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열전대

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목차

1. 개요

열전대는 서로 다른 두 금속을 접합하여 온도차에 의해 기전력이 발생하는 제베크 효과를 이용한 온도 측정 장치이다. 열기전력을 이용하여 온도를 측정하며, 금속선의 종류와 두 접점의 온도에 따라 열기전력이 달라진다. 측온접점과 기준접점으로 구성되며, 측온접점의 온도를 측정하여 온도를 알 수 있다. 열전대는 다양한 규격에 따라 여러 종류가 있으며, 측정 범위, 안정성, 감도 등을 고려하여 선택한다. 공업, 가스 기기, 철강, 원자력 등 다양한 분야에서 활용되며, 고온, 저온, 진공 환경 등 다양한 환경에서 사용된다. 열전대는 장점과 단점을 가지고 있으며, 노화, 균질성 저하 등의 문제에 유의해야 한다.

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열전대
개요
열전쌍의 개략도
열전쌍의 개략도
작동 원리열전 효과
측정 대상온도
기본 원리
작동 방식두 종류의 금속을 접합하여 두 접점 사이의 온도차에 의해 발생하는 제베크 효과를 이용
접점측정 접점 (온도 측정 대상에 위치)
기준 접점 (알려진 온도에 위치)
전압 측정두 접점 사이의 전압 차이로 온도 측정
특징
장점넓은 온도 범위 측정 가능
견고하고 내구성이 높음
비교적 저렴한 가격
단점정밀도가 낮은 편
기준 접점 보상 필요
비선형적인 특성
유형
종류E형
J형
K형
N형
T형
B형
R형
S형
구성 금속각 형식마다 다른 금속 조합 사용
온도 범위와 환경 조건에 따라 선택
열전쌍 표준 규격IEC 584-2(1982)+A1(1989)
사용 분야
활용 분야산업 현장
연구실
가정용 기기
자동차
항공 우주 분야
응용 예시보일러 온도 측정
화학 반응기 온도 측정
열처리로 온도 측정
자동차 엔진 온도 측정
우주선 온도 측정
기타 정보
제조사八光電機

2. 원리

서로 다른 두 종류의 금속선을 접속하여 두 접점의 온도가 다르면 기전력(起電力)이 발생하여 회로에 전류가 흐른다. 이 기전력을 열기전력(熱起電力)이라 부르며, 이 현상을 이용하기 위해 사용하는 두 종류의 금속선을 열전대(熱電對)라고 한다.

열전대의 열기전력은 두 금속선의 종류와 두 접점의 온도에 따라 달라지며, 금속선의 굵기, 길이나 두 접점 이외의 온도에는 영향을 받지 않는다. 따라서 한쪽 접점을 일정한 온도로 유지하면 열기전력은 다른 접점의 온도만으로 정해진다. 이러한 성질을 이용하여 온도와 열기전력과의 관계를 미리 알아두면 온도를 측정할 수 있다.

온도 측정에 사용하는 열전대의 접점을 측온접점(測溫接點), 다른 접점을 기준접점(基準接點) 또는 냉접점(冷接點)이라고 한다. 실제 측정에서는 열전대를 측정 회로에 연결하고 전압계로 열기전력을 측정하여 측온접점의 온도를 알아낸다. 흔히 백금-로듐(PR열전대)과 구리-콘스탄탄(CC열전대) 등이 사용되며, 적절한 열전대를 사용하면 -200∼1,400°C 범위의 온도 측정이 가능하다.

1821년 독일의 물리학자 토마스 제베크(Thomas Johann Seebeck)는 서로 다른 두 금속으로 이루어진 회로 근처에 자석 바늘을 놓고, 한쪽 접합부를 가열했을 때 자석 바늘이 움직이는 것을 발견했다. 당시 제베크는 이 현상을 열자기(thermo-magnetism)라고 불렀으나, 이후 열전류 때문이라는 것이 밝혀졌다.

2. 1. 제베크 효과

서로 다른 두 종류의 금속선 양 끝을 서로 연결하여 회로를 만들고, 두 접점 사이에 온도차를 주면 기전력(전압)이 발생한다. 이 현상은 1821년 독일의 물리학자 토마스 제베크(Thomas Seebeck)에 의해 발견되어 제베크 효과라고 불린다.[39]

접점 한쪽 끝(냉접점)의 온도를 알고 있다면, 제베크 효과에 의한 기전력의 전압을 측정하고 기전력표와 비교하여 다른 쪽 끝(열접점)의 온도를 알 수 있다.[39] 냉접점 온도는 물의 어는점을 이용하거나 기기 내부의 온도 측정 시스템으로 알 수 있다. 참고로, 냉접점은 기준이 되는 온도이며, 열접점은 측정 대상에 접한 쪽의 접점이다. 따라서 저온의 측정 대상물의 경우 등, 실제 측정에서는 냉접점 쪽의 온도가 열접점 쪽의 온도보다 높을 수도 있다.

제벡 효과는 전기 전도성 물질의 두 지점 사이에 온도 차이가 있을 때, 두 지점 사이에 기전력이 발생하는 현상을 말한다. 내부 전류 흐름이 없는 개방 회로 조건에서 전압 기울기(\scriptstyle \boldsymbol \nabla V)는 온도 기울기(\scriptstyle \boldsymbol \nabla T)에 정비례한다.

