열전식 온도계(2)

기술자료 [기초지식]

열전식 온도계에 대하여 (2)

오찬종/광양제철소

열전식 온도계 (1)로부터 계속 됩니다.

4) 쉬스형 열전대
쉬스와 열전도선사이에 산화마그네슘,산화 알루미늄등의 무기절연물을 고압으로 견고하게 충진시켜 절연을 함과 동시에 내부를 기밀상태로하여 공기나 고온하에서 온도 측정시 가스등에 의한 부식을 방지한다.쉬스형 열전대가 열전대에 비해 비교된 특징은 다음과 같다.
     ① 응답성과 감도가 양호하다.
     ② 내열,내진성,내식성이 우수하다.
     ③ 외경이 가늘므로 삽입경이 작고 길이를 임의로 변경할 수 있다.
     ④ 유연성이 양호함으로 굽힘가공이 용이하다.
     ⑤ 내부의 기밀성 유지로 소선 열화가 작고 단선이 우려가 적음

쉬스형 열전대의 종류

쉬스 재질

열전대는 쉬스형을 포함하여 열전소선의 굵기와 길이는 발생 기전력의 크기와는 무관하고 다만 소선 선경이 커질수록 사용시간이 증가하게 되는 것이다.그래서 동재질의 선경이 커질수록 그 사용온도 한계를 높이고 있는것은 기전력의 대소와는 관계없이 사용시간 한계 때문이다.
일반적으로 소선경이 커질수록 열전달의 지연은 커지고,공기중에서의 R열전대는 선경이 커질수록 선경의 자승에 비례해서, K열전대는 3승에 비례해서 그 수명이 길어지고,열화 현상은 사용온도가 높아질수록 빨라져서 곧 수명이 단축되며, 열화 현상에 의한 측정오차는 R열전대는 부방향으로, K열전대는 정방향으로 발생하게 된다.
아래 표는 각 열전대 상용 및 과열 사용온도에 따른 연속 사용시간이다.

열전대 구조

쉬스형 열전대 구조

4) 보호관
보호관은 나열전대 및 측온저항체 소자를 측온대상의 물리적 (내진성,내열성,내충격성) 화학적(내산성,내알카리성 등의 내식성,내방폭성)상태로 부터 보호하며,나아가서는 측정 대상안의 주위 분위기로 부터도 보호하여 주는 목적으로 사용되는 관이다.
보호관에 요구되는 일반적인 성질은 다음과 같다.
    ① 내열성이 양호하고 급열 급냉동등의 열충격에 강할것
    ② 고온중에서도 내진성,내충격성 등이 양호한 기계적 강도가 있을것
    ③ 고온중에서도 내식성(화학적인 안정성)이 양호할것
    ④ 가스체에 대해 기밀성이 높고 내압성이 양호할것
    ⑤ 고온중에서 보호관 자신이 측온소자에 유해한 증기 또는 가스 방출이 없을것
    ⑥ 열전달의 시간지연이 작을것
이상의 제조건을 만족시키는 것은 이상적인 상태이며, 사용목적이 조건에 적합한 보호관 선정시 충분한 검토는 열전대 선정과 같이 중요하다
가) 재질상 분류
  재질상 비금속과 금속보호관으로 분류하며, 금속 보호관과 비금속 보호관과의
  비교는 다음과 같다.
   ① 비금속보호관은 귀금속 열전대에,비금속 열전대는 금속보호관을 사용한다.
   ② 비금속보호관은 금속보호관 보다 고온용으로 사용한다.
   ③ 비금속보호관은 금속보호관 보다 기계적 강도가 약하고 기밀성이 떨어진다.
   ④ 비금속보호관은 금속보호관보다 내열성 및 내식성이 우수하다.
   ⑤ 금속보호관은 인발관을 사용하고 표준의 것은 내압 20 kg/ ㎠이다
  (특히 내압용 및 내식성용은 환봉또는 주물을 인발시킨 것을 사용한다.)
   ⑦ 비금속보호관 중에서 glass 관이외는 일반적으로 알카리성에 약하다.
   ⑧ 고온측정에서 보호관을 이중보호관으로 사용해야만 하는 경우 바깥측 보호관
  은 기계적충격,열적 충격에 강한 것(금속보호관)을 사용하고, 내측 보호관은
  내산,내알카리성에 양호한 것(비금속 보호관)을 사용한다.
   ⑨ 비 금속보호관 종류별 특성은 한국 공업규격 (KSC 4006- 86년)에 그 종류별
  기호, 사용온도 및 시험 방법(굴곡시험, 내급열 급냉시험, 기밀시험), 호칭
  방법등이 명시되어 있다

