KR20230111442A - Temperature measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 온도 측정 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a temperature measuring device.
열역학적 특성 중 주요 요소 중 하나인 온도에 대한 감지는 생체 진단, 생체 진단, 에너지 관리, 웨어러블 기기 등 다양한 응용 분야에서 필수적이다. 촉각은 직관적인 작동 메커니즘으로 인해 물체의 온도를 감지하는 강력한 방법이다. 그러나 온도계와 측정 대상체의 사이에는 온도계의 측정 부정확성의 주요 원인인 열 접촉 저항이 발생된다. Sensing temperature, which is one of the main elements of thermodynamic properties, is essential in various application fields such as biodiagnostics, biodiagnostics, energy management, and wearable devices. Touch is a powerful way to sense the temperature of an object due to its intuitive actuation mechanism. However, thermal contact resistance, which is the main cause of measurement inaccuracy of the thermometer, is generated between the thermometer and the object to be measured.
이종 물질의 제벡(Seebeck) 전압을 온도 차로 변환하는 열전대(thermocouple)는 그 단순성으로 인해 접촉 온도계에 널리 사용되었다. 접촉 온도계는 인간이 수행하는 간단한 터치 방식을 모방하여 온도를 감지하는 직관적인 측정방법을 제공한다. 그러나 이러한 온도계의 주요 문제는 센서-물체 인터페이스의 품질이 낮고, 센서와 측정 대상 물체 사이의 온도 불일치로 인해 무시할 수 없는 계면 열 교환이 발생하여 높은 수준의 측정 불확실성이 발생한다.A thermocouple that converts the Seebeck voltage of a different material to a temperature difference has been widely used in contact thermometers due to its simplicity. A contact thermometer provides an intuitive measurement method for detecting temperature by mimicking a simple touch method performed by humans. However, the main problem with these thermometers is the low quality of the sensor-object interface and the non-negligible interfacial heat exchange due to the temperature mismatch between the sensor and the measured object, resulting in a high level of measurement uncertainty.
센서와 대상 물체 사이의 인터페이스에서 열 불균형을 최소화하기 위한 이전의 노력은 크게 다음 세 가지 접근 방식으로 분류된다. 첫째, 유연하고 부드러운 기판을 사용하면 거친 표면 형태를 나타내는 대상 물체와도 등각 접촉(conformal contact)을 용이하게 할 수 있다. 그러나 접촉 저항은 이러한 등각 인터페이스에서 여전히 두드러지게 발생되고 있다. Previous efforts to minimize thermal imbalance at the interface between sensor and target fall into three main approaches: First, if a flexible and soft substrate is used, it is possible to facilitate conformal contact even with a target object having a rough surface shape. However, contact resistance is still prominently generated at these conformal interfaces.
둘째, 재료의 열전도율, 표면 거칠기, 및 계면에서의 압력을 활용하여 센서와 물체 사이의 계면에 존재하는 열 접촉 저항을 추정함으로써 측정 불확실성을 줄일 수 있다. 그러나, 분석 모델을 사용하더라도 열 접촉의 영향에 대한 추정은 불완전해서 상당한 측정 불확실성을 초래한다. Second, measurement uncertainty can be reduced by estimating the thermal contact resistance existing at the interface between the sensor and the object by utilizing the thermal conductivity of the material, the surface roughness, and the pressure at the interface. However, even with analytical models, estimation of the effect of thermal contact is imperfect, resulting in significant measurement uncertainty.
마지막으로, 대상 영역과 온도계 사이에 절연체를 배치하면 센서와 물체 사이의 계면에서 열 평형이 발생하고 열 손실을 최소화하면서 온도를 감지할 수 있다. 이 기술을 열 유속 제로 온도계(zero-heat-flux thermometer)라고 하며, 이는 임상 사례에서 환자의 심부 체온을 측정하는 데 사용된다. 이는 상당한 정확도에도 불구하고 완벽한 열 평형을 달성하려면 많은 양의 단열재와 오랜 시간이 필요하기 때문에 적용 분야가 제한된다.Finally, placing an insulator between the target area and the thermometer creates a thermal equilibrium at the interface between the sensor and the object and allows temperature sensing with minimal heat loss. This technology is called a zero-heat-flux thermometer, and it is used in clinical practice to measure a patient's core temperature. Despite its considerable accuracy, it has limited applications because it requires a large amount of insulation and a long time to achieve perfect thermal equilibrium.
본 발명은 온도 측정 대상 물체의 표면 거칠기, 압력 및 물체-표면 간의 열 접촉 저항으로 발생하는 열 불균형에 의한 종래의 온도 측정 정확도의 한계를 극복하기 위한 온도 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a temperature measuring device for overcoming the limitations of conventional temperature measurement accuracy due to thermal imbalance caused by surface roughness, pressure, and object-surface thermal contact resistance of an object to be measured.
본 발명은 온도 측정이 빠르고 정확한 온도 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a temperature measuring device capable of measuring temperature quickly and accurately.
본 발명은 광범위한 접촉 열저항에 걸쳐 높은 정확도로 온도를 측정하는 온도 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a temperature measuring device that measures temperature with high accuracy over a wide range of contact thermal resistance.
본 발명의 사상에 따른 온도 측정 장치는, 일 측이 측정 대상체와 접촉할 수 있도록 마련되는 열전 소자, 및 상기 열전 소자의 타 측에 배치되고, 기판 및 발열선을 포함하는 저항 온도 검출기를 포함할 수 있다. A temperature measuring device according to the spirit of the present invention may include a thermoelectric element provided so that one side may come into contact with a measurement object, and a resistance temperature detector disposed on the other side of the thermoelectric element and including a substrate and a heating wire.
상기 열전 소자와 상기 저항 온도 검출기 사이에 배치되는 절연체를 더 포함할 수 있다. An insulator disposed between the thermoelectric element and the resistance temperature detector may be further included.
상기 열전 소자의 상기 일 측에 마련되는 제1 전극 및 상기 타 측에 마련되는 제2 전극을 더 포함할 수 있다. The thermoelectric element may further include a first electrode provided on the one side and a second electrode provided on the other side.
상기 열전 소자의 상기 일 측과 상기 타 측 사이의 전위차를 측정할 수 있도록 마련된 전압계를 더 포함할 수 있다. The thermoelectric element may further include a voltmeter provided to measure a potential difference between the one side and the other side.
상기 발열선을 통하여 상기 저항 온도 검출기의 온도를 조절할 수 있도록 마련된 제어부를 더 포함할 수 있다. The controller may further include a controller provided to adjust the temperature of the resistance temperature detector through the heating wire.
상기 열전 소자에 발생하는 전위차와 상기 저항 온도 검출기의 온도에 의해 상기 측정 대상체의 온도를 연산에 의해 추정하는 연산부를 더 포함할 수 있다. The sensor may further include a calculator configured to estimate the temperature of the object to be measured based on a potential difference generated in the thermoelectric element and a temperature of the resistance temperature detector.
상기 열전 소자와 상기 저항 온도 검출기에 비해 열 질량이 큰 지지대를 더 포함할 수 있다. A support having a greater thermal mass than the thermoelectric element and the resistance temperature detector may be further included.
상기 저항 온도 검출기는 발열선의 양단에 마련되는 4개의 전극을 포함할 수 있다. The resistance temperature detector may include four electrodes provided at both ends of the heating wire.
