기계공학실험: 써미스터를 이용한 온도측정 시스템

문서 내 토픽

1. 써미스터(Thermistor)

써미스터는 Ni, Co, Mn, Fe, Cu 등의 금속산화물 분말을 소결 압축시킨 소자로, 온도에 따라 저항값이 변화하는 성질을 이용한 열 가변 저항기이다. NTC 써미스터는 온도 측정 모드에서 소비전력이 작을 때 주위 온도 변화에 따른 전기저항 변화를 이용하여 정확한 온도측정, 제어, 보상을 수행할 수 있다. 온도계수 변화 특성에 따라 NTC, PTC, CTR로 분류되며, 일반적으로 NTC 써미스터가 가장 널리 사용된다.
2. LabVIEW 블록 다이어그램 구성

실습에서 사용한 LabVIEW 블록 다이어그램은 상단부, 중간부, 하단부로 구성된다. 상단부는 버추얼 채널 생성, 태스크 시작, DAQmx 읽기, 태스크 정지 등의 기능을 수행한다. 중간부는 Calibration 식을 구현하여 전압을 저항으로 변환한 후 온도를 계산한다. 하단부는 파일 열기/생성, 날짜/시간 포맷, 문자열 연결, 텍스트 파일 쓰기 등의 기능으로 데이터를 저장한다.
3. 온도센서의 원리

온도센서는 RTD(저항 온도 센서), 열전대(Thermocouple), 써미스터 등이 있다. RTD는 온도 변화에 따른 저항 수치 변화를 이용하며 높은 정확도를 가진다. 열전대는 제백효과를 이용하여 두 종류의 금속 접점의 온도차에 의해 발생하는 기전력을 측정한다. 제백효과, 펠티에효과, 톰슨효과는 열과 전기의 상호작용을 설명하는 기본 효과들이다.
4. Calibration 식을 이용한 온도 계산

써미스터 전압이 1.3V일 때 온도를 구하기 위해 분압식 V_th = R_th/(R_f + R_th) × V_s를 이용하여 R_th를 구한다. 10kΩ 저항의 평균값 9.6kΩ을 사용하면 R_th ≈ 7.341kΩ이다. Calibration 식 T = (1/-0.0452) × ln(R/29.9578)에 대입하면 약 37.048℃의 온도값을 얻을 수 있다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 써미스터(Thermistor)

써미스터는 온도 변화에 따라 저항값이 크게 변하는 반도체 소자로, 온도 측정 및 제어 시스템에서 매우 유용합니다. NTC(음의 온도 계수) 써미스터는 온도가 증가하면 저항이 감소하는 특성을 가지며, 이는 비선형적인 응답 특성을 보입니다. 써미스터의 장점은 작은 크기, 빠른 응답 속도, 높은 감도 등이 있어 의료기기, 자동차, 산업용 온도 제어 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 다만 비선형 특성으로 인해 정확한 온도 측정을 위해서는 캘리브레이션이 필수적이며, 측정 범위가 제한적이라는 단점이 있습니다. 전자 회로 설계 시 써미스터의 특성을 충분히 이해하고 적절한 신호 처리 회로를 구성하는 것이 중요합니다.
2. LabVIEW 블록 다이어그램 구성

LabVIEW의 블록 다이어그램은 시각적 프로그래밍 방식으로 복잡한 계측 및 제어 시스템을 직관적으로 구현할 수 있는 강력한 도구입니다. 데이터 흐름 기반의 구조로 인해 병렬 처리가 용이하며, 다양한 내장 함수와 라이브러리를 활용하여 신속한 개발이 가능합니다. 블록 다이어그램 구성 시 명확한 데이터 흐름, 적절한 루프 구조, 에러 처리 등을 고려하면 유지보수가 용이한 코드를 작성할 수 있습니다. 다만 복잡한 알고리즘 구현 시 코드의 가독성이 떨어질 수 있으며, 텍스트 기반 프로그래밍에 비해 학습 곡선이 있습니다. 효율적인 블록 다이어그램 설계는 시스템의 성능과 안정성을 크게 향상시킵니다.
3. 온도센서의 원리

온도센서는 열에너지를 전기신호로 변환하는 장치로, 다양한 물리적 원리에 기반합니다. 써미스터는 반도체의 저항 변화를, RTD(저항온도계)는 금속의 저항 변화를, 열전대는 두 금속의 접점에서 발생하는 기전력을 이용합니다. 각 센서는 고유한 특성을 가지며, 측정 범위, 정확도, 응답 속도, 비용 등에서 차이가 있습니다. 온도센서의 원리를 정확히 이해하면 적절한 센서 선택과 신호 처리 방법을 결정할 수 있습니다. 실제 응용에서는 센서의 비선형성, 히스테리시스, 드리프트 등의 특성을 고려하여 보정 알고리즘을 적용해야 정확한 온도 측정이 가능합니다.
4. Calibration 식을 이용한 온도 계산

캘리브레이션은 센서의 비선형 특성을 보정하여 정확한 온도 측정을 가능하게 하는 필수 과정입니다. 써미스터의 경우 Steinhart-Hart 방정식이나 베타 계수 모델 등의 캘리브레이션 식을 사용하여 저항값을 온도로 변환합니다. 다항식 피팅이나 선형 보간 등의 방법으로도 캘리브레이션을 수행할 수 있으며, 측정 범위와 정확도 요구사항에 따라 적절한 방법을 선택해야 합니다. 정확한 캘리브레이션을 위해서는 알려진 온도에서 여러 기준점을 측정하고, 이를 바탕으로 캘리브레이션 식의 계수를 결정합니다. 주기적인 재캘리브레이션을 통해 센서의 드리프트를 보정하면 장기간 안정적인 온도 측정이 가능합니다.

주제 연관 리포트도 확인해 보세요!