열전대의 냉접점 보상에 대하여

열전대는 산업현장에서 제일 많이 사용하는 온도 측정용 센서 중 하나입니다

그러나 측정 원리나 구조상 필연적으로 오차가 발생하며 이를 보상해 주어야 측정점의 실제 온도를

알 수 있습니다

열전대에서 측정 오차가 왜 발생하는지 이를 해소하기 위한 방안에 대해 알아보고자 합니다

 

 

열전대는 왜 측정 오차가 발생하는가

열전대의 열기전력 크기는 두 종류의 금속선 양단에 걸리는 접속점의 온도차 함수이므로, 기준접점의 온도를 정확히 알고 있지 않다면 측온접점의 온도를 정확히 측정할 수 없게 됩니다.

따라서 기준접점의 온도를 일정히 유지하든가 온도변화에 의한 열기전력 변화를 보상해 주어야 합니다.

무슨 말인지 아래에서 자세히 설명해 보겠습니다.

 

 

▶ CJR은 Cold Junction Reference : "냉 접점 기준점" 또는 Cold J unction Resister : "냉 접점 보상 저항" 을 의미한다 ▶ CJC는 Cold Junction Compensation : "냉 접점 보상" 을 의미한다

 

 

 

■ 열전대는 끝이 연결된 서로 다른 금속으로 구성되어 있습니다.

■ 열전대의 접촉된 끝을 Junction (접합부)라고 부릅니다.

■ 접합부가 가열되면 두 개의 금속 사이로 전자가 흐릅니다.

이때 끝을 떼어 내어 즉, 두개의 금속을 분리하면 한쪽 끝은 양극(+) 또 다른 금속은 음극 (-)으로 됩니다. 즉 각 금속은 다른 극성으로 충전되는 것입니다(제에벡 효과)

■ 접합 부분과 개방된 부분 사이의 온도차가 크면 클수록 금속 위의 전하는 크게, 즉 두 금속간의 전위차가 커지게 되는 것입니다.

■ 접합 부분과 개방된 부분을 똑같은 온도로 열을 가하면 양쪽의 온도가 같아지고 두 금속의 온도차가 0℃가 됩니다.

 

 

 

■ 온도가 결정되는 열전대의 부분은 ⓐ 측정 접합부 (Hot Junction), ⓑ 기 준점(Cold Junction)으로 구분됩니다.

■ ⓐ 측정 접합부의 온도가 일정하다면(예를 들면 항상 100℃ 라면) 열전대 에 유기되는 전압은 ⓑ 기준점 온도에 따라 그 유기 전압의 크기가 좌우됩니다.

즉,  ⓑ 의 기준점 온도가 높으면(예를 들어 20 ℃ 라면) ⓐ측정 접 합부 온도와 ⓑ의 기준점 온도와의 차이는 (100℃ -20℃ =80 ℃ )가 되어 원래의 100 ℃ 보다 작아지고,  ⓑ의 기준점 온도가 0 ℃ 라면 ⓐ 와 ⓑ 의 온도차이는 (100℃ -0℃ =100℃)로서 측정 접합부 온도와 같은 100℃ 온도에 해당하는 크기의 전압이 유기됩니다.

만일 ⓑ의 온도가 -20℃라면 ⓐ 와 ⓑ 의 온도 차이는 (100 ℃ -(-20℃ )=120 ℃ )가 되어 ⓐ 의 접합부 온도보다 20℃ 가 높은 유기 전압을 발생시킬 것입니다.

■ 즉 열전대의 열 기전력(전압)은 ⓐ접합 부위 온도와 ⓑ기준점 온도의 차 이에 의한 온도에 해당하는 크기의 전압을 발생시키는 것입니다 (양단의 온 도차가 크면 클수록 유기되는 전압은 크다) 

 

 

 

열전대의 오차는 냉접점 보상으로

■ 정확한 접합 부위의 온도를 알려면 ⓑ기준점(Cold Junction)의 온도를 일정하게 즉 0 ℃로 교정하여 측정할 필요가 있으나 이는 현실적으로 어려우므로 ⓑ기준점의 온 도를 보상하여 주는 것으로 대신하는 것 이 CJR기능입니다.

■ 접합 부위의 온도가 100 ℃ 이고 기준의 온도가 20 ℃라면 열전쌍은 80℃ 에 해당하는 유기 전압을 발생할 것이고 여기에서 다시 20℃ 에 해 당하는 전압을 더하여 주면 100 ℃의 전압을 나타낼 수 있습니다.

이때 기준점의 온도를 검출하는 센서로서 측온저항체 (RTD) (RTD)를 이용하는데 이것을 온도의 변화에 따라 저항 값이 변하는 저항체로서 CJR CJR이라 부릅니다

 

 

 

 

정리를 해보면,

ⓐ온도:100℃ ⓑ온도: 20℃

여기에서 냉 접점 온도 보상에 대하여 조심하여야 할 것은 상기의 예에서 잘 나타난 것처럼 측정기로 측정을 하는 경우에 기준점 (Cold Junction)에서 정확한 온도 보상이 행해져야 하는 것입니다..

결국 기준점의 최종 연결 점(Junction)은 측정기의 연결 JACK이기 때문에 이점의 온도를 정확히 측정 보상하는 측정기일수록 측정 오차는 줄어듭니다.

열전대를 측정, 교정하기 위하여는 열전대용의 전문 교정기를 사용하는 것이 바람직하며, 현장 여건상 기존의 다기능 측정기(Multifunction Calibrator)를 사용하여 외부 CJR을 사용할 수밖에 없는 경우는 외부 CJR을 열전대와 이를 측정하는 측정기의 연결 JACK에JACK 최대한으로 밀착시켜 사용하지 않으면 측정 오차는 커집니다.

또 하나 염두에 두어야 할 점은 다기능 측정기는 전체적인 전기 신호를 측정하기 위하여 제작되었으므로 기능은 다양하나 전문적인 분야에서의 정확도, 분해능 등은 저하되므로 이를 감안 현장 여건에 맞는 측정 장비를 선정하는 것이 중요합니다.

특히 CJC (냉접점 온도 보상)에 소요되는 시간 확인도 측정기에서는 중요합니다.