1-12. 열전쌍(Thermocouple)의 온도 측정 원리를 설명하시오.

열전쌍(Thermocouple)의 온도 측정 원리

열전쌍(Thermocouple)은 두 종류의 서로 다른 금속 또는 합금 도체를 이용하여 온도를 측정하는 센서입니다. 그 온도 측정 원리는 제벡 효과(Seebeck Effect)에 기반합니다.

 

제벡 효과 (Seebeck Effect):

제벡 효과란 두 종류의 서로 다른 도체(금속 A와 금속 B)를 두 군데에서 접합하여 회로를 구성하고, 이 두 접합부(Junction)의 온도를 다르게 유지할 때, 회로에 기전력(Electromotive Force, EMF), 즉 전압이 발생하는 현상입니다. 이는 각 금속마다 전자의 밀도, 에너지 준위, 온도 변화에 따른 전자의 움직임(확산) 특성이 다르기 때문에 발생합니다. 고온 부분의 전자가 저온 부분으로 이동하려는 경향이 있으며, 서로 다른 두 금속이 접합되어 있을 때 이 이동 특성의 차이가 전위차를 발생시킵니다.

 

열전쌍의 온도 측정 원리:

1. 구조: 열전쌍은 기본적으로 두 종류의 서로 다른 금속선을 한쪽 끝에서 접합하여 측정 접점(Measuring Junction 또는 Hot Junction)을 만듭니다. 이 측정 접점을 온도를 측정하려는 대상에 접촉시킵니다. 두 금속선의 다른 끝은 측정 기기(전압계 또는 열전대 지시계)에 연결되며, 이 연결 부위가 기준 접점(Reference Junction 또는 Cold Junction)을 형성합니다.
2. 전압 발생: 제벡 효과에 따라, 측정 접점의 온도(Thot​)와 기준 접점의 온도(Tcold​) 사이에 온도 차이가 존재할 때만 회로에 전압(기전력)이 발생합니다. 이 발생 전압의 크기는 사용된 두 금속의 종류와 두 접점 간의 온도 차이에 비례합니다 (선형적이지는 않지만 일정한 관계를 가집니다).
3. 온도 측정: 열전쌍은 발생하는 전압을 측정하여 온도를 파악합니다. 이때 중요한 것은 발생 전압이 절대 온도에 비례하는 것이 아니라, 온도 '차이'에 비례한다는 점입니다. 따라서 측정 접점의 온도를 정확히 알기 위해서는 기준 접점의 온도를 정확히 알고 있거나 일정하게 유지해야 합니다.
4. 기준 접점 보상 (Cold Junction Compensation, CJC): 과거에는 기준 접점을 0°C의 얼음물에 담가 온도를 일정하게 유지하는 방법을 사용하기도 했습니다. 하지만 현대적인 온도 측정 장치에서는 기준 접점의 온도를 별도의 센서(예: 서미스터)로 측정한 후, 이 온도에서 발생하는 기준 접점에서의 전압을 계산하여 전체 측정 전압에서 보상해 줌으로써 측정 접점의 온도를 정확히 계산합니다. 이를 기준 접점 보상이라고 합니다.

결론적으로, 열전쌍은 두 종류의 서로 다른 금속 접점에서 발생하는 제벡 효과(온도 차이에 의한 전압 발생)를 이용하여, 측정 접점과 기준 접점 간의 전압 차이를 측정하고 기준 접점의 온도를 보정함으로써 측정 접점의 온도를 파악하는 원리로 작동합니다. 각 열전쌍의 종류(Type K, J 등)는 사용되는 금속의 조합을 의미하며, 종류별로 온도-전압 관계 특성이 다릅니다.