배길호(2006-01-25 18:47:58, Hit : 27984, Vote : 1677
 접촉식온도계<전기식온도계<열전대

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   공장이 대형화, 플랜트화 되면서 자동화가 절실하게 되었다.

이때 필요한 온도계가 먼거리까지 측정한 온도값을 전송할 수 있는 전기식 온도계이다.

이 전기식 온도계는 측정값을 전기신호로 출력하여 시퀜스회로를 구성하여, 컴퓨터에 입력시켜 자동화를 실현할 수 있어 각광을 받게 되었다.



(1) 열전대온도계



     한자로는 熱電對,영어로는 Thermocouple 로 적는다.

한자나 영어를 잘 살펴보면, 對 그리고 ...couple 이라는 단어를 사용하고 있다.

복수명사에 서 알 수 있듯이 열전대는 두가지 금속으로 구성된다.



두 종류의 금속의 한 끝을 접합시켜 감지 기능을 만든다. 이 것을 "측온접점(Hot junction)" 이라고 부른다.

결국 열전대는 측온접점으로부터 두 선으로 갈라지는 데,

ⓐ 이 두 선을 " 열전대 소선(Element)"라고 한다.

ⓑ 이 두 개의 소선은 각각  절대지벡계수가 큰 쪽이 프라스(+),작은 쪽이 자동으로 마이너스(-)가 되어 계측기입력단자에 연결한다.

ⓒ 이때 단자에 연결되는 열전대 소선의 말단을 "기준 접점부(Reference Junction)"라고 부른다.



이렇게 구성이 되면 열전대의 감지부인 "측온접점" 에 임의 온도가 되도록 열이 가해지면, "기준접점"의 온도차이 만큼 열기전력(emf)이 발생되어 연결된 전압계에 전달되어 그 열기전력값인 전압값을 측정하게 된다.

이렇게 온도에 따라 열기전력이 나오는 현상을 지벡효과라고 부른다.

그리고 이 법칙이 "이종금속의 법칙"으로 열전대  이론의 기본이론중에 하나이다.

<이종금속의 법칙; 서로 다른 두가지 금속의 양댠을 접합하여 폐회로회로를 구성하면 양단의 온도차이 만큼 열기전력이 발생한다.>

측온접점에서 감지한 온도는 다음과 같다.



                                T ∝    E        ------   (1)



                                T =  Sab E h  ------   (2)



여기서  T     : 측정된 온도

           E h   : 측온접점에 가해진  온도에 대한 열기전력.

           Sab  : a 금속소선(+) 과 b 금속소선(-)간의 상대지벡계수.



그러나 실제측정에서는 기준접점의 온도도 발생하므로 다음과 같은 식이 생긴다.





                                T  =  Sab ( Eh - Er)    -----(3)



여기서 Er 은 열전대소선이  계측기 단자에 접속하므로서 즉 접점(Junction) 이 성립된다. 이때 열전대 소선과 열전대 소선과 접속한 계측기 회로내의 금속선 사에에 상대지백계수가 생기게 되고 접석부위의 온도- 계측기 입력단자의 온도인  "기준접점온도"로 인해 생긴 원치않은 "기생 열기전력" 이다.
결국 Er은 오차 값이다.
그래서 Er 값을 없애기 위해 여러가지 방법을 사용하여, 기준접점부를 0 ℃로 만든다.

Er 이 인위적으로 제거를 하면 다음식(4)와 같이 측정부위의 측온접점에 해당하는 기전력값만 온도값으로 현시된다.,



                                T  =  Sab x Eh    -----------(4)



결국 측정된 온도 T는 오로지 "측온접점"에서 얻은 열기전력 Eh 에 해당되는 값이 된다.









0℃일때 전압값,100 ℃일때의 전압값을 여러구간에 걸쳐 "온도대 전압의 비"를 알아서 전압계의 전압눈금을 온도눈금으로 빠꿔 온도로 직독하게 한다.

이렇게 전압계 전압눈금을 온도눈금으로 직독하게 눈금을 바꿔 사용하는 전압계를 열전대용 온도계라고 부른다.



서로 다른 금속으로, 어떤 종류의 금속이라도 측온접점을 구성하면 모두 열기전력이 발생한다.

그러나 온도에 대한 열기전력의 증감형태가 1차함수로 직진성이 어느정도  나타나야  열전대로 사용할 수 있다.

