실용적 예방책 실드와 꼬인 쌍선을 사용하고, 적절한 피복을 사용하고, 압력이나 가파른 기울기를 피하고, 대규모 연장선을 사용하고, 문서화를 잘 하고, 보호된 통합 디지털 전압계를 이용하는 등, 써모커플에 적용하는 실용적인 예방책과 동일한 예방책을 RTD에도 적용합니다. 게다가 다음의 예방책도 시행해야 합니다.

구성 – 그 구성 때문에 RTD는 써모커플보다 다소 취약하고, 따라서 RTD를 보호할 예방책을 취해야 합니다.

자가 발열 – 써모커플과는 다르게, RTD는 자가 동력형이 아닙니다. 측정 가능한 전압을 공급하기 위해 전류가 장치를 지나야 합니다. 전류는 RTD 안에서 줄 (I2R) 일으키고, 그 온도를 변화시킵니다. 이 자가 발열은 측정 오류를 일으킵니다. 그 결과 저항계가 공급하는 측정 전류의 규모에 주의를 기울여야 합니다. 자가발열 오류에 대한 일반적인 값은 자유 대기에서 밀리와트 당 1/2°C입니다. 분명 열 전도성 매체에 담근 RTD는 줄 열을 매체로 분산시킬 것이고, 자가 발열로 인한 오류는 작아질 것입니다. 자유 대기에서 밀리와트 당 1°C가 상승하는 동일한 RTD는 초당 1미터의 속도로 흐르는 공기에서 밀리와트 당 1/10°C밖에 오르지 않을 것입니다.6

자가 발열 오류를 줄이려면, 최소한도이지만 원하는 해답을 줄 정도의 저항 측정 전류를 이용하고, 가장 큰 규모이지만 반응 시간이 양호한 정도의 RTD를 이용하세요. 분명 고려할 절충안이 있습니다.

열 분로 – 열 분로는 측정 변환기를 삽입해 측정 온도를 바꾸는 작용입니다. RTD의 물리적 규모가 써모커플의 것보다 더 크기 때문에 열 분로는 써모커플보다는 RTD에 더 문제가 됩니다.

열 기전력 – RTD를 측정할 때 하는 백금-구리 연결은 열 오프셋 전압을 일으킬 수 있습니다. 이 효과를 제거하기 위해 오프셋 보상 옴 기술을 이용할 수 있습니다.

써미스터 RTD와 마찬가지로 써미스터도 온도에 민감한 저항기입니다. 써모커플이 가장 다재 다능한 온도 변환기이고 백금 RTD가 가장 안정적이라면, 써미스터를 설명하는 가장 적합한 말은 민감하다는 것입니다. 센서의 주요 범주 3가지 중에서 써미스터는 단연코 온도에 따라 변하는 매개변수가 가장 큽니다.

써미스터는 보통 반도체 물질로 구성되어 있습니다. 양성 온도 계수 단위를 이용할 수는 있지만, 써미스터 대부분의 온도 계수(TC)는 음성입니다. 즉, 그 저항은 온도가 증가하면 감소합니다. 음성 온도 계수는 섭씨도 당 수 퍼센트일 수 있고, 써미스터 회로가 RTD나 써모커플 회로는 볼 수 없는 극미한 온도 변화를 감지할 수 있게 합니다.

우리가 이 감도 증가에 지불하는 대가는 선형성의 손실입니다. 써미스터는 공정 매개변수에 크게 의존하는 극도로 비선형적인 장치입니다. 따라서 제조업체는 RTD와 써모커플 곡선을 표준화한 정도까지 써미스터 곡선을 표준화하지는 않습니다.

개별 써미스터 곡선은 스테인하트-하트 공식을 이용해 매우 가깝게 근사치를 낼 수 있습니다:18

1 T = A + BlnR + C (In R)3

이때:

T = 켈빈도

R = 써미스터 저항

A,B,C = 곡선 맞춤 상수

6 참고문헌 6을 참고하세요. 18 참고문헌 18을 참고하세요.

