[논문]극저온 냉동기를 이용한 온도센서 교정시스템 개발

김명수; 최연석; 김동락

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.1.087

극저온 냉동기를 이용한 온도센서 교정시스템 개발
Development of Temperature Sensor Calibration System Using Cryocooler 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.1 = no.328, 2013년, pp.87 - 93

김명수 (한국기초과학지원연구원) , 최연석 (한국기초과학지원연구원) , 김동락 (한국기초과학지원연구원)

초록
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극저온시스템에서는 측정하려는 온도의 범위, 온도센서의 형상 및 정확도 등을 고려하여 온도센서를 선택하여 사용한다. 이 중 온도센서의 정확도는 실험 신뢰성의 매우 중요한 요소이다. 극저온용 온도센서의 교정을 위해서 2단 극저온냉동기를 이용하여 시스템을 개발하였다. 극저온냉동기의 1단부에 열 차폐층을 설치하고 MLI(Multiple layer insulation)을 이용하여 외부로 부터의 열 침입을 최소화 하였다. 그리고 시간과 비용의 절약을 위해 동시에 다수의 온도센서를 교정하기 위한 센서홀더를 개발하여 20개 이상의 센서를 동시에 교정할 수 있도록 하였다. 또한 히터를 사용하여 온도조절을 통해 다양한 온도에서의 온도교정이 가능하도록 하였다. 본 논문에서는 온도센서 교정시스템의 설계 및 제작 그리고 대표적인 온도 교정 실험 결과를 소개한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The selection of the temperature sensor in a cryogenic system depends on the temperature range, shape, and accuracy. An accurate temperature sensor is essential for improving the reliability of an experiment. We have developed a calibration system for cryogenic temperature sensors using a two-stage cryocooler. To reduce the heat load, a thermal shield is installed at the first stage with multiple layer insulation (MLI). We have also developed a sensor holder for calibrating more than 20 sensors simultaneously in order to save time and reduce costs. This system can calibrate sensors at variable temperatures via temperature control using a heater. In this paper, we present the design and fabrication of the temperature sensor calibration system and a representative experimental result.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

소형 극저온 냉동기를 흡열원으로 사용하여 극저온 유체로 얻을 수 없는 넓은 온도 영역에서 온도센서의 교정이 가능하며 정확성 및 반복성 검증을 위한 연속 실험이 가능하다. 또한 액체헬륨 이하의 낮은 온도까지 온도센서의 교정을 위하여 센서홀더로 유입되는 열침입량을 최소화하기 위해 시스템을 최적화하였다. 본 논문에서는 극저온 냉동기를 이용한 온도센서 교정시스템의 설계 및 제작 그리고 온도교정 결과를 자세히 소개한다.
또한 액체헬륨 이하의 낮은 온도까지 온도센서의 교정을 위하여 센서홀더로 유입되는 열침입량을 최소화하기 위해 시스템을 최적화하였다. 본 논문에서는 극저온 냉동기를 이용한 온도센서 교정시스템의 설계 및 제작 그리고 온도교정 결과를 자세히 소개한다.
본 연구에서는 극저온시스템의 정밀한 온도 측정을 위해서 간편하고 경제적으로 온도센서의 교정을 위한 시스템을 개발하였다. 소형 극저온 냉동기를 흡열원으로 사용하여 극저온 유체로 얻을 수 없는 넓은 온도 영역에서 온도센서의 교정이 가능하며 정확성 및 반복성 검증을 위한 연속 실험이 가능하다.

