맨위로가기

고온계

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

고온계는 물체와 직접 접촉하지 않고 원거리에서 온도를 측정하는 장치이다. 1730년대 피터 반 머센브루크에 의해 처음 언급되었으며, 1752년 제작된 힌들리 고온계가 초기 형태이다. 조시아 웨지우드는 가마 온도를 측정하기 위한 고온계를 개발했고, 이후 백금 저항 온도계, 열전 고온계, 소멸 필라멘트 고온계가 개발되었다. 소멸 필라멘트 고온계의 단점을 보완하기 위해 비율 고온계가 개발되었지만, 방사율의 문제로 인해 다중 파장 고온계가 등장했다. 고온계는 움직이는 물체, 접근하기 어려운 표면, 가스 터빈 엔진, 야금 용광로, 열처리, 증기 보일러, 열기구 등 다양한 분야에 활용된다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 금속공학 공정 - 광미
    광미는 광산 폐기물로, 다양한 환경 문제를 야기하며, 광미 댐 붕괴와 같은 사고를 유발하기도 하여 국제적인 관리가 필요하다.
  • 금속공학 공정 - 광물 가공
    광물 가공은 원광에서 유용한 광물을 분리하고 농축하는 과정으로, 초기 수작업에서 기계 장치와 화학적 처리 방법을 거쳐 현대에는 분쇄, 선별, 선광, 탈수 등의 단위 조작과 다양한 선광법을 통해 광물의 품위와 회수율을 높이는 데 중점을 둔다.
  • 온도계 - 저항 온도계
    저항 온도계는 금속의 저항 변화를 이용하여 온도를 측정하는 센서로, 백금, 니켈, 구리 등이 사용되며 백금은 특히 정밀 측정에 널리 활용되고, 0~100 °C 범위에서 저항 변화가 온도에 거의 선형적으로 비례하며, 다양한 형태로 제작되고 정확도를 높일 수 있지만, 응답 속도가 느리고 고온에서는 사용에 제한이 있다.
  • 온도계 - 바이메탈
    바이메탈은 열팽창률이 다른 두 금속을 접합하여 온도 변화에 따라 굽어지는 성질을 이용, 온도 감지, 스위치 제어 등 다양한 용도로 활용되는 부품이다.
  • 연소 - 폭파
    폭파는 가연성 가스와 산화제의 급격한 화학 반응으로 인한 압력과 온도 상승 현상이며, 폭굉과 폭연으로 구분되며, 다양한 요인에 의해 피해 규모가 결정되며, 코팅 증착 등에 응용되지만 안전 대책이 필요하다.
  • 연소 - 자연발화
    자연발화는 외부 불꽃 없이 물질 자체의 내부 발열로 인해 불이 붙는 현상으로, 산화, 발효, 분해 반응 등에 의해 발생하며 열 축적이 주요 원인이고, 예방을 위해서는 물질 보관, 통풍, 수분, 온도 관리 등이 중요하다.
고온계

2. 역사

1860년대~1870년대에 윌리엄 지멘스와 베르너 지멘스 형제는 백금 저항 온도계를 개발했다. 처음에는 해저 케이블의 온도를 측정하기 위해 개발되었지만, 이후 1000 °C까지의 야금 온도 측정에 적용할 수 있도록 개조되어 고온계라는 이름을 얻었다.

1890년경, 앙리 루이 르 샤틀리에는 열전 고온계를 개발했다.[8]

2. 1. 초기 고온계

"고온계"라는 용어는 1730년대에 레이던 병의 발명가로 더 잘 알려진 피터 반 머센브루크가 만들었다. 그의 장치는 현존하는 표본이 알려져 있지 않지만, 금속 막대의 팽창을 측정했기 때문에 현재 팽창계라고 불릴 수 있다.[3]