소형 RTD 대형 RTD반응 시간이 빠름 반응 시간이 느림

열 분로가 낮음 열 분로가 약함

자가 발열 오류가 높음 자가 발열 오류가 낮음

그림 46

그림 47

타입

S µ

v/°C

지벡

계수

16

12

8

4

0 200 400 600 800

온도°C

저항

온도

계수

- R

TD.390

.344

.293

등가 선형성 타입 S

써모커플 대 백금 RTD

v or

R

써모커플

써미스터

RTD

T

이 등식의 도표를 보면 RTD가 써모커플보다 더 선형인 장치임을 알 수 있습니다:

부록 A경험적인 써모커플 법칙2

다음의 예는 경험적으로 도출한 써모커플 “법칙”을 보여주는데, 써모커플 회로를 이해하고 진단하는데 유용합니다.

A, B, C는 공개된 데이터 곡선에서 데이터 지점 3개를 선택하고, 연립 방정식 3가지를 풀어서 알아낼 수 있습니다. 써미스터의 온도 범위 중간에서 100°C 이내의 간격으로 데이터 지점을 선택할 경우, 이 공식은 꽤 놀랄만한 ± .02°C 곡선 적합도에 근접합니다.

더 간단한 공식을 이용하면 컴퓨터 연산 시간을 다소 빠르게 할 수 있습니다:

BT= ——— - C In R-A

A, B, C는 또 다시 (R,T) 데이터 지점 3개를 선택하고 그 결과로 생긴 연립방정식 3가지를 풀어서 알아낼 수 있습니다. 이 공식은 스테인하트-하트 공식의 정확성을 이루기 위해 좁은 온도 범위에 적용해야 합니다.

선형 써미스터 선형 특성에 근접한 써미스터를 개발하는데 많은 노력을 들였습니다.

이들 제품은 보통 특성 곡선을 선형화하는데 외부 정합 저항이 필요한

2-리드나 4-리드 장치입니다. 연산 제어장치가 있는 현대식 데이터

수집 시스템으로 인해 이러한 종류의 하드웨어 선형화가 필요하지 않게

되었습니다.

측정 써미스터의 저항성이 높으면 측정에 분명한 이점이 있습니다. RTD

로 측정을 할 때처럼 4선 저항 측정이 필요하지는 않습니다. 예를 들어

공통적인 써미스터 값은 25°C에서 5000옴입니다. 온도 계수가 일반적인

4%/°C이면, 측정 리드 저항이 100일 때 오류는 .05°C밖에 되지

않습니다. 이 오류는 등가 RTD 오류보다 500배 낮은 계수입니다.

단점 – 써미스터는 반도체이기 때문에 고온에서 RTD나 써모커플보다

영구적인 비교정화에 더 민감합니다. 써미스터를 이용하는 것은 보통

수백 °C로 제한되고 제조업체는 최대 작동 한계보다 훨씬 아래라도

장기간 노출되면 써미스터에 지정된 허용 오차 밖으로 드리프트가 일어날

것이라고 경고합니다.

써미스터는 매우 작게 만들 수 있고, 그 말은 온도 변화에 매우 빠르게

반응할 것이라는 의미입니다. 또한 작은 열용량으로 인해 자가 발열

오류에 특히 취약할 것이라는 의미도 됩니다.

써미스터는 RTD나 써모커플보다 훨씬 취약해서 파손되거나 접합부가

분리되지 않게 조심해서 설치해야 합니다.

모놀리식 선형 온도 센서 최근 온도 측정 분야의 혁신은 집적 회로 온도 변환기입니다. 이

변환기는 전압과 전류 출력 구조에 이용할 수 있습니다. 두 가지 모두 절대

온도에 선형적으로 비례하는 출력을 제공합니다. 일반적인 값은 1 μA/K

와 10 mV/K입니다.

