온도 측정은 매우 중요함. 책 내용을 정리
“`html온도 측정 정리
1. 온도 측정 시 시간 지연
NeoStudio에서는 온도센서가 측정 대상의 온도에 즉시 도달하지 않는 현상을 다룬다.
측정 대상의 온도를 TB, 센서의 온도를 TS로 두면, 센서는 열을 받아 점차 TB에 접근한다.
측정 대상
T_B
│
│ 열전달
▼
Temperature Sensor
T_S
2. 이상적인 가정
첫 번째 유도에서는 센서와 측정 대상 사이의 열전달만 고려하고, 주변으로의 열손실을 무시하는 이상적인 경우를 사용한다.
3. 센서로 전달되는 열량
측정 대상과 센서 사이의 온도차에 의해 센서로 전달되는 열량을 다음과 같이 기록한다.
- TB : 측정 대상 온도
- TS : 센서 온도
- α₁ : 열전달과 관련된 계수
4. 센서의 열용량
센서가 받은 열은 센서 자체의 온도를 변화시킨다.
- m : 센서 질량
- c : 센서의 비열
5. 센서의 열평형 방정식
센서로 전달된 열과 센서 내부에 축적되는 열을 같게 두면
이 식이 센서의 동특성을 나타낸다.
6. 온도센서의 시정수
NeoStudio에서는 온도센서의 시정수를 다음과 같이 정의한다.
7. 1차 미분방정식
열평형식과 시정수를 이용하면 다음 형태로 정리된다.
변수 치환으로
를 사용한다.
8. 온도센서의 시간응답
적분하면 센서 온도는 지수함수적으로 측정 대상 온도에 접근한다.
초기 센서온도를 T1이라 하면
따라서
9. 시정수와 센서 응답
센서의 온도변화는 전형적인 1차 지연 형태이다.
Temperature
↑
T_B |-------------------- 목표온도
| .......
| ....
| ...
| ...
| ..
T_1 |•
+----------------------------→ t
τ_T 2τ_T
t = τT이면
따라서 전체 온도변화의 약 63%까지 도달한다.
10. 2τ에서의 응답
t = 2τT에서는
따라서 온도변화의 약 87%까지 접근한다.
11. 충분한 시간이 지난 경우
시간이 충분히 지나면 지수항이 0에 가까워진다.
12. 실제 온도센서의 열손실
세 번째 페이지에서는 이상적인 조건과 달리 센서가 주변으로도 열을 잃는 실제 상황을 고려한다.
측정 대상 T_B
│
r₁
│
▼
Sensor T_S
│
r₂
│
▼
주변 환경
따라서 측정 대상과 센서 사이의 열전달뿐 아니라 센서와 주변 환경 사이의 열전달도 센서 응답에 영향을 준다.
13. 실제 센서의 유효 시정수
NeoStudio에는 실제 열손실을 고려한 경우의 시정수를 다음 형태로 기록한다.
이상적인 경우의 시정수는
로 비교되어 있다.
14. 실제 센서의 시간응답
열손실을 고려한 경우에도 응답 자체는 지수형으로 표현한다.
15. r₁ = r₂인 예
NeoStudio에는 r₁ = r₂일 때의 예가 기록되어 있다.
즉 동적인 응답은 빠르게 수렴할 수 있지만 실제 측정에서는 주변으로의 열손실 때문에 최종 센서온도가 측정 대상 온도와 정확히 일치하지 않을 수 있다는 내용을 기록한다.
16. 열적 결합이 중요한 이유
NeoStudio의 결론은 온도센서와 측정 대상 사이의 열적 결합뿐 아니라 센서와 주변 환경 사이의 열손실도 함께 고려해야 한다는 것이다.
17. Thermistor
네 번째 페이지에서는 Thermistor의 온도-저항 관계를 정리한다.
Thermistor는 Thermal과 Resistor를 합한 이름으로 기록되어 있다.
반도체 재료를 이용하고, 온도에 따라 저항이 크게 변하는 센서로 기록한다.
18. Thermistor의 특성
NeoStudio에는 Thermistor의 특징으로 다음 내용이 기록되어 있다.
- 반도체 특성 이용
- 온도-저항 관계가 비선형
- 크기가 작음
- 온도변화에 민감
19. Thermistor 기본식
Thermistor의 저항과 절대온도 관계를 다음 형태로 기록한다.
기준온도 T₀에서 저항이 R₀라면
20. 기준점 제거
기준점 식으로부터 A를 제거하면
따라서
21. Thermistor 저항-온도 관계
위 식을 정리하면
따라서
또는 같은 의미로
22. 저항으로 온도 계산
NeoStudio에서는 측정된 저항 RT로부터 온도를 구하는 식도 전개한다.
따라서
23. 전체 관계
Temperature Measurement
│
┌─────────────┴─────────────┐
▼ ▼
Dynamic Response Thermistor
│ │
T_B → Sensor T_S Temperature
│ │
▼ ▼
Heat Transfer Resistance
│ │
▼ ▼
α₁(T_B-T_S)dt = mc dT_S lnR = A + β/T
│ │
▼ ▼
τ_T = mc/α₁ R_T / R₀ 관계
│ │
▼ ▼
T_S = T_B-ΔT e^(-t/τ_T) T 계산 가능
│
▼
Thermal Loss 고려
│
▼
τ'_T
24. NeoStudio PDF 핵심 정리
| 항목 | 원본 내용 |
|---|---|
| 온도센서 열전달 | dQ = α₁(T_B-T_S)dt |
| 센서 열용량 | dQ = mc dT_S |
| 센서 시정수 | τ_T = mc/α₁ |
| 시간응답 | T_S = T_B – ΔT e^(-t/τ_T) |
| t = τ_T | 전체 변화의 약 63% 도달 |
| t = 2τ_T | 전체 변화의 약 87% 도달 |
| 실제 센서 | 주변 열손실까지 고려 |
| 유효 시정수 | τ’_T = mc r₁/(1+r₁/r₂) |
| Thermistor | Thermal + Resistor, 반도체, 비선형 R-T 특성 |
| Thermistor 식 | ln R = A + β/T |
| 기준점 관계 | R_T = R₀ exp{β(1/T-1/T₀)} |
| 온도 계산 | T = {1/T₀ + (1/β)ln(R_T/R₀)}⁻¹ |