비접촉 방사 온도계 측정 정밀도 핵심 변수 : 방사율 설정의 필요성
산업 현장에서 방사 비접촉 온도계는 대상체에 물리적인 접촉 없이 온도를 측정하는 필수적인 도구로 활용됩니다. 이는 고온, 이동체, 접근 불가능한 환경 등 극한의 조건에서 실시간 온도 감시를 가능하게 합니다.
하지만, 많은 사용자들이 간과하는 측정 과정의 결정적인 변수가 존재합니다. 바로 '방사율(Emissivity)'입니다. 방사 온도계는 대상체가 방출하는 열복사 에너지를 감지하여 온도를 산출하는데, 이 과정에서 대상체의 표면 특성에 따라 달라지는 방사율 값의 설정은 측정 결과의 정확도를 좌우하는 핵심 요소가 됩니다.
본 포스팅은 방사 온도계를 사용하는 모든 고객에게 정밀한 온도 측정값 확보를 위한 기술적 토대를 제공하고자 합니다. 방사율 설정이 왜 단순한 옵션이 아닌, 측정 정밀도를 위한 필수 선행 조건인지를 심도 있게 다루겠습니다.
1.방사율(Emissivity)이란 무엇인가?
대부분의 물질은 받은 에너지에 대한 투과, 반사, 흡수되는 비율이 달라 제각각의 흡수율을 가지고 있습니다. 방사율이란 물체가 품고 있는 총 에너지 중 외부로 얼마만큼의 에너지를 복사하여 방출하는가에 대한 비율을 0에서 1 사이의 값으로 나타내는 값입니다. 반사나 투과를 일으키지 않는 물질(가상의 물질) 즉, 에너지를 100% 흡수하는 물질을 흑체(Blackbody)라고 합니다.
총 에너지를 100% 모두 외부로 방사하는 물체(흑체)는 존재하지 않습니다. 따라서 모든 물체는 표면 상태 또는 온도에 따라 에너지를 방사하는 비율이 0에서 1.0(0%~100%) 사이에 존재하게 됩니다.
방사율 1.0 → 이상적인 상태로, 자신이 가진 열 에너지를 100% 모두 방출하는 가상의 물체(흑체).
방사율 0.0 → 열을 전혀 방출하지 않고 모두 반사하는 물체.
예를 들어, 받은 에너지 중 30%를 반사 또는 투과되는 물질이 있다면 물질 자체에서 발생하는 적외선 방사율은 70%가 됩니다. 이 물체를 100℃로 가열한다면 비접촉 온도계에서는 70%의 방사율만을 인식하여 70℃로 측정하게 되는 것입니다. 따라서, 나머지 30%에 해당하는 에너지를 보정해야 실제 온도를 알 수 있습니다.
이처럼 방사율은 비접촉식 온도계를 사용하여 온도를 측정할 때 측정 정확도를 결정하는 중요한 설정값 중 하나입니다. 이 값의 조정에 따라 측정 물체의 온도를 얼마만큼 정확한 수치로 표시할 수 있는지가 결정됩니다.
지금부터 방사 온도계(비접촉 온도계)를 사용하여 방사율을 설정하는 방법에 대해 알아보겠습니다.
2. 물질에 따른 방사율
| 물질(원소 기호) | 상태 | 온도 | 방사율 (Emissivity) |
|---|---|---|---|
| 알루미늄(Al) | 연마 / 산화 | 370~630K / 360~810K | 0.04~0.06 / 0.2~0.33 |
| 금(Au) | 연마 | 80~1100K | 0.01~0.07 |
| 탄소(C) | 연마 | 80~800K | 0.02~0.03 |
| 주철 | 연마 / 산화 | 300~915K / 350~650K | 0.21~0.28 / 0.62~0.73 |
| 스테인리스강 | 산화 | 800~1400K | 0.25 |
| 황동 | 연마 | 373K | 0.06 |
| 아스팔트 | - | 상온 | 0.9~0.98 |
| 모래 | - | 상온 | 0.9 |
| 흙 | - | 상온 | 0.92~0.96 |
| 물 | - | 상온 | 0.92~0.96 |
| 피부(인간) | - | 32℃ | 0.98 |
※1℃=274.15K(절대 온도)
방사율은 물질에 따라 측정 난이도가 극명하게 갈립니다. 광택 금속은 방사율이 매우 낮아(0.01~0.1) 대부분의 열을 반사하는 반면, 비금속 물질은 방사율이 높아(0.85~0.98) 온도 측정이 안정적입니다.
그러나 더 중요한 것은, 방사율은 대상체의 물질의 표면처리(연마, 산화, 도장)나 온도에 따라 끊임없이 변화한다는 점입니다. 또, 금속은 비금속과 달리 자유 전자가 많아 빛을 잘 반사하기 때문에, 파장대별로 방출하는 에너지의 비율이 매우 불안정하여 파장대에 따라서도 방사율이 변화합니다.
즉, 방사율 미설정은 곧 오차 증폭으로 이어지므로, 연마 금속처럼 측정하기 어려운 대상체는 흑체를 사용하여 방사율을 강제적으로 맞추거나,
특화된 파장대의 센서를 사용해야 합니다.
