열전대

제벡 효과

계측 분야에 적용되는 흥미로운 현상은 와이어를 따라 흐르는 온도 차이로 인해 와이어 길이에 걸쳐 작은 전압이 생성되는 Seebeck 효과입니다. 이 효과는 두 개의 서로 다른 금속이 접촉하는 접합에서 가장 쉽게 관찰되고 적용되며, 각 금속은 길이를 따라 서로 다른 Seebeck 전압을 생성하며, 이는 두 개의 (결합되지 않은) 와이어 끝 사이의 전압으로 변환됩니다. 대부분의 이종 금속 쌍은 접합부가 가열될 때 측정 가능한 전압을 생성하며, 일부 금속 조합은 다른 금속보다 온도 1도당 더 많은 전압을 생성합니다.

Seebeck 효과는 상당히 선형적입니다. 즉, 두 전선의 가열 접합에 의해 생성된 전압은 온도에 정비례합니다. 이것은 생성된 전압을 측정하여 금속 와이어 접합부의 온도를 결정할 수 있음을 의미합니다. 따라서 Seebeck 효과는 전기적인 온도 측정 방법을 제공합니다.

열전대

온도를 측정하기 위해 한 쌍의 서로 다른 금속이 함께 결합될 때 형성된 장치를 열전대라고 합니다. . 계측용으로 제작된 열전대는 정확한 온도/전압 관계를 위해 고순도 금속을 사용합니다(가능한 한 선형적이고 예측 가능).

Seebeck 전압은 대부분의 온도 범위에서 수십 밀리볼트 정도로 매우 작습니다. 이로 인해 정확한 측정이 다소 어렵습니다. 또한 모든 서로 다른 금속 사이의 접합은 온도 종속 전압을 생성하므로 열전쌍을 전압계에 연결하여 회로를 완성하려고 할 때 문제가 발생합니다.

측정 접합부

열전쌍과 상단 와이어의 미터 사이의 연결에 의해 형성된 두 번째 철/구리 접합은 측정 접합에서 생성된 전압과 극성이 반대인 온도 종속 전압을 생성합니다. 즉, 전압계의 구리 리드 사이의 전압은 차이의 함수가 됩니다. 측정 접합부의 온도가 아니라 두 접합부 사이의 온도입니다. 구리가 이종 금속 중 하나가 아닌 열전대 유형의 경우에도 측정기의 구리 리드를 연결하는 두 금속의 조합은 측정 접합과 동일한 접합을 형성합니다.

기준 정션

이 두 번째 교차점을 참조라고 합니다. 또는 차가운 측정 끝의 접합부와 구별하기 위해 접합부에서 열전대 회로를 피할 수 없습니다. 일부 응용 분야에서는 두 지점 간의 차동 온도 측정이 필요하며 이러한 열전대의 고유한 특성을 활용하여 매우 간단한 측정 시스템을 만들 수 있습니다.

그러나 대부분의 응용 프로그램에서 의도는 단일 지점에서만 온도를 측정하는 것이며 이러한 경우 두 번째 접합이 기능에 문제가 됩니다.

기준 접합에 의해 생성된 전압에 대한 보상은 일반적으로 기준 접합의 온도를 측정하고 기준 접합의 영향에 대응하는 해당 전압을 생성하도록 설계된 특수 회로에 의해 수행됩니다. 이 시점에서 "열전쌍의 특성을 극복하기 위해 다른 형태의 온도 측정에 의존해야 한다면 왜 열전쌍을 사용하여 온도를 측정하는 것을 귀찮게 할까요? 그것이 무엇이든 간에 이 다른 형태의 온도 측정을 사용하여 작업을 수행하는 것이 어떻겠습니까?” 답은 이것입니다. 기준 접합 보상에 사용되는 다른 형태의 온도 측정은 열전대 접합만큼 강력하거나 다용도가 아니지만 기준 접합 사이트에서 실온 측정 작업을 꽤 잘 수행하기 때문입니다. 예를 들어, 열전대 측정 접합부는 주조용 용광로의 1800도(화씨) 연도에 삽입될 수 있는 반면 기준 접합부는 주변 온도에서 금속 캐비닛에 100피트 떨어진 곳에 위치하며 다음을 수행할 수 있는 장치로 온도를 측정합니다. 용광로의 열이나 부식성 분위기에서 절대 살아남지 마십시오.

