장바구니  |  연락하기  |  도움  | 
1588 8983  | 
전화번호: 1588 8983
계좌번호:하나 은행 455-910025-42804

온도센서의 원리 - 온도 측정의 역사

온도센서 원리 뜨거움과 차가움에 대한 감각은 인류의 경험에 있어 기본적이지만, 온도 측정 방법을 알아내는 일은 위인들의 도전이 있어 가능했습니다. 고대 그리스인 또는 중국인들이 온도 측정 방법을 알고 있었는지는 확실하지 않습니다. 우리가 알고 있는 한 온도 센서의 역사는 르네상스 시대에 시작되었습니다.

오메가 엔지니어링의 해당 백서는 사람들에게 알려진 온도 측정의 역사를 요약하고 있습니다. 먼저 온도 측정에 있어서의 핵심적인 요소와 그에 따른 도전과제들을 알아보고, 각 측정 원리에 기반한 온도센서의 발전 역사와 원리를 살펴볼 것입니다.

온도 측정의 핵심요소와 도전과제

Robert Hooke
Robert Hooke
Ole Roemer
Ole Roemer
열은 체내 혹은 물질 내 에너지의 척도이며 에너지가 증가하면 뜨거워집니다. 그러나 질량과 길이와 같은 물성과는 달리 열은 측정이 어려웠습니다. 대부분의 측정 방법은 간접적이고 열이 어떤 사물에 가지는 영향을 관찰하여 이로부터 온도를 유추하였습니다.

측정 척도를 만들어낸 일 또한 어려움을 가져왔습니다. 1664년 로버트 후크는 물이 어는 점을 0도로 사용하고 이를 기준으로 하여 온도를 측정할 것을 제안하였습니다. 비슷한 시기에 올레 뢰머는 두 개의 고정점이 필요하며 이 두 고정점 간에 보간이 이루어져야 함을 알게 되었습니다. 그가 선택한 이 두 고정점은 후크의 빙점과 물의 끓는 점이었습니다. 이는 물론 어떠한 사물이 얼마나 뜨거워지거나 차가워질 수 있는지에 대한 질문에는 답을 하지 못하였습니다.

그러한 질문에 대한 답은 기체법칙에 관하여 연구하던 게이뤼삭 및 다른 과학자들이 찾아냈습니다. 19세기에 일정한 압력에서 기체의 온도가 가지는 효과를 연구하던 중 그들은 섭씨 1도당 1/267(이후 1/273.15로 수정됨)만큼 부피가 증가함을 관찰하였습니다. 이는 마이너스 273.15도의 절대온도 개념으로 이어졌습니다.

온도센서 원리 1. 온도에 따른 팽창: 액체 및 바이메탈

갈릴레오는 1592년경에 온도의 변화를 보여주는 장치를 개발한 것으로 알려져 있습니다. 이 장치는 물기둥을 발생시키기 위하여 용기 내부의 공기의 수축을 이용한 것으로 보이며 물기둥의 높이는 냉각의 정도를 나타냈습니다. 그러나 이는 공기의 압력에 큰 영향을 받았고 신기한 장치에 지나지 않았습니다.

우리가 알고 있는 온도계는 1612년에 지금의 이탈리아에서 산토리오 산토리에 의하여 발명되었습니다. 그는 유리관에 액체를 봉인하고 팽창함에 따라 어떻게 관의 위로 이동하는지를 관찰하였습니다. 유리관의 눈금은 변화를 알아보기 쉽게 해주었으나 이 장치는 정교한 단위를 나타내지는 못했습니다.

다니엘 가브리엘 파렌하이트는 뢰머와 함께 연구하였습니다. 그는 알코올과 수은을 액체로 사용하여 온도계를 제조하기 시작하였습니다. 수은은 상당한 범위에 걸쳐 온도 변화에 매우 선형적인 반응을 보이기 때문에 이상적이었으나 독성에 대한 우려로 인하여 사용이 줄어들게 됩니다. 수은을 대체하기 위하여 다른 액체들이 개발되어 왔습니다. 액체 온도계는 여전히 광범위하게 사용되고 있으나 습구가 잠겨있는 깊이를 제어하는 것이 중요합니다. 온도 감지기 보호관을 사용하면 열 전환이 양호하게 이루어짐을 보장하는데 도움이 됩니다.

바이메탈 온도 센서는 19세기 후반에 발명되었습니다. 이 센서는 한데 묶인 두 가지 금속 조각의 차동 팽창을 이용합니다. 온도 변화는 가스 열판에 사용되는 것과 유사한 온도 조절 장치 또는 게이지를 활성화하기 위하여 사용 가능한 휨 현상을 발생시킵니다. 정확도는 약 ± 2도 정도로 낮았으나 가격이 저렴하여 다양한 분야에 적용될 수 있었습니다.
Galileo Galilei
Galileo Galilei
 
Santorio Santorii
Santorio Santorii
 
Burial Plaque of Daniel Gabriel Fahrenheit
Burial Plaque of Daniel Gabriel Fahrenheit

온도센서 원리 2. 온도에 따라 변화하는 전기 전도와 저항, 열전 효과

Thermocouple - 19세기 초에 전기는 과학적 탐구에 있어서 흥미로운 분야가 되었으며 과학자들은 곧 금속들이 다양한 저항과 전도를 가짐을 알게 되었습니다. 1821년 토마스 요한 지벡은 상이한 금속들의 끝부분이 합쳐져 열에 노출될 때 전압이 발생함을 발견하였습니다. 펠티에는 이러한 열전대 효과를 역이용하여 펠티에 냉각장치를 발명하였습니다.