제안 방법

2단 극저온 냉동기를 이용하여 3 K에서 상온까지 동시에 20개 이상의 온도 센서를 정밀하게 교정을 할 수 있는 시스템을 개발하였다. 최적화된 설계를 통해 센서홀더로의 열침입량을 최소화하여 최저온도까지 교정할 수 있게 하였으며 교정신뢰성 및 반복성 향상을 위해 연속운전 할 수 있도록 제작하였다.
2단부의 열 침입량을 테이블1에 요약된 제원을 사용하여 예측하였다. 극저온냉동기의 냉각곡선⁽⁶⁾에서 1단부의 온도는 2단부의 냉각부하에 크게 영향을 받지 않으므로 1단부의 총 열 침입량이 1.
외부로 부터의 열침입을 고려하여 냉동기의 1단부와 2단부에 열차폐층을 설치하였으며 1단부 열 차폐층 상판에 센서 중간연결부를 설치하여 센서들을 필요에 따라 분리하거나 교체할 수 있도록 하였다. 2단부의 열차폐층 상판과 센서홀더는 냉동기의 2단 냉각부와 볼트를 이용해서 조립하였으며 금속면 사이에 열전도도가 우수한 써멀그리스를 삽입하여 냉동부로부터 센서홀더까지 열전달이 향상되도록 하였다. 정밀한 계측을 위하여 극저온냉동기의 진동에 의한 신호 잡음을 최소화하기 위해 냉동기과 테이블사이의 지지대에 고무 패드를 설치하였다.
망가닌선으로 만든 히터는 소형 DC 전원공급장치를 이용하여 전류를 조절하였다. 냉동기를 이용해서 최저온도까지 냉각시킨 다음 히터를 이용하여 2단부의 온도를 45 K 부근까지 가열하며 참조센서의 온도와 온도교정이 필요한 센서들의 온도에 따른 저항값을 수집하였다. 이와 같은 방법으로 센서홀더의 가열과 냉각과정을 여러 차례 반복하였으며 마지막으로 냉동기의 전원을 차단한 후 자연적으로 온도가 상승할 때 온도에 따른 저항값을 측정하여 상호 비교함으로서 온도교정의 정확성을 높였다.
본 실험에서 온도교정 대상 센서는 Cernox센서를 사용하였다. 망가닌선으로 만든 히터는 소형 DC 전원공급장치를 이용하여 전류를 조절하였다. 냉동기를 이용해서 최저온도까지 냉각시킨 다음 히터를 이용하여 2단부의 온도를 45 K 부근까지 가열하며 참조센서의 온도와 온도교정이 필요한 센서들의 온도에 따른 저항값을 수집하였다.
온도센서 교정시스템의 외부로부터 1단부로 유입되는 총열유입량을 테이블1에 요약된 제원을 사용하여 예측하였다. Fig.
진공용기를 두 부분으로 나누어 조립의 편의성을 고려했으며 진공용기 1단부에는 극저온냉동기가 부착되고, 다수의 온도센서를 교정하기 위해서 6개의 진공커넥터를 통해 데이터수집과 히터조절을 위한 구리선을 삽입하였다. 외부로 부터의 열침입을 고려하여 냉동기의 1단부와 2단부에 열차폐층을 설치하였으며 1단부 열 차폐층 상판에 센서 중간연결부를 설치하여 센서들을 필요에 따라 분리하거나 교체할 수 있도록 하였다. 2단부의 열차폐층 상판과 센서홀더는 냉동기의 2단 냉각부와 볼트를 이용해서 조립하였으며 금속면 사이에 열전도도가 우수한 써멀그리스를 삽입하여 냉동부로부터 센서홀더까지 열전달이 향상되도록 하였다.
냉동기를 이용해서 최저온도까지 냉각시킨 다음 히터를 이용하여 2단부의 온도를 45 K 부근까지 가열하며 참조센서의 온도와 온도교정이 필요한 센서들의 온도에 따른 저항값을 수집하였다. 이와 같은 방법으로 센서홀더의 가열과 냉각과정을 여러 차례 반복하였으며 마지막으로 냉동기의 전원을 차단한 후 자연적으로 온도가 상승할 때 온도에 따른 저항값을 측정하여 상호 비교함으로서 온도교정의 정확성을 높였다.
2단부의 열차폐층 상판과 센서홀더는 냉동기의 2단 냉각부와 볼트를 이용해서 조립하였으며 금속면 사이에 열전도도가 우수한 써멀그리스를 삽입하여 냉동부로부터 센서홀더까지 열전달이 향상되도록 하였다. 정밀한 계측을 위하여 극저온냉동기의 진동에 의한 신호 잡음을 최소화하기 위해 냉동기과 테이블사이의 지지대에 고무 패드를 설치하였다.
7은 제작한 온도센서 교정시스템의 사진이다. 진공용기를 두 부분으로 나누어 조립의 편의성을 고려했으며 진공용기 1단부에는 극저온냉동기가 부착되고, 다수의 온도센서를 교정하기 위해서 6개의 진공커넥터를 통해 데이터수집과 히터조절을 위한 구리선을 삽입하였다. 외부로 부터의 열침입을 고려하여 냉동기의 1단부와 2단부에 열차폐층을 설치하였으며 1단부 열 차폐층 상판에 센서 중간연결부를 설치하여 센서들을 필요에 따라 분리하거나 교체할 수 있도록 하였다.
진공펌프를 이용해서 실험동안 진공상태를 유지하며 미세 잔류가스에 의한 열전도를 최소화하고, 온도센서 2개를 참조용으로 사용하였다. 참조용 센서의 온도를 모니터 하고 동시에 교정하려는 센서들의 각 온도에서의 저항값을 수집하였다. 본 실험에서 온도교정 대상 센서는 Cernox센서를 사용하였다.
2단 극저온 냉동기를 이용하여 3 K에서 상온까지 동시에 20개 이상의 온도 센서를 정밀하게 교정을 할 수 있는 시스템을 개발하였다. 최적화된 설계를 통해 센서홀더로의 열침입량을 최소화하여 최저온도까지 교정할 수 있게 하였으며 교정신뢰성 및 반복성 향상을 위해 연속운전 할 수 있도록 제작하였다. 온도센서 교정실험결과 액체질소온도 이하에서 참조데이터 대비 약 0.
10은 센서1의 55 K 이하에서 반복 측정한 저항값을 그린 그림이다. 히터의 전류를 0부터 1.6 A까지 0.2 A간격으로 상승시키면서 실험하였다. 1, 2차 가열실험에서 측정한 저항값은 온도를 자연 상승하면서 측정한 저항값과 비교하여 0.

