내용 5.1 온도센서의 기초 5.2 RTD 5.3 서미스터 5.4 열전대 5.5 반도체 온도센서 5.6 접촉식 온도센서의 비교 5.7 비점촉식 온도센서

5.7 비접촉식 온도센서 정의와 분류 optical pyrometer 비접촉식 온도측정(non-contact temperature measurement)은 센서를 측정 대상에 접촉시키지 않고 온도를 측정하는 방법으로, 물체가 방출하는 방사(복사) 에너지의 측정으로부터 물체의 온도를 검출한다. 비접촉식 온도계로 대표적인 것이 파이로미터(pyrometer)이며, 이것은 물체의 온도에 따라 표면으로부터 방출되는 방사 에너지의 세기에 의해 물체의 표면온도(surface temperature)를 측정하는 비접촉식 계기를 총칭한다. 이전에는 1000 ℃ 이상의 고온측정에 사용하는 광 고온계(optical pyrometer)가 주류를 이루었으나, 최근 방사 검출기의 발달로 고온뿐 아니라 상온 부근에서도 측정할 수 있는 기기가 개발되어 단순히 방사 온도계(radiation thermometer)라고도 부른다. 그래서 파이로미터는 많은 경우 방사 온도계와 동일한 의미로 사용된다. optical pyrometer

비접촉식 온도센서 기본 구성 파이로미터의 기본 구성은 다음과 같다. 광학계(optical system): 측정물체로부터 방출되는 방사에너지를 수집한다. 검출기(detector): 수집된 방사 에너지를 전기적 신호로 변환한다. 방사율 조정(emissivity adjustment): 대상물체의 방사특성과 온도계 교정(눈금)을 일치시키기 위해서 방사율을 조정한다. 주위온도 보상(ambient temperature compensation) : 주위온도에 기인하는 온도계 내부온도의 변화가 확도에 영향을 미치지 않도록 주위온도 보상을 실시한다.

비접촉식 온도센서 물체의 에너지 방사(복사) 흑체 방사에 관한 공식과 법칙(3장 참조) - 스테판-볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann law):온도 T에서 방사 에너지는 𝑃=𝜎 𝑇 4 J/ m 2 s 𝜎=5.670400× 10 −8 J s −1 m −2 k −4 or W/ m 2 k 4 P를 측정하면 T를 알 수 있다. - 빈의 변위법칙(Wien displacement law) 𝜆 𝑚𝑎𝑥 𝑇=2.898× 10 −3 m·k - 동일온도라고 하더라도 물체의 종류나 표면상태에 따라 방사 에너지는 변한다. 즉, 흑체가 아닌 다른 물체의 방사에너지는 완전 흑체의 경우보다 작게 되기 때문에 방사율를 고려해야 한다. 𝑃′=𝜖𝜎 𝑇 4 𝜖=방사율(emissivity) 방사율 0.6이란 흑체 방사 에너지의 60%에 불과함을 의미한다.

비접촉식 온도센서 다른 방사율을 갖는 물질의 방사곡선 > 완전 흑체의 방사율을 1로 한다. > 인체의 피부는 완전 흑체에 가까워 거의 1이지만, > 실제 물체의 표면은 1보다 작은 방사율을 갖는다. > 비흑체 물체는 회색체(gray body): 방사율은 파장에 따라 변하지 않는다. 비회색체(non-gray body): 방사율이 파장에 따라 변한다. > 대부분의 유기물질은 회색체이고, 그것의 방사율은 0.90～0.95사이다.

비접촉식 온도센서 기본동작원리 스테판-볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann law)을 이용해 물체의 온도 T를 측정하기 위해서는 다음 두 가지를 고려해야 한다. 센서의 기하학적인 구조: 개구각(view angle, field of view) 검출기 자체의 열 방출 : 검출기(계측기) 자체의 온도, 즉 주위온도를 고려 위 두 가지 사항을 고려할 때 검출기가 물체로부터 받는 순 전력은 𝑃 𝑟𝑎𝑑 = 𝐾 ′ ( 𝜖 𝑜𝑏𝑗 𝑇 𝑜𝑏𝑗 4 - 𝜖 𝑠𝑒𝑛𝑠 𝑇 𝑎 4 ) 𝑇 𝑜𝑏𝑗 : 검출대상물체의 온도 𝑇 𝑎 : 주위온도 𝜖 𝑜𝑏𝑗 : 검출대상물체의 방사율 𝜖 𝑠𝑒𝑛𝑠 : 계측기의 방사율 개구각 (field of view; FOV) 의 정의 𝐾 ′ 에는 𝜎와 개구각 ∅이 포함된 계측기 인자이다.

