정 방법

다른 여러 수량과 동시에 온도를 디지털로 비교해야 한다고 가정할 경우 다음과 같은 온도 측정 방법이 가능합니다.

자체 저항을 변경하는 센서: NTC 서미스터는 온도 상승 시 자체 저항을 낮추며, PTC 서미스터는 온도 상승 시 자체 저항을 높입니다(예: 백금 또는 실리콘 저항 온도계 또는 세라믹 PTC 서미스터).
전기 신호를 공급하는 센서: IC 온도 센서는 온도 변동 시 전류 또는 전압을 변경합니다.
석영 결정 진동자를 사용하는 온도 센서: 공진 주파수가 온도에 따라 변합니다.
고온계와 열화상 카메라는 비접촉식 도구이며, 열방사선을 측정합니다.
광섬유 온도 센서는 유리 섬유를 따라 온도 프로파일을 측정합니다. 그 원리는 라만 효과입니다. 다시 말해, 온도 파이버 브래그 격자(FBG)의 굴절률이 온도에 따라 변합니다.
끝으로, 가장 많이 사용되는 온도 측정 방법이자 예전보다 많이 사용되는 방법은 열전대 사용입니다. 이것은 제벡 효과의 결과로 발생하는 온도 차이를 전기 전압으로 변환합니다. 열전대는 두 가지 금속을 한쪽 끝에 납땜 또는 용접한 것입니다. 이 연결점이 뜨거워지면 온도에 따라 비선형 전압이 생성됩니다.

Type-K insulated thermocouple for the QuantumX MX809B module. — QuantumX MX809B 모듈용 K형 절연 열전대

Fiber optic temperature sensors — 광섬유 온도 센서(HBM의 FS63 시리즈)

Thomas Johann Seebeck (1770-1831) — Thomas Johann Seebeck (1770–1831),독일 물리학자 이미지 출처: Wikipedia

온도를 결정하는 제벡 효과(Seebeck effect)

열전대는 제벡 효과를 토대로 온도를 측정합니다. 열과 전기의 관계, 즉 열전 효과는 물리학자인 Thomas Johann Seebeck이 발견했습니다. 두 가지 금속의 연결점이 가열되면 온도에 따라 전압이 생성됩니다.

열전대 끝에는 측정 전자장치에 와이어가 납땜되어 있습니다. 이러한 와이어의 각 지점 온도가 다를 경우 전하 이동이 일어납니다. 와이어 재료와 전도도에 따라 전자의 활동량과 전하 이동의 정도가 결정됩니다. 두 금속의 납땜 연결점이 가열되면 한 재료에서 다른 재료로 전자가 이동합니다. 그에 따른 와이어가 연결된 종단과 연결되지 않은 종단의 온도 차이에 의해 열전기 전압이 야기됩니다. 이후 연결되지 않은 와이어 끝에서 전압을 측정할 수 있습니다. 연결되지 않은 와이어 끝의 온도를 메모한 후 전압을 측정하여 두 와이어의 연결점 온도를 계산할 수 있습니다. 이때 측정된 전압은 매우 낮습니다. 각 온도마다(섭씨) 몇 십 마이크로볼트의 온도 차이밖에 나지 않습니다. 그러나 이것만으로도 온도를 정확하게 확인할 수 있습니다.

써모커플(열전대)의 종류

써모커플이라 불리우는 열전대 종류는 다양합니다. 제조 원료와 그 성질에 따라 다르며, 다양한 온도 범위를 다룹니다. 다양한 종류, 전압 범위, 기전력, 편차 온도의 허용 한계는 DIN EN 60584의 적용을 받습니다.

K형 열전대가 가장 많이 사용됩니다. 이것은 니켈-크로뮴과 니켈-알루멜 합금 연결부가 있는 다목적 열전대입니다. 그 감도는 약 41μV/°C(섭씨 1도당 마이크로볼트)이며, 가격은 저렴하며, 온도 범위는 -200 ~ +1100°C로 매우 넓습니다.

그 외에 E, T, J, N(이는 K형 후속 모델임), C, S가 있습니다.

Connector for Type-K thermocouple (green)

Connector for Type-K thermocouple (yellow)

Connector for Type-T thermocouple (blue)

Connector for Type-J thermocouple (black)

열전대 사용

열전대는 연구개발 분야에서 광범위한 용도로 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 에너지 저장 장치를 열 최적 상태로 바꿔주고, 전기 모터의 자기 소거를 방지하여 차량 실내에 사용되는 복잡한 공조장치 모델의 확인 및 개선에 도움을 줄 수 있습니다.

열전대의 장점

견고한 디자인으로 제공됩니다.
웨이퍼 두께로 얇게 제작하여, 응답 시간이 빠르고(최고 0.1초/10Hz), 거의 모든 것에 통합할 수 있습니다.
가격이 저렴합니다.
광범위한 온도에 사용할 수 있습니다.

