열전대 계측기

정의

열전대 기기는 열전대를 사용하여 온도, 전류 및 전압을 측정하는 장치로 정의됩니다. 이 다목적 기기는 교류(AC)와 직류(DC) 회로에서 모두 측정이 가능하여 다양한 응용 분야에서 가치 있는 도구입니다.

열전대 기본 사항

열전대는 서로 다른 두 가지 금속으로 구성된 전기 장치입니다. 그 기능은 다음과 같은 기본 원칙에 근거합니다: 이러한 두 가지 다른 금속이 만나는 접점에서 열 에너지가 전기 에너지로 변환됩니다. 이 현상은 제베크 효과라고 알려져 있으며, 열전대 기기의 작동 기반을 형성하며, 금속 접점에서 생성된 전기 잠재력을 활용하여 온도 및 기타 전기 매개변수를 정확하게 측정할 수 있게 합니다.

작동 메커니즘

전류 크기를 측정하려면 측정할 전류를 열전대의 접점에 통과시킵니다. 전류가 흐르면서 가열 요소 내부에서 열을 발생시킵니다. 그 결과, 열전대는 출력 단자에서 전기 동력(emf)을 유도합니다. 이 유도된 emf는 영구 자석 이동 코일(PMMC) 기기로 측정됩니다. 이 emf의 크기는 열전대 접점의 온도와 측정된 전류의 평균 제곱근(RMS) 값과 직접적으로 비례합니다.

주요 장점

열전대 기기의 가장 주목할 만한 장점 중 하나는 고주파 전류 및 전압 측정에 적합하다는 것입니다. 이러한 기기는 50Hz 이상의 주파수에서 더 높은 정확도를 보여주어, 고주파 전기 매개변수가 정확히 결정되어야 하는 응용 분야에서 이상적인 선택입니다.

열전기 기기의 작동 원리

열 emf의 발생은 두 가지 다른 금속으로 구성된 회로 내에서 이루어집니다. 이러한 금속이 만나는 접점의 온도는 전체 작동에서 중요한 역할을 하며, 기기가 어떻게 작동하는지 이해하는데 있어 핵심 매개변수입니다.

a와 b는 열전대에 사용되는 금속의 특성에 따라 결정되는 상수입니다. 일반적으로 a의 값은 40에서 50 마이크로볼트 범위이며, b의 값은 몇 십분의 일에서 수백 마이크로볼트 섭씨 제곱 μV/C°2 범위입니다.

Δθ를 열전대의 뜨거운 접점과 차가운 접점 사이의 온도 차로 표기하면, 관련된 온도 표현식은 다음과 같이 도출될 수 있습니다.

가열 요소는 열을 생성하며, 생성된 열의 양은 전류(I)의 평균 제곱근(RMS) 값의 제곱과 가열 요소의 저항(R)의 곱에 비례합니다. I2R 공식으로 표현됩니다. 따라서 온도 상승도 가열 요소에서 생성된 열에 비례합니다. 이 관계는 가열 요소가 어떻게 작동하고 시스템 내의 온도에 영향을 미치는지를 이해하는 데 기본적이며, 전기 입력과 열 출력 간의 명확한 연결을 설정합니다.

열전대 기기는 차가운 접점과 뜨거운 접점 두 가지 접점을 가지고 있습니다. 이 두 접점 사이의 차이는 다음과 같이 표현됩니다.

b의 값은 a에 비해 매우 작아 무시됩니다. 접점의 온도는 다음과 같이 표현됩니다.

영구 자석 이동 코일(PMMC) 기기의 편차는 기기의 단자에서 유도된 전기 동력(emf)에 직접적으로 비례합니다. 이 관계는 유도된 emf가 증가하거나 감소함에 따라 기기의 이동 코일의 편차가 대응하는 방식으로 변화한다는 것을 의미합니다. 수학적으로 이러한 기기의 이동 코일의 편차는 다음 방정식으로 표현되며, 이를 통해 기기가 전기 입력에 대한 반응 원리를 포괄적으로 설명할 수 있습니다.

여기서 K3 - aK1K2R이라는 표현은 일정한 값을 나타냅니다. 이 특성 덕분에 기기는 제곱 법칙 반응을 나타내며, 즉 출력이 입력량(예: 전류 또는 전압)의 제곱에 따라 변합니다.

열전기 기기의 구조

열전기 기기는 주로 두 가지 필수 구성 요소로 구성됩니다: 열전기 요소와 지시 기기입니다. 이 두 부분이 함께 작동하여 전기 및 열 양을 정확하게 측정할 수 있습니다.

열전기 요소

열전대 기기에서는 네 가지 유형의 열전기 요소가 일반적으로 사용됩니다. 각 유형은 고유한 특징과 작동 원칙을 가지고 있으며, 아래에 자세히 설명됩니다.

접촉형

접촉형 열전기 요소는 별도의 가열기를 사용합니다. 아래 그림에서 보듯이, 열전대의 접점은 가열기와 직접 물리적으로 접촉합니다. 이 직접 접촉은 가열기에서 열전대 접점으로 효율적인 열 전달을 가능하게 하며, 가열기에 의해 생성된 열 에너지를 열전대 접점에서 전기 신호(전기 동력 또는 emf)로 정확하게 변환하는 데 중요합니다.

전기 가열 요소의 기능

전기 가열 요소는 열전기 기기 내에서 다음과 같은 중요한 역할을 수행합니다:

• 에너지 변환: 전기 에너지를 열 에너지로 변환하는 핵심 구성 요소 역할을 합니다. 이 변환은 열 효과를 사용하여 전기 양을 측정하는 프로세스의 첫 단계입니다.