이들이 매우 선형적인 출력을 온도와 함께 제공한다는 사실을 제외하면,

이들 장치는 써미스터 장치의 모든 단점을 공유하고, 따라서 온도 범위에

한계가 있습니다. 자가 발열과 취약성이라는 동일한 문제도 분명하고,

외부 전원을 필요로 합니다.

이들 장치는 온도에 비례해 아날로그 전압을 편리하게 생성합니다.

하드웨어 써모커플 기준 접점 보상 회로에서 이러한 필요성이 증가하고

있습니다 (그림 15 참고).

2 참고문헌 2를 참고하세요.

전류 센서 전압 센서

그림 48

+ +

i = 1µA/K

To DVM10kΩ

A B

To DVM10mv/

K

3 참고문헌 3을 참고하세요.

중앙 금속 삽입의 법칙

철과 콘스탄탄 리드 사이에 구리 리드를 삽입해도, 구리 리드의 온도와 상관 없이 출력 전압 V는 변하지 않을 것입니다. 전압 V는 온도 T1에서철-콘스탄탄 써모커플의 전압입니다.

내부 온도의 법칙

출력 전압 V는 온도 T에서 철-콘스탄탄 결합의 전압이고, 측정 리드에 적용되는 외부 열원과는 관계가 없습니다.

삽입 금속의 법칙

백금 와이어 양쪽 끝의 온도가 같을 경우, 전압 V는 온도 T에서 철-콘스탄탄 써모커플의 전압입니다. 백금 와이어(FePt 및 Pt-Fe)로 만든 두 써모커플은 반대로 작동합니다.

위의 모든 예는 측정 와이어가 동질의 것, 즉, 결함이나 불순물이 없다고 가정합니다.

부록 B써모커플 특성

수년간, 고유의 측정 문제를 해결하기 위해 특정 써모커플 합금 쌍을

개발했습니다. 더 일반적인 써모커플의 특이한 특성을 여기서 논할

것입니다.

우리는 연례 ASTM 표준 책에서 공개한 공통적인 상업 사양을 칭할

때 용어 표준 와이어 오류를 이용할 것입니다. 이는 실제 써모커플

출력 전압과 NBS 논문 125의 표에서 예측한 전압 간의 허용 편차를

나타냅니다.

귀금속 써모커플 – 귀금속 써모커플 타입 B, R, S는 모두 백금이나

백금-로듐 써모커플이고, 따라서 동일한 특성을 많이 공유합니다.

확산 – 고온에서 금속 증기가 확산되면 백금 와이어의 캘리브레이션을

쉽게 변화시킬 수 있습니다. 따라서 백금 와이어는 고순도 알루미나 같은

비금속 보호관 안에서만 이용해야 합니다. 이 규칙에 대한 한 가지 예외는

백금으로 만든 보호관이지만, 이 옵션은 어마어마하게 비쌉니다.

안정성 – 백금 기반의 결합은 단연코 모든 공통 써모커플 중

가장 안정적입니다. 타입 S는 안티몬의 녹는점 (630.74°C)과 금의

녹는점 (1064.43°C) 간에 온도 교정의 표준으로 지정될 정도로 매우

안정적입니다.

타입 B – B 결합은 애매하게 이중 값을 보여주는 유일한 공통

써모커플입니다.

공통 값 곡선과 저온에서 극도로 낮은 지벡 계수 때문에, 타입 B는

실질적으로 50°C 미만에서는 이용할 수 없습니다. 0°C부터 42°C에서

출력이 거의 영과 가깝기 때문에, 타입 B는 온도가 0°C와 40°C 사이에

있는 한 기준 접점 온도는 거의 중요치 않다는 고유한 이점이 있습니다.

물론 측정 접점 온도는 보통 매우 높습니다.

