측온저항체(RTD) 와 열전대(TC) 의 차이점

여러 산업체에서 온도측정에 가장 많이 사용되는 것은 측온저항체(RTD; Resistance Temperature Detector) 와 열전대(TC; ThermoCouple) 이다.  

이 두가지는 가장 널리 쓰이면서도 장단점이 서로 다르다. 

측온저항체와 열전대의 차이점에 대해서 정리해 보았다. 

열전대(TC; ThermoCouple)

열전대는 제벡효과를 이용한 온도 측정 도구라고 할 수 있다. 제벡 효과는 열전 효과(熱電效果, thermoelectric effect), 열전 현상(熱電現象)이라고도 하며 1821년에 독일의 Seebeck이 실험적으로 발견한 것이므로 제벡효과라 한다. 

위의 그림과 같이 두 가지 금속으로 폐회로를 구성하고, 양단의 온도차를 다르게 하면 기전력이 발생하게 되는데, 이 기전력은 온도차에 비례하므로, 한쪽의 온도를 일정한 온도로 유지하면 나머지 측의 온도를 열기전력을 통해서 알 수 있다. 

한쪽의 온도를 일정하게 할 수도 있지만, 한쪽의 온도값을 알기만 하면 되므로 실제로는 항온장치 등을 사용하지는 않는다. 

위의 사진은 산업체에서 실제로 사용되고 있는 K 타입의 열전대 사진이다. 온도를 측정해야 하는 탱크 속으로 열전대가 삽입되어 있고, 단자함에는 보상도선이 연결되어 있다. 

열전대는 보통 고온에서 사용되는 경우가 많으므로, 고장에 대비해서 2개의 회로가 들어있는 것을 볼 수 있다. 2개 회로 중의 1회로에 전선 2가닥이 연결되어있는 것을 볼 수 있다. 

열전대에서 발생하는 기전력은 매우 미약하므로(수 mV), 이 미약한 전압신호를 제어장치까지 전달하는데는 특수한 케이블이 사용되는데, 이 케이블을 보상도선 이라고 한다. 

보상도선은 열전대와 특성이 일치하는 도선이다. 따라서 당연히 극성이 있다. 

열전대는 측온저항체에 비해서 저렴하지만(열전대의 구성에 따라 다름), 고가의 보상도선이 사용되어야 하는 단점이 있다. 따라서, 보상도선을 절약하기 위해서 피 측정 물체 주변에서 4~20mA 전류 변환기를 통해서 제어장치로 온도신호를 전달하는 경우가 많다.

열전대는 측온 저항체에 비해서 오차가 큰 편이지만, 높은 온도에서도 사용할 수 있다는 장점이 있다. 

링크 : 주요 열전대(열전쌍)의 조성과 사용온도 표

측온저항체(RTD; Resistance Temperature Detector)

측온저항체는 온도에 따라 금속의 전기저항이 변화하는 것을 이용하여, 온도를 측정하는 장치이다. 

위의 그래프는 주요 금속(니켈, 구리-니켈 합금, 구리, 백금)의 비저항이 온도에 따라 변화하는 것을 나타낸 것이다. 

백금(Platinum)은 고온에서도 온도변화에 따른 저항 변화가 선형이라서 측온저항체에 널리 사용된다. 따라서 측온저항체가 열전대에 비해 고가일수밖에 없다. 

측온저항체는 온도에 따른 저항 변화를 알아내기 위해서 외부 전원(정전류)이 필요하다. 

위의 그림처럼 휘스톤 브리지 회로를 응용한 방법으로 온도 변화에 따른 저항 변화를 감지한다. 도선의 저항에 따른 오차를 줄이기 위해서, 측온저항체는 3가닥의 전선이 사용된다. 정확도를 높이기 위해서 4가닥을 사용하는 경우도 있다. 

저항에 고정된 값의 전류를 흘려주면, 저항 변화에 비례해서 전압도 변화하므로, 이 전압의 변화를 측정해서 온도를 알 수 있게 된다. 

이 고정된 값의 전류가 크면, 저항변화에 따른 전압 변화도 크지만, 측온 저항체 자체에서도 열이 발생하게 되므로 적당한 전류를 흘려야 한다. 

보통 산업체에서 사용하는 RTD 의 저항값은 100 ohm 이고, 흘려주는 전류는 1mA 정도이다. 감도를 높이기 위해서 200 ohm 이나 1000 ohm 짜리를 사용하는 경우도 있다. 

위의 사진은 산업체에서 사용되고 있는 측온저항체의 사진이다. 3가닥의 전선이 연결되어 있고, 고장을 대비해서 하나의 측온저항체에 2개의 회로가 들어있다. 

측온저항체는 열전대와는 달리, 일반 구리전선을 사용하여 제어장치까지 연결할 수 있으므로, 케이블의 가격은 열전대에서 사용되는 보상도선에 비해서 저렴하다.  

측온 저항체	열전대
▶ 넓은 온도 범위에서 안정된 출력 제공. ▶ 정밀도 확인하며 재 조정(캘리브레이션) 가능. ▶ 장기간 안정적임. ▶ 열전대 보다 더 선형 특성임. ▶ 고감도이며 소폭 온도 범위에서 정확한 온도 지시함.	▶ 645℃ 이상에서 운전 가능함. ▶ 굉장히 튼튼하게 만들 수 있음. ▶ 온도 변화에 굉장히 빨리 대응함. ▶ 물리적 크기가 작으며 어떤 경우에는 초기 투자비가 낮을 수 있음.

참고 : http://www.brl.pe.kr/basic_tech/tc-rtd-selection.htm

온도를 감지하는데는 열전대와 측온저항체 이외에도 반도체를 이용한 서미스터가 사용되기도 한다. 서미스터는 반도체의 저항이 온도에 따라 변하는 것을 이용한 것인데, 온도가 올라갈 때 저항이 커지는 정특성 서미스터(PTC; Positive Temperature Coefficient thermistor)와 온도가 올라갈 때 저항이 작아지는 부특성 서미스터(NTC; Negative Temperature Coefficient thermistor)로 나뉘어진다. 

서미스터는 미세한 온도 변화에서도 저항의 변화가 큰 특징이 있어서, 가전제품 등에 널리 쓰인다.