어느 노(furnace) 존이 오후 내내 3 °C 높게 읽혔다. 트랜스미터도 멀쩡했고 배선도 멀쩡했으며, 바로 옆 존의 RTD는 정확히 따라갔다. 차이는 이거였다 — 열전대 채널이 PLC에서 밀리볼트가 온도에 선형인 것처럼 스케일링돼 있었고, 냉접점이 어디인지 아무도 알려주지 않았다. 이 편차는 벤치 점검에서는 안 나온다. 패널이 데워질 때 나온다.
온도는 원신호(전기 신호)가 공학 값에 비례하지 않는 유일한 아날로그 계측이고, 전선 자체가 센서의 일부인 계측이다. 4-20 mA 루프처럼 다루면 그럴듯해 보이지만 몇 도씩 틀린 값을 얻게 되고, 그 오차는 주변 온도에 따라 흐른다. 그래서 모든 온도 포인트에서 진짜 물어야 할 질문은 이거다. 선형화는 어디에서 일어나고, 냉접점 보상은 어디에서 이뤄지는가?
RTD: 착각할 만큼은 선형이지만, 믿을 만큼은 아니다
Pt100은 IEC 60751로 정의된다. 0 °C에서 100.00 Ω이고, 표준은 흔히 쓰는 산업용 곡선에 대해 온도계수(alpha)를 0.00385 Ω/Ω/°C로 준다. 사람들은 "도당 약 0.385 Ω"만 기억하고 거기서 선형 스케일을 만든다. 좁은 스팬에서는 그게 근사하다. 0~600 °C에서는 아니다 — 저항은 Callendar–Van Dusen 식을 따르고, 이 식에는 음의 2차 항(B 계수, 약 −5.775 × 10⁻⁷)이 있어서 온도가 오를수록 곡선을 아래로 끌어내린다.
숫자를 넣어보자. 0.385 Ω/°C로 0에서 400 °C까지 직선 피팅을 하면 스팬 중앙 근처에서 실측 곡선이 현(弦) 아래로 처지기 때문에 대략 3~4 °C 낮게 읽힌다. Pt100을 PLC에서 선형 저항으로 스케일링하면 물려받는 오차가 바로 이것이다.
피하는 방법은 둘이다.
- 온도 트랜스미터가 처리하게 한다. 요즘 헤드 마운트 트랜스미터(센서 하우징에 들어가는 그것)는 내부에서 IEC 60751로 선형화해서 °C에 선형인 4-20 mA나 HART 신호를 준다. 그러면 SCADA 스케일링은 사소해진다. 4 mA = 하한, 20 mA = 상한, 끝. 이게 내 기본값이다. 선형화가 센서와 함께 살고, 센서 종류가 트랜스미터에 문서화되며, Pt100을 Pt1000으로 바꾸는 건 SCADA 변경이 아니라 트랜스미터 설정 변경이 된다.
- 저항을 곧장 PLC로 들여와서 RTD 입력 카드의 펌웨어가 곡선을 처리하게 한다. 괜찮긴 한데, 이제 IEC 60751 곡선이 아무도 안 여는 채널 설정 안에 묻히고, 리드선 저항은 당신이 관리해야 하는 몫이 된다 — 다음 함정이다.
리드 저항 때문에 RTD는 3선식이나 4선식으로 쓴다. 2선식 Pt100은 구리 리드 저항을 100 Ω에 그대로 더하고, ~0.385 Ω/°C에서는 1 Ω의 리드만으로도 ~2.6 °C의 오프셋이 된다. 3선식은 두 측정 다리가 같다고 가정해 대부분을 상쇄하고, 4선식은 Kelvin 접속으로 제대로 상쇄한다. 3선식 RTD가 높게 읽히고 오차가 케이블 길이에 따라 커진다면, 세 심선의 굵기와 길이가 같은지 확인하라 — 불균형한 세 번째 선은 카드가 기대는 상쇄를 깨뜨린다.
열전대: 패널이 회로의 일부다
열전대는 온도를 측정하지 않는다. 뜨거운(측정) 접점과 차가운(기준) 접점의 차이에 비례하는 전압을 만든다 — 제벡 효과다. IEC 60584의 표는 전부 냉접점이 정확히 0 °C라는 기준으로 돼 있다. 당신의 단자대는 0 °C가 아니다. 패널이 어떤 온도든 그 온도이고, 패널은 전원 공급기로 가득 차 있어서 방보다 따뜻하다.
그래서 모든 열전대 값에는 냉접점 보상이 필요하다. 열전대 선이 구리와 만나는 단자의 온도를 측정하고, 그 온도를 해당 TC 종류의 등가 마이크로볼트로 변환해서, 측정된 마이크로볼트에 더한 다음에 그 합을 IEC 60584 표에서 찾는다. 건너뛰면 값이 대략 패널-주변 온도만큼 낮게 나온다. 엉뚱한 기준점에 대고 보상하면 이 글 맨 위의 3 °C 높은 노 존이 된다.
