제벡 효과
계측 분야에 적용되는 흥미로운 현상은 제베크 효과 로 , 와이어를 따라 온도 차이로 인해 와이어 길이에 걸쳐 작은 전압이 생성되는 것입니다. 이 효과는 가장 쉽게 관찰되고 접촉하는 두 개의 이종 금속의 접합부에서 적용되며, 각 금속은 길이를 따라 다른 제베크 전압을 생성하고, 이는 두 개의 (접합되지 않은) 와이어 끝 사이의 전압으로 변환됩니다. 대부분의 이종 금속 쌍은 접합부가 가열되면 측정 가능한 전압을 생성하며, 일부 금속 조합은 다른 조합보다 온도 1도당 더 많은 전압을 생성합니다.
제벡 효과는 상당히 선형적입니다. 즉, 두 개의 전선의 가열된 접합부에서 생성된 전압은 온도에 직접 비례합니다. 즉, 금속선 접합부의 온도는 생성된 전압을 측정하여 결정할 수 있습니다. 따라서 제벡 효과는 우리에게 전기적 온도 측정 방법을 제공합니다.
열전대
서로 다른 금속 한 쌍을 온도 측정 목적으로 결합하면 형성된 장치를 열전대라고 합니다 . 계측용으로 만들어진 열전대는 정확한 온도/전압 관계(가능한 한 선형적이고 예측 가능)를 위해 고순도 금속을 사용합니다.
제벡 전압은 대부분 온도 범위에서 수십 밀리볼트로 매우 작습니다. 이로 인해 정확하게 측정하기가 다소 어렵습니다. 또한, 이종 금속 간의 모든 접합부가 온도에 따라 달라지는 전압을 생성한다는 사실은 열전대를 전압계 에 연결하여 회로를 완성하려고 할 때 문제가 됩니다 .
측정 접합
열전대와 상단 와이어의 미터 사이의 연결로 형성된 두 번째 철/구리 접합은 측정 접합에서 생성된 전압과 극성이 반대인 온도 의존적 전압을 생성합니다. 즉, 전압계의 구리 리드 사이의 전압은 측정 접합부의 온도만이 아니라 두 접합부 사이의 온도 차이 의 함수가 됩니다 . 구리가 다른 금속 중 하나가 아닌 열전대 유형의 경우에도 측정 기기의 구리 리드를 연결하는 두 금속의 조합은 측정 접합부와 동등한 접합부를 형성합니다.
참조 접합
이 두 번째 접합은 측정 끝의 접합과 구별하기 위해 기준 또는 콜드 접합 이라고 하며 , 열전대 회로에서 접합을 피할 방법은 없습니다. 일부 응용 프로그램에서는 두 지점 간의 차등 온도 측정이 필요하며, 열전대의 이러한 고유한 특성을 활용하여 매우 간단한 측정 시스템을 만들 수 있습니다.
그러나 대부분의 응용 프로그램에서는 단일 지점의 온도만 측정하는 것이 목적이며, 이 경우 두 번째 접합부가 기능에 방해가 됩니다.
기준 접합부에서 생성된 전압에 대한 보상은 일반적으로 온도를 측정하고 기준 접합부의 효과를 상쇄하는 해당 전압을 생성하도록 설계된 특수 회로에 의해 수행됩니다. 이 시점에서 "열전대의 특이성을 극복하기 위해 다른 형태의 온도 측정에 의존해야 한다면, 왜 열전대를 사용하여 온도를 측정해야 할까요? 왜 이 다른 형태의 온도 측정을 사용하지 않을까요? 무엇이든 그 일을 하기 위해 그냥 사용하지 않을까요?"라고 궁금해할 수 있습니다. 답은 다음과 같습니다. 기준 접합부 보상에 사용되는 다른 형태의 온도 측정은 열전대 접합부만큼 견고하거나 다재다능하지 않지만 기준 접합부 위치에서 실내 온도를 측정하는 작업은 매우 잘 수행하기 때문입니다. 예를 들어, 열전대 측정 접합부를 주조 홀딩로의 1800도(F) 연도에 삽입하는 반면, 기준 접합부는 주변 온도의 금속 캐비닛에서 100피트 떨어진 곳에 위치하여 열이나 부식성 분위기에서 결코 견딜 수 없는 장치로 온도를 측정할 수 있습니다.
