오늘은 써모커플(Thermocouple)에 대해 자세히 얘기해볼까 합니다.
지난 포스팅에서 얘기했던것과 같이 써모커플은 열전대(열전쌍)라고 불리는 온도센서의
한 종류입니다.
(자료를 찾아보니 열전대는 일본식(마주할 대)으로 부르던 것을 그대로 사용해서 그렇다고 하고,
의미를 한문으로 표현하고 중국식(짝 우)으로 풀이하면 열전우가 된다고 합니다.
또 우리식으로 얘기하자면 두개가 한 짝을 이루니 열전쌍이 되는것 같네요.
그냥 의미만 통하면 될것 같습니다. 저는 써모커플이나 T/C로 부르는게 편하네요. ^^)
1. 제벡효과
써모커플은 제벡효과를 이용한 온도검출 센서입니다.
제벡효과는 1821년 Thmas Johann Seebeck이 발견한 효과로
'수분이 없는 상태에서 폐쇄회로를 구성하고 있는 두개의 다른 금속의 접점에서
온도의 차이가 발생할 때 자기적 특성이 나타난다'는 것을 기초로 합니다.
즉 금속A와 금속B를 접합(한쪽만)시키고, 다른 한쪽은 각각 터미널 단자로 만들어 두고 케이블을 연결합니다.
그럼 접합된 부위에 온도가 상승하거나 하강하게 되면 제벡효과로 인하여 열기전력이 발생하게 되고,
이로인해 터미널단자에 연결한 케이블을 이용하여 우리는 PLC나 Transmitter로 열기전력에 의해 유기된
전압을 측정하여 온도를 검출 하는 것입니다.
2. 써모커플의 형태-1 (열전대의 보호형태에 따른 분류)
써모커플에는 센서 프로브의 형태에 따라 크게 3가지 타입이 있습니다.
노출형, 접지형, 비접지형인데요. 자세히 알아보겠습니다.
1) 노출형 (Exposed junction)
위 그림과 같은 형태로 두 금속의 접합부위가 온도검출을 위하여 노출된 형태를 이야기 합니다.
온도 검출을 담당하는 접합부위가 직접 유체와 닿기 때문에 온도 변화를 빠르게 감지하고 응답성이 좋지만,
기밀성이 좋지 않기 때문에 고온, 고압, 부식이 많은 곳에서는 사용하기 어렵습니다.
2) 접지형 (Grounded junction)
접지형은 두 금속의 접합부위를 금속보호대에 연결한 상태를 이야기 합니다.
온도변화를 빠르게 감지 할 수 있을 뿐만 아니라, 고온, 고압등 열악한 환경에서도 사용이 용이합니다.
그래서 가장 많이 사용하는 형태입니다.
다만 노이즈나, 기타전원이 존재하는 장소에서는 사용이 불가합니다.
3) 비접지형 (Ungrounded junction)
두 금속의 접합부위를 아예 센서프로브 몸통과 분리시켜 두는 형태를 비접지형이라고 합니다.
기밀성이 가장 좋아, 외부와 완전히 절연된 상태이다.
그래서 온도변화에 따른 응답속도는 제일 떨어지는 타입이지만 외부환경에 구애받지 않고
사용할 수 있는 타입이다.
3. 써모커플의 형태-2 (센서프로브 모양에 따른 분류)
써모커플은 다양한 모습으로 제작 사용되어 집니다.
1) 와이어 타입
필요한 길이에 따라서 잘라서 사용할 수 있도록 제작되는 써모커플로 도선을 감싸고 있는 절연체 및 시스의 재질이
FEP, PEA등 여러가지 종류가 있습니다.
2) 프로브타입 (케이블)
가장 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 형태 입니다. 케이블 외피나 프로브의 재질이 여러종류가 있습니다.
3) 프로브타입 (헤드)
우리가 산업용으로 사용하는 형태로 Thermowell(보호관)을 이용하여 유체가 흐르는 곳에 삽입하여 사용합니다.
헤드 부분은 일반형(Weather proof)와 방폭형(Explosion proof)이 있으며 재질은 알루미늄다이캐스팅이나 일반 SUS재질등 다양합니다.
4) 전송기일체형 (Transmitter)
헤드 일체형 프로브타입과 함께 산업용에서 주로 사용하는 형태로 트랜스미터 일체형 입니다.
T/C의 전압을 측정하여 온도로 환산 후 셋팅되어 있는 Range에 맞게 4~20mA 혹은 0~10V의 아날로그 시그널로
변환하여 전송해 줍니다.
인디케이터(디지털표시 화면)가 없는 타입도 있으니 용도에 맞게 선정 하면 됩니다.
4. 써모커플의 종류
써모커플은 다양한 금속 조합으로 만들어 지는데, 이 금속 조합에 따라 타입이 나뉩니다.
그리고 당연히 이 금속조합에 따라 온도 범위나 온도 테이블 데이터도 달라지게 되며,
J / K / T / E / N / R / S / B / G(W) / C(W5) / D(W3) 가 있습니다.
또한 금속 조합 이외에도 와이어의 직경, 피복과 같은 구성에 따라 온도 범위와 특성이 변경되니
메이커에서 제공하는 온도 테이블 데이터를 이용하시는것을 추천드립니다.
첨부파일에는 산업용으로 제일 많이 사용하는 J, K, T, E, N 타입의 기전력에 따른 온도테이블을
올려두겠습니다.
(다시 한번 말씀드리지만 써모커플의 금속재질을 제외한 나머지 구성품에 의해서도
테이블 데이터가 바뀔 수 있으니 반드시 메이커에서 제공하는 온도 테이블을 사용하셔야 합니다.
본 첨부파일은 기초설계단계에서 참고자료로만 사용하실 것을 추천드립니다.)
그리고 제가 사용하는 지멘스메이커의 타입별 온도 레인지범위 입니다.
메이커마다 상이하다는 점을 기억하셔야 합니다.
※ 써모커플을 선정할때는 온도범위, 정확도, 공정호환, 도구적 호환을 고려해야 합니다.
절대 전기계장 혼자서 단독으로 계기를 선정하는것은 위험합니다.
항상 공정파트와 의견을 조율하고 선정한 계기의 정보를 기계와도 공유하는 습관이 중요합니다.
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