비접촉식 온도 센서란?
비접촉식 온도 센서는 측정 대상에 직접 부착하지 않고도 온도를 감지할 수 있는 센서입니다.
물체가 방출하는 적외선이나 중성자 입사 시 산란 등을 이용합니다. 시중에 나와 있는 비접촉식 온도 센서는 대부분 적외선을 이용한 센서입니다. 감지 소자를 이용해 적외선을 감지하고, 방사율을 이용해 측정 대상의 온도를 계산합니다. 방사율은 물체마다 정해져 있는 표면 온도에 대한 적외선량을 의미하며, 비접촉식 온도센서 사용 시 필요합니다.
비접촉식 센서는 측정할 수 있는 범위와 거리가 정해져 있으며, 측정할 수 있는 범위를 스팟 직경이라고 합니다. 측정하는 물체나 사람보다 스팟 직경이 작을수록 안정적으로 온도를 측정할 수 있습니다. 또한, 고온의 물체를 측정하는 경우에는 비접촉식 온도센서 자체가 가열되어 파손되는 것을 방지하기 위해 냉각을 하는 등의 고안이 필요합니다.
비접촉식 온도 센서의 사용 용도
비접촉식 온도센서는 일상생활에서 산업용으로까지 다양하게 사용되고 있다. 다음은 비접촉식 온도 센서의 사용 용도의 일례입니다.
- 식품 공장에서 베이킹 공정의 식품 온도 측정
- 산업용 제품 도장 후 건조 정도 측정을 위한 온도 측정
- 선반 내 제품 온도 분포 측정
- 체온 측정
접촉식 온도 센서로 측정하기 어려운 상황이나 측정할 수 없는 측정 대상에 사용됩니다. 구체적으로 이동하거나 회전하는 물체에 사용합니다.
또한 체온 측정에도 활용됩니다. 음식점이나 사무실 출근 시 등 다양한 상황에서 활용되고 있습니다. 옆으로 끼우는 접촉식 체온계에 비해 온도 측정이 빠르다는 점과 사용 후 매번 소독할 필요가 없어 위생적이라는 장점이 있습니다.
반면, 적외선을 이용하기 때문에 환경 온도나 햇빛 등 외부 환경의 영향을 많이 받습니다. 또한, 접촉식에 비해 정확도가 떨어집니다 실제로 비접촉식 센서를 활용할 장소를 고려하면서 온도 산출 방법의 조정, 환경 정비 등의 고안이 필요합니다.
비접촉식 온도 센서의 원리
적외선을 이용한 비접촉식 온도센서는 집광렌즈, 써모파일, 증폭 증폭기, 연산장치로 구성되어 있다. 다음과 같은 순서로 온도를 측정합니다.
1. 적외선 집광
적외선은 0.7~1,000μm의 보이지 않는 빛입니다. 이 주파수 범위에서 0.7㎛~20㎛의 주파수만이 실용적인 온도 측정에 사용됩니다.
이를 적외선 집광 렌즈를 사용하여 집광합니다. 써모파일이 감지할 수 있는 파장대의 적외선을 집광함으로써 측정 정확도를 향상시킬 수 있습니다.
2. 전기 신호로 변환
써모파일을 이용하여 적외선을 전기 신호로 변환하여 출력합니다. 적외선에 의해 가열된 온도에 따라 전기 신호를 출력하는 적외선 감지 소자가 써모파일입니다.
써모파일 내에는 여러 개의 열전대가 온접점이 중앙을 향하도록 직렬로 연결되어 있고, 그 온접점이 향하는 중앙에는 적외선 흡수막이 설치됩니다. 렌즈에 모아진 빛은 온접점 부분에만 닿기 때문에 바깥쪽에 있는 냉접점 측과 온도차가 발생합니다. 이로 인해 제벡 효과에 의해 전압차가 발생하여 온도 측정이 가능한 구조입니다.
3. 전기 신호의 증폭
증폭 앰프를 사용하여 써모파일에서 발산되는 전기 신호를 증폭합니다. 증폭을 통해 보다 정밀한 검출이 가능합니다.
4. 방사율로부터 온도 산출
측정 대상의 온도를 계산하기 위해 보정을 실시합니다. 보정에는 방사율을 사용합니다. 방사율은 물체마다 일정한 값을 가지며, 물체의 표면 온도에 대한 적외선 방출량의 비율입니다.
써모파일이 변환한 전기 신호에서 감지한 적외선의 양과 미리 측정해 둔 측정 대상의 방사율을 이용하여 계산함으로써 측정 대상의 온도를 산출합니다.
비접촉식 온도 센서의 종류
비접촉식 온도센서는 크게 휴대용과 설치형으로 구분됩니다.
1. 휴대형
사람이 손에 들고 측정합니다. 전원이 필요 없기 때문에 간편하게 휴대할 수 있습니다. 가볍고 소형이며, 대략 수천~수만 원 정도의 저렴한 제품이 많습니다.
2. 설치형
측정 대상이 기기 앞을 지나가면 사람을 거치지 않고 자동으로 온도를 측정할 수 있습니다. 열화상 카메라 등을 결합한 제품이 많으며, 대략 수십만~수백만원 등 고가의 제품이 많습니다. 측정을 위해 기기를 만질 필요가 없으며, 기기에 따라 0.5~1.5m 정도 떨어진 곳에서도 측정이 가능합니다.