열전대 접합부에서 생성되는 전압은 온도에 따라 엄격하게 달라집니다. 열전대 회로의 모든 전류 는 이 전압에 대한 회로 저항의 함수입니다(I=E/R). 즉, 온도와 제벡 전압 간의 관계는 고정되어 있는 반면, 온도와 전류 간의 관계는 회로의 총 저항에 따라 가변적입니다. 충분히 무거운 열전대 도체를 사용하면 단일 쌍의 열전대 접합부에서 수백 암페어 이상의 전류를 생성할 수 있습니다!(실제로 실험실 실험에서 구리와 구리/니켈 합금의 무거운 막대를 사용하여 접합부와 회로 도체를 형성하는 것을 보았습니다.)
측정 목적으로, 열전대 회로에 사용되는 전압계는 열전대 와이어를 따라 오류를 유발하는 전압 강하를 피하기 위해 매우 높은 저항을 갖도록 설계되었습니다. 도체 길이를 따라 전압 강하 문제는 이전에 논의한 DC 전압 신호보다 훨씬 더 심각합니다. 왜냐하면 여기서는 접합부에서 생성된 전압의 몇 밀리볼트만 있기 때문입니다. 심각한 온도 측정 오류가 발생하지 않고는 도체 길이를 따라 단 밀리볼트의 강하도 허용할 수 없습니다.
이상적으로, 열전대 회로의 전류는 0입니다. 초기 열전대 표시 계측기는 널 밸런스 전위차 전압 측정 회로를 사용하여 접합 전압을 측정했습니다. 초기 Leeds & Northrup "Speedomax" 온도 표시기/기록기 라인은 이 기술의 좋은 예였습니다. 보다 현대적인 계측기는 반도체 증폭기 회로를 사용하여 열전대의 전압 신호가 회로에서 거의 또는 전혀 전류를 끌어오지 않고 표시 장치를 구동할 수 있도록 합니다.
열전대
그러나 열전대는 저항이 낮은 두꺼운 와이어로 제작할 수 있으며 온도 측정 이외의 목적으로 매우 높은 전류를 생성하도록 연결할 수 있습니다. 그러한 목적 중 하나는 전력 생성입니다. 여러 열전대를 직렬로 연결하고 각 접합부에서 고온/저온을 번갈아 가며 열전대라는 장치를 구성 하여 상당한 양의 전압과 전류를 생성할 수 있습니다.
펠티에 효과
왼쪽과 오른쪽 접합 세트가 동일한 온도이면 각 접합의 전압은 같고 반대 극성은 최종 전압이 0이 되도록 상쇄됩니다. 그러나 왼쪽 접합 세트가 가열되고 오른쪽 접합 세트가 냉각되면 각 왼쪽 접합의 전압이 각 오른쪽 접합보다 높아져 모든 접합 쌍 차이의 합과 같은 총 출력 전압이 발생합니다. 열전대에서 사물은 정확히 이렇게 설정됩니다. 열원(연소, 강력한 방사성 물질, 태양열 등)이 한 접합 세트에 적용되는 반면 다른 세트는 어떤 종류의 방열판(공기 또는 수냉)에 접합됩니다. 흥미로운 점은 열전대에 연결된 외부 부하 회로를 통해 전류가 흐르면 열 에너지가 뜨거운 접합에서 차가운 접합으로 전달되어 또 다른 열전기 현상인 소위 펠티에 효과 (전류가 열 에너지를 전달함)가 나타납니다.
