열전대 (thermocouple)

열전대 (thermocouple)

온도를 측정하는 센서로 열전대, 열전쌍, 써모커플이라고 불리며 다양한 분야에서 널리 사용된다. 두 개의 서로 다른 전도성 금속이 연결하여 구성되며 기준점과 접점에서 온도차이가 생기면 전압이 형성되는 원리 (씨백, seebeck 효과)를 이용한다. 

*Seebeck 은 독일 물리학자 이름인데 제백, 제베크라고도 한다.

가격이 싸며 표준 커넥터에 여러가지 타입이 공통적으로 사용되어질 수 있고 넓은 범위의 온도를 측정할 수 있고 외부전원이 불필요한 장점이 있다. 유일한 단점은 정확도이며 1 도씨 이하의 정밀도(분해능)는 어려운 편이다.

멀티미터에 연결된 써모커플 저가형 K 타입 써모커플 (표준 K 타입 커넥터가 연결된 상태)

구성 및 작동원리

모든 이종 금속은 전압을 생성하지만 열전대에 사용되는 금속은 온도와 전압사이의 재연성이 뛰어난 특수한 합금을 연결하여 제작한다. 작동원리는 앞서 언급한 씨백(seebeck) 효과를 이용한다.

열전대 원리 및 구성도 (K 타입)

위 그림에서 Tsense가 측정점 혹은 hot junction (뜨거운 접점) 의 온도이다. Tref 를 기준접점, 참고접점, cold junction (차가운 접점?) 의 온도이다. 써모커플은 Tsense를 아는 것이 목적이다. 제베크 아재의 원리를 이용하면 Tref를 알아야 Tsense 를 알 수 있다 (이게 뭐야...). Tref를 아는 방법은 두가지가 있는데 정확도가 높으나 번거로운 icebath 방법과 냉접점 방식이 있다. icebath는 말그대로 얼음의 용융점이 0도이니까 0도를 유지하는 곳에 담가버리는 방법.... 그러나 보통의 기계공학적 방법은 측정기 내부에 냉접점의 온도를 알 수 있는 장치가 달려있어 Tref를 잰다 (응? 뭔가 이상해). 즉 위 그림에서 Tref는 측정기 내부에 있다. 아래 그림이 측정기 내부에 있는 냉접점 이다 (하얀색으로 덮혀있는 부분).

멀티미터 내부의 참고 접점 (junction)

여기서 주의해야 할 점은 Tsense 부터 Tref 까지의 연결선 (lead wire)의 구성이다. 써모커플은 Tsense의 빨간 박스이고 여기서 계측기 까지는 반드시 lead wire가 써모커플과 동일 재질 혹은 동일한 열전특성을 가지는 선이어야 한다!!!  문제는 써모커플에 센싱 부위 금속의 가격이 비싸다는 점이다. 그래서 동일한 (혹은 유사한) 열전 특성을 가지는 lead wire를 사용하는데 이를 보상 도선 (compensating lead wire) 라 한다. 물론 이 보상도선도 구리선에 비하면 비싸다.  

만일 보상 도선을 사용하지 않고 이 부분을 보상도선을 사용하지 않고 일반 구리선을 쓴다면 측정이 제대로 안되는 것이다.

보상 도선 파는 회사가 엄청 많고 다양한 옵션을 제공한다. 

실제 사용시의 유의점

열전대는 구성이나 원리가 매우 간단한 반면에 실제로 적용할 경우에는 합금의 품질, 회로 설계 실수, 노화 (aging) 등을 고려해야 한다.

타입

열전대 센싱부 금속 재질에 의한 분류로 E,J,K,M,N,T,B,R,S,C,D,G 등 다양한 타입이 있다. 예를 들어 일반적으로 가장 많이 사용되는 K 타입은 chromel-alumel 로 구성된다.

이러한 타입에 따라 사용온도 범위, 분해능이 구분되며 규격별로 선색깔이 아래와 같이 달라 진다.

	사용온도 (도씨)				Class 1 정확도	Class 2 정확도	선색깔
타입	지속사용		단시간 사용				IEC	BS	ANSI
K	0	+1100	−180	+1300	−40 – 375: ±1.5 375 – 1000: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 – 1200: ±0.0075×T
J	0	+750	−180	+800	−40 – 375: ±1.5 375 – 750: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 – 750: ±0.0075×T
N	0	+1100	−270	+1300	−40 – 375: ±1.5 375 – 1000: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 – 1200: ±0.0075×T
R	0	+1600	−50	+1700	0 – 1100: ±1.0 1100 – 1600: ±0.003×(T−767)	0 – 600: ±1.5 600 – 1600: ±0.0025×T			Not defined.
S	0	+1600	−50	+17500	– 1100: ±1.0 1100 – 1600: ±0.003×(T−767)	0 – 600: ±1.5 600 – 1600: ±0.0025×T			Not defined
T	−185	+300	−250	+400	−40 – 125:±0.5 125 – 350: ±0.004×T	−40 – 133: ±1.0 133 – 350: ±0.0075×T

가열로 내부의 열전대   

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple

https://us.flukecal.com/literature/articles-and-education/temperature-calibration/application-notes/thermocouple-app-notes-s

https://us.flukecal.com/literature/articles-and-education/temperature-calibration/application-notes/thermocouple-app-notes-1

http://cafe.naver.com/datacar

http://cafe.naver.com/besttts001/3893

http://cafe.naver.com/moolenergy/8632

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=656756&cid=42338&categoryId=42338

http://blog.naver.com/a95899054

http://book.naver.com/bookdb/book_detail.nhn?bid=11395

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