열전대의 단점

동일한 재료의 보상 라인(열전 와이어)이 필요합니다.
접점으로 추가 열전대가 생깁니다. 예를 들어, K형 열전대의 니켈 크로뮴(NiCr)은 측정기의 구리에 연결되어 보상(냉접점 보상)이 필요한 열전 전압이 생성됩니다.
비선형 특성이 있습니다.
불확도 요인이 많습니다.
온도는 전자파 간섭이 큰 환경에서 측정해야 하는 경우가 많습니다.

연소 엔진, 컴프레서, 전기 드라이브 같은 시스템을 테스트할 때 자체 전기 노이즈가 발생합니다. 높은 전류와 전압이 측정 지점과 가깝고 스파크 플러그처럼 높은 전압을 방출하는 물체에 의해 노이즈가 심한 환경이 발생합니다.

열전대로 온도를 측정하기에 최적인 데이터 수집 시스템

최적의 데이터 수집 시스템은 가장 작은 신호도 포착하며, 변화가 심한 외부 조건의 모든 어려움을 극복하며, 더 나아가 신호 노이즈 같은 교란 변수를 억제합니다.

QuantumX와 함께 HBM은 물리적 측정이 가능한 모든 수량에 적합하며, catman 소프트웨어로 간단하게 데이터를 분석하는 데이터 수집 시스템을 제공합니다.

열전대 연결용으로 특별 설계된 다음 모델이 현재 제공됩니다.

MX1609KB: 16채널 데이터 수집 모듈, K형
MX1609TB: 16채널 데이터 수집 모듈, T형
MX1609KB-R: K형 열전대용으로 개별 구성이 가능한 16개 채널이 있는 견고한 앰프(SomatXR 시리즈)
MX809B: 8채널 데이터 수집 모듈, 모든 유형(구리 리셉터클)
MX840B/MX440B: 8/4채널 범용 데이터 수집 모듈, 모든 유형

QuantumX를 사용하여 온도 및 기타 여러 신호 측정

HBM은 저항 온도계 또는 열전대를 사용하여 온도를 정확하게 측정하는 QuantumX 데이터 수집 시스템(DAQ)을 제공합니다. QuantumX 제품군은 모듈식이어서 요구사항에 따라 확장이 가능합니다. 모든 신호, 센서 및 트랜스듀서를 연결할 수 있으며, 온도, 변형, 압력, 힘, 토크, 속력, 가속도, 위치, 유량, 전압, 전류 같은 물리적 수량을 동시에 디지털화합니다.

QuantumX – 정밀 측정 결과를 내는 DAQ 시스템

모듈식 QuantumX 데이터 수집 시스템은 온도 같은 측정 가능 수량을 매우 정확하게 처리합니다.

기계 엔지니어, 자동차, 의료 엔지니어, 항공우주 산업 분야의 연구개발에서 광범위하게 사용할 수 있습니다.
최고 0.1K의 정확도로 온도를 측정합니다.
간섭 효과에도 강합니다.
높은 전압 전위에서도 안정적으로 측정할 수 있습니다(VDE 인증).
무선 TED(RFID)를 사용하는 자동 채널 매개변수화 기능이 있습니다.
0.1~40.000S/s의 샘플링 속도를 자유롭게 선택할 수 있어 구조 및 높은 동적 측정에 적합합니다.
이더넷을 통해 최적의 데이터 전송을 촉진하며, 선택한 소프트웨어를 통합할 수 있습니다.

Ultra-rugged SomatXR MX1609KBR Thermocouple Module

MX809B Data Acquisition Module for Measurement of Temperatures and Voltages

QuantumX는 거의 모든 용도에 맞는 최적의 기술을 제공합니다.

범용 입력이나 특수 입력이 제공되어 모든 유형에 사용할 수 있습니다.
구리 접점 근처 개별 채널의 냉접점 보상이 매우 정확합니다(Pt1000).
채널은 다른 채널과 전원 공급장치 및 네트워크와 절연되어 있어 교란 변수를 효과적으로 억제할 수 있습니다.
이중 절연 케이블, 접촉 방지 장치가 있는 커넥터, 전기 절연(측정 범주 참조), VDE 인증으로 측정 체인의 안전을 보장합니다.
IEC에 따른 곡선의 다항 선형화가 통합되어 있습니다.
여러 지점의 열 보정(예: 얼음물과 200°C)을 통해 다항을 교정하는 용도별 선형화가 하나 더 있습니다.
온도 범위가 넓은 견고한 콤팩트 디자인입니다.
자동 채널 매개변수화, 측정 지점 표시, TED(RFID 기술)를 이용한 개별 선형화 기능이 있습니다.
채널당 개별 샘플링 속도와 저역 통과 필터가 제공됩니다.
자유롭게 확장할 수 있는 시스템으로 디자인되었습니다.
동시 측정이 가능합니다.
선택한 소프트웨어와 간편하게 통합할 수 있습니다. HBM의 catman을 탑재하여 단순하면서도 포괄적인 데이터 수집 및 분석용 솔루션으로 사용할 수 있습니다.
실시간 통합이 가능합니다(EtherCAT, CAN 버스).