온도검출기

계장제어실습 과제 - 온도검출기 - 2007.03.15 발표

각종 시설의 정상 작동 여부를 알기 위한 방법 중 온도 검출이 가장 많이 차지 하고 있다.

공장이 대형화, 플랜트화 되면서 자동화 시스템으로 제어를 하는데

이때 필요한 온도계는 먼 거리까지 측정한 온도 값을 전송할 수 있는 전기식 온도계이다.

이 전기식 온도계는 측정값을 전기신호로 출력하여 시퀀스회로를 구성하여, 컴퓨터에 입력시켜 자동화를 할 수 있게 되었다.

온도계의 종류

온도 측정 방법에는 접촉식과 비접촉식이 있는데

접촉식 온도계는 측정하고자 하는 물체에 온도계의 감지부를 접촉시켜서 온도 평형을 이루게 한 후 측정값을 읽는다.

온도를 재고자 하는 피측정물체에 직접 접촉하는 감지부와 감지부를 지지해주는 지지봉과 측정값을 나타내어 보여주는 눈금으로 구성되어 있다.

유리제 온도계, 바이메탈 온도계 등이 접촉식 온도계이다.

비접촉식 온도계는 측정하고자 하는 대상이 너무 뜨거워 가까이 가지 못하거나 빠른 속도로 지나가거나 고압이 흐르는 곳을 멀리 떨어져 있는 상태에서 측정하는 온도계를 말한다.

열전대의 구조

열전대의 구조는 여러 종류로 제작 되고 있으며 그 중에서 가장 많이 사용되고 있는 것은 Sheath Type이다. 특징은 Response가 빠른 장점이 있어 공정 제어에 가장 많이 사용되고 있다.

외부는 열전대보호관으로 되어 있고 내부는 열전대선과 산화마그네슘이 있다.

열전대 온도계

한자로는 熱電對, 영어로는 Thermocouple 로 적는다.

한자나 영어를 잘 살펴보면, 對 그리고 ~couple 이라는 단어를 사용하고 있다.

복수명사에 서 알 수 있듯이 열전대는 1821년 제어백이 발견한 것으로 두 가지 금속으로 구성된다.

두 종류의 금속의 한 끝을 접합시켜 감지 기능을 만든다. 이것을 "측온접점(Hot junction)" 이라고 부른다.

결국 열전대는 측온접점으로부터 두 선으로 갈라지는 데,

ⓐ 이 두 선을 " 열전대 소선(Element)"라고 한다.

ⓑ 이 두 개의 소선은 각각  절대제어백계수가 큰 쪽이 (+), 작은 쪽이 자동으로 (-)가 되어 계측기 입력단자에 연결한다.

ⓒ 이때 단자에 연결되는 열전대 소선의 말단을 "기준 접점부(Reference Junction)"라고 부른다.

이렇게 구성이 되면 열전대의 감지부인 "측온접점"에 임의 온도가 되도록 열이 가해지면, "기준접점"의 온도차이 만큼 열기전력이 발생되어 연결된 전압계에 전달되어 그 열기전력 값인 전압 값을 측정하게 된다.

이렇게 온도에 따라 열기전력이 나오는 현상을 제어백효과라고 부른다.

그리고 이 법칙이 "이종금속의 법칙"으로 열전대  이론의 기본 이론 중에 하나이다.

<이종금속의 법칙: 서로 다른 두 가지 금속의 양단을 접합하여 폐회로회로를 구성하면 양단의 온도차이 만큼 열기전력이 발생한다.>

0℃일 때 전압 값, 100 ℃일 때의 전압 값을 여러 구간에 걸쳐 온도 대 전압 비를 알아서 전압계의 전압눈금을 온도눈금으로 바꾼다.

이렇게 전압계를 온도눈금으로 바꿔 사용하는 전압계를 열전대용 온도계라고 부른다.

규격화 된 열전대는 다음과 같다.

종류	기호	+선 재료	-선 재료	측정 온도 범위
귀금속 열전대	S	Pt90 /Rh10	Pt100	0 ℃  ~ 1400 ℃
	R	Pt97 /Rh13	Pt100	0 ℃  ~ 1400 ℃
	B	Pt70 /Rh30	Pt94 /Rh6	0 ℃  ~ 1600 ℃
비금속 열전대	N	Ni84/14Cr/Si1.65	Ni95/Si4.4/Mg1.5	-200 ℃~ 1100℃
	K	Ni90/Cr9/S	Ni93/Si1.3/Al2/Mn1/Co0.5	-200℃ ~ 1200℃
	J	Fe99.5	Cu55/Ni45	- 40℃ ~ 1200℃
	E	Ni/Cr10	Constantan	-200℃ ~  375℃
	T	Cu99.95	Cu55/Ni42	-200℃ ~  350℃

열전대의 종류

1. 접지형: 열전대선을 Sheath에 접지. 응답속도는 빠르나 노이즈의 영향이 크다.