대상 데이터

9는 온도교정시스템의 초기 냉각곡선이다. 교정시스템의 온도 계측은 제조회사에서 교정한 온도센서를 사용하였으며 PT1은 냉동기의 1단 냉동부, PT2는 1단부 열 차폐층, CX1은 냉동기의 2단 냉동부, CX2은 센서홀더의 온도이다. 1단 냉동부와 2단 냉동부가 최저온도까지 냉각되는데 소요되는 시간은 각각 약 70분, 110분이었으며 온도는 각각 28 K미만, 3.
25 K 이었다. 따라서 본 실험에서는 3.25 K부터 상온까지의 온도교정 데이터를 확보할 수 있었다.
참조용 센서의 온도를 모니터 하고 동시에 교정하려는 센서들의 각 온도에서의 저항값을 수집하였다. 본 실험에서 온도교정 대상 센서는 Cernox센서를 사용하였다. 망가닌선으로 만든 히터는 소형 DC 전원공급장치를 이용하여 전류를 조절하였다.
계측선의 발열량은 식 (6)을 이용하여 구할 수 있으며 온도계측을 위한 구리선과 히터의 전류공급을 위한 구리선으로의 길이와 전류가 서로 다르기 때문에 나누어 계산하였다. 온도계측을 위한 구리선의 수는 80, 길이는 0.45 m, 전류는 0.001 A이며 히터의 전류공급을 위한 구리선의 수는 2, 길이는 1.9 m, 전류는 0.5 A이다. 비저항은 8.
8은 온도 교정실험을 위한 시스템 전체의 사진이다. 진공펌프를 이용해서 실험동안 진공상태를 유지하며 미세 잔류가스에 의한 열전도를 최소화하고, 온도센서 2개를 참조용으로 사용하였다. 참조용 센서의 온도를 모니터 하고 동시에 교정하려는 센서들의 각 온도에서의 저항값을 수집하였다.

데이터처리

을 제공한다. 온도교정실험 결과값을 제공된 데이터와 비교하여 실험의 정확도를 판단하였다. 테이블 2는 제조사로부터 제공된 액체질소와 액체헬륨 온도에서의 저항값과 실제 실험을 통해 측정된 저항값을 비교한 표이다.

