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1. 열전대의 원리와 제작
1.1. 열전현상
열전현상은 실험과 응용산업분야에서 온도를 측정하는 가장 보편적인 방법이다. 열전현상의 기본원리를 설명하기 위해 두 개의 상이한 금속(a, b)이 두 개의 접점(junction)에서 전기적으로 연결되어 있는 열전회로를 생각해볼 수 있다. 편의상 접점 1을 측정접점, 접점 2를 기준접점이라 하자. 이 때 기준접점과 측정접점의 온도가 서로 다르면 개방단 사이에 전위차(E)가 발생한다. 반대로 인위적으로 개방단에 전위차를 부여하면 두 접점의 온도차를 유발시킬 수 있다. 이 현상을 열전현상이라 한다.
열전현상에 관련되는 세 가지 효과 중에서 온도측정에 사용되는 것은 씨벡효과(Seebeck effect)이다. 씨벡효과는 열전회로를 통하여 흐르는 전류가 거의 무시되는 경우(개방회로), 접점의 온도차와 기전력의 관계를 설명하는 이론으로서 열전대를 이용한 온도측정 방법의 근거가 된다.""
1.2. 열전대의 기본법칙
열전대의 기본법칙은 다음과 같다.
첫째, 균일 물질의 법칙이다. 동종 금속으로 이루어진 열전회로는 온도차에 의하여 기전력을 유발할 수 없다. 따라서 온도 측정을 위해서는 서로 다른 금속으로 구성된 열전회로가 필요하다.
둘째, 중간재료의 법칙이다. 회로 전체가 균일 온도에 놓여 있다면, 상이한 물질로 이루어졌다 하여도 기전력은 영이 된다. 이 법칙은 매우 중요한데, 일반적으로 전압 측정기 내부 회로 및 연결선은 구리로 만들어져 있기 때문이다. 그림 1에서 금속 b가 구리가 아니라면 전압 측정을 위하여 연결된 구리선과 금속b의 연결은 두 개의 추가 접점을 형성한다. 이때 추가 접점의 온도가 동일하면 열전회로의 기전력과 전압계로 측정하는 전압차는 동일하며 추가 접점의 온도에 영향을 받지 않게 된다.
셋째, 중간온도의 법칙이다. 온도 T1과 T2의 접점 사이에서 발생한 기전력이 E1이고 온도 T2와 T3의 접점 사이에서 발생한 기전력이 E2라면 접점온도 T1과 T3 사이에서 발생하는 기전력은 E1 + E2이다. 이 법칙에 따르면 열전대의 기전력은 구성 금속과 접점의 온도에 의해 결정된다.
이러한 열전대의 기본법칙은 온도 측정에 있어 중요한 원리를 제공한다. 열전대를 이용한 온도 측정 시 반드시 고려해야 할 사항들이다.
1.3. 열전대의 적용
열전대의 적용은 다음과 같다. 열전대는 온도 측정이 필요한 여러 분야에서 널리 사용되고 있다. 산업체와 연구실에서 가장 보편적으로 사용되는 온도 센서 중 하나이다.
특히 열전대는 발전소, 제철소, 화학 플랜트, 자동차 및 항공기 엔진 제작 등 다양한 산업 분야와 실험실에서 온도 측정을 위해 활용된다. 이는 열전대가 내구성이 좋고 경제적이며 온도 측정 범위가 넓기 때문이다. 또한 열전대의 크기가 작아 국부적인 온도 측정이 가능하고 측정 자동화가 용이하다는 장점이 있다.
특히 열전대는 터빈, 보일러, 노로, 열처리 로, 용광로와 같은 고온 환경에서 온도 측정에 널리 사용된다. 그 밖에도 실험실의 화학 반응기, 열교환기, 열처리 공정, 건조기, 냉동기 등의 온도 모니터링에서 열전대가 활용된다. 이처럼 열전대는 다양한 산업과 실험 분야에서 온도 측정을 위해 매우 중요한 센서 역할을 한다.
1.4. 접촉 온도 센서와 비접촉 온도 센서
접촉 온도 센서와 비접촉 온도 센서는 온도를 측정하는 방식에 따라 구분된다.
접촉 온도 센서는 측정하고자 하는 대상에 직접 접촉하여 온도를 감지하는 방식이다. 대표적인 접촉식 온도 센서로는 열전대, 저항온도계, 열량계 등이 있다. 열전대는 서로 다른 두 종류의 금속선을 연결하여 구성한 것으로, 접점 온도 차에 따라 발생하는 기전력을 이용하여 온도를 측정한다. 저항온도계는 온도에 따라 저항 값이 변화하는 특성을 이용하여 온도를 측정한다. 열량계는 열량 변화에 따른 온도 변화를 감지하여 온도를 측정한다. 접촉식 센서는 구조가 간단하고 경제적이며 설치가 용이하다는 장점이 있지만, 측정 대상과의 열적 균형이 이루어지는데 시간이 ...