비접촉식 온도센서 개구각 Ф 고려 그림에서 센서가 받아드리는 방사 에너지는 개구각 Ф에 의해서 만들어지는 원뿔의 밑면으로부터 방출되는 방사에너지와 같다. 따라서 계측기 인자 K’은 𝐾 ′ =𝐾 sin 2 ∅ 2 검출기가 받는 총 방사 전력량은 𝑃 𝑟𝑎𝑑 =𝐾( 𝜖 𝑜𝑏𝑗 𝑇 𝑜𝑏𝑗 4 - 𝜖 𝑠𝑒𝑛𝑠 𝑇 𝑎 4 ) sin 2 ∅ 2 개구각 (field of view; FOV) 의 정의 검출기의 출력은 사용하는 센서의 종류에 따라 다르다.

비접촉식 온도센서 사용 파장 대역 공기와 같은 중간 매질의 영향 없이 정확한 측정을 얻기 위해서 방사 고온계는 보통 2～14um 파장대역을 취한다. 이 대역에서 공기층은 측정 대상 물체로부터 오는 열에너지를 거의 흡수하지 않기 때문에, 공기와 같은 중간 매질의 영향을 제거할 수 가 있다. 이 적외선 영역을 “대기 대역(atmospheric bands)라고 부르며, 이 구간은 측정하고자 하는 온도 범위에 따라 다시 다음과 같이 나누어진다. >창 1(2～2.5um)과 창 2(3.5～4.2um): 1000℃이상의 고온을 측정할 때 사용됨 >대기 창 3(atmospheric window): 8～14um는 -50～600℃사이의 온도를 측정할 때 사용됨. 해수면에서 대기의 적외선 흡수율

비접촉식 온도센서 방사율 조정 측정물체로부터 방사 에너지=𝐸+𝑅+𝑇 측정물체로부터 방사 에너지=𝐸+𝑅 𝜖=1−𝑅 비접촉식 온도센서를 사용할 때, 방사에너지가 표면성질에 의존하기 때문에 방사율을 반드시 고려하고 수정되어야 한다. 방사 고온계에 전달되는 에너지 - 대부분의 물체는 그 자신의 온도에 해당하는 전자파을 방사하는 것 이외에, 다른 물체가 방출한 전자파를 반사시키거나, 또 투과시키기도 한다. - 그러므로 물체로부터 나오는 총 방사 에너지는 방사 에너지(E), 반사 에너지(R), 투과 에너지(T)의 합으로 주어진다. 측정물체로부터 방사 에너지=𝐸+𝑅+𝑇 - 투과하는 방사에너지를 무시하면, 측정물체로부터 방사 에너지=𝐸+𝑅 방사율 조정 측정 대상물체가 방사 온도계에 방출하는 방사 에너지 𝜖=1−𝑅 - 대부분 불투명 비금속 물체: 표면은 거의 비반사 0.8 ~ 0.95 확도를 높이기 위해서 측정하는 방사파장에서 방사율 조정 - 산화되지 않은 금속물체: 0.2 ~ 0.5 - 금, 은, 알루미늄: 0.02~0.04(측정 곤란. 방사율 수정)

비접촉식 온도센서 검출기 양자형 검출기 전자파의 양자를 흡수해서 전하 케리어(charge carrier)로 직접 변환하는 센서 반도체의 광전도 효과를 이용한 광도전 셀, 광기전력 효과를 이용한 포토다이오드 및 포토트랜지스터 등이 있다. 양자형은 자외선에서 중적외선(mid ­IR) 범위에서 동작하며, 열형에 비해 감도가 높다. 양자형 검출기가 좁은 주파수 대역의 방사 에너지를 측정함에도 불구하고, 다수의 방사 온도계에서는 열형 대신 양자형 검출기를 사용하는데, 이것은 양자형 센서가 유용한 파장범위 내에서 열형이 비해 1,000∼100,000배의 감도를 가지기 때문이다. 응답속도는 μs 범위에 있다. 양자형 검출기는 장파장이나 고온에서 불안정하다. 이들은 협대역(narrow band) 방사 온도계 또는 중간온도(93～427℃) 측정용 광대역 온도계에 자주 사용된다. 양자형 검출기는 자주 냉각을 요구한다.