본 발명의 사상에 따른 온도 측정 장치는 열전 소자, 측정 대상체와 접촉하도록 상기 열전 소자의 일 측에 배치되는 제1 전극, 상기 열전 소자의 타 측에 배치되는 제2 전극, 상기 제2 전극을 가열하도록 배치되는 저항 온도 검출기, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전위차를 측정하도록 배치되는 전압계를 포함할 수 있다.A temperature measuring device according to the spirit of the present invention may include a thermoelectric element, a first electrode disposed on one side of the thermoelectric element to contact a measurement object, a second electrode disposed on the other side of the thermoelectric element, a resistance temperature detector disposed to heat the second electrode, and a voltmeter disposed to measure a potential difference between the first electrode and the second electrode.
상기 저항 온도 검출기는 상기 제2 전극에 열을 가할 수 있도록 마련되는 발열선, 상기 발열선에 전류를 가할 수 있도록 마련된 제3 전극, 및 상기 발열선의 양단의 전압을 측정할 수 있도록 마련된 제4 전극을 포함할 수 있다. The resistance temperature detector may include a heating line provided to apply heat to the second electrode, a third electrode provided to apply current to the heating line, and a fourth electrode provided to measure the voltage at both ends of the heating line.
본 발명의 사상에 따른 온도 측정 장치는 측정 대상면의 온도 분포를 측정할 수 있도록 측정 대상면과 점 접촉하는 복수의 열전 소자, 상기 복수의 열전 소자의 일 측면을 가열할 수 있도록 마련되는 복수의 저항 온도 검출기, 상기 복수의 열전 소자에 발생하는 전위차와 상기 복수의 저항 온도 검출기의 온도에 의해 상기 측정 대상면의 복수의 지점의 온도를 추정하고 이를 병합하여 상기 측정 대상면의 온도 분포를 추정하는 연산부를 포함할 수 있다. A temperature measuring device according to the spirit of the present invention may include a plurality of thermoelectric elements point-contacting the measurement target surface to measure the temperature distribution of the measurement target surface, a plurality of resistance temperature detectors provided to heat one side of the plurality of thermoelectric elements, and a calculation unit for estimating the temperature of a plurality of points on the measurement target surface by a potential difference generated in the plurality of thermoelectric elements and the temperature of the plurality of resistance temperature detectors, merging them, and estimating the temperature distribution of the measurement target surface.
상기 복수의 저항 온도 검출기의 각각은 상기 열전 소자에 열을 가할 수 있도록 마련되는 발열선, 상기 발열선에 전류를 가할 수 있도록 마련된 제1 전극, 및 상기 발열선의 양단의 전압을 측정할 수 있도록 마련된 제2 전극을 포함할 수 있다. Each of the plurality of resistance temperature detectors may include a heating wire provided to apply heat to the thermoelectric element, a first electrode provided to apply current to the heating wire, and a second electrode provided to measure a voltage at both ends of the heating wire.
상기 온도 측정 장치는 상기 복수의 저항 온도 검출기의 각각의 상기 제1 전극 및 각각의 상기 제2 전극에 연결되어 상기 복수의 저항 온도 검출기의 온도를 제어할 수 있도록 마련된 제어부를 더 포함할 수 있다. The temperature measuring device may further include a controller connected to each of the first electrodes and each of the second electrodes of the plurality of resistance temperature detectors to control temperatures of the plurality of resistance temperature detectors.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 열전 열유속계와 저항 온도 검출기가 결합되어 높은 측정 정확도로 대상체의 온도를 측정할 수 있다. A temperature measuring device according to an embodiment of the present invention is capable of measuring the temperature of a target object with high measurement accuracy by combining a thermoelectric heat flux meter and a resistance temperature detector.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 열전 재료를 활용한 열 유속 감지 및 내부 센서 온도 제어 기능을 갖추어 인체 피부의 이온 축적 메커니즘과 같은 방식으로 대상체의 온도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있다. A temperature measuring device according to an embodiment of the present invention has a function of detecting heat flux using a thermoelectric material and controlling the temperature of an internal sensor, and can quickly and accurately measure the temperature of an object in the same way as the ion accumulation mechanism of human skin.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 외부 접촉 저항과 독립적으로 온도를 측정하므로 대상체의 크기, 측정 표면의 상태에 관계없이 광범위한 접촉 열저항에 걸쳐 온도를 측정할 수 있다.Since the temperature measuring device according to an embodiment of the present invention measures the temperature independently of the external contact resistance, it can measure the temperature over a wide range of contact thermal resistance regardless of the size of the object and the state of the measurement surface.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 소형화를 통해 더 빠르게 온도 측정이 가능하고, 접촉 열 감지가 활용되는 의료 및 로봇 공학 등에서 다양하게 활용될 수 있다. A temperature measuring device according to an embodiment of the present invention can measure temperature more rapidly through miniaturization, and can be variously used in medical and robotics where contact heat sensing is used.
도 1은 인간의 생체막에 위치한 열 수용체의 개략도,
도 2는 도 1의 물체와 피부의 온도 차이에 대한 이온 전압의 값을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 감지 장치의 개념도,
도 4는 도 3의 물체와 저항 가열기 사이의 온도 차이에 대한 제벡(Seebeck) 전압의 값을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 개략도,
도 6은 본 발명의 일 실시예 따른 온도 측정 장치의 온도 측정 시나리오,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 성능을 시험하기 위한 구성도,
도 8은 다양한 온도를 갖는 측정 대상체에 대한 도 7의 시험에 따른 결과를 나타낸 그래프,
도 9는 도 7의 시험에 따른 다양한 측정 대상체의 측정 온도를 나타낸 그래프,
도 10은 열 저항 소스의 추가에 따른 접촉저항의 변화에 관한 그래프 및 이와 관련된 열 회로도,
도 11은 다양한 접촉 조건에서의 온도 측정 결과를 나타낸 그래프,
도 12는 열전대와 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 측정 정밀도를 비교하기 위한 시험 구성을 나타낸 도면,
도 13은 도 12의 시험의 결과를 나타낸 그래프,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 시간에 따른 변화를 나타낸 도면, 및
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 시간응답을 나타낸 그래프이다. 1 is a schematic diagram of a thermoreceptor located in a human biological membrane;
2 is a graph showing the value of ion voltage for the temperature difference between the object of FIG. 1 and the skin;
3 is a conceptual diagram of a temperature sensing device according to an embodiment of the present invention;
4 is a graph showing the value of the Seebeck voltage versus the temperature difference between the object of FIG. 3 and the resistance heater;
5 is a schematic diagram of a temperature measuring device according to an embodiment of the present invention;
6 is a temperature measurement scenario of a temperature measuring device according to an embodiment of the present invention;
7 is a configuration diagram for testing the performance of a temperature measuring device according to an embodiment of the present invention;
8 is a graph showing the results according to the test of FIG. 7 for measurement objects having various temperatures;
9 is a graph showing the measured temperatures of various measurement objects according to the test of FIG. 7;
10 is a graph of a change in contact resistance according to the addition of a thermal resistance source and a thermal circuit diagram related thereto;
11 is a graph showing temperature measurement results under various contact conditions;
12 is a diagram showing a test configuration for comparing measurement accuracy of a thermocouple and a temperature measuring device according to an embodiment of the present invention;
13 is a graph showing the results of the test of FIG. 12;
14 is a diagram showing a change over time of a temperature measuring device according to an embodiment of the present invention, and
15 is a graph showing a time response of a temperature measuring device according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.The embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one preferred example of the disclosed invention, and there may be various modifications that can replace the embodiments and drawings in this specification at the time of filing of the present application.
