열전대란?열전대란?

Posted at 2008.07.07 10:30 | Posted in 전기 지식인

 

 

 

열전대란?

▣ 열전대의 사용 목적
    온도 검출

열전대의 정의
    서로 다른 재질로 된 두 금속선을 한 부분에서 접합 시켜  접합된
    부분의 온도를 측정하는 센서.

열전대의 특징
    제작이 간단하다.
    경제적이다.
    내구성이 좋다.
    비교적 정확하고 넓은 온도 측정 구간을 갖고 있다..
    형태 변형이 쉽다.
    측정 자동화가 쉽다.

열전기 회로의 법칙
    ① 동질 금속의 법칙
        같은 선으로 구성된 회로는 열기전력이 없다.
    ② 중간 금속의 법칙
        일정한 온도 구간에서는 다른 금속의 영향이 없다.
    ③ 중간 온도의 법칙
        열 기전력은 회로 중간의 온도에 영향을 받지 않는다.

열전대의 종류  

   기   호

열  전  소  자

양   극 ( + )

음   극 ( - )

 B
 R
 S
 E
 J
 K
 N
 T      

 Pt-30Rh
 Pt-13Rh
 Pt-10Rh
 Chromel
 Fe
 Chromel
 Nicrosil
 Cu    

 Pt-6Rh
 Pt
 Pt
 Constantan
 Constantan
 Alumel
 Nisil
 Constantan

    - 기타 열전대
        Pt-40Rh vs Pt-20Rh
        W-Re계
        Pt-Mo계
        초고온, 원자로, MBE등 특수용도
 
    - 순수 귀금속 열전대
        Au vs Pd : 1000℃, 불확도 ±30 mK  
        Au vs Pt : 1000℃, 불확도 ±30 mK
        Pt vs Pd : 1300℃
        안정도 및 재현성이 매우 좋다.
 
▣ 열전대의 특성
   ⊙ B형 열전대의 특징
       산화성,불활성 분위기에서 1700℃까지 사용 가능
       환원성 분위기에서 사용 금지
       공기 중에서 가장 안정된 특성을 보임
       기전력이 가장 작다
       1000℃이상에서 사용하는 것이 바람직 함
 
   ⊙ R,S형 열전대의 특징
       산화성,불활성 분위기에서 1400℃까지 사용 가능
       환원성 분위기에서사용 금지
       가장 안정된 열전대 임
       2차 표준기로 사용
       공기 중에서 사용하는 것이 최상
 
   ⊙ K형 열전대의 특징
       산화성,불활성 분위기에서 1260℃까지 사용 가능
       가장 많이 사용되는 열전대
       저온에서도 사용이 가능
       유황,진공,낮은 산소압,산화-환원이 반복되는 조건에서는 사용 금지
 
   ⊙J형 열전대의 특징
       유황 분위기를 제외한 거의 모든 조건에서 사용
       최고 760℃까지 사용 가능
       비교적 안정된 특성을 보임
 
   ⊙E형 열전대의 특징
       산화성,불활성 분위기에서 870℃까지 사용 가능
       가장 큰 열기전력을 나타냄
       유황,진공,낮은 산소압,산화-환원이 반복되는 조건에서는 사용 금지
 
   ⊙T형 열전대의 특징
       거의 모든 분위기에서 340℃까지 사용 가능
       저온에서 많이 사용 함
 
   ⊙N형 열전대의 특징
       K형 열전대의 단점을 보완 함
       고온에서 K형에 비해 높은 안정성을 지님

▣ 직경에 따른 사용 한도

종   류   

열 전 대 의 직 경 (mm)

3.25

1.63

0.81

0.51

0.33

   B
   S,R
   K
   J
   E
   T
   N  

  -
 -
 1260
 760
 870
 -
 1260

-
 -
 1100
 600
 650
 370
 1100

-
 -
 1000
 500
 540
 260
 1000

1700
 1450
 870
 370
 430
 200
 870

-
 -
 870
 370
 430
 200
 870

   주) 위의 표는 보호관을 사용하였을 경우 임

▣ 제조오차 허용도

종  류

온 도 범 위 (℃)

