온도센서의 종류(K타입-열전대, PT타입-저항온도계 RTD) 및 실험용 온도 모니터링 시스템

안녕하세요 대학교실험실, 기업부설연구소를 대상으로

맞춤형 실험장비 및 시제품을 맞춤제작하고 있는 에이비랩솔루션입니다.

 

 

 

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1. 온도 센서의 종류

온도를 측정하는 센서는 여러 가지가 있지만, 주로 사용되는 두 가지인 K 타입과 PT 타입을 포함하여 몇 가지 주요 센서를 설명하겠습니다.

1) K 타입 열전대 (Thermocouple)

• 원리: 서로 다른 두 개의 금속을 연결하여 접점을 만들면, 온도 변화에 따라 전압이 발생하는 열전 효과(Seebeck 효과)를 이용하여 온도를 측정하는 센서입니다.
• 특징:
  • 사용 온도 범위: -200°C ~ 1,200°C
  • 내구성이 뛰어나며 고온에서도 안정적으로 작동
  • 가격이 저렴하고 반응 속도가 빠름
  • 다양한 산업 및 실험 환경에서 널리 사용됨
• 단점:
  • 비교적 정확도가 낮음(오차 ±1~2°C)
  • 보정이 필요할 수 있음

2) PT 타입 저항 온도계 (RTD: Resistance Temperature Detector)

• 원리: 백금(Platinum) 등의 금속은 온도에 따라 전기 저항이 변하는 성질이 있으며, 이를 이용하여 온도를 측정합니다.
• 특징:
  • 대표적으로 PT100(100Ω), PT1000(1000Ω) 등이 있음
  • 사용 온도 범위: -200°C ~ 850°C
  • 열전대(K 타입)보다 높은 정확도(±0.1~0.5°C)
  • 신뢰성이 높고 장기적으로 안정적
• 단점:
  • 가격이 비쌈
  • 반응 속도가 비교적 느림

3) 다른 온도 센서 종류

• J 타입 열전대: K 타입과 비슷하지만, 최대 온도가 750°C로 제한됨.
• T 타입 열전대: 저온(-200°C ~ 350°C)에서 높은 정확도를 가짐.
• E 타입 열전대: K 타입보다 높은 전압 출력과 높은 감도를 가짐.
• NTC/PTC 서미스터: 반도체 소재를 사용하여 온도 변화에 따른 저항 변화를 측정(소형 전자기기에 많이 사용됨).
• 적외선(IR) 센서: 접촉하지 않고 온도를 측정(비접촉 온도 측정에 유용함).

 

🔹K 타입 열전대(K-Type Thermocouple)

• 전선 수: 2가닥
• 열전대는 두 가지 서로 다른 금속(Chromel + Alumel)으로 구성되며, 측정 접점에서 온도 변화에 따라 전압이 발생합니다.
• 극성이 있으며, 보통 양극(+)은 노란색, 음극(-)은 빨간색입니다.

🔹 PT 타입 저항 온도 센서(RTD: PT100/PT1000)

• 전선 수: 2가닥, 3가닥, 4가닥 방식이 있음.
• 일반적으로 PT100 센서는 3선식 또는 4선식이 많이 사용됨.
• 2선식: 저항 변화로 온도를 측정하지만, 선 자체의 저항 오차가 포함되어 정확도가 떨어짐.
• 3선식: 한 개의 공통선을 사용하여 선 저항 오차를 보정함(산업용 장비에 많이 사용).
• 4선식: 가장 정확한 측정 방식으로, 선 저항을 완전히 제거하여 정밀도가 높음.

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2. 온도 컨트롤러 (Temperature Controller)

온도 센서는 측정값만 제공할 뿐, 이를 활용하여 온도를 조절하려면 온도 컨트롤러가 필요합니다.

기능

1. 목적 온도 설정: 사용자가 원하는 온도를 설정하면, 컨트롤러가 이를 유지하도록 조절함.
2. 항온 기능: 설정한 온도를 일정하게 유지하여 변동을 최소화함.
3. PID 제어: 정밀한 온도 제어를 위해 PID 알고리즘을 사용함.
4. 출력 제어: 히터(가열) 또는  냉각 장치(쿨러, 팬)-옵션 등을 제어하여 온도를 조절함.

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3. PID 제어 원리

온도 컨트롤러에서 정확한 온도 제어를 위해 PID 제어(PID Control) 방식을 사용합니다. PID는 비례(Proportional), 적분(Integral), 미분(Derivative) 의 약자로, 각각 다음과 같은 역할을 합니다.

1. P (비례 제어):
   • 현재 온도와 설정 온도의 차이(오차)에 비례하여 출력을 조절.
   • 오차가 클수록 출력도 커지지만, 잔여 오차(steady-state error)가 발생할 수 있음.
2. I (적분 제어):
   • 시간이 지나면서 누적된 오차를 보정하여 잔여 오차를 줄임.
   • 하지만 적분값이 너무 크면 오버슈트(overshoot, 온도가 지나치게 상승) 가 발생할 수 있음.
3. D (미분 제어):
   • 온도의 변화 속도를 계산하여 빠른 반응을 유도.
   • 갑작스러운 온도 변화(노이즈)에 과민 반응할 수 있어 적절한 조정이 필요.

PID 제어의 작동 원리

1. 센서가 현재 온도를 측정하여 컨트롤러에 전달.
2. 컨트롤러는 설정 온도와 현재 온도의 차이(오차)를 계산.
3. PID 연산을 통해 히터(또는 쿨러)에 신호를 보내 가열 또는 냉각 수행.
4. 이 과정이 반복되면서 온도가 설정값에 도달하고, 일정하게 유지됨.

PID 제어를 적절히 조정하면 온도 오차를 최소화하면서 빠르고 안정적으로 제어할 수 있습니다.

 

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4. 온도센서 및 온도모니터링 장치 맞춤제작

온도센서와 온도컨트롤러의 경우 인터넷이나 기타 쇼핑몰에서 쉽게 구입하실 수 있습니다.

그러나 정확한 배선연결 및 전원작업이 필요하며, 경우에 따라서는 온도 보정작업(Calibration)이 필요할 수 있습니다.

저희 에이비랩솔루션에서는 연구실에서 사용할 수 있는 정확한 센서 선택과 온도제어 모니터링 장비 제작 등 모든 사항을 진행 할 수 있습니다.

  

• 아래 사항을 말씀해주시면 신속하고 정확한 온도모니터링 장비 제작이 가능합니다.
  1) 사용온도 
  2) 온도센서 설치위치의 형태(나사타입, 플렌지 타입, 기타 등)
  3) 온도센서 로드의 길이 및 구경
  4) 온도센서 케이블 길이

 

PT타입 온도센서(SUS316)

 

 

K타입 온도센서(SUS316)

 

 

온도센서 및 온도모니터링 장치

 

 

"저희 에이비랩솔루션은 간단한 컨셉만 주셔도,

연구 목표에 맞는 실험 장비를 설계부터 제작까지 정확하게 진행해 드립니다

항상 연구원님의 아이디어를 실현하고 연구 목표를 달성하는 데 도움이 될 수 있도록

최선을 다하겠습니다. 감사합니다"

 

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