:\boldsymbol \nabla V = -S(T) \boldsymbol \nabla T,

여기서 S(T)는 온도에 따라 변하는 물질 특성으로 제벡 계수로 알려져 있다.

표준 열전대 측정 구성의 K형 열전대(크로멜–알루멜). 측정된 전압 \scriptstyle V는 온도 \scriptstyle T_\mathrm{ref}가 알려져 있다면 온도 \scriptstyle T_\mathrm{sense}를 계산하는 데 사용될 수 있습니다.


표준 측정 구성은 네 개의 온도 영역과 따라서 네 개의 전압 기여를 보여준다.

# 아래쪽 구리선에서 \scriptstyle T_\mathrm{meter}에서 \scriptstyle T_\mathrm{ref}로의 변화.

# 알멜선에서 \scriptstyle T_\mathrm{ref}에서 \scriptstyle T_\mathrm{sense}로의 변화.

# 크로멜선에서 \scriptstyle T_\mathrm{sense}에서 \scriptstyle T_\mathrm{ref}로의 변화.

# 위쪽 구리선에서 \scriptstyle T_\mathrm{ref}에서 \scriptstyle T_\mathrm{meter}로의 변화.

첫 번째와 네 번째 기여는 이 영역들이 동일한 온도 변화와 동일한 재료를 포함하기 때문에 정확하게 상쇄된다. 결과적으로 \scriptstyle T_\mathrm{meter}는 측정된 전압에 영향을 미치지 않는다. 두 번째와 세 번째 기여는 서로 다른 재료를 포함하기 때문에 상쇄되지 않는다.

측정된 전압은 다음과 같다.

:V = \int_{T_\mathrm{ref}}^{T_\mathrm{sense}} \left( S_{+}(T) - S_{-}(T) \right) \, dT,

여기서 \scriptstyle S_{+}와 \scriptstyle S_{-}는 각각 전압계의 양극과 음극에 연결된 도체의 제벡 계수이다(그림에서 크로멜과 알멜).

2. 2. 열전대 법칙

열전대(熱電對)는 두 가지 다른 금속선을 접속하여 만든 것으로, 두 접점의 온도가 다르면 기전력(起電力)이 발생하여 회로에 전류가 흐르는 원리를 이용한다. 이때 발생하는 기전력을 열기전력(熱起電力)이라고 한다.

열전대의 열기전력은 열전대를 구성하는 두 금속선의 종류와 두 접점의 온도에 따라 달라지며, 금속선의 굵기나 길, 두 접점 이외의 온도에는 영향을 받지 않는다. 따라서 한쪽 접점을 일정한 온도로 유지하면 열기전력은 다른 접점의 온도에 의해서만 결정된다. 이러한 특성을 이용하여 온도와 열기전력 간의 관계를 미리 파악해두면 온도를 측정할 수 있다.

온도 측정에 사용되는 열전대의 접점을 측온접점(測溫接點), 다른 접점을 기준접점(基準接點)이라고 한다. 기준접점은 일정한 기준 온도로 유지되며, 일반적으로 측온접점의 온도가 기준접점의 온도보다 높기 때문에 냉접점(冷接點)이라고도 부른다.

실제 온도 측정에서는 측정 회로에 열전대를 접속하고 전압계로 열기전력을 측정하여 측온접점의 온도를 알아낸다. 흔히 사용되는 열전대는 백금-로듐(PR열전대)과 구리-콘스탄탄(CC열전대) 등이다. 적절한 열전대를 사용하면 -200∼1,400°C 범위의 온도 측정이 가능하므로, 공업 분야에서 온도 계측에 널리 사용된다.

열전대에는 다음과 같은 법칙이 있다.

  • 이중 금속의 법칙(Law of homogeneous metals영어): 열전 효과를 일으키려면 열전대를 구성하는 금속이 서로 다른 재질이어야 한다. 동일 금속으로 구성되면 열전 효과가 발생하지 않는다.
  • 중간 금속의 법칙(Law of intermediate metals영어): 열전대를 구성하는 두 금속의 한쪽 접점은 서로 접해 있고, 반대편 접점은 제3의 금속과 연결되어 있을 때, 두 접점이 같은 온도라면 기전력이 발생하지 않는다. '제3 금속의 법칙'이라고도 한다.


제벡 효과는 열전대 현상을 설명하는 중요한 원리이다.

2. 3. 기준 접점

두 가지의 각각 다른 금속선을 접속했을 때 두 개의 접점 온도가 다르면 기전력(起電力)이 생겨서 회로(回路)에 전류가 흐른다. 이 기전력을 열기전력(熱起電力)이라 부르고, 이 열기전력을 이용하기 위해서 사용하는 두 가지의 금속선을 열전대(熱電對)라고 한다.

열전대의 열기전력은 열전대를 구성하는 2종의 금속선의 종류와 두 접점의 온도에 의해서 달라지며, 금속선의 굵기·길이나 두 접점 이외의 온도에는 영향받지 않는다. 따라서 한쪽의 접점을 일정한 온도로 유지하면 열기전력은 다른 접점의 온도만으로 정해진다. 그러므로 그 온도와 열기전력과의 관계를 미리 알아둠으로써 온도를 측정할 수 있다.

온도 측정에 사용하는 열전대의 접점을 측온접점(測溫接點)이라고 하며, 다른 접점은 일정한 기준온도로 유지하기 때문에 기준접점(基準接點)이라고 한다. 일반적으로 측온접점의 온도가 기준접점의 온도보다 높으므로 기준접점을 가리켜 냉접점(冷接點)이라고도 한다.

