열전식 온도계

기술자료 [기초지식]

열전식 온도계에 대하여

오찬종/광양제철소

가. 원리 및 열전효과

1) 열기전력 원리
열전대는 원자로,항공기,동력계통,제철소 등의 여러 공정에서 온도를 감지하는 방법을 제공하며, 구조가 간단하고 가격이 싸며, 내구성이 있고 많은 응용면 에서 비교적 정확히 온도를 측정할 수 있는 온도계이다.
열전대는 또한 183 ℃ 이하에서 부터 2500 ℃ 근처 까지의 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 바꿀수 있고 빠른 응답, 내구성,회로의 절연등을 고려하여 보통 소선의 형태로 만들어 사용하기도 한다. 필요에 따라 1 ㎳ 정도의 응답시간을 갖는 머리가락 보다 가는 열전대도 있으나, 보통은 0.5 ∼ 1 mm 의 직경을 가진 소선으로 만들어지고, 금속 산화물의 분말로 절연이 되고 금속 쉬스에 의해 보호된 열전대도 있다.
근본적으로 열전대는 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 것으로써 세가지 열전효과가 열전대 안에서 작용되고 있다
제벡효과는 서로 다른 두 금속으로 폐회로를 구성하고, 양접점에 온도 차를 주었을때 온도 차가 없으면 각 선 전위차가 없으나, 양간간에 온도차를 주면은 양접점에는 접촉 전위차 불평형이 발생하면서 저온측 접합점으로 부터 고온측으로 열전류가 이동하게 되는 것이다.
이러한 현상을 이용 즉, 한쪽을 일정한 기준점으로 만들고 측정하고자 하는 고온측을 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.
열과 전기의 관계 현상 으로서는 제벡효과외에 펠티어 효과, 톰슨효과를 가지고 설명이 되어야 하는데, 펠티어 효과는 제벡효과의 역현상으로서 2개의 서로 다른 금속 접속점에 전류를 흘리면 그 전류의 방향에 따라서, 한쪽은 열을 발생시키고 다른쪽은 열을 흡수하는 현상을 말한 것으로 열전대를 이용하여 측정할 때 현상은 고온의 측온접점 에서는 열의흡수가,저온인 기준 접점에서는 열의 발생이 일어나므로 실제 사용시 열전대 자신의 열전류에 의한 온도 변화는 지극히 작다.
톰슨 효과는 온도 기울기가 있는 도선상에 전류에 의한 열의 수송에 관한 효과로 동종 금속 내 에서도 부분적으로 온도차가 있는 경우 그 곳을 흐르는 전류에 의해서 열을 발생 또는 흡수하는 현상을 말하며, 이 현상으로 인한 영향은 펠티어효과 보다 작게 나타난다.
따라서 펠티어, 톰슨효과의 사이의 관계에 관한 영구는 열전대에 의해 생기는 기전력이 소선을 따른 열전효과와의 온도 기울기에 의한 연구 결과로서 대부분의 열전대 응용에서는 제벡 효과만으로도 열전대의 설명은 충분하다.
2) 열전회로 법칙
열전대 회로의 특성을 설명하는데는 온도와 기전력과의 관계 이론을 실제화 하고자 할때 열전효과의 3 법칙이 요구되는데, 이 법칙들은 모두 실험적으로 유도되어진 것이다.
①균질회로의 법칙
일종의 균질한 금속재질의 도체로 구성된 회로에 있어서는 그 형상 및 부분적 온도 분포와 관계없이 측온접점을 가열시킨다 해도 열전류는 발생하지 않는다. 즉 열기전력이 0 이 된다는 법칙으로 이 법칙을 설명하기 위해서는 열역학적 고찰에 의해서도 증명될 수 있으며, 하나의 절대 제벡계수만 가지는 회로의 선적분 평가에 의해서도 증명된다.

V = Sa(T1 + T2) + Sb(T2 - T1) = 0
결과가 0이 되는 이유는 a, b 금속으로 동일한 제벡 계수를 가지고 있기 때문이다.

