열 계측기기 - 열전대 (Thermo couple) 온도센서

두 종류의 금속선 양단을 접합시켜 양단접점에 온도차를 주면 이 온도차에 따른 열기전력(熱起電力)이 발생한다. 이 열기전력을 직류밀리볼트계(milli-volt)나 전위차계로 측정하여 온도를 표시하는 온도계이다. 서로 다른 두 종류의 금속도체(金屬導體)에 폐회로(閉回路)가 형성(形成)되도록 결합하고, 두 결합사이에 온도차이(溫度差異)를 유지하면 폐회로 내에 기전력(EMF)이 발생한다. [Seebeck's effect 제백 효과] 이렇게, 한쪽(냉접점)을 정확하게 0℃로 유지하고, 다른 한쪽(측정접점 또는 온접점)을 측정하려는 대상에 놓아두면 기전력이 측정되어 온도를 알수 있다. 서로 다른 금속 도체의 결합을 "열전대"라 한다.

두 종류의 금속도체 양단을 전기적으로 접속시키고 이 양단에 온도차를 주면 회로 중에 전류가 흐른다. (Zeeback 효과) 기준접점의 온도를 일정온도로 (원칙적으로 0℃)유지하고, 열기전력(두종류의 서로 다른 도체나 반도체의 두끝을 접합하여 2접점을 다른 온도로 유지할때 회로에 생기는 기전력)의 수치를 측정함으로써 다른 끝단(온도 접점)의 온도를 알 수가 있다. 이 두 종류의 금속 도체를 열전대라고 한다.

열전대 (Thermo Couple) 의 정의

▲ 열전대 (Thermo Couple) 의 종류

분광분석에서 사용되는 일종의 디텍터. 특히 IR분석에서 이용되는 검출기의 한 형태. 다른 두개의 금속을 맞붙여놓고 양끝에 전극을 달아서 시료를 통과한 빛이 검출기에 닿으면 " 적외선 = 에너지 " 이므로 에너지를 받아서 이들이 전류를 발생시킨다. 두개의 금속이 발생시키는 전류가 각각 다르므로 이 전류의 차이를 이용해서 그 전압이나 전류를 측정하여 들어온 빛의 강도를 측정한다. 측정된 빛의 세기를 이용하여 투과된 빛의 양 또는 흡수된 빛의 양을 계산하여 이들의 파장별 영역으로 계산을 하거나 시간의 함수로 측정을 하여 푸리에 변환을 하는 여러가지 계산적과정을 거치게 된다. 즉 열전대(써모커플)는 분광분석기에서 입사되는 빛의 강도를 측정하는 검출기의 한 형태다.

열전대 (Thermo Couple) 의 원리

열전대는 열적 전기적으로 접촉하는 상이한 두 개의 물질로 구성된 온도 센서이다. 온도변화에 따라서 두 물질의 접촉부에서 전위의 차가 발생한다. 이 현상을 열전(Thermoelectric)현상이라고 하며 Seebeck effect라 한다.
 

제벡 효과 (Seebeck Effect)

Seebeck효과는 전도체에 전류가 흐르지 않아도 에너지의 흐름에 의해 전압의 그래디언트가 생기고 이에 따라 기전력이 발생한다는 원리이다. 이는 Seebeck에 의해 발견되었으며, 열전현상에 대한 첫번째 발견이라고 할 수 있다. 이번 실험에서와 같이 양끝단에 온도차를 주면 원자의 흐름에 의한 그리고 온도차에 의한 에너지의 흐름이 생기고 이에 따라 기전력이 발생하게 되는 것이다.

펠티어 효과 (Peltier Effect)

Peltier효과는 Seebeck효과와는 다소 차이가 난다. 온도차에 의한 에너지의 흐름때문에 기전력이 발생하는 것이 아니라, 다소 다른 관점에서 에너지의 흐름을 서술하고 있다. 펠티어 효과의 이론은 다음과 같다. 두개의 전도체에 전류가 흐를때 온도구배는 0이 된다. 그러나, 만약 두 전도체가 다른 물질로 구성되어 있다면 에너지의 흐름은 불연속적이 될 것이며, 이 불연속성 때문에 마치 열의 흐름과도 같이 에너지가 전달될 것이다. 따라서, 에너지의 흐름에 따라서 기전력이 발생하게 된다.

톰슨 효과 (Thomson effect)

톰슨 효과는 전류가 흐르고 또 온도구배가 존재하는 개개의 전기 전도체에 있어서 열의 변화를 분포적으로 고려한다. 온도구배와 전류의 흐름 모두에 의존하므로 열은 전도체로부터 흡수될 수 있고 방출될 수도 있다. Thomson열은 전자에 대류된다.