허  용  오  차

  B
  S,R
  K,N
  J
  E
  T 

870 ~ 1700
0 ~ 1450
0 ~ 1250
0 ~ 760
0 ~ 870
0 ~ 350

±4.4 or ±0.5%
±1.5 or ±0.25%
±2.2 or ±0.75%
±2.2 or ±0.75%
±1.7 or ±0.5%
±1.0 or ±0.75%

  K
  E
  T

-200 ~ 0
-200 ~ 0
-200 ~ 0  

±2.2 or ±2.0%
±1.7 or ±1.0%
±1.0 or ±1.5%

 주) ASTM규격

열전대의 특성 변화
    ⊙고온에서의 조성 변화
        S형 열전대의 경우 1400℃에서 1440시간 동안 실험한 결과
        양극쪽에 균열이 생김
        (음극의 95%Pt+5%가 양극으로 전이 됨)

   ⊙분위기에 따른 기전력 변화              (시험 온도 : 1600K)

종   류   

분위기

시험시간(H)

온도변화  

최종상태

R

 아르곤
 진  공
 공  기

 0,000
 1,610
 10,000

-19 ~ -28K
 -1.5K
 -4.9K

 완 료
 단 락
 완 료

B

 아르곤
 진  공

10,000
 2,780  

-7 ~ -18K
-3.2K  

 완 료
 단 락


    ⊙ 불 균질성에 의한 기전력 변화
         S형 열전대일 경우 1100℃ 싸이클 - 기전력 감소
 
    ⊙ 미세조직 변화에 의한 기전력 변화
        크로멜 : 단 범위 규칙화 현상 발생
        200 ~ 600℃ 구간에서만 발생 됨
        기전력은 증가 함
 
    ⊙ 불순물 유입에 따른 기전력 변화
        (S형 열전대일 경우)
       보호관 재질에 따른 기전력의 변화
        SUS or Inconel과 접촉 금지

   ⊙ 열처리 유무에 따른 기전력 차이
       (R형 열전대일 경우)
       열처리 전후 온도 차이 발생
       충분한 열처리가 필요 함

온도 측정 장치의 구성
     감지부와 기준 접점,
     연장선과 보호관,
     측정기기로 구성 된다.

▣ 온도 감지부
    소선, 측온 접점, 전기 절연체로 구성 된다
    ⊙ 소선 및 측온 접점
        소선은 구부러지지 않게
        측온 접점의 크기는 되도록 작게
        산소-아세틸렌 토치를 사용하여 제작
        (산소-프로판 토치,물분해 수소 용접기도 사용 됨)

   ⊙ 비 자기 절연체 : 500℃ 이하에서 사용
       비 자기 절연체의 종류 및 사용온도(℃), 특성

 절연체 종류

연속사용허용온도  

최대허용온도

습기저항성

마모저항성

 Polyvinyl
 Nylon
 Teflon
 Kapton
 Taflon and fiber glass
 Fiber glass
 Felted asbestos  

 105
 125
 205
 260
 315
 540
 540

 105
 125
 315
 260
 370~540
 650
 650

 Excellent
 Poor
 Excellent
 Excellent
 Excellent
 Poor
 Poor  

 Good
 Good
 Good
 Excellent
 Good
 Fair
 Poor


  ⊙ 자기 절연체 : 500℃ 이상에서 사용
      자기 절연체의 종류 및 사용온도(℃), 특성

절연체 종류  

조    성

최대사용온도  

   용 융 점

열응력저항성

Sapphire crystal
Sintered alumina
Sintered magnesia
Sintered mullite
Sintered zirconia
Silica glass

Al2O3
Al2O3
MgO
Al2O3+SlO2
ZrO2+HfO2+CaO
SiO2

1950
1900
1900
1750
2200
1100  

2030
2030
2800
1810
2550
1710

Very good
Good
Fair good
Good
Fair good
Excellent


▣ 기준 접점
   기준이 되는 온도를 말한다
   세계적인 약속으로 이루어 졌다
   * 0℃ (빙점)가 기준점이다
   * 임의의 온도에서도 가능하다
 
▣ 열전대 색상 비교

   미    국

음극이 적색


 

   프 랑 스  

양극이 황색


   영    국

음극이 청색



    I   E  C

음극이 백색


   일    본

양극이 적색



   중     국

양극이 적색


   독    일

양극이 적색



   한     국

양극이 적색


   
금속제 보호관
       주로 비금속 열전대에 사용
       탄소강 : 700℃ 정도
       Austenite계 SUS : 산화분위기, 870℃
       Ferrite계 SUS : 산화,환원분위기, 1150℃
       Inconel등 : 산화분위기, 1150℃
 