② 중간금속의 법칙
서로 다른금속들로 이루어진 열전회로에서 열기전력 대수적인 합은 그 회로의 모든 부분이 동일한 온도에 있을때 항상 0 이다 라는 중간 금속의 법칙은 열전대의 기초원리인 온도의 균일 또는 불균일의 차에 있는 것을 근거로 하고 있다.

V = Sa(T1 - T1) + Sc(T1 - T1 ) + Sa(T1 - T1) + Sb(T1 - T1) = 0

③ 중간온도의 법칙
두개의 서로 다른 균질한 금속으로 된 폐회로에서 그 접접점이 T1 과 T2 에 있을때, 생기는 기전력을 V12, T2 과 T3에 있을때 생기는 기전력을 V23 이라 하면, 그들 접점이 T1과 T3에 있을때 기전력은 T12 + T23가 된다는 법칙이 중간온도의 법칙이다.
이 법칙은 한쪽에서 기준 접점의 온도를 유지하고 교정되어진 열전대가 다른 온도에서 기준접점을 유지하고 사용될때 그 출력을 해석하는데 사용된다.

V = Sa(T2 - T1) + Sa(T3 - T2 )+ Sb(T2 - T3)+ Sb(T1- T2)
= Sab(T2 - T1) + Sab(T3 - T2 ) = V12 + V23

나. 열전대

아래 그림과 같이 서로 다른 두 종류의 금속도체 A, B을 접합하고, 양 접점간에 온도차를 주면 그 사이에 열기전력이 발생하여 회로내에 열전류가 흐르는데 이 원리는 1821년 영국의 제벡이 구리와 안티몬 사이에서 발견한 현상으로 발견자의 이름을 따서 제벡효과라고 한다.
아래에서와 같이 두개의 금속 A, B를 접합하고, b와 b'를 동일 온도로 한 상태에서 접합점의 a의 온도를 여러 형태로 바꾸어 보면은 b와 b'사이에 열기전력이 발생됨을 알수 있으며, 이때 발생하는 열기전력과 a - b간의 온도차 와는 일정한 관계가 있음을 알 수 있다.
또한 발생하는 열기전력은 두 종류의 금속과 양 접점간의 온도 차이에 의해 정해지며, 금속의 형상이나 치수, 도중의 온도 변화에는 영향을 받지 않는다.

열전대로서 이용되는 것은 다음 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.
     ① 열기전력이 높을 것
     ② 내열성 내식성이 양호하고 기계적으로 튼튼할것
     ③ 장기간 사용하여도 열기전력이 안정하고,열전대 손상과 마모가 적을것
     ④ 동종의 열전대에서는 항상 동일한 특성이 얻어지며, 호환성이 있을것
     ⑤ 전기저항 및 온도계수가 작을것 (고온측정의 경우)
등이고 상기 조건을 모두 만족하는 재료는 없지만, 측정 조건에 따라 비교적 조건을 만족하는 것을 선택 하는것을 선택,사용하는 것이 좋다.

