열전대(써모커플, Thermocouple)

1. 소개

 

써모커플은 서로 다른 두 종류 금속의 기전력을 이용한 온도센서이다. 특성이 다른 두 종류 도체의 양단을 접합해 폐회로를 만들고 한쪽 끝 단에 온도차이를 주면 제베크효과에 의해 이 회로에 열기전력이 발생하게 된다. 온도에 비례하여 기전력이 커지는데 이 기전력의 크기를 이용하여 온도를 측정하는 온도센서를 써모커플이라 한다. 서로 다른 두 종류 도체인 두 라인이 서로 다른 열 특성(열용량, 열전도 등)을 가짐으로써 둘의 차이를 통해 온도를 알아내는 것이다.

 

※ 기전력

전자에 운동에너지를 공급하여 회로에 전류를 계속 흐르게 유지시키는 능력

 

※ 제베크효과(Seebeck)

온도차에 의해 폐회로 상에서 전위차가 발생되는 효과이다. 2종의 금속 또는 반도체를 폐로가 되도록 접속하고, 접속한 두 점 사이에 온도차를 주면 기전력이 발생하여 전류가 흐른다. 이 현상을 제베크 효과(Seebeck effect)라 하고, 발생한 기전력을 열기전력이라 한다.

 

2. 작동원리

 

위 그림에서 C가 측정점 혹은 Hot junction(뜨거운 접점)의 온도이다. A와 B를 Tref(레퍼런스 온도) 혹은 Cold junction(차가운 접점)이라 한다. 써모커플은 C의 온도를 아는 것이 목적이다. 제베크 효과에 의하면 C의 온도를 알기 위해서는 Tref와 기전력을 알고 있어야 한다. 특히 Tref를 아는 것이 중요한데 그 이유는 0 ~ 50℃ 사이의 기전력과 50 ~ 100℃ 사이의 기전력은 차이가 있기 때문이다. 그래서 Tref를 알아야 하며, 여기에 기전력을 추가하여 C의 온도를 Table(온도차이에 따른 기전력을 계산한 표)에서 찾을 수 있다.

 

추가적으로 위 그림과 같이 써모커플의 기전력은 비직선적이기 때문에 보정이 필요하다.

 

3. 써모커플의 타입과 특징

 

종류	특징
K type	측정 온도 범위가 넓어서 공업용으로 가장 많이 사용된다.
J type	K type 다음으로 공업용으로 많이 사용되며 가격이 저렴하다. 그러나 낮은 온도에서 권장하지 않으며 산화성과 수증기 중에서도 쉽게 녹슨다.
T type	저온에서 특성이 우수하여 낮은 온도 및 극저온 용도이다. 또한 가벼운 산화, 환원 진공, 불활성, 습기가 있는 곳에서 적합하다.
E type	온도에 따라 기전력 변화가 가장 높다. 산화 또는 불활성, 진공이나 환원 환경에서 이용이 제한된다.
R type	안정성이 우수하여 표준적인 열전대로 사용된다. 산화성인 환경에도 강하나 열기전력이 작다는 특징이 있다.

 

4. 써모커플의 종류

 

접지형: 접점을 금속으로 된 보호대 외피에 연결한 형태로, 응답속도가 좋으면서 고온 고압에 사용할 수 있다. 그러나 접점이 금속 외피와 연결되어 있기에 전압이 있는 곳에는 적합하지 않다.

 

비접지형: 열전대가 외부와 완전히 절연된 상태로 응답속도는 떨어지나 외부환경에 강하다.

 

노출형: 열전대를 보호대 밖으로 노출시킨 형태로, 온도 변화에 대한 응답속도가 가장 빠르지만 내구성이 좋지 않아 고온, 고압, 부식이 많은 곳에는 적합하지 않다.

 

5. 보상도선

 

열전대를 이용하여 온도를 측정하는 경우 열전대 단자(보상접점)에서 계측기의 기준접점까지는 거리가 떨어져 있는 것이 보통이다. 여기서 보통의 구리도선을 접속하여 양 접점간에 온도차가 있으면, 새로운 열전대 회로가 형성되어 오차가 생긴다. 그래서 보상접점과 기준접점 사이의 온도 변동을 보상하기 위해 어느 온도 범위에 있어서 열전대와 거의 같은 열기전력 특성을 가진 도선을 사용하여 배선하는데, 이것을 “보상도선”이라고 한다. 보상도선을 사용함으로써 열전대에서 기준접점까지 열전대를 연장하는 것과 등가가 된다.

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<참고>

 

https://setoo0922.tistory.com/255

열전대(써모커플, Thermocouple) - 원리, 종류