5.자동제어 기기, 온도센서의 방식과 종류

2.1 온도

 

[공기조화]라 함은 『어느 특정 공간의 공기의 온도, 습도, 기류 및 청정도를 그 공간 목적에 적합한 상태로 유지하는 것」이라 정의되어 있다.
온도를 측정하거나 검출하는 방식에는 많은 방법이 있으며, 그 선택 또한 매우 어렵다. 표 2-1은 온도센서의 방식, 종류와 성능 및 주요 용도를 표시한 것이다. 그중에서 공조용 자동제어에 사용되는 것에 대해서 검토하고자 한다.

가. 바이메탈
선팽창계수가 서로 다른 2종류의 얇은 금속판을 맞붙인 것으로, 통상적으로 높은 팽창부는 황동(선팽창계수), 낮은 팽창부는 앰버(Ni : 36.5%, Fe : 63.5%의 합금 이며, 선팽창계수)를 사용한다.
주위 온도변화로 인한 신축은 곡률계수로 나타내며, 그 값은 구성하고 있는 금속편 성의 종류, 형상에 따라 다르다. 그림 2-1에서 한쪽 끝을 고정했다면 자유로운 끝의 변위 A는 다음 식과 같이 된다.

바이메탈 자체는 표면의 단위 면적당 열용량이 상당히 작기 때문에 응답이 빠르며, 또한 구조가 간단하기 때문에 견고하고 경년변화가 적으며 가격도 싸다는 장점을 가지고 있다.

곡률계수가 정해져 있기 때문에(편성된 금속에 의해) 한정된 공간 내(예컨대, 써모 스탯 안이나 삽입 식인 온도계의 보호관 안)에서 스트로크를 가득 채우기 위해 소용돌이형, 나선형, 원호형 등 다양한 종류가 있다.

나. 액체 팽창 또는 증기압형
주로 실내형 온도조절기에 사용되는 엘리멘트로서는 실드벨로우즈나 다이어프램 캡슐 안에 팽창성인 액체(예컨대, 톨루엔, 프레온, 에틸에텔 등)를 일부 또는 전부에 걸쳐 주입하고 엘리멘트 주위의 온도변화에 의한 액체 또는 기체의 팽창, 수축을 기계적인 변위로서 받아내어 확대 시스템을 통해 전기접점 또는 포텐쇼메타를 작용시킨다.

삽입 식 온도조절기(덕트 내부나 냉·온수 배관 내의 온도를 제어하는 조절기)인 경우에는 그림 2-2와 같은 구성이 된다.
감온통(이 부분이 덕트 내부나 냉• 온수 배관 내부에 삽입된다) 주위의 온도변화에 의해 주입액이 팽창된다. 이로써 생긴 주입액의 변화는 조절기 내부의 다이어프램의 변위가 되고 확대 시스템을 통해 전기접점 또는 포텐쇼메타를 작동시킨다. 

다. 금속 측온저항체
일반적으로 금속선의 전기 저항치는 온도에 따라 변한다. 따라서, 전기 저항치를 주 정함으로써 온도를 알 수 있다.
측온 저항체로 사용되는 금속은 아래 사항이 요구된다.
  정밀도(직선성, 재현성, 반복성, 안정성을 포함)가 양호할 것
  감도(저항치 변화율 : 온도가 1°C 오르면 저항치가 어느 정도 변화하는가의 비율)가 높을 것
현재 공기조화 분야에서 많이 사용되고 있는 금속 측온저항체는 다음과 같다.
가) 백금 측온저항체