현존하는 가장 초기의 고온계는 1752년에 제작되어 왕립 소장품으로 보관된 런던 과학 박물관이 소장하고 있는 [https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co1668/hindleys-pyrometer-pyrometers-dilatometers 힌들리 고온계]이다. 이 고온계는 1760년에 수학자 오일러가 자세히 묘사할 정도로 널리 알려진 기기였다.[4]

1782년경, 도예가 조시아 웨지우드는 가마의 온도를 측정하기 위해 (정확히는 고온 측정 장치) 다른 종류의 고온계를 발명했다.[5] 처음에는 알려진 온도에서 구운 점토의 색상을 비교했지만, 결국 가마 온도에 따라 달라지는 점토 조각의 수축을 측정하는 방식으로 업그레이드되었다 (자세한 내용은 웨지우드 척도 참조).[6] 나중에는 금속 막대의 팽창을 사용한 예도 있었다.[7]

1852년의 고온계. 금속 막대(a)가 램프(f)로 가열되면 팽창하여, 레버(b)를 누르면 바늘(c)이 측정 눈금을 따라 이동한다. (e)는 금속 막대의 위치를 유지하는 고정 장치. (c) 상부의 스프링은 (b)를 반대쪽으로 밀고 있어, 금속 막대가 식으면 바늘이 돌아간다.

2. 2. 광학 고온계의 등장



도예가 조시아 웨지우드는 가마 내부의 온도를 측정하기 위해 처음에는 알려진 온도로 소성된 점토의 색깔을 비교하는 방식으로 고온계를 발명했지만, 가마의 온도에 따라 변하는 점토의 수축을 측정하는 방식으로 발전시켰다.[5][6] (왼쪽 그림은 금속 막대의 팽창을 활용한 후년의 예)[7]

최초의 소멸 필라멘트 고온계는 1901년 L. 홀본과 F. 쿨바움에 의해 제작되었다.[9] 이 장치는 관찰자의 눈과 가열 대상물 사이에 얇은 전기 필라멘트를 배치하고, 필라멘트에 전류를 통과시켜 대상물과 같은 색(즉, 온도)이 되어 구별이 불가능해질 때까지 조정한다. 전류로부터 온도를 추측할 수 있도록 교정되어 있었다.[10]

기술자가 필라멘트식 파이로미터를 사용하여 초크랄스키 공법 결정 성장 장비에서 용융된 실리콘의 온도를 측정하고 있는 모습 (1956년).


소멸 필라멘트 고온계 및 휘도 고온계로 표시되는 온도는 물체의 방사율에 의존한다. 휘도 고온계의 사용이 늘어나면서 방사율 수치에 의존하는 데 문제가 있다는 것이 분명해졌다. 방사율은 표면의 거칠기, 용적, 표면 조성, 그리고 온도 자체에 의해서도 급변하는 것으로 밝혀졌다.[11]

이러한 문제를 극복하기 위해 비례식 및 2색식 고온계가 개발되었다. 이들은 온도를 개별 파장에서 방출되는 방사의 세기와 관련시키는 플랑크의 법칙에 기초하며, 두 개의 다른 파장에서 플랑크 값의 세기가 다르면 온도를 도출할 수 있다. 어느 파장이나 방사율이 동일하다[10]는 전제로 산출하는 이 도출법은 회색체 가설(gray body assumption)로 알려져 있다. 비례식 고온계는 본질적으로 하나의 기기에 휘도식 고온계가 2개 있는 것이다. 비례식 고온계의 운용 원리는 1920년대부터 1930년대에 걸쳐 개발되었고, 1939년에 상용화되었다.[9]

비례식 고온계의 사용이 보급됨에 따라, 금속과 같은 많은 재료가 두 파장에서 같은 방사율을 갖지 않는다는 것이 밝혀졌다.[12] 이러한 재료의 경우, 방사율을 무시할 수 없게 되어 온도 측정에 오차가 발생한다. 오차의 크기는 측정된 방사 수치 및 파장에 따라 달라진다.[10] 2색 비례식 고온계는 재료의 방사율이 파장에 의존하는지 여부를 측정할 수 없다.

