계기 교정에 대하여

기술자료 [기초지식]

열전대 와 측온저항체에 대하여

온도 측정의 역사를 간단히 정리하여 보면, 1706년에 Farenheit가 수은 봉입형 유리온도계를 제작하였으며, 1742년에는 Celsius가 얼음이 녹는 온도를 0, 물이 끓는 온도를 100으로 하자는 제안을 하여 현재의 섭씨 온도 눈금을 제창하였고 1821년에 Seebeck에 의하여 열전효과가 발표되었으며 1900년경 플랭크에 의하여 제안된 복사법칙을 이용한 복사 온도계도 현재는 전자 기술의 발달에 힘입어 사용이 증가 되고 있다.

열전대

열전대의 기본원리를 처음 발견한 사람은 Seebeck(1821)으로 두 개의 서로 다른 금속 도체가 접합되어 폐회로를 구성한 상태에서 양 접점이 다른 온도 상태에 있으면 회로상에 전류가 흐른다는 것으로 이 기전력을 Seebeck emf(electromotive force), 열전회로를 구성하는 한 쌍의 도체를 열전대( Thermocouple) 라고 한다. 따라서 열전대는 열에너지를 전기에너지로 변환 시키는 장치이고 발생하는 전기에너지의 양으로 온도를 측정할 수 있다.또한 Seebeck 효과는 Peltier효과와 Thomson효과의 기본이 된다.
KS규격에서 정한 열전대의 종류별 구성재료는 다음과 같다.

기호 (구 기호)	+ 재료	- 재료
B	로듐 30%를 함유한 백금,로듐 합금	로듐 6%를 함유한 백금,로듐 합금
R	로듐 13%를 함유한 백금,로듐 합금	백금
S	로듐 10%를 함유한 백금,로듐 합금	백금
K (CA)	니켈 및 크롬을 주로 한 합금(Chromel)	니켈을 주로 한 합금(Alumel)
E (CRA)	니켈 및 크롬을 주로 한 합금(Chromel)	동 및 니켈을 주로 한 합금 (Constantan)
T (CC)	동 (Copper)	니켈 및 크롬을 주로 한 합금(Chromel)
J (IC)	철 (Iron)	니켈 및 크롬을 주로 한 합금(Chromel)

열전대의 특성을 알아보면,
S 열전대는 사용가능 온도가 1,400도씨 정도이고 열기전력이 안정되어 사용조건만 좋다면 장기간 0.2도씨정도의 정확도를 유지한다. 산화 분위기에서는 안정되지만 유기물, 철, 수소, 일산화 탄소등의 환원분위기에서는 약하므로 사용시 주의하여야 한다.
B 열전대는 1,600도씨 이하에서 많이 사용하고 산화 분위기나 불활성 기체인 경우는 1,700도씨 까지도 무리없이 사용 가능하나 환원 분위기에서는 아주 약하다 강도, 안전성이 우수하여 고온용으로는 좋은 열전대이다.
K 열전대는 가장 많이 사용되나 환원성 개스에 매우 약하며 특히 수소 개스의 경우는 기전력의 변화도 작고 단기간내에 전기저항이 급격히 증가 한다.
E열전대는 열기전력이 매우 크고 안정되어있으며 내식, 내산성이 우수하고 비자성 단자이므로 열전도율도 아주 낮아 발전소, 석유화학공업등의 산화나 불활성 기체 분위기에서 많이 사용한다. 단 환원성 분위기에서는 K 열전대와 마찬가지로 전기 저항이 급속히 증가한다.
J 열전대는 순 철의 제조 특성상 기전력 특성이 불안정하고 저온에서는 산화되기 쉬운 단점을 갖고 있으나 환원성 분위기에서는 사용 가능하고 가격이 저렴하여 500도씨 이하의 환원성 분위기에서 많이 사용한다.
T 열전대는 동의 산화 때문에 공기 중에서의 상용한도는 낮으나 습기가 많은 상태에서는 부식에 강하여 주로 영하의 온도 ( - 270도씨도 가능) 측정에 적합한 저온용 열전대 이다.

