RTD 측정 방법

본 문서는 “가장 일반적인 측정을 위한 How-To 가이드” 리소스 입문의 일부입니다.

RTD 개요

백금 RTD (resistance temperature detector-저항 온도 감지기)는 0 °C에서 100 Ω의 일반적인 저항을 가진 디바이스입니다. 배금 RTD는 플라스틱 필름에 얇은 백금 막으로 구성되어 있습니다. 저항은 온도에 따라 달라지며 보통 최고 850 °C까지 온도를 측정합니다. RTD를 통해 전류를 통과시키면 RTD에서 전압을 생성합니다. 본 전압을 측정함으로써, 저항 및 온도까지 파악할 수 있습니다. 저항과 온도의 관계는 비교적 선형적입니다.

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RTD 기본 사항

RTD는 순 금속의 전기 저항 변화 법칙에 따라 작동하며, 온도에 따른 저항의 선형적인 변화에 의해 특성화됩니다. RTD에 일반적으로 사용되는 요소에는 니켈 (Ni) 및 구리 (Cu)가 있지만 백금 (Pt)이 온도 범위, 정확도 및 안정성 때문에 가장 보편적으로 사용됩니다.

RTD는 두 가지 구성 중 한 가지를 사용하여 구축됩니다. 권선형 (Wire-wound) RTD는 얇은 와이어를 코일에 감아서 만듭니다. 더욱 일반적으로 사용되는 구성은 박막형 (thin-film)으로, 플라스틱 또는 세라믹 기판 (ceramic substrate)에 매우 얇은 금속 층을 깔아서 만듭니다. 박막형은 백금을 적게 사용하여 더욱 높은 저항을 구현하기 때문에 저렴하며 더욱 널리 사용되고 있습니다.  RTD를 보호하기 위해 금속 덮개가 RTD를 덮고 있으며, 리드 와이어가 연결되어 있습니다.

RTD는 안정성으로 인해 대중적으로 사용되며 전기 온도 센서의 온도와 관련하여 가장 선형적인 신호를 나타냅니다. 그러나, 구축시 주의가 요구되며 백금을 사용해야 한다는 이유로 비용이 많이 듭니다. RTD는 느린 반응 시간 및 낮은 민감도의 특징을 지니고 있으며, 전류 공급을 필요로 하기 때문에 자가 발열의 경향이 있습니다.

RTD는 일반적으로0 °C에서 최소 저항 값에 따라 분류됩니다. 백금 박막형 RTD에 대한 일반적인 저항은 100 및 1000 Ω입니다. 저항과 온도의 관계는 거의 선형에 가까우며 다음의 등식을 따릅니다.

For <0 °C RT = R0 [ 1 + aT + bT2 + cT3 (T - 100) ] (Equation 1)

For >0 °C RT = R0 [ 1 + aT + bT2 ]

R_T = 온도 T에서의 저항

R₀ = 최소 저항

a, b, c = RTD를 비교하는 상수

100 W 백금 RTD에 대한 저항/온도 곡선 (그림 1)은Pt100이라고 부릅니다.

그림1. 100 Ω 백금RTD에대한저항-온도곡선, a = 0.00385

그림에서와 같은 관계 곡선이 거의 직선으로 나오지만, 정확한 RTD 측정에 곡선 맞춤(curve fitting)이 가장 정확한 방법은 아닙니다.

RTD 측정 방법

RTD로 온도 측정

모든 RTD는 보통 빨강, 검정 또는 빨강, 흰색의 조합으로 되어 있습니다. 붉은색 와이어는 EX 와이어이며 검정 또는 흰색 와이어는 접지 와이어입니다. 어느 와이어가 어느 저항 와이어에 연결되어 있는지를 확실히 알지 못할 경우 리드간 저항 측정을 위해 디지털 멀티미터 (DMM)를 사용합니다. 0 Ω 에 가까운 저항이 있다면 리드는 동일한 노드에 부착됩니다. 저항이 게이지 저항 (100 Ω은 일반적인 RTD 게이지 저항)에 가깝다면, 측정하는 와이어는 저항의 반대쪽에 있습니다. 또한, 특정 디바이스를 위한 전류 레벨을 찾기 위해서 RTD 스펙을 참조하십시오.