본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등의 명확한 설명을 위해 과장된 것일 수 있다.The same reference numerals or numerals presented in each drawing in this specification indicate parts or components that perform substantially the same function. It may be exaggerated for a clear description of the shape and size of elements in the drawings.
본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.Terms used in this specification are used to describe the embodiments, and are not intended to limit and/or limit the disclosed invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "having" are intended to specify that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but does not preclude the existence or addition of one or more other features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. Terms including ordinal numbers such as "first" and "second" used herein may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.
이하에서는, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 인간의 생체막에 위치한 열 수용체의 개략도이고, 도 2는 도 1의 물체와 피부의 온도 차이에 대한 이온 전압의 값을 나타낸 그래프이다. 1 is a schematic diagram of a thermoreceptor located in a human biological membrane, and FIG. 2 is a graph showing a value of ion voltage versus a temperature difference between the object of FIG. 1 and the skin.
간단한 터치 방식의 온도 감지에 관한 대표적인 예는 사람의 피부이다. 사람의 피부는 정확한 열 유속 센서로 알려져 있다. 피부는 항상성 유지를 위해서 정확한 열 유속 감지가 가능하다. 그러나, 사람이 피부를 통하여 정확한 온도를 측정하기는 어렵다. A representative example of a simple touch-type temperature sensing is human skin. Human skin is known to be an accurate heat flux sensor. The skin can accurately sense the heat flux to maintain homeostasis. However, it is difficult for a person to accurately measure temperature through the skin.
도 1을 참조하면, 인간의 피부의 생체막(12)에는 열 수용체(13)가 위치한다. 열 수용체(13)는 진피(15) 내의 자유 신경 종말(16)의 끝에 위치한다. 표피(14)가 물체(11)와 접촉할 때 세포 밖의 이온(17)이 수용체(13)의 채널을 통해 세포 내로 이동하면서 열을 감지할 수 있게 한다. Referring to FIG. 1 , a thermal receptor 13 is located in the biofilm 12 of human skin. Thermal receptors 13 are located at the ends of free nerve endings 16 in the dermis 15. When the epidermis 14 comes into contact with the object 11, the extracellular ions 17 move into the cells through the channels of the receptors 13, allowing heat to be sensed.
도 2를 참조하면, 이온의 축적에 따른 전위차는 물체(11)의 온도(Tobject)와 진피(15)의 온도(TDermis)의 차이에 비례한다. 이러한 메커니즘에 의해 인간은 일정한 체온과 물체의 온도 차에 의해 열 유동을 정확히 감지할 수 있다. 그러나, 물체 및 물체와 피부 사이의 계면에 대한 열적 특성에 의한 영향을 배제할 수 있는 정보가 충분하지 않기 때문에, 인간은 물체의 온도를 직접적으로 측정할 수는 없다. Referring to FIG. 2 , the potential difference according to the accumulation of ions is proportional to the difference between the temperature of the object 11 (T object) and the temperature of the dermis 15 (T Dermis ). By this mechanism, a human can accurately detect heat flow by a difference between a constant body temperature and an object's temperature. However, humans cannot directly measure the temperature of an object because there is not enough information to exclude the effect of thermal properties on the object and the interface between the object and the skin.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 감지 장치의 개념도이고, 도 4는 도 3의 물체와 저항 가열기 사이의 온도 차이에 대한 제벡(Seebeck) 전압의 값을 나타낸 그래프이다. 3 is a conceptual diagram of a temperature sensing device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a graph showing a Seebeck voltage value for a temperature difference between the object of FIG. 3 and a resistance heater.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 감지 장치는 열 유속을 감지하고 내부 센서의 온도를 제어하는 특징을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 감지 장치는 넓은 접촉 저항 범위에 걸쳐 높은 정확도로 온도를 측정할 수 있다. A temperature sensing device according to an embodiment of the present invention may have a feature of sensing heat flux and controlling the temperature of an internal sensor. A temperature sensing device according to an embodiment of the present invention can measure temperature with high accuracy over a wide contact resistance range.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 감지 장치는 인간의 피부의 열 감지 메커니즘과 유사하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 감지 장치는 열전 소자(110)와 저항 가열기(120)를 포함할 수 있다. 물체(21)와 열전 소자(110)가 접촉하면 열전 소자(110)의 내부에 제벡(Seebeck) 전압이 발생된다. 열전 소자(110)의 내부의 온도 구배는 전하 운반체의 분포를 재배열하고 제벡(Seebeck) 전위차를 발생시킨다. Referring to FIG. 3 , a temperature sensing device according to an embodiment of the present invention is similar to a heat sensing mechanism of human skin. A temperature sensing device according to an embodiment of the present invention may include a thermoelectric element 110 and a resistance heater 120 . When the object 21 and the thermoelectric element 110 come into contact, a Seebeck voltage is generated inside the thermoelectric element 110 . The temperature gradient inside the thermoelectric element 110 rearranges the distribution of charge carriers and generates a Seebeck potential difference.
제벡(Seebeck) 전위차는 이온 축적이 일어나는 인간 피부의 열수용체 역할을 할 수 있다. 접촉 저항의 영향을 배제하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 저항 줄(Joule) 가열을 통해 저항 온도 검출기(120)의 온도를 조절할 수 있다. 저항 가열기(120)는 가열기, 저항 온도 검출기, 저항 온도계, 또는 내부 센서, 내부 온도계로 불릴 수 있다. The Seebeck potential difference may serve as a thermoreceptor in human skin where ion accumulation occurs. In order to eliminate the influence of contact resistance, the temperature measuring device according to an embodiment of the present invention may adjust the temperature of the resistance temperature detector 120 through resistance Joule heating. Resistance heater 120 may be referred to as a heater, resistance temperature detector, resistance thermometer, or internal sensor, internal thermometer.
도 4를 참조하면, 열전 소자(110)에 나타나는 물체(21)의 온도(Tobject)와 저항 가열기(120)의 온도(Theater)의 차이와 비례하여 제벡(Seebeck) 전압이 발생될 수 있다. 내부 센서(120) 온도의 조절 값과 함께 열전 재료(110)의 제벡(Seebeck) 전압을 동시에 측정하여 열 유동방향이 전환되는 제벡(Seebeck) 전압이 0이 되는 온도를 외삽 추정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 접촉 저항뿐만 아니라 다양한 온도에서의 접촉 환경에 영향을 받지 않는 온도 측정이 가능하다. Referring to FIG. 4 , a Seebeck voltage may be generated in proportion to a difference between a temperature T object of the object 21 appearing on the thermoelectric element 110 and a temperature T heater of the resistance heater 120 . The Seebeck voltage of the thermoelectric material 110 is simultaneously measured along with the control value of the temperature of the internal sensor 120, so that the temperature at which the Seebeck voltage at which the heat flow direction is switched becomes 0 may be extrapolated. A temperature measuring device according to an embodiment of the present invention is capable of measuring temperature not affected by a contact environment at various temperatures as well as contact resistance.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 개략도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예 따른 온도 측정 장치의 온도 측정 시나리오이다. 5 is a schematic diagram of a temperature measuring device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a temperature measurement scenario of the temperature measuring device according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 저항 온도 검출기(120)와 열전 소자(110)가 결합된 바이 모달 온도 센서를 포함할 수 있다. 저항 온도 검출기(120)는 열전 소자(110)의 일 측의 온도를 측정하도록 배치될 수 있고, 열전 소자(110)는 타 측이 물체와 접촉하도록 배치될 수 있다. 열전 소자(110)는 열전 재료, 열전 매체, 열전 부품 등으로 불릴 수 있다. Referring to FIG. 5 , the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention may include a bimodal temperature sensor in which a resistance temperature detector 120 and a thermoelectric element 110 are combined. The resistance temperature detector 120 may be disposed to measure the temperature of one side of the thermoelectric element 110, and the other side of the thermoelectric element 110 may be disposed to contact an object. The thermoelectric element 110 may be referred to as a thermoelectric material, a thermoelectric medium, or a thermoelectric component.
