■ 열전대(Thermocouple)
<참고자료>
열전대 원리 및 측정 방법 관련 참고 월간자동제어계측 “온도 측정 기술”
열전대 원리 관련 참고 http://imadang.co.kr/tech-data/tc.htm
보상도선 관련 참고https://blog.naver.com/askkst/140167545219
열전대 형태 관련 참고 http://smartmanufacturing101.blogspot.com/2017/09/blog-post_57.html
1. 열전대(TC) 원리의 배경
서모커플(thermocouple)은 열을 뜻하는 thermo와 쌍이라는 의미인 couple이 합쳐진 단어로 열전대라고도한다. 간단히 센서의 원리를 먼저 설명하자면, 이 센서는 제베크(Seebeck)효과를 이용한 것으로 두 종류의 금속을 붙여서 한쪽은 높은 온도로 다른쪽은 낮은 온도로 유지하면 온도 차이에 의하여 기전력이 발생하는데 이 기전력을 측정하면 온도의 측정이 가능하다는 것이다.
이 센서의 원리는 1821년 독일 물리학자인 제베크가 비스무스(Bi)와 구리(Cu)를 이용하여 연결된 선에서 온도에 따라 전압이 발생하는 것을 발견하였다. 이런 현상을 발견자의 이름을 따서 제베크 효과라고 부른다. 제베크가 당시 열전효과를 실험한 개념도를 보자.
제베크는 비스무스와 구리를 연결하고 그 안에 나침반을 배치했다. 이 장치에서 비스무스의 한쪽을 뜨겁게 가열하면 온도차이로 인하여 반시계방향으로 전류가 유도되며, 이 유도전류로 인하여 자기장이 아래의 나침반에 영향을 미쳐 나침반의 방향이 변화하는 것으로 열전효과를 처음으로 규명했다.
2. 측정 및 보정
서모커플 센서는 기본적으로 제베크 효과를 이용한 센서이다. 이것은 금속 막대의 양단간에 온도차가 발생하면 저온단은 (-)로 대전되고 고온부는 (+)로 대전되어 금속막대의 양단간에 전위차가 발생하는데 이를 제베크 전압이라 하고 열기전력이라 하며, 양단간의 온도차가 매우 적은 범위에서 제베크 전압(Vs)은 온도차 △T에 비례하여 Vs=a*△T표현가능하다.
Vs=a*△T
(Vs : 지베크 전압, a : 지베크 계수, △T : 온도차)
여기서 비례상수a를 재료에 대한 제베크계수(Seebeck Coefficient)라 하고, 단위 온도차에서 유도되는 전압을 의미한다. 두 재료에 대한 고유 제베크계수는 실험을 통해 알 수 있다. 이 제베크 계수의 값이 클수록 열전효과에 의하여 발생하는 기전력이 커지므로 좋은 열전소자가 된다. 그리고 같은 재료를 접합하면 제베크 전위는 정확하게 상쇄되어 전압계에는 전위차가 나타나지 않는다. 따라서 제베크 전압은 다른 재료를 접합해야만 나타난다. 참고로 열전효과가 좋은 금속으로 백금이 있으며 그래서 기준금속으로 선정되었다. “절대지벡계수”는 백금과 각종 열전대소선을 결선하여 얻은 값이고, 백금 외 임의 선과 결합하여 얻은 계수 값은 “상대지벡계수”이다. 이론상 백금과 백금은 전위차가 생기지 않지만 실제로 순수백금으로 만들 수 없기 때문에 그래프처럼 전위차가 생긴다.
서모커플의 기전력을 전압계로 바로 측정할 수는 없다. 왜냐하면 전압계의 단자와 서모커플의 단자 사이에서 또 다른 기전력이 유발되기 때문이다. 그리고 전압계로 기전력을 알아도 저온접점의 온도를 알 수 없고 변화할 가능성이 있다. 그래서 저온 접점을 0℃인 얼음 속에 넣어두게 되면, 고온 접점의 온도를 측정할 수 있게 된다. 이렇게 되면 전압계에서 읽게 되는 전압과 계수를 이용하여 Vs=a*△T=a*(T2-T1)=a*T2, 미지수 T2를 알 수 있게 된다.
따라서 서모커플은 두 종류의 금속을 접합하여 절대온도를 읽는 것이 아니고 측정접합부(고온접합)와 레퍼런스접합부(저온접합) 사이의 온도 차이로부터 실험값으로 알고 있는 계수를 적용하여 측정접합부 온도를 비교 계산하여 상대온도를 측정 할 수 있다. 그래서 초기에는 위에 설명과 같이 온도가 0℃인 얼음통을 사용하여 보상해 주었다. 서모커플의 한쪽 끝단은 측정해야 할 대상 물체에 접촉을 시키고, 레퍼런스 접합부를 얼음통 안에 구성하였다. 그러나 이 방법은 시간이 지나면 얼음이 녹는 문제로 현실적으로 사용하기가 어려웠다. 그래서 레퍼런스접합 보상 기술이 나오기 시작했고, 이것은 다른 온도 센서로 레퍼런스 온도를 측정하여 보상하는 방법이다.
- 서미스터 : 빠른 응답속도와 크기가 작은 것이 장점, 선형보정을 해야하고 제한된 정밀도가 단점.
- RTD : 정확하고 안정적이고 좋은 선형성 장점, 크기가 크고 가격이 고가가 단점.