1) 열전대별 특징
① B, R, S 열전대
B열전대는 순백금에 로듐을 가하면 재결품이 일어나지 않고, 또한 합금의 융점이 높아져   R,S 열전대 비해 내열성 및 기계적 강도가 양호하여 진다. 순백금의 융점은 1769 ℃ 이나 3％ 로듐함유시 1800 ℃, 20％ 함유시 1900 ℃, 40％ 함유시 1950 ℃ 정도로 높아지나, 그 이상은 상승되지 않는다.
R 열전대는 순백금에 로듐을 가하는데, 일반적으로 백금 87 ％, 로듐 13 ％로 구성되어 있는 것으로 알려져 있으나 실제는 백금 87.3 ％, 로듐 12.7 ％로 구성되어 있으며 주로 현장용으로 사용되고 있다. 또한   S 열전대에 비해 기전력 및 내열도가 양호하다.
S 열전대는 타 열전대에 비해 재현성이 양호하고 그 측정정도가 가장 높은 관계로 국제 실용눈금의 630.74 ∼1064.43 ℃ 온도 범위의 표준 열전대로 채택하고 있다 열기전력은 로듐 함량이 높아질수록 동일 온도에서 낮아지며, 특히 저온에서는 지극히 낮아서 상온에서의 (0 ∼ 100 ℃) 기준접점 온도 변화는 실용상 무시한다.
산화성 분위기에는 강하고, 환원성 분위기 (CO2, H2, H2S, SO2, GAS중에서는 1000 ℃이상) 중에서는 약하다. 따라서 주로 비금속 보호관을 사용한다.
② K 열전대
K 열전대에 쓰이는 양 금속선은 모두 니켈을 주로한 합금으로 된 비금속 열전대 로서 비금속 ( K,E,J,T 열전대) 중에서 가장 높은 온도측정이 가능하며 R 이나 S 열전대의 약 4.5배의 열기전력을 발생하고 열기전력 특성은 거의 직선적이다.
고온에서의 산화방지를 위하여 +금속선에 산화피막을 입혀 사용하고 있으며, 이 피막은 강인하고 치밀하며, 합금과의 밀착성도 양호하여 내측금속 보호를 한다. 크로멜선의 산화는 표면 크롬의 산화에 의한 것이고 또한 노화의 진행도 산화와 밀접한 관계가 있다.
주위조건은 산화, 불활성 가스등의 분위기에는 강하나 탄소계의 가스등 환원성분위기에는 약해서 기전력이 현저히 저하한다. R 열전대와는 달리 금속증기에 대해서는 강하고 보호관을 금속보호관으로 사용할 수 있다.
K 열전대는 1000 ℃ 정도의 고온에서 공업적으로 가장 많이 사용되는 종류이나 최근 산업의 다양화에 따라 새롭게 인식되는 다음과 같은 문제도 발생되고 있다.
  ⓐ 단범위 규격화 오차가 발생하는데, 단범위 규칙칙화 오차는 온도 250 ∼ 550 ℃ 범위에서 사용 초기시 정방향의 커다란 드리프트가 가열, 냉각 양쪽에 발생되는 현상으로써 원인은 +측 소선인 크로멜의 원자 배열의 변태 현상에 따른 제벡지수가 변화 곧 열전대 특성이 1 ∼ 1.5 ％ 증가하는 현상으로서 그 만큼 오차가 된다.
   ⓑ 자기효과에 의한 오차로서 직교하는 온도분포와 자장공간내에 설치된 도체에는 양방향의 직각인 제 3의 방향으로 기전력이 발생하는 현상으로서 -극성인 자성체 알루멜선은  150 ℃ 이하에서는 측정온도의 10％정도로 자속밀도 B의 극성에 따라 정역으로 급,증감하는 오차가 발생하는 현상으로 즉 온도의 자기 의존성 오차이다.
   ⓒ K 열전대는 소선의 외관상 크로멜측은 비자성체로써 다소 푸른빛을 띠고 있으며, -측 소선인 알루멜은 자성체로 어둡다. 또한 알루멜측은 내열적으로 약하기 때문에 선단부에서 알루멜을 중심으로 크로멜을 둥글게 감아 용접하기도 한다.
④ J 열전대
사용 주위조건은 환원성 분위기에 강하고, 수소, 일산화탄소 등에도 안정되며 탄소에도 대체로 안정한 편이다. 산화성 분위기, 공기중에서도 고온이 될 있도록 급격히 철의 산화가 일어나고, 수증기에도 취약하다. 소선의 판별은 철측은 방청시키고 있으므로 쉽게 알수 있고. 장시간 사용시는 붉은 녹이 쓸고 또한 철은 자성체이므로 자석을 사용 쉽게 구분할 수 있다.
⑤ T 열전대
동의 산화성 때문에 공기중에서의 상용 한계는 비교적 낮은 300℃ 로 정하고.주위조건은 산화성 분위기에는 약하나 환원성 분위기 중에서는 안정되며, 동은 비교적 용이하게 고순도 것을 얻을 있으므로 측정정도가 높은것을 얻을 수 있다.
최근에는 -250 ℃ 까지의 저온 측정에 자주 사용한다. 소선의 극성 판별은 동선은 붉은 색이고 콘스탄탄 측은 광택이 있는 백동색으로서 쉽게 구분할 수 있으며, 장시간 사용시 동선은 푸른빛을 띤다.