비접촉식 온도센서 열형 검출기 열형 검출기는 적외선을 흡수한 소자의 온도가 변화하고, 그 결과 소자의 전기적 특성(저항, 열기전력, 전기분극 등)이 변하는 효과를 이용하는 광센서 열형 센서에는 볼로미터, 서모파일, 초전센서 등이 있으며, 중적외선부터 원적외선 범위를 검출하는데 유용하다. 열형 검출기는 방사온도계에서 가장 흔히 사용하는 검출기이다. 열형 검출기는 그들이 흡수하는 에너지에 의해서 가열될 때 출력을 발생시키기 때문에 양자형에 비해서 감도는 작지만, 출력은 방사파장의 영향을 덜 받는다. 즉 넓은 스펙트럼의 방사 에너지에 응답하는 광대역 검출기이다. 열형 검출기의 응답속도는 비교적 느리며, 그들의 질량에 의해서 제한된다. 검출물체의 온도가 변하면 검출기는 새로운 열평형 상태에 도달해야 되기 때문에 1초 이상의 시정수를 갖는다. 그러나 최근의 박막형 또는 반도체형 열형 센서의 응답속도는 수 십 ms으로 매우 빠르다.

비접촉식 온도센서 광학 시스템 방사 온도계의 광학 시스템은 원형 측정점(measurement spot)으로부터 방출되는 방사 에너지를 픽업하여 그것을 검출기에 초점을 맞춘다. 따라서 타깃(측정대상물체)는 이 점을 완전히 채워야 한다. 그렇지 않으면 그림 에 나타낸 것과 같이, 배경으로부터 방출되는 다른 온도방사가 센서에 들어가게 됨으로써 측정치를 부정확하게 만든다. 타깃은 측정점을 완전히 채워야 한다. 그렇지 않으면 측정치는 부정확하다.

비접촉식 온도센서 광학적 분해능(optical resolution)은 타깃으로부터 측정 장치까지의 거리(D)와 측정점의 직경(S) 사이의 관계로 정의된다(그림 5.45). 이 값이 크면 클수록 측정장치의 광학적 분해능은 더욱 좋아지고, 주어진 거리에 대해서 타깃은 더욱 작아질 수 있다. 그림 5.45 거리 D=130 mm에서 측정점이 S=33 mm이다. 따라서 D:S=4:1 이다.

비접촉식 온도센서 종류 관측하는 방사파장과 방사 측정 방법에 따라 몇 가지로 분류 되며, 가장 중요한 측정 원리를 열거하면 다음과 같다. 광대역 고온계 광 고온계 비율 고온계

비접촉식 온도센서 광대역 고온계(broadband pyrometer) 광대역 고온계는 가능한 한 넓은 대역의 방사에너지를 측정한다. (From 0.3 μm to between 2.5 and 20 μm, depending on the lens or window material) 이 방식은 합리적인 감도를 가지면서도 가장 저가의 방식이다. 광대역 고온계의 구성도 > 가열된 물체로부터 방출되는 적외선 에너지는 렌즈를 통해 온도계에 들어온다 > 필터는 우리가 원하는 주파수 범위의 전자파만을 통과시킨다. > 필터를 통과한 적외선 에너지는 적외선 센서에 입사된다. > 이 적외선 센서는 입사된 적외선 에너지에 비례하는 직류전압을 발생시킨다. > 적외선 센서 예로는 제3장에서 설명한 서모파일이 사용된다.

비접촉식 온도센서 이 방식은 비교적 저온도로 측정할 수 있으며 응답이 빠른 비접촉 온도계(非接觸溫度計)로서 새로운 응용분야를 넓히고 있다. 특히 운동하는 물체나 거대한 물체, 또는 반대로 미소한 물체의 온도계측에도 효과적으로 사용된다.

비접촉식 온도센서 광 고온계(optical pyrometer) 구성 : 두 개의 광학 렌즈, 필터, 금속 필라멘트를 포함하고 있는 파인더(viewfinder) 측정물의 휘도(輝度)와 표준램프의 휘도를 비교하여 온도를 측정 가변저항을 변화시키면, 램프의 필라멘트 휘도를 조정할 수 있게 되어 있다. 측정자는 파인더를 통해 망원경의 시야 내에서 측정 물체와 전구의 필라멘트를 동시에 보면서 측정 물체와 필라멘트의 휘도(brightness)를 비교한다. 이때 두 휘도가 다르면 그림 (a), (c)와 같이 배경에 필라멘트가 보이게 되며, 이것은 필라멘트와 물체의 온도가 다름을 의미한다. 즉 필라멘트의 온도가 물체의 온도보다 낮으면 그림 (a)와 같이, 물체의 온도보다 높으며 그림 (c)와 같이 보인다.