실제의 온도 측정에서는 측정 회로에 열전대를 접속해서 전압계로써 열기전력을 측정하여 측온접점의 온도를 알아보는 것이다.

이 경우 S1, S2가 기준접점이 되며, 이 두 접점은 기준 온도로 유지되어야 한다. 흔히 사용되는 열전대(熱電帶)는 백금로듐(白金Rh)과 백금(PR열전대), 구리와 콘스탄탄(CC열전대) 등이다. 알맞는 열전대를 사용하면 －200∼1,400°C 범위의 온도 측정이 가능하므로 공업상의 온도 계측에 널리 쓰고 있다.

Fluke CNX t3000 온도계 내부의 기준 접점 블록. 두 개의 흰색 와이어는 써미스터(흰색 열 화합물에 내장됨)에 연결되어 기준 접점의 온도를 측정합니다.


\scriptstyle T_\mathrm{sense}의 원하는 측정값을 얻으려면 \scriptstyle V만 측정하는 것으로는 충분하지 않다. 기준 접점의 온도 \scriptstyle T_\mathrm{ref}도 알아야 한다. 여기에는 두 가지 전략이 자주 사용된다.

  • 얼음 중탕: 기준 접점 블록은 대기압에서 증류수의 반쯤 언 상태의 중탕에 담가 알려진 온도로 유지된다. 녹는점 상전이의 정확한 온도는 자연적인 온도조절장치 역할을 하여 \scriptstyle T_\mathrm{ref}를 0°C로 고정한다.
  • 기준 접점 센서: 기준 접점 블록의 온도 변화가 허용되지만, 별도의 온도 센서를 사용하여 이 블록의 온도를 측정한다. 이러한 보조 측정은 접점 블록의 온도 변화를 보상하는 데 사용된다. 열전대 접점은 종종 극한 환경에 노출되는 반면, 기준 접점은 종종 계기의 위치 근처에 장착된다. 반도체 온도계 장치는 최신 열전대 계기에 자주 사용된다.


두 경우 모두 \scriptstyle V + E(T_\mathrm{ref}) 값을 계산한 다음, \scriptstyle E(T) 함수를 찾아서 일치하는 값을 찾는다. 이 일치가 발생하는 인수가 \scriptstyle T_\mathrm{sense}의 값이다.

:E(T_\mathrm{sense}) = V + E(T_\mathrm{ref}).

서로 다른 두 종류의 금속선 양 끝을 서로 연결하여 회로를 만들고, 두 접점 사이에 온도차를 주면 기전력(전압)이 발생한다. 이 현상은 1821년 독일의 물리학자 토마스 제베크(Thomas Seebeck)에 의해 발견되어 제베크 효과라고 불린다.[39]

접점 한쪽 끝(냉접점)의 온도를 알고 있다면, 제베크 효과에 의한 기전력의 전압을 측정하고 기전력표와 비교하여 다른 쪽 끝(열접점)의 온도를 알 수 있다.[39] 냉접점 온도는 물의 어는점을 이용하거나 기기 내부의 온도 측정 시스템으로 알 수 있다. 참고로, 냉접점은 기준이 되는 온도이며, 열접점은 측정 대상에 접한 쪽의 접점이다. 따라서 저온의 측정 대상물의 경우 등, 실제 측정에서는 냉접점 쪽의 온도가 열접점 쪽의 온도보다 높을 수도 있다.

3. 구조 및 종류

열전대는 두 가지 서로 다른 금속선을 접속하여 만들며, 두 접점의 온도 차이에 의해 발생하는 열기전력을 이용해 온도를 측정한다. 열기전력은 금속선의 종류와 두 접점의 온도에 따라 달라지며, 굵기나 길이에 영향을 받지 않는다. 따라서 한쪽 접점(기준접점, 냉접점)을 일정한 온도로 유지하면 다른 접점(측온접점)의 온도에 따라 열기전력이 결정되므로, 이를 통해 온도를 측정할 수 있다.

열전대는 고온 및 극저온 영역에서도 사용 가능하지만[44], 금속 조합에 따라 안정성, 기전력 크기, 선형 특성 등이 다르다. 따라서 IEC, JIS, ANSI 등의 규격에 따라 종류가 정해져 있다[38]. 사용하는 금속은 측정 범위, 정도, 비용 등을 고려하여 선택한다.


  • 귀금속 열전대: 소재 안정성은 우수하지만 열기전력이 낮아 저온~중고온 측정에는 부적합하며, 금속의 용융 온도와 같은 고온 측정에 적합하다. 가격이 비싸므로 감온부에만 귀금속을 사용하고, 배선에는 열전능이 유사한 저렴한 합금선(보상 도선)을 사용한다.
  • 비금속 열전대: 특성이 다양하고 가격이 저렴하여 보상 도선까지 같은 금속을 사용할 수 있지만, 소재 안정성이 낮아 산화, 환원 등의 영향을 고려해야 한다.


보상 도선 접속에는 같은 소재의 커넥터를 사용하며, 계측기 온도가 균일하고 온도 변화가 적은 기기 내부까지 배선해야 한다. 보상 도선 규격은 JIS C 1610에 규정되어 있다.