성능/효과

2 A간격으로 상승시키면서 실험하였다. 1, 2차 가열실험에서 측정한 저항값은 온도를 자연 상승하면서 측정한 저항값과 비교하여 0.03% 이내의 반복성이 관찰되었다. 이 결과를 이용하여 센서 1의 고유 교정식과 계수를 얻었으며 식은 아래와 같고 계수는 Fig.
7465 mW 이다. 계산결과 계측선의 발열이 가장 크다는 것을 알 수 있다. 이는 망가닌선이 구리선과 비교하여 작은 단면적과 높은 비저항을 가지며 계측선의 수가 많기 때문이다.
하지만 MLI가 일정 수 이상 증가할 때에는 복사열전달량의 감소폭이 작아지는 것을 알 수 있다. 본 시스템에는 1단부 열 차폐층에 20개의 MLI를 설치하였으며 이 때 복사열전달량은 약 0.09 W로 MLI를 사용하지 않을 때와 비교하여 96% 이상을 감소시켰으며, 이때 1단부의 총 열침입량은 1.52 W 이다.
실제 실험 결과와 비교하였을 때 4.2 K에서 약 0.04%, 20 K에서 약 0.03%, 50 K에서 0.001% 이내의 오차를 보였다.
실험결과 1번 온도 센서는 히터를 이용한 1차, 2차 실험에서 각각 4.203 K에서 266.12 Ω, 4.201 K에서 266.07 Ω의 값을 얻었으며 히터를 이용하지 않은 자연온도상승시에는 4.205 K에서 265.99 Ω이 측정되어 참조값과 비교하여 0.003-0.04%의 오차가 있었으며 77.3 K에서는 77.46 Ω으로 0.05%의 오차가 있었다.
최적화된 설계를 통해 센서홀더로의 열침입량을 최소화하여 최저온도까지 교정할 수 있게 하였으며 교정신뢰성 및 반복성 향상을 위해 연속운전 할 수 있도록 제작하였다. 온도센서 교정실험결과 액체질소온도 이하에서 참조데이터 대비 약 0.06% 오차의 정확성을 보였으며 0.03% 오차이내의 반복성을 검증하였다. 본 시스템을 이용하여 극저온 온도센서를 교정하여 다양한 극저온시스템에 활용할 예정이다.

후속연구

03% 오차이내의 반복성을 검증하였다. 본 시스템을 이용하여 극저온 온도센서를 교정하여 다양한 극저온시스템에 활용할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RTD는 어떤 센서들이 사용되는가?	이 중 온도센서의 정확도는 실험의 신뢰성을 위해서 매우 중요한 요소이다. 극저온용 온도센서로 많이 사용되는 RTD(Resistance temperature detector)는 14-873 K 온도 범위의 PT(Platinum resistance thermometers)센서와 1.4-325 K 온도 범위의 CernoxTM센서가 대표적으로 사용된다. 극저온 온도센서가 정밀하게 교정되었을 때는 넓은 온도측정 범위에서 높은 신뢰성과 정확성을 갖기 때문에 온도센서 교정은 극저온시스템 개발의 필수 조건이다.
	극저온에서 사용하는 온도센서은 무엇을 고려하여 선택해야 하는가?	극저온에서 사용하는 온도센서는 측정하는 온도 범위, 정확도, 반응속도, 크기 등을 고려하여 선택해야 한다. 이 중 온도센서의 정확도는 실험의 신뢰성을 위해서 매우 중요한 요소이다.
	Kamran 등(3)의 연구에서는 PT센서를 참조센서로 사용하여 DUT(Device-under-test)를 열전도가 좋은 기름에 담궈 온도조절오븐을 이용하여 온도교정을 하였는데 이 연구의 문제점은 무엇인가?	그리고 Kamran 등(3)의 연구에서는 PT센서를 참조센서로 사용하여 DUT(Device-under-test)를 열전도가 좋은 기름에 담궈 온도조절오븐을 이용하여 온도교정을 하였다. 이러한 유체를 흡열원으로 사용하게 되면 특정한 온도에서는 온도 교정이 가능하지만 온도교정 범위가 한정된다. 그리고 액체질소나 헬륨의 경우에는 지속적으로 증발하기 때문에 장시간의 실험이 어렵다.

참고문헌 (7)

Szmyrka-Grzebyk, A., Szmyrka-Grzebyk, A., Lipinski, L., Manuszkiewicz, H., Kowal, A., Grykalowska, A. and Jancewicz, D., 2011, "Measuring Systems for Thermometer Calibration in Low-Tmeperature Range" SpringerLink Int J Thermlphys 32, pp. 2466-2476.

상세보기
Rickeston, B.W.A. and Watkins, R.E.J., 2009, "The 27Ω Rhodium-Iron Ceramic Sensor" Cryogenics, Vol. 49, pp. 320-325.

상세보기
Souri, K. and Makinwa, K., 2011 "Ramp Calibration of Temperature Senosors" IEEE 4th Internaional Workshop, pp.67-70.
Incropera, F. P. and DeWitt, D. P., 2002, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons, Inc., New York.
White, G. K., 1979, Experimental Techniques in Low-Temperature Physics, Clarendon press, Oxford, pp. 127-131.
SRDK-408D2 4K-Cryocooler Manual., http://www.shicryogenics.com
Temperature Measurement and Control Catalog., http://www.lakeshore.com

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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