산업계에서 온도를 측정하는데 가장 많이 쓰이는 두가지 도구는 측온 저항체 (RTD resistance
temperature detector)와 열전대 (thermocouples)이다. 어느 때 열전대를 쓰고 어느 때
측온 저항체를 써야 하는가? 보통 네 가지 요소 (온도, 시간, 크기, 총 요구 정확도)에 따라 결정된다.

 

어느 온도가 요구되는가?

공정 온도가 ?200 ~ 500℃ 이면 산업용 측온 저항체가 적절하다. 그러나 온도가 많이 높으면 열전대를 쓸 수밖에 없다.

요구되는 시간 대응 조건은?

공정이 온도 변화에 대해 꽤 빠른 대응이 요구된다면 -- 몇 초가 (2.5 ~ 10초) 아니라 1초 미만 -- 열전대가 좋다. 3 ft/sec로 흐르는 물에 센서를 담그고 63.2 % 스텝 변화를 측정해서 시간 대응을 측정한다는 것을 명심하라.

크기 요구 조건은?

표준 측온 저항체 시스 직경은 3.1 mm ~ 6.35mm 이지만, 열전대 시스 직경은 1.57mm 보다 작을 수도 있다.

총 정확도 요구 조건은?

공정이 2 ℃ 이상 오차를 허용된다면, 열전대가 적당하다. 공정에서 2 ℃ 미만 오차를 요구한다면 측온 저항체를 써야 한다. 측온 저항체는 몇 년간 안정적으로 관리될 수 있지만, 열전대는 사용하기 시작 한지 몇 시간 후부터 오 지시할 수 있다는 것을 명심하라.


기술적 관점은 아니지만 가격은 고려 대상이 될 수 있다. 열전대 평균 가격은 개당 35$ 이며,
측온 저항체 평균 가격은 개당 55$ 이다. 보상 도선 가격도 생각해야 한다. 열전대는 열전대와
동일한 재질인 보상 도선이 필요한데 3$ / m 이다. 니켈 도금되고 테프론 코팅된 표준 측온 저항체
전선은 매우 싸다.
 

측온 저항체 기본

요소가 확인되면, 측온 저항체나 열전대의 타입이 선택된다. 측온 저항체는 저항 대 온도 출력을 나타내며 수동적 기구이므로 가동하는데 1mA 정도 만 필요하다. 가장 많이 쓰는 측온 저항체는 알파 상수 0.00385 ohms/ohm/℃인 100ohm, 백금 센서이다. 0℃에서 (얼음 점) 초기 정확도와 운전 범위에 걸치는 정확도를 나타내는 DIN A 와 DIN B로 주문된다. IEC 751에 따르면 DIN A 는 0.15 ℃ ± 0.002/t* , t*는 특정 온도, DIN B 는 0.3℃ ± 0.005/t* 이다. 측온 저항체는 니켈, 구리, 또는 니켈/철로 만들 수 있다. 각 금속은 알파 상수와 운전 범위가 다르다. 측온 저항체의 알파 상수는 계기와 맞춰져야 되며 안되었을 때는 오차가 몇 도나 날 수 있다.

 

열전대에 대해

열전대는 서로 다른 금속으로 얼마든지 만들 수 있다. ISA는 열두개를 인정하고 있다. 타입 J, K, T, E 가 있다. 열전대를 선택하는데 가장 자주 쓰이는 것은 적용되는 온도 범위이다. 타입 J는 0 ℃ ~ 756 ℃ 에 적절하다. 타입 K 는 0 ℃ ~ 1260 ℃에 적절하다. 타입 T는 - 184℃ ~ 371 ℃를 측정한다. 타입 E는 0℃ ~ 871℃ 에 해당된다. 표준 오차 한계와 특수 오차 한계도 생각되어야 한다. 이 값은 열전대를 제작하는데 사용되는 전선 순도와 관련된다. 돈을 조금만 더 쓰면, 열전대 사양 선택자들은 정확도를 크게 향상시킬 수 있다. (100% 또는 이상 ) 특수한 경우에 제대로 열전대와 측온 저항체를 선택하는 것은 어려운 일 일 수도 있다. 대부분 측온 저항체나 열전대 제조 회사들은 고객들이 제대로 온도 측정 설비를 선택할 수 있도록 엔지니어링 지원을 해주고 있다.