열전대의 또 다른 응용 분야는 여러 위치 사이의 평균 온도 를 측정하는 것입니다 . 이를 수행하는 가장 쉬운 방법은 여러 열전대를 서로 병렬로 연결하는 것입니다. 각 열전대에서 생성된 밀리볼트 신호는 병렬 접합 지점에서 평균화됩니다. 접합부 사이의 전압 차이는 열전대 와이어의 저항과 함께 떨어집니다.
하지만 불행히도 이러한 제벡 전압 전위의 정확한 평균은 각 열전대의 와이어 저항이 동일해야 합니다. 열전대가 다른 위치에 있고 와이어가 단일 위치에서 병렬로 연결되는 경우 와이어 길이가 동일할 가능성은 낮습니다. 측정 지점에서 병렬 연결 지점까지 가장 긴 와이어 길이를 가진 열전대는 가장 큰 저항을 갖는 경향이 있으며, 따라서 생성된 평균 전압에 미치는 영향이 가장 적습니다.
다중 열전대 접합부
이를 보상하기 위해, 각각의 병렬 열전대 회로 분기에 추가 저항을 추가하여 각각의 저항을 더 동등하게 만들 수 있습니다. 각 분기에 대한 사용자 정의 크기 저항기 없이 (모든 열전대 간의 저항을 정확히 동등하게 만들기 위해) 열전대 와이어의 저항보다 상당히 높은 동일한 값의 저항기를 설치하면 와이어 저항이 전체 분기 저항에 미치는 영향이 훨씬 작아집니다. 이러한 저항기는 비교적 높은 값이 열전대 와이어 자체의 저항을 가리거나 "침몰"시키기 때문에 스웜핑 저항기라고 합니다.
열전대 접합부는 매우 낮은 전압을 생성하기 때문에 정확하고 신뢰할 수 있는 작동을 위해 와이어 연결이 매우 깨끗하고 단단해야 합니다. 또한 기준 접합부(이종 금속 열전대 와이어가 표준 구리에 연결되는 곳)의 위치는 계측기가 기준 접합부 온도를 정확하게 보상할 수 있도록 측정 장비에 가깝게 유지해야 합니다. 이러한 제한적인 요구 사항에도 불구하고 열전대는 현대 사용에서 가장 견고하고 인기 있는 산업용 온도 측정 방법 중 하나로 남아 있습니다.
검토:
- 제 베크 효과 란 서로 다른 두 금속을 접합했을 때 접합부의 온도에 비례하는 전압이 생성되는 현상을 말합니다.
- 모든 열전대 회로에는 서로 다른 금속 사이에 두 개의 등가 접합이 형성됩니다. 의도된 측정 위치에 배치된 접합을 측정 접합이라고 하며, 다른(단일 또는 등가) 접합을 기준 접합이라고 합니다.
- 두 개의 열전대 접합부를 서로 반대 방향으로 연결하여 두 접합부 사이의 온도 차이에 비례하는 전압 신호를 생성할 수 있습니다. 전기를 생성하기 위해 이렇게 연결된 접합부 모음을 열전대라고 합니다 .
- 전류가 열전대의 접합부를 통과할 때, 열 에너지는 한 접합부에서 다른 접합부로 전달됩니다. 이를 펠티에 효과 라고 합니다 .
- 여러 개의 열전대 접합부를 서로 병렬로 연결하여 접합부 사이의 평균 온도를 나타내는 전압 신호를 생성할 수 있습니다. "스웜핑" 저항기는 각 열전대와 직렬로 연결하여 접합부 사이의 동등성을 유지하는 데 도움이 되므로 결과 전압이 실제 평균 온도를 더 잘 나타낼 수 있습니다.
- 좋은 측정 정확도를 위해 열전대 회로의 전류를 가능한 한 낮게 유지하는 것이 필수적입니다. 또한 모든 관련 와이어 연결은 깨끗하고 단단해야 합니다. 회로의 어느 곳에서든 밀리볼트의 강하만 있어도 상당한 측정 오류가 발생합니다.