열공학실험 | 온도 측정 시험

TIP

 

 

대부분의 생산 공장에서 생산 공정의 올바른 작동과 성능을 점검하기 위해서 필수적으로 수행되는 것이 정확한 온도의 측정이다. 주어진 상황에서 가장 적절한 온도 측정 기구를 선택하는 것은 생산 공정의 설계, 공정 진행, 유지 보수 등을 위해서 특히 중요한 부분이 된다. 최근 에너지 원가가 연속적으로 급상승하는 상황에 비추어, 최적의 효율을 보장하기 위한 온도 측정 방법 및 장치는 그 중요성이 더욱 강조되고 있다. 다양한 조건하에서 온도 측정방법, 정밀도, 온도 보정 및 오차 민감도 관련 정보를 소개하고 습득하는 것이 본 시험의 목적이다.

 

 

 

온도 스케일과 고정온도

온도는 매질의 길이와 시간과 같은 특성에 따라 다르므로 기준물질과 비교하여 측정될 수 없다. 온도를 측정하는 스케일을 결정함에 있어서 쉽게 반복 될 수 있는 매질의 물리적 상태가 이용되어야 한다. 이러한 상태의 온도를 고정온도라 하며 이러한 온도를 기준으로 스케일이 설정될 수 있다.

 

예를 들어 센티그래이드 스케일(Centigrade Scale)은 순수한 물의 얼음이 녹는점과 끓는 점(표준대기압에서)으로 한다. 그리고 두 점 사이의 100으로 균일하게 등분하여 온도를 표시한다. 현대적 온도의 입장에서는 순수한 물의 얼음, 유체의 물, 그리고 수증기가 동시에 공존하는 균형 상태인 물의 3점을 기준으로 하는데, 이때의 온도를 0.01℃(Celsius Scale)로 정의하고 있다. 섭씨온도(Celsius Scale)는 센티그래이드 스케일을 대신하고 있으며, 0은 다음으로 옮겨졌다.

 

 

하나의 성분으로 이루어진 계에서 기체상·액체상·고체상의 3개의 상이 평형으로 존재하는 상태, 즉 상태도에서 기체상-액체상, 액체상-고체상, 기체상-고체상의 3개의 공존선이 하나로 집결하는 점(T) 이다. 상규칙에 의해 삼중점에서의 자유도는 0이고, 이점에서 온도도 압력도 정해진다. 물의 3중점은 온도 0.01℃, 압력(4.58mmHg(=0.006atm)으로 얼음·물·수증기가 안정하게 공존하는데, 이 온도는 절대온도 눈금의 기준점(273.2K)으로 정해진다.

 

또 다른 형태의 온도 기준이 온도를 규정하기 위하여 유도되었는데, Lord Kelvin에 의하여 규정된 이 열역학적 기준은 물질의 특성에 독립적이며, 열역학적 가역 열 엔진에 관계된다. 측정 단위는 Kelvin이며 물의 3점을 273.2Kelvin(또는 273.2 K)로 규정하고 있다. 비슷한 절대온도 스케일이 이상기체의 방정식 Pv = RT에 의해 규정될 수 있다. 섭씨온도(℃)와 절대온도(K) 사이에는 다음의 관계가 성립한다.

 

K = ℃ + 273.2

 

화씨온도(℉)는 물의 어는점을 32℉로 규정하고 물의 끓는점을 212℉로 규정한다. 따라서 그 사이를 180등분하여 온도를 나타낸다. 섭씨와 화씨온도의 관계는 다음과 같다.

 

℃(섭씨 온도) = 5/9(℉ - 32)

℉(화씨 온도) = (℃ × 1.8) +32

 

 

실험 방법

실험 전 준수사항과 점검사항을 숙지한 다음 본격적으로 실험을 시작하면, 위 실험은 크게 2가지 기준으로 나뉘는데 서미스터 온도 기준과 백금저항 온도 기준으로 나뉜다.