 

간편 선택 지침
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.

 

본문 원본

February 1999 Control Engineering
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Choosing RTDs and thermocouples

Jim Sulciner
national sales manager
Burns Engineering (Minnetonka,Minn.)

The two most common ways of measuring industrial temperatures are with resistance temperature detectors
(RTDs) and thermocouples. But when should control engineers use a thermocouple and when should they
use an RTD? The answer is usually determined by four factors: temperature, time, size, and overall accuracy
requirements.

What are the temperature requirements? If process temperatures fall from -328 to 932°F (-200 to 500°C),
then an industrial RTD is an option. But for extremely high temperatures, a thermocouple may be the only
choice.

What are the time-response requirements? If the process requires a very fast response to temperature
changes--fractions of a second as opposed to seconds (i.e. 2.5 to 10sec)--then a thermocouple is the
best choice. Keep in mind that time response is measured by immersing the sensor in water moving at
3 ft/sec with a 63.2% step change.

What are the size requirements? A standard RTD sheath is 0.125 to 0.25 in. dia., while sheath diameters
for thermocouples can be less than 0.062 in.

What are the overall requirements for accuracy? If the process only requires a tolerance of 2°C or greater,
then a thermocouple is appropriate. If the process needs less than 2°C tolerance, then an RTD is the
only choice. Keep in mind, unlike RTDs that can maintain stability for many years, thermocouples can drift
within the first few hours of use.

Although not a technical point, price may be another consideration. An average thermocouple costs
approximately $35, while an average RTD costs $55. Cost of extension wire must also be considered.
Thermocouples require the same type of extension wire material as the thermocouple, which can cost up
to $1 per ft. Standard nickel-plated, teflon-coated RTD wire averages pennies per ft.

RTD basics

Once parameters are defined, the type of RTD or thermocouple is chosen. RTDs provide a resistance vs.
temperature output and are passive devices, needing no more than 1.0 mA to run. The most common RTD
is a 100 ohm, platinum sensor, with an alpha coefficient of 0.00385 ohms/ohm/C. It can be ordered as DIN
A or DIN B which specifies the initial accuracy at 0°C (ice point) and the interchangeability over the operating
range. IEC 751 states that DIN A is 0.15°C ± 0.002/t*,where t* = specified temperature. DIN B is
0.3°C ±0.005/t*.
RTDs can also be constructed from nickel, copper, or nickel/iron. Each metal has a different alpha
coefficient and operating range. An RTDs alpha coefficient must be matched to its instrumentation or an error
of several degrees can occur.

About thermocouples

Thermocouples can be made with any combination of two dissimilar materials. ISA recognizes twelve
thermocouples. Eight of the 12 have letter designations including Type J, Type K, Type T and Type E.
The most common determining factor for chosing thermocouple type is the temperature range of its intended
application. Type J is suitable for a temperature range of 32 to 1,400 °F (0 to 759.99°C). Type K is appropriate
for a temperature range of 32 to 2,300 °F (0 to 1,259.99°C). Type T handles a temperature range of -300 to
700°F (-184.44 to 371°C). Type E fits a temperature range of 32 to 1,600°F (0 to 871.11°C).

Quick selection guidelines

RTDs:

Offer stable output within broad
temperature ranges
Can be recalibrated for verifiable
accuracy; Are stable over the long term
Follow a more linear curve than

thermocouples;

Have high sensitivity;
and Provide accurate reading over
narrow temperature spans.
Thermocouples:
Operate at temperatures over
1,200°F (648.88 °C);
Perform in extremely rugged
applications;
Offer very fast response to temperature changes;
Are small in physical size; and
May have a lower initial cost in some applications.

Standard limits of error and special limits of error must also be considered. These values relate to the purity of
the wire used to manufacture the thermocouple. For very little additional cost, thermocouple specifiers can
often improve accuracies greatly (100% or greater).

Specifying the correct thermocouple or RTD for an unconventional application may be a difficult task.
Many manufacturers of RTDs and thermocouples offer applications engineering support to help customers
select the right combination of temperature measurement equipment.

Control Engineering- February 1999

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