온도는 전기 및 전자 부품 및 장치의 성능에 중요한 역할을 합니다. 특정 범위에서 유지해야 합니다. 그러나 먼저 온도를 감지하고 측정해야 합니다. 다양한 유형의 측정 도구와 도구가 사용됩니다.
이러한 장치 중 하나는 온도를 측정하는 데 사용되는 열전대입니다.
열전대란?
열전대는 온도를 측정하는 데 사용되는 변환기입니다. 온도를 온도에 비례하는 전류 또는 전압으로 변환합니다.
열전 특성이 다른 두 개의 서로 다른 금속으로 만들어지며 한쪽 끝은 서로 결합되고 다른 쪽 끝은 떨어져 있습니다. 접합된 끝의 온도는 다른 쪽 끝에서 일반 멀티미터를 사용하여 읽을 수 있는 열전 전위를 생성합니다. 판독값은 온도에 비례합니다.
열전대는 작동하는 데 전원이 필요하지 않은 능동 센서입니다.약 5μVolts/°C의 매우 낮은 전압을 생성합니다. 최대 1200°C의 온도를 측정할 수 있습니다. 산업 분야의 온도 측정에 광범위하게 사용됩니다.
열전대 구조
아래 그림과 같이 매우 간단한 구조를 가지고 있습니다.
열전대는 상이한 열전 특성을 갖는 2개의 다른 금속에게서 합니다. 그들은 한쪽 끝에서 함께 결합됩니다. 금속의 다른 두 끝은 분리되어 있습니다. 접합된 끝 또는 접합부는 열접점이라고 하고 분리된 끝은 냉접점 또는 기준 접합부라고 합니다. 금속은 용접, 비틀기 또는 나사로 함께 결합됩니다.
사용된 금속의 직경은 열전대의 온도 범위와 응답 시간을 결정합니다. 고온 측정에는 더 큰 직경의 금속이 필요하므로 응답 시간이 단축됩니다. 그러므로, 이 두 가지 요소는 열전대를 설계하는 동안 염두에 두어야 합니다.
열접점이라고 하는 금속이 함께 결합되는 접합부는 온도를 측정하는 데 사용됩니다. 보호용 금속 외피로 덮여 있습니다. 그러나 다음 세 가지 방법 중 하나로 설계되었으며 각 유형마다 고유한 장점이 있습니다.
접지되지 않은 접합부
이러한 설계에서 접합부의 금속은 아래 그림과 같이 보호 금속 피복에서 완전히 분리됩니다.
열접점이 절연되어 있기 때문에 접지되지 않은 접합부 열전대의 응답 시간은 접지된 것보다 짧습니다. 그러나 내구성이 뛰어나고 보호 외피로 인해 고압 응용 분야에 널리 사용됩니다. 또한 표유 자기장의 영향을 줄입니다.
접지 접합
접지 접합 설계에서 열접점은 보호 금속 피복과 연결됩니다. 이는 고온 범위에서 매우 빠른 응답 시간을 제공합니다. 그러나 전기 전도성 환경에는 적합하지 않습니다. 또한 소음을 줄입니다.
노출된 접합부
이러한 설계에서 접합부는 그림과 같이 보호 피복이 없기 때문에 노출됩니다. 모든 디자인 중에서 응답 시간이 가장 빠릅니다. 그러나 부식성 환경과 고온에는 적합하지 않습니다. 가스 온도 측정에 사용됩니다.
열전대에 사용되는 재료
열전대는 여러 가지 유형의 금속의 조합으로 만들어지지만 최고의 성능을 제공하는 몇 가지 금속이 있습니다. 일반적으로 선택되는 금속 쌍은 이들 사이의 열전 차이를 기반으로 합니다. 차이가 클수록 재료의 성능이 높아집니다.
다음은 열전대에 가장 자주 사용되는 금속 쌍의 표입니다.
다양한 다른 특성을 기반으로 이러한 열전대는 특정 환경에 사용됩니다. 주어진 표는 크롬-콘스탄탄 열전대가 매우 높은 감도로 최대 1000°C의 고온 측정에 가장 적합하다는 것을 보여줍니다. 텅스텐-레늄 열전대가 매우 고온 응용 분야에 사용되는 반면 산업에서 사용됩니다.
열전대의 작동 원리
열전대의 작동 원리는 다음 세 가지 효과를 기반으로 합니다.
