열전대는 열을 전기에 변환하는 장치로, 열전 효과를 사용합니다.

이것은 여러 개의 열전쌍으로 구성되며, 열전쌍은 서로 다른 금속으로 만들어진 선 쌍으로, 온도 차이에 노출되면 전압을 생성합니다. 열전쌍은 직렬 또는 때때로 병렬로 연결되어 더 높은 전압 출력을 생성하는 열전대로 구성됩니다. 열전대는 온도 측정, 전력 생성, 적외선 감지 등 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.

열전대는 어떻게 작동합니까?

열전대는 열전 효과 원리를 기반으로 작동하며, 이는 온도 차이를 직접 전기 전압으로 변환하고 그 반대의 과정도 가능합니다. 이 효과는 1826년 토마스 제벡이 두 가지 다른 금속으로 만든 회로가 한 접점이 가열되고 다른 접점이 냉각될 때 전압을 발생한다는 것을 관찰하면서 발견되었습니다.

열전대는 본질적으로 열전효과와 반대 극성을 가진 두 개의 다른 금속으로 구성된 열전쌍의 일련입니다.

열전 효과는 단위 온도 차이당 재료가 생성하는 전압의 측정값입니다. 선들은 두 개의 접점에서 연결되며, 하나는 고온이고 다른 하나는 저온입니다. 고온 접점은 더 높은 온도 영역에 배치되고, 저온 접점은 더 낮은 온도 영역에 배치됩니다. 고온과 저온 접점 사이의 온도 차이는 회로를 통해 전류를 흐르게 하여 전압 출력을 생성합니다.

열전대의 전압 출력은 장치 전체의 온도 차이와 열전쌍 쌍의 수에 비례합니다.

비례 상수는 볼트/켈빈(V/K) 또는 밀리볼트/켈빈(mV/K)로 표현되는 제벡 계수라고 합니다. 제벡 계수는 열전쌍에 사용되는 금속의 종류와 조합에 따라 달라집니다.

아래 도표는 직렬로 연결된 두 세트의 열전쌍 쌍으로 구성된 간단한 열전대를 보여줍니다.

두 상단 열전쌍 접점은 온도 T1이며, 두 하단 열전쌍 접점은 온도 T2입니다. 열전대의 출력 전압 ΔV는 열저항층과 열전쌍 쌍의 수에 따른 온도 차이 ΔT 또는 T1 - T2에 비례합니다. 열저항층은 고온과 저온 영역 사이의 열 전달을 줄이는 재료입니다.

차등 온도 열전대 도면

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
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        열저항
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        층
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    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

열전대는 전압 출력을 증가시키기 위해 두 개 이상의 열전쌍 쌍으로 구성될 수도 있습니다.

열전대는 병렬로 연결될 수도 있지만, 이 구성은 전압 출력보다 전류 출력을 증가시키므로 덜 일반적입니다.

열전대는 절대 온도에 반응하지 않으며, 오직 온도 차이나 경사에만 반응합니다.

따라서, 열전대는 단위 면적당 열 전달 속도인 열 유속을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 열 유속은 전압 출력을 열저항과 장치의 면적으로 나누어 계산할 수 있습니다.

열전대는 열 전달 수단으로 적외선을 사용하며, 접촉 없이 온도를 측정하는 데에도 사용됩니다.

적외선은 700 nm부터 1 mm까지의 파장 범위를 가지며, 이는 300 K부터 5000 K까지의 온도에 해당합니다. 모든 0이 아닌 온도를 가진 물체는 적외선을 방출하며, 이는 열전대 센서로 감지될 수 있습니다.

열전대 센서의 종류

열전대 센서는 하나 이상의 열전대를 사용하여 물체나 소스로부터 온도 또는 적외선 복사를 측정하는 장치입니다.

열전대 센서는 접촉 없는 측정 원칙을 기반으로 하며, 접촉 기반 센서보다 높은 정확성, 빠른 응답 시간, 넓은 범위, 낮은 유지보수 등의 다양한 장점이 있습니다.

열전대 센서의 종류는 열전쌍의 수, 구성, 재료, 그리고 적외선 흡수체와 필터의 설계에 따라 다릅니다. 일부 일반적인 열전대 센서의 종류는 다음과 같습니다:

• 단일 요소 열전대 센서: 이 유형의 센서는 단일 고온 접점과 단일 저온 접점을 가진 하나의 열전대만 포함합니다. 고온 접점은 일반적으로 실리콘 칩 위의 마이크로 기계 가공 막막에 부착됩니다. 저온 접점은 열 싱크 또는 참조 온도에 연결됩니다. 센서는 고온과 저온 접점 사이의 온도 차이를 측정하며, 이는 막막이 흡수한 적외선에 비례합니다. 이 유형의 센서는 낮은 수준에서 중간 수준의 적외선 복사를 측정하는 데 적합하며 빠른 응답 시간을 가지고 있습니다.

• 다중 요소 열전대 센서: 이 유형의 센서는 병렬 또는 직렬로 배열된 여러 개의 열전대로 구성됩니다. 각 열전대는 고유한 고온 및 저온 접점을 가지며, 이러한 접점은 공통의 적외선 흡수체와 공통의 열 싱크에 연결됩니다. 센서는 각 열전대의 전압 출력 합을 측정하며, 이는 막막이 흡수한 전체 적외선에 비례합니다. 이 유형의 센서는 높은 수준의 적외선 복사를 측정하는 데 적합하며 높은 감도를 가지고 있습니다.

• 배열 열전대 센서: 이 유형의 센서는 기판 위에 행과 열로 배열된 열전대 배열을 가지고 있습니다. 각 열전대는 고유한 고온 및 저온 접점을 가지며, 이러한 접점은 개별 적외선 흡수체와 열 싱크에 연결됩니다. 센서는 각 열전대의 전압 출력을 개별적으로 측정하며, 이는 각 흡수체가 흡수한 국부적 적외선에 비례합니다. 이 유형의 센서는 적외선 복사 분포의 2차원 이미지를 만들고, 물체의 위치, 모양, 움직임을 감지할 수 있습니다.

• 피로전기 열전대 센서: 이 유형의 센서는 피로전기 재료와 열전대를 결합합니다. 피로전기 재료는 가열되거나 냉각될 때 전하를 생성하는 재료입니다. 피로전기 재료는 열전대의 고온 접점에 부착되며, 저온 접점은 열 싱크에 연결됩니다. 센서는 열전대의 전압 출력과 피로전기 재료의 전하 출력을 측정하며, 이는 재료가 흡수한 적외선의 변화율에 비례합니다. 이 유형의 센서는 빠른 변화의 적외선을 감지하고 정적 및 동적 온도를 모두 측정할 수 있습니다.

열전대 센서의 응용 분야

열전대 센서는 의료, 산업, 환경 모니터링, 소비자 전자 제품 등 다양한 분야에서 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다.

팁