본문내용
1. 열전대(Thermocouple)
1.1. 실험의 목적
열전대를 통해 물질의 온도를 측정하는 것으로, 설비공학과의 경우 구조체 내부의 온도, 파이프 내부의 온도, 펌프 내부의 온도 등 다양한 물질의 온도를 전선을 통하여 좀 더 안전하게 측정을 하고 각 물질에 따라 전류가 통하고 그 통한 것이 어떠한 온도를 구할 수 있는지를 알아보는 것이 목적이다.
1.2. 실험 이론 및 원리
1.2.1. Thermocouple(열전대)의 원리
열전대(Thermocouple)의 원리는 다음과 같다.
열전대는 두 종류의 금속을 조합하였을 때 접합 양단의 온도가 서로 다르면 이 두 금속 사이에 전류가 흐른다는 원리를 이용한다. 이 전류로 2접점 간의 온도차를 알 수 있다. 이 열전기(熱電氣)의 현상을 이용하여 고열로(高熱爐)의 온도를 측정하는 장치를 열전대라고 한다.
1821년 제베크는 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 측온 접점이라 부른다. 온도가 기전력의 크기로 나타나므로 이를 전기 신호로 증폭할 수 있어 측정이 용이하다. 열전대와 열전대의 기전력으로 온도를 환산하는 장치간에 거리가 멀어도 되며 회로 도중의 온도 변화는 측정치에 거의 영향을 주지 않는다.
1.2.2. 열전대의 원리와 기술적용범위 및 응용분야
양끝단 접점에 온도차가 발생할 때 이폐회로에 열기전력이 발생하여 화로에 전류가 흐른다. 이 열기전력의 크기와 극성은 양단의 온도와 두개의 금속선의 조합에 의해 결정되며 금속선의 굵기 또는 길이에 영향을 받지 않는다. 따라서 특정 열전대의 온도에 따른 열기 전력을 미리 읽을 수 있으므로 온도 측정이 가능하다.
열전대의 온도측정범위, 측정 장소의 상황, 필요로 하는 정밀도 등에 따라 적당한 소선을 선택하여야 함은 물론, 장시간 연속 사용 할 때에도 항상 같은 성능 발휘하여야 한다. 열전대는 원자로, 항공기, 동력계통, 제철소 등의 여러 공정에서 온도를 감지하는 방법을 제공하며, 구조가 간단하고 가격이 싸며, 내구성이 있고 많은 응용면에서 비교적 정확히 온도를 측정할 수 있는 온도계이다.
열전대는 또한 183℃ 이하에서 부터 2500℃ 근처 까지의 넓은 온도 범위를 0.1 ～ 1 ％ 정도의 정확도로 측정할 수 있으며, 출력을 측정하는데 측정 계기가 간단하고 회로상의 잡음이 덜 받는 낮은 임피던스를 갖는 장치이다. 열전대는 역학적 유연성이 있어서 여러 응용에 따라 그 형태를 적합하게 바꿀수 있고 빠른 응답, 내구성, 회로의 절연등을 고려하여 보통 소선의 형태로 만들어 사용하기도 한다.
1.3. 열전대의 조건과 종류
1.3.1. 열전대의 조건
열전대의 조건은 다음과 같다.
첫째, 온도변화에 따른 열기전력이 커야 한다. 열전대는 온도차에 비례하여 열기전력이 발생하기 때문에 이 열기전력의 크기가 클수록 온도 측정 시 더 큰 신호를 얻을 수 있다.
둘째, 내열성이 좋고 고온에서도 기계적 강도가 유지되어야 한다. 열전대는 높은 온도에 노출되므로 내열성과 기계적 강도가 확보되어야 한다.
셋째, 저온/고온에서 사용하여도 열기전력이 안정되어야 한다. 측정 온도 범위가 넓은 경우 온도에 따른 열기전력의 변동이 크지 않아야 한다.
넷째, 내식성이 좋고 화학적 상태에 대해 강해야 한다. 열전대는 다양한 산업 현장에서 사용되므로 부식 및 화학 물질에 강한 특성이 요구된다.
다섯째, 같은 종류의 열전대 소선에는 그 특성이 균일하여 호환성이 있어야 한다. 여러 개의 열전대를 사용하는 경우 각 열전대 간에 특성 편차가 작아야 한다.
이와 같은 조건을 모두 만족하는 재료는 찾기 어렵기 때문에 사용 환경에 따라 적합한 열전대를 선택하여 사용해야 한다.
1.3.2. 열전대의 종류
열전대(Thermocouple)의 종류는 접점 형태에 따라 선단노출형, 접지형, 비접지형, 기타로 나눌 수 있다.
선단노출형 열전대는 열전대를 보호대 밖으로 노출시킨 형태로, 온도 변화에 대한 응답속도가 빠르지만 기밀성이 좋지 않아 고온, 고압, 부식이 많은 곳에서의 사용은 피해야 한다.
접지형 열전대는 접점을 금속으로 된 보호대 외피에 연결한 형태로, 응답속도가 좋으면서도 고온 고압에 사용할 수 있다. 하지만 접점이 금속 외피에 연결되어 있어 전압이 있는 곳에는 적합하지 않다.
비접지형 열전대는 열전대가 외부와 완전히 절연된 상태로, 응답속도는 떨어지지만 외부환경에 견고하다.
이처럼 열전대는 용도와 환경에 따라 다양한 종류로 나뉘어 사용되며, 각 종류마다 장단점이 있다.
1.4. 실험 기구 및 재료
실험 도구에는 열전대, 얼음물, 그 외 실험도구가 포함된다. 열전대는 온도를 측정하며 -200~1700℃까지 넓은 범위의 온도범위를 0.1~1%의 오차로 측정이 가능하고, 역학적 유연성이 있어 형태를 사용 부위에 따라 적합하게 바꿀 수 있다. 하지만 측정하려는 곳에 따라 사용할 수 있는 열전대의 종류에 제한이 있고, 측정온도의 0.2% 이상의 정밀도를 얻는 것이 힘들다. 얼음물은 실험에 기준이 되는 물질이다. 그 외 실험도구로는 냉수, 온수, 냉+온수, 체온, 콜라 등이 있다.
1.5. 실험 방법
전류계의 측정도를 200m에 맞춘다. 서로 다른 5개의 액체를 준비하고 얼음물이 든 컵을 준비한다. 두개의 비커 중 한 곳에는 얼음물을 담아 0 CENTIGR...
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