Seebeck Effect - 제벡 효과
Seebeck은 두 개의 서로 다른 금속 또는 도체가 두 개의 접합부에서 함께 결합될 때 이를 발견한 물리학자였습니다. 접합부 사이의 온도차는 emf를 생성합니다. 금속 쌍이 회로에 연결되면 회로에 직류가 생성됩니다.
Peltier Effect - 펠티에 효과
Pelteir 효과는 Seebeck 효과의 반대입니다. 전위차가 가해지면 서로 결합된 두 개의 서로 다른 금속 사이에 온도차가 발생합니다. 접합부 중 하나는 차가워지고 다른 하나는 뜨거워집니다.
Thompson Effect - 톰슨 효과
톰슨 효과에 따르면, 두 개의 서로 다른 금속을 따라 온도 구배가 발생하기 때문에 두 금속 사이의 전압 차이가 도체를 따라 존재합니다.
그러나 열전대는 언급 된 효과에 대해 작동합니다. Seebeck & Peltier는 그 작동에 책임이있는 가장 두드러진 효과입니다.
두 개의 서로 다른 금속이 접합부에서 결합되면 열접합 전압이라는 작은 전압이 생성됩니다. 주어진 그림은 접합부 P에서 결합 된 두 개의 다른 금속 A & B를 보여줍니다. 전압계는 금속 A & B의 열린 끝 부분에 부착됩니다.
접합 P의 온도 변화는 전압계를 사용하여 측정되는 전압 차이를 생성합니다. 그러나 전압계의 프로브 또는 리드는 열전대에 사용되는 것과는 다른 금속 인 구리로 만들어져 J1 및 J2가 두 개 더 있습니다. 이러한 추가 접합으로 인해 전압 측정에 오류가 추가됩니다.
이 오류를 제거하기 위해 그림과 같이 다른 접합 Q가 설계에 추가됩니다. 이 접합부는 또한 금속 A와 B 사이에서 만들어집니다. 그러나, 두 개의 접합부 J1 및 J2는 여전히 존재하지만, 둘 다 전압계에서 서로의 전압 차이를 제거하는 유사한 금속 A 사이에 존재한다.
접합 P는 핫 또는 감지 접합으로 알려져 있고 접합 Q는 냉간 접합 또는 기준 접합으로 알려져 있습니다. 기준 접합 온도는 냉욕에서 0°C 온도로 유지되는 것으로 알려져 있습니다. 그러므로, 접합 P&Q의 온도차에 기초하여 보다 정확한 출력 전압(Vo)이 생성됩니다.
예를 들어 기준 온도 Tr과 감지 온도 Ts가 모두 0°C이면 출력 전압이 0이 됩니다. Ts가 0°C가 아닌 경우 온도 차이에 비례하여 EMF가 생성됩니다.
열전대의 출력 전압은 사용 중인 금속 쌍에 따라 일반적으로 몇 마이크로볼트로 매우 작습니다. 출력 전압은 아래에서 설명하는 다양한 장치로 측정할 수 있습니다.
열전대 출력 측정
열전대의 출력은 매우 작은 emf 또는 전압의 형태입니다. 온도를 추론하려면 정확하게 측정해야 합니다. 전압은 다양한 장치를 사용하여 측정할 수 있습니다.
멀티 미터
간단한 멀티미터를 사용하여 열전대에서 생성된 전압을 측정할 수 있습니다. 디지털 및 고감도 아날로그 멀티 미터 모두 전압을 측정 할 수 있습니다. 전압은 두 접합부 사이의 온도 차이를 반영합니다.
전위차계
전위차계는 알려진 전압과 비교하여 전압을 정확하게 측정하는 데 사용됩니다. 수동 또는 자동 전압 밸런싱 전위차계가 될 수 있습니다. 감지 또는 열접점 P 및 기준 접점 q에 연결되며 온도는 얼음 수조에서 0 °C로 유지됩니다.
열전대의 출력이 매우 작기 때문에 증폭기를 사용하여 모든 기기를 사용하여 쉽게 측정할 수 있는 훨씬 더 큰 값으로 증폭할 수 있습니다.
열전대의 법칙
기본적으로 열전대에 적용되는 세 가지 법칙이 있습니다. 각각은 아래에 설명되어 있습니다.
