저항 온도 검출기는 무엇인가요?

저항 온도 검출기는 무엇인가요?

저항 온도 검출기 정의

저항 온도 검출기(또는 저항 온도계 또는 RTD라고도 함)는 전기선의 저항을 측정하여 온도를 결정하는 전자 장치입니다. 이 선은 온도 센서로 알려져 있습니다. 높은 정확도로 온도를 측정하려면 RTD가 이상적인 솔루션입니다. 왜냐하면 그것은 넓은 온도 범위에서 좋은 선형 특성을 가지고 있기 때문입니다. 온도를 측정하기 위해 사용되는 다른 일반적인 전자 장치로는 열전대나 열저항이 있습니다.

금속의 저항 변화와 온도 변화 간의 관계는 다음과 같습니다,

여기서, Rt와 R0는 toC 및 t0oC 온도에서의 저항 값입니다. α와 β는 금속에 따라 달라지는 상수입니다. 이 표현은 광범위한 온도 범위에 대해 적용됩니다. 작은 온도 범위에 대해서는 다음과 같은 표현이 가능합니다,

RTD 장치는 구리, 니켈, 백금과 같은 금속을 주로 사용합니다. 각각의 금속은 고유한 저항 변화를 가지며, 이를 온도 변화에 대응하는 저항-온도 특성이라고 합니다.

백금은 650oC의 온도 범위를 가지며, 구리는 120oC, 니켈은 300oC의 온도 범위를 가집니다. 그림 1은 세 가지 다른 금속의 저항-온도 특성 곡선을 보여줍니다. 백금의 경우, 온도가 1도 증가할 때마다 약 0.4옴의 저항 변화가 발생합니다.

RTD에서 백금의 순도는 R100 / R0 비율로 확인됩니다. 재료의 불순물은 예상 저항-온도 그래프에서 편차를 일으켜, 금속에 특정한 α와 β 값을 영향을 미칩니다.

저항 온도 검출기 또는 RTD의 구조

구조는 일반적으로 선이 (코일 형태로) 홈이 파진 마이카 교차 프레임 위에 감겨 있어 작은 크기를 가지며, 열 전도성을 개선하여 응답 시간을 줄이고 높은 열 전달률을 얻습니다. 산업용 RTD에서는 코일이 스테인리스 스틸 셀이나 보호 튜브로 보호됩니다.

따라서, 선이 온도 변화에 따라 확장되고 길이가 늘어날 때 물리적 변형은 거의 없게 됩니다. 만약 선에 변형이 증가하면, 긴장도가 증가하여 선의 저항이 바뀌게 되는데, 이것은 바람직하지 않습니다. 따라서 우리는 온도 변화 이외의 다른 원인으로 인한 선의 저항 변화를 원하지 않습니다.

이는 또한 공장이 운영 중일 때 RTD 유지보수에도 유용합니다. 마이카는 스테인리스 스틸 셀과 저항선 사이에 배치되어 더 나은 전기 절연성을 제공합니다. 저항선의 변형이 적기 때문에, 마이카 시트 위에 신중하게 감아야 합니다. 그림 2는 산업용 저항 온도 검출기의 구조적 모습을 보여줍니다.

RTD의 신호 조건화

시장에서 이 RTD를 구입할 수 있지만, 어떻게 사용하고 신호 조건화 회로를 구성하는지 알아야 합니다. 이를 통해 리드 와이어 오류 및 기타 교정 오류를 최소화할 수 있습니다. 이 RTD에서는 온도에 대한 저항 값의 변화가 매우 작습니다.

RTD의 저항은 다리 회로를 사용하여 결정되며, 여기서 일정한 전류가 공급되고 저항기에 걸린 전압 강하를 측정하여 온도를 계산합니다. 이 온도는 RTD 저항 값을 교정식을 사용하여 변환하여 결정됩니다. RTD의 다양한 모듈은 아래 그림에 표시되어 있습니다.

두 개의 와이어 RTD 다리 회로에서는 더미 와이어가 없습니다. 남은 두 끝에서 출력을 취합니다(그림 3 참조). 그러나 연장 와이어 저항은 매우 중요하며, 연장 와이어의 임피던스가 온도 측정에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 이러한 효과는 세 개의 와이어 RTD 다리 회로에서 더미 와이어 C를 연결함으로써 최소화됩니다.

세 개의 와이어 RTD에서 A와 B 와이어가 길이와 단면적에서 동일하다면, 그들의 임피던스 효과는 서로 상쇄됩니다. 더미 와이어 C는 전류를 운반하지 않고 전압 강하를 측정하는 센싱 리드 역할을 합니다. 이러한 회로에서 출력 전압은 온도와 직접적으로 비례합니다. 따라서, 온도를 찾기 위해 하나의 교정 방정식이 필요합니다.

세 개의 와이어 RTD 회로의 표현식

VS와 V_O 값을 알고 있다면, Rg를 찾을 수 있으며, 교정 방정식을 사용하여 온도 값을 찾을 수 있습니다. 이제, R₁ = R₂라고 가정합시다:

R₃ = R_g라면, V_O = 0이며 다리 회로는 균형을 이루게 됩니다. 이를 수동으로 수행할 수도 있지만, 수동 계산을 하지 않으려면 식 3을 해결하여 R_g의 표현식을 얻을 수 있습니다.

이 표현식은 RL = 0일 때를 가정합니다. RL이 존재하는 경우에는 R_g의 표현식이 다음과 같이 됩니다,

따라서, RL 저항으로 인해 RTD 저항 값에 오류가 생깁니다. 이것이 바로 이미 논의한 것처럼 더미 라인 'C'를 연결하여 RL 저항을 보상해야 하는 이유입니다(그림 4 참조).

RTD의 제한 사항

RTD 저항에는 자체적으로 I2R 발열이 발생하여 약간의 가열 효과가 생깁니다. 이를 RTD의 자가 가열이라고 합니다. 이는 잘못된 측정값을 초래할 수 있습니다. 따라서, RTD 저항을 통과하는 전류는 자가 가열을 피하기 위해 충분히 낮고 일정하게 유지되어야 합니다.