RTD의 동작 원리와 4-wired RTD를 사용하는 이유, 적용 사례

1. RTD 의 동작 원리 — ‘저항 → 온도’로 변환

• 플래티넘(Pt) 은 온도에 따라 전기저항이 거의 선형으로 증가합니다.
  • 표준 Pt100 소자 : 0 °C에서 100 Ω, 온도계수 α ≈ 0.003 85 Ω / Ω / °C (IEC 60751)
  • 온도 T 에서의 저항은 Callendar‑Van Dusen 방정식으로 근사

 

2. 저항을 측정하려면?

1. 센서에 일정 전류 I(예 0.5 mA) 를 흘림
2. 단자 전압 V를 측정 → R측정=V/IR_\text{측정}=V/IR측정​=V/I
3. R측정R_\text{측정}R측정​ 을 위 식에 대입 → 온도 산출

문제는 센서까지 왕복하는 리드선(케이블)에도 저항이 존재한다는 점입니다.

 

3. 리드선 저항이 만드는 오차

 

22 AWG 구리선의 저항은 ≈ 0.053 Ω / m; 길이 30 m면 한 가닥이 1.6 Ω 입니다.

• 2‑wire RTD : 왕복 2 가닥 → 실측 저항이 +3.2 Ω 증가
  • Pt100 기울기 0.385 Ω / °C ⇒ 약 +8.3 °C 가짜 발열 오차 발생
• 3‑wire : 브리지로 한쪽 리드만 상쇄 → 케이블 불균형·온도차가 생기면 여전히 ±4 °C급 오차가 남습니다.

 

4. 4‑Wire (Kelvin) 결선이 해결책

회로전류선전압선리드선 오차특징

2‑wire	1쌍	없음	전부 합산	가장 단순
3‑wire	1쌍	1 선	절반만 상쇄	리드 R 균일 가정 필요
4‑wire	1쌍	1쌍	0 Ω	최고 정밀도

 

4‑wire에서는 두 전압선(V+, V–)에 거의 전류가 흐르지 않으므로 거기에 자리한 모든 저항이 식에서 사라집니다. 이 방법을 Kelvin 측정이라고 부릅니다. 실험적으로 0.1 Ω 이하까지 정확히 재는 계측 분야에서 표준 기법으로 쓰입니다.

 

5. 왜 제약공장은 4‑Wire가 “사실상 필수”인가?

1. 규제 정확도 요구 — SIP 121 °C, 오토클레이브 매핑, 동결건조 선반 등은 ±0.1 °C 이내를 요구합니다. RTD만이 이 범위를 충족하며, 4‑wire이어야만 케이블 길이·온도 변화에 관계없이 이 정확도를 유지할 수 있습니다.
2. 배선 길이가 길다 — 클린룸 천정의 제어반까지 20–60 m가 흔합니다. 케이블 굵기나 추가 트레이 배선 변경이 있어도 재보정이 필요 없습니다.
3. 데이터 무결성(GMP, GAMP 5) — 센서·변환기 조합의 총 오차를 문서로 증명해야 하므로, 계산으로 제거 가능한 리드선 오차는 처음부터 “0”으로 만드는 것이 감사 리스크를 줄입니다.
4. 교정·유지보수 단순화 — 현장 교정 시 센서만 분리해 드라이블록에서 교정하면 끝. 케이블은 변수에서 제외되므로 기록 작업이 크게 줄어듭니다.

 

6. 제약 현장에서 4‑Wire RTD가 투입되는 대표 설비

공정·설비허용 오차4‑Wire 사용 목적

SIP 탱크·배관	±1 °C	멸균 레코드 검증 (공정핵심)
오토클레이브 / Depyrogenation 터널	±0.25 °C	멸균·건열 밸리데이션 매핑
WFI 루프·CIP 리턴	±0.1 – 0.3 °C	80 ‑ 95 °C 연속 순환 온도 모니터링
동결건조기 선반	±0.2 °C	얼음 전선화 종결점 결정

 

6-1. 제약공장에서 4‑Wire RTD가 꼭 필요한 공정 구역

공정/설비요구 정확도4‑Wire RTD 사용 이유

 

SIP 멸균 탱크·배관	± 1 °C (121 °C × 15–30 min)	멸균 기록(레코더) 검증 시 ±0.1 °C 이하 필요. 긴 스팀 재킷 배선 → 4‑wire 채택.
연속 건열멸균·Depyrogenation 터널	± 1.5 °C @ 300 °C	터널 내부에 **“Pt100 4‑wire RTD 5 ~ 10 개 배열”**로 히터 PID 제어 및 밸리데이션.
오토클레이브(멸균기) / 온도 매핑	± 0.25 °C	FDA / EMA는 챔버 내 최고‧최저 지점 매핑 시 센서·데이터로거 정확도 ±0.1 °C 요구 → 4‑wire 사용이 업계 관행.
냉동·동결건조기(lyophilizer) 선반	± 0.2 °C	제품 동결 프로파일 최적화·끝점 검출(‘Tsub = −35 °C ± 0.2 °C’) → 4‑wire RTD 내장.
WFI(PW) 배관·루프 모니터링	± 0.1 °C	80 °C 순환·48 h 유지 시 온도 로그 일탈 감시. 배선 50 m 이상 → 4‑wire.
CIP·COP 리턴 라인	± 0.3 °C	80–95 °C 세정액이 규격 미달인지 즉시 판정해야 하므로 고정밀 RTD + HART 변환기 사용.
환경·창고(2–8 °C, −20 °C)	± 0.3 °C	백신·완제 보관실 Mapping. 다채널 로거 모듈이 모두 4‑wire RTD 입력.

 

공통 규격 : 4‑wire Pt100 Class A 이상
정전류 ≤ 1 mA(자기발열 < 0.05 °C)
철제·위생형 써모웰(ASME BPE)
24 V DC + HART 7 통신
IQ/OQ 문서에 ‘리드선 저항 = 0 Ω’ 증빙 포함.

 

 

7. 정리 – “4‑Wire를 쓰는 이유”

RTD는 ‘저항 = 온도’**라는 물리법칙을 이용합니다.
하지만 케이블도 저항이므로, 이를 완전히 제거하는 Kelvin 4‑Wire 결선이 없으면 고정밀·장거리 측정이 불가능합니다.
제약공장은 품질 규정상 ±0.1 °C급 검증이 필수이므로 4‑Wire RTD가 사실상 표준입니다.

 

이 구조를 이해하면 배선·교정·CSV 문서 모두에서 왜 처음부터 4‑wire를 선정해야 하는지 자연스럽게 설명할 수 있습니다.