알 수 없거나 변화하는 방사율을 가진 실제 대상물의 온도를 보다 정확하게 측정하기 위해 다중 파장식 고온계(multiwavelength pyrometer)가 미국 국립 표준 기술 연구소에서 구상되어 1992년에 설명되었다.[9] 다중 파장식 고온계는 3개 이상의 파장과 수학적 조작을 사용하여, 방사율이 알려지지 않고 변화하거나, 어느 파장에서도 다른 경우에도 정확한 온도 측정을 시도한다.[10][1]

2. 3. 비율 고온계와 다중 파장 고온계

이러한 어려움을 극복하기 위해 비율 고온계 또는 2색 고온계가 개발되었다. 이들은 플랑크의 법칙에 기반하는데, 이 법칙은 개별 파장에서 방출되는 방사선의 강도와 온도를 관련시킨다. 두 가지 다른 파장에서의 강도에 대한 플랑크의 설명을 나누면 온도에 대해 계산할 수 있다. 이 방법은 방사율이 두 파장에서 동일하다고 가정하며,[10] 나눗셈에서 상쇄된다. 이를 회색체 가정이라고 한다. 비율 고온계는 본질적으로 하나의 기기에 두 개의 휘도 고온계가 들어 있는 것이다. 비율 고온계의 작동 원리는 1920년대와 1930년대에 개발되었으며 1939년에 상용화되었다.[9]

비율 고온계가 널리 사용되면서 금속과 같은 많은 재료가 두 파장에서 동일한 방사율을 갖지 않는다는 것이 밝혀졌다.[12] 이러한 재료의 경우 방사율이 상쇄되지 않으므로 온도 측정에 오류가 발생한다. 오류의 양은 방사율과 측정이 수행되는 파장에 따라 달라진다.[10] 2색 비율 고온계는 재료의 방사율이 파장에 따라 달라지는지 여부를 측정할 수 없다.

알 수 없거나 변화하는 방사율을 가진 실제 물체의 온도를 보다 정확하게 측정하기 위해, 미국 국립 표준 기술 연구소에서 다중 파장 고온계를 고안했으며 1992년에 설명했다.[9] 다중 파장 고온계는 세 개 이상의 파장과 결과를 수학적으로 조작하여 방사율이 알려지지 않거나 변화하거나 측정 파장에 따라 다른 경우에도 정확한 온도 측정을 시도한다.[10][1]

3. 원리

고온계는 관찰자가 받는 빛의 세기가 관찰자와 광원 사이의 거리와 원거리 광원의 온도에 따라 달라진다는 원리에 기반한다. 현대식 고온계는 광학 시스템과 검출기로 구성되며, 광학 시스템은 열 복사를 검출기에 집중시킨다. 검출기의 출력 신호(온도 ''T'')는 슈테판-볼츠만 법칙에 따라 대상 물체의 온도를 추론하는 데 사용된다.[1] 대부분의 다른 온도계(열전대, 저항 온도 감지기(RTD) 등)는 물체와 열적 접촉을 한 상태에서 열 평형에 도달해야 하지만, 고온계는 비접촉식으로 온도를 측정할 수 있다.[1]

3. 1. 슈테판-볼츠만 법칙

슈테판-볼츠만 법칙에 따르면, 검출기의 출력 신호(온도 ''T'')는 슈테판-볼츠만 상수라고도 불리는 비례 상수 σ 및 물체의 방사율 ε를 통해 대상 물체의 열 복사 또는 복사조도 j^\star와 관련이 있다.

:

j^\star = \varepsilon \sigma T^4.



이 출력을 사용하여 고온계가 물체와 열적 접촉을 할 필요 없이 원거리에서 물체의 온도를 추론한다.

