개요: 서모커플(thermocouple)은 견고하고 반복 가능하며 빠른 응답 시간으로 인해 가장 많이 사용되는 온도 측정 소자의 하나이다. 이 애플리케이션 노트에서는 기준 (냉)접점의 정의와 기능을 포함하여 서모커플의 기본 동작에 대해 설명한다. 또한 애플리케이션 요구에 준하여 냉접점 온도 측정 소자를 선택하는 가이드라인과 3개의 회로 예제가 제공된다.
머리말
온도 측정 애플리케이션에 사용할 수 있는 많은 트랜스듀서 가운데 서모커플은 가장 많이 사용되는 소자 중 하나이다. 서모커플은 자동차와 가전 제품과 같은 일상 시스템에 사용된다. 이 소자는 저항 온도 소자(RTD), 서미스터, 온도 감지 집적 회로(IC)와 같은 다른 일반 솔루션보다 훨씬 넓은 온도 범위를 측정하는 경제적 수단을 제공한다. 이 밖에도 서모커플은 견고하고 반복 가능하며 빠른 응답 시간으로 인해 많은 환경에서 애용되고 있다.
그러나 서모커플은 몇 가지 단점을 갖고 있으며 대표적으로 선형성이 낮다는 점을 꼽을 수 있다. 서모커플은 RTD나 온도 감지 IC보다 더 넓은 범위의 온도에서 사용할 수 있지만 선형성이 훨씬 떨어진다. RTD와 온도 감지 IC는 일반적으로 보다 정밀한 애플리케이션을 위한 바람직한 두 가지 특성인 더 우수한 감도와 정확도를 제공한다. 서모커플 신호는 매우 낮은 레벨이므로 종종 증폭이 필요하거나 고해상도 데이터 컨버터로 신호를 처리해야 한다.
이러한 단점에도 불구하고 서모커플은 전체 비용, 간편한 사용, 넓은 온도 범위로 인해 여전히 많이 사용되고 있다.
서모커플의 기본 원리
서모커플은 차동 온도 측정 소자이다. 이 소자들은 서로 다른 금속으로 만들어진 2개의 와이어로 구성된다. 와이어 하나는 포지티브 면으로 사전에 지정되고 다른 하나는 네거티브 면으로 지정된다. 표 1에는 금속 또는 합금을 사용하는 가장 일반적인 4가지 서모커플 유형과 각 유형에 허용되는 온도 범위가 나와 있다. 각 서모커플 유형은 지정된 온도 범위에서 고유한 열전기 특성을 제공한다.
표 1. 기본 서모커플 특성
Type
Positive Metal/Alloy
Negative Metal/Alloy
Temperature Range (°C)
T
Copper
Constantan
-200 to +350
J
Iron
Constantan
0 to +750
K
Chromel
Alumel
-200 to +1250
E
Chromel
Constantan
-200 to +900
그림 1a와 같이 2개의 다른 금속을 웰딩이나 솔더링을 통해 접합하여 두 개의 접합부를 형성하면 루프에 의해 생성된 전압은 두 접합부 간의 온도 차에 의해 결정된다. 이러한 현상을 Seebeck 효과라고 하며, 이는 일반적으로 열 에너지가 전기 에너지로 변환되는 과정을 설명한다. Seebeck 효과와 정반대인 Peltier 효과는 전기 에너지가 열 에너지로 변환되는 과정을 말하며 열전기 쿨러와 같은 애플리케이션에서 볼 수 있다. 그림 1a는 측정된 출력 전압 VOUT이 측정 대상인 (열) 접점 전압과 기준 (냉) 접점 전압 간의 차라는 것을 보여준다. VH와 VC는 두 접합부 간의 온도 차에 의해 발생되므로 VOUT도 온도 차에 의해 결정된다. 전압 차를 온도 차와 연관시켜주는 스케일 계수 는 Seebeck 계수라고 한다.
그림 1a. 서모커플에서 두 접합부 간의 온도 차로 인해 발생하는 루프 전압은 Seebeck 효과의 결과이다.
그림 1b. 가장 일반적인 서모커플 구성은 서모커플의 2개 와이어를 한 쪽 끝에서 접합한 것이다. 각 와이어의 개방된 끝은 구리로 만들어진 등온 커넥터에 연결된다.
