실용적인 센서: 전자적으로 열을 측정하는 다양한 방법

온도 측정은 수많은 장치의 기본 기능으로 밝혀졌습니다. 퍼니스의 프로그래밍 가능한 온도 조절 장치와 디지털 시계가 확실한 예입니다. 특정 온도가 초과되었는지 확인해야 하는 경우 바이메탈 코일과 마이크로 스위치(또는 기존 온도 조절 장치의 방법과 마찬가지로 수은 스위치)를 사용할 수 있습니다. 그러나 요즘 우리는 판독 범위에 대한 정밀도를 원하므로 작은 전압을 생성하는 열전대, 온도에 따라 저항을 변경하는 RTD, 온도에 따라 저항도 변경하는 서미스터, 적외선 센서 및 진동 와이어 센서가 있습니다. 반도체 접합의 밴드갭 전압은 온도에 따라 달라지며 이는 예측 및 측정도 가능합니다. 아마도 다른 방법도 있을 것입니다. 그 중 일부는 아마도 꽤 창의적일 것입니다.

요점은 무엇이든 측정할 수 있는 방법은 많지만 모든 경우에 알고 싶은 것(온도)을 전압, 전류 또는 물리적 위치와 같이 측정하는 방법을 아는 것으로 변환한다는 것입니다. 가장 흥미로운 온도 센서 중 일부가 이를 어떻게 수행하는지 살펴보겠습니다.

열전대는 Seebeck 효과라는 것을 활용합니다. 두 개의 서로 다른 금속이 접합을 형성하고 온도 구배를 경험하면 전위가 형성됩니다. 중요한 점은 장치가 작동하게 만드는 온도의 변화에 ​​있다는 것입니다. 열전대에는 열접점과 냉접점이 있습니다. 온도를 측정하려면 기준 접점이 필요합니다. 여담이지만, 이 효과는 반대 방향으로 작용합니다(펠티에 효과). 한 쌍의 접합을 통해 전류를 흐르게 하면 한쪽은 뜨거워지고 다른 쪽은 차갑게 됩니다.

예전에는 냉접점을 얼음 양동이에 담그곤 했습니다. 오늘날에는 냉접점의 온도를 구한 후 보상하기 위해 다른 방법을 사용할 가능성이 더 높습니다. 물론 이를 수행할 수 있는 칩이 있습니다.

단점은 온도 판독값이 선형이 아니라는 것입니다. 다양한 유형의 열전대를 볼 수 있으며 각 유형은 두 가지 서로 다른 와이어 재료를 사용합니다. 유형은 사용할 교정 곡선을 알려주며, 물론 필요한 응용 분야에 맞는 금속을 선택합니다. 예를 들어 J형은 두 전선 중 하나로 철을 사용하고 T형은 구리를 사용합니다.

또 다른 중요한 고려 사항은 열전대에 와이어를 연결하는 방법입니다. 장치는 서로 다른 두 종류의 전선이 연결되는 지점에서 작동하므로 장치에 다른 전선을 연결하는 방법에 주의해야 합니다. 더 알고 싶으십니까? [Bil Herd]는 열전대 증폭기를 구축하는 방법에 대해 자세히 설명했습니다.

멀리서 적외선을 측정하는 열전대를 열전퇴라고 합니다. 이는 비접촉 온도계와 수동 IR(PIR) 센서에서 일반적입니다. PIR 센서는 두 센서 사이의 온도 차이를 감지하고 시야에서 무언가 변경되었음을 추론합니다.

저항에 따라 온도 변화를 나타낼 수 있는 여러 가지 유형의 재료가 있습니다. 가장 큰 요인은 장치의 온도 계수가 양수인지 음수인지 여부입니다. 즉, 온도 변화에 따라 저항이 올라가나요, 내려가나요?

서미스터는 저항 온도 감지기(RTD)와 구성이 약간 다릅니다. 일반적으로 서미스터는 금속 기반(종종 백금) RTD보다 히스테리시스 및 자체 발열 문제가 적습니다. 그러나 두 경우 모두 실제 온도를 얻으려면 저항을 측정하고 이를 곡선에 맞춰야 합니다.

서미스터를 읽는 것은 매우 일반적인 작업이며 사람들이 수년에 걸쳐 개발한 많은 트릭이 있습니다. 더 나은 곡선 맞춤을 얻기 위해 수학 처리를 소비하거나 간단한 수학을 수행하고 정확도를 낮출 수도 있습니다.

반도체 재료의 밴드갭 전압은 온도에 따라 예측 가능하게 달라집니다. 솔리드 스테이트 설계에 대해 자세히 알아보면 다이오드 방정식과 그 모든 표현에서 T 용어를 볼 수 있습니다. 따라서 많은 IC가 온도 감지를 위해 이 특성을 사용한다는 것은 놀라운 일이 아닙니다.