재료공학실험 | 열전대

 

 

 

TIP

 

 

1. 열전대는 2종류의 금속을 접속한 양단에 온도차를 주면 열 기전력이 발생하는 지벡 (seebeck)효과를 이용한 온도센서로 공업적으로 가장 많이 사용하고 있다. 열전대의 종류에는 300 ℃정도인 낮은 온도를 측정하는 구리-콘스탄탄, 1000 ℃정도의 온도를 측정하는 크로멜-알루멜 등이 있다.
2. 본 실험에서는 열전대의 원리를 이용한 온도측정원리 및 방법을 이해하고 수치해석적인 방법을 이용하여 전류의 값을 정확한 온도로 계산할 수 있는 능력을 배양한다. 열전대에 있어서 온도에 따른 열기전력의 값을 평균하여 최소자승법으로 온도와 전압과의 방정식을 세워보고 관계를 살펴본다.

 

 

 

열전대(thermo couple)

1. 개념

1821년 독일의 물리학자. T.J. Seebeck이 구리와 안티몬 사이에서 발견한 현상으로 발견자의 이름을 따서 Seebeck효과라고 불리운다. 다음의 그림처럼 재질이 다른 두 금속을 연결하고 양접점간에 온도차를 부여하면 그 사이에 열기전력이 발생하여 회로 내에 열전류가 흐르는데 이러한 물질을 열전대라 부른다.

 

2종류의 금속선의 한 끝을 접합하면 개방된 다른 끝에는 접합부와의 온도차에 따라 기전력이 발생한다. 이는 종류가 다른 두 도체 예를 들어, 크로멜과 알루멜또는 백금과 백금로듐이 아래 그림과 같이 접합되면 여기서 열기전력이 나타나는 원리를 이용한 것이다. 성분이 다른 두 가지 금속도체가 서로 폐회로를 구성하면서 접합되어 있고, 두접점이 서로 다른 온도 값을 가질 때, 이 폐회로에서 열기전력(Thermal Electromotive Force)이 발생한다.(Seebeck"s Effect)

 

한 끝의 온도를 일정온도(예를 들면 0℃)로 유지하고, 다른 끝에서 열기전력의 값을 측정함으로써 온도를 알 수 있다. 열기전력은 온도와 비례한다. 이와 같이 두 종류의 금속으로 이루어진 폐회로를 열전대라고 하며, 이를 사용하여 온도를 측정할 수 있다

 

2. 소개

열전대는 영어로는 Thermocouple(줄여서 Tc라고도 한다)이고 원자로, 항공기, 동력계통, 제철소 등의 여러 공정에서 온도를 감지하는 방법을 제공하며, 구조가 간단하고 가격이 싸며, 내구성이 있고 많은 응용 면에서 비교적 정확히 온도를 측정할 수 있는 온도계이다.

 

열전대는 또한 183℃ 이하에서부터 2500℃ 근처까지의 넓은 온도 범위를 0.1 ~ 1％ 정도의 정확도로 측정할 수 있으며, 출력을 측정하는데 측정 계기가 간단하고 회로상의 잡음이 덜 받는 낮은 임피던스를 갖는 장치이다. 열전대는 역학적 유연성이 있어서 여러 응용에 따라 그 형태를 적합하게 바꿀 수 있고 빠른 응답, 내구성, 회로의 절연 등을 고려하여 보통 소선의 형태로 만들어 사용하기도 한다.

 

필요에 따라 1㎳ 정도의 응답시간을 갖는 머리카락 보다 가는 열전대도 있으나, 보통은 0.5 ~ 1mm 의 직경을 가진 소선으로 만들어지고, 금속 산화물의 분말로 절연이 되고 금속 쉬스에 의해 보호된 열전대도 있다.

 

3. 원리

근본적으로 열전대는 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 것으로써 세 가지 열전효과가 열전대 안에서 작용되고 있다. 제벡효과는 서로 다른 두 금속으로 폐회로를 구성하고, 양접점에 온도 차를 주었을 때 온도 차가 없으면 각 선 전위차가 없으나, 양간 간에 온도차를 주면은 양접점에는 접촉 전위차 불 평형이 발생하면서 저온 측 접합 점으로부터 고온 측으로 열전류가 이동하게 되는 것이다.

 

이러한 현상을 이용, 한쪽을 일정한 기준점으로 만들고 측정하고자 하는 고온 측을 미지 온도차로 하면 측정하고자 하는 접속점의 온도가 변하면 미지의 온도에 대응되는 열기전력만을 정확히 측정함으로써 공업적으로 양측 변화측정이 아닌 온도측정 개념이 되는 것이다. 이때 일정한 온도 유지점을 기준 접점이라 칭하며, 측정하고자 하는 지점인 점을 측온 접점이라 부른다. 즉, 열전효과는 서로 다른 금속을 접속하여 양단의 온도차가 발생하면 열전류가 흐르고, 한 끝을 개방하였을 때는 양단에 기전력이 존재하는 것인데 이 효과를 이용하여 열전대를 온도 측정에 이용하게 하는 것이다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) T형 열전대를 적당한 길이로 2개 자르고 양쪽 피복(4가닥)을 모두 벗긴다.

 

2) 2개 모두 한쪽만 점접합이 되도록 용접한다.

 

3) 두선의 구리(Cu)끼리 연결하고 Constantan 두 가닥은 계측장비에 접속한다.

 

4) 용접한 2개중 1개를 얼음물 ( )에 담그고 나머지 한 개를 항온조에 담근다.

 

5) 항온조를 까지 단위로 5차례 설정하여 각각 전위차를 측정한다.

 

 

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