비금속 써모커플 귀금속 써모커플과는 다르게, 비금속 써모커플은 지정된 금속 구성이

없습니다. 전압 대 온도 곡선 적합성이 표준 와이어 오류 안에 있는 모든

금속의 조합을 이용할 수 있습니다. 그리고 이는 다소 흥미로운 금속

조합으로 이어집니다. 예를 들어 콘스탄탄은 특수한 합금이 아니라 구리-

니켈 합금의 모든 시리즈를 칭하는 포괄적인 이름입니다. 믿기 힘들게도,

타입 T (구리-콘스탄탄) 써모커플에 이용하는 콘스탄탄은 타입 J (철-

콘스탄탄) 써모커플에 이용하는 콘스탄탄과 동일하지 않습니다.3

C Cu

Cu Fe

C T1T

Fe

등온 블록

T1

V+

–

V+

– C

Fe

C

Fe

CT

등온 블록T1

T

C

Fe

+

–V

Fe

C

FeT

등온 블록T1

Pt

T

V

0 42 T, °C

이중 값 영역

타입 E – 타입 E 표준 와이어 오류가 0°C 미만으로 지정되지

않았지만, 타입 E 써모커플은 지벡 계수가 높고 (58 μV/°C), 열 전도성이

낮으며, 내부식성이라 저온 측정에 이상적입니다.

타입 E의 지벡 계수는 다른 모든 표준 써모커플보다 커서 작은 온도

변화를 감지하는데 이상적입니다.

타입 J – J 써모커플에서 양성 원소인 철은 저렴한 금속이고 순수한

형태로는 거의 만들지 않습니다. J 써모커플은 철에 있는 불순물 때문에

적합 특성이 좋지 않습니다. 그렇지만, J 써모커플은 지벡 계수가 높고

가격이 낮아 인기가 좋습니다.

J 써모커플은 갑작스러운 자기 변형 때문에 장치를 냉각시킨 후에도

비교정화가 일어날 수 있어서 760°C 이상에서 절대 이용하지 않아야

합니다.

타입 T – 공개된 표준 와이어 오류의 온도 영역이 0°C 미만인 유일한

써모커플입니다. 그러나 타입 E는 지벡 계수가 더 높고 열 전도성이 더

낮기 때문에 실제 매우 낮은 온도에서 더 안정적입니다.

타입 T는 구리 리드가 1개라는 독특한 차이가 있습니다. 이러한 점은

온도 차이만을 전문적으로 감시하는 환경에서 장점이 될 수 있습니다.

그 장점은 구리 써모커플 리드가 디지털 전압계 단자와 동일한 금속이라

리드 보상이 필요 없다는 점입니다.

타입 K 및 나이크로실-니실 – 나이크로실-니실 써모커플인 타입 N

은 타입 K와 유사하지만 전통적인 크로멜-알루멜 조합에서 불안정성의

일부를 최소화하도록 설계되었습니다. 합금 함량을 변화시키면 500°C

에서 일어나는 질서/무질서 변화가 개선되고, 양성 원소에서 실리콘

함량이 더 높아지면 고온에서 산화 내성이 향상됩니다. 특성 곡선에 대한

완전한 설명은 NBS 논문 161에 실려 있습니다.14

텅스텐 – 고온 환원 또는 진공 환경에서 텅스텐-레늄 써모커플이

일반적으로 이용되지만, 반응 속도가 높기 때문에 산화 대기에서는 절대

이용하지 않습니다. 순수한 텅스텐은 재결정 온도(약 1200°C) 이상으로

가열하면 매우 취약해집니다. 와이어를 취급하기 쉽게 하기 위해, 두

써모커플 레그에 레늄 합금을 이용합니다. 타입 G (텅스텐 대 텅스텐

26% 레늄), C (텅스텐 5% 레늄 대 텅스텐 26% 레늄), D (텅스텐 3%

레늄 대 텅스텐 25% 레늄) 써모커플은 나선 형태뿐 아니라 완전한 프로브

조립체로 이용할 수 있습니다. 모든 재료는 공개된 에러율을 따릅니다. 고온에서 소형 써모커플 와이어는 대형 와이어보다 더 확산, 불순물, 불균일에 영향을 받습니다. 표준 와이어 오류는 이러한 관계를 반영합니다.

