열전대 기본 사항 - 온도 측정을 위한 제벡 효과 사용

열전대는 견고성, 상대적으로 저렴한 가격, 넓은 온도 범위 및 장기 안정성으로 인해 널리 사용되는 온도 센서 유형입니다. 이전 기사에서 논의된 Seebeck 효과는 열전대 작동을 지배하는 기본 원리입니다. Seebeck 효과는 금속 와이어의 두 끝 사이의 온도 차이(ΔT)가 어떻게 와이어 길이 전체에 걸쳐 전압 차이(ΔV)를 생성할 수 있는지 설명합니다. 이 효과는 다음 방정식으로 특징 지어집니다.

$$S = \frac{\Delta V}{\Delta T} = \frac{V_{추운}-V_{뜨거운}}{T_{뜨거운}-T_{추위}}$$

여기서 S는 재료의 Seebeck 효과를 나타냅니다. 이 방정식은 다음과 같이 표현될 수도 있습니다.

$$S(T)=\frac{dV}{dT}$$

여기서 S(T)는 Seebeck 효과가 온도의 함수임을 강조합니다. Seebeck 효과는 금속 합금과 반도체에서도 관찰됩니다. 이 효과가 온도를 측정하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 살펴보겠습니다.

방정식 1은 재료의 제벡 계수를 가짐으로써 도체 양단의 전압 차이를 사용하여 두 끝점 사이의 온도 차이를 결정할 수 있음을 시사합니다. 이는 이론적으로는 정확하지만 개별 재료의 제벡 전압을 직접 측정하는 것은 불가능합니다. 예를 들어 그림 1에 표시된 설정을 고려해 보세요.

구리선의 끝은 T1 = 25°C 및 T2 = 100°C입니다. 이 온도 범위에서 구리의 절대 제벡 계수는 일정하고 +1.5 μV/°C와 같다고 가정합니다. 방정식 1을 사용하면 다음과 같이 와이어 전체의 전압 차이를 찾을 수 있습니다.

$$V_{1}-V_{2}=1.5\times(100-25)=112.5\,\mu V$$

멀티미터 리드와 멀티미터의 입력 회로로 구성된 경로에도 75°C의 온도 차이가 발생하므로 멀티미터로 측정된 전압은 달라집니다. 테스트 리드와 멀티미터의 입력 회로 전반에 걸쳐 원하지 않는 Seebeck 전압으로 인해 오류가 발생합니다.

테스트 리드와 멀티미터에 Seebeck 전압이 생성되는 것을 방지하려면 이러한 부품을 일정한 온도로 유지해야 합니다. 예를 들어 그림 2와 같이 측정 시스템을 25°C로 유지할 수 있습니다.

이 예에서는 검정색 테스트 리드와 구리선의 뜨거운 끝 사이를 전기적으로 연결하기 위해 또 다른 도체가 필요합니다. 이 연결은 그림에서 "금속 2"로 표시됩니다. 이 연결에는 구리선을 사용할 수 없다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이는 원래 구리선과 동일한 온도 구배를 경험하여 다음과 같은 전압 차이(금속 2 전반에 걸쳐)가 발생하기 때문입니다.

$$V_{3}-V_{2}=1.5 \times (100-25) = 112.5\,\mu V$$

따라서 멀티미터는 원래 구리선의 온도 차이에 관계없이 0V를 측정합니다. 위의 논의는 재료의 절대 제벡 계수를 멀티미터로 직접 측정할 수 없는 이유를 보여줍니다. 절대 제벡 계수를 결정하는 일반적인 방법은 켈빈 관계를 적용하는 것입니다.

위의 논의로부터, 온도 구배에 비례하는 전압 차이를 생성하려면 제벡 계수가 같지 않은 재료가 필요하다는 것을 추측할 수 있습니다. 예를 들어, 0°C에서 +1.5μV/°C의 제벡 계수를 갖는 구리의 경우 0°C에서 절대 제벡 계수가 -40μV/°C인 콘스탄탄 와이어를 사용할 수 있습니다. "Metal 2"를 콘스탄탄 와이어로 교체하면 멀티미터는 아래 계산대로 3112.5μV의 전압 차이를 측정해야 합니다.

$$V_{1}-V_{3}= (V_{1}-V_{2})-(V_{3}-V_{2})= 1.5 \times(100-25)-(-40)\ 회(100 - 25) = 3112.5\,\mu V$$

위 계산에서는 구리와 콘스탄탄의 제벡 계수가 일정하고 관심 온도 범위에서 지정된 값과 동일하다고 가정합니다.

따라서 한쪽 끝에서 함께 납땜되거나 용접된 두 개의 서로 다른 도체를 사용하여 온도 센서를 만들 수 있습니다. 열전대로 알려진 이 온도 센서의 구조는 그림 3에 나와 있습니다.