그림 1b는 서모커플 애플리케이션에서 가장 많이 사용되는 구성을 보여준다. 이 구성에서는 세 번째 금속(중간 금속이라고도 함)을 루프에 도입하여 접합부를 두 개 더 추가시킨다. 이 예에서 각 와이어의 개방된 끝은 구리로 만들어진 와이어나 트레이스에 전기적으로 연결된다. 이러한 연결로 시스템에 두 개의 접합부가 더 생긴다. 이들 두 접합부가 같은 온도에 있는 한 중간 금속(구리)은 출력 전압에 영향을 미치지 않는다. 이러한 구성은 별도의 기준 접점 없이 서모커플을 사용할 수 있게 한다. VOUT은 여전히 열접점과 냉접점 간의 온도 차에 의해 결정되는데, 이는 Seebeck 계수와 관련된다. 그러나 서모커플은 온도를 차동으로 측정하므로 열접점에서 측정된 실제 온도를 결정하려면 냉접점 온도를 알아야 한다.
가장 간단한 경우는 냉접점이 0°C에서 볼 수 있는데, 이 온도를 냉욕조 기준이라고도 한다. TC = 0°C이면 VOUT = VH가 된다. 이 경우 열접점에서 측정된 전압은 이 접점에서 실제 온도를 직접 변환한 값이다. 미국 표준국(NBS)은 다양한 유형의 서모커플에 대한 서모커플 전압과 온도를 비교한 특성 분석 데이터가 포함된 룩업 테이블을 제공하고 있다. 모든 데이터는 0°C의 냉접점 온도를 기준으로 한다. 냉욕조 기준을 사용할 경우 해당 테이블에서 VH를 찾아 열접점 온도를 결정할 수 있다.
초기의 서모커플에서는 냉욕조 기준이 서모커플 애플리케이션에서 표준 역할을 했지만 오늘날 대부분의 경우 이는 비실용적이다. 따라서 냉접점이 0°C가 아닐 때 실제 열접점 온도를 결정하려면 이 접점의 온도를 알고 있어야 한다. 또한 서모커플의 출력 전압은 영이 아닌 냉접점 온도에 의해 발생하는 전압에 대해 보상해 주어야 하는데, 이 과정을 냉접점 보상이라고 한다.
냉접점 온도 측정 소자 선택
위에서 설명했듯이 냉접점 온도를 구현하려면 냉접점 온도를 결정해야 한다. 이 계산은 모든 종류의 온도 측정 소자가 가능하다. 보다 많이 사용되는 소자 중에는 온도 감지 IC, 서미스터, RTD 등이 있다. 소자의 각 제품군은 서로에 대해 장단점을 갖고 있으므로 특정 애플리케이션의 요구사항에 따라 사용할 종류를 결정한다.
극히 높은 정확도를 요구하는 애플리케이션의 경우에는 보정 과정을 거친 백금 RTD가 가장 넓은 온도 범위에서 최고 성능을 제공하지만 가격이 비싸다.
서미스터와 실리콘 온도 감지 IC는 이와 같이 높은 정확도를 필요로 하지 않는 애플리케이션에서 RTD에 대한 경제적 대안이 될 수 있다. 서미스터는 실리콘 IC보다 넓은 온도에서 동작하지만 온도 감지 IC는 선형성이 우수하여 서미스터보다 선호되는 경우가 많다. 서미스터의 비선형성을 교정하려면 시스템의 마이크로컨트롤러에서 매우 많은 작업이 필요하다. 온도 감지 IC는 우수한 선형성을 제공하지만 보다 좁은 온도 범위에서 동작한다.
요약하면 냉접점 온도 측정 소자는 시스템의 요구사항에 맞추어 선택해야 한다. 온도 측정 애플리케이션과 마찬가지로 정확도, 온도 범위, 비용 및 선형성은 모두 선택 과정에서 고려해야 할 중요한 사항이다. 각 요구사항은 비용과 성능의 최적의 결합을 선택할 수 있도록 신중하게 비교하도록 한다.
계산 작업
일단 냉접점 보상 방법을 결정했다면 보상된 출력 전압을 대응하는 온도로 변환해야 한다. 간단한 "변환" 방법은 NBS의 룩업 테이블을 사용하는 것이다. 소프트웨어에서 룩업 테이블을 구현하려면 저장용 메모리가 필요하지만 측정을 계속 반복해야 할 때 테이블이 신속하고 정확한 솔루션을 제공한다. 서모커플 전압을 온도로 변환하는 두 가지 다른 방법은 1) 다항식 계수를 사용하는 선형 근사와, 2) 서모커플 출력 신호의 아날로그 선형화가 있으며, 이들은 룩업 테이블보다 좀더 많은 작업을 필요로 한다.
소프트웨어 선형 근사는 사전에 결정된 다항식 계수를 제외하면 저장 공간이 필요없다는 점에서 많이 이용된다. 그러나 이 방법은 다차 다항식과 관련된 처리 시간에서 단점을 갖는다. 보통 넓은 온도 범위를 처리하는 데는 더 높은 차수의 다항식이 필요한데 다항식의 차수가 높아질수록 처리 시간이 증가하기 때문이다. 높은 차수의 다항식이 필요한 온도에서는 룩업 테이블이 선형 근사보다 더 정확하고 효율적임을 보여준다.