- 다이오드 : 작고 사용하기 편리한 소자이며 정밀도는 약 1℃ 정도로 큰 편.
- IC 센서 : 가장 작아 주로 사용되는 소자이며 물리적으로 약해 설치 주의. 정밀도 약 1℃ 이하 좋은 편.
현장에 설치된 열전대에서 기준점이 있는 전송기 및 Panel 까지의 거리는 대체적으로 멀다. 열전대와 동일한 재료로 연결 하게 되면 열전대의 재료가 상당히 고가이기 때문에 설치비가 상당하게 들게 된다. 때문에 열전대와 비슷한 열전특성이 있는 전선을 사용하여 연결하는 경우도 있다. 이것을 보상도선(Extension-Wire / Compensation-Wire)이라고 부른다.
- 연장도선(Extension-Wire) : 열전대와 동일한 재질을 연장
- 보상도선(Compensation-Wire) : 열전대와 다른 재질로 연장
3. 열전대의 종류
K열전대Chromel-Alumel)
K열전대는 +쪽에 Cr을 약 10% 포함한 Ni-Cr합금(Chromel)과 -쪽에 Al, Mn을 조금 포함한 Ni합금(Alumel)을 사용한 열전대이다. 미국호스킨스사에서 1906년 A.L.Marsh씨에 의해서 개발되었고 그 후 개량을 더하여 현재 공업용의 열전대로서 가장 넓게 사용되며 신뢰성이 높은 것이다.이 열전대는 고온(약 1200℃)까지 사용이 가능하고 기전력특성의 직선성이 양호하며 비교적 내열, 내식성이 높은 것이 특징이다. 또 금속증기 공기중 및 O₂, N₂, Co₂가스(Gas)중에서는 기전력은 안정되어 있다. 그러나 환원성(H₂,CO)가스 중 또 산소분압이 낮은 조건에 대해서는 크로멜(Chromel)선의 열화"Green Rot"라 불리워 Cr선택 산화현상이 생겨 이 때문에 기전력 치가 크게 저하하여 큰 오차가 생기는 경우가 있으므로 사용할 때에는 충분한 배려가 필요하다.
J열전대(Iron-Constantan)
J열전대는 +쪽에 순철(Fe)과 -쪽에 Cu-Ni합금(Constantan)을 사용한 열전대이다. 환원성 분위기 중에서의 사용에 적절하고 기전력 특성이 E열전대에 이어서 높은 것이 특징이다. 또 비교적 값이 싸기 때문에 손쉽게 측정을 할 경우에 편리한 열전대이다. 그러나 수분을 포함한 산화분위기 중에서는 산화가 심하므로 사용할 때에는 충분한 주의가 필요하다.
E열전대Chromel-Constantan)
E열전대는 +쪽에 K열전대와 같은 Ni-Cr합금(Chromel)과 -쪽에 Cu-Ni합금(Constantan)을 사용한 열전대이다. 공업용 열전대로서는 기전력특성이 가장 높은 것이 특징이다. 우리나라에서도 수요가 급속히 증대하고 대형화력 원자력 발전 등에서 채용되고 있다. 사옹할 때에는 K열전대와 같은 배려가 필요하다. 또 현재 사용되고 있는 열전대 중에서는 전기저항이 가장 높기 때문에 사용계기의 선택에서는 충분한 주의가 필요하다
T열전대(Copper-Constantan)
T열전대는 +쪽에 순동(Cu)과 -쪽에 Cu-Ni합금(Constantan)사용한 열전대이다. 비교적 저온(-200~300℃)에 사용되고 약산화 분위기 또는 환원분위기 중에서의 사용에 적당하다. 기전력은 안정해서 정도가 높고 또 취급이 간단하므로 실험실 등에서 많이 사용되고 있다.주). 각종 열전대E, J, T 어느 쪽도 -쪽에 Cu-Ni합금(Constantan)을 사용하고 있다. 그러나 호칭이 같아도 각각 +쪽의 종류에 따라 Cu-Ni합금(Constantan)의 배합비를 변화시켜 열기전력을 특성을 조정하고 있다. 따라서 이들 열전대 소선의 -쪽과의 호환성은 없으므로 주의해야 한다.
R열전대(백금/Rhodium13%-백금)
R열전대 +쪽에서 PtㆍRh(13%)을 함유한 합금과 -쪽에 순 Pt를 사용한 열전대이다. 극히 고순도 백금(99.999 ~ 99.9999%)의 귀금속을 사용하고 있기 때문에 KS규격에 의한 ±0,25%의 오차를 충분히 만족시키는 고정도를 갖고 있다. 이 열전대를 진공중 및 환원성 분위기중,금속증기 분위기 중에서 직접 사용하는 것을 피한다. 사용은 다음 사항에 충분한 배려를 필요로 한다. 보호관 및 전열관에는 철함유량이 낮고 고순도 알루미나 재질을 사용하여야 한다. 또 열전대 자체의 취급에도 주의를 요하며 손의 땀이나 기름으로 오염되지 않도록 알콜, 벤젠 등으로 오염을 제거하는 것이 중요하다.
4. 열전대 구조
외부는 열전대 보호관(Sheath)으로 되어있고 내부는 열전대선과 산화 마그네슘이 충진되어 있다. 열전대의 형태에 따라, 열전대를 보호하는 보호관의 형태에 따라 종류가 다르며 열화나 잡음 문제에 대한 특징이 다르다.
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