열전대의 구성과 작동 원리

서로 다른 금속으로 구성된 두 개의 선을 양쪽 끝을 한데 묶어서 한쪽 선에만 열을 가하면 열전회로에 지속적으로 흐르는 전류가 생겨납니다. 이러한 회로가 중간에서 끊어지면 개방회로의 전압(지벡 전압 Seebeck voltage)은 접합온도와 두 금속의 구성에 의한 기능입니다. 이는 두 금속의 접합부가 가열 또는 냉각되면 전압이 생성되어 온도와 상관관계를 가지게 됨을 의미합니다.
 

열전대 종류

열전대는 다양한 금속 쌍 교정(Calibration) 조합으로 제공됩니다. 가장 보편적인 기본 금속 열전대는 J, K, T, E, N 타입 입니다. 이외 R, S, B, G(W), C(W5), D(W3) 타입은 고온 측정에 특화 된 귀금속 및 합금 재질 열전대 입니다. U, V 타입은 비보상 구리 재질로 온도 기준이 정립되지 않아 열전대 온도센서로는 이용되지 않습니다.                         

각 교정 조합은 서로 다른 온도 범위와 환경을 가지며, 열전대 금속 타입 자체의 성질 외에도 와이어의 직경, 피복과 같은 구성에 따라 온도 범위와 특성이 좌우 됩니다.

열전대 교정 조합(캘리브레이션)이 온도 범위를 제어하긴 하지만 최대 범위는 또한 열전대 와이어의 직경에 의하여 제한됩니다. 즉, 매우 얇은 열전대 와이어는 최대 온도 범위에 도달하지 못할 수도 있습니다.

K타입 열전대는 저렴한 가격과 일반적인 온도 범위로 인하여 가장 많이 사용되는 열전대 종류 입니다.
 

열전대 종류의 선택 기준

열전대는 넓은 온도 범위 측정이 가능하고 상대적으로 튼튼하기 때문에 산업계에서 매우 빈번히 사용됩니다. 다음의 기준은 열전대의 선택 시 기본적으로 확인해야 할 사항입니다. 

- 온도 범위
- 열전대 또는 피복 물질의 내화학성
- 내마모성과 내진동성
- 설치 요구사항(기존의 장비와의 호환 필요성, 기존의 구멍이 탐침기의 구멍과 맞을지 여부)
 

열전대 반응 속도 - 시간 상수(time constant)란 무엇인가?

시간상수는 센서가 특정한 조건 하에서 온도 변화 단계의 63.2% 지점에 도달하는데 필요한 시간으로 규정됩니다. 센서가 100%의 변화수치에 도달하는데 다섯 가지의 시간상수가 필요합니다. 열전대의 접지와 직경에 따라 반응속도는 달라집니다. 노출 접점 열전대는 가장 빠른 반응을 제공합니다. 또한 일반적으로 직경이 작을수록 반응이 빨라집니다. 그러나 최대 온도는 낮아집니다. 직경 외에도 열전대의 금속 쌍을 감싸고 있는 피복이나 금속관 재질에 따라서도 온도 범위는 달라집니다. 열전대 와이어나 열전대 프로브의 경우, 구성 피복이나 금속과 같은 절연/보호 재질이 해당 열전대가 측정할 수 있는 온도 범위까지 견디지 못할 수는 경우도 많습니다. 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 합니다.

열전대 접합 유형 - 접합(Junction) 이란 무엇인가?

금속관으로 보호 처리를 한 써모커플 프로브 타입의 경우, 써모커플과 시스(Sheath) 간 접점은 접지, 비접지 또는 노출 중 한가지 방식을 선택할 수 있습니다. 접지 Grounded Juction 형태 끝 부분에는 열전대 와이어가 물리적으로 시스에 용접되어 있어, 외부로부터 시스를 통하여 열전대 접합부까지 양호한 열 전달이 이루어집니다. 따라서 빠른 반응 시간을 제공하지만, 전기 접지 루프에 민감합니다. 비접지 Ungrounded Junction 형태의 경우 열전대 접합부는 시스로부터 떨어져 있습니다. 반응 시간은 접지형보다 느리지만 비접지형은 전기적 차폐 처리(Isolation)가 됩니다. 노출 Exposed Junction 형태는 열전대의 끝이 피복 벽면 밖으로 돌출되어 접합부가 노출됩니다. 따라서 부식성이 없는 환경에서 빠른 응답속도가 요구될 때 적합합니다.   

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