Pt100 온도 소자는 액체, 기체뿐만 아니라 고체의 산업용 온도 측정에서 중요한 역할을 하며, 다양한 버전으로 제공됩니다. 지능형 온도 소자인 Pt100의 설계 및 작동 방식에 대해 자세히 알아보세요!
Pt100 온도 소자 또는 Pt 100은 산업용 온도계에서 가장 많이 사용되는 온도 센세용 온도 소자로, 온도에 따라 저항(오움 값)이 변화합니다. 평가 장치에 연결되면 측정된 저항값을 통해 센서의 온도를 확인할 수 있습니다. Pt100 온도 소자는 흔히 Pt100 또는 저항 소자라고 불리기도 합니다.
Pt100은 일반적으로 플래티넘 칩 온도 센서로 사용되며, 세라믹 기판 위에 스퍼터링(sputtering) 공정을 통해 얇은 플래티넘 층을 증착하여 제작됩니다. 플래티넘 층의 두께가 매우 얇기 때문에, 이러한 센서를 얇은 막 센서(thin film sensor)라고도 부릅니다. 그 후, 플래티넘 코팅은 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 지그재그(미앤더) 형태로 패터닝됩니다. 연결 와이어는 접촉 패드에 용접되며, 이 접촉 면은 유리층으로 기계적 스트레스로부터 보호됩니다. 추가로 융해된 유리층이 덮개 역할을 하여 외부 영향으로부터 플래티넘 미앤더를 보호하고 절연 기능도 수행합니다.
Pt100 온도 소자의 구조
1 유로 동전과 사이즈 비교
연결선이 부착된 Pt100은 주로 RTD 온도 센서에서 산업용 전기 온도 측정에 사용됩니다.
또한, 박막 센서는 SMD(Surface Mounted Device, 표면 실장형 소자) 설계로도 제공됩니다. 이러한 센서들은 와이어 연결이 없으며, 납땜이 가능한 연결 캡을 통해 회로 기판에 직접 납땜되어 부착됩니다.
SMD Pt100 온도 소자 구조
SMD Pt100 온도 소자와 1유로 동전 사이즈 비교
SMD(Surface-Mount Device) 타입의 Pt100 센서는 회로 기판에서 표면 온도 또는 주변 온도를 측정하는 데 적합하며, 온도 모니터링이나 보상 회로에 선호되어 사용됩니다.
또한, SMD 센서의 일반적인 활용 중 하나는 온도 프로브용 측정 인서트(measuring insert) 제작입니다. 회로 기판에 SMD 타입의 Pt100 센서가 자동으로 장착되어, 써모웰(thermowell)에 삽입 가능한 사전 조립된 측정 인서트를 구성하게 됩니다. 이러한 프로브는 예를 들어, 열량 측정(heat quantity measurement)에 대량으로 사용됩니다.
백금 칩 온도 센서는 1980년대부터 사용되어 왔으며, 그 이전까지 사용되던 백금 와이어를 감아 만든 Pt100 센서를 대부분 대체했습니다. 이러한 센서의 와이어 권선은 유리 속에 융합되어 있는 경우(유리 센서)나 세라믹 튜브의 구멍 안에 들어 있는 경우(세라믹 센서)로 나뉩니다.
Structure of a glass sensor
Structure of a ceramic sensor
이 센서들은 최대 800 °C까지 측정이 가능합니다. 특수한 용도에서는 오늘날에도 여전히 와이어 권선형 센서가 사용되고 있습니다(예: 실험실 등). 그러나 일반적으로는 앞서 언급한 백금 칩 온도 센서가 주로 사용됩니다.
"Pt"는 백금을 의미하며, 숫자 100은 0 °C에서의 기본 저항값이 100 옴임을 나타냅니다.
Pt100은 0 °C에서 기본 저항값이 100 옴입니다. 온도가 상승함에 따라 센서의 저항은 약 0.38 옴/켈빈(즉, 1 °C당 약 0.38 옴)씩 증가합니다. 이 특성 곡선은 DIN EN 60751 표준에 따라 정해져 있으며, 이를 통해 측정 장치는 저항값을 바탕으로 센서의 온도를 정확하게 계산할 수 있습니다.
Pt100 센서의 전기 온도계 응용에 대한 자세한 내용은 영상을 참고해 주세요.
위에서 설명한 Pt100의 특성은 Pt100 저항 표를 통해 쉽게 확인할 수 있습니다.
