열전대(Thermocouple)의 모든 것

산업현장에서는 온도, 압력, 유량 등 물질의 양과 정도를 측정하기 위해 수 많은 Sensor를

설치하여 사용하고 있습니다

그중에서 온도를 측정하는 Sensor중 많이 사용하는 열전대에 대해 설명하고자 합니다

 

 

1. 열전대의 원리 및 정의
열전대는 비교적 싸고,  정확하며,  원격전송지시가 가능한 장점이 있어 널리 사용하고 있습니다.
서로 종류가 다른 2개의 금속도체 양단을 전기적으로 접속시키고 이 양단에 온도차를 주면 회로 중에 전류 흐릅니다(Zee back효과). 이와 같이 한쪽(기준접점)의 온도를 일정온도로(원칙적으로 0℃) 유지하고 열기전력(mV) 수치를 측정함으로써 다른 끝단(측온접점)의 온도를 알 수 있습니다.

따라서 기준 접점온도를 일정하게 유지하면 이 기전력에 의해 측온접점의 온도를 알 수 가 있으며 이때의 금속선을 열전대라고 합니다.

열전대 원리

 

2. 열전대의 특징

 ○ 응답이 빠르고 시간지연(Time lag)에 의한 오차가 비교적 적습니다

 ○ 적합한 열전대를 선택하면 다양하고 고온의(0℃~ 2500℃ ) 범위에서 측정이 가능합니다

 ○ 열기전력을 이용하므로 지시, 조절, 증폭, 제조, 변환 등의 정보처리가 용이합니다

 ○ 고온에도 기계적 강도가 높고 내식성이 강하며,안전성이 높습니다

 ○ 설치위치가 자유롭고 좁은 장소에서도 온도측정이 가능합니다

 ○ 여러가지 금속재질을 사용하여 튼튼하게 만들 수 있습니다

 ○ 물리적 크기가 작으며 가격도 비싸지 않아 초기 투자비가 낮출수 있습니다

 

 

3. 열전대 보호관

 열전대는 온도검출단이 측정개소의 여건에 따라  물리적, 화학적 영향을 받지 않도록 보호해야 합니다

 이러한 목적으로 금속으로 온도 검출단을 보호하는 보호관이 필요합니다. 장기적으로 안전하게 사용하기 위해서는

 다음 조건을 충분히 고려하여 선택해야 합니다

  ○ 내압성 및 기밀성이 좋아야 한다

  ○ 진동,충격 등에 대하여 기계적 안정성이 있어야한다

  ○ 열 충격이나 열 저항에 충분히 강하여야 한다

  ○ 측온분위기에 대하여 화학적 안정성 및 내식성이 좋아야 한다

 

열전대 외형 및 구조

 

4. Sheath  열전대

열전대는 Sheath  열전대를 주로 쓰는데 열전대와 보호관이 하나로 되어있는 것으로 보호관 속에 마그네슘 옥사이드(MgO), 알루미늄 옥사이드(Al2O3 )의 분말이 들어있고, 전체를 아주 가늘게 한 열전대입니다

Sheath  열전대는 그 구조부터 진동에 견디는 힘이 크기 때문에 아주 작은 측정물에도 쉽게 집어 넣을 수가 있고 

유연성이 있어서 구부려서 사용할 수가 있는 등의 장점이 있습니다  

 

Sheath  열전대

 

