열전대 온도측정방법 - yeoljeondae ondocheugjeongbangbeob

열전쌍·보상도선

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1. 열전대의 측정원리

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열전대의 원리·이론은 한 사람에 의해 한꺼번에 확립된 것이 아니다.

ASTM STP 470에 따르면 갈바니의 2개의 서로 다른 금속 접촉에 의해 개구리의 다리에 경련이 생긴다는 실험 결과로부터, 다른 금속이 사이에 용액을 통해 접촉함으로써 전위가 생긴다는 것을 1800년에 결론지은, Alessandro Volta가 열전대 원리의 선구자일 것이라 하였다.

그 외 열전쌍의 이론 확립에 기여한 연구자로서 Thomas Johann Seebeck (1821: 제벡 효과 발견), Jean Charles Althanase Peltier (1834: 펠티에 효과 발견), William Thomson - 후의 Lord Kelvin (1852: 줄 톰슨 효과 발견) 들의 이름을 내걸고 있다.이 중 가장 유명해진 것이 이하의 이론이다.

종류가 다른 2개의 균질의 도체A,B의 양단을 전기적으로 접속하여 그림-1과 같은 폐회로를 만들고, 이 양단에 온도차 T1,T2를 주면 회로중에 전류가 흐른다.

이 현상은 일반적으로 제이벡 효과로 불리며, 1821년 T.J. Seebeck가 비스머스-구리와 비스머스-안티몬의 조합으로 발견한 것으로 알려져 있다.

실제로 세이벡 효과란 페르티에 효과와 톰슨 효과가 결합된 결과임이 나중에 연구결과 판명되었다.

이러한 상세한 것에 관해서는 여기에서는 언급하지 않지만, 별도 많은 문헌이 발행되고 있으므로 그것을 참조하기 바란다.

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이 회로에 전류를 일으키게 하는 전력을 열기전력(Thermo electromotive force)이라 부르며, 그 극성과 크기는 2종류의 도체의 재질(A와 B)과 양단 접합점의 온도(T1과 T2)만으로 정해지는 것이 확인된다.따라서 도체의 굵기나 길이, 양단 부분 이외의 온도와는 무관하다.

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통상은 온도를 측정하는 측과는 반대측이 되는 단부를 일정온도(0℃)로 유지하고 열기전력을 측정함으로써 미리 알고 있는 열기전력과 온도의 관계를 통해 측정대상 온도를 알 수 있다.

이 측정하는 측의 접점을 측온접점(Measuring junction) 또는 열접점(Hot junction)이라 부르고 반대측의 일정온도로 유지하는 접점을 기준접점(Reference junction) 또는 냉접점(Cold junction)이라 부른다.

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실제로 열전대를 온도센서로 사용할 경우에는 측온접점측을 측정개소에 설치하고 반대측을 전압계에 접속하게 된다.

단, 그대로는 기준접점온도가 일정해지지 않으므로 기준접점이 되는 부분을 얼음물 속에 넣고 0℃로 하거나 온도보상회로가 내장된 계측기를 사용한다.

그림-2를 참조.

열전대에 보상도선을 접속해 이용하는 경우 접속부를 '보상접점'이라 부른다.

통상은 보상접점온도와 계기단자온도가 동일하기 때문에 보상도선의 오차는 열전대의 특성에 포함되지 않는다.

따라서 보상접점온도가 계기단자온도보다 높아지면 보상도선의 오차가 열전대의 특성에 가산되므로 주의가 필요하다.

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2. 열전대회로의 기본법칙

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(1) 균질회로의 법칙

열전대의 회로에서 A,B의 소선이 균질적인 재료로 구성되어 있다면 회로 중간에 t2, t3와 같은 국부적인 가열부가 있더라도 열기전력은 양 접점의 온도 t1 및 t0에 의해서만 결정된다.

반대로 불균질적인 부분이 존재하고 거기에 온도 구배가 있으면 균질적인 경우와 다른 열기전력이 발생한다.

(2)중간 금속의 법칙

열전대의 회로에서 A,B의 소선이 균질의 재료로 구성되어 있다면 회로 중간에 제3의 금속C가 삽 들어가도 양단 t2, t3의 온도가 같다면 열기전력은 t1 및 t0에 의해서만 결정된다.

실제의 사용예에서는 접속상자 안의 단자는 구리합금을 사용하였으나 접속점간 거리가 짧고 온도차가 생기지 않으므로 오차가 발생하지 않는다.

(3)중간온도의 법칙

아래 그림에서 V1, V2가 같은 종류의 열전대이고, 두 접점의 온도가 t1, t2일 때의 열기전력이 V1이고, t2, t0일 때의 열기전력이 V2이면 온도가 t1, t0일 때의 열기전력은 VAB이다.

실제 사용예에서는 현장설치 열전대와 그 단자상자에서 보상도선을 접속해서 계측하는 예 혹은 계산으로 열기전력을 구하는 경우가 상당한다.

보상도선을 접속하는 경우 특성이 동등하므로 접속해서 계측하는 것은 가능하지만 완전히 동일한 특성은 아니기 때문에 접속온도가 높아지면 보상도선의 오차가 가산된다.