3. 2. 고온계의 구성

고온계는 광학 시스템과 검출기로 구성된다. 광학 시스템은 열 복사를 검출기에 집중시키는 역할을 한다. 검출기의 출력 신호(온도 ''T'')는 슈테판-볼츠만 법칙에 따라 대상 물체의 열 복사 또는 복사조도 j^\star와 관련이 있으며, 비례 상수 σ(슈테판-볼츠만 상수) 및 물체의 방사율 ε을 통해 다음과 같이 표현된다.

:j^\star = \varepsilon \sigma T^4.

이 출력 신호를 사용하여 고온계는 물체와 열적 접촉을 할 필요 없이 원거리에서 물체의 온도를 추론한다. 대부분의 다른 온도계(예: 열전대 및 저항 온도 감지기(RTD))는 물체와 열적 접촉을 한 상태에서 열 평형에 도달해야 한다.

기체의 고온계 측정은 어려움이 따르는데, 일반적으로 얇은 필라멘트 고온계 또는 그을음 고온계를 사용하여 이러한 어려움을 극복한다. 두 기술 모두 뜨거운 기체와 접촉하는 작은 고체를 포함한다.

3. 3. 측정의 어려움

기체의 고온계 측정은 어렵다. 이러한 어려움은 일반적으로 얇은 필라멘트 고온계 또는 그을음 고온계를 사용하여 극복한다. 두 기술 모두 뜨거운 기체와 접촉하는 작은 고체를 포함한다.

4. 종류

고온계에는 여러 종류가 있다. 대표적으로 휘도 고온계, 비율 고온계, 다중 파장 고온계 등이 있다.


  • 휘도 고온계: 1901년 L. Holborn과 F. Kurlbaum이 최초로 소멸 필라멘트 고온계를 제작했다.[9] 관찰자 눈과 백열 물체 사이에 얇은 전기 필라멘트를 놓고, 필라멘트 색상이 물체와 같아질 때까지 전류를 조정하여 온도를 측정한다.[10] 그러나 물체의 방사율에 따라 측정값이 달라지는 문제가 있었다.[11]

  • 비율 고온계 (2색 고온계): 두 가지 다른 파장에서 측정된 방사 강도의 비율을 이용해 온도를 측정한다.[10] 1920~30년대에 개발되어 1939년에 상용화되었다.[9] 플랑크의 법칙에 기반하며, 두 파장에서 방사율이 같다는 가정(회색체 가정영어) 하에 방사율을 상쇄시켜 온도를 측정한다. 그러나 일부 금속은 두 파장에서 방사율이 달라 측정 오류가 발생할 수 있다.[12]

  • 다중 파장 고온계: 세 개 이상의 파장과 결과의 수학적 처리를 통해 방사율이 알려지지 않았거나 변하는 경우에도 정확한 온도 측정을 시도한다.[10][1] 1992년 미국 국립 표준 기술 연구소에서 발표했다.[9]

4. 1. 휘도 고온계

최초의 소멸 필라멘트 고온계는 1901년 L. Holborn과 F. Kurlbaum에 의해 제작되었다.[9] 이 장치는 관찰자의 눈과 백열 물체 사이에 얇은 전기 필라멘트를 가지고 있었다. 필라멘트를 통과하는 전류는 물체와 같은 색상(따라서 온도)이 될 때까지 조정되었고, 필라멘트는 더 이상 보이지 않게 되었다. 이 필라멘트의 전류로부터 온도를 추론할 수 있도록 보정되었다.[10]

소멸 필라멘트 고온계와 이와 유사한 종류의 장치를 휘도 고온계라고 한다. 휘도 고온계에서 반환된 온도는 물체의 방사율에 따라 달라진다. 휘도 고온계의 사용이 늘어나면서 방사율 값에 의존하는 데 문제가 있다는 것이 분명해졌다. 방사율은 표면 거칠기, 벌크 및 표면 조성, 심지어 온도 자체에 따라 크게 변하는 것으로 밝혀졌다.[11]

4. 2. 비율 고온계 (2색 고온계)

비율 고온계(2색 고온계)는 두 가지 다른 파장에서 측정된 방사 강도의 비율을 사용하여 온도를 측정하는 장치이다. 이는 플랑크의 법칙에 기반하며, 두 파장에서의 방사율이 동일하다는 가정(회색체 가정영어) 하에 방사율이 상쇄되어 온도 측정이 가능하다.[10]

비율 고온계는 1920년대와 1930년대에 개발되어 1939년에 상용화되었다.[9] 이는 본질적으로 하나의 기기에 두 개의 휘도 고온계가 들어 있는 것과 같다.