최근의 소프트웨어가 나오기 전에는 보통 아날로그 선형화를 사용하여 측정된 전압을 온도로 변환했으며, 룩업 테이블을 수동으로 검색했다. 그러나 이러한 하드웨어 기반 방법은 아날로그 회로를 사용하여 서모커플의 응답에 나타나는 비선형성을 교정한다. 교정의 정확성은 사용하는 교정 근사의 차수에 의해 결정된다. 이 방법은 서모커플 신호를 받아들이는 멀티미터에 여전히 많이 사용되고 있다.
애플리케이션 회로
다음 예제는 실리콘 온도 감지 IC를 사용하는 냉접점 보상의 세 가지 방법을 보여준다. 세 회로는 좁은 냉접점 온도 범위(0°C ~ +70°C 및 -40°C ~ +85°C)와 몇 도 이내의 정확도를 필요로 하는 애플리케이션을 위한 간단한 솔루션을 구현하는데 초점을 맞추었다. 회로 1은 냉접점 가까이 배치된 로컬 온도 감지 IC를 사용하여 냉접점 온도를 결정한다. 회로 2는 서모커플 커넥터에 직접 장착된 다이오드 연결 트랜지스터에 의해 구동되는 원격 다이오드 온도 센서를 사용한다. 회로 3은 냉접점 보상 기능이 있는 ADC를 사용한다. 이 세 가지 예제는 모두 크롬과 알루멜로 구성된 K-type 서모커플을 사용한다.
예제 #1 그림 2에서 보이는 회로에서 16비트 시그마-델타 ADC는 로우 레벨 서모커플 전압을 16비트 직렬 디지털 출력으로 변환한다. 내장된 프로그래밍 가능-이득 증폭기는 ADC의 분해능을 증가시키는데, 이는 종종 로우 레벨 서모커플 신호로 작업할 때 필요하다. 서모커플 커넥터 옆에 배치된 온도 감지 IC는 냉접점 근처의 온도를 측정한다. 이 방법은 IC의 온도가 대략 냉접점 온도와 동일하다는 가정을 바탕으로 한다. 냉접점 온도 센서로부터 나오는 출력 전압은 ADC의 채널 2에 의해 변환된다. 온도 센서에는 2.56V 기준
전압이 내장되어 있으므로 별도의 기준 IC가 필요 없다.
그림 2. 로컬 온도 감지 IC(MAX6610)는 냉접점 온도를 결정한다. 온도 감지 IC는 서모커플 커넥터(냉접점) 가까이 배치된다. 서모커플과 냉접점 온도 센서의 출력 전압은 16비트 ADC(MX7705)에 의해 변환된다.
바이폴라 모드에서 동작할 때 ADC는 채널 1에 존재하는 서모커플 전압의 포지티브와 네거티브 레벨을 변환할 수 있다. ADC의 채널 2는 MAX6610의 단일 종단 전압 출력을 마이크로컨트롤러가 처리할 수 있도록 디지털 신호로 변환한다. 온도 감지 IC의 전압 출력은 측정된 냉접점 온도에 비례한다.
실제 열접점 온도를 결정하기 위해서는 먼저 냉접점 온도를 알아야 한다. 그런 다음 NBS의 K-type 서모커플에 대한 룩업 테이블을 사용하여 냉접점 온도를 대응하는 열전기 전압으로 변환한다. PGA의 이득을 교정한 후 이 전압을 디지털로 변환된 서모커플 판독값에 추가한다. 다음으로 다시 룩업 테이블을 사용하여 앞의 합계를 온도로 변환한다. 이 결과가 열접점에서의 실제 온도이다. 표 2는 한 오븐에서 냉접점을 -40°C ~ +85°C에서 스위핑하고 별도의 오븐에서 열접점을 +100°C에서 유지하는 동안 측정된 값을 표시한다. 측정의 정확도는 로컬 온도 감지 IC와 오븐 온도의 정확도에 의해 많은 영향을 받는다.
표 2. 별도의 오븐에서 냉접점과 열접점을 갖는 그림 2 회로에 대한 샘플 측정
Cold-Junction Temperature (°C)
Measured Hot-Junction Temperature* (°C)
Measurement #1
-39.9
+101.4
Measurement #2
0.0
+101.5
Measurement #3
+25.2
+100.2
Measurement #4
+85.0
+99.0
*"측정된 열접점 온도" 열에 보이는 값은 회로로부터 측정되고 보상된 열접점 온도 측정값이다.