비금속 보호관 종류 및 특성

금속 보호관 종류 및 특성

다. 측정 오차
열전대 온도계를 사용하여 온도 측정시 측정 정도에 영향을 주는 요인은 다음과 같다.
    ① 온도계의 정도
    ② 검출단이 측정대상에 주는 외란
    ③ 검출단의 응답속도
    ④ 검출단의 설치에 의한 영향
    ⑤ 측정대상의 유속
    ⑥ 보호관에 부착된 먼지등의 영향

  1) 온도계 정도
   온도계의 정도는 온도계의 출력(지시,기록)이 온도 표준 측정방식(KSC 1606)과
   어느 정도 일치하는가를 표시하므로 온도계의 기능의 양부를 결정하는 것이다.
   표준 온도측정 방식은 측정정도에 따라 A급, B급, C급 및 D급으로 구분하며,
   그 내용은 아래표와 같다.

2) 검출단이 측정대상에 주는 영향
검출단을 측정대상에 접촉시키면 측정대상의 온도는 변화한다. 이것이 검출단이 측정대상에 주는 영향이다. 즉,검출단을 측정대상에 접촉하기 전의 참값 온도를 t1 ,열용량  M 의 측정 대상에 온도 t2 이고, 열용량 m 인 검출단을 검출대상에 접촉시켰다면 일정한 시간을 경과하게 되면 최종적으로 열적 평행 상태에 도달하여   t 온도가 된다.
이때 열이 외부로 전혀 나가지 않는다면 열량은 보존이 되므로 다음식이 성립한다.
  M (t1 - t) = m (t1 - t2)
위의 식에서 좌변은 온도 t의 열평형에 도달하는 사이에 측정대상으로 부터 방출된 열량이며, 우변은 열 평형에 도달하는 사이에 검출단으로부터 유입된 손실 열량이다.  따라서 t에 대해 정리하면
   t = t1 -〔 m (t1 - t2)/( M + m )〕가 되며, t가 온도계로 측정된 온도이다.
그러나 실제 알고싶은 온도는 t1 이나 검출단의 온도와 측정대상의 온도차로 오차가 발생되어 측정 정도에 영향을 주는 인자이다.
이 영향을 없애주기 위해서는 다음의 방법으로 오차를 줄일 수 있다.
① 검출단을 예열하거나 예냉하여서 검출단 온도를 측정대상의 온도와 비숫하게 한 다음 설치할것, 이렇게 하면 부의적 응답을 지연을 단축하거나 소자를 급냉,급열하는 폐해를 막을 수 있다.
② 검출단의 열용량이 가능한한 작은것을 선정할것. 즉, 쉬스형 열전대나 쉬스형 측온 저항체,써미스터 등은 열용량이 작은 검출단을 취하면 오차를 줄일 수 있다.

3) 검출단의 응답속도
검출단의 응답속도는 온도 변화량의 63.2％ 또는 90％ 까지의 응답에 요하는 시간으로 정의되는 것이 일반적이다. 응답속도를 다시 말해 검출단을 측정대상에 접촉시켰을때 상호 열 평형이 일어나서 일정시간후 열적 평행이 되었을때 까지의 속도이며, 이것은 검출단의 구조, 열용량, 또는 측정대상의 조건 즉 액체인가, 기체인가, 또는 흐르는 유체인가 정지된 것인가등 응답속도에 영향을 주는 요인은 여러 가지가 있다.
정지하고 있는 기체가 측정 대상일 경우에는 최악의 조건으로써 검출단이 기체의 온도를 지시하는데 검출단을 사용하는 경우에는 급격한 온도변화에 대해서는 추종할 수 없으며, 어떤 시점의 온도를 알고 싶을 경우에도 그 시점의 온도를 지시하는 것이 아니다.
따라서 이때에도 열평형에 도달할 때까지의 시간을 가능한 한 짧게 하려는 노력과 또 열 용량이 작은 소형의 검출단을 사용하도록 해야 한다.
동특성에 의한 시간지연 요인으로 시간응답은 검출단의 크기 질량,접점과 보호관과 같은 주위 환경과의 열교환 형태 등에 따라 복잡하게 결정된다. 센서의 질량에 비하여 표면적이 클수록 일정한 열전달 조건이라면 시간응답이 빠르다.

