저항 온도 검출기 또는 RTD | 구조와 작동 원리
RTD (저항 온도 검출기)는 무엇인가요?
저항 온도 검출기(Resistance Temperature Detector 또는 Resistance Thermometer 또는 RTD)는 전기 와이어의 저항을 측정하여 온도를 결정하는 전자 장치입니다. 이 와이어는 온도 센서로 알려져 있습니다. 높은 정확도로 온도를 측정하려면 RTD가 이상적인 솔루션으로, 넓은 온도 범위에서 좋은 선형 특성을 가지고 있기 때문입니다. 온도를 측정하는 다른 일반적인 전자 장치에는 thermocouple 또는 thermistor가 포함됩니다.
금속의 저항 변화와 온도 변화의 관계는 다음과 같습니다,
여기서, Rt와 R0는 toC와 t0oC 온도에서의 저항 값입니다. α와 β는 금속에 따라 달라지는 상수입니다.
이 식은 광범위한 온도 범위에 대한 것입니다. 작은 온도 범위에 대해서는 다음과 같은 식이 사용될 수 있습니다,
RTD 장치에서는 구리, 니켈, 백금이 널리 사용되는 금속입니다. 이 세 가지 금속은 각각 온도 변화에 따른 다른 저항 변화를 보입니다. 이를 저항-온도 특성이라고 합니다.
백금은 650oC의 온도 범위를 가지며, 구리는 120oC, 니켈은 300oC의 범위를 가집니다. 그림 1은 세 가지 다른 금속의 저항-온도 특성 곡선을 보여줍니다. 백금의 경우, 온도가 1도 증가할 때마다 저항이 약 0.4옴 정도 변합니다.
백금의 순도는 R100 / R0를 측정하여 확인합니다. 실제로 RTD를 제작하는데 사용되는 재료는 순수해야 합니다. 순수하지 않으면, 기존의 저항-온도 그래프에서 벗어나게 되므로, α와 β 값이 금속에 따라 달라집니다.
저항 온도 검출기(RTD)의 구조
일반적으로 와이어는 크기가 작아지도록 미카 교차 프레임에 고리를 형성하여 감습니다. 이를 통해 열전도율이 향상되어 응답 시간이 줄어들고 높은 열 전달률이 얻어집니다. 산업용 RTD에서는 고리는 스테인리스 강철 셔트 또는 보호 튜브로 보호됩니다.
따라서, 온도 변화에 따른 와이어의 길이 증가로 인해 물리적 변형이 무시할 만큼 작습니다. 와이어에 걸리는 변형이 증가하면, 장력이 증가하여 원치 않는 저항 변화가 발생합니다. 따라서, 온도 변화 외의 다른 원인으로 인한 저항 변화는 피해야 합니다. 이는 공장 운영 중에도 RTD 유지보수에 유용합니다. 미카는 강철 셔트와 저항 와이어 사이에 배치되어 더 나은 전기 절연성을 제공합니다. 저항 와이어의 변형이 적으므로, 미카 시트 위에 신중하게 감아야 합니다. 그림 2는 산업용 저항 온도 검출기의 구조를 보여줍니다.
RTD의 신호 조건화
시장에서 RTD를 구매할 수 있지만, 이를 사용하고 신호 조건화 회로를 구성하는 절차를 알아야 합니다. 이를 통해 리드 와이어 오류 및 기타 교정 오류를 최소화할 수 있습니다. 이 RTD에서는 온도에 비해 저항 값의 변화가 매우 작습니다.
따라서, RTD 값은 브릿지 회로를 사용하여 측정됩니다. 브릿지 회로에 일정한 전류를 공급하고 결과적으로 발생하는 저항에 걸리는 전압을 측정하여 RTD 저항을 계산할 수 있습니다. 이를 통해 온도를 결정할 수 있습니다. 이 온도는 RTD 저항 값을 교정식을 사용하여 변환하여 결정됩니다. 다양한 RTD 모듈은 아래 그림에 표시되어 있습니다.
두 개의 와이어 RTD 브릿지에서는 더미 와이어가 없습니다. 그림 3에서 보이는 것처럼 두 개의 끝에서 출력을 취합니다. 그러나 확장 와이어 저항은 중요하기 때문에, 확장 와이어의 임피던스가 온도 측정에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 효과는 세 개의 와이어 RTD 브릿지 회로에서 더미 와이어 C를 연결함으로써 최소화됩니다.
와이어 A와 B가 길이와 단면적 면에서 잘 맞춰진 경우, 각 와이어가 반대 위치에 있으므로 임피던스 효과가 상쇄됩니다. 따라서 더미 와이어 C는 RTD 저항에 걸리는 전압 강하를 측정하는 감지 선 역할을 하며, 전류는 흐르지 않습니다. 이러한 회로에서 출력 전압은 온도와 직접적으로 비례합니다. 따라서 온도를 찾기 위해 하나의 교정 방정식이 필요합니다.
세 개의 와이어 RTD 회로의 식
VS와 VO 값을 알고 있다면, Rg를 찾아 교정식을 사용하여 온도 값을 구할 수 있습니다. 이제, R1 = R2라고 가정합니다:
R3 = Rg라면, VO = 0이고 브릿지는 균형 상태가 됩니다. 이는 수동으로 수행할 수 있지만, 수동 계산을 하지 않으려면 식 3을 해결하여 Rg에 대한 식을 얻을 수 있습니다.
이 식은 리드 저항 RL = 0을 가정합니다. 만약 RL이 있는 경우, Rg의 식은 다음과 같습니다:
따라서, RL 저항으로 인해 RTD 저항 값에 오류가 발생합니다. 이것이 우리가 이미 논의한 바와 같이 더미 라인 'C'를 연결하여 RL 저항을 보상해야 하는 이유입니다.