RTD - 같은 해 험프리 데이비는 금속의 전기저항률과 온도와의 관계를 증명하였습니다. 5년 후 베크렐은 온도 측정을 위하여 백금과 백금 쌍의 열전대를 사용할 것을 제안하였으나 레오폴디 노빌리가 실제로 그러한 장치를 만든 것은 1829년이었습니다.

백금은 1932년에 C.H. 마이어스가 발명한 저항온도감지기(RTD)에도 사용되었습니다. 이는 백금 선 한 가닥의 전기저항을 측정하는 장치이며 일반적으로 가장 정확한 온도 센서로 간주되고 있습니다.

백금 선 한가닥으로 구성 된 초기의 RTD는 쉽게 손상되기 때문에 산업용으로는 적합하지 않았습니다. 이에 따라 산업용 온도센서로 권선형, 박막형 RTD 가 발전되었으며, 최근에는 정확도는 떨어지지만 훨씬 더 튼튼한 필름형 박막 RTD가 많이 이용되고 있습니다.

IC센서 - 20세기에는 반도체 온도 측정 장치들이 발명되었습니다. 이러한 장치들은 온도 변화 반응에 있어 양호한 정확도를 가지나 현재까지는 선형성이 부족합니다.

온도센서 원리 3. 열 복사 (Thermal Radiation)

William Herschel
William Herschel
Samuel Langley
Samuel Langley
매우 뜨겁거나 녹은 금속은 빛을 내며 열과 가시광선을 발산합니다. 이러한 금속은 또한 온도는 낮지만 파장이 더 긴 열을 방사합니다. 영국의 천문학자인 윌리엄 허셜은 1800년경에 이러한 ‘어두운 빛’ 또는 적외선이 열을 발생시킴을 최초로 인식하였습니다. 노블리는 같은 나라 출신인 멜로니와 함께 연구하여 써모파일을 만들기 위하여 써모커플을 연속으로 연결하여 이러한 복사 에너지를 감지하는 법을 발견하였습니다.

이는 1878년의 볼로미터로 이어졌습니다. 볼로미터는 미국의 새뮤얼 랭글리에 의하여 발명되었는데 두 개의 백금 조각을 사용하여 하나는 검게 처리하여 휘트스톤 브릿지 배치를 하였습니다. 적외선에 의하여 가열이 일어나면 측정 가능한 저항의 변화를 가져왔습니다.

볼로미터는 광범위한 파장에 걸친 적외선에 민감합니다. 이와 대조적으로 1940년대부터 개발된 광자 검출기형 장치들은 제한된 파장 대역 내의 적외선에만 반응하는 경향이 있습니다. 황화납 검출기는 최대 3미크론의 파장에 민감한 반면 1959년에 발견된 HgCdTe 삼원 합금은 특정 파장에 맞게 만들어진 검출기의 시대를 열었습니다.

오늘날 저렴한 적외선 온도계가 광범위하게 쓰이고 있으며 열 화상 카메라는 가격이 내려감에 따라 더 많은 분야에서 활용되고 있습니다.

온도센서 원리 4. 온도 척도 Temperature Scale 에 대해서

Anders Celsius
Anders Celsius
Lord Kelvin
Lord Kelvin
써모미터를 만들 때 파렌하이트는 온도 척도가 필요했습니다. 그는 염수의 빙점을 30도로 끓는 점을 180도 이상으로 설정하였습니다. 그 이후 32F에서 얼고 212F에서 끓는 약간 더 높은 온도를 가진 순수한 물을 사용하기로 결정하였습니다.

25년 후 안데르스 셀시우스는 0에서 100까지의 척도를 제안하였고 이러한 척도는 오늘날 그의 이름을 따서 불리고 있습니다. (℃) 나중에 척도의 한쪽 끝에 고정점을 이용하는 것의 장점을 고려하여 윌리엄 톰슨 그리고 그 후 켈빈경은 절대0도를 섭씨온도의 시작점으로 사용할 것을 제안하였습니다. 이는 오늘날 과학분야에서 사용되는 켈빈온도로 이어졌습니다. (°K)

오늘날 온도 측정 척도는 국제온도체계 90 또는 줄여서 ITS-90이라 부르는 문서에 규정되어 있습니다. 온도 측정 단위를 살펴보거나 이에 대하여 더 자세하게 알고 싶은 분들은 해당 문서의 사본을 구해서 보시기 바랍니다.

백서
해당 기술자료 전문을 확인하세요
온도센서 원리
관련 정보
Temperature Sensor
온도센서 | 기술 참고
온도센서 원리 | Temperature Sensor 맞춤 제작 또는 기성품 센서를 선택할 때 고려해야... 진동 간섭을 피하는 정확한 온도 측정 방법 극한 조건에서 12 가지 MI 써모커플 프로브 테스트 상업 우주 임무 성공에 센서의 역할