4) 설치에 의한 영향
설치에 의한 영향은 검출단,측정대상등의 상태에 의해 생기는 열의 전달 영향이다.이러한 영향을 작게 하기 위해서는 다음 3가지를 열거하면 다음과 같다.
    ① 열전도를 작게하는 방법
    ② 방사 열전달을 작게하는 방법
    ③ 대류열 전달계수를 크게하는 방법
열전도에 의한 영향을 적게하는 방법으로는 열의 전달량 Q = λ A / L( t - t1 )로
표시한다. 따라서
     ① 열전도도가 작은 재료를 검출단으로 사용한다.
     ② 검출단의 단면적을 작게 한다.
     ③ 검출단 금속보호관 외경의 15 ∼ 20배 이상의 삽입장을 가지고 설치한다.
     ④ 설치부분은 단열재를 사용하며 설치부분과 측정대상의 온도차를 가능한한 작게한다.
설치시의 영향은 측정대상의 상태 검출단의 구조등 여러가지 조건에 의해서 서로 작용하기 때문에 실측하거나 정량적으로 값을 구하는 것은 곤란하며, 간단한 모델을 구성하여 열의 상태를 해석한 후 그 영향을 제어하는 것은 가능하다.
방사 열전달을 작게 하는 방법에서 방사율이란 검출단의 재료, 표면상태 (광택의 유무), 산화의 정도 표면 상태에 따라 달라지며, 반사체에서는 0이며, 흑체에서는 1이 된다. 온도 측정시 방사열에 의한 영향을 적게 하기 위해 실제 이용되고 있는 방법으로서
     ① 검출단에 방사율이 적은 재료나 내식성이 양호한 재료를 사용하며,측정
         대상은 표면을 깨끗이 할 것
     ② 방사열 전달은 절대온도의 4승에 비례하므로 보호관으로 부터 볼 수 있는
         주위의  온도를 측정대상과 동일온도로 하여야 한다. 이때 측정대상의
         온도가 낮을 경우에는 그다지 큰 영향은 없다.
     ③ 검출단의 외경을 작게하여 열전도에 의한 영향을 감소 시킨다.
끝으로 대류열 전달계수를 크게하는 방법이 있다. 대류열 전달계수는 유체가 가지고 있는 점성등의 특성 φS, 검출단의 외경 D 및 유체의 속도 V의 관계는
  dc =( Va/ Db)φS (a,b는 각각 V 와 D의 지수)
전달계수인 dc를 크게하기 위한 방법으로는 아래와 같다.
    ① 유체의 유속을 증가 시킨다.
    ② 검출단의 외경을 작게 한다.

5) 유체 유속의 영향
유체의 유속은 온도 계측에 있어서 대단히 중요하다. 이 유속은 대류열 전달계수를 크게 하기 때문에 온도의 정도 향상을 위해서 유속을 크게 향상 시킬 필요가 있다. 그러나 너무 크게 되면 유체의 압축성이나 내부 마찰의 영향에 의해서 지시가 높게 나타나며 검출단의 강도도 문제가 되는 폐혜현상이 발생하게 된다.

열전대 설치 방법에 따른 오차 발생

설치 개소별 오차 원인 (주철관안에 흐르는 가스의 온도를 측정)

(a) : 삽입 심도가 얕고 보온이 안된 외기 노출부가 있기 때문에 -45 ℃ 편차 발생
(b) : 삽입길이가 충분하고 외기 노출부가 짧고, 보온이 있으므로 오차도 없이 가장
        이상적인 설치방법으로 이때의 측정온도는 386 ℃이다..
(c) : 삽입심도가 얕고 측정온도는 -2 ℃ 이다. 배관의 수직부분에서 삽입 심도를
        충분히 하고 싶을 때는 흐름의 역으로 경사지게 설치하면 된다.
(d) : 삽입심도가 얕고 외기 노출부가 길어서 오차가 크고 측정오차의 -15 ℃
        이다.
6) 검출단에 부착하는 먼지등의 영향
측정대상에 먼지등이 있고 그것이 검출단 주위에 부착함으로써 검출소자 열저항이나 용량의 증가등이 생겨 오차의 원인이 되므로 정기적인 점검과 검출단 설치 장소에 대한 확인이 필요하다.
온도계 취급상 부주의에 의한 생기는 측정정도 하락은 앞에서 설명 하였으며, 그외에도 자기가열, 외부로 부터의 노이즈등 영향이 있다. 그 때문에 온도계를 취급시에는 각각의 온도계 원리, 구조를 잘 이해 해야 하며, 측정대상의 측정 제반 조건을 검토한후 적절한 온도계 선택 및 적절한 조치를 해야 할 필요가 있다.

수고 하셨습니다.