열전 재료(110)는 저항 온도계(120) 위에 배치될 수 있다. 열전 재료(110)는 Bi2Te3를 포함할 수 있다. 열전 재료(110)는 너비와 길이가 1cm × 1cm로 형성될 수 있다. 열전 재료(110)는 1mm 두께로 형성될 수 있다.Thermoelectric material 110 may be disposed over resistance thermometer 120 . The thermoelectric material 110 may include Bi 2 Te 3 . The thermoelectric material 110 may have a width and a length of 1 cm × 1 cm. The thermoelectric material 110 may be formed to a thickness of 1 mm.
저항 온도 검출기(120)는 기판(122)과 그 위에 구불구불하게 형성된 발열선(121)을 포함할 수 있다. 기판(122)은 파이렉스(Pyrex) 웨이퍼를 포함할 수 있다. 발열선(121)은 백금(Pt)을 포함할 수 있다. 웨이퍼 세정 공정 후, 포토레지스트를 1μm 두께로 스핀 코팅하고, 20mm 두께의 발열선과 4개의 저항 측정용 전극으로 구성된 포토 마스크를 사용하여 UV 노출로 현상할 수 있다. 표면에 두께 5nm의 크롬(Cr)을 스퍼터링하여 40nm의 백금 발열선의 접착력을 높일 수 있다.The resistance temperature detector 120 may include a substrate 122 and a heating wire 121 meanderingly formed thereon. The substrate 122 may include a Pyrex wafer. The heating wire 121 may include platinum (Pt). After the wafer cleaning process, photoresist is spin-coated to a thickness of 1 μm and developed by UV exposure using a photo mask consisting of a 20 mm thick heating wire and 4 electrodes for resistance measurement. Adhesion of a 40 nm platinum heating wire can be increased by sputtering 5 nm thick chromium (Cr) on the surface.
저항 온도 검출기(120)는 발연선(121)을 제어하기 위한 4개의 전극(123, 124)을 포함할 수 있다. 발열선(121)의 양단에는 2개의 전극(123, 124)이 각각 연결될 수 있다. 발열선(121)의 양 단에 마련된 제1 전극(123)은 발열선(121)에 전류를 인가할 수 있도록 전원장치와 연결될 수 있다. 발열선(121)의 양단에 마련된 제2 전극(124)는 발열선(121)에 가해지는 전압을 측정해서 발열선(121)의 온도를 제어할 수 있다. The resistance temperature detector 120 may include four electrodes 123 and 124 for controlling the smoke line 121 . Two electrodes 123 and 124 may be respectively connected to both ends of the heating wire 121 . The first electrodes 123 provided at both ends of the heating wire 121 may be connected to a power supply so as to apply current to the heating wire 121 . The second electrodes 124 provided at both ends of the heating line 121 may measure the voltage applied to the heating line 121 to control the temperature of the heating line 121 .
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 열전 소자(110)의 일 측면의 온도만 측정하면 되기 때문에, 저항 온도 검출기(120)가 4개의 전극을 포함하도록 간단히 구성될 수 있다. Since the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention only needs to measure the temperature of one side of the thermoelectric element 110, the resistance temperature detector 120 can be simply configured to include four electrodes.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 복수의 저항 온도 검출기(120)를 포함할 수 있다. 저항 온도 검출기(120)가 간단히 구성됨으로써, 여러 개의 저항 온도 검출기(120)를 병합해 구성하는 것이 용이할 수 있다. 여러 개의 저항 온도 검출기(120)를 병합해서 온도 측정 장치(120)를 구성하는 경우 온도 측정 장치(120)는 측정 대상체의 면온도를 측정할 수 있다. 온도 측정 장치(100)는 절연체(130)를 포함할 수 있다. 절연체(130)는 캡톤(Kapton) 테이프를 포함할 수 있다. 열전 재료(110)는 25 μm 두께의 캡톤 테이프를 사용하여 열전 재료(110)와 저항 온도 측정기(120)를 전기적으로 절연시킬 수 있다. A temperature measuring device according to an embodiment of the present invention may include a plurality of resistance temperature detectors 120 . Since the resistance temperature detector 120 is simply configured, it may be easy to configure a plurality of resistance temperature detectors 120 by merging. When the temperature measuring device 120 is configured by integrating a plurality of resistance temperature detectors 120, the temperature measuring device 120 may measure the surface temperature of the object to be measured. The temperature measuring device 100 may include an insulator 130 . The insulator 130 may include Kapton tape. The thermoelectric material 110 may electrically insulate the thermoelectric material 110 and the resistance temperature detector 120 by using a 25 μm-thick Kapton tape.
온도 측정 장치(100)는 열전 소자(110)의 양 측에 배치되는 전극(111, 112)을 포함할 수 있다. 전극(111, 112)은 구리(Cu) 테이프를 포함할 수 있다. 90 μm 두께의 구리 테이프가 열전 재료(110)의 전극(111, 112)으로 사용될 수 있다. 전극(111, 112)의 전기전도도와 열전도율은 각각 0.02 Ω/cm2와 210 W/mK일 수 있다. The temperature measuring device 100 may include electrodes 111 and 112 disposed on both sides of the thermoelectric element 110 . The electrodes 111 and 112 may include a copper (Cu) tape. A copper tape having a thickness of 90 μm may be used as the electrodes 111 and 112 of the thermoelectric material 110 . Electrical conductivity and thermal conductivity of the electrodes 111 and 112 may be 0.02 Ω/cm 2 and 210 W/mK, respectively.