3.방사율(Emissivity)을 구하는 방법
측정 현장의 모든 조건(재질, 온도, 표면 상태, 측정 파장)에 맞는 방사율을 찾는 것은 거의 불가능합니다. 따라서 일반적인 현장에서는 측정 환경에 맞춰 방사율을 구하는 다음 두 가지 방법을 사용합니다.
3-1. 접촉형 온도계를 사용하는 방법
- 온도 설정 측정할 대상체를 가열하여, 측정하고자 하는 온도 범위 중 가장 높은 온도에 가깝게 설정합니다.
- 실제 온도 측정 접촉식 온도계를 이용하여, 방사 온도계로 측정하고자 하는 지점의 근처 온도를 측정합니다. (이 온도값이 참값)
- 방사 온도계 측정 방사 온도계를 같은 지점에 조준하여 측정합니다. (이때 센서의 방사율은 1.0으로 설정해 두어도 무방)
- 방사율 자동 보정 or 수동 조정
- 자동 보정 기능이 있는 경우 → 접촉식 온도계가 나타내는 참값을 방사 온도계에 입력하면, 센서가 자동으로 그 환경에 맞는 방사율을 설정해 줍니다.
- 수동 조정 기능만 있는 경우 → 접촉식 온도계의 참값과 동일한 온도가 표시되도록 방사율 값을 1.0보다 낮은 값으로 서서히 내려 조정합니다.
- 방사율 확정 이때 표시되는 방사율 설정값이 해당 온도 및 조건에 맞는 정확한 방사율이 됩니다.
3-2. 흑체를 이용한 방법
방사율이 이미 정확히 알려진 흑체를 사용하여 방사율을 구하는 간접적인 방법입니다.- 흑체 도포 방사율을 알고 있는 흑체를 대상체 일부에 측정 스팟 지름의 2배 이상 면적으로 도포합니다.
- 온도 설정 대상체를 가열하여 측정하고 싶은 온도 범위 중 가장 높은 온도에 가깝게 설정합니다.
- 도포부 측정 흑체를 도포한 부분을 방사 온도계로 측정합니다. (이 온도값이 참값)
- 미도포부 측정 흑체를 도포하지 않은 부분의 온도를 측정합니다.
- 자동 보정 기능이 있는 경우 → 참값(도포부 온도)을 입력하면 방사율을 자동으로 설정
- 수동 조정 기능만 있는 경우 → 도포부 온도와 동일하게 표시되도록 방사율을 낮춰 조정
이때 표시되는 방사율 설정값이 해당 조건에서 흑체가 없는 원래 표면의 방사율이 됩니다.
4.JAPAN SENSOR 적용 사례 : 석영유리창 뒤편에 있는 대상체 온도 측정
측정 환경
-
- 챔버 외부에서 석영유리창을 넘어 내부의 대상체(금속)의 온도(150~350℃)를 측정.
- 챔버 내부의 대상체 가열에 근적외선(NIR) 램프가 사용되어 램프의 방출 에너지가 센서에 유입되어 대상체의 순수한 측정값을 방해.
- 대상체의 방사율이 너무 낮아 온도 측정에 어려움이 있음.
적용 제품 ① : TMHX-CQE 시리즈 + 흑체 JSC-3
창 투과 파장대석영유리창을 투과하기 위해서는 4µm 이하의 파장대를 사용하여야 합니다.
TMHX-CQE 시리즈의 파장대는 2.8µm~4.0µm로 석영 유리의 투과율이 높게 유지되는 영역을 사용하여 내부 대상체의 온도(50~500℃) 측정이 가능합니다.
램프 빛의 영향 최소화
램프로 가열한 대상체의 온도를 측정할 때에는 램프 빛(근적외선 에너지)의 영향을 배제하는 것이 필수입니다.
TMHX-CQE 시리즈는 근적외선 파장대(0.7µm~2.8µm)를 피하도록 설계되어 근적외선의 영향을 받지 않습니다.
낮은 방사율 해결
금속 대상체의 낮은 방사율 문제를 해결하기 위해, 1500℃ 환경에서도 견딜 수 있는 JAPAN SENSOR의 흑체 JSC-3(방사율 0.94) 를 사용하여 최적의 방사율 설정이 가능합니다.
5.결론
지금까지 방사 온도계 측정의 정확도를 결정하는 방사율(Emissivity) 설정의 근본적인 중요성과 재료 고유 특성, 온도 변화에 따른 복합적인 방사율 변동 요인을 상세히 살펴보았습니다.
결국, 성공적인 비접촉 온도 측정은 센서의 일반적인 스펙이 아니라, 측정 대상 물체의 정확한 방사율을 현장 환경에 맞춰 식별하고 보정하는 전문성에 달려 있습니다.
따라서 측정의 신뢰성을 확보하기 위해서는 단순히 센서를 구매하는 것을 넘어, 다음과 같은 기술적 분석과 현장 판단을 반드시 병행해야 합니다.
- 파장대 선택의 필터링 : 측정 대상체의 고유 방사 특성에 맞는 최적의 파장대를 선택하여 유리의 투과 문제나 금속의 낮은 방사율로 인한 반사 간섭 을 근본적으로 차단해야 합니다.
- 현장 맞춤형 방사율 조정 : 흑체(Blackbody)나 접촉식 센서를 기준으로 실제 현장의 복사열 및 손실을 반영하여 방사 온도계의 방사율을 정밀하게 조정하는 것이 필수적입니다.
