안녕하세요, 센서와 스위치를 다잡는 센서보이 입니다.
이번 글에서는 열전대(Thermocouple)에 대해 알아보겠습니다.
온도를 측정할 수 있는 센서 중 하나인 열전대(이하 Thermocouple)는 앞서 포스팅한 RTD와 함께 산업용 온도센서의 쌍두마차 입니다. 설치를 위해서는 항상 전용 도선과 전용 커넥터가 필요하고, 안정성(오랜기간 사용 시 전기적 노화발생)의 단점이 있지만, 빠른 응답성과 내구성, 그리고 수많은 종류로 인해 매우 넓은 온도범위의 측정이 가능하다는 특장점이 있습니다.
그럼, Thermocouple의 역사와 기본적인 원리, 구조, 종류 및 응용에 대하여 알아보는 시간을 가져 보겠습니다.
Thermocouple의 역사
Thermocouple은 열전효과를 활용한 센서로, 여타 다른 온도센서와 마찬가지로 약 100여년의 역사를 가지고 있습니다.
열전 효과(Seebeck Effect)를 가장 처음 발견한 Thomas Johann Seebeck은 1821년 우연히 열전대를 발견했습니다.
그는 도체 끝이 서로 다른 온도에 있을 때, 도체의 두 끝 사이에 전압이 존재한다는 것을 실험적으로 확인했습니다.
이후 Seebeck은 2개의 서로다른 Seebeck Coefficient를 가지는 도체의 한쪽 끝을 붙이고, 반대쪽 Open Ends의 전압차를 측정하여 온도센서를 개발 하였습니다.
이 방식에는 또다른 문제점이 있는데, 접합부의 온도가 동일 하여도, Open Ends의 온도에 따라 측정되는 기전력이 달라지는 문제가 발생한다는 것입니다.
이를 위해 Open Ends의 온도를 일정하게 유지하여 기준점을 잡아줘야 하는데요, 이를 냉접점 보상이라고 합니다. (Cold junction compensation)
초기에는 0degC의 얼음물에 냉접점을 담궈 보상 하였으나, 너무나 번거로웠습니다.
이러한 이유로, 우리 위대하신 개발자 분들께서 전기적으로 냉접점 보상처리를 해주는 것을 개발했습니다.
따라서, 이제 우리는 Thermocouple을 그저 수신부에 꽂기만 하면 됩니다 !!!
Thermocouple의 구조
Thermocouple은 서로다른 두개의 도체를 그냥 붙여놓기만 하면 되는 제품이라, 구조라고 할 게 없습니다.
따라서, Probe 가공된 제품의 구조에 대해 알아 보겠습니다.
Thermocouple Probe는 Grounded, Ungrounded, Exposed 3종류로 나눌 수 있습니다.
Grounded : 하기 3번째 그림이며, Sheath(보호관)에 Thermocouple 소자가 접지되어 있습니다. 반응속도가 빨라지는 대신, 전기적인 외란에 영향이 있을 수 있다는 단점이 있습니다.
Ungrounded : 하기 2번째 그림이며, Sheath와 Thermocouple 소자가 Isolation 되어 있습니다. 반응속도에서 조금 손해보지만, 전기적 안정성이 매우 상승됩니다.
Exposed : 소자가 노출된 타입입니다. 공기는 밀도가 낮아 열전달이 매우 느리기 때문에, 노출형을 쓰지 않으면 반응속도가 매우 느리게 됩니다. 따라서, 빠른 반응속도가 필요한 Air/Gas 온도측정에 Exposed 형식을 사용 합니다만, 하기 그림처럼 극단적으로 노출되진 않고, 구멍이 뚫린 보호관 처리를 하긴 합니다.
Thermocouple의 종류
Thermocouple은 매우 다양한 종류가 있으며, 종류별로 특화된 Application이 있습니다.
가장 일반적으로 사용되는 타입은 K-Type(Korea 아닙니다.)이며, 넓은 온도범위와 저렴한 가격으로 대부분의 Thermocouple은 K-Type으로 사용됩니다.
Thermocouple 결선
Thermocouple은 전압출력을 가지므로, (+)와 (-) 단자가 구분되어 있습니다.
Type이 달라도 결선은 모두 동일합니다만, Type 별로 국가별 정해진 색상 규격이 있습니다.
다만, 선의 연장 시 항상 동일한 Type의 Thermocouple 연장도선을 사용해야 합니다. (필수)
Thermocouple Color는 정해진 규격이라, 검색하면 쉽게 찾을 수 있습니다.
Thermocouple 응용
Thermocouple 온도센서는 아래와 같은 형태로 가공되며, 각각 모양에 맞는 Application에 적용됩니다.
Probe Type Thermocouple : 거의 대부분의 온도측정 분야에 적용됩니다. 단단한 금속성 Sheath(보호관) 내부에 Thermocouple을 삽입/몰딩하여 제조하며, Lead wire, Connector, Head, Explosion-proof type 등 여러가지 형태로 제작됩니다.
Surface Measuring Thermocouple : Thermocouple의 접점을 별도의 Housing 없이 부드러운 재질로 감싸거나, 표면에 부착할 수 있는 형태의 금속성 재질로 Housing을 만든 제품입니다.
표면온도는 Probe 형태의 제품으로는 정밀하게 측정하기가 불가능하기 때문에, 아래 형태의 제품이 알맞으며, 일부 제품은 굴곡이 있는 배관 등에 부착할 수도 있습니다.
Micro Thermocouple : Thermocouple만이 가지고 있는 형태로, 머리카락보다 얇은 형태로의 가공이 가능합니다.
아래 그림은 Micro Thermocouple을 제조하는 과정이며, 이 제품은 바이오/의료/반도체 분야에 사용됩니다.
Thermocouple K Type의 온도-전압 테이블
아래는 Thermocouple K Type의 온도별 전압변화를 나타낸 테이블입니다.
본 테이블은 국제 규격이기 때문에, 검색하시면 엑셀 자료를 쉽게 다운받을 수 있습니다.
다른 규격의 Thermocouple 또한, 인터넷에서 쉽게 찾으실 수 있습니다.
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