적외선온도계 원리
① : 빛을 이용한 비접촉식 방식
적외선(IR) 이란
실생활에서 적외선이라는 단어를 접하는 경우가 많습니다. 적외선 카메라, 적외선 온도계, 적외선 장치 등 “적외선”이란 용어가 들어간 장비들도 한 번씩은 들어본 경험을 갖고 있습니다.
이와 같이 적외선과 연관된 제품은 무수히 많지만, 이번 포스팅에서는 온도측정에 관련된 것을 기준으로 깊이 있는 내용 보다는 기본적인 이해를 도모하고자 합니다.
우선 적외선을 한자로 보면, '赤外線' 붉은 빛의 바깥쪽에 존재하는 영역의 빛을 의미합니다. 우리는 흔히 무지개를 '빨주노초파남보'라고 색을 표현합니다. 이것은 우리가 눈으로 볼 수 있는 색깔 즉 빛의 영역입니다. 이를 사람이 볼 수 있는 빛이라고 일컬어 “가시광선”이라 부르고, 0.38㎛~0.75㎛의 파장대역에 해당합니다. 사람이 볼 수 있는 빛은 전체 빛의 범위에서 아주 작은 범위만을 볼 수 있는 것인데, 왜냐하면 아래 그림에서 볼 수 있듯이 빛의 영역은 너무도 넓게 분포하고 있기 때문입니다.
인간의 눈으로는 구분할 수 없는 빛 중 가시광선에 인접해 있는 빛의 종류로 자외선(UV, Ultra Violet)과과 적외선(IR, Infrared)이 있습니다.
이 중에 적외선에 해당하는 빛을 이용하는 장치 중에 온도측정을 목적으로 하는 것들이 있습니다. 이들은 흔히 적외선 온도계, IR 온도계, IR 센서, 또는 파이로메터(Pyrometer)로 불려집니다.
그렇다면 왜 온도를 측정하는 데 적외선을 사용하는 것일까요?
첫째는, 직접 접촉하여 측정할 수 없는 경우에 때문입니다.
제철공장에서의 달구어진 쇳덩이, 지금 방금 만들어진 유리병, 진공 챔버 내에서 가열되는 반도체 등 움직이는 상태이거나 직접 접촉할 수 없는 측정 대상물인 경우에 비접촉식으로 적외선을 이용합니다.
둘째는, 빛을 이용하여 비접촉으로 측정할 경우 물체의 온도에 따른 에너지 전달량이 가시광선의 10만 배에 해당하기 때문에 측정이 유리하기 때문입니다.
절대온도 -273℃ 이상의 모든 물체는 그 온도에 해당하는 만큼의 적외선을 방출하므로 그 광자의 양을 측정하면 거꾸로 그 물체의 온도를 가늠할 수 있게 됩니다.
셋째는, 주위의 공기를 포함한 매질을 통해 열평형이 이루어진 온도를 측정하는 것 보다, 더 직접적인 성질의 빛이 측정에 유리하기 때문입니다.
이 성질 때문에 즉각적인 측정이 가능하고 필요에 따라서는 거울로 반사시켜서, 또는 창(View port window)
을 통해서 안쪽의 온도를 측정할 수도 있게 됩니다.
[출처] 적외선온도계 원리 ① : 빛을 이용한 비접촉식 방식|작성자 wwsoptic
적외선온도계 원리 ② : 온도 측정 원리
절대 영도인 -273 ℃ 이상의 모든 물체는 자신의 온도에 따라 에너지를 방출하거나 흡수하게 됩니다. 즉,물리적으로 온도의 평형을 이루기 위해 에너지의 이동이 있는 것입니다.
우리가 비접촉식으로 그 물체의 온도를 측정하려면, 그 물체에서 방출되는 에너지의 양을 가늠하여 판단하게 됩니다. 대부분은 방출되는 적외선을 이용하여 측정하게 되고, 어느 파장대의 적외선을 이용할 것인지에 의해 몇 가지 디텍터(detector)로 온도계의 종류가 나뉩니다.
이 디텍터의 종류에 대해서는 다음에 이야기 하기로 하고, 디텍터를 포함한 일반적인 온도계의 원리를 간단히 살펴보도록 하겠습니다.
그림에서 보듯이 온도계는 렌즈, 필터, 디텍터, 증폭회로, 선형회로를 거쳐 출력에 해당하는 구조로 되어 있습니다.
우선 렌즈는 대상 물체에서 발산하는 빛을 모아주는 역할을 합니다. 여기서 명확히 하고 넘어갈 것은, 가끔 적외선 온도계에서 빛을 발사해서 돌아오는 빛을 측정하는 것으로 오해하는 사람들이 많은데 실은 적외선 온도계로부터 방출되는 유일한 빛은 측정위치를 표시하기 위한 포인터가 대부분입니다. 즉, 적외선 온도계는 렌즈를 통해 빛을 받아 모으는 것이며 빛을 발사해서 되돌아오는 빛을 받는 것이 아닙니다.
다음은 디텍터가 읽을 수 있는 영역의 파장만을 남긴다. 파장에 따른 필터를 적용하여 필요한 영역의 빛만 남기고 나머지는 필터를 통해 제외됩니다. 그리고 필터를 통과한 빛은 디텍터로 측정됩니다.
그림에서 보는 것은 디텍터의 원리를 이해하기 위한 이미지입니다. 그림에서 보는 넓은 판에 필터를 통과한 빛의 광자가 부딪히게 되고, 그 부딪힌 광자의 수가 물리적으로 많고 적음에 따라 양 끝단의 전기적 크기의 차이를 발생하게 됩니다. 이 신호가 너무 작기 때문에 증폭회로를 거쳐 증폭시키게 됩니다.
증폭된 신호는 선형화를 시키게 되는데, 이것은 온도에 따른 광자의 량이 일정한 비율로 증가하는 것이 아니기 때문입니다. 예를 들어 100℃, 200℃ 일 때 측정된 광자의 량이 각각 100, 200 이라고 가정하면, 300 또는 150 의 광자량이 측정되었을 때 반드시 300℃, 150℃가 아닐 수 있기 때문입니다. 따라서 온도를 일정하게 측정할 수 있도록 광자의 량에 대한 데이터로 선형화 하는 것입니다.
이렇게 측정된 결과를 방사율(emissivity)이라는 파라메터 등을 적용하고 보정하여 대상 물체의 온도에 해당하는 전류값/전압값을 디스플레이 장치로 보내 우리가 보는 온도 숫자로 나타내게 됩니다.
이것이 개략적인 적외선 온도계의 측정원리입니다.
물론, 좀 더 정확한 온도의 측정 결과를 위해 두 개의 다른 파장대의 빛으로 동시에 분석하고 이를 비례적으로 산정하여 계산해 내는 등의 다른 방식도 있지만 여기서는 일반적인 사항만 간단히 이해하기 쉽게 설명한 것입니다.
분명한 것은 적외선 온도계가 적외선을 쏴서 반사되는 빛을 읽는 것이 아니라는 점과, 비 접촉식의 한계로 광량을 측정하여 온도를 산정하는 만큼의 오차는 발생할 여지가 있다는 점입니다.
하지만, 이러한 비접촉식 온도계를 쓸 수 밖에 없는 상황에서는 최선의 결과를 얻을 수 있기에 현재 산업 현장에서는 많이 사용되고 있고, 요즈음 일반 가정에서도 요리나 체온측정 등에 활용하는 경우도 많아 지고 있습니다