열전대 (Thermo Couple) 의 구조 및 계측방법

열전대의 구조는 여러 종류로 제작되고 있으며 일반적으로 열전대는 양 소선 상호간의 단락을 방지하는 절연관을 사용하고 소선이 피측정물이나 분위기 등에 직접 닿지 않도록 보호관에 넣어서 사용한다. 또 기준접점은 일정한 기준 온도로 보정해야 한다. 열기전력은 가동 코일형 또는 전자관식 자동 평형형 계기, 전위차계 등으로 측정한다.

▲ 해드형 열전대의 구조

 

열전대 (Thermo Couple) 의 특징

① 접촉식온도계 중 가장 높은 온도를 측정할 수 있는 온도계다.
② 제어백효과(seebeck effect)를 이용한 온도계다.
③ 기준접점을 가지고 있는 온도계다.
④ 냉접점의 온도를 0℃로 유지하고 0℃가 아닌 때에는 보정할 필요가 있다.
⑤ 원거리지시 및 기록이 가능, 1대의 계기로 여러 개소의 온도를 측정가능하다.
⑥ 사용온도 범위가 넓고 가격이 비교적 저렴하며 내구성 우수하다.
⑦ 응답이 빠르고 시간 지연(time lag)에 의한 오차가 비교적 적다.
⑧ 적절한 열전대를 선정하면 0℃~2500℃온도 범위의 측정이 가능하다.
⑨ 특정의 점이나 좁은 장소의 온도측정이 가능하다.
⑩ 온도가 열기전력으로써 검출되므로 측정, 조절, 증폭, 변환 등의 정보처리가 용이하다.

열전대 (Thermo Couple) 의 종류와 특성

B-type 열전대(백금, Rhodium 30%-백금- Rhodium 6%)

B열전대는 +쪽에 RH 30%를 포함한 백금 RH과 -쪽에 RH 6%를 포함한 백금 RH합금을 사용한 열전대다. 백금에 RH의 함유량을 증가함에 따라 융점 및 기계적인 강도가 상승하고 또 순백금(pt)의 사용중에 생기는 +쪽으로부터 -쪽으로의 (RH)확산에 의한 열기전력의 특성의 열화를 방지하는 것을 목적으로 한 열전대이다. 또 중성분위기 중에서의 연속 사용이 가능하고 환원성 분위기 중에서도 보통의 R열전대에 비하여 수명이 길다. 이 열전대는 R.S열전대에 비하여 고온에서 사용되는 반면 저온에서는 열기전력이 극히 작기 때문에 정도는 떨어진다. 특히 고온에 있어서 정밀 측정과 내구성이 요구되는 경우 이 열전대를 권장한다.

R-type 열전대(백금, Rhodium 13%-백금)

R 열전대 +쪽에 Pt, Rh(13%)합금과 -쪽에 순 Pt를 사용한 열전대다. 고순도 백금(99.999-99.9999%) 을 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 낮은 고순도 알루미나 재질을 사용하여야 한다. 또 열전대 자체의 취급에도 주의를 요하며 손의 땀이나 기름으로 오손되지 않도록 알코올, 벤젠 등으로 오염을 제거하는 것이 중요하다.

0~1600℃ : ±1.5℃ 또는 측정온도의 ±0.25%(허용차)

S-type 열전대(백금, Rhodium 10%-백금)

S열전대는 +쪽에 Pt, Rh(10%) 합금과 -쪽에 순 Pt를 사용한 열전대이다.1886년에 르. 자트리에 의해 개발된 열전대이며 역사적인 경위로 IPTS(국제실용온도)에서는 안티몬의 용융점(630.74℃)으로부터 금의 용융점(1064.43℃)까지의 온도 표준으로 사용되며, 1981년의 KS개정에 의하여 KS화 되었다. 사용할 때에는 R열전대와 같은 주의가 필요하다.

E-type 열전대(chromel-constantan)

E 열전대는 +쪽에 K열전대와 같은 Ni-Cr합금(chromel)과 -쪽에 Cu-Ni합금(constantan) 을 사용한 열전대이다. 공업용 열전대로서는 기전력특성이 가장 높은 것이 특징이다. 우리나라에서도 수요가 급격히 증대하고 대형화력, 원자력 발전 등에 채용되고 있다. 사용할 때에는 K열전대와 같은 배려가 필요하다. 또 현재 사용되고 있는 열전대 중에서는 전기저항이 가장높기 때문에 사용계기 선택에 충분한 주의가 필요하다.