 

1. 서미스터 온도 기준

① 일단 진공 플라스크에 증류수(얼음+물)을 1/2 정도 채운다.

② 그 후 스테인리스 스틸 비이커에 증류수는 옮긴 후 고무덮개를 덮고 가열판 위에 올려놓는다. (이 때, 가열판은 작동하지 않는 상태이다.)

③ 다음으로 K-type 열전대 플러그를 증폭기 입력 단자(3)에 연결 후 붉은 선과 검정 선을 이용하여 증폭기 출력(4)을 밀리볼트미터입력(5)에 연결 후 스위치를 누른다.

④ 백금저항 온도계(PT100)의 탐침을 4선 백금저항온도계 탐침 연결부(7)에 연결한다. 이 때, 멀티미터의 빨간색 단자와 검정색 단자는 각 각 똑같은 색깔 연결부 2개중 하나를 선택하여 연결한다. 그리고 200 Ohms 저항을 측정할 수 있는 측정 범위로 설정한다. 그러면 약 100 Ohms 정도를 표시할 것이다.

⑤ 백금저항 온도계를 다 연결한 후 서미스터 온도계를 서미스터 온도계(14)단자에 연결한다.

⑥ 다 연결 한 후 전원스위치를 키면 밀리볼트미터(6)는 0에 가까운 값을 나타낼 것이다.

⑦ 일반온도계, K-type 열전대, 백금저항온도계, 서미스터 온도계를 증류수(얼음+물)가 들어있는 진공 플라스크에 넣고 다음을 확인한다.

⑧ 다시 가열판에 올려놓은 스테인레스 스틸 비이커에 옮겨 넣는다.

⑨ 증류수의 온도와 열적 평형을 이루면 각각의 온도와 신호 값을 기록한다.

⑩ 가열판의 온도를 약200℃ 설정 후 증류수를 끓이며 온도 센서 신호, 온도 변화 및 시간을 서미스터 온도계 기준으로 10℃ 오를 때 마다 기록한다.

⑪ 기록값을 바탕으로 K-type 열전대 테이블을 이용하여 열전대 전압을 보간법을 이용하여 온도로 환산한다.

 

2. 백금저항 온도 기준

① 서미스터 온도기준 실험 방법과 K-type 열전대 연결까지는 똑같이 연결해 준다.

② 백금저항 온도계의 탐침을 백금저항 온도계 입력단자(11)에 연결하고 서미스터 온도계는 서미스터 저항단자(13)에 연결한다.

③ 멀티미터의 빨간색 단자를 서미스터 저항 단자(13)의 붉은색 소켓에 연결하고, 검정색 단자를 검정색 소켓에 연결한다. 이 때, 멀티미터의 저항 측정 범위를 20000 Ohms로 설정한다.

④ 모두 연결 후 전원 스위치를 키면 밀리볼트미터(6)은 약 0을 나타낼 것이다.

⑤ 일반온도계, K-type 열전대, 백금저항온도계, 서미스터 온도계를 증류수(얼음+물)가 들어있는 진공 플라스크에 넣고 다음을 확인 후 다시 가열판에 올려놓은 스테인레스 스틸 비이커에 옮겨 넣는다.

⑥ 증류수의 온도와 열적 평형을 이루면 각각의 온도와 신호값을 기록한다.

⑦ 가열판의 온도를 약200℃ 설정 후 증류수를 끓이며 온도 센서 신호, 온도 변화 및 시간을 서미스터 온도계 기준으로 10℃ 오를 때 마다 기록한다.

 

3. 실험 완료 후 조치사항

1) 다음은 실험이 끝난 후 취해야할 행동이다.

2) 스테인레스 스틸 비이커와 진공 플라스크는 사용 후 세척 및 건조를 반드시 하여 잔류물이 용기 표면에 남지 않도록 한다.

3) 실험을 위하여 지급받은 실험 보조기구들을 잘 정리하여 반납하도록 한다.

 

 

 

[열공학실험] 온도 측정 시험 레포트