복사열도계: 비접촉 온도 센서

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필드: 기본 전기학

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복사열계는 무엇인가요?

복사열계는 물체에서 방출되는 열복사를 감지하여 먼 거리의 물체의 온도를 측정하는 장치입니다. 이 종류의 온도 센서는 다른 온도계와 달리 물체에 접촉하거나 열 접촉을 하지 않아도 됩니다. 예를 들어 thermocouples 및 resistance 온도 검출기(RTDs)와 같은 경우입니다. 복사열계는 주로 물체에 직접적으로 접촉할 수 없거나 바람직하지 않은 750°C 이상의 고온을 측정하는 데 사용됩니다.

복사열계란?

복사열계는 물체에서 자연적으로 방출되는 열복사를 감지하여 물체의 온도를 추론하는 비접촉식 온도 센서로 정의됩니다. 물체의 열복사 또는 복사는 그 온도와 발광율에 따라 달라집니다. 발광율은 완벽한 black body와 비교하여 얼마나 잘 열을 방사하는지를 나타내는 척도입니다. 스테판-볼츠만 법칙에 따르면, 물체가 방출하는 전체 열복사는 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

여기서,

Q는 W/m$^2$ 단위의 열복사입니다.
ϵ는 물체의 발광율 (0 < ϵ < 1)입니다.
σ는 W/m$2$K$4$ 단위의 스테판-볼츠만 상수입니다.
T는 절대 온도(Kelvin)입니다.

복사열계는 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다:

렌즈나 거울이 물체에서 방출된 열복사를 수신 요소로 수집하고 집중시킵니다.
수신 요소는 열복사를 전기 신호로 변환합니다. 이는 저항 온도계, thermocouple, 혹은 광검출기일 수 있습니다.
기록 장치는 전기 신호를 기반으로 온도 값을 표시하거나 기록합니다. 이는 밀리볼트미터, 갈바노미터, 혹은 디지털 디스플레이일 수 있습니다.

복사열계의 종류

주로 두 가지 유형의 복사열계가 있습니다: 고정 초점 타입과 가변 초점 타입입니다.

고정 초점 타입 복사열계

고정 초점 타입 복사열계는 앞쪽 끝에 좁은 구멍이 있는 긴 튜브와 뒤쪽 끝에 오목 거울이 있습니다.

민감한 thermocouple이 적절한 거리에 오목 거울 앞에 배치되어, 물체에서 방출된 열복사가 거울에 반사되어 thermocouple의 핫 조인트에 집중됩니다. thermocouple에서 생성된 emf는 millivoltmeter 또는 galvanometer로 측정되며, 이를 통해 온도를 직접 캘리브레이션할 수 있습니다. 이 유형의 복사열계의 장점은 물체와 기기 사이의 거리를 조정할 필요가 없다는 것입니다. 거울은 항상 열복사를 thermocouple에 집중시키기 때문입니다. 그러나 이 유형의 복사열계는 측정 범위가 제한적이고, 거울이나 렌즈에 먼지나 더러움이 있을 경우 영향을 받을 수 있습니다.

가변 초점 타입 복사열계

가변 초점 타입 복사열계는 높은 광택의 강철로 만든 조정 가능한 오목 거울을 가지고 있습니다.

물체에서 방출된 열복사는 먼저 거울에 의해 수신되고, 그런 다음 작은 동 또는 은 원판에 용접된 선들이 형성하는 열접합체에 반사됩니다. 물체의 시각적인 이미지는 관통경과 주 거울의 중앙 구멍을 통해 원판 위에서 볼 수 있습니다. 주 거울의 위치는 원판과 초점이 일치할 때까지 조정됩니다. 열접합체의 가열은 원판 위의 열 이미지로 인해 발생하며, 이는 millivoltmeter 또는 galvanometer로 측정됩니다. 이 유형의 복사열계의 장점은 넓은 범위의 온도를 측정할 수 있으며, 복사된 보이지 않는 광선도 측정할 수 있다는 것입니다. 그러나 이 유형의 복사열계는 정확한 측정을 위해 세심한 조정과 정렬이 필요합니다.