열전대 동작원리
1. 열전대란?
열전대는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 변환기로, 이종 금속으로 만든 전선을 연결하여 접합부를 형성하여 구성되며 접합부의 온도가 변할 때 전압이 생성됩니다.
열전대의 개념은 제벡 효과(Seebeck Effect)를 기반으로 하는데, 이 효과는 서로 다른 금속이 한 지점에서 결합되면 연결 지점의 온도가 변할 때 측정 가능한 작은 전압을 생성한다는 것입니다. 전압의 양은 온도 변화의 양과 금속의 특성에 따라 다릅니다.
열전대의 구조는 측정 장치에 연결된 두 개의 절연 전선으로 구성되며 다양한 공정 및 장비에 대한 안전 및 모니터링 게이지 역할을 합니다. 열전대의 과정은 아래 이미지에서 볼 수 있으며, 왼쪽은 전선의 접합부에서 온도가 상승하고 오른쪽은 게이지에 온도 변화가 표시됩니다.
열전대 어셈블리는 스트레스가 많은 환경에서 사용하도록 설계되었습니다. 사용할 열전대의 선택은 온도 범위, 주변 분위기 및 매체 유형에 따라 다릅니다. 열전대의 특정 크기와 모양은 응용 분야와 필요한 정확도 및 응답 속도에 따라 결정됩니다.
2. 열전대 동작원리
열전대의 두 와이어가 연결되어 접합부를 형성하면 그 중 하나가 열전대의 몸체에 연결되어 온도를 측정합니다. 이를 핫 또는 측정 접합이라고 합니다. 두 번째 접합부는 알려진 온도의 본체에 부착되며 기준 접합 또는 냉접점입니다. 열전대는 알 수 없는 온도를 측정하여 알려진 온도와 비교합니다.
열전대의 아이디어는 제벡, 펠티에 및 톰슨에 의해 발견 된 효과의 세 가지 원리를 기반으로합니다.
- 제벡 효과
제벡 효과(Seebeck effect)는 서로 다르거나 다른 두 개의 금속이 두 접합부에서 결합되고 두 접합부에서 기전력(emf)이 생성될 때 발생하며, 이는 금속의 종류에 따라 다릅니다.
- 펠티에 효과
emf는 회로의 두 접합부의 온도가 다르기 때문에 두 개의 서로 다른 금속이 결합되어 두 개의 접합을 형성할 때 회로에서 생성됩니다.
- 톰슨 효과
톰슨 효과는 끝이 다른 온도에 있는 막대의 길이를 따라 열이 흡수되는 경우입니다. 열의 온도는 막대를 따라 온도에 대한 전류의 흐름과 관련이 있습니다.
열전대의 회로는 아래 이미지에 나와 있으며, 여기서 A와 B는 접합부를 형성하기 위해 연결된 두 개의 서로 다른 와이어입니다. 두 접합부는 서로 다른 온도에서 회로에서 펠티에 emf를 생성하며, 이는 두 접합부의 온도 함수입니다.
전자는 열과 전기를 운반되며 구리선 조각이 한쪽 끝에서 가열되면 전자가 전선을 따라 더 차가운 끝으로 이동하여 전선을 따라 온도 구배를 생성하며 열이 에너지로 바뀝니다. Volta와 Seebeck이 발견한 이 동일한 원리는 열전대에도 적용됩니다.
접합부의 온도가 다른 경우 밀리볼트 신호가 생성되며, 이는 한 쌍의 도체 재료에 고유하며 국제 전기 기술 위원회(International Electrotechnical Commission)의 표준 IEC 1977에 명시되어 있습니다. 이 기준에 제조된 열전대는 그들의 제조자 또는 근원 국가에 관계 없이 교환할 수 있습니다.
열전대가 가치를 가지려면 기준 온도를 설정하기 위해 얼음 또는 수조를 사용하는 냉접점 보상이 있어야 합니다. 열전대의 두 끝은 동일한 온도로 유지되는 반면 열접점은 위의 다이어그램에서 볼 수 있듯이 냉접점과 비교됩니다. 열전대 와이어가 두꺼울수록 측정할 수 있는 온도는 높아지지만 응답 시간은 느려집니다.
열전대의 접합부 온도가 같으면 접합부에서 동일하고 반대되는 EMF가 생성되고 전류 흐름은 0이 됩니다. 접합부의 온도가 다르면 EMF는 0이 아니며 전류는 구리선을 통해 흐르는 열과 매우 유사하게 회로를 통해 흐릅니다. 회로를 통한 EMF의 흐름은 금속과 미터로 측정되는 두 접합부의 온도에 따라 다릅니다.
열전대 회로의 EMF는 밀리볼트 단위로 매우 작으며 생성된 EMF를 측정하기 위해 매우 민감한 기기가 필요합니다. 밀리볼트 신호를 증폭하고, 전압을 온도 판독값으로 해석하고, 판독값을 표시하려면 측정 또는 판독 기기가 필요합니다. 검류계 및 전압 밸런싱 전위차계가 일반적으로 사용되며 전위차계가 가장 자주 사용됩니다.
포트 또는 포트미터라고도 하는 전위차계는 알 수 없는 전압을 기준 전압과 비교하여 전위차를 측정하여 고정밀 측정을 제공할 수 있습니다. 3단자 가변 저항으로 정의되며 조정 가능한 전압 분배기 역할을 합니다.
검류계는 매우 작은 전류를 측정하며 null 편향 또는 제로 전류를 측정하는 데 사용됩니다.
열전대가 절대 측정을 수행하려면 센서 케이블의 다른 쪽 끝에서 동결과 같은 알려진 온도를 참조해야 합니다. 열접점은 측정 어셈블리이고, 냉접점은 아래 다이어그램에서 볼 수 있듯이 냉접점 보상 칩이 있는 기준입니다. 냉접점 온도는 다를 수 있지만 참고용입니다.
냉접점은 일정한 온도를 유지하기 위해 물이나 얼음에 담가 고정할 수 있으며 주변 공기는 기준 온도에 영향을 줄 수 있습니다. 기준 접합 보상 장치에 의해 교정 및 조정될 수 있습니다.