그러나 금속과 같은 일부 재료는 두 파장에서 동일한 방사율을 갖지 않아 온도 측정에 오류가 발생할 수 있다.[12] 오류의 양은 방사율과 측정 파장에 따라 달라진다.[10] 2색 비율 고온계는 재료의 방사율이 파장에 따라 달라지는지 여부를 측정할 수 없다.

4. 3. 다중 파장 고온계

비율 고온계 또는 투 컬러 고온계는 플랑크의 법칙에 기반한다. 플랑크의 법칙은 개별 파장에서 방출되는 방사선의 강도와 온도를 연결한다. 두 가지 다른 파장에서의 강도에 대한 플랑크의 설명을 나누면 온도에 대해 계산할 수 있다. 이 계산에서 방사율은 두 파장에서 동일하다고 가정하며, 이는 나눗셈에서 상쇄된다.[10] 이를 회색체 가정이라고 한다. 비율 고온계는 본질적으로 하나의 기기에 두 개의 휘도 고온계가 있는 것이다. 비율 고온계의 작동 원리는 1920년대와 1930년대에 개발되었으며 1939년에 상용화되었다.[9]

비율 고온계가 널리 사용되면서 금속과 같은 많은 재료가 두 파장에서 동일한 방사율을 갖지 않는다는 것이 밝혀졌다.[12] 이러한 재료의 경우 방사율이 상쇄되지 않으므로 온도 측정에 오류가 발생한다. 오류의 양은 방사율과 측정이 수행되는 파장에 따라 달라진다.[10] 투 컬러 비율 고온계는 재료의 방사율이 파장에 따라 달라지는지 여부를 측정할 수 없다.

알 수 없거나 변화하는 방사율을 가진 실제 물체의 온도를 보다 정확하게 측정하기 위해, 미국 국립 표준 기술 연구소에서 다중 파장 고온계를 고안하여 1992년에 발표했다.[9] 다중 파장 고온계는 세 개 이상의 파장과 결과의 수학적 처리를 사용하여 방사율이 알려지지 않거나, 변화하거나, 측정 파장에 따라 다른 경우에도 정확한 온도 측정을 시도한다.[10][1]

5. 응용 분야

고온계는 특히 움직이는 물체나 접근하거나 만질 수 없는 표면의 온도를 측정하는 데 적합하다. 최신 다중 스펙트럼 고온계는 가스 터빈 엔진의 연소실 내부의 고온을 높은 정확도로 측정하는 데 적합하다.[13]

야금 용광로 작동에서 온도는 기본 매개변수이다. 금속 온도를 안정적이고 지속적으로 측정하는 것은 작동을 효과적으로 제어하는 데 필수적이다. 제련 속도를 최대화하고, 슬래그를 최적의 온도에서 생산하며, 연료 소비를 최소화하고, 내화물의 수명을 연장할 수 있다. 열전쌍은 이러한 목적으로 사용되는 전통적인 장치였지만, 녹고 열화되기 때문에 지속적인 측정에는 적합하지 않다.

광학 고온계를 사용하여 고로에서 코크스의 연소 온도를 측정, 고정 질소 연구소, 1930


염욕 용광로는 최대 1300°C에서 작동하며 열처리에 사용된다. 용융 염과 처리 중인 강철 사이의 강렬한 열 전달이 있는 매우 높은 작동 온도에서 용융 염의 온도를 측정하여 정밀도를 유지한다. 대부분의 오류는 염욕보다 차가운 표면의 슬래그에 의해 발생한다.[14]

''튀에르 고온계''는 용광로의 배스에 공기 또는 반응물을 공급하는 데 일반적으로 사용되는 튀에르를 통해 온도를 측정하는 광학 기기이다.