제1 전극(111)은 열전 소자(110)의 측정 대상체 측에 배치될 수 있다. 제2 전극(112)은 열전 소자(110)와 저항 온도계(120) 사이에 배치될 수 있다. 열전 재료(110)의 측벽은 기생 전기 연결(parasitic electric connection)을 방지하기 위하여 캡톤 테이프로 감싸질 수 있다. The first electrode 111 may be disposed on the side of the measurement object of the thermoelectric element 110 . The second electrode 112 may be disposed between the thermoelectric element 110 and the resistance thermometer 120 . A sidewall of the thermoelectric material 110 may be wrapped with Kapton tape to prevent parasitic electric connection.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 전압계(140)를 포함할 수 있다. 전압계(140)는 열전 소자(110)의 양 측에 배치되는 전극(111, 112)에 연결될 수 있다. 측정 대상체(31)에 온도 측정 장치(100)를 접촉시켜 측정 대상체(31)의 온도(TObject)와 저항 온도 검출기(120)의 온도(TRTD)의 차이(ΔT)에 의해 발생하는 제벡(Seebeck) 전압을 전압계(140)로 측정할 수 있다. Referring to FIG. 6 , the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention may include a voltmeter 140 . The voltmeter 140 may be connected to the electrodes 111 and 112 disposed on both sides of the thermoelectric element 110 . The temperature measurement device 100 is brought into contact with the measurement object 31 to measure the Seebeck voltage generated by the difference (ΔT) between the temperature T Object of the measurement object 31 and the temperature T RTD of the resistance temperature detector 120. The voltmeter 140 can measure the Seebeck voltage.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 저항 온도 검출기(120)를 가열하여 온도를 조절할 수 있는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 제어부(미도시)는 발연선(121)의 양 단에 마련되는 4개의 전극(123, 124)에 연결될 수 있다. 저항 온도 검출기의 온도 변조에 따라 열전 소자(110)에 발생하는 제벡(Seebeck) 전압이 달라질 수 있다. 측정 대상체(31)와 저항 온도 검출기(120)의 온도 차이(ΔT)가 줄어들도록 저항 온도 검출기(120)의 온도를 조절되면, 측정되는 제벡(Seebeck) 전압도 점차 작아질 수 있다. The temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention may include a controller (not shown) capable of adjusting the temperature by heating the resistance temperature detector 120 . The controller (not shown) may be connected to four electrodes 123 and 124 provided at both ends of the lead wire 121 . A Seebeck voltage generated in the thermoelectric element 110 may vary according to the temperature modulation of the resistance temperature detector. When the temperature of the resistance temperature detector 120 is adjusted such that the temperature difference ΔT between the object to be measured 31 and the resistance temperature detector 120 is reduced, the Seebeck voltage to be measured may also gradually decrease.
저항 온도 검출기(120)와 측정 대상체(31)의 온도 차이가 사라지면 제벡(Seebeck) 전압은 0이 된다. 저항 온도 검출기(120)의 온도를 측정 대상체(31)와 같아지도록 조절하여 제벡(Seebeck) 전압이 0이 되는 지점(32)을 측정할 수 있다. 이 때, 저항 온도 검출기(120)의 온도는 측정 대상체(31)의 온도와 같다. When the temperature difference between the resistance temperature detector 120 and the measurement object 31 disappears, the Seebeck voltage becomes zero. A point 32 at which the Seebeck voltage becomes 0 may be measured by adjusting the temperature of the resistance temperature detector 120 to be the same as that of the object 31 to be measured. At this time, the temperature of the resistance temperature detector 120 is equal to the temperature of the measurement target 31 .
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 제벡(Seebeck) 전압이 0이되는 열 유속 제로(Zero-Heat-Flux) 지점(32)을 외삽 추정할 수 있는 연산부(미도시)를 포함할 수 있다. 연산부(미도시)는 열전 소자(110)에 발생하는 전위차와 저항 온도 검출기(120)의 온도에 의해 측정 대상체의 온도를 연산에 의해 추정할 수 있다. The temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention may include an arithmetic unit (not shown) capable of extrapolating and estimating the zero-heat-flux point 32 at which the Seebeck voltage becomes zero. The calculator (not shown) may estimate the temperature of the object to be measured based on the potential difference generated in the thermoelectric element 110 and the temperature of the resistance temperature detector 120 .
열전 소자(110)에 발생되는 제벡(Seebeck) 전압은 열전 소자(110)의 양단의 온도 차이에 비례하므로, 온도 측정 장치(100)는 저항 온도 검출기(120)의 온도(TRTD)를 측정 대상체(31)의 온도와 같아지도록 조절하지 않아도 연산에 의해서 측정 대상체(31)의 온도(TObject)를 빠르게 추정할 수 있다. Since the Seebeck voltage generated in the thermoelectric element 110 is proportional to the temperature difference between both ends of the thermoelectric element 110, the temperature measuring device 100 can quickly estimate the temperature T Object of the object 31 to be measured by calculation even without adjusting the temperature T RTD of the resistance temperature detector 120 to be equal to the temperature of the object 31 to be measured.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 연산에 의해 온도를 추정하기 때문에 저항 온도 검출기(120)에서 적은 양의 열을 가하더라도 대상체의 온도 측정이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 화상의 위험이 없기 때문에 의료기기 등에 안전하게 사용될 수 있다. In addition, since the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention estimates the temperature by calculation, it is possible to measure the temperature of the target object even when a small amount of heat is applied by the resistance temperature detector 120 . Therefore, the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention can be safely used in medical devices or the like because there is no risk of burns.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 측정 대상면의 온도 분포를 측정할 수 있도록 점 접촉하는 복수의 열전 소자(110)와 복수의 저항 온도 검출기(120)를 포함할 수 있다. 온도 측정 장치는 복수의 열전 소자(110)의 제벡(Seebeck) 전압을 측정할 수 있는 복수의 전압계를 포함할 수 있다. 온도 측정 장치는 복수의 저항 온도 검출기(120)의 온도를 제어할 수 있도록 마련된 제어부를 포함할 수 있다. The temperature measuring device according to an embodiment of the present invention may include a plurality of thermoelectric elements 110 and a plurality of resistance temperature detectors 120 that make point contact so as to measure the temperature distribution of the measurement target surface. The temperature measuring device may include a plurality of voltmeters capable of measuring Seebeck voltages of the plurality of thermoelectric elements 110 . The temperature measuring device may include a controller provided to control the temperatures of the plurality of resistance temperature detectors 120 .
복수의 저항 온도 검출기(120)의 각각은 열전 소자(110)에 열을 가할 수 있도록 마련되는 발열선(121), 발열선(121)에 전류를 가할 수 있도록 마련된 제1 전극(123), 및 발열선(121)의 양단의 전압을 측정할 수 있도록 마련된 제2 전극(124)을 포함할 수 있다. 제어부는 복수의 저항 온도 검출기(120)의 각각의 제1 전극(123) 및 각각의 제2 전극(124)에 연결되어 복수의 저항 온도 검출기의 온도를 제어할 수 있다. Each of the plurality of resistance temperature detectors 120 may include a heating wire 121 provided to apply heat to the thermoelectric element 110, a first electrode 123 provided to apply current to the heating wire 121, and a second electrode 124 provided to measure a voltage at both ends of the heating wire 121. The control unit may be connected to each of the first electrodes 123 and each of the second electrodes 124 of the plurality of resistance temperature detectors 120 to control the temperature of the plurality of resistance temperature detectors.
온도 측정 장치는 측정 대상면의 한 지점의 온도를 연산에 의해 추정하고 여러 지점의 추정 온도를 병합하여 측정 대상면의 온도 분포를 측정하는 연산부를 포함할 수 있다. The temperature measuring device may include a calculation unit that measures the temperature distribution of the measurement target surface by estimating the temperature of one point on the measurement target surface by calculation and merging the estimated temperatures of several points.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 성능을 시험하기 위한 구성도이고, 도 8은 다양한 온도를 갖는 측정 대상체에 대한 도 7의 시험에 따른 결과를 나타낸 그래프이다. 도 9는 도 7의 시험에 따른 다양한 측정 대상체의 측정 온도를 나타낸 그래프이다. 7 is a configuration diagram for testing the performance of a temperature measuring device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a graph showing results according to the test of FIG. 7 for measurement objects having various temperatures. 9 is a graph showing the measured temperatures of various measurement objects according to the test of FIG. 7 .