예제 #2 그림 3에서 원격 다이오드 온도 감지 IC는 회로의 냉접점 온도를 측정한다. 로컬 온도 감지 IC와 달리 원격 다이오드 온도 센서는 외부 다이오드 연결 NPN 트랜지스터를 사용하여 냉접점 온도를 측정하므로 냉접점 가까이 배치할 필요가 없다. 이 트랜지스터는 서모커플 커넥터의 구리 리테이너 클립 위에 직접 장착한다. 온도 감지 IC는 이 다이오드 연결 트랜지스터에서 나오는 신호를 디지털 출력으로 변환한다.
ADC의 채널 1은 서모커플 전압을 디지털 출력으로 변환한다. ADC의 채널 2는 사용되지 않으며 접지에 연결된다. ADC의 기준 입력은 안정적인 2.5V 기준 IC에 의해 공급된다.
그림 3. 원격 다이오드 온도 센서 IC는 외부 다이오드를 사용하여 온도를 감지하므로 냉접점 가까이 배치할 필요가 없다. 이 다이오드는 서모커플 커넥터의 리테이너 클립 옵션에 직접 장착할 수 있다. MAX6002는 ADC에 안정적인 2.5V 기준전압을 제공한다.
표 3은 냉접점 온도를 -40°C ~ +85°C에서 스위핑하면서 열접점 온도를 +100°C에서 유지하는 동안 측정된 값을 표시한다. 측정의 정확도는 원격 다이오드 온도 감지 IC와 오븐 온도의 정확도에 의해 결정된다.
표 3. 별도의 오븐에서 냉접점과 열접점을 갖는 그림 3 회로에 대한 샘플 측정
Cold-Junction Temperature (°C)
Measured Hot-Junction Temperature* (°C)
Measurement #1
-39.8
+99.1
Measurement #2
-0.3
+98.4
Measurement #3
+25.0
+99.7
Measurement #4
+85.1
+101.5
*"측정된 열접점 온도" 열에 보이는 값은 회로로부터 측정되고 보상된 열접점 온도 측정값이다.
예제 #3 그림 4는 12비트 ADC와 온도 감지 다이오드를 결합한 IC를 보여준다. 온도 감지 다이오드는 주변 온도를 전압으로 변환한다. IC는 이 전압과 서모커플 전압을 사용하여 보상된 열접점 온도를 계산한다. 디지털 출력은 서모커플에 의해 측정되고 보상된 열접점 온도이다. 이 소자의 보장된 온도 오차는 0°C ~ +700°C의 열접점 온도에서 ±9LSB 이내이다. 이 소자는 넓은 범위의 열접점 온도를 측정할 수 있지만 0°C 미만 온도는 측정할 수 없다.
그림 4. 냉접점 보상 기능이 내장된 ADC는 외부 보상 기능을 사용할 필요 없이 서모커플 전압을 변환할 수 있다.
표 4는 냉접점 온도를 0°C ~ +70°C에서 스위핑하면서 열접점 온도를 +100°C에서 유지하는 동안 그림 4의 회로로부터 측정된 값을 보여준다.
표 4. 별도의 오븐에서 냉접점과 열접점을 갖는 그림 4 회로에 대한 샘플 측정
Cold-Junction Temperature (°C)
Measured Hot-Junction Temperature* (°C)
Measurement #1
0.0
+100.25
Measurement #2
+25.2
+100.25
Measurement #3
+50.1
+101.0
Measurement #4
+70.0
+101.25
*"측정된 열접점 온도" 열에 보이는 값은 회로에서 제공된 디지털 출력을 십진수로 나타낸 것이다.
결론
서모커플을 사용할 경우 서모커플은 차동 온도 측정 소자이므로 기준 지점을 결정해야 한다. 서모커플은 열접점과 냉접점 간의 온도 차를 나타내는 전압을 제공한다. 냉접점의 온도뿐 아니라 냉접점 온도와 관련된 열접점 온도를 알면 실제 열접점 온도를 결정할 수 있다.
적절한 냉접점 보상 소자를 선택하는 주요 기준은 정확도, 비용, 선형성 및 온도 범위이다. 일부 백금 RTD는 최고의 정확도를 제공하지만 값이 비싸다. 서미스터는 저렴하고 넓은 온도 범위에서 동작하지만 낮은 선형성이 문제가 될 수 있다. 실리콘 온도 감지 IC는 좁은 온도 범위에서 동작하지만 적절한 정확도와 선형성을 제공하면서 저렴하므로 많은 서모커플 냉접점 보상 애플리케이션에 적합한 선택이다.
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는 Seebeck 계수라고 한다.