열전대의 측온 부분은 온도 측정 요구에 따라 접촉식, 비접촉식으로 사용하며, 가는 열전대를 보호하기 위해 "열전대 보호관"을 사용하기도 한다. 보호관에는 금속(구리, 스테인리스 등)이나 비금속(경질유리, 고순도알루미나 등)이 사용된다. 금속 보호관에 산화마그네슘 등으로 충전한 구조는 "시스 열전대"라고 불리며, 유통량이 많고 규격화되어 있다. 가장 가는 것은 직경 0.25mm 정도이다.

일반적인 열전대는 측정에 수 초가 걸리지만, 극세/박막 가공을 통해 100밀리초 단위의 빠른 변화 및 미소 대상물 측정이 가능하다. 최근에는 MEMS 기술로 미소 열전대를 집적한 2차원 비냉각 적외선 화상소자도 개발되고 있다[40][41].

열전대 구조

3. 1. 구조

열전대는 마이크로볼트 크기의 작은 신호를 생성한다. 이 신호를 정확하게 측정하려면 낮은 입력 오프셋 전압을 갖는 증폭기가 필요하며, 계기 자체 내의 자체 발열로 인한 열 기전력을 피하기 위해 주의해야 한다.[4] 열전대 와이어의 저항이 높은 경우(접합부의 접촉 불량 또는 빠른 열 반응을 위해 사용되는 매우 얇은 와이어) 측정된 전압의 오프셋을 방지하기 위해 측정 장비는 높은 입력 임피던스를 가져야 한다. 열전대 계측의 유용한 기능은 저항을 동시에 측정하고 배선 또는 열전대 접합부의 결함이 있는 연결을 감지하는 것이다.

일반적인 저가형 K형 열전대(표준 K형 커넥터 포함). 와이어는 고온에서도 작동하지만, 플라스틱 절연체는 에서부터 분해되기 시작한다.


열전대를 구성하는 와이어는 감지 접점을 제외하고는 모든 부분에서 서로 절연되어야 한다. 와이어 사이의 추가적인 전기적 접촉 또는 다른 도전성 물체와의 접촉은 전압을 변경하여 잘못된 온도 값을 나타낼 수 있다.

플라스틱은 열전대의 저온 부분에 적합한 절연체인 반면, 세라믹 절연체는 약 1000°C까지 사용할 수 있다. 마모 및 내화학성과 같은 다른 요소도 재료의 적합성에 영향을 미친다. 와이어 절연체가 부서지면 원하는 감지 지점과 다른 위치에서 의도치 않은 전기적 접촉이 발생할 수 있다. 손상된 열전대를 온도조절기 또는 기타 온도 제어기의 폐쇄 루프 제어에 사용하는 경우, 잘못된 온도 값은 일반적으로 감지 접점 온도보다 낮기 때문에 과열 사고가 발생하여 심각한 손상을 초래할 수 있다. 절연이 손상되면 탈기되어 공정 오염으로 이어질 수 있다. 매우 높은 온도 또는 오염에 민감한 응용 분야에서 사용되는 열전대 부분에는 진공 또는 불활성 기체만 적합한 절연체일 수 있다. 열전대 와이어의 기계적 강성을 사용하여 와이어를 분리한다.

단열재 종류최대 연속 온도최대 단일 측정 온도내마모성내습성내화학성
운모-유리 테이프649°C705°C양호보통양호
PTFE 테이프, PTFE-유리 테이프649°C705°C양호보통양호
석영 유리 꼬임871°C1093°C보통불량불량
이중 유리 꼬임482°C538°C양호양호양호
에나멜-유리 꼬임482°C538°C보통양호양호
이중 유리 감김482°C427°C보통양호양호
비함침 유리 꼬임482°C427°C불량불량보통
얇게 깎은 PTFE 테이프, PTFE-유리 꼬임482°C538°C양호우수우수
이중 면 꼬임88°C120°C양호양호불량
바인더가 있는 "S" 유리704°C871°C보통보통양호
넥스텔 세라믹 섬유1204°C1427°C보통보통보통
폴리비닐/나일론105°C120°C우수우수양호
폴리비닐105°C105°C양호우수양호
나일론150°C130°C우수양호양호
PVC105°C105°C양호우수양호
FEP204°C260°C우수우수우수
감싸고 융합한 PTFE260°C316°C양호우수우수
캡톤(Kapton)316°C427°C우수우수우수
테프젤(Tefzel)150°C200°C우수우수우수
PFA260°C290°C우수우수우수
T300*300°C–양호우수우수



전체 열전대 구성 케이블의 구성에 따라 단열재의 온도 등급이 달라질 수 있다.

참고: T300은 최근 UL에서 300°C 작동 온도에 대해 승인된 새로운 고온 재료이다.

열전대는 고온 영역이나 극저온 영역에서도 사용되지만[44], 접합하는 각 금속마다 특성이 다양하기 때문에 안정성, 기전력의 크기, 기전력의 선형 특성 등이 다르다. 이 때문에 열전대의 종류 등은 IEC, JIS, ANSI 등 규격에 따라 정해져 있다[38].

금속 보호관에 산화마그네슘이나 실리카 분말로 충전한 구조의 것을 “시스 열전대”라고 하며 유통량이 많다. 두께와 형상, 보호관 재질은 규격화되어 있으며, 가장 가는 것은 직경 0.25mm 정도의 것까지 있다.

일반적인 열전대는 측정에 수 초의 시간이 걸렸지만, 극세 또는 박막으로 가공함으로써 100밀리초 단위의 빠른 온도 변화와 미소 대상물도 측정할 수 있게 되었다.