2) 열전대의 분류 ( 한국 공업규격 KSC 1602- 1982 )

열전대의 허용차

3) 열전대의 배선방법 및 보상도선
열전대의 열기전력은 측온접점과 기준 접점 과의 온도차에 의해 정해진다. 보통 열전대 단자 (보상접점) 에서 기준접점 까지는 거리가 떨어져 있어서 보상접점과 기준접점 사이의 온도변동을 보상하기 위해 열전대와 거의 특성이 비슷한 열기전력 특성을 갖는 보상도선을 사용하여 연결한다.
열전대의 배선 방법에는 열전대용 변환기,구리도선,보상도선을 사용하는 것에 따라 여러 방법이 있으나 대표적인 방법의 결선방법은 다음의 그림과 같다.

온도보상이라 함은 온도 측정회로가 구성될때 측온접점 만의 온도가 피측정 물체의 온도로서 표시되어야 하는것에 비해 측온체외에 도선,도관등의 신호전달부 주위 또는 열전대용 변환기등의 주위온도 변화가 측정의 오차를 발생시킴으로 측정온도를 기준으로 주위온도의 변화에 따른 오차를 수정시키는 의미이다.
보상을 행하는 의미에서 계속적으로 변화해 가는 측온부 이외의 주위온도 변화에 무관하게 변화가 일어나지 않도록 함으로써 자체 유지적 보상이 있고, 일단 주위온도 변화에 따른 발생된 오차를 임의방법에 의해 상쇄시키는 방법이 있다. 따라서 보상도선은 주위온도와 무관하게 자체 유지적 보상의 의미를 갖고 있다.
보상도선의 기능을 아래 그림 a)에서와 같이 보상접점의 온도가 0 ℃ 이면 발생전력은 E (t-0) = Et - 0 = Et가 되며,만약 보상접점의 온도가 0이 아닌 임의의 t ℃ 이라면 발생 기전력 t - t1 에 상당하는 기전력인 E(t- t1) = Et - Et1 이 되면서 Et1 만큼의 오차를 발생하게 될 것이다.
그림 b)에서의 발생기전력은 t-t1에 상당하는 기전력인 Et - Et1가 되고, t1-t2 에서의 기전력은 Et1 - Et2 (보상도선 또는 열전도선) 이므로 t- t2 에 해당하는 기전력의 합은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
(Et- Et1) + (Et1- Et2) = Et - Et2 = Et - 0 = Et가 된다. 따라서 보상도선 또는 열전도선을 사용하면은 주위온도 변화에 따른 오차를 보상한 형태로서 보상도선을 사용시 측온 접점부터 기준 접점까지 등가회로 되는 즉, 열전도선을 쓴 것과 같은 효과를 가지고 있다.

보상도선의 종류별 분류

가) 열전대별 분류 (KSC 1609)

비고 1. KX-G, KX-GS, KX-H, KX-HS, EX-G, EX-H, JX-G, JX-H, TX-G, TX-GS,
          TX-H, TX- HS 심선은 조합하여 사용하는 열전대와 동일 재료이다.
      2. BX-G, RX-G, RX-H, SX-G, SX-H, WX-G, WX-H, VX-G의 심선은 조합하여
         사용하는 열전대와는 다른 종류의 재질이나 사용온도 범위인 일반용은 -20∼
         90 ℃,내열용은  0 ∼ 150 ℃ 내에서는 열전대와 동일한 특성을 가져야 한다.
      3.보통급 보상도선은 온도측정에 적당하다.
      4.정밀급 보상도선은 오차의 허용차가 보통급의 1/2로써 특히 정밀을 요하는
         온도측정에 사용한다

나) 열전대와 재질관계에 의한 분류
열전대 재질과 관련하여 익스텐션형과 켐펜세이션으로 분류한다. 익스텐션형은 열전대와 동일한재질의 보상도선이고,켐펜세이션은 보상도선 사용온도 범위내에서 열전대의 열기전력 특성을 갖고 있으면서 열전대 재질 보다는 가격이 저렴한 대용합금 재질의 보상도선이다.
다음표는 익스텐션형과 켐펜세이션의 비교를 나타낸 것이다