백금 측온저항체는 금속 측온저항체로서 유일하게 KS 규격화되어 있는 점으로도 알 수 있듯이 측온저항체로서의 조건(정밀도, 안정성, 응답성 등)을 잘 갖추고 있으며, 저항치 변화율이 비교적 작은 점과 다소 값이 비싸다는 점을 제외하면 가장 뛰어난 측온저항체라 할 수 있다. 여기에는 O°C에서의 기준 저항치가 502인 것과 1008인 것이 규격화되어 있다.
공기조화설비 관계에서는 열원 주위 등 사용온도범위가 넓으며 정밀도가 요구되는 부분에 공업계기와 조합하여 사용되고 있다.
나) 니켈 측온저항체
「안정된(온도특성이 균일한) 소선을 얻기가 비교적 곤란」하다고 하여 KS 규격화되어 있지는 않지만 균일한 특성을 얻기 위해 니켈 선과 직렬로 다른 저항선 등을 접속하여 호환성을 향상하고 있다.
니켈 측온저항체는(백금에 비해) 저항치 변화율이 높고(즉 가격이 저렴하며, (일반 공기조화에서 흔히 사용하는) 상온 부근에서의 특성이 안정되어 있다는 사유로 인해 백금 측온저항체와 마찬가지로 널리 사용되고 있다. 특히, 특수 품으로서 각종 항온실, 연구실 등 정밀도가 높은 온도제어가 요구되는 장소에는 특별한 구조로 된 고감도 온도 검출기나 축열조 등 온도측정용으로써 삽입 길이가 길며 내습성을 고려한 제품 등이 비치되어 있다.
또한, 측온저항체에 의해 온도계측을 하는 경우에 측온저항체와 계기 사이의 결선 방법에는 2선식과 3선식이 있다. 그 이유에 대해 설명한다.
전자식 온도제어시스템의 입력회로는 거의 모든 경우 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 회로가 기본이 되어있다. 휘트스톤 브리지 회로는 잘 알려져 있듯이 그림2-3(a)에 표시한 바와 같이 브리지 회로이며, ab 사이에 전압 E를 인가했을 때 키르히호프의 법칙에 의해 이 브리지회로의 평형조건은 다음과 같이 된다.
(ac 사이의 저항치)×(db 사이의 저항치)=(ad 사이의 저항치)x(cb 사이의 저항치)
(2.1)
R1 • R4=R2 • R3•••••••••(2.1)
이때 a 점에 대해 c 점과 d 점의 전위차는 같으며, cd 사이에 전류가 흐르지 않기 때문에 검류계 G의 바늘은 흔들리지 않는다.

R, 대신에 측온저항체 Rx를 삽입하면 그림 2-3(b)과 같이 되며, 브리지의 평형조건
은 (2.2) 식과 같이 된다.
R1•R4=R3s • Rx •••••••••••(2.2)

이제 브리지가 평형상태에 있을 때 측온저항체의 주위 온도가 상승하여 저항치가 커지면 (2.2)식은 (2.3)식이 된다.

R1•R4<R3 • Rx •••••••••••(2.3)

 

따라서 C점의 전위쪽이 d점의 전위보다 높아지고 Io는 c점으로부터 d점으로 흐르고 검류계 G의 바늘은 +쪽으로 간다. 이 검류계를 전류치 대신에 온도로 눈금을 만들어 두면 그 때의 온도를 알 수가 있다.

측온저항체를 사용하여 온도측정을 하는 경우에 도선저항이 어떻게 영향을 미치는가를 생각해 보면 그림 2-3(c)에 나타난 바와 같이 2선식 배선방법인 경우 측온저항체의 저항치를 Rx, 도선저항을 RI1=l1 RI2 =RI이라 하면 브리지의 평형조건은 (2.4)식이 된다.

R1•R4=R3 •(RI1+Rx+ RI2)=R3•(Rx+2Rl) •••••••••••(2.4)

 

cd 사이에 전류가 흐르지 않으므로 cb 사이에는 ac 사이와 같은 전류 L1이 흐르고, 또한 db 사이에는 ad 사이와 같은 전류l2가 흐른다. (2.2)식과 비교해 보면 브리지의 평형조건에 2RI이 더해지고 결과적으로 도선에 의해 L1 • 2RI의 전압강하가 발생되며 이것이 오차로서 나타난다. 따라서 배선거리를 길게 취할 수가 없게 된다