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열전대

Thermocouple.

열전대란, 종류가 다른 금속선 두개의 양끝단을 접속하여 만든 것으로 양끝단 접점에 온도차가 발생할 때 이폐회로에 열기전력이 발생하여 회로에 전류가 흐릅니다.  이 열기전력의 크기와 극성은 양단의 온도와 두개의 금속선의 조합에 의해 결정되며 금속선의 굵기 또는 길이에 영향을 받지 않습니다. 따라서 특정 열전대의 온도에 따른 열 기전력을 미리 읽을 수 있으므로 온도 측정이 가능합니다.  이 열전대의 온도측정범위, 측정 장소의 상황, 필요로 하는 정밀도 등에 따라 적당한 소선을 선택하여야 함은 물론, 장시간 연속 사용 할 때에도 항상 같은 성능 발휘하여야 합니다.

열전대의 특징

1.응답이 빠르고 시간 지연(Time lag)에 의한 오차가 비교적 적다.

2.적절한 열전대를 선정하면 0℃~2,500℃ 온도범위의 측정이 가능하다.

3.특정의 점이나 좁은 장소의 온도측정이 가능하다.

4.온도가 열기전력으로써 검출되므로 측정, 조절, 증폭, 변화 등의 정보처리가 용이하다.

구조 및 계측방법

일반적으로 열전대는 양소선 상호간에 단락을 방지하는 절연관을 사용하고 소선이 피측정물이나 분위기 등에 직접 닿지 않도록 보호관에 넣어서 사용한다. 또 기준 접점은 일정한 기준 온도로 보정하여야 한다.열기전력은 가동 코일형 또는 전자관식 자동 평형형 계기, 전위차계 등으로 측정한다.

사용상의 주의

열전대는 여러가지의 종류가 있지만 사용장소, 용도에 따라서 적정한 것을 선정하는 것이 가장 중요하다.온도를 정확하게 측정하기 위해서는 열전대의 선정의 내열, 내식, 내진성을 고려한 보호관 등의 선정, 구조 및 취부 방법(위치) 등에 유의할 필요가 있다.

주요 열전대의 종류
K 열전대(Chromel-Alumel)

K열전대는 +쪽에 Cr을 약 10% 포함한 Ni-Cr합금(Chromel)과 -쪽에 Al, Mn을 조금 포함한 Ni합금(Alumel)을 사용한 열전대이다. 미국호스킨스사에서 1906년 A.L.Marsh씨에 의해서 개발되었고 그 후 개량을 더하여 현재 공업용의 열전대로서 가장 넓게 사용되며 신뢰성이 높은 것이다.이 열전대는 고온(약 1200℃)까지 사용이 가능하고 기전력특성의 직선성이 양호하며 비교적 내열, 내식성이 높은 것이 특징이다. 또 금속증기 공기중 및 O₂, N₂, Co₂가스(Gas)중에서는 기전력은 안정되어 있다. 그러나 환원성(H₂,CO)가스 중 또 산소분압이 낮은 조건에 대해서는 크로멜(Chromel)선의 열화"Green Rot"라 불리워 Cr선택 산화현상이 생겨 이 때문에 기전력 치가 크게 저하하여 큰 오차가 생기는 경우가 있으므로 사용할 때에는 충분한 배려가 필요하다.

N 열전대(NI-Cr - NI-Si)

니크로실(+측), 니이실(-측)로 불리우며, K열전대와 조성 및 특성이 대단히 비슷한 열전대이다. K열전대의 개량형으로서 Si(규소)의 첨가량을 늘려 내열성이 높다.

J 열전대(Iron-Constantan)

J열전대는 +쪽에 순철(Fe)과 -쪽에 Cu-Ni합금(Constantan)을 사용한 열전대이다. 환원성 분위기 중에서의 사용에 적절하고 기전력 특성이 E열전대에 이어서 높은 것이 특징이다. 또 비교적 값이 싸기 때문에 손쉽게 측정을 할 경우에 편리한 열전대이다. 그러나 수분을 포함한 산화분위기 중에서는 산화가 심하므로 사용할 때에는 충분한 주의가 필요하다.