비접촉식 온도센서 가변저항을 변화시켜 필라멘트에 흐르는 전류를 조절해가면 어느 순간 그림 (b)와 같이 필라멘트가 사라지게 되는 데, 이때 측정물체의 휘도와 필라멘트의 휘도가 동일한 것으로 되고, 따라서 그들의 온도도 동일한 것이다. 그 때 전류계를 읽음으로써 측정물의 온도를 알게 된다. 이 고온계는 700 ℃를 넘는 고온 물체, 특히 직접 온도계를 삽입할 수 없는 고온 물체의 온도를 측정하는 데 사용된다. 광 고온계의 정밀도는 1,000∼2,000 ℃의 측정에서 오차가 10 ℃ 내외이다. 또한 가시광선 중 적색단색광선(파장 0.65μm)에서 측정을 할 수 있도록 접안렌즈에 적색 필터를 부착하여 사용하는 경우가 많다. 광 고온계는 대상물이 내는 방사 가운데 특정 파장의 방사(보통 파장 0.65μm의 빨강)의 세기(광도)를 측정하는 것으로, 제철업 등에서 옛날부터 사용되었다. 최근에는 육안 대신 광전 변환기를 사용한 자동식도 널리 쓰이며, 이것을 광전 고온계라고도 부른다.

비접촉식 온도센서 비율 고온계(ratio pyrometer) 대부분의 고온계는 측정 대상 물체에서 방출되는 각각 다른 주파수의 에너지 중에서 가장 큰 에너지를 가진 파를 측정한다. 그러나 비율 고온계는 다른 파이로미터와는 달리 물체로부터 방출되는 전자파 중 적색(파장 1μm)과 청색(파장 0.8μm) 두 파장만을 이용해 물체의 온도를 측정하는 온도센서이다. 센서 하나는 측정 물체로부터 방출되는 전자파 중 적색 필터를 통과한 적색 파장의 전력을 측정하고, 또 다른 센서는 청색 필터를 통과한 청색 파장의 전력을 측정한다. 이 측정된 전력과 파장을 사용해서 다음 식으로 주어지는 비율을 계산한다. 비율 고온계에 의한 두 다른 파장의 전력 검출

비접촉식 온도센서 비율 계산식 비율= 측정된 적색파장 전력 −측정된 청색파장 전력 적색파장 1.0 −청 색파장(0.8) 이 비율 값은 전자적으로 변환되어 물체의 온도를 계산한다 비율 고온계는 다음과 같은 경우에 온도 측정에 사용된다. > 측정 물체가 광점(spot)보다 더 작거나, 그 크기가 끊임없이 변할 때. > 측정 물체가 응답시간 이내에 광점을 통해서 이동할 때 > 시야와 물체 사이의 선이 제한적일 때(먼지 또는 다른 입자들, 증기 또는 연기 등) > 측정 동안 방사율이 변할 때 비율 고온계에 의한 두 다른 파장의 전력 검출

비접촉식 온도센서 비접촉식 온도측정의 특징 요약 측정이 신속하여(ms 범위) 시간이 절약 된다. 따라서 더 많은 측정과 데이터 축적이 가능하므로 온도장(temperature field)을 결정할 수 있다. 이동 물체(컨베어 공정 등과 같이)의 온도 측정을 용이하게 한다. 위험하거나 물리적으로 접근할 수 없는 물체의 온도 측정이 가능하다. (고압 부분, 먼 측정 거리 등) 현재 1300℃보다 더 높은 고온 측정도 가능하다. 유사한 경우, 접촉식 온도계는 사용할 수 없거나 사용하더라도 수명이 제한적이다. 어떠한 간섭도 없다. 즉, 측정물체로부터 어떠한 에너지도 취하지 않는다. 따라서 플라스틱, 목재와 같이 열전도성이 나쁜 물체의 경우 접촉식 온도계에 비해 측정치의 일그러짐(왜곡) 없이 극히 정확하다. 측정 물체 표면에 어떠한 오염이나 기계적 손상을 입힐 위험이 없으며, 따라서 마모도 없고 라커 칠 한 표면을 긁힐 염려도 없다. 또 부드러운 표면의 온도도 측정이 가능하다.

비접촉식 온도센서 요약하면, 비접촉식 IR 온도계의 주된 장점은 측정 속도, 간섭 없는 측정, 3000℃까지 고온 범위에서 측정 능력이다. 표면 온도만을 측정한다는 것을 항상 명심하라. 비접촉식 온도측정을 사용할 때에는 다음 사항에 유의하여야 한다. IR 온도계가 광학적으로 또는 적외선적으로 물체를 볼 수 있어야 한다. 먼지, 연기의 농도가 높으면 측정은 덜 정확하며, 또 폐쇄된 금속 반응로와 같은 경우는 용기 내부의 온도를 측정할 수 없다. 센서의 광학계가 먼지나 농축 액체로부터 보호되어야 한다. 이를 위해 제조자들은 필요한 장비를 제공한다. 일반적으로 비접촉식은 단지 표면온도만을 측정하는 것이며, 물질 표면이 다르면 방사율이 다르므로 이점을 고려해야 한다. 용도 비접촉식 온도계는 유리 산업, 시멘트 산업, 금속 제조 등에서 온도 측정에 널리 사용되고 있다.