도 7을 참조하면, 접촉과 무관한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)의 성능을 시험하기 위해 촉각의 작용과 유사한 측정 시스템을 구성할 수 있다. 온도 측정 장치(100)는 충분히 큰 열 질량을 가지는 지지대(42)에 배치되고 측정 대상체(41)의 온도를 측정한다. 지지대(42)와 측정 대상체(41)는 구리 블록을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 7 , in order to test the performance of the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention, which is not related to contact, a measurement system similar to a tactile action may be configured. The temperature measuring device 100 is disposed on a support 42 having a sufficiently large thermal mass and measures the temperature of the measurement object 41 . The support 42 and the measurement object 41 may include a copper block.
온도 측정 장치(100)가 물체(41)와 접촉하면 저항 줄 가열을 사용하여 저항 온도 검출기의 온도가 선택적으로 조절될 수 있다. 줄 가열은 열전 부품의 한 면의 온도를 선택적으로 증가시킬 수 있다. 한편, 측정 대상체(41)와 지지대(42)는 충분히 큰 열 질량으로 인해 무시할 수 있는 온도 변화를 보여줄 수 있다. When the temperature measuring device 100 is in contact with the object 41, the temperature of the resistance temperature detector may be selectively adjusted using resistance joule heating. Joule heating can selectively increase the temperature of one side of the thermoelectric component. On the other hand, the measurement object 41 and the support 42 can show negligible temperature change due to their sufficiently large thermal mass.
도 8을 참조하면, 303K 내지 326K의 온도를 갖는 측정 대상체(41)의 온도를 측정한다. 온도 측정 장치(100)의 저항 온도계의 온도가 증가함에 따라 제벡(Seebeck) 전압을 측정하여 점으로 표시한다. 저항 온도계의 온도의 변조에 따라 열전 재료의 양단의 온도차가 변하고, 결과적으로 제벡(Seebeck) 전압이 이 온도차에 비례하여 변할 수 있다. Referring to FIG. 8 , the temperature of the measurement object 41 having a temperature of 303K to 326K is measured. As the temperature of the resistance thermometer of the temperature measuring device 100 increases, the Seebeck voltage is measured and displayed as a point. The temperature difference between both ends of the thermoelectric material changes according to the temperature modulation of the resistance thermometer, and as a result, the Seebeck voltage may change in proportion to the temperature difference.
물체의 온도를 정량화하기 위해 열 유동의 방향이 전환되는 지점인 제벡(Seebeck) 전압이 0이 되는 지점을 예상할 수 있다. 온도 측정 장치(100)와 측정 대상체(41)의 경계면을 가로지르는 열 유속은 양 측의 온도가 같으면 상쇄될 수 있다. 결과적으로 측정 대상체(41)의 온도는 저항 온도계의 저항을 변환하여 도출할 수 있다. 도 8의 추세선과 제벡(Seebeck) 전압이 0이 되는 선의 교점(44)의 x 값은 온도 측정 장치(100)를 사용하여 추정된 측정 대상체(41)의 온도이다.To quantify the temperature of an object, we can predict the point at which the Seebeck voltage, the point at which the direction of the heat flow is reversed, becomes zero. The heat flux across the interface between the temperature measuring device 100 and the measurement object 41 may be offset if the temperatures of both sides are the same. As a result, the temperature of the measurement object 41 can be derived by converting the resistance of the resistance thermometer. The x value of the intersection 44 of the trend line of FIG. 8 and the line at which the Seebeck voltage becomes 0 is the temperature of the measurement object 41 estimated using the temperature measuring device 100 .
도 9을 참조하면, 300K 내지 330K 범위의 다양한 온도에서 온도 측정이 수행되었고, 측정 온도의 분포 구간(44)의 평균 정밀도는 0.5K 이내로 추정된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)의 정밀도는 도 7에 도시된 관심 영역 내에 완전히 삽입된 온도계(43)를 사용한 온도 측정의 정확도와 비슷하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 대상 물체(41)와 센서 시스템 사이에 형성된 접촉 저항에 관계없이 우수한 측정 정확도를 보여준다. Referring to FIG. 9 , temperature measurement was performed at various temperatures in the range of 300K to 330K, and the average precision of the distribution section 44 of the measured temperature is estimated to be within 0.5K. The precision of the temperature measuring device 100 according to one embodiment of the present invention is similar to that of temperature measurement using a thermometer 43 fully inserted within the region of interest shown in FIG. 7 . The temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention shows excellent measurement accuracy regardless of the contact resistance formed between the target object 41 and the sensor system.
도 10은 열 저항 소스의 추가에 따른 접촉저항의 변화에 관한 그래프 및 이와 관련된 열 회로도이고, 도 11은 다양한 접촉 조건에서의 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 10 is a graph of a change in contact resistance according to the addition of a thermal resistance source and a thermal circuit diagram related thereto, and FIG. 11 is a graph showing temperature measurement results under various contact conditions.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)의 열 접촉 저항의 독립성을 확인하기 위해 다양한 접촉 조건을 가진 온도 측정 장치(100)를 비교했다. 접촉 저항(Rcontact)은 온도 측정 장치(100)와 측정 대상체(51)의 사이에 열 저항 소스(52)를 추가하여 변경할 수 있다. Referring to FIG. 10 , in order to confirm the independence of thermal contact resistance of the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention, temperature measuring devices 100 having various contact conditions are compared. The contact resistance R contact can be changed by adding a thermal resistance source 52 between the temperature measuring device 100 and the measurement object 51 .
열 저항 소스(52)는 캡톤 테이프를 포함할 수 있다. 열 저항 소스(52)는 30μm 두께의 Kapton 테이프를 포함할 수 있다. 열 저항 소스(52)는 1 내지 3 층의 캡톤 테이프를 포함할 수 있다. 캡톤 테이프의 열 저항은 1.2 K/W 이하일 수 있고, 이는 일반적인 열 접촉 저항의 범위와 유사할 수 있다. Thermal resistance source 52 may include Kapton tape. Thermal resistance source 52 may include 30 μm thick Kapton tape. Thermal resistance source 52 may include 1 to 3 layers of Kapton tape. The thermal resistance of the Kapton tape may be 1.2 K/W or less, which may be in the range of typical thermal contact resistance.