Law of Additive Voltage - 가산 전압의 법칙
이 법칙은 3 개의 다른 금속 A, B 및 C가 동일한 온도 차이를 측정하는 데 사용되는 경우 A & B 사이에 생성 된 전압과 B & C 사이에서 생성 된 전압의 합은 A & C 사이에서 생성 된 전압과 같습니다.
Vac = Vab + Vbc
Law of Intermediate Metals - 중간금속의 법칙
중간 금속의 법칙에 따르면 두 개의 서로 다른 금속 사이에 직렬로 세 번째 금속을 삽입해도 세 번째 금속에 의해 형성된 두 개의 접합부가 동일한 온도에 있는 한 전압 판독값에 영향을 미치지 않습니다.
이 법칙은 주어진 그림에서 설명할 수 있습니다. 금속 A & B로 만들어진 열전대를 보여 주며 세 번째 금속 C는 금속 B와 직렬로 추가됩니다. 이 세 번째 금속은 두 개의 접합부 J1 및 J2를 형성합니다. 열전대의 전체 온도는 접합부 J1 및 J2의 온도가 동일한 한 변하지 않습니다.
두 접합부가 동일한 온도에 있기 때문에 이러한 접합부에서 생성되는 emf도 동일합니다. 따라서 접합 J1에 의해 생성된 emf는 접합 J2에 의해 생성된 동등하게 반대 emf를 상쇄합니다.
이 법칙은 금속 한 조각에만 국한되지 않습니다. 사실, 두 개 또는 두 개 이상의 금속 조각을 설계에 추가할 수 있지만 형성된 새로운 접합부가 동일한 온도로 유지되는 한 순 전압이 영향을 받습니다.
Law of Intermediate Temperature 중간 온도의 법칙
중간 온도의 법칙에 따르면 두 개의 동일한 열전대가 T1 및 T2 사이의 온도차와 T2 및 T3 사이의 온도차를 측정하는 경우 전압 합은 T1 및 T3 사이의 온도차를 측정하는 동일한 열전대에 의해 생성 된 전압과 같습니다.
이 법칙은 주어진 수치에 의해 설명됩니다. 사용된 열전대는 모두 동일합니다. 열전대 1은 출력 전압이 V12인 동안 T1과 T2 사이의 온도 차이를 측정하고 열전대 2는 출력 전압이 V23인 T2와 T3 사이를 측정합니다. 세 번째 열전대 3은 출력 전압이 V13인 T1과 T3 사이의 온도 차이를 측정합니다.
V13 = V12 + V23
이를 통해 현재 사용 중인 것과 기준 접합부에서 다른 온도에 대해 이전에 교정된 열전대에서 오류를 제거할 수 있습니다.
여러 열전대를 직렬로 연결하면 열전퇴라고 합니다. Thermopile은 감도가 매우 높으며 감도가 높아진 데 사용됩니다. 단일 열전대와 비교하여 온도 변화와 함께 출력 전압의 매우 중요한 변화를 제공합니다.
열전대의 종류
색상 코드가 있는 다양한 유형의 열전대는 성능과 응용 분야에 따라 다양한 범주로 분류됩니다. 이러한 유형은 아래와 같이 영문으로 표시됩니다.
K 타입
K타입 열전대는 광범위한 온도 측정이 가능한 가장 일반적인 저렴한 열전대입니다. 정확하고 신뢰할 수 있으며 더 중요하게는 저렴합니다. 크로멜-알루멜 열전대라고도 합니다.
유형 K의 양극 리드는 크롬으로 만들어집니다. Chromel은 90% 니켈과 10% 크롬으로 만들어집니다. 음극 납은 95% 니켈, 2% 알루미늄, 2% 마그네슘 및 1% 실리콘으로 만들어진 Alumel로 만들어집니다.
다른 색상 코드는 열전대의 양극 및 음극 리드를 나타내고 식별하는 데 사용됩니다. ANSI 색상 코드에 따르면, K타입 열전대에는 노란색 양극 리드 및 빨간색 음극 리드가 있습니다. BS에 따르면 양극 리드는 갈색이고 음극 리드는 파란색입니다. IEC에 따르면 양극 리드는 녹색이고 음극 리드는 흰색입니다.
K타입 열전대의 온도 측정 범위는 -270°C에서 1260°C이며 정확도는 ±2.2°C입니다. 감도는 약 40μV/°C입니다.
T 타입
T타입 열전대는 저온 측정에 사용됩니다. 산화 환경에서 사용하기에 적합합니다.