그래서 수백종의 열전대가 있으나 단 8종의 열전대만 국제규격으로 표준화하여 사용하고 있다.

8가지 중에 6가지 열전대는 온도 측정영역에 따라 구성이 되어 있다.

그러므로 온도 측정범위에 마춰 열전대 종류를 채택하도록 한다.

2가지 열전대는 측정범위가 겹치는데. 대체로 열전대가 소지한 약점을 개량하였으나 기존의 열전대를 갑자기 없앨 수 없어 남겨논 경우이다.

<예> S type --> R type    (미국,유럽에서는 S 형을 선호, 아시아에서는 R 형을 선호) ,
        K type --> N type    (K형열전대 약점 보완하기 위해 개발 된 N 열전대, K형 은 워낙 많이 보급되어 하루 아침에 버릴 수가 없어 10여년간 같이 사용하고 있다.)



규격화 된 열전대는 다음과 같다.



         종    류       기호     +선재료           -선 재료                             측정온도범위

      -----------------------------------------------------------------------------

                            S     Pt90 /Rh10             Pt100                                0 ℃  ~ 1400 ℃

      귀금속열전대    R     Pt97 /Rh13             Pt100                                0 ℃  ~ 1400 ℃

                            B     Pt70 /Rh30             Pt94 /Rh6                          0 ℃  ~ 1600 ℃

            
       -----------------------------------------------------------------------------│

                            N     Ni84/14Cr/Si1.65    Ni95/Si4.4/Mg1.5               -200 ℃~ 1200℃

                            K     Ni90/Cr9/Si            Ni93/Si1.3/Al2/Mn1/Co0.5  -200℃ ~ 1200℃

      비(婢)금속        J     Fe99.5                  Cu55/Ni45                          - 40℃ ~ 1200℃

        열전대           E     Ni/Cr10                 Constantan                        -200℃ ~  375℃

                            T     Cu99.95                 Cu55/Ni42                         -200℃ ~  350℃



식(2)에서  a 금속과 b 금속간에 성립된 상대 지벡계수인 Sab 를 "모파트"라는 분이 정리해준 데로  젤대지벡계수로 풀어본다면,



                                     Sab  = Sa - Sb  ................(5)

이다.

즉 a 금속의  절대지벡계수 Sa 와 b 금속의 절대지벡계수 Sb로 상대지벡계수를 마치 벡타함수처럼 표현한다.



                                    - Sab =  - (Sa- Sb)



                                             = Sb - Sa ..................(6)



                                       Sba = Sb - Sa .................(7)





a 또는 b 금속을 표준금속인 백금(Pt)와 연결하여 온도를 가열하면 온도증가에 따라  열기전력이 + 값으로 기울기가 증가하는 금속이 있고,반대로  -측으로 기울기가 증가하는 특성의 금속이 있다. 이 기울기의 특성과 +.또는 - 로 증가하는 특성이 그 금속의 "고유 지벡계수"라고 부른다.

이 고유지벡계수는 금속의 고유저항과 같이 그 모양이나 굴기에 상관없이 갖는 고유 물성이다.



금속들중에  + 측으로 올라가는 금속이라 해도 기울기가 큰 금속과 작은 금속과 열전대로 결선하면 기울기가 큰 금속이 +선이 된다. 그 상대제벡계수는 식(5)와 같이 기울기 차이를 나타내는데 그것이 Couple로 결선한 두금속의 상대 지계수가 된다.



또한, 한 금속은 온도 증가에 따라 열기전력이 + 측으로, 다른 금속은 열기전력이 - 로 기우는 금속이라면



                                        Sab = Sa-(-Sb)

                                               =Sa + Sb



가 되어 그 상대 지벡계수값이 커지는 것을 알 수 있다.



여기서 특별한 결론을 얻을 수 있다.



즉,  Couple 로 결선한 두 금속이 같은 금속이라면,  열기전력이 전혀 발생하지 않는 다는 것이다.




                                        Saa = Sa - Sa

                                               = 0



그러므로                           E  =  Saa x Th
                              
                                           =  0 x Th

                                           = 0


이 현상을 열전대 이론의 제 1 법칙, 이종금석(異種金屬)의 법칙이라고 부른다.
즉 서로 다른 재질의 금속으로 열전대를 구성해야 한다는 이야기이다.



<계속>





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