증기 보일러는 과열기의 증기 온도를 측정하기 위해 고온계를 장착할 수 있다.

열기구는 피복의 과열을 방지하기 위해 피복 상단의 온도를 측정하기 위해 고온계를 갖추고 있다.

고온계는 터빈 블레이드의 표면 온도를 측정하기 위해 실험적인 가스 터빈 엔진에 장착할 수 있다. 이러한 고온계는 회전 속도계와 페어링하여 고온계 출력을 개별 터빈 블레이드의 위치와 연결할 수 있다. 타이밍을 방사형 위치 인코더와 결합하면 엔지니어가 프로브를 지나가는 블레이드의 정확한 지점에서 온도를 결정할 수 있다.

참조

[1] 웹사이트 incandescence http://www.dictionar[...] Dictionary.com, LLC 2015-01-02
[2] 서적 The Fundamentals of Radiation Thermometers https://books.google[...] CRC Press
[3] 뉴스 Museo Galileo - Pyrometer or dilatometer https://catalogue.mu[...]
[4] 서적 Letters of Euler on Different Subjects in Physics and Philosophy, Addressed to a German Princess. With Notes, and a Life of Euler
[5] 웹사이트 History — Historic Figures: Josiah Wedgwood (1730–1795) https://www.bbc.co.u[...] BBC 1970-01-01
[6] 웹사이트 Pyrometer http://www.wedgwoodm[...] Wedgwood Museum 2013-08-23
[7] 서적 A Textbook on chemistry https://archive.org/[...] Harper & Bros 1861
[8] 간행물 Robert Abbott Hadfield. 1858–1940
[9] 서적 Temperature Measurement John Wiley & Sons 2001
[10] 서적 Optical Metrology for Fluids, Combustion and Solids Springer Science & Business Media 2003
[11] 간행물 Use of a multiwavelength pyrometer in several elevated temperature aerospace applications 2001
[12] conference Successful Pyrometry in Investment Casting http://pyrometry.com[...] Investment Casting Institute 2007-10-14
[13] 간행물 Multispectral pyrometer for high temperature measurements inside combustion chamber of gas turbine engines 2019-06
[14] 서적 Temperature Measurement John Wiley & Sons 2001
[15] 웹사이트 incandescence http://www.dictionar[...] Dictionary.com, LLC 2015-01-02
[16] 웹사이트 History - Historic Figures: Josiah Wedgwood (1730 - 1795) https://www.bbc.co.u[...] BBC 1970-01-01
[17] 웹사이트 Pyrometer http://www.wedgwoodm[...] Wedgwood Museum 2013-08-23
[18] 서적 A Textbook on chemistry https://archive.org/[...] Harper & Bros 1861
[19] 서적 Temperature Measurement John Wiley & Sons 2001
[20] 서적 Optical Metrology for Fluids, Combustion and Solids Springer Science & Business Media 2003
[21] 간행물 Use of a multiwavelength pyrometer in several elevated temperature aerospace applications 2001
[22] conference Successful Pyrometry in Investment Casting https://pyrometry.co[...] Investment Casting Institute 2007-10-14
[23] 웹사이트 Temperature sensors https://www.sensorpa[...] 2022-08-06
[24] 간행물 Multispectral pyrometer for high temperature measurements inside combustion chamber of gas turbine engines 2019-06
[25] 간행물 ソルトバス(塩浴)熱処理の現状と将来 http://sokeizai.or.j[...] 素形材センター 2014-02
[26] 서적 Temperature Measurement John Wiley & Sons 2001
[27] 웹인용 incandescence http://www.dictionar[...] Dictionary.com, LLC 2015-01-02
[28] 서적 The Fundamentals of Radiation Thermometers https://books.google[...] CRC Press


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com