• 열전기 변환: 가열 요소에서 생성된 열 에너지는 열전대의 접점에서 제베크 효과를 활용하여 전기 에너지로 변환됩니다. 이 변환은 열전대의 뜨거운 접점과 차가운 접점 사이의 온도 차이로 인해 전기 동력(emf)이 생성됩니다.

• 기기 작동: 열전대의 출력 단자는 영구 자석 이동 코일(PMMC) 기기에 연결됩니다. 생성된 전기 에너지의 일부만 PMMC 기기의 포인터를 편차시키는데 사용됩니다. 이 에너지는 기기의 스프링에 저장되어 포인터의 위치를 유지하고 측정값을 표시하는 데 도움이 됩니다.

열전기 요소의 유형

비접촉형 기기

비접촉형 열전기 기기에서는 가열 요소와 열전대 사이에 직접적인 전기 연결이 없습니다. 대신 두 구성 요소는 전기 절연층으로 분리됩니다. 이 절연은 전기적 격리를 제공하지만, 기기의 성능에도 눈에 띄는 영향을 미칩니다. 접촉형 기기와 비교하여 비접촉 설계는 시스템이 측정량의 변화에 덜 민감하고 응답 시간이 느립니다. 이는 절연 장벽으로 인해 가열 요소에서 열전대로의 열 전달이 덜 효율적이기 때문입니다.

진공 열전기 요소

진공관 기반 열전기 기기에서는 가열기와 열전대가 진공 상태의 유리 튜브 내에 봉인되어 있습니다. 이 진공 환경은 기기의 효율성을 크게 향상시킵니다. 공기의 존재를 제거함으로써 대류와 전도를 통한 열 손실이 최소화됩니다. 따라서 가열기는 더 오랜 시간 동안 열을 유지할 수 있어, 열전대에 대해 더 안정적이고 일관된 열원을 제공합니다. 이로 인해 시간이 지나면서 더 정확하고 신뢰할 수 있는 측정이 가능합니다.

브릿지형

브릿지형 열전기 기기에서는 전류가 직접 열전대를 통과합니다. 전류가 흐르면서 열전대의 온도가 상승합니다. 이 온도 상승의 크기는 전류의 평균 제곱근(RMS) 값과 직접적으로 비례합니다. 이 전류, 온도 변화, 그리고 열전대에서 발생하는 전기 출력 간의 직접적인 관계는 이러한 기기가 전기 양을 정확하게 측정하는 기반이 되며, 다양한 측정 응용 분야에서 신뢰성 있고 효율적인 방법을 제공합니다.

열전기 기기의 장점

열전기 기기는 다음과 같은 주목할 만한 장점을 제공하여 전기 측정 및 분석에서 귀중한 도구입니다:

• 직접적인 RMS 표시: 주요 장점 중 하나는 파형의 전압 및 전류의 평균 제곱근(RMS) 값을 직접 표시할 수 있다는 것입니다. 이 기능은 측정 과정을 간소화하여 사용자가 추가 계산이나 복잡한 변환 방법 없이 이러한 중요한 전기 매개변수를 빠르고 정확하게 결정할 수 있게 합니다.

• 외부 자기장에 대한 면역: 이러한 기기는 외부 자기장의 영향에 내성이 있습니다. 이 면역성은 외부 자기 간섭이 기기의 작동이나 결과에 영향을 미치지 않아 더 정확하고 신뢰할 수 있는 측정을 보장합니다. 전기 기계나 전력선 근처와 같은 자기 간섭이 흔한 환경에서 이러한 장점은 특히 중요합니다.

• 넓은 전류 측정 범위: 이러한 기기에 사용되는 열전기 요소는 광범위한 전류 측정을 가능하게 합니다. 저전류 또는 고전류 응용 분야를 다루는 경우에도 열전기 기기는 정확하게 측정하고 표시할 수 있어 다양한 전기 시스템 및 실험 설정에서 유연성을 제공합니다.

• 높은 감도: 열전기 기기는 전기 양의 작은 변화까지 감지할 수 있는 높은 정도의 감도를 보입니다. 연구 실험실이나 다른 전기 장치의 교정과 같은 전압이나 전류의 미세한 변화가 중요한 의미를 가지는 응용 분야에서 정밀한 측정이 필요합니다.

• 포텐티오미터 교정 유틸리티: 포텐티오미터의 교정에 매우 유용합니다. 표준 셀의 정확성을 활용하여 열전기 기기는 포텐티오미터의 정상적인 작동과 정확성을 보장하는데 도움이 됩니다. 포텐티오미터는 전압 조절 및 측정을 위해 많은 전기 회로에서 필수적인 구성 요소입니다.

• 주파수 독립적 작동: 열전기 요소는 주파수 오류가 없으므로, 이러한 기기는 다양한 주파수 범위에서 사용할 수 있습니다. 이 특성은 저주파수 전력 시스템에서 고주파수 전자 회로까지 교류(AC) 신호를 처리하는 응용 분야에 적합합니다.

열전기 기기의 단점

많은 강점에도 불구하고 열전기 기기는 다음과 같은 한 가지 주요한 제한이 있습니다:

• 제한된 과부하 용량: 다른 종류의 전기 측정 요소와 비교하여 열전기 기기는 상대적으로 낮은 과부하 용량을 가지고 있습니다. 이는 이러한 기기가 정격 한도를 초과하는 전류나 전압에 노출될 때 손상이나 부정확한 측정 결과에 더 취약함을 의미합니다. 따라서 과부하 조건이 발생할 수 있는 응용 분야에서 이러한 기기를 사용할 때는 신중한 고려와 적절한 보호 조치가 필요합니다.