그림5.중간온도의 법칙

[사례] - 사설컬럼

외경이 가는 시스 열전대에서는 슬리브 하 50mm정도의 제품이 존재한다.

그러나 이 제품을 100℃ 이상의 온도에서 사용하거나 온도검사를 할 경우 예상외의 오차가 발생할 수 있다.

【요인】

시험조에 삽입하였을 때 시험조 액면에서의 방사열에 의해 슬리브 부분(보상접점)이 과열되고 보상도선의 오차가 가산된다.

[대책] - 사설컬럼

삽입 길이가 짧은 제품은 검사 가능한 길이로 제작하고 중간 검사 후 규정 길이로 가공하고 있다.

그 때문에, 재검사를 할 수 없는 케이스가 있으므로 주의가 필요.

정확한 온도 측정 및 재검사가 필요한 경우 시스 길이가 150mm 이상 필요.

온도센서의 종류는 열전대, RTD, 써미스터 (Thermistor) 및 적외선 온도센서가 있습니다.

열전대(Thermocouple)란 서로 다른 두 종류의 금속 도체에 폐회로가 형성되도록 결합하고, 두 결합 사이에 온도차이를 유지하면 폐회로 내에 기전력(EM)이 발생합니다. - Steinbeck's effect 제백효과

한 쪽(냉접점)을 정확하게 0℃로 유지하고, 다른 한 쪽을 측정하려는 대상에 놓아두면 기전력이 측정되어 온도를 알 수 있습니다. 이렇게 서로 다른 금속 도체의 결합을 "열전대"라고 합니다.

열전대는 측정하는 온도와 상관관계를 가지는 전압을 출력하며, J, K, T, E, N, R, S, B, C 등의 타입이 있습니다. 일반적으로 가장 넓은 온도 범위를 가지고 있지만, RTD와 써미스터에 비해 정확도와 안정도가 떨어집니다. 합리적인 금액으로 통상적으로 많이 사용되는 센서 입니다. 

저항 온도계 RTD (Resistance Thermometer)는 일반적인 금속 도체의 전기저항은 온도변화, 이 현상을 이용하여 온도를 측정하는 센서입니다. RTD는 높은 안정도와, 정확도로 다른 온도 센서보다 정밀하게 온도를 측정할 수 있습니다. 하지만, 온도범위가 제한적이고 비용이 상대적으로 높은 편입니다. 

RTD는 온도측정을 위해 전류가 필요하기 때문에 자가 발열로 인해 온도 정확도에 영향을 미칠 수 있기 때문에 사용에 주의가 필요합니다. 

RTD는 3가지 타입이 있으며 각각 다음과 같은 특징이 있습니다. 

2선식 (Type W) : 선간 저항의 영향을 받기 쉬워 오차가 발생하기 때문에 고정밀도의 온도측정에는 적합하지 않은 센서입니다. 상대적으로 비용이 저렴합니다. 

3선식 (Type X) : 이 방법은 2선식과 4선식의 장단점을 고려하여 제작된 센서로, 일반적으로 가장 많이 사용되는 센서입니다.

4선식 (Type Y) : 선과 선 사이의 노이즈를 최소화 하기 때문에 높은 정밀도가 요구되는 온도 측정에 적합한 센서입니다.

서미스터(Thermister)는 저항기의 일종으로 온도에 따라 물질의 저항이 변화하는 성질을 이용한 전기적 센서입니다. 열가변 저항기라고도 하며, 주로 회로의 전류가 일정 이상으로 오르는 것을 방지하거나, 회로의 온도를 감지하는 센서로 사용됩니다. 서미스터는 열전대와 RTD 보다 훨씬 더 높은 정확도를 자랑하지만, 그 만큼 온도 범위가 상당히 제한적이며, RTD처럼 자가 발열의 문제가 있기 때문에 사용시 주의해야 합니다. 

마지막 적외선 온도센서는 말 그대로 측정 대상 표면에 직접 접촉하지 않고도 온도를 측정하며, 방사율에 민감한 온도센서입니다. 

방사율이란, 적외선 가열을 이용한 난방기구나 열화상 카메라, 발열체를 시작으로 하는 다양한 방사기기 표면으로부터 적외선 방사를 나타내는 수치입니다. 일반적인 방사율 측정에서는 샘플을 가열하여 표면으로부터의 적외선 방사량을 측정하고, 같은 온도에 있어서 흑체로 등의 기준 방사원으로부터의 적외선 방사량과 비교하여 구할 수 있습니다. 

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다음은 온도센서 중 열전대를 결정할 때 고려해야할 요인들에 대해 알아보겠습니다.

열전대(Thermocouple)는 탁월한 내구성으로 극한환경에서 많이 이용되며, 실제로 발전소, 제철소 등에서 온도를 측정하기 위해 사용되고 있습니다. 

이러한 열전대를 결정할 때 고려해야할 요인으로는 온도 범위와 정확도, 센서의 직경, 길이, 리드선의 길이, 측정 대상 환경, 온도센서 접촉하는 매개체의 특징 등이 있습니다. 

가장 먼저 온도 범위와 정확도에 따라 열전대 타입을 선택해야 하며 이는 아래의 표를 참고해주세요.