온 도
비접촉식 온도센서, 적외선 온도계 Infrared Thermometer
대표적인 비접촉식 온도 센서, 적외선 온도계를 소개합니다. 흔히 IR 센서라고도 하죠. (Infrared Thermometer)
적외선 온도계와 관련하여 FAQ 형식으로 몇 가지 키워드와 함께 기본 개념을 먼저 설명하도록 하겠습니다.
이어서 차례로 복사능을 측정하는 방법, 적외선 온도측정 원리에 대해 다음 포스트에서 소개하겠습니다~
1.
온도를 측정할 때 왜 적외선 고온계를 이용해야 합니까?
사용자는 적외선 고온계를 이용해 전통적인 센서를 이용할 수 없는 곳에서 온도를 측정할 수 있습니다. 특히 움직이는 물체 (예: 롤러, 이동 기기, 컨베이어 벨트)를 다루거나, 오염이나 위험하다는 이유 (고전압 같은)로 비접촉식 측정이 필요한 경우, 거리가 너무 먼 경우, 온도가 써머커플이나 기타 접촉식 센서로 측정하기에 너무 높은 경우에 사용합니다.
2.
적외선 고온계를 선택할 때 내 사용처와 관련해 무엇을 고려해야 합니까?
적외선 고온계에 대한 중요한 고려 사항에는 시계(대상 크기와 거리), 측정할 표면의 타입 (복사능 고려 사항), 스펙트럼 반응 (대기 효과나 표면을 통한 전도에 대한), 온도 범위, 설치방식 (휴대식 또는 고정식)가 있습니다. 그리고 기타 고려 사항에는 반응 시간, 환경, 설치 한계, 뷰 포트, 창 적용, 소요 신호 처리가 있습니다.
3.
시계(Field of View)는 무엇을 의미하며, 왜 중요합니까?
시계(Field of view)는 장치가 운영하는 시야의 각도를 의미하고 장치의 시각으로 측정합니다.
정확한 온도 판독 값을 얻으려면, 측정하는 대상이 완전히 장치의 시계를 채워야 합니다. 적외선 장치가 시계 내 모든 표면의 평균 온도를 측정하기 때문에, 배경 온도가 물체의 온도와 다르면, 측정 오류가 발생할 수 있습니다.
가장 범용성 있는 표시기는 초점 거리가 20”와 60” 사이입니다. 초점 거리는 최소 스폿 지점이 나타나는 지점입니다.
예를 들어 스폿까지 거리의 크기 비율이 120:1이면, 초점 길이 60”는 최소 스폿 크기는 거리 60”에서 0.5”입니다.
근접 초점 장비는 보통 초점 길이가 0.1 – 12”이지만, 장거리 장비는 초점 거리가 대략 50’입니다.
장거리나 근접 스폿 크기에 이용하는 많은 장치에도 초점조절을 개선하기 위한 조준경이 있습니다.
대부분의 장비는 특정 거리에서 스폿 크기를 추정하는데 도움이 되는 시계 도표를 이용할 수 있습니다.
4.
복사능은 무엇이며, 적외선 온도 측정과 어떤 관계가 있습니까?
복사능 EMISSIVITY 은 주어진 온도에서 물체가 발하는 에너지 대 완전한 복사체나 흑체가 동일한 온도에서 발하는 에너지의 비율이라 정의합니다. 흑체의 복사능은 1.0입니다. 복사능의 모든 값은 0.0 및 1.0 사이에 있습니다.
IR 온도 측정 시 중요하지만 통제할 수 없는 요소인 복사능 (ε)은 무시할 수 없습니다.
복사능과 관련된 것에는 물체가 적외선 에너지를 반사하는 능력의 정도인 반사율 (R)과 물체가 IR 에너지를 전달하는 능력인 투과율 (T)이 있습니다. 모든 복사 에너지는 물체의 온도로 인해 방출(E)되거나, 전달(T)되거나, 반사(R)되어야 합니다. 복사능, 투과율, 반사율의 합인 총 에너지는 1과 같습니다.