대부분의 인스트루먼트는 RTD측정을 위한 유사한 핀 구성을 제공합니다. 다음의 예제는 NI CompactDAQ 섀시 및 NI 9217 RTD 모듈 (그림 2)을 사용한 본 측정 유형을 설명합니다.

 

그림 2. NI CompactDAQ 섀시 및 NI 9217 RTD 모듈

RTD는 수동 측정 디바이스입니다. 따라서 반드시 전류를 제공해야 하며, 터미널에서 전류를 읽어야 합니다. 간단한 알고리즘을 사용하여 읽어온 값을 온도로 손쉽게 변환할 수 있습니다. RTD를 통해 흐르는 전류로 인해 발생하는 자가 발열을 피하기 위해서 공급 전류를 가능한 한 최소화하십시오.  RTD를 사용하여 온도를 측정하는 세 가지 다른 방식이 있습니다.

2-와이어 – RTD 신호연결

붉은 RTD 리드선을 EX(+)에 연결합니다. EX(+) 핀을 데이터 수집 디바이스의 채널(+)에 점퍼시킵니다. 또한 검정 (또는 흰색) RTD 리드선을 EX(-)에 연결합니다. EX(-)를 데이터 수집 디바이스의 채널 (-)과 점퍼시킵니다.

그림3. 2-와이어 RTD 측정

2-와이어 방식에서 RTD에 전류를 공급하는 두 개의 와이어와 RTD 전압이 측정되는 두 개의 와이어는 동일합니다.

온도 값을 읽는 가장 쉬운 방법은2-와이어 방식입니다. 그러나, 본 방식의 단점은 와이어의 리드 저항이 높을 경우 측정되는 전류 (V_O,)는 RTD에 나타나는 전압보다 훨씬 높아진다는 점입니다. NI 9217은 2-와이어 구성을 지원하지 않습니다.

3-와이어– RTD 신호연결

붉은 RTD 리드를 EX(+)에 연결합니다. EX(+) 핀을 데이터 수집 디바이스의 채널 (+)와 점퍼시킵니다. 검정색 (또는 흰색) RTD 리드를 EX(-)에 연결하고 다른 리드는 EX(-)에 연결합니다. 그림 4는 측정을 위한 외부 연결 및 NI 9217 RTD 모듈의 핀아웃입니다.

그림4. 3-와이어 RTD 측정

 4-와이어– RTD 신호연결

본 RTD를 연결하기 위해서 저항의 (+)에 있는 각 붉은 리드선을 EX(+) 및 데이터 수집 디바이스의 채널 (+)에 연결합니다. 저항의 (-)에 있는 검정 (또는 흰색) 리드선을 데이터 수집 디바이스의 EX(-) 및 채널(-)에 연결합니다. 2-와이어 RTD의 추가된 두 개 리드선은 정확도를 향상시킵니다. 그림 5는 측정을 위한 외부 연결 및 NI 9217 RTD 모듈의 핀아웃입니다.

그림5. 4-와이어 RTD 측정

4-와이어 방식은 전압 측정을 수행하는 디바이스를 통과하는 높은 임피던스의 통로에 있기 때문에 리드 저항의 영향을 받지 않는다는 장점이 있습니다. 그러므로, RTD에서 더욱 정확한 측정을 얻을 수 있습니다.

RTD 노이즈 고려사항

RTD는 밀리볼트 범위에서 작동하는 신호를 출력하기 때문에 이는 노이즈에 영향 받기 쉽습니다. 저역 필터는 RTD 데이터 수집 시스템에서 보편적으로 사용되며, RTD 측정에서의 높은 주파수 노이즈를 효율적으로 제거합니다. 예를 들어, 저역 필터는 대부분의 실험실 및 공장에서 흔히 발생하는 60 Hz 동력선 노이즈를 제거하는 데 유용합니다.

신호 소스와 가까운 낮은 레벨의 RTD 전압을 증폭함으로써 시스템의 노이즈 성능을 대폭 향상할 수 있습니다.  RTD 출력 전압 레벨은 매우 낮기 때문에 아날로그-디지털 변환기 (ADC)의 입력 제한을 최적화하는 게인을 선택해야 합니다.

측정결과보기: NI LabVIEW

RTD를 측정 인스트루먼트에 연결하면 그래픽 프로그래밍 소프트웨어인 LabVIEW를 사용하여 필요한 분석을 시각화하고 분석할 수 있습니다.

그림 6. LabVIEW RTD 측정

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