열전대의 측정원리란?

열전대의 측정원리란?

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.

 

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.

[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.

 

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