3. 2. 종류

열전대는 서로 다른 두 종류의 금속선을 연결하여 만든 것으로, 두 접점의 온도 차이에 의해 발생하는 열기전력을 이용하여 온도를 측정하는 데 사용된다. 열전대의 종류는 구성 금속의 조합에 따라 다양하며, 각 종류마다 측정 가능한 온도 범위, 감도, 안정성 등이 다르다.
표준 열전대 유형산업 표준으로 널리 사용되는 열전대 조합은 다음과 같다. (양극을 먼저, 음극을 나중에 나열)

  • E형 (크로멜-콘스탄탄): 높은 출력(68 μV/°C)을 가지며, 극저온 환경에 적합하다. 비자성이다. 측정 범위는 -270°C ~ 740°C이다.

  • J형 (철-콘스탄탄): K형보다 측정 가능 온도 범위가 좁지만(-40°C ~ 750°C), 더 높은 감도(약 50 μV/°C)를 갖는다.[2] 철의 퀴리 온도(770°C)는 특성의 부드러운 변화를 야기하여 상한 온도를 결정한다.[9]

  • K형 (크로멜-알루멜): 가장 일반적인 다용도 열전대로, 약 41 μV/°C의 감도를 가진다.[14] 저렴하고, -200°C ~ 1350°C 범위에서 사용 가능하다. 단, 구성 금속 중 하나인 니켈은 자성을 띠므로, 퀴리점(약 185°C)에서 출력 편차가 발생할 수 있다. 산화성 분위기에서는 잘 작동하지만, 환원성 분위기에서는 "녹청(green rot)" 현상이 발생할 수 있다.

  • N형 (니크로실-니실): 안정성과 내산화성이 우수하여 -270°C ~ 1300°C 범위에서 사용하기에 적합하다. 감도는 900°C에서 약 39 μV/°C이다. K형 열전대의 열전 불안정성 문제를 극복하도록 설계되었다.[17]

  • T형 (구리-콘스탄탄): -200°C ~ 350°C 범위의 측정에 적합하며, 미분 측정에 자주 사용된다. 감도는 약 43 μV/°C이다.

  • B, R, S형 (백금 또는 백금/로듐 합금): 가장 안정적인 열전대 중 하나이지만, 감도가 낮다(약 10 μV/°C). 고가이므로 일반적으로 고온 측정에만 사용된다.
  • B형: 최대 1800°C까지 사용 가능하며, 0°C와 42°C에서 동일한 출력을 생성하여 50°C 미만에서는 사용이 제한된다.
  • R형: 0°C ~ 1600°C의 온도 측정에 사용된다.
  • S형: R형과 유사하며 1600°C까지 사용된다. 1990년 국제온도눈금(ITS-90) 이전에는 표준 온도계로 사용되었다.[21]

  • 텅스텐/레늄 열전대 (C, D, G형): 극고온 측정(최대 2315°C, C형 기준)에 적합하며, 진공로 등에서 사용된다.

  • 기타: 저온용(크로멜-금/철 합금), P형(Platinel II), 백금/몰리브덴 합금, 이리듐/로듐 합금, 순수 귀금속(금-백금, 백금-팔라듐) 등 다양한 종류의 열전대가 특수 용도로 사용된다.

열전대 종류별 특성 비교표

기호+극 (다리)−극 (다리)사용 온도 범위(℃)특징
K크로멜†알멜†-200°C 〜 1000°C열기전력의 직선성이 좋다. 가장 유통량이 많다.
E크로멜†콘스탄탄-200°C 〜 700°C열기전력이 가장 크다. 유통량이 적다.
J철콘스탄탄0°C 〜 600°CE 열전대에 이어 기전력이 크다. 녹슬기 쉽다.
T구리콘스탄탄-200°C 〜 300°C저온 측정에 적합하다. 열전도 오차가 크다.
N나이클로실나이실-200°C 〜 1200°C넓은 온도 범위에 걸쳐 열기전력이 안정적이다.
R백금로듐 합금(로듐 13%)백금0°C 〜 1400°C변동이나 열화가 적다. 열기전력이 낮고 고온 측정에 적합하다.
S백금로듐 합금(로듐 10%)백금0°C 〜 1400°C변동이나 열화가 적다. 열기전력이 낮고 고온 측정에 적합하다.
B백금로듐 합금(로듐 30%)백금로듐 합금(로듐 6%)0°C 〜 1800°C열기전력이 매우 낮고, JIS 규격품 중 가장 고온 측정에 적합하다.
W/Re5-26텅스텐레늄 합금(레늄 5%)텅스텐레늄 합금(레늄 26%)0°C 〜 2480°C최고온 대응. 환원 분위기에서만 사용 가능(JIS 규격 외)
IrRh이리듐이리듐로듐 합금(로듐 40%)1100°C 〜 2000°C고온에서 사용. 산화 분위기에서도 사용 가능(JIS 규격 외)
CrAu니크롬금철 합금(철 0.07%)1〜300K저온용(JIS 규격 외)
CuAu구리금코발트 합금(코발트 2.11%)4〜100K극저온용(JIS 규격 외)



† 등록상표
보상 도선귀금속 열전대는 가격이 비싸기 때문에, 감온부에만 귀금속을 사용하고 상온 부근의 배선에는 저렴한 합금선을 사용한다. 이 합금선을 "보상 도선"이라고 하며, 보상 도선과의 접속점에 온도차가 있으면 오차의 원인이 된다. 보상 도선의 규격은 JIS C 1610에 정해져 있다.
열전대 보호관가는 열전대를 보호하기 위해 "열전대 보호관"을 사용하기도 한다. 보호관에는 금속(구리, 스테인리스 등) 또는 비금속(경질 유리, 고순도 알루미나, 석영 등)이 사용된다. 금속 보호관에 산화마그네슘 등으로 충전한 구조의 것을 "시스 열전대"라고 하며, 유통량이 많다.