E+T+R=1.0
적외선 측정에 적합한 표면은 복사능이 1.0인 완전한 복사체나 흑체입니다. 그러나 대부분의 물체는 완전한 복사체가 아니고, 에너지의 일부를 반사하거나 전달합니다.
대부분의 장비는 다양한 재료의 다른 복사능 값을 보상하는 기능이 있습니다. 대개 물체의 복사능이 높을수록, 적외선을 이용해 온도를 정확하게 측정하기 쉽습니다.
복사능이 매우 낮은 물체(0.2 미만)는 적외선을 이용하기 어려울 수 있습니다. 알루미늄 같이 광택이 나거나, 반짝거리는 금속성 표면은 적외선을 반사해서, 온도를 정확하게 측정하는 것이 항상 가능하지는 않습니다.
반사율은 박막 플라스틱 같은 몇 가지 특수한 용도를 제외하면 대개 전도성보다 더 중요합니다. 유기질(나무, 천, 플라스틱 등) 대부분의 복사능은 약 0.95입니다. 거칠거나 페인트를 칠한 표면도 대부분 복사능 값이 상당히 높습니다.
*그렇다면 유리창을 통하거나 이러한 종류의 표면 온도를 잴 수 있을까요?
유리나 석영을 통한 적외선 에너지 전도는 고려해야 할 중요한 요소입니다. 유리가 다소 투명한 경우 고온계에 파장이 있어야 하는데, 이 말은 온도가 높을 때만 이용할 수 있다는 의미입니다. 그렇지 않으면 유리 온도와 원하는 제품 온도의 평균 때문에 장비에 측정 오류가 발생할 것입니다.
표면이 반짝거리면, 복사능을 수동이나 자동으로 조정해서 복사능 오류를 바로잡을 수 있습니다.
복사능이 변하고 공정 문제를 일으키는 경우에 대비해 복사능 문제를 제거하는 이중 또는 다중파장 복사 측정법을 고려해보세요.
복사능 오류에 관련해 보통 많은 혼란이 있지만, 사용자는 4가지만 기억하면 됩니다:
- 적외선 센서는 본질적으로 보이지 않습니다.
- 대상이 시각적으로 반사성이라면 (거울처럼), 주의하세요 – 여러분은 원하는 대로 방출된 복사선뿐 아니라, 반사된 복사선까지 측정할 것입니다.
- 여러분이 이를 알게 되면, 여러분은 적외선 필터링을 선택해야 합니다 (예: 유리는 5μm에서 불투명합니다).
- 용도의 10분의 9는 완벽한 온도 측정이 필요치 않습니다. 반복성과, 드리프트가 없는 운영으로 면밀하게 온도를 제어할 수 있습니다.
5.
스펙트럼 반응은 무엇이며, 판독 값에 어떻게 영향을 줍니까?
장비의 스펙트럼 반응 Spectrum Response 은 취급하는 적외선 스펙트럼의 폭입니다.
가장 범용성 있는 장비(1000°F 미만 온도용)는 8 – 14 미크론 범위의 광대역 필터를 이용합니다. 이 범위는 대기 간섭(대기 온도가 장비의 판독에 영향을 줌) 없이 측정을 할 수 있기 때문에 대부분 측정 시 선호합니다.
일부 장비는 면밀히 측정할 때 이용할 수 있는 8 – 20 미크론 같은 더 넓은 필터를 이용하지만, “거리에 민감”하기 때문에 거리가 더 길어질수록 좋지 않습니다. 특수한 용도로 매우 좁은 대역을 선택할 수도 있습니다.
이 대역은 온도가 더 높은 곳에 이용할 수 있고, 대기, 화염, 가스를 투과하는 용도로 이용할 수 있습니다. 일반적인 저대역 필터는 2.2나 3.8 미크론입니다. 1500°F 이상의 고온은 보통 2.1 – 2.3 미크론 필터로 측정합니다.
기타 이용할 수 있는 대역폭은 고온의 경우 0.78 – 1.06이고, 박막 플라스틱을 통해 전도가 제한된 경우는 7.9 – 3.43이며, 최소한의 간섭으로 맑은 불꽃을 투과하는 경우는 3.8 미크론입니다.
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