열전대(thermo couple) 측정 실험

소개글

열전대(thermo couple) 측정 실험에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

온도계는 온도 영역에 따라 ITS-90에 정해진 규정을 따른다.
a) 측정점 온도 조절 장치 : 교정을 하기 위해서는 교정 온도를 일정하게 유지하고, 요구되는 온도를 얻을 수 있어야만 한다. 온도조절 영역 및 그 정도에 따라 여러 가지 온도로가 개발 되어있다.
b) 기전력 측정 장치 : 열전대에 의해 온도를 측정 할 때는 열전애에 나타나는 열기전력을 측정하여, 표를 이용하거나 Digital Thermometer를 사용하여 열기전력이 직접 온도로 환산된 값을 측정하게 된다.
* 전위차계(Potentiometers) : 열전대에 나타나는 열기전력을 정밀하게 측정하는데는 보통 전위차계를 사용하며, Dial식으로 되어 있다. 사용으로 구할수 잇는 전위차계의 정도는 1㎷에서 0.2μN～1μN, 그리고 50㎷에서 12μN이다.
* DVM(Digital Voltmeter) : Digital Voltmeter의 정도도 전위차계와 비슷하며 매우 빠르게 여러 열전대의 열기전력을 측정할 수 있다. 그러므로 온도 조절장치의 온도가 비교적 빨리 변하더라도 측정이 가능하다.
열기전력 측정장치의 선택은 필요한 온도측정의 정도에 의해 결정되는데, 귀금속의 S, R형 열전대는 100℃의 온도차에 대해 약 1㎷, 비금속의 열전대의 경우는 100℃ 온도차에 대해 4㎷의 열기전력이 나타난다. 따라서 0.1℃까지 측정하기 위해서는 S, R형 귀금속 열전대를 사용 할 경우는 4μN까지 정확히 측정 할 수 있는 장치가 요구된다. 또한 이들 측정장치를 이용하여 온도를 정확히 측정하기 위해서는 열전대 자체를 교정 하는 RT 못지 않게 이들 측정 장치도 주기적으로 교정을 해주어야 한다.
d) 기준점 온도유지 장치 : 열전대의 기준점은 일반적으로 0℃로 잡으며 이는 얼음가루에 증류수를 넣어 만든다. 기준점으로 물이 어는점(Ice point)을 이용하는 대신 Digital thermometer등에서는 0℃ 보상 회로를 이용하여 0℃보정을 해주기도 한다.
* Ice point : 열전대를 이용하여 정확한 온도를 측정하려며, 기준점의 온도변화에 따른 오차가 측정점의 온도교정에 비해 작아야만 하며 보통 사용하고 있는 방법은 Ice Bath속에 한쪽 끝이 막힌 가늘고 긴 유리관(내경 약5～7mm)에 깊이 20mm정도의 수은을 넣고 이를 Ice Bath내에 적어도 125mm의 깊이에 넣는다. 이때 Bath내의 얼음-물은 유리관 아래로 25mm 깊이까지는 채워져 있어야만 한다. 유리관에 들어가는 두선 중 한 선(열전대 연장선)은 끝부분 6mm를 제외하고는 절연시킨다.
열전대 연장선을 굵은 선보다는 가는 선을 사용할 때, 측정의 정도를 높일수 있다. 이 방법은 수은을 이용함으로서 쉽게 열전대선을 연결시키거나 땔 수 있어서 매우 편리하며 얼음물은 녹은 정도를 살펴 하루동안 사용 후 바꾸어 주어야 한다. (참고로 0.4mm의 구리선을 Ice Bath내에 7.5cm정도 넣었을 때 나타나는 오차는 0.01℃보다 적다.)
* 보상회로 : 보상회로에서는 기준점이 실온에 있으면 실온에 대응하는 기전력을 발생시켜 상대적으로 0℃ 보정을 해주는 데 이 방법으로 얻을수 있는 정도는 보통 약 0.2～0.8℃가 된다.
3) 교정 방법
a) 고정점 교정법 : 표준 온도계의 교정은 국제 온도 눈금(ITS-90)의 정의에 따라 고정점 교정을 행한다. 즉 3개의 교정점, 금의 응고점, 은의 응고점의 온도를 기준으로 한다.
b) 비교 교정법 : 비교 교정법이란 고정점 교정을 한 표준 온도계를 이용하여 다른 열전대와 열기전력을 비교하여 교정하는 방법이다. 이 방법은 1개의 표준 온도계를 이용하여 여러개의 열전대를 동시에 교정할 수 있으며 대부분이 이 비교 교정법으로 교정을 행한다.
(3) 열전대를 이용한 온도 계측
두 물질의 접촉점에서의 Thormoeletric sensitivity(㎶/℃) 즉 기전력 대 온도의 비는 Platinum과의 관계로 정의하며 임의 두 물질 간의 sensitivity는 다음과 같이 구할수 있다.
SChromel / Alumel = SChromel/Platinum - SAlumel/Platinum
= 25.8 - (-13.6) = 39.4 ㎶/℃
Platinum과 물질 사이의 Thormoeletric sensitivity(㎶/℃)
Material
sensitivity(㎶/℃)
Material
sensitivity(㎶/℃)
Constantan
- 35
Copper
6.5
Nikel
- 15
Gold
6.5
Alumel
- 13.6
Iron
18.5
Carbon
3
Chromel
25.8
Aluminum
3.5
Silicon
440
Silver
6.5
Tungsten
7.5
측정하고자 하는 온도의 범위에 따라서 알맞게 금속을 조합하여 사용한다.
즉 측정 온도가 높으면 Thormoeletric sensitivity가 높게 조합하는 것이 일반적이다.
그림 4. A typical thermocouple circuit
열전대를 이용하여 온도를 측정할 때 열전대의 측정점과 기준점 사이에 열 전대 연장선을 연결한다. 열전대 연장선은 사용환경에 따라 여러가지 물질로 절연시킨다. 열전대 연장선을 사용하는 장점은 열전회로의 역학적 또는 물리적인 문제점등을 해결해주며 귀금속 열전대의 경우 비금속 열전대 연장선을 사용함으로 열전대의 원가를 절감시킬 수 있다.
열전대 연장선은 실제적으로 열전대와는 꼭 같지는 않으므로 열전대 연장선을 이용하면 일반적으로 측정오차가 커지게 된다. 또한 열전대와 열전대 연장선의 접점의 온도가 크면 클수록 일반적으로 오차가 커지며 200℃이상에서 그 오차가 매우 커지므로 접점의 온도가 200℃이상에서는 사용하지 말아야한다.
열전대를 이용하여 온도를 측정할 경우의 정도는 열전대 자체의 오차 등에 의해 결정되므로 전체적인 오차는 이들 오차를 모두 고려해 주어야만 한다. 물론, 이때 전체적인 오차는 이들 각 오차를 산술적으로 합하면 되나 실제적으로 이들 오차들이 최대한도로 나타난다고 볼 수는 없으므로 일반적으로 각각의 오차를 이라 하며 전체적인 오차는
로 주어진다.
열전대를 이용하여 온도를 측정할 경우 여러가지 측정상의 오차가 생

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