열전대/써모커플(Thermocouple) 원리/종류

열전대/써모커플(Thermocouple) 원리/종류

열전대는 Thermocouple(써모커플)의 한자식 표현으로 기전력을 이용한 온도센서 입니다. (본문에서는 적절한 표현을 위해 열전대와 써모커플을 혼용합니다.) 이 센서는 두 가지 종류의 금속선으로 이루어지며, 이 두 금속선은 한쪽 끝에서 합쳐지고 다른 한쪽은 열전대 용 데이터 로거나 열전대의 연장 도선 등 다른 장비 또는 부속품에 연결됩니다. 열전대의 선택과 시스템 구성이 적합하다면, 열전대는 광범위한 온도 범위를 측정할 수 있습니다.

열전대의 가장 큰 특장점은 다양함입니다. 열전대는 구성 금속 타입에 따라 측정 가능한 온도 범위도, 형태에 따른 종류도 광범위 합니다. 이러한 다양성과 유연성, 그리고 경제적인 가격 때문에 열전대는 산업 분야에서 가장 많이 쓰이는 온도센서입니다. 산업용 열전대부터 공급설비와 가전제품 등에서 찾을 수 있는 일반형 열전대까지 다양한 적용분야의 열전대가 있습니다. 하지만 모든 센서가 그러하듯이, 적용 환경에 맞게 알맞은 종류와 적용 방법을 택하지 않으면 열전대는 제대로 작동하지 않습니다. 해당 적용분야에서 알맞은 열전대의 유형과 재료는 무엇인지 파악하려면 열전대의 기본 구조, 작동 방법, 범위를 이해하는 것이 상당히 중요합니다.

 

 

열전대 원리 - 지벡 효과

1821년 토마스 지벡Thomas Seebeck은 서로 다른 두 금속선의 끝을 묶어서 한 쪽을 가열하면 열전회로에서 지속적인 전류 흐름이 생기는 현상을 발견하였습니다. 이를 지벡 효과라고 하며, 금속 쌍에 가해지는 열에 따라 발생하는 일정한 기전력을 토대로 온도 값을 환산하여 측정하는 것이 열전대의 원리 입니다.

 

열전대의 원리와 종류

열전대의 구성과 작동 원리

서로 다른 금속으로 구성된 두 개의 선을 양쪽 끝을 한데 묶어서 한쪽 선에만 열을 가하면 열전회로에 지속적으로 흐르는 전류가 생겨납니다. 이러한 회로가 중간에서 끊어지면 개방회로의 전압(지벡 전압 Seebeck voltage)은 접합온도와 두 금속의 구성에 의한 기능입니다. 이는 두 금속의 접합부가 가열 또는 냉각되면 전압이 생성되어 온도와 상관관계를 가지게 됨을 의미합니다.

열전대 종류

열전대는 다양한 금속 쌍 교정(Calibration) 조합으로 제공됩니다. 가장 보편적인 기본 금속 열전대는 J, K, T, E, N 타입 입니다. 이외 R, S, B, G(W), C(W5), D(W3) 타입은 고온 측정에 특화 된 귀금속 및 합금 재질 열전대 입니다. U, V 타입은 비보상 구리 재질로 온도 기준이 정립되지 않아 열전대 온도센서로는 이용되지 않습니다.

각 교정 조합은 서로 다른 온도 범위와 환경을 가지며, 열전대 금속 타입 자체의 성질 외에도 와이어의 직경, 피복과 같은 구성에 따라 온도 범위와 특성이 좌우 됩니다.

열전대 교정 조합(캘리브레이션)이 온도 범위를 제어하긴 하지만 최대 범위는 또한 열전대 와이어의 직경에 의하여 제한됩니다. 즉, 매우 얇은 열전대 와이어는 최대 온도 범위에 도달하지 못할 수도 있습니다.