2. 비접지형: 열전대선을 Sheath와 절연. 응답속도가 늦다. 노이즈의 영향이 없고 열전대의 수명이 길어진다.

3. 노출형: Sheath 외부로 열전대를 노출, 응답속도가 빠르고 온도의 추종성이 좋으나 장시간의 사용이 불가능하다.

백금 측온 저항체

1. 백금 측온 저항체는 비교적 저온에서 고정도의 온도측정이 가능하다.

2. 측정 온도의 범위는 -200℃ ~ +200℃ 사이에서 사용.

3. 원리는 금속의 전기 저항이 온다가 상승하면 증가 하는 것을 이용하여 온도를 측정한다.

4. 온도측정에 사용되는 금속의 종류는 백금, 동, 니켈 등이 이용되나 백금이 직진성이 좋아 가장 만이 사용된다.

써미스터

온도 상승시 저항 값은 내려간다. 가격이 저렴하고 저온에서 사용한다.

온도 범위는 -50℃~+100℃이며 전자부품과 온도센서용으로 많이 사용한다.

바이메탈 온도계

1. 바이메탈 원리는 온도팽창계수가 서로 틀리는 금속을 합쳐서 열을 가하면 비틀림이 발생하는 것을 이용한 것으로 팽창계수가 작은 쪽으로 비틀림이 발생한다.

2. 현장 지시계로 가장 많이 사용되는 온도계이다.

3. 측정 가능한 범위는 -50℃~+500℃이다.

감온부를 스프링 식으로 만들어 고정하고 다른 쪽엔 금속 바를 고정시키고 끝에 온도눈금판을 붙이고 마지막으로 지시침을 붙인다.

온도증감에 따라 온도 지시침이 원형 눈금판을 최소눈금에서 최대눈금까지 270도를 회전한다.

액체 충만 압력식 온도계

1. 구조는 지시부, 감응부, 모세관으로 구성되어 있고 온도 대역에 따라 적당한 액체 또는 가스를 봉입하고, 모세관으로 연결하여 지시부에 내장되어 있는 벨로우즈 또는 부르동관에 연장하여 밀봉한 구조로 되어 있다.

2. 감응부에서 액체 또는 가스가 온도변화에 따라 팽창 또는 수축을 하게 되고 그에 따른 압력의 변화는 모세관을 통하여 벨로우즈 또는 부르동관에 전달되어 지침을 움직이게 된다.

3. 모세관의 길이가 길어지는 경우에는 2중모세관을 설치하여 주위의 온도를 보상한다.

4. 측정 범위는 0℃~+500℃ 정도이다.

온도눈금판에 설정침을 만들어 온도지시침이 눈금을 가리키려고 움직일 때 설정침을 지나가게 될 때 설정침에 장치한 접점스위치를 개방 또는 접선되도록 하여 과온 경보 또는 간단한 ON-OFF 제어를 할 수 있다.

벨로우즈 구조로 되어 있는 온도계는 주로 온도눈금을 보여주기 보다는 온도 스위치 역할을 한다. 냉장고나 에어컨에서 간단한 ON-OFF 제어에 사용한다.

방사온도계

1. 방사 온도계는 다른 온도계에 비해 상당한 고가의 온도계이다.

2. 비접촉식으로 온도를 측정하고 응답이 상당히 빠르나 상대적으로 외란에 약하다.

3. 원리는 어떤 물체에서나 전자파 모양의 열에너지가 방출되며 방출되는 열에너지를 측정함으로서 물체의 온도를 측정 하는 것이 가능하다.

유리제 온도계

유리막대속에 모세관을 형성시키고 온도계 아랫부분에 감온액인 알콜 또는 수은을 담은 감온부가 있다. 감온부가 측정대상인 대기 또는 액체속에 놓여져 대기온도 또는 측정하고자 하는 액체의 온도와 열전도 현상으로 온도가 같아지게 된다. 피 측정온도와 같아진 감온부 내에 감온액이 전도된 온도만큼 팽창하게 된다.

팽창된 감온부의 부피는 유리막대 속 모세관으로 올라간다. 수은주, 알콜주가 올라간 크기에 온도눈금을 그려 재는 것이 온도값이다.