접촉면의 예측할 수 없는 특성으로 인해 접촉 저항은 반드시 열 저항 소스(52)의 층 수에 비례하지는 않는다. 본 발명의 일 실시예 따른 온도 측정 장치(100)의 접촉 계면 내에서 측정된 열 저항은 7.8~11.5K/W의 범위에서 나타날 수 있다. Due to the unpredictable nature of the contact surface, the contact resistance is not necessarily proportional to the number of layers of the thermal resistance source 52. The thermal resistance measured within the contact interface of the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention may be in the range of 7.8 to 11.5 K/W.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 다양한 접촉 조건에서 온도 변조에 따른 제벡(Seebeck) 전압의 기울기가 변화함을 보여준다. 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 저항 온도 검출기(120)의 온도 조절에 따른 제벡(Seebeck) 전압의 투영선은 접촉 저항이 변하더라도 비슷한 온도에서 제벡(Seebeck) 전압이 0인 지점을 통과한다. Referring to FIG. 11 , the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention shows that the slope of the Seebeck voltage changes according to temperature modulation under various contact conditions. In the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention, the Seebeck voltage projection line according to the temperature control of the resistance temperature detector 120 passes through the point at which the Seebeck voltage is 0 at a similar temperature even if the contact resistance changes.
대상체(51)의 온도가 332.8K로 유지되도록 설정되었을 때, 온도 측정 장치(100)의 열 저항 소스(52)의 층 수에 관계없이 측정 대상체(51)의 온도는 1.85K의 불확도 내에서 측정될 수 있다. 측정 불확도는 각 투영선의 기울기의 변화 구간(61)에 대한 제벡(Seebeck) 전압이 0인 선의 x 절편의 변화 구간(62)으로부터 확인할 수 있다. When the temperature of the object 51 is set to be maintained at 332.8K, regardless of the number of layers of the thermal resistance source 52 of the temperature measuring device 100, the temperature of the object 51 to be measured can be measured within an uncertainty of 1.85K. The measurement uncertainty can be confirmed from the change interval 62 of the x-intercept of the line where the Seebeck voltage for the change interval 61 of the slope of each projection line is zero.
도 12는 열전대와 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 측정 정밀도를 비교하기 위한 시험 구성을 나타낸 도면이고, 도 13은 도 12의 시험의 결과를 나타낸 그래프이다.12 is a diagram showing a test configuration for comparing measurement accuracy of a thermocouple and a temperature measuring device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a graph showing the test results of FIG. 12 .
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)의 접촉 저항에 대한 독립성을 확인하기 위하여 열전대(72)의 측정 정밀도와 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)의 측정 정밀도를 비교했다. 시험을 통하여 302.2K 및 323.8K의 서로 다른 온도의 물체(71)의 접촉 저항에 대한 독립성을 확인했다. Referring to FIG. 12 , in order to confirm the independence of the temperature measuring device 100 with respect to contact resistance, the measurement accuracy of the thermocouple 72 and the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention were compared. Through the test, the independence of the contact resistance of the object 71 at different temperatures of 302.2K and 323.8K was confirmed.
도 13을 참조하면, 비교를 위해, 물체의 온도(Tobject)와 측정 온도(Tmeasure)의 차를 물체와 지지대(backplate)의 온도 차의 최댓값으로 정규화할 수 있다. 파란색 음영은 열전대 영역(73)을 나타내고 빨간색 음영은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 영역(74)을 나타낸다. Referring to FIG. 13 , for comparison, the difference between the temperature of the object (T object ) and the measured temperature (T measure ) may be normalized to the maximum value of the temperature difference between the object and the backplate. Blue shading represents the thermocouple region 73 and red shading represents the region 74 of the temperature measuring device according to an embodiment of the present invention.
열전대(72)는 정확히 설치하여 측정했을 때 상당한 측정 정확도를 나타내기 때문에 비교의 기준으로 선택될 수 있다. 동시에, 열전대(72)는 열전대(72)의 끝 부분에 닿기만 해도 발생하는 접촉 저항으로 인해 눈에 띄는 온도 편차를 감지할 수 있으므로, 열전대(72)의 온도 측정의 불확도가 접촉 조건의 변화에 따라 더 강조될 수 있다. Thermocouple 72 can be selected as a basis for comparison because it exhibits considerable measurement accuracy when properly installed and measured. At the same time, since the thermocouple 72 can detect a noticeable temperature deviation due to the contact resistance generated even when the tip of the thermocouple 72 is touched, the uncertainty of the temperature measurement of the thermocouple 72 can be further emphasized as the contact conditions change.
열 저항의 임의의 특성을 고려하여, 온도 측정은 열전대를 사용하여 10회 반복해서 측정했고 평균 값을 사용했다. 열전대(72)의 측정 온도는 넓게 나타나는 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 계면 열 저항의 변화와 무관하게 일정한 측정 불확도를 보여준다. 열전대의 부정확성의 원인은 주로 접촉 저항과 이에 따른 계면에서의 열 전달에서 비롯된다.Considering the arbitrary characteristics of the thermal resistance, the temperature measurement was repeated 10 times using a thermocouple and the average value was used. While the measured temperature of the thermocouple 72 appears wide, the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention shows constant measurement uncertainty regardless of the change in interface thermal resistance. The cause of thermocouple inaccuracy mainly comes from contact resistance and thus heat transfer at the interface.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 시간에 따른 변화를 나타낸 도면이고, 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 시간응답을 나타낸 그래프이다. 14 is a diagram showing a change over time of a temperature measuring device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 15 is a graph showing a time response of the temperature measuring device according to an embodiment of the present invention.
시간응답은 시스템의 시간 상수를 사용하여 정량화하는 온도 측정 장치의 중요한 특성이다. 도 14 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 t = 0에서 물체(81)에 닿았을 때 제벡(Seebeck) 전압이 측정된다. 시간이 지남에 따라 온도 측정 장치(100)는 열 평형상태를 나타내는 포화 상태에 접근한다. Time response is an important property of temperature measuring devices that is quantified using the system's time constant. Referring to FIGS. 14 and 15 , when the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention touches an object 81 at t = 0, a Seebeck voltage is measured. Over time, the temperature measuring device 100 approaches saturation, which represents thermal equilibrium.
시스템의 시간 상수는 포화온도의 63.2%에 도달하는 시간을 추정하여 결정된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)의 시간 상수는 1.79초로 추정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)의 시간 응답은 종래의 제로 열 유속(zero-heat-flux) 센서를 기반으로 하는 온도계에 비하여 수십 배 더 빠르다. 시간 상수는 다음의 식에 의해 계산할 수 있다. The time constant of the system is determined by estimating the time to reach 63.2% of the saturation temperature. A time constant of the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention may be estimated to be 1.79 seconds. The time response of the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention is several orders of magnitude faster than a conventional thermometer based on a zero-heat-flux sensor. The time constant can be calculated by the following formula.