K타입 열전대는 저렴한 가격과 일반적인 온도 범위로 인하여 가장 많이 사용되는 열전대 종류 입니다.

 

열전대 종류와 형태 결정 방법

1. 열전대를 사용할 환경 확인

2. 열전대가 노출될 온도 범위를 확인

3. 열전대 또는 피복 물질에 필요한 화학적 저항성 고려

4. 마모 및 진동에 대한 저항의 필요성 평가

5. 모든 설치 요구사항 나열 (접촉 방식, 센서 연결 방식, 온도를 재는 환경과 매질 특성, 공간 크기, 연결 장비 관련 등)

 

열전대 종류의 선택 기준

열전대는 넓은 온도 범위 측정이 가능하고 상대적으로 튼튼하기 때문에 산업계에서 매우 빈번히 사용됩니다. 다음의 기준은 열전대의 선택 시 기본적으로 확인해야 할 사항입니다.

- 온도 범위

- 열전대 또는 피복 물질의 내화학성

- 내마모성과 내진동성

- 설치 요구사항(기존의 장비와의 호환 필요성, 기존의 구멍이 탐침기의 구멍과 맞을지 여부)

 

열전대 반응 속도 - 시간 상수(time constant)란 무엇인가?

시간상수는 센서가 특정한 조건 하에서 온도 변화 단계의 63.2% 지점에 도달하는데 필요한 시간으로 규정됩니다. 센서가 100%의 변화수치에 도달하는데 다섯 가지의 시간상수가 필요합니다. 열전대의 접지와 직경에 따라 반응속도는 달라집니다. 노출 접점 열전대는 가장 빠른 반응을 제공합니다. 또한 일반적으로 직경이 작을수록 반응이 빨라집니다. 그러나 최대 온도는 낮아집니다. 직경 외에도 열전대의 금속 쌍을 감싸고 있는 피복이나 금속관 재질에 따라서도 온도 범위는 달라집니다. 열전대 와이어나 열전대 프로브의 경우, 구성 피복이나 금속과 같은 절연/보호 재질이 해당 열전대가 측정할 수 있는 온도 범위까지 견디지 못할 수는 경우도 많습니다. 특히 일반 플라스틱 수지(PVC, PFA 등)의 최대 사용 온도는 극 고온 범위를 감당할 수 없으므로, 고온 측정 시에는 이에 맞는 피복 재질을 선택해야 합니다.

 

열전대 접합 유형 - 접합(Junction) 이란 무엇인가?

금속관으로 보호 처리를 한 써모커플 프로브 타입의 경우, 써모커플과 시스(Sheath) 간 접점은 접지, 비접지 또는 노출 중 한가지 방식을 선택할 수 있습니다. 접지 Grounded Juction 형태 끝 부분에는 열전대 와이어가 물리적으로 시스에 용접되어 있어, 외부로부터 시스를 통하여 열전대 접합부까지 양호한 열 전달이 이루어집니다. 따라서 빠른 반응 시간을 제공하지만, 전기 접지 루프에 민감합니다. 비접지 Ungrounded Junction 형태의 경우 열전대 접합부는 시스로부터 떨어져 있습니다. 반응 시간은 접지형보다 느리지만 비접지형은 전기적 차폐 처리(Isolation)가 됩니다. 노출 Exposed Junction 형태는 열전대의 끝이 피복 벽면 밖으로 돌출되어 접합부가 노출됩니다. 따라서 부식성이 없는 환경에서 빠른 응답속도가 요구될 때 적합합니다.