4. 응용 분야

열전대는 −270°C에서 3000°C(단시간, 불활성 분위기에서)까지 넓은 온도 범위를 측정하는 데 적합하다.[32] 여러 산업 분야에서 활용되며, 주요 응용 분야는 다음과 같다.


  • 제철 및 제강 산업: B형, S형, R형 및 K형 열전대는 제철 공정 전반에 걸쳐 온도와 화학적 성분을 모니터링하는 데 사용된다. 용강의 온도를 정확하게 측정하기 위해 일회용 침지형 S형 열전대가 전기로 공정에서 정기적으로 사용된다. 또한, 작은 강철 시료의 냉각 곡선을 분석하여 용강의 탄소 함량을 추정할 수 있다.[24]
  • 가스 기기 안전: 오븐 및 온수기와 같은 가스 연료 난방 기기는 점화 불꽃을 사용하여 주 가스 버너를 점화한다. 점화 불꽃이 꺼지면 폭발 위험과 건강상의 위험이 있는 연소되지 않은 가스가 방출될 수 있다. 이를 방지하기 위해 일부 기기는 점화 불꽃이 타고 있는지 감지하는 무고장 회로에 열전대를 사용한다. 점화 불꽃이 계속 타는 한 열전대는 계속 뜨겁게 유지되고 점화기 가스 밸브는 열린 상태로 유지되지만, 점화 불꽃이 꺼지면 열전대의 온도가 떨어져 가스 밸브가 닫힌다.[33]

가스 기기의 열전대 연결.

  • 난방기: 밀리볼트 제어 시스템으로 알려진 일부 시스템은 열전대 개념을 확장하여 주 가스 밸브를 열고 닫는다. 점화기 열전대에 의해 생성된 전압이 점화기 가스 밸브를 작동시킬 뿐만 아니라, 온도조절기를 통해 주 가스 밸브에도 전력을 공급한다. 이러한 시스템은 작동에 외부 전원이 필요하지 않으므로 정전 시에도 작동할 수 있다는 장점이 있다.
  • 열전 발전: 열전쌍은 추가 회로 및 전원 없이도 일부 공정을 직접 구동할 전류를 생성할 수 있다. 열전쌍은 직렬로 연결되어 열전기발전기를 형성할 수 있다. 방사성 동위원소 열전 발전기에서는 열원으로 트랜스우라늄 원소의 방사성 붕괴를 사용하여 우주선에 전력을 공급하기도 한다. 등유 램프로 가열된 열전기발전기는 외딴 지역에서 건전지 없는 라디오 수신기를 작동하는 데 사용되었다.[34]
  • 기타: 가마, 가스터빈 배기가스, 디젤 엔진, 기타 산업 공정 및 연막기의 온도 측정에도 쓰인다. 화학 공장과 석유 정제소에서는 일반적으로 수백 개에 달하는 다양한 공정 온도를 기록하고 한계 시험을 위해 컴퓨터를 사용하기도 한다.
  • 진공 측정: 열전대는 약 0.001~1 토르 절대압 범위에서 진공 게이지로 사용될 수 있다.

5. 장점 및 단점

열전대는 넓은 온도 범위를 측정할 수 있고, 외부 전원 없이 작동 가능하다는 장점이 있지만, 노화로 인한 오차 발생 가능성과 절연 문제 등 단점도 존재한다.
장점


  • 넓은 측정 범위: -270°C에서 3000°C까지(단시간, 불활성 분위기에서) 넓은 온도 범위를 측정할 수 있다.[32]
  • 다양한 환경 적용: 가마, 가스터빈 배기가스, 디젤 엔진, 기타 산업 공정 및 연막기 등 다양한 환경에서 사용된다.
  • 자체 전력 생산: 추가 회로 및 전원 없이도 자체적으로 전류를 생성하여 일부 공정을 직접 구동할 수 있다. 예를 들어, 온도 차이를 이용하여 밸브를 작동시킬 수 있다.
  • 열전기발전기 활용: 직렬로 연결하여 열전기발전기를 구성할 수 있으며, 방사성 동위원소 열전 발전기는 우주선 전력 공급에 사용된다.[34] 등유 램프나 촛불을 이용한 열전기발전기는 오지에서 라디오 수신기나 랜턴 작동에 활용된다.

단점

  • 노화로 인한 오차: 고온 및 반응성이 있는 환경에서 주로 사용되므로, 열전대 와이어의 열기전력이 시간에 따라 변하여 측정 전압이 감소하고 오차가 발생한다.[8] 노화된 열전대는 재교정이 불가능하며, 온도 구배에 노출되면 큰 오차가 발생할 수 있다.[8]
  • 합금 제조 불확실성: 합금 제조 과정의 불확실성으로 인해 오차가 발생할 수 있다.[8]
  • 절연 문제: 열전대를 구성하는 와이어는 감지 접점을 제외하고 절연되어야 하는데, 절연체가 손상되면 의도치 않은 전기적 접촉이 발생하여 오작동이나 사고를 유발할 수 있다.
  • 제한적인 정밀도: 0.1°C 정확도의 0~100°C 범위와 같이 작은 온도 차이를 정밀하게 측정해야 하는 경우에는 서미스터, 실리콘 밴드갭 온도 센서, 저항 온도계가 더 적합하다.