열전대 접합에 의해 생성된 전압은 온도에 엄격하게 의존합니다. 열전대 회로의 모든 전류는 이 전압에 반대되는 회로 저항의 함수입니다(I=E/R). 즉, 온도와 Seebeck 전압의 관계는 고정되어 있는 반면, 온도와 전류의 관계는 회로의 전체 저항에 따라 가변적이다. 충분히 무거운 열전대 도체를 사용하면 한 쌍의 열전대 접합부에서 수백 암페어 이상의 전류가 생성될 수 있습니다! (실제로 실험실 실험에서 구리와 구리/니켈 합금의 무거운 막대를 사용하여 접합부와 회로 도체를 형성하는 것을 보았습니다.)

측정 목적을 위해 열전대 회로에 사용되는 전압계는 열전대 와이어를 따라 오류를 유발하는 전압 강하를 방지하기 위해 매우 높은 저항을 갖도록 설계되었습니다. 도체 길이에 따른 전압 강하 문제는 앞에서 논의한 DC 전압 신호보다 여기에서 훨씬 더 심각합니다. 여기에서 접합에 의해 생성된 전압의 몇 밀리볼트만 있기 때문입니다. 심각한 온도 측정 오류를 일으키지 않고는 도체 길이를 따라 단 1밀리볼트의 강하도 허용할 수 없습니다.

그러면 이상적으로 열전대 회로의 전류는 0입니다. 초기 열전대 표시 계기는 접합 전압을 측정하기 위해 널 밸런스 전위차 전압 측정 회로를 사용했습니다. 초기의 Leeds &Northrup "Speedomax" 라인 온도 표시기/기록기는 이 기술의 좋은 예입니다. 최신 기기는 반도체 증폭기 회로를 사용하여 열전대의 전압 신호가 회로에 전류를 거의 또는 전혀 사용하지 않고 표시 장치를 구동할 수 있도록 합니다.

열전퇴

그러나 열전대는 낮은 저항을 위해 굵은 전선으로 구성할 수 있으며 온도 측정 이외의 목적으로 매우 높은 전류를 생성하도록 연결될 수 있습니다. 그러한 목적 중 하나는 전력 생산입니다. 많은 열전대를 직렬로 연결하고 각 접합부에서 고온/저온 온도를 번갈아 가며 열전대라고 하는 장치 상당한 양의 전압과 전류를 생성하도록 구성할 수 있습니다.

펠티에 효과

동일한 온도에서 접합의 왼쪽 및 오른쪽 세트를 사용하면 각 접합의 전압은 동일하고 반대 극성은 최종 전압이 0이 되도록 상쇄됩니다. 그러나 왼쪽 접합 세트가 가열되고 오른쪽 접합이 냉각되면 각 왼쪽 접합의 전압이 각 오른쪽 접합보다 높아져 전체 출력 전압이 모든 접합 쌍 차동의 합과 같게 됩니다. 열전퇴에서 이것이 정확히 설정되는 방식입니다. 열원(연소, 강한 방사성 물질, 태양열 등)은 접합부 한 세트에 적용되고 다른 세트는 일종의 방열판(공냉식 또는 수냉식)에 결합됩니다. 흥미롭게도 전류가 열전퇴에 연결된 외부 부하 회로를 통해 흐르면 열 에너지가 열접점에서 냉접점으로 전달되어 또 다른 열전 현상인 이른바 펠티에 효과를 나타냅니다. (열에너지를 전달하는 전류).