5. 열전대의 종류 및 특성

열전대는 아래 표처럼 다양한 종류와 특성이 있으며 현장의 특성에 맞게 선택해 사용하고 있습니다

실제 산업현장에서는 E-Type과 K-Type을 주로 많이 사용하고 있습니다

종 류	구성재료 및 종류특징	규격	명칭	온도 분포	보상도선
B-TYPE	열전대는 +쪽에 RH 30%를 포함한 백금 RH과 -쪽에 RH 6%를 포함한 백금 RH합금을 사용한 열전대이다. 백금에 RH의 함유량을 증가함에 따라 융점 및 기계적인 강도가 상승하고 또 순백금(pt)의 사용중에 생기는 +쪽으로부터 -쪽으로의 (RH)확산에 의한 열기전력의 특성의 열화를 방지하는 것을 목적으로 한 열전대이다. 또 중성분위기 중에서의 연속 사용이 가능하고 환원성 분위기 중에서도 보통의 R열전대에 비하여 수명이 길다. 이 열전대는 R.S열전대에 비하여 고온에서 사용되는 반면 저온에서는 열기전력이 극히 작기 때문에 정도는 떨어진다. 특히 고온에 있어서 정밀 측정과 내구성이 요구되는 경우 이 열전대를 권장한다.	JIS	(RP)	0∼1700℃	회
S-TYPE	S열전대는 +쪽에 Pt, Rh(10%) 합금과 -쪽에 순 Pt를 사용한 열전대이다.1886년에 르.자트리에 의해서 개발된 열전대이며 역사적인 경위로 IPTS(국제실용온도)에서는 안티몬의 용응정(630.74℃)으로부터 금의 용융점(1064.43℃)까지의 온도 표준으로 사용되며, 1981년의 KS개정에 의하여 KS화 되었다. 사용할 때에는 R열전대와 같은 주의가 필요하다.	JIS		0∼1600℃	흑
R-TYPE	R 열전대 +쪽에 Pt, Rh(13%)합금과 -쪽에 순 Pt를 사용한 열전대로서 극히 고순도 백금(99.999-99.9999%)의 귀금속을 사용하고 있기 때문에 KS규격에 의한 0.25%의 오차를 충분히 만족시키는 고정도를 갖고 있다. 이 열전대를 진공중 및 환원성 분위기중, 금속증기, 분위기 중에서 직접 사용하는 것을 피한다. 사용은 다음 사항에 충분한 배려를 필요로 한다.보호관 및 전열관에는 철함유량이 낮은 고순도 알루미나 재질을 사용하여야 한다. 또 열전대 자체의 취급에도 주의를 요하며 손의 땀이나 기름으로 오손되지 않도록 알코올, 벤젠 등으로 오염을 제거하는 것이 중요하다.	JIS		600∼1600℃	흑
K-TYPE	K 열전대는 +쪽에 Cr을 약 10% 포함한 Ni-Cr합금(chromel)과 -쪽에 Al, Mn을 조금 포함한 Ni합금(Alumel)을 사용한 열전대이다. 미국 호스킨스사에서 1906년 A.L. Marsh 에 의해서 개발되었고 그 후 개량을 더하여 현재 공업용의 열전대로서 가장 넓게 사용되며 신뢰성이 높다.이 열전대는 고온(약1200)까지 사용이 가능하고 기전력특성의 직선성이 양호하며 비교적 내열, 내식성이 높은 것이 특징이다. 또 금속증기 공기중 및 O2, N2, Co2 가스(gas)중에서 기전력은 안정되어 있다. 그러나 환원성(H2, Co)가스 중 또 산소분압이 낮은 조건에 대해서는 크로멜(chromel)선의 열화 "Green Rot"라 불리는 Cr선택 산화현상이 생겨 이 때문에 기전력 치가 크게 저하하여 큰 오차가 생기는 경우가 있으므로 사용할 때에는 충분한 배려가 필요하다.	JIS	CA	-200∼1370℃	청
E-TYPE	E 열전대(chromel-Constantan)는 +쪽에 K 열전대와 같은 Ni-Cr합금(chromel)과 -쪽에 Cu-Ni합금(Constantan)을 사용한 열전대이다. 공업용 열전대로서는 기전력 특성이 가장 높은 것이 특징이다. 우리나라에서도 수요가 급속히 증대하고 대형화력 원자력 발전 등에서 채용되고 있다. 사용할 때에는 K 전열대와 같은 배려가 필요하다. 또 현재 사용되고 있는 열전대 중에서는 전기저항이 가장 높기 때문에 사용계기의 선택에는 충분한 주의가 필요하다.	JIS	CRC	-200∼ 800℃	자
J-TYPE	J 열전대(Iron-Constantan)는 +쪽에 순철(Fe)과 -쪽에 Cu-Ni합금(Constantan)을 사용한 열전대이다. J 열전대는 환원성 분위기 중에서의 사용에 적절하고 기전력 특성이 E 열전대에 이어서 높은 것이 특징이다. 또 비교적 값이 싸기 때문에 손쉽게 측정을 할 경우에 편리한 열전대이다. 그러나 수분을 포함한 산화분위기 중에서는 산화가 심하므로 사용할 때에는 충분한 주의가 필요하다.	JIS	IC	-200∼750℃	황
T-TYPE	이 열전대는 +쪽에 순동(Cu)과 -쪽에 Cu-Ni합금(constantan) 을 사용한 열전대이다. T열전대는 비교적 저온(-200-300 ℃)에 사용되고 약산화 분위기 또는 환원분위기 중에서의 사용에 적당하다. 기전력은 안정되어 정도가 높고 또 취급이 간단하므로 실험실 등에서 많이 사용되고 있다. 또한, 각종 열전대 E, J, T 어느쪽도 -쪽에 Cu-Ni합금(constantan) 을 사용하고 있다. 그러나 호칭이 같아도 각각 +쪽의 종류에 따라 Cu-Ni합금(constantan)의 배합비를 변화시켜 열기전력 특성을 조정하고 있다. 따라서 이들 열전대 소선의 -쪽과의 호환성은 없으므로 주의해야 한다	JIS	CC	-200∼400℃	차
주의) 각종 열전대 E, J, T 어느쪽도 -쪽에 Cu-Ni합금(Constantan)을 사용하고 있다. 그러나 호칭이 같아도 각각 +쪽의 종류에 따라 Cu-Ni합금(Constantan)의 배합비를 변화시켜 열기전력 특성을 조정하고 있다. 따라서 이들 열전대 소선의 -쪽과의 호환성은 없으므로 주의해야 한다.