자기 보호관
       귀금속, 고온용 열전대에 사용
       Mullite : 기계적 특성이 우수, 1650℃
       Alumina : 귀금속 열전대에 필수, 1900℃
       SiC : 이차 보호관, 불꽃 차단
       Cermet : 고강도, 내식성 보호관, 1425℃

측정기기 및 연결
      전위차계 (Potentiometer)
      전압 측정기 (Digital voltmeter) : 4½digit
                                 최소 0.1㎶ 분해능
      터미널 온도를 최대한 낮게 설치 할 것
      Quick connector등을 사용하면 편리하다

사용 형태 상 열전대의 종류
      일반용 열전대*
      쉬스형 열전대*
      삽입형 열전대
      흡입형 열전대
      표면 온도계용 열전대*
      차등 열전대
      다중 열전대
      *-일반적으로 가장 많이 사용하고 있음

열전대에 사용하는 연장선의 종류

종  류

연  장  선  종  류  

연결점 온도  

오  차

+  

-

 B
 S,R
 K
 J
 E
 T
 N  

 Copper
 Copper
 Chromel
 Iron
 Chromel
 Copper
 Nicrosil

 Copper
 Copper Alloy
 Alumel
 Constantan
 Constantan
 Constantan
 Nisil

 0 ~ 100
 0 ~ 200
 0 ~ 200
 0 ~ 200
 0 ~ 200
 -60 ~ 100
 0 ~ 200  

  0
 ±5.0
 ±2.2
 ±2.2
 ±1.7
 ±1.0
 ±2.2

         
보상도선
    ⊙ 사용목적
        열전온도계는 기준접점(냉접점) 0℃에 대응하는 눈금이 새겨져 있음으로 열전대로 온도를
        측정하는 경우에는 기준접점 온도를  명확히 하지 않으면 안된다.
        일반적으로 기준 열기전력표는 기준접점 온도를 0℃로 하여  만들어져 있다.
        즉, 열기전력의 측정치로부터 온도를 구하려면 기준접점 온도를  0℃로 유지시켜야 한다.
        <그림1>의 경우는 주로 실험실 등에서 사용되는 형식인데 온도t를 측정할 때  기준접점,
        빙인장치에  압입하여 0 ℃로 유지 시킨다.
        도선은 열전도가 양호한 것이면 무엇이든지 사용할 수 있지만  보통 동선이 사용되고 있다.
        이 방법은 고온 접점에서는 기준접점 0℃에 대응하는 열기전력이 발생하기 때문에 온도계는
        정확한 온도를 지시한다.
        즉, <그림2>의 접속방법은 측정오차를 줄이는 이상적인 회로이다.
        <그림2>는 냉접점을 사용하지 않는 접속예이다.
        이 경우 고온접점에는 온도계 단자의 온도에 대응하는 열기전력이  발생하기 때문에 실온의
        변화에 의한 열기전력의 변화를 온도계의   지시에 가하여 보정하지 않으면 안된다.
        <그림3>은 보상도선을 사용한 경우의 접속예이다.
        열전대는 취급상 너무 긴 것은 만들어져 있지 않으므로, 측정의  대칭물이나 주위의 영향에
        의하여 단자온도가 변동되는 것이 예상된다.
        그러므로 열전대로 온도를 측정하려면 열전대를 온도 변화가 없는 장소 까지 연장시켜  기준접점을 만드는 것이 가장 좋은 방법이다.
        또 근래 자동제어의 발달에 따라 온도 측정은 관리실에 집중시켜  측정하는 경우가 많고
        고온접점과 온도계 사이가 수백미터 떨어지는  경우가 간혹있다.
        그러나 열전대 재료는 고가이고 전기저항 절연저항이 내온 기계적  강도 및 구조 등의 여러  문제점이 있어 사용하기 어려운 것도 있다.
        이들의 문제를 해결하기 위하여 열전대와 거의 같은 열전 특성을 갖는  (통상 120℃ 이하)
        도선을 <그림3>과 같이 접속한다. 이것을 보상도선 이라고 한다.  



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