다음은 1 °C 단위로 정리된 Pt100의 기준 저항값입니다:
|
°C
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
0 |
100.000 |
100.391 |
100.781 |
101.172 |
101.562 |
101.953 |
102.343 |
102.733 |
103.123 |
103.513 |
|
10 |
103.903 |
104.292 |
104.682 |
105.071 |
105.460 |
105.849 |
106.238 |
106.627 |
107.016 |
107.405 |
|
20 |
107.794 |
108.182 |
108.570 |
108.959 |
109.347 |
109.735 |
110.123 |
110.510 |
110.898 |
111.286 |
|
30 |
111.673 |
112.060 |
112.447 |
112.835 |
113.221 |
113.608 |
113.995 |
114.382 |
114.768 |
115.155 |
|
40 |
115.541 |
115.927 |
116.313 |
116.699 |
117.085 |
117.470 |
1178.56 |
118.241 |
118.627 |
119.012 |
|
50 |
119.397 |
119.782 |
120.167 |
120.552 |
120.936 |
121.321 |
121.705 |
122.090 |
122.474 |
122.858 |
|
60 |
123.242 |
123.626 |
124.009 |
124.393 |
124.777 |
125.160 |
125.543 |
125.926 |
126.309 |
126.692 |
|
70 |
127.075 |
127.458 |
127.840 |
128.223 |
128.605 |
128.987 |
129.370 |
129.752 |
130.133 |
130.515 |
|
80 |
130.897 |
131.278 |
131.660 |
132.041 |
132.422 |
132.803 |
133.184 |
133.565 |
133.946 |
134.326 |
|
90 |
134.707 |
135.087 |
135.468 |
135.848 |
136.228 |
136.608 |
136.987 |
137.367 |
137.747 |
138.126 |
|
100 |
138.506 |
138.885 |
139.264 |
139.643 |
140.022 |
140.400 |
140.779 |
141.158 |
141.536 |
141.914 |
금속 온도 센서의 경우, 센서 온도에 따라 변화하는 저항값을 계산하기 위해 다항식을 사용할 수 있습니다.
2차 다항식의 기본 공식은 다음과 같습니다:
R(ϑ) = R₀ × (1 + A × ϑ + B × ϑ²)
R₀: 0 °C에서의 기준 저항 (Pt100의 경우 100 Ω)
ϑ: 온도 (단위: °C)
A, B: 센서의 개별 계수
Pt100 센서의 경우, 다음과 같은 계수를 사용합니다:
A = 3.9083 × 10⁻³ °C⁻¹
B = -5.775 × 10⁻⁷ °C⁻²
이 값을 공식에 대입하면, Pt100 공식은 다음과 같이 표현됩니다:
R(ϑ) = 100 Ω × (1 + 3.9083 × 10⁻³ × ϑ - 5.775 × 10⁻⁷ × ϑ²)
이 공식은 양(+)의 온도 구간에서 유효합니다.
백금 센서는 0 °C에서 1000 옴과 같은 다른 기본 저항값(공칭 저항값)을 가지는 형태도 존재합니다. 그 외의 공칭 저항값도 제작이 가능하지만, 드물게 사용됩니다.
박막 기술(thin film technology)을 활용한 Pt100 센서는 -70°C부터 +600°C까지의 온도 범위에서 측정이 가능합니다.
Pt100 센서의 **허용 오차(정확도)**는 표준에 따라 규정되어 있습니다. 박막 저항소자의 경우, **F 0.1(고정밀)**부터 **F 0.6(저정밀)**까지의 **정확도 등급(또는 허용오차 등급)**이 존재합니다.
허용 오차 또는 한계 편차는 측정 온도를 해당 공식에 대입하여 표준에 따라 계산됩니다.
| Pt100 accuracy classes | |
|---|---|
| Tolerance classes | Boundary deviation [K] |
| F 0,1 | ±(0,1 + 0,0017 x ItI) |
| F 0,15 | ±(0,15 + 0,002 x ItI) |
| F 0,3 | ±(0,3 + 0,005 x ItI) |
| F 0,6 | ±(0,6 + 0,01 x ItI) |
다음은 두 가지 예시입니다:
정확도 등급 F 0.1의 센서에 대해, 측정 온도가 100 °C일 때의 허용 오차 계산:
±(0.1 + 0.0017 × |100|) = ±0.27 K
(이는 ±0.27 °C에 해당합니다)
정확도 등급 F 0.3의 센서에 대해, 측정 온도가 400 °C일 때의 허용 오차 계산:
±(0.3 + 0.005 × |400|) = ±2.3 K
(이는 ±2.3 °C에 해당합니다)
Pt100 센서는 장기적으로 매우 안정적이며, 이는 주로 저항 물질인 백금 덕분입니다. 센서의 특성 곡선은 표준화되어 있습니다. 평가 장치에서 특성 곡선을 사용할 수 있다면 온도 신호 평가가 가능합니다. 표준화 덕분에 센서 또는 조립된 온도계의 예비 부품을 쉽게 조달할 수 있습니다.