τth = RthCth (여기서, Rth은 체적 열용량, Cth는 열 저항)τ th = R th C th (where R th is the volumetric heat capacity and C th is the thermal resistance)
Rth = L/kAC (여기서, L은 매체의 길이, k는 열전도율, AC는 열 유속에 수직인 단면의 넓이)R th = L/kA C (where L is the length of the medium, k is the thermal conductivity, and A C is the area of the cross section perpendicular to the heat flux)
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 열전 재료(110)와 저항 온도 검출기(120)의 기판의 부피가 크기 때문에 열 응답에 주로 기여할 수 있고, 열전 재료(110)와 저항 온도 검출기(120)의 기판의 시간 상수는 각각 0.85초 및 0.41초로 계산될 수 있다. 전체 시스템에 대한 열전 소자(110) 및 저항 온도 검출기(120)의 기판의 기여도는 70%가 될 수 있다. 시간 응답은 열전 재료를 소형화하기 위한 미세 가공을 통해 온도 측정 장치(100)의 시간 응답이 크게 향상될 수 있음을 보여준다. 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 소형화를 통하여 더욱 빠르고 정확하게 온도 측정이 가능하고, 이는 접촉 열 감지가 활용되는 의료 및 로봇 공학 등에서 다양하게 활용될 수 있다. In the temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention, since the volume of the thermoelectric material 110 and the substrate of the resistance temperature detector 120 is large, it can mainly contribute to the thermal response, and the time constants of the thermoelectric material 110 and the substrate of the resistance temperature detector 120 can be calculated as 0.85 seconds and 0.41 seconds, respectively. The contribution of the substrate of the thermoelectric element 110 and the resistance temperature detector 120 to the overall system may be 70%. The time response shows that the time response of the temperature measuring device 100 can be greatly improved through microfabrication to miniaturize the thermoelectric material. The temperature measuring device 100 according to an embodiment of the present invention can measure temperature more quickly and accurately through miniaturization, and this can be used in various fields such as medical and robotics where contact thermal sensing is used.
상기에서는 본 발명의 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명의 속하는 기술분야의 통상의 기술자들에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀 둔다.In the above, the configuration and characteristics of the present invention have been described based on the embodiments of the present invention, but the present invention is not limited thereto, and various changes or modifications within the spirit and scope of the present invention can be made.
11, 21, 31, 41: 측정 대상체
42: 지지대
100: 온도 측정 장치
110: 열전 소자
111, 112: 전극
120: 저항 온도 검출기
121: 기판
122: 발열선
130: 절연체
140: 전압계11, 21, 31, 41: measurement target
42: support
100: temperature measuring device
110: thermoelectric element
111, 112: electrode
120: resistance temperature detector
121 Substrate
122: heating wire
130: insulator
140: voltmeter
Claims (13)
상기 열전 소자의 타 측에 배치되고, 기판 및 발열선을 포함하는 저항 온도 검출기;를 포함하는 온도 측정 장치.A thermoelectric element provided so that one side may come into contact with the measurement object; and
and a resistance temperature detector disposed on the other side of the thermoelectric element and including a substrate and a heating wire.
상기 열전 소자와 상기 저항 온도 검출기 사이에 배치되는 절연체를 더 포함하는 온도 측정 장치.According to claim 1,
The temperature measuring device further comprises an insulator disposed between the thermoelectric element and the resistance temperature detector.
상기 열전 소자의 상기 일 측에 마련되는 제1 전극 및 상기 타 측에 마련되는 제2 전극을 더 포함하는 온도 측정 장치.According to claim 1,
The temperature measuring device further comprises a first electrode provided on the one side of the thermoelectric element and a second electrode provided on the other side.
상기 열전 소자의 상기 일 측과 상기 타 측 사이의 전위차를 측정할 수 있도록 마련된 전압계를 더 포함하는 온도 측정 장치.According to claim 1,
The temperature measuring device further comprises a voltmeter provided to measure a potential difference between the one side and the other side of the thermoelectric element.
상기 발열선을 통하여 상기 저항 온도 검출기의 온도를 조절할 수 있도록 마련된 제어부를 더 포함하는 온도 측정 장치.According to claim 1,
The temperature measuring device further includes a controller provided to adjust the temperature of the resistance temperature detector through the heating wire.
상기 열전 소자에 발생하는 전위차와 상기 저항 온도 검출기의 온도에 의해 상기 측정 대상체의 온도를 연산에 의해 추정하는 연산부를 더 포함하는 온도 측정 장치. According to claim 1,
The temperature measuring device further includes a calculator for estimating the temperature of the object to be measured using a potential difference generated in the thermoelectric element and the temperature of the resistance temperature detector.
상기 열전 소자와 상기 저항 온도 검출기에 비해 열 질량이 큰 지지대를 더 포함하는 온도 측정 장치.According to claim 1,
A temperature measuring device further comprising a support having a larger thermal mass than the thermoelectric element and the resistance temperature detector.
상기 저항 온도 검출기는 발열선의 양단에 마련되는 4개의 전극을 포함하는 온도 측정 장치.According to claim 1,
The resistance temperature detector includes four electrodes provided at both ends of the heating wire.
측정 대상체와 접촉하도록 상기 열전 소자의 일 측에 배치되는 제1 전극;
상기 열전 소자의 타 측에 배치되는 제2 전극;
상기 제2 전극을 가열하도록 배치되는 저항 온도 검출기; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전위차를 측정하도록 배치되는 전압계;를 포함하는 온도 측정 장치.thermoelectric element;
a first electrode disposed on one side of the thermoelectric element to contact the measurement object;
a second electrode disposed on the other side of the thermoelectric element;
a resistance temperature detector arranged to heat the second electrode; and
and a voltmeter disposed to measure a potential difference between the first electrode and the second electrode.
상기 저항 온도 검출기는,
상기 제2 전극에 열을 가할 수 있도록 마련되는 발열선;
상기 발열선에 전류를 가할 수 있도록 마련된 제3 전극; 및
상기 발열선의 양단의 전압을 측정할 수 있도록 마련된 제4 전극;을 포함하는 온도 측정 장치.According to claim 9,
The resistance temperature detector,
a heating line provided to apply heat to the second electrode;
a third electrode provided to apply current to the heating wire; and
A temperature measuring device including a fourth electrode provided to measure the voltage at both ends of the heating wire.
상기 복수의 열전 소자의 일 측면을 가열할 수 있도록 마련되는 복수의 저항 온도 검출기;
상기 복수의 열전 소자에 발생하는 전위차와 상기 복수의 저항 온도 검출기의 온도에 의해 상기 측정 대상면의 복수의 지점의 온도를 추정하고 이를 병합하여 상기 측정 대상면의 온도 분포를 추정하는 연산부;를 포함하는 온도 측정 장치A plurality of thermoelectric elements in point contact with the measurement target surface to measure the temperature distribution of the measurement target surface;
a plurality of resistance temperature detectors provided to heat one side of the plurality of thermoelectric elements;
and a calculator configured to estimate the temperature distribution of the measurement target surface by estimating the temperature of a plurality of points on the measurement target surface based on the potential difference generated in the plurality of thermoelectric elements and the temperatures of the plurality of resistance temperature detectors and merging them together.
상기 복수의 저항 온도 검출기의 각각은,
상기 열전 소자에 열을 가할 수 있도록 마련되는 발열선;
상기 발열선에 전류를 가할 수 있도록 마련된 제1 전극; 및
상기 발열선의 양단의 전압을 측정할 수 있도록 마련된 제2 전극;을 포함하는 온도 측정 장치.According to claim 11,
Each of the plurality of resistance temperature detectors,
a heating wire provided to apply heat to the thermoelectric element;
a first electrode provided to apply current to the heating wire; and
A temperature measuring device including a second electrode provided to measure the voltage at both ends of the heating wire.
상기 복수의 저항 온도 검출기의 각각의 상기 제1 전극 및 각각의 상기 제2 전극에 연결되어 상기 복수의 저항 온도 검출기의 온도를 제어할 수 있도록 마련된 제어부를 더 포함하는 온도 측정 장치. According to claim 12,
and a controller connected to each of the first electrodes and each of the second electrodes of the plurality of resistance temperature detectors to control temperatures of the plurality of resistance temperature detectors.
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