J-type 열전대(Iron-constantan)

+쪽에 순철(Fe)과 -쪽에 Cu-Ni합금(constantan)을 사용한 열전대이다. J 열전대는 환원성 분위기 중에서 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.

K-type 열전대(chromel-Alumel)

K열전대는 +쪽에 Cr을 약 10% 포함한 Ni-Cr합금(chromel)과 -쪽에 Al, Mn을 조금 포함한 Ni합금(Alumel)을 사용한 열전대이다. 미국 호스킨스사에서 1906년 A.L. Marsh 에 의해서 개발되었고 그 후 개량을 더하여 현재 공업용의 열전대로서 가장 넓게 사용되며 신뢰성이 높다. 이 열전대는 고온(약1200)까지 사용이 가능하고 기전력특성의 직선성이 양호하며 비교적 내열, 내식성이 높은 것이 특징이다. 또 금속증기 공기중 및 O2, N2, Co2 가스(gas)중에서 기전력은 안정되어 있다. 그러나 환원성(H2, Co)가스 중 또 산소분압이 낮은 조건에 대해서는 크로멜(chromel)선의 열화 "Green Rot"라 불리는 Cr선택 산화현상이 생겨 이 때문에 기전력 치가 크게 저하하여 큰 오차가 생기는 경우가 있으므로 사용할 때에는 충분한 배려가 필요하다.

○ -200~0℃: ±2.5℃ 또는 측정온도의 ±1.5%(허용차)
○ 0~1000℃ : ±1.5℃ 또는 측정온도의 ±0.4%(허용차)
○ 0~1200℃ : ±2.5℃ 또는 측정온도의 ±0.75%(허용차)

 

※ K K型 열전대 (Chromel/Alumel) -200∼1,250℃ :
K형 열전대는 1906년 미국의 Hoskins사의 A.L.Marsh씨가 처음 개발했고, 그 이후 많은 개량을 해 왔다. 오늘날 다양한 특성 때문에 신뢰성이 높은 산업용 열전대로 가장 널리 사용된다. 1260℃까지 산화 및 비활성 분위기내에서 사용할 수 있다. K형 열전대는 이슬점(Dew-point)이 -42℃보다 낮으면 수소 또는 분해된 암모니아 분위기에서 사용가능

T-type 열전대(Copper-constantan)

이 열전대는 +쪽에 순동(Cu)과 -쪽에 Cu-Ni합금(constantan) 을 사용한 열전대이다. T열전대는 비교적 저온(-200-300 ℃)에 사용되고 약산화 분위기 또는 환원분위기 중에서의 사용에 적당하다. 기전력은 안정되어 정도가 높고 또 취급이 간단하므로 실험실 등에서 많이 사용되고 있다.

※ T T型 열전대 (Copper/Constantan) -200∼350℃ :
T형 열전대는 습한 분위기에서 부식에 강하며, 중간이 0℃인 온도 측정에 적합하다. 400℃까지 진공 및 산화, 환원 또는 비활성 분위기에서 사용할 수 있다. 기전력 특성이 안정되고 정확하기 때문에 실험용으로 폭넓게 사용되고 있다. T형은 규격화 된 열전대 중에서 중간이 0℃인 온도 범위 내에서 공차(Tolerance)가 가장 적은 열전대다.

열전대 (Thermo Couple) 종류별 온도 특성

▲ 열전대의 상용온도 및 최대사용 온도표

 

▲ 열전대 기전력 온도 특성표

 

열전대 종류별 열기전력표

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보호장치 및 나라별 표식

 

열전대 (Thermo Couple) 사용상 주의사항

열전대는 여러가지의 종류가 있지만 사용장소, 용도에 따라서 적정한 것을 선정하는 것이 중요하다. 온도를 정확하게 측정하기 위해서는 열전대의 선정의 내열, 내식, 내진성을 고려한 보호관 등의 선정, 구조 및 취부 방법(위치) 등에 유의할 필요가 있다. 각종 열전대 E, J, T 어느 쪽도 -쪽에 Cu-Ni합금(constantan) 을 사용하고 있다. 그러나 호칭이 같아도 각각 +쪽의 종류에 따라 Cu-Ni합금(constantan)의 배합비를 변화시켜 열기전력 특성을 조정하고 있다. 따라서 이들 열전대 소선의 -쪽과의 호환성은 없으므로 주의해야 한다.

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