본문내용
1. 열전대 개요
1.1. 열전대의 정의
열전대는 제베크효과를 이용하여 넓은 범위의 온도를 측정하기 위해 두 종류의 금속으로 만든 장치이다. 발전소, 제철소 등에서 온도를 측정하기 위해 사용되며, 내구성이 좋아 극한상황에서 많이 이용된다. 1821년 제베크(Thomas Johann Seebeck)는 두 종류의 금속 A, B를 접합하고, 양 접점에 온도를 달리 해주면 온도차에 비례하여 열기전력이 생긴다는 것을 발견했다. 한쪽 접촉점을 기준점으로 삼고 측정하고자 하는 부위에 다른 접촉점을 위치하면 기전력의 크기로 온도차를 알 수 있으므로 기준점의 온도와 비교하여 온도를 측정하게 된다. 보통 기준 접촉점은 온도가 일정하여 기준접점이라 하고, 측정하고자 하는 곳에 위하는 접촉점을 측온접점이라 부른다.
1.2. 열전대의 원리
1821년 토마스 지벡(Thomas Seebeck)은 서로 다른 두 금속선의 끝을 묶어서 한 쪽을 가열하면 열전회로에서 지속적인 전류 흐름이 생기는 현상을 발견하였다. 이를 지벡 효과(Seebeck effect)라고 하며, 금속 쌍에 가해지는 열에 따라 발생하는 일정한 기전력을 토대로 온도 값을 환산하여 측정하는 것이 열전대의 원리이다. 다른 종류의 금속선의 양끝을 결합하고 양접점을 다른 온도로 유지하면 기전력이 생기므로 한쪽 끝을 정온도로 하고, 다른 쪽 끝을 여러 가지 온도로 하여 그 기전력을 측정하면 다른 접점의 온도를 알 수 있다. 이 조합을 열전쌍(thermocouple)이라고 한다. 정온에 유지하는 접점은 빙조에 넣어 0℃로 한다(냉접점). 이러한 원리를 응용한 온도계를 열전 온도계라 한다.
1.3. 열전대의 종류
1.3.1. 비드와이어 써모커플
비드와이어 써모커플은 가장 단순한 형태의 열전대이다. 두 금속선이 끝 쪽에서 용접된 비드 형태로 합쳐지기 때문에 비드 와이어 써모커플이라고 한다. 비드 와이어 써모커플은 대기 중이나 가스를 측정할 때 좋은 솔루션이다. 매우 빠른 반응속도를 보이며, 가늘거나 협소한 공간에서 이상적이다. 하지만 이 형태는 열전대 금속에 보호 장치가 되어 있지 않아 액체 환경에서 사용 시 금속이 부식될 수 있어 액체 투입 조건이나 습윤한 환경에서는 사용하지 않는다. 또한 표면이 금속 재질이므로, 시스템의 전기적 부분과 마찰을 빚어 측정 시 오류나 문제가 발생할 수 있다.
1.3.2. 써모커플 프로브
써모커플 프로브란 금속관 내부에 위치한 열전대 와이어로 구성된 형태이다. 금속관 또는 금속 피복은 프로브의 시스 또는 쉬쓰(Sheath)라 불리며, 보편적으로 시스 재질은 스테인리스 강과 인코넬이 사용된다. 인코넬은 스테인리스 강보다 더 높은 온도 범위를 지원하지만 스테인리스 강이 더 다양한 내화학성을 갖고 있어 용도에 따라 다른 재질이 이용된다.
1000도 이상의 고온 측정 시에는 Inconel®, OMEGACLAD® 재질을, 2000도 이상의 극고온 측정 시에는 몰리데늄, 탄탈륨, 백금로듐과 같은 기타 특수 재질 프로브를 사용한다. 써모커플 프로브는 접지Ground, 비접지Unground 또는 노출Expose의 세 가지 접점 Junction 유형 중 한가지로 제공된다.
