재료공학실험 | Thermocouple(열전대) 제작 및 온도측정

 

 

 

TIP

 

 

열공학에서 가장 기본적 성질인 온도를 측정하는 방법은 여러 가지가 있으나 비교적 간단한고 측정범위가 넓은 열전대(thermocouple)를 사용하여 결선법 및 측정방법을 익히며 온도와 기전력을 파악하여 각종 온도계의 측정원리와 그 특성을 이해하도록 한다.

 

 

 

열전대

두 종류의 금속선 양단을 접합시켜 양단접점에 온도차를 주면 이 온도차에 따른 열기전력이 발생한다. 이 열기전력을 직류밀리볼트계나 전위차계로 측정하여 온도를 표시하는 온도계이다. 서로 다른 두 종류의 금속도체에 폐회로가 형성되도록 결합하고, 두 결합사이에 온도차이를 유지하면 폐회로 내에 기전력이 발생한다. (seeback effect) 이렇게 한쪽(냉접점)을 정확하게 0℃로 유지하고, 다른 한쪽(측정접점 또는 온접점)을 측정하려는 대상에 놓아두면 기전력이 측정되어 온도를 알수 있다. 서로 다른 금속 도체의 결합을 “열전대”라 한다

 

1821년 제베크(Thomas Johann Seebeck)는 두 종류의 금속 A, B를 접합하고, 양 접점에 온도를 달리 해주면 온도차에 비례하여 열기전력이 생긴다는 것을 발견했다. 한쪽 접촉점을 기준점으로 삼고 측정하고자 하는 부위에 다른 접촉점을 위치하면 기전력의 크기로 온도차를 알 수 있으므로 기준점의 온도와 비교하여 온도를 측정하게 된다.

 

보통 기준 접촉점은 온도가 일정하여 기준접점이라 하고, 측정하고자 하는 곳에 위하는 접촉점을 측온접점이라 부른다. 온도가 기전력의 크기로 나타나므로 이를 전기 신호로 증폭할 수 있어 측정이 용이하다. 열전대와 열전대의 기전력으로 온도를 환산하는 장치간에 거리가 멀어도 되며 회로 도중의 온도 변화는 측정치에 거의 영향을 주지 않는다. 정밀도에 비해 가격이 싸며. 넓은 온도 범위 측정이 가능하다.

 

열전대는 -200～1700℃까지 넓은 범위의 온도범위를 0.1~1%의 오차로 측정이 가능하고, 역학적 유연성이 있어 형태를 사용 부위에 따라 적합하게 바꿀 수 있다. 하지만 측정하려는 곳에 따라 사용할 수 있는 열전대의 종류에 제한이 있고, 측정온도의 0.2% 이상의 정밀도를 얻는 것이 힘들다. 기준접점에 상대적인 온도가 측정되는 것이므로 기준접점이 일정 온도에 유지되어야 하고, 고온에서 사용하는 경우 열화에 의해 산화되므로 정기적인 점검이 필요하다. 1ms(0.001초)의 빠른 응답속도를 위해 머리카락보다 가는 열전대도 있지만, 보통은 직경이 0.5～1mm 정도의 선으로 만들어진다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 크로멜 선과 알루멜 선을 용접하기 쉽게 각각 15㎝정도 자른다.

 

2) 자른 크로멜 선과 알루멜 선을 토치를 이용하여 용접한다.

 

3) 용접이 완성된 크롬멜-알루멜 선을 서로 닿지 않게 애자에 끼우고 서머미터에 꽂아주면 열전대가 완성이 된다.

 

4) 완성된 열전대를 가지고 얼음물의 온도를 측정한다.

 

 

5) 열전대를 이용하여 황가루의 녹는점을 30초 단위로 온도를 측정한다

 

6) 얼음물의 실제온도와 실험으로 잰 온도의 차이를 확인하고 황이 녹을때 멜팅 포인트를찾아 그래프를 완성한다.

 

 

 

[재료공학실험]Thermocouple(열전대) 제작 및 온도측정 레포트