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RTD 측정 시스템 설계 핵심

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온도는 업계에서 가장 많이 측정되는 매개변수며고 정밀 온도 측정값은 제품 품질과 안전성을 보장하는 산업 자동화 애플리케이션에서 핵심 데이터다. 온도 센서는 종류가 매우 다양하고 각 유형마다 장단점을 가진다. 본 기고는 그 가운데 가장 많이 사용하는 온도 센서 RTD(Resistance Temperature Detector, 측온저항체)에 초점을 맞춰 측정 정밀도를 최적화하는 설계 핵심을 소개한다.

RTD(측온저항체)

RTD는 온도에 따라 저항이 변하는 소자가 포함되며 주로 사용되는 소자는 백금, 니켈, 구리 등이다. 그 가운데 백금 RTD가 가장 성능이 뛰어나다. 백금이 광범위한 온도 범위에서 가장 선형적이고 재현가능한 온도-저항관계를 갖기 때문이다.일반적으로 RTD는 열전대(써모커플, Thermocouple)와 써미스터(Thermistor)보다 안정적이고 동일한 출력을 생성해 측정 정밀도가 더 높다.

고정밀 RTD 측정 설계

RTD 측정에는 그림 1과 그림 2처럼‘정전류 여기(constant current excitation)’와‘정전압 여기(constant voltage excitation)’방법이 가장 많이 사용된다. RTD 저항을 정확하게 측정하고 이 저항값을 공식이나 룩업 테이블을 이용해 온도로 변환하는 것이다. 이상적인 경우 각 여기 방식에 대한 공식은 다음과 같다.

그러나 RTD 리드 와이어(lead wire)는 저항을 가지며, 긴 리드 와이어는 측정 정밀도(정도)에 큰 영향을 미친다. 따라서 그림 1과 그림 2 회로로 측정한 실제 저항

은 (RTD + 2 * RWIRE)이다. 이 때 RWIRE는리드 와이어의 저항을 가리키고 양 리드 와이어는 동일한 저항을 갖는다는 전제가 붙는다. RWIRE가 동일하다는 것은이론적으로는 가능하지만 이 경우 양 리드 와이어의 길이가 정확히 같고, 정확히 같은 재질로 만들어져야 한다. 이러한 전제는 중요한 온도 감지 애플리케이션에서는 적용할 수 없다. 따라서 RTD는 리드 와이어로 인한 측정 오차를 없애기 위해 3와이어나 4와이어 구성도를 갖는다.

3와이어 RTD 구성도

그림 3과 그림 4는 3 와이어 RTD에 대한 일반적인 정전류와 정전압 여기 회로를 각각 나타낸다. 두 경우 모두 ADC는 RTD+RWIRE3 저항(RWIRE3은 들어오는 리드 와이어의 저항)을 측정한다. ADC시스템이 RWIRE2를 제거한 이유는 ADC 입력은 일반적으로 임피던스(Impedance)가 높고 RWIRE2를 통해 흐르는 전류가 사실상 없기 때문이다. 따라서 ADC는 RTD&RWIRE3 양단의 전압만을 측정한다. RWIRE3은 측정 오차의 원인이 된다. 하지만 2 와이어 구성에 비해 리드 와이어로 인한 오차는 약 절반 감소한다...(중략)