각 NBS 와이어 오류 사양은 와이어 크기를 내포한다는 것에 주의하세요. 귀금속 써모커플 (B, R, S)은 명백히 비용상의 이유로 소형 와이어로 지정되어 있습니다.

3 참고문헌 3을 참고하세요.14 참고문헌 14를 참고하세요.

ASTM 표준 와이어 오류3

C

Cu

T1

_

+

타입 T

T2 (주변온도 기준)

Cu

Cu

Cu

전압계

V = α(T1 – T2)

871 170°C

±8.5°C

1⁄2 % Slope

타입 B 24 AWG

±4.4

0 538 1482°C

±1.41⁄4 %

±3.7°C

타입 R, S 24 AWG

1⁄2 %

±1.7±4.4°C

0 316 871°C

타입 E, S 8 AWG

타입 T 14 AWG

±1.2

-101 -59 371°C93

±2.8°C

3⁄4 %

±.8

타입 J 8 AWG

±2.2

0 277 760°C

±5.7°C

3⁄4 %

타입 K 8 AWG

0 277°C 1260

±9.5±2.2

3⁄4 %

2%

편집자 알림: ITS-90을 따르는 써모커플 데이터는 “ITS-90 써모커플

직접 및 역 다항식”에서 제시합니다.

AWG DIA, MILS DIA, mm 8 128 3.3

10 102 2.6 12 81 2.1 14 64 1.6 16 51 1.3 18 40 1 20 32 0.8 22 25 0.6 24 20 0.5 26 16 0.4 28 13 0.3

* 42°C 미만에서 타입 B 이중 값 - 130°C 이상에서만 지정된 곡선 적합성

† 재료 범위는 8 AWG 와이어와 관련한 것입니다. 와이어 크기가 줄면 범위도

줄어듭니다.

°C 표준 표준 NBS 지정

타입 금속 컬러 코드 Ω/더블 피트 T(°C)에서 지벡 계수 와이어 오류 재료 범위† + - + - 20 AWG S(μV/˚C) (부록 B 참고) (˚C) 백금 - 백금 -

B 6% 로듐 30% 로듐 – 0.2 6 600 4.4 to 8.6 0 to 1820*니켈-

E 10% 크롬 콘스탄탄 보라색 붉은색 0.71 58.5 0 1.7 to 4.4 -270 to 1000 J 철 콘스탄탄 흰색 붉은색 0.36 50.2 0 1.1 to 2.9 - 210 to 760

니켈 - K I0% 크롬 니켈 노란색 붉은색 0.59 39.4 0 1.1 to 2.9 -270 to 1372 N (AWG 나이크로실 니실 – – 39 600 – 0 to 1300

14) N (AWG 나이크로실 니실 – – 26.2 0 – -270 to 400

28) 백금-

R 13% 로듐 백금 – 0.19 11.5 600 1.4 to 3.8 -50 to 1768백금 -

S 10% 로듐 백금 – 0.19 10.3 600 1.4 to 3.8 -50 to 1768 T 구리 콘스탄탄 파란색 붉은색 0.30 38 0 0.8 to 2.9 -270 to 400

텅스텐 - 텅스텐 - W-Re 5% 레늄 26% 레늄 – – 19.5 600 – 0 to 2320

1. Charles Herzfeld, F.G. Brickwedde: Temperature - Its Measurement and Control in Science and Industry, Vol. 3, Part 1,Reinhold, New York, 1962.

2. Robert P. Benedict: Fundamentals of Temperature, Pressure andFlow Measurements, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1969.

3. Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement, ASTM Special Publication 470A, Omega Press, Stamford,Connecticut 06907, 1974.

4. Thermocouple Reference Tables, NBS Monograph 125, NationalBureau of Standards, Washington, D.C., 1979. Also, Temperature-Millivolt Reference Tables-Section T, Omega TemperatureMeasurement Handbook, Omega Press, Stamford Connecticut

06907,1983.5. H. Dean Baker, E.A. Ryder, N.H. Baker: Temperature Measurement in Engineering, Omega Press, Stamford, Connecticut 06907, 1953.6. Temperature Measurement Handbook, Omega Engineering, Inc.,

Stamford, Connecticut.7. R.L. Anderson: Accuracy of Small Diameter Sheathed

Thermocouples for the Core Flow Test Loop, Oak Ridge National Laboratories, ORNL-54011 (available from National Information Service), April, 1979.

8. R. R Reed: Branched Thermocouple Circuits in Underground CoalGasification Experiments, Proceedings of the 22nd ISA International Instrumentation Symposium, Instrument Society of America, 1976.

9. R.J. Moffat: The Gradient Approach to Thermocouple Circuitry, fromTemperature - Its Measurement and Control in Science and Industry, Reinhold, New York, 1962

10. R.P. Reed: A Diagnostics-Oriented System for Thermocouple Thermometry, Proceedings of 24th ISA International Instrumentation

Symposium, Instrument Society of America, 1978.11. Harry R. Norton: Handbook of Transducers for Electronic Measuring Systems, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey.12. C.H. Meyers: Coiled Filament Resistance Thermometers, NBS Journal of Research, Vol. 9, 1932.13. Bulletin 9612, Rev. B: Platinum Resistance Temperature Sensors,

Rosemount Engineering Co., 1962.14. Burley, Powell, Burns & Scroger: The Nicrosil vs. Nisil Thermocouple: Properties and Thermoelectric Reference Data, NBS Monograph 161, U.S. Dept. of Commerce, Washington, D.C., 197815. J.P Tavener: Platinum Resistance Temperature Detectors - State of the Art, Measurements & Control, Measurements & Data Corporation,

Pittsburgh, PA., April, 1974.16. J.P. Evans and G.W. Burns: A Study of Stability of High Temperature

Platinum Resistance Thermometers, in Temperature - Its Measurement and Control in Science and Industry, Reinhold, New York, 1962.

17. D.D. Pollock: The Theory and Properties of Thermocouple Elements,ASTM STP 492, Omega Press, Stamford, Connecticut 06907, 1979.

18. YSI Precision Thermistors, Yellow Springs Instruments, Yellow Springs,Ohio, 1977.

참고문헌써모커플 웰: 기울기가 낮아 와이어를

보호하고 사용자가 공정을 중단하지

않고 써모커플을 교체할 수 있습니다.

써모커플 와셔:

와셔에 설치된 써모커플

설치가 편리함

노출형 접점: 와이어가 보호되지 않고, 반응이 빠릅니다. 비접지형 접점: 보호가 가장 잘 되어있고, 전기적으로 차단되어 있습니다. 접지형 접점: 와이어가 보호되고, 반응이 빠릅니다.

PROBE TIPS CUTAWAY ARTGrounded Exposed Ungrounded

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커넥터: 연결 오류를 최소화하기 위해 써모커플과 동일한 금속으로

구성되어 있습니다.

오메가는 어플리케이션 노트 290-실용적 온도 측정을 복제하도록

허가한 것에 대해 애질런트 테크놀러지에 감사의 말을 전합니다.

저작권 C 1997, 2000 애질런트 테크놀러지

승인을 받아 복제함.

타입 K

온도 범위 대 와이어 규격 대 오류

와이어 규격 AWG

0°C

227°

C 871

982 1093 1260

°C±9

.5°C

오류

±2.2°C3⁄4% 24

or28 20 14 8

노출형 비접지형 접지형