E 열전대(Chromel-Constantan)

E열전대는 +쪽에 K열전대와 같은 Ni-Cr합금(Chromel)과 -쪽에 Cu-Ni합금(Constantan)을 사용한 열전대이다. 공업용 열전대로서는 기전력특성이 가장 높은 것이 특징이다. 우리나라에서도 수요가 급속히 증대하고 대형화력 원자력 발전 등에서 채용되고 있다. 사옹할 때에는 K열전대와 같은 배려가 필요하다. 또 현재 사용되고 있는 열전대 중에서는 전기저항이 가장 높기 때문에 사용계기의 선택에서는 충분한 주의가 필요하다.

T 열전대(Copper-Constantan)

T열전대는 +쪽에 순동(Cu)과 -쪽에 Cu-Ni합금(Constantan)사용한 열전대이다. 비교적 저온(-200~300℃)에 사용되고 약산화 분위기 또는 환원분위기 중에서의 사용에 적당하다. 기전력은 안정해서 정도가 높고 또 취급이 간단하므로 실험실 등에서 많이 사용되고 있다.

 

주). 각종 열전대E, J, T 어느 쪽도 -쪽에 Cu-Ni합금(Constantan)을 사용하고 있다. 그러나 호칭이 같아도 각각 +쪽의 종류에 따라 Cu-Ni합금(Constantan)의 배합비를 변화시켜 열기전력을 특성을 조정하고 있다. 따라서 이들 열전대 소선의 -쪽과의 호환성은 없으므로 주의해야 한다.

B 열전대(Pt/Rhodium 30%-Pt/Rhodium 6%)

B열전대는 +쪽에 Rh 30%를 포함한 백금 Rh과 -쪽에 Rh 6%를 포함한 백금 Rh합금을 사용한 열전대이다. 백금에 Rh의 함유량을 증가함에 따라 융점 및 기계적인 강도가 상승하고 또 순백금(Pt)의 사용중에 생기는 +쪽으로부터 -쪽으로의 (Rh)확산에 의한 열기전력 특성의 열화를 방지하는 것을 목적으로 한 열전대이다. 또 중성분위기 중에서의 연속 사용이 가능하고 환원성 분위기 중에서도 보통의 R열전대에 비하여 수명이 길다. 이 열전대는 R.S열전대에 비하여 고온에서 사용되는 반면 저온에서는 열기전력이 극히 작기 때문에 정도는 떨어진다. 특히 고온에 있어서 정밀 측정과 내구성이 요구되는 경우에 이 열전대를 권장한다.

R 열전대(Pt/Rhodium 13%-Pt)

R열전대는 +쪽에서 PtㆍRh(13%)을 함유한 합금과 -쪽에 순 Pt를 사용한 열전대이다. 극히 고순도 백금(99.999 ~ 99.9999%)의 귀금속을 사용하고 있기 때문에 KS규격에 의한 ±0,25%의 오차를 충분히 만족시키는 고정도를 갖고 있습니다. 이 열전대를 진공중 및 환원성 분위기중,금속증기 분위기 중에서 직접 사용하는 것을 피한다. 사용은 다음 사항에 충분한 배려를 필요로 한다. 보호관 및 전열관에는 철함유량이 낮고 고순도 알루미나 재질을 사용하여야 한다. 또 열전대 자체의 취급에도 주의를 요하며 손의 땀이나 기름으로 오염되지 않도록 알콜, 벤젠 등으로 오염을 제거하는 것이 중요하다.

S 열전대(Pt/Rhodium 10%-Pt)

S열전대는 +쪽에 PtㆍRh(10%)을 함유한 합금과 -쪽에 순 Pt를 사용한 열전대이다. 1886년에 르ㆍ자트리에 의해서 개발된 열전대이며 역사적인 경위로 IPTS(국제 실용온도 목성)에서는 안티몬의 용융점(630.74℃)으로부터 금의 용융점(1064.43℃)까지의 온도 표준으로써 사용되며, 1981년의 KS개정에 의하여 KS화 되었다. 또한, 사용할 때에는 R열전대와 같은 주의가 필요하다.

열전대의 구성재료
열전대의 소선별 상용 및 과열 사용한도

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