 

형태에 따른 열전대 종류

 

비드 와이어 써모커플(Beaded Wire Thermocouple)

비드 와이어 써모커플은 가장 단순한 형태의 열전대 입니다. 두 금속선이 끝 쪽에서 용접된 비드 형태로 합쳐지기 때문에 비드 와이어 써모커플 이라고 합니다. 비드 와이어 써모커플은 대기 중이나 가스를 측정할 때 좋은 솔루션입니다. 매우 빠른 반응속도를 보이며, 가늘거나 협소한 공간에서 이상적입니다. 하지만 이 형태는 열전대 금속에 보호 장치가 되어 있지 않아 액체 환경에서 사용 시 금속이 부식될 수 있어 액체 투입 조건이나 습윤한 환경에서는 사용하지 않습니다. 또한 표면이 금속 재질이므로, 시스템의 전기적 부분과 마찰을 빚어 측정 시 오류나 문제가 발생할 수 있습니다.

써모커플 프로브(Thermocouple Probe)

써모커플 프로브는 금속관 내부에 위치한 열전대 와이어로 구성됩니다. 금속관 또는 금속 피복은 프로브의 시스 또는 쉬쓰(Sheath)라 불립니다. 보편적으로 시스 재질은 스테인리스 강과 인코넬이 사용됩니다. 인코넬은 스테인리스 강보다 더 높은 온도 범위를 지원하지만 스테인리스 강이 더 다양한 내화학성을 갖고 있어 용도에 따라 다른 재질이 이용됩니다. 1000도 이상의 고온 측정 시에는 Inconel®, OMEGACLAD™ 재질을, 2000도 이상의 극고온 측정 시에는 몰리데늄, 탄탈륨, 백금로듐과 같은 기타 특수 재질 프로브를 사용합니다. 극고온용은 당사의 XTA 시리즈를 참고하시기 바랍니다.

 

써모커플 프로브는 접지Ground, 비접지Unground 또는 노출Expose의 세 가지 접점 Junction 유형 중 한가지로 제공됩니다. (해당 접점 유형은 위의 ‘열전대 접합 유형’에서 언급하였습니다.)

표면용 써모커플 프로브

일반적인 온도센서로는 고체 표면의 온도를 측정하기 어렵습니다. 정확한 측정을 보장하기 위하여 센서의 전체 측정 영역이 표면에 접촉 해야하기 때문입니다. 견고한 센서로 단단한 표면에 작업해서는 어렵기 때문에, 표면 온도 측정용 열전대는 유연한 금속으로 만들어집니다. 접합부가 단단한 고체 표면에 최대한 접촉할 수 있도록 평평하고 얇게 형성 된 구조로 설계 됩니다. 표면에 부착할 수 있는 형태가 되거나, 손잡이가 있고 평평한 센서 헤드가 있는 프로브 타입으로 구성될 수도 있습니다. 사진과 같이 평평한 센서 헤드에 손잡이를 장착한 롤러식 형태는 움직이는 표면의 온도를 측정하는데 적합합니다.

무선 써모커플

온도 모니터링과 데이터 로깅을 위하여 열전대 온도센서와 스마트폰 또는 태블릿에 연결되는 블루투스 무선 송신기를 연결한 온도 트랜스미터 타입입니다. (해당 제품은 다른 온습도 센서와 사용할 수 있도록 여러 모델을 제공합니다.) 데이터는 블루투스 무선 기술을 통하여 스마트폰이나 태블릿에 앱을 설치하여 바로 데이터를 확인, 편집, 전송할 수 있습니다. 또한 앱을 통해 여러 대의 송신기와 페어링하고 이를 설정하는 것도 가능합니다.

 

열전대의 측정 온도 범위는 어떻게 결정되는 것입니까?

열전대의 정확도 및 온도 범위에 관하여 열전대 타입 별 온도범위와 컬러코드에서 확인하실 수 있습니다. 하지만 단순히 써모커플 타입이 온도 범위를 결정하는 것은 아닙니다. 열전대의 정확도와 온도 범위는 열전대 합금, 측정 대상 온도, 센서의 구조, 피복의 재료, 측정 대상 매개체, 매개체의 상태(액체, 고체 또는 기체) 그리고 써모커플 와이어 또는 프로브 직경과 같은 사양이 함께 적용되어 결정 됩니다. 다른 사양을 제외하고 재질로만 단순하게 예를 들어 보자면, K타입 열전대를PFA 피복의 와이어 타입으로 선택한다면 K 타입의 최고 온도는 약 1200도지만 와이어 표면의 성질 때문에 최고 온도는 약 250도로 제한됩니다.