열전대용 보상도선 (Extention Wire)
보상도선은 열전대의 단자와 기준접점 (계장 장비류) 사이를 열결할 경우에 사용하며 열전대의 단자 온도에 상당하는 열기전력을 보상하여 주위조건에 의한 영향을 방지하여 준다. 보상도선의 외피 색상은 B는 회색, R,S는 검정색, K는 청색, E는 보라색, J는 노란색, T는 갈색 이다. 현실적으로 보상도선을 사용할 수밖에 없지만 오차한계가 증가하여 적게는 1도씨 많게는 7도씨 정도 오차가 발생하므로 요즈음은 온도 전송기( Temperature Transmitter)를 사용하는 추세다. 온도 전송기를 사용하면 온도의 정확도를 높힘과 동시에 일반 계장용 CVVS 케이블을 사용할 수 있고, 연결되는 계장 장비측에서 보더라도 4 ~ 20mA신호로 통일되므로 엔지니어링 및 유지보수등의 Spare Parts관리에서도 경비를 절감할 수 있어 권장된다. 산업현장에서 많이 사용하고 있는 시스열전대(Mineral Insulated Metal Sheathed Thermocouples)는 금속 보호관 속에 MgO, Al2O3, ZrO2등의 분말을 충진시켜 금속보호관과 열전대 소선 사이를 절연시킴으로서 내열, 내진, 및 센싱감도가 좋게 제작한 것이다. 시스 열전대의 종류는 노출형, 접지형, 비 접지형으로 분류할 수 있으며 노출형은 응답속도는 가장 빠르나 열화, 기계적강도가 약해 수명이 짧다.
접지형은 응답속도는 중간, 기계적강도 화학적안정성은 높으나 전기적 유도장애나 전위차가 다른 계장 장비와 연결할 때는 조심하여야 한다.
비 접지형은 응답속도는 가장 느리며 접지형의 특성과 같으나 유도장애, 상이한 전위차등에 대하여는 차단(Shield)효과가 있다.

측온 저항체

도체에 있어서 전기저항은 온도의 변화에 따라 변화한다. 이러한 특성을 이용, 단위온도 변화에 대한 저항 변동율을 안다면 변동되는 저항치 만으로 해당 온도를 측정할 수 있게 된다. 여기서 단위온도에 대한 저항 변동율은 온도계수라 하며, 온도 증가시 저항치가 증가하면 정의 온도계수 저항치가 감소하면 부의 온도계수라고 한다. 주로 온도측정에 사용하는 금속 재질은 정의 온도계수를 갖고 있으며 이중에서도 온도측정에 사용되는 재질은 백금, 니켈, 동 등이며 재질이 순수한 것일수록 온도계수는 커지고 그 값도 일정해진다. 부의 온도계수를 갖는 반도체 재질중 온도측정에 사용되는 것은 망간, 코발트,철등을 2~3원소화한 형성물 이거나 불순물 특성을 이용한 게르마늄, 실리콘등이며 온도측정에 이용되는 반도체를 서미스터(Thermister)라고 한다. 그러나 서미스터는 온도상승에 대한 온도계수가 급격히 상승하는 단점이 있으므로 광역의 온도를 측정하기에는 무리다.
1871년 윌리엄 지멘스가 백금을 이용 저항 온도계를 제작하여 온도측정에 사용한 것이 최초다.
국제실용눈금에서는 백금의 온도 영역을 - 259.34(수소3중점) ~630.74도씨(안티몬 응고점)로 설정 사용하고 있다. 일반적으로 공업계기용은 0도씨 100옴을 기준으로 하고 있다. 규정전류는 2mA를 사용한다.
니켈은 가격은 싸나 직선성이 떨어짐으로 주로 -50 ~ 300도씨 정도에서 사용하고, 동은 값도 싸고 온도특성도 양호하나 비저항이 작으므로 감는 길이가 문제가 되므로 주로 0 ~ 150도씨 사이에서 사용되고 주로 발전용 터빈의 온도 측정용으로 많이 사용되고 있다. 이 경우는 주변의 외란을 많이 받으므로 정확한 온도를 측정하기 위하여는 전용의 콘버터를 사용하여야 한다.
측온 저항체는 저항 소자 양단에 각 1개의 도선을 연결한 2선식, 도선 저항분을 제거하기 위하여 한쪽에 2개의 도선을 연결한 3선식, 양단에 각 2개씩의 도선을 연결한 4선식으로 분류되며, 도선 수가 많을수록 고 정확도용으로 이용된다. 보통 현장에서는 3선식이 주류를 이루고 있으나 최근 제어장비의 발달에 따른 정확도 향상으로 선진국에서는 4선식의 사용이 늘어나고 있는 점도 주목할만 하다... 만약 현장형 온도 전송기를 선택할 경우는 향후를 대비하여 4선식까지 사용이 가능한 제품을 선정할 필요가 있다. 백금의 100옴에서 공칭 오차한계는 +/- 0.06옴 정도 이다.