아래 표는 여러 종류의 열전대 특성을 나타낸다. 허용 오차 열에서 'T'는 섭씨 온도를 나타낸다.

종류온도 범위 (°C)허용 오차 등급 (°C)색상 코드
연속단기1등급2등급IEC[31]BSANSI
저온고온저온고온
K0+1100-180+1370-40 – 375: ±1.5
375 – 1000: ±0.004×T		-40 – 333: ±2.5
333 – 1200: ±0.0075×T		------
J0+750-180+800-40 – 375: ±1.5
375 – 750: ±0.004×T		-40 – 333: ±2.5
333 – 750: ±0.0075×T		------
N0+1100-270+1300-40 – 375: ±1.5
375 – 1000: ±0.004×T		-40 – 333: ±2.5
333 – 1200: ±0.0075×T		------
R0+1600-50+17000 – 1100: ±1.0
1100 – 1600: ±0.003×(T − 767)		0 – 600: ±1.5
600 – 1600: ±0.0025×T		----미정
S0+1600-50+17500 – 1100: ±1.0
1100 – 1600: ±0.003×(T − 767)		0 – 600: ±1.5
600 – 1600: ±0.0025×T		--미정
B+200+17000+1820해당 없음600 – 1700: ±0.0025×T표준 없음표준 없음미정
T-185+300-250+400-40 – 125: ±0.5
125 – 350: ±0.004×T		-40 – 133: ±1.0
133 – 350: ±0.0075×T		------
E0+800-40+900-40 – 375: ±1.5
375 – 800: ±0.004×T		-40 – 333: ±2.5
333 – 900: ±0.0075×T		------
크로멜/AuFe-272+300|재현성 0.2% 전압.
각 센서는 개별 보정이 필요.		|


5. 1. 장점

열전대는 −270°C에서 3000°C(단시간, 불활성 분위기에서)까지 넓은 온도 범위를 측정하는 데 적합하다.[32] 가마, 가스터빈 배기가스, 디젤 엔진, 기타 산업 공정 및 연막기의 온도 측정에 사용된다. 0.1°C의 정확도로 0~100°C 범위와 같이 더 작은 온도 차이를 고정밀도로 측정해야 하는 경우에는 서미스터, 실리콘 밴드갭 온도 센서, 저항 온도계가 더 적합하다.

열전쌍은 추가 회로 및 전원 없이도 일부 공정을 직접 구동할 전류를 생성할 수 있다. 예를 들어, 열전쌍에서 발생하는 전력은 온도 차이가 발생할 때 밸브를 작동시킬 수 있다.

열전쌍을 직렬로 연결하면 열전기발전기를 형성할 수 있는데, 여기서 모든 고온 접합부는 더 높은 온도에 노출되고 모든 저온 접합부는 더 낮은 온도에 노출된다. 출력은 개별 접합부의 전압 합계이며, 더 큰 전압 및 전력 출력을 제공한다. 방사성 동위원소 열전 발전기에서는 열원으로 트랜스우라늄 원소의 방사성 붕괴를 사용하여 태양열을 사용하기에는 태양으로부터 너무 멀리 떨어진 임무에 있는 우주선에 전력을 공급했다.

등유 램프로 가열된 열전기발전기는 외딴 지역에서 건전지 없는 라디오 수신기를 작동하는 데 사용되었다.[34] 촛불의 열을 사용하여 여러 개의 발광 다이오드를 작동시키는 상업적으로 생산되는 랜턴과 나무 난로의 공기 순환과 열 분포를 개선하기 위한 열전 발전 팬이 있다.

5. 2. 단점

열전대는 합금 제조 불확실성, 노화 효과, 회로 설계 실수/오해와 같은 문제의 영향을 받는다.[8]

열전대는 주로 고온 및 반응성이 있는 환경에서 사용되기 때문에, 실제 수명은 열전대의 노화에 의해 제한된다. 고온에서 장시간 사용될 경우 열전대 와이어의 열기전력은 시간에 따라 변하며, 측정 전압이 감소한다. 접합부 온도차와 측정 전압의 관계는 각 와이어가 균질할 때만 정확하지만, 열전대가 노화되면 도체의 균질성이 저하되어 측정 오차가 발생한다.[8]

노화된 열전대는 부분적으로만 변형되므로, 설치된 위치에서 꺼내 재교정할 수 없다. 노화된 부분을 고온에서 저온으로의 온도 구배에 노출시키면 측정에 큰 오차가 발생할 수 있다.[8]

다음 표는 여러 종류의 열전대의 특성을 나타낸다. 허용 오차 열에서 'T'는 섭씨 온도를 나타낸다. 예를 들어 ±0.0025×''T''의 허용 오차를 가진 열전대는 1000°C에서 ±2.5°C의 허용 오차를 갖는다.