양극 리드는 구리로 만들어집니다. 음극 납은 55% 구리와 45% 니켈로 만들어진 콘스탄탄으로 만들어집니다.
ANSI 색상 코드에 따르면 양극 리드의 색상은 파란색이고 음극 리드는 빨간색입니다. BS에 따르면 양극 리드는 흰색이고 음극 리드는 파란색입니다. IEC에 따르면 양극 리드는 갈색이고 음극 리드는 흰색입니다.
T타입 열전대의 온도 측정 범위는 ±270.370 °C의 정확도로 -1 °C에서 0 °C입니다. 감도는 약 43μV/°C입니다.
J 타입
J타입 열전대도 매우 일반적으로 사용됩니다. 또한 감도가 증가한 산화 환경에서 사용하기에 적합합니다.
양극 리드는 철로 만들어집니다. 음극 납은 55% 구리와 45% 니켈로 만들어진 콘스탄탄으로 만들어집니다.
ANSI 색상 코드에 따르면 양극 리드의 색상은 흰색이고 음극 리드는 빨간색입니다. BS에 따르면 양극 리드는 노란색이고 음극 리드는 파란색입니다. IEC에 따르면 양극 리드는 검은색이고 음극 리드는 흰색입니다.
J타입 열전대의 온도 측정 범위는 ±210.760 °C의 정확도로 -2 °C에서 2 °C입니다. 약 50μV/°C의 고감도를 제공합니다.
S 타입
S타입 열전대는 생명공학에서 사용되는 고온 열전대입니다. 그러나 정확도가 높기 때문에 저온 측정에도 사용됩니다. 희귀 금속으로 만들어져 가격이 비쌉니다.
포지티브 리드는 90% 백금 및 10% 로듐으로 만들어집니다. 음극 납은 순수한 백금으로 만들어집니다.
ANSI 색상 코드에 따르면 양극 리드의 색상은 검정색이고 음극 리드는 빨간색입니다. BS에 따르면 양극 리드는 녹색이고 음극 리드는 파란색입니다. IEC에 따르면 양극 리드는 주황색이고 음극 리드는 흰색입니다.
S타입 열전대의 온도 측정 범위는 -50 °C에서 1480 °C이며 정확도는 ±1.5 °C입니다. 그리고 약 ±1.0 °C의 저온에서 높은 정확도. 감도는 약 6μV/°C입니다.
E 타입
E타입 열전대는 매우 민감하며 강력한 신호와 높은 정확도를 제공합니다. 계측에 사용됩니다. 다른 유형에 비해 거의 사용되지 않습니다. 또한 비자성입니다.
포지티브 리드는 크롬으로 만들어집니다. Chromel은 90% 니켈과 10% 크롬으로 만들어집니다. 음극 납은 55% 구리와 45% 니켈로 만들어진 콘스탄탄으로 만들어집니다.
ANSI 색상 코드에 따르면 양극 리드의 색상은 보라색이고 음극 리드는 빨간색입니다. BS에 따르면 양극 리드는 갈색이고 음극 리드는 파란색입니다. IEC에 따르면 양극 납은 자주색이고 음극 납은 흰색입니다.
E타입 열전대의 온도 측정 범위는 ±270.870 °C의 정확도로 -1 °C에서 7 °C입니다. 이 제품은 약 68μV/°C의 높은 감도를 제공합니다.
N 타입
N타입 열전대는 유형 K와 유사한 성능 매개 변수를 가지며 훨씬 더 많은 안정성 (300-500 ° C 사이)이지만 비용이 더 많이 듭니다.
포지티브 리드는 Nicrosil로 만들어집니다. Nicrosil은 84.1 % 니켈, 14.4 % 크롬, 1.4 % 실리콘 및 0.1 % 마그네슘으로 만들어집니다. 음극 납은 95.6% 니켈과 4.4% 실리콘으로 만들어진 Nisil로 만들어집니다.
ANSI 색상 코드에 따르면 양극 리드의 색상은 주황색이고 음극 리드는 빨간색입니다. BS에 따르면 양극 리드는 주황색이고 음극 리드는 파란색입니다. IEC에 따르면 양극 리드는 분홍색이고 음극 리드는 흰색입니다.
N타입 열전대의 온도 측정 범위는 ±270.1260 °C의 정확도로 -2 °C에서 2 °C입니다. 감도는 약 39μV/°C입니다.