1.3.3. 표면용 써모커플 프로브
일반적인 온도센서로는 고체 표면의 온도를 측정하기 어렵다. 정확한 측정을 위해서는 센서의 전체 측정 영역이 표면에 접촉해야 하기 때문이다. 견고한 센서로 단단한 표면에 작업하기는 어렵기 때문에, 표면 온도 측정용 열전대는 유연한 금속으로 만들어진다. 접합부가 단단한 고체 표면에 최대한 접촉할 수 있도록 평평하고 얇게 형성된 구조로 설계된다. 표면에 부착할 수 있는 형태가 되거나, 손잡이가 있고 평평한 센서 헤드가 있는 프로브 타입으로 구성될 수도 있다. 예를 들어 평평한 센서 헤드에 손잡이를 장착한 롤러식 형태는 움직이는 표면의 온도를 측정하는데 적합하다. 이와 같이 표면용 열전대는 유연한 금속으로 제작되어 단단한 표면에 효과적으로 접촉할 수 있도록 설계된다.
1.3.4. 무선 써모커플
무선 써모커플(Wireless Thermocouple)은 온도 모니터링과 데이터 로깅을 위하여 열전대 온도센서와 스마트폰 또는 태블릿에 연결되는 블루투스 무선 송신기를 연결한 온도 트랜스미터 타입이다. 데이터는 블루투스 무선 기술을 통하여 스마트폰이나 태블릿에 앱을 설치하여 바로 데이터를 확인, 편집, 전송할 수 있다. 또한 앱을 통해 여러 대의 송신기와 페어링하고 이를 설정하는 것도 가능하다. 무선 써모커플은 실시간 온도 모니터링과 편리한 데이터 관리 기능을 제공하여 온도 계측이 필요한 다양한 분야에서 활용되고 있다. 사용자는 모바일 기기를 통해 실시간으로 온도 데이터를 확인하고 분석할 수 있으며, 데이터 기록 및 저장, 전송 등의 기능도 손쉽게 이용할 수 있다. 또한 무선 연결 방식으로 인해 측정 환경에 구애받지 않고 온도를 모니터링할 수 있어 편의성과 활용도가 높다.
1.4. 열전대의 특성
열전대의 특성은 다음과 같다.
열전대는 제베크 효과를 이용하여 넓은 범위의 온도를 측정할 수 있는 장치이다. 정밀도에 비해 가격이 싸며, -200~1700℃까지 넓은 온도범위를 0.1~1%의 오차로 측정할 수 있다. 또한 역학적 유연성이 있어 사용 부위에 맞춰 형태를 바꿀 수 있다. 하지만 측정하려는 곳에 따라 사용할 수 있는 열전대의 종류에 제한이 있다. 정밀도 면에서도 측정온도의 0.2% 이상의 정밀도를 얻기 어렵다. 기준접점의 온도가 일정하게 유지되어야 하고, 고온에서 사용하는 경우 열화로 인한 산화가 문제가 될 수 있다. 대부분 직경 0.5~1mm 정도의 선으로 만들어지며, 응답속도가 빠른 마이크로미터 수준의 가는 열전대도 있다. 접점 형태에 따라 선단노출형, 접지형, 비접지형으로 나뉜다. 선단노출형은 응답속도가 빠르지만 기밀성이 좋지 않고, 접지형은 응답속도가 좋으면서 고온고압에 사용할 수 있지만 전압이 흐르는 곳에 적합하지 않다. 비접지형은 외부 환경에 견고하지만 응답속도가 떨어진다.
2. 데이터 로깅 시스템
2.1. 항온 수조
2.1.1. 항온 수조의 종류
항온 수조의 종류는 크게 순환식 저온 항온수조와 오일항온수조로 나눌 수 있다.
순환식 저온 항온수조는 크기가 작아 탁상위에 놓고 사용하기에 적합하며, 정확한 온도 조절이 가능하고 온도를 균일하게 유지할 수 있다. 또한 외부기기와 호환이 가능하고 조작이 쉽고 편리하다. 가격은 1,230,000원 정도로 오일항온수조보다 저렴하다.
오일항온수조는 물이 아닌 기름을 사용해 100°C 이상의 유체온도에 적합하며 장시간 사용이 가능하다. 하지만 가격이 3,110,800원으로 순환식 저온 항온수조보다 비싸다는 단점이 있다.
2.2. 실험 전기선 종류
실험 전기선 종류는 써모커플 T타입, 써모커플 K타입, 프로브 T타입, 프로브 K타입으로 구분된다.
써모커플 T타입은 0~350℃의 온도 범위에서 사용되며 ±1.0℃의 허용 오차를 가진다. 써모커플 K타입은 0~1250℃의 온도 범위에서 사용되며 ±2.2℃의 허용...
