열전대(Thermocouple)에 대한 이해

열처리, 열을 다루는 것은 인류가 보유한 기술의 근본이 되는 것이다.

예전에는 장인의 눈썰미와 경험으로 온도를 맞추었다면,

지금은 다양한 측정기기를 이용하여 그것을 제어하는 것이 차이 일 것이다.

온도를 측정하는 방법은 다양한 방법이 있다.

크게 보면, 접촉식 방식과 비접촉식 방식으로 생각해 볼 수 있는데,

접촉식 방식은 열전대, 저항온도계, 써어미스터, 반도체 온도계, 유리제 온도계 등이 있다.

비접촉 방식은 광고온계, 복사온도계, 광섬유온도계 등이 있다.

이중에서 가격대비 성능비로 가장 적합한 것은 열전대이다.

특히 K 타입 열전대의 경우 산업현장에서 온도 범위의 적합성으로 가장 많이 사용되는 것이라 볼 수 있다.

 

 

열전대의 원리는 지벡효과에 기인한다.

1821년 토마스 지벡Thomas Seebeck은 서로 다른 두 금속선의 끝을 묶어서 한 쪽을 가열하면 열전회로에서 지속적인 전류 흐름이 생기는 현상을 발견하였습니다. 이를 지벡 효과라고 하며, 금속 쌍에 가해지는 열에 따라 발생하는 일정한 기전력을 토대로 온도 값을 환산하여 측정하는 것이 열전대의 원리 입니다.

열전대의 종류는 다양한 금속 쌍교정 조합으로 종류가 꽤 된다.

열전대를 선택 할 때는 사용환경, 온도범위, 주변 환경이나 측정 환경의 화학적 저항성, 마모 및 진동에 의한 저항 필요성, 접촉 방식, 공간의 크기, 측정 장비, 열전대 접한 유형, 반응 속도 등을 고려하여 선택한다.

열전대의 반응 속도는 시간 상수라고도 하는데,

시간상수는 센서가 특정한 조건 하에서 온도 변화 단계의 63.2% 지점에 도달하는데 필요한 시간으로 규정된다.

센서가 100%의 변화수치에 도달하는데 다섯 가지의 시간상수가 필요하다.

1. 열전대의 접지와 직경에 따라 반응속도는 달라진다.

2. 노출 접점 열전대는 가장 빠른 반응을 얻을 수 있다.

3. 일반적으로 직경이 작을수록 반응이 빨라진다. 그러나 최대 온도는 낮아진다.

4. 직경 외에도 열전대의 금속 쌍을 감싸고 있는 피복이나 금속관 재질에 따라서도 온도 범위는 달라진다.

5. 열전대 와이어나 열전대 프로브의 경우, 구성 피복이나 금속과 같은 절연/보호 재질이 해당 열전대가 측정할 수 있는 온도 범위까지 견디지 못하는 경우도 많다.

6. 특히 일반 플라스틱 수지(PVC, PFA 등)의 최대 사용 온도는 극 고온 범위를 감당할 수 없으므로, 고온 측정 시에는 이에 맞는 피복 재질을 선택해야 한다.

 

급속 열처리 장치의 경우에는 열전대의 분해능과 안정도, 재현성 및 열시정수등이 온도 측정의 정확도에 영향을 주는 요소이기 때문에 특히 고려해야 하는 것들이다.

특히 열시정수의 경우 급속하게 온도가 변하는 장비에서는 매우 중요한 요소로 검토가 되어야 한다.

열시정수의 변화 특성을 보면,

1. 열전대의 보호관 직경이 증가하면 열시정수가 선형적으로 증가하는 경향이 있다.

2. 열전대의 감온부 비접지, 접지, 노출의 경향성을 보면, 노출형이 가장 빠른 특성을 보이고, 접지형이 비접지형보다 2배정도 빠른 특성을 보인다. 

3. 보호관 물질은 세라믹등의 재료 보다는 금속 재질이 보다 빠른 반응 속도를 얻을 수 있다.

4. 주목해서 볼만한 것은 감온부의 형태이다.

빠른 측정을 원하는 경우는 감온부의 형태를 비드 형태보다는 리본형을 사용하는 것이 좋다.

다만, 리본형의 크기에는 변화가 없는 것으로 판단하는 것이 좋겠다.

 

참고 문헌

써모커플 굵기 온도 변화_Characteristics variation of thermal time constant of thermocouples by the structure changes.pdf

2.23MB

참고 사이트

https://kr.omega.com/prodinfo/thermocouples.html

열전대 | 써모커플 | thermocouple

 

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