R 타입
R타입 열전대는 고온에도 사용되기 때문에 S형과 거의 유사한 성능을 가지고 있습니다. 그러나 로듐 함량이 높기 때문에 S타입보다 비싸고 민감하고 안정적이며 R형은 영국에서 더 인기가 있고 S타입은 유럽에서 인기가 있습니다.
포지티브 리드는 87% 백금 및 13% 로듐으로 만들어집니다. 음극 납은 순수한 백금으로 만들어집니다.
ANSI 색상 코드에 따르면 양극 리드의 색상은 검정색이고 음극 리드는 빨간색입니다. BS에 따르면 양극 리드는 녹색이고 음극 리드는 파란색입니다. IEC에 따르면 양극 리드는 주황색이고 음극 리드는 흰색입니다.
R타입 열전대의 온도 측정 범위는 -50 °C에서 1480 °C이며 정확도는 ±1.5 °C입니다. 그리고 약 ±1.0 °C의 저온에서 높은 정확도. 감도는 약 6μV/°C입니다.
B 타입
B타입 열전대는 모든 유형의 열전대 중 가장 높은 온도 측정 한계를 가지고 있습니다. 매우 높은 온도 측정에 사용됩니다. 이러한 온도에서 감도가 낮기 때문에 저온에는 적합하지 않습니다. 200 °C 이상의 온도에 권장됩니다.
포지티브 리드는 70% 백금 및 30% 로듐으로 만들어집니다. 네거티브 리드는 94% 백금 및 6% 로듐으로 만들어집니다.
B타입 열전대의 색상 코드는 아직 정의되지 않았습니다.
B타입 열전대의 온도 측정 범위는 0°C에서 1700°C이며 정확도는 ±0.5%입니다.
장점
열전대의 장점은 다음과 같습니다.
- 광범위한 온도 측정에서 작동합니다.
- 내구성과 신뢰성이 뛰어나 극한 환경에서 사용하기에 적합합니다.
- 급격한 온도 변화를 측정할 수 있는 빠른 응답 시간을 가지고 있습니다.
- 매우 정확하고 정밀한 측정을 제공합니다
- 그것은 심플한 디자인과 구조를 가지고 있습니다.
- 능동 변환기이며 외부 전원이 필요하지 않습니다.
- 다른 온도 측정 장치에 비해 비용이 저렴합니다.
- 원하는 지점에서 온도를 측정하는 것이 더 쉽습니다.
단점
다음은 열전대의 몇 가지 단점입니다.
- 본질적으로 비선형, 즉 출력 전압은 온도 변화에 따라 비선형적으로 변합니다.
- 출력 전압은 °C당 마이크로볼트로 매우 낮습니다.
- 낮은 출력 전압을 확대하기 위해 증폭기가 필요합니다.
- 대부분의 온도 측정 장치보다 감도가 낮습니다.
- 기준 온도가 필요합니다.
- 재교정은 매우 어렵습니다.
- 안정성이 낮습니다.
- 무선 주파수 및 EMI(전자기 간섭)와 같은 노이즈는 측정 오류를 일으킬 수 있습니다.
열전대는 가전 제품에서 산업 플랜트, 식품 산업 및 발전소에 이르기까지 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 다음은 열전대의 응용 분야 중 일부입니다.
- 철강 산업의 온도를 측정하기 위해 전기 아크로에서 사용됩니다.
- 가정과 사무실에서 온도 조절기의 온도 센서로 사용됩니다. 온도를 측정하고 필요한 조치를 사용하여 조절합니다.
- 또한 식품 산업의 극저온 또는 저온 응용 분야에도 사용됩니다.
- 석유 정제소 및 화학 공장에서 온도를 모니터링하는 데 사용됩니다.
- 용광로, 온수기 및 가스 벽난로에서 파일럿 화염을 감지하는 데 사용됩니다.
- 다양한 금속 산업에서 온도를 모니터링하는 데 사용됩니다.
- 또한 가스 및 액체의 온도를 아는 데 사용됩니다.
- 또한 개폐 장치의 현재 처리 용량을 테스트하는 동안 온도를 측정하는 데 사용됩니다.
- 열전퇴라고도 하는 일련의 열전대는 가시광선 또는 적외선의 강도를 측정하는 방사선 센서로 사용됩니다.
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