반복해서 보는 두 가지 실패 유형:
- CJC 센서가 엉뚱한 곳에 있다. 냉접점은 이종 금속이 구리와 만나는 지점이다. 그게 단자대인데 CJC 서미스터가 따뜻한 CPU 뒤로 100 mm 떨어진 카드 위에 붙어 있으면, 보상이 엉뚱한 온도에 대한 것이 된다. 등온 단자대(isothermal terminal block)가 있는 이유가 바로 이거다 — 모든 TC 단자를 한 온도로 유지해서 CJC 하나로 카드 전체가 유효하게 만든다.
- 연장선인데 연장선이 아니다. 열전대 연장선과 보상 도선은 TC 종류에 맞아야 한다(Type K 열전대에는 Type K 연장선, 극성 맞게). 냉접점 앞 어디든 순수 구리를 물리면 그 지점에 보상되지 않은 두 번째 접점을 만든 것이다. 시운전 때는 패널과 접속점이 같은 온도라 멀쩡하다가, 온도가 갈라지는 순간 흐른다. 미국식 Type K에서 빨강이 음극이고, 극성을 뒤집으면 값이 맞는 만큼 틀린 방향으로 움직인다 — 전형적으로 골치 아픈 케이스다.
비선형성은 RTD보다 심하다 — Type K 곡선은 상온 근처에서 겨우 ~41 µV/°C이고 감도가 구간에 따라 변한다 — 그래서 제정신이면 열전대를 직선으로 선형화하지 않는다. 표 조회는 타협 대상이 아니다. 유일한 결정은 그게 어디에서 도는가다.
선형화는 엣지로 밀고, SCADA는 멍청하게 두라
내 원칙은 이렇다. SCADA는 이미 공학 단위로, 이미 선형화되고, 이미 냉접점 보상까지 끝나고, 기준이 알려진 값을 받아야 한다. SCADA 태그의 스케일링은 지루한 4-20 mA-대-범위 매핑이거나, HART/디지털 °C 값의 통과여야 한다. 온도 선형화가 SCADA 수식 태그 안에 사는 순간 세 가지가 어긋난다.
- 수식이 다음 엔지니어에게 안 보인다. 트랜스미터의 센서 종류는 라벨에 있지만, 파생 태그 안의 Callendar–Van Dusen 구현은 발굴 작업이다.
- 루프 체크를 깔끔하게 못 한다. 트랜스미터가 있으면 센서 지점에서 저항이나 밀리볼트 소스(CJC 포함된 TC 캘리브레이터)를 주입해 전체 체인을 증명한다. 선형화가 SCADA에 있으면 그 값은 태그 수식을 거친 뒤에야 말이 되므로, 현장 시뮬레이터 값이 PLC를 통과하기 전까지는 아무것과도 안 맞는다.
- PLC 스케일과 SCADA 스케일 사이에서 범위와 단위가 어긋나고, 이제 곡선을 두 곳에서 관리하게 된다.
정말 PLC에서 해야 한다면 — 예산이 트랜스미터까지 못 미쳐서 맨 RTD나 TC 카드를 쓴다면 — 센서 종류, 표준(IEC 60751 또는 IEC 60584 Type x), 배선 구성, CJC 소스를 그 포인트의 시운전 기록에 적어라. 아무도 안 읽는 주석이 아니라, 루프 시트의 범위 옆에.
대부분을 잡아내는 두 가지 점검
온도 포인트가 이상해 보일 때, 두 가지 빠른 시험이 흔한 원인을 갈라준다.
- 센서 끝에서 입력을 단락시켜라. RTD 소자 단자를 단락하면 값이 범위 하한으로 내리꽂혀야 한다(0 Ω → 스케일 한참 아래) — 카드와 배선이 고정된 값이 아니라 현장을 보고 있음을 증명한다. 열전대 리드를 센서에서 단락하면 값이 냉접점 온도로 무너져야 한다. 측정 전압을 0으로 강제했으니 남는 건 순수 CJC다. 그 숫자가 패널 온도에 가깝지 않다면, 냉접점 보상이 틀린 것이다, 이론의 여지 없이.
- 같은 열정(thermowell) 구역의 동일한 센서 둘을 예열 중에 비교하라. 인접 존의 RTD와 TC가 차가울 땐 일치하다가 패널이 데워지며 벌어진다면, 흐르는 쪽은 거의 항상 열전대다 — CJC 위치이거나 구리 접속이다. RTD는 패널이 뭘 하든 신경 안 쓰고, 열전대는 오직 그것만 신경 쓴다.
화면의 숫자는 두 금속의 접점에서 시작해 따뜻한 단자대를 지나는 체인의 끝이다. 어떤 온도 태그에 대해 그 체인의 어디에서 선형화와 냉접점 보상이 일어나는지 말할 수 없다면, 당신은 그 숫자가 뭘 뜻하는지 실은 모르는 것이다 — 그저 그럴듯해 보인다는 것만 안다.