접지형 프로브와 비접지형 프로브 중 어떤 타입을 선택해야 합니까?

온도 측정 환경과 연결 장비에 따라 달라집니다. 환경에 대해서는 써모커플 프로브에서 설명하였습니다. 접지에 대한 기준이 있을 수 있다면(비분리 입력을 가진 컨트롤러에도 해당하는) 비접지 프로브가 필요할 것입니다. 장치가 소형 미터계라면 언제나 접지형 프로브를 사용하여야 합니다.

열전대로 온도 측정 시 데이터 측정장비는 아무 멀티미터나 사용해도 됩니까?

열전대 기전력은 센서의 말단에서 측정장비 연결단으로 전달 됩니다. 따라서 열전대을 사용하는 온도 감지 장비는 감지부와 측정부의 온도를 모두 고려하여야 합니다. 대부분의 밀리볼트 미터계는 이러한 성능을 갖추지 못하거나, 밀리전압 측정치를 온도 수치로 전환하기 위한 비선형 조정 능력(Non-Linearity Scaling)을 가지고 있지 않습니다. 특정한 밀리전압 수치를 수정하고 감지 대상 온도를 계산하기 위하여 도표를 참조할 수도 있지만, 수정수치는 일반적으로 시간이 지날수록 불규칙적 해지기 때문에 지속적으로 재계산되어야 합니다. 측정 장비와 감지부의 온도에 있어서 작은 변화도 측정 오류를 야기할 수 있습니다. 그러므로 열전대 온도 측정 시에는 열전대 타입과 일치하는 입력을 갖는 열전대 용 데이터 로거와 같은 올바른 데이터 수집 장치를 사용하시는 것이 좋습니다.

열전대, RTD, 서미스터 그리고 적외선 온도센서 중 어떤 온도센서를 선택해야 합니까?

온도를 측정할 환경에 부합하는 센서 별 특성과 가격을 고려하여야 합니다. 온도센서 별 장점과 단점을 간단히 언급하겠습니다. 열전대는 일반적으로 가장 넓은 온도 범위에서 저비용으로 온도를 측정할 수 있으며 견고하지만, RTD와 서미스터만큼 정확하거나 안정적이지 않습니다. RTD는 안정적이고 상당히 넓은 온도 범위를 가지지만 열전대에 비해서 온도 범위가 제한적이고 비용도 저렴하지 않습니다. 측정을 위하여 전류를 사용하여야 하기 때문에 RTD는 자기가열로 인한 부정확성의 가능성이 있습니다. 써미스터는 RTD나 열전대보다 더 정확하지만 훨씬 더 제한된 온도 범위를 가집니다. 또한 자기가열의 문제가 있습니다. 적외선 온도센서는 나머지 세 제품보다 더 높은 온도를 측정할 수 있으며 측정 대상의 표면에 접촉하지 않아도 온도를 측정할 수 있지만 일반적으로 그렇게 정확하지 않으며 표면의 방사(좀 더 정확히 하자면 표면 방사율)에 민감합니다. 광섬유 케이블을 사용하면 직접적인 시야 내에 들어오지 않는 표면도 측정할 수 있습니다.

열전대 전압 대 온도 도표

열전대는 측정하는 온도와 상관관계를 가지는 전압 출력을 생성합니다. 아래의 표는 각 열전대 유형(J, K, T, E, N, R, S, B, C 타입) 사용 시 나타나는 전압 수치에 상응하는 온도 도표 입니다. 열전대의 온도 범위, 오차 한계 그리고 환경적 고려사항 또한 제공합니다.