종류온도 범위 (°C)허용 오차 등급 (°C)색상 코드
연속단기1등급2등급IEC[31]BSANSI
저온고온저온고온
K0+1100-180+1370-40 – 375: ±1.5
375 – 1000: ±0.004×T		-40 – 333: ±2.5
333 – 1200: ±0.0075×T		------
J0+750-180+800-40 – 375: ±1.5
375 – 750: ±0.004×T		-40 – 333: ±2.5
333 – 750: ±0.0075×T		------
N0+1100-270+1300-40 – 375: ±1.5
375 – 1000: ±0.004×T		-40 – 333: ±2.5
333 – 1200: ±0.0075×T		------
R0+1600-50+17000 – 1100: ±1.0
1100 – 1600: ±0.003×(T − 767)		0 – 600: ±1.5
600 – 1600: ±0.0025×T		----미정
S0+1600-50+17500 – 1100: ±1.0
1100 – 1600: ±0.003×(T − 767)		0 – 600: ±1.5
600 – 1600: ±0.0025×T		--미정
B+200+17000+1820해당 없음600 – 1700: ±0.0025×T표준 없음표준 없음미정
T-185+300-250+400-40 – 125: ±0.5
125 – 350: ±0.004×T		-40 – 133: ±1.0
133 – 350: ±0.0075×T		------
E0+800-40+900-40 – 375: ±1.5
375 – 800: ±0.004×T		-40 – 333: ±2.5
333 – 900: ±0.0075×T		------
크로멜/AuFe-272+300재현성 0.2% 전압.
각 센서는 개별 보정이 필요.



열전대를 구성하는 와이어는 감지 접점을 제외하고 모든 부분에서 절연되어야 한다. 와이어 간 추가적인 전기 접촉이나 다른 도전성 물체와의 접촉은 전압을 변경하여 잘못된 온도 값을 나타낼 수 있다.

플라스틱은 저온에서, 세라믹 절연체는 약 1000 °C까지 사용 가능하다. 마모, 내화학성 등도 재료 적합성에 영향을 미친다. 와이어 절연체가 부서지면 의도치 않은 전기적 접촉이 발생하여 과열 사고 및 공정 오염을 유발할 수 있다. 고온 또는 오염에 민감한 환경에서는 진공 또는 불활성 기체가 적합한 절연체일 수 있으며, 열전대 와이어의 기계적 강성으로 분리한다.

열전대는 -270°C에서 3000°C(단시간, 불활성 분위기에서)까지 넓은 온도 범위를 측정할 수 있지만,[32] 0.1°C 정확도의 0~100°C 범위와 같이 작은 온도 차이를 고정밀도로 측정하는 데는 서미스터, 실리콘 밴드갭 온도 센서, 저항 온도계가 더 적합하다.

참조

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[5] 웹사이트 Thermocouple theory http://www.pyromatio[...] Pyromation, Inc. 2009
[6] 웹사이트 Thermocouples: Simple but misunderstood http://www.edn.com/d[...] 2013
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[8] 서적 Practical Thermocouple Thermometry (2nd Ed.) http://www.isa.org/T[...] ISA
[9] 서적 Encyclopedia of materials: science and technology Elsevier
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[16] 웹사이트 Green Rot in Type K Thermocouples, and What to Do About It https://blog.wika.us[...] 2018-05-29
[17] 웹사이트 Nicrosil/Nisil Type N Thermocouples http://www.omega.com[...]
[18] 웹사이트 Type N Thermocouple Versus Type K Thermocouple in A Brick Manufacturing Facility http://www.jms-se.co[...]
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[20] 웹사이트 Thermocouple Theory https://web.archive.[...] Capgo
[21] 웹사이트 Supplementary Information for the ITS-90 https://web.archive.[...] International Bureau of Weights and Measures
[22] 웹사이트 Tungsten-Rhenium Thermocouples Calibration Equivalents http://www.omega.com[...] OMEGA Engineering Inc.
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[24] 웹사이트 Design of Thermocouple Probes for Measurement of Rocket Exhaust Plume Temperatures https://apps.dtic.mi[...]
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[28] 웹사이트 BIPM – "Techniques for Approximating the ITS-90" http://www.bipm.org/[...] BIPM
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[30] 웹사이트 high-temperature irradiation-resistant thermocouples: Topics by Science.gov https://www.science.[...]
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[33] 서적 Flammable Vapor Ignition Resistant Water Heaters: Service Manual (238-44943-00D) http://waterheaterti[...] Bradford White
[34] 학술지 New Scientist Careers Guide: The Employer Contacts Book for Scientists https://books.google[...] Reed Business Information 1974-01-10
[35] 서적 High-Vacuum Technology: A Practical Guide, Second Ed. Marcel Dekker Inc.
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[38] 서적 熱電対とは http://www.hakko.co.[...] 八光電機 2015-12-27
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[40] 웹사이트 小型・安価な熱画像装置とセンサネット の技術動向と市場動向 http://www.el.gunma-[...]
[41] 웹사이트 MEMSサーモパイル素子で赤外線を検出する非接触温度センサを発売 http://www.kumikomi.[...]
[42] 웹사이트 D6T-44L / D6T-8L サーマルセンサの使用方法 http://www.omron.co.[...]
[43] 서적 機械工学辞典 丸善 2007
[44] 간행물 温度の標準供給 -熱電対- https://www.aist.go.[...] 産業技術総合研究所 2003-04
[45] 간행물 熱電対による温度標準の供給 https://www.aist.go.[...] 産業技術総合研究所 2006-01


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