열전대의 또 다른 응용 프로그램은 평균 여러 위치 사이의 온도. 이를 수행하는 가장 쉬운 방법은 여러 열전대를 서로 병렬로 연결하는 것입니다. 각 열전쌍에서 생성된 밀리볼트 신호는 병렬 연결 지점에서 평균화됩니다. 접합부 사이의 전압 차이는 열전대 와이어의 저항과 함께 떨어집니다.

그러나 불행하게도 이러한 Seebeck 전압 전위의 정확한 평균은 각 열전쌍의 와이어 저항이 동일해야 합니다. 열전대가 다른 위치에 있고 해당 와이어가 단일 위치에서 병렬로 연결되는 경우 와이어 길이가 같을 가능성은 없습니다. 측정 지점에서 병렬 연결 지점까지의 와이어 길이가 가장 긴 열전쌍은 저항이 가장 큰 경향이 있으므로 생성된 평균 전압에 가장 적은 영향을 미칩니다.

다중 열전쌍 접합부

이를 보상하기 위해 병렬 열전대 회로 분기 각각에 추가 저항을 추가하여 각각의 저항을 더 같게 만들 수 있습니다. 모든 열전대 사이의 저항을 정확하게 동일하게 만들기 위해 각 분기에 대한 사용자 지정 크기 저항이 없으면 열전대 와이어의 저항보다 훨씬 높은 동일한 값의 저항을 간단히 설치하여 해당 와이어 저항이 훨씬 작은 영향을 미치도록 할 수 있습니다. 총 분기 저항에. 이러한 저항을 Swamping이라고 합니다. 상대적으로 높은 값이 열전대 와이어 자체의 저항을 가리거나 "폭풍"하기 때문에 저항:

써모커플 접합은 낮은 전압을 생성하기 때문에 정확하고 안정적인 작동을 위해서는 와이어 연결이 매우 깨끗하고 단단해야 합니다. 또한 기준 접점의 위치(이종 금속 열전대 와이어가 표준 구리에 연결되는 위치)는 기기가 기준 접점 온도를 정확하게 보상할 수 있도록 측정 기기에 가깝게 유지해야 합니다. 이러한 제한적인 요구 사항에도 불구하고 열전대는 현대에서 가장 강력하고 널리 사용되는 산업용 온도 측정 방법 중 하나입니다.

검토:

<울>

제벡 효과 는 접합의 온도에 비례하는 두 개의 서로 다른 결합된 금속 사이의 전압 생성입니다.

열전대 회로에는 서로 다른 금속 사이에 두 개의 등가 접합이 형성됩니다. 의도한 측정 위치에 배치된 접합부를 측정이라고 합니다. 다른(단일 또는 등가) 접합을 참조라고 합니다. 분기점.

두 개의 열전대 접합부를 서로 반대 방향으로 연결하여 두 접합부 사이의 차동 온도에 비례하는 전압 신호를 생성할 수 있습니다. 전기를 생성할 목적으로 이렇게 연결된 접합부의 집합을 열전퇴라고 합니다. .

서모파일의 접합부를 통해 전류가 흐를 때 열 에너지는 접합부 한 세트에서 다른 세트로 전달됩니다. 이를 펠티에 효과라고 합니다. .

여러 열전쌍 접합부를 서로 병렬로 연결하여 접합부 사이의 평균 온도를 나타내는 전압 신호를 생성할 수 있습니다. "Swamping" 저항은 각 열전대와 직렬로 연결되어 접합부 간의 평등을 유지할 수 있으므로 결과 전압이 실제 평균 온도를 더 잘 나타낼 수 있습니다.

좋은 측정 정확도를 위해서는 열전대 회로의 전류를 가능한 한 낮게 유지해야 합니다. 또한 관련된 모든 배선 연결은 깨끗하고 단단해야 합니다. 회로의 어느 위치에서든 밀리볼트의 전압 강하만으로도 상당한 측정 오류가 발생합니다.