열전대의 종류와 특징

*열전대의 종류와 특징

 

1) 귀금속 열전대(백금/백금 로듐 열전대)

 

귀금속은 융점이 높고, 가공성과 내열성이 뛰어나서, 청정한 공기중에서 쓰면 매우 안정하다. 귀금속 열전대로서 표준화되어 있는 것은, 백금과 백금 로듐 합금선의 조합으로써 3종류가 있다.

 

2) B 열전대

 

소선의 명목상 화학 성분을 취하여 PR6-30 이라고도 불리고 있다. 실제 성분은 로듐을 함유하는 백금과 로듐의 백금 합금의 조합이다. 백금과 로듐은 전율고용체를 만들어 백금에 로듐을 합금시킴에 따라 융점과 기계적 경도가 상승한다. 합금선의 열기전력 특성은, 저온 영역에서 매우 작고 고온역으로 됨에 따라 커지므로, 고온역에서의 온도 측정에 적합하다.

 

또 백금 로듐 합금은 고온역에서의 결정 입자 성장이 작으므로 드리프트가 작다.

 

이 열전대의 제베크 계수는, 450도씨 이하의 온도역에서는 매우 작아, 실온에서는 거의 0이 되므로, 조합되는 보상 도선은 동/동선이 쓰인다. 그러나 열전대와 보상 도선의 접속부 온도가 높아지거나 변화하면 직접 측정 정도에 영향을 주므로 주의를 요한다.

 

3) R 열전대

 

금세기 초 미국에서+각에 약 13%의 로듐과 -각에 백금 을 쓴 열전대로서 개발되었다. 개발 초기의 백금은 제련기술에 문제가 있어 약간의 불순물이 잔류했었던 것 같다. 최근에 와서 열기전력을 맞추기 위해 로듐 12.8%의 백금 합금선과의 조합이 필요해져서 호칭과 모순이 생기게 되었다.

 

이 모순을 없애기 위해, 구미 제국에서는 1968년 국제 실용 온도 눈금의 성립을 계기로 정확히 13% 로듐을 함유하는 백금 합금선과 백금선의 조합으로 변경하고, R 열전대로서의 규준 열기전력이 제정되었다. 그 후 R열전대는 IEC로서 채택되었다.

 

공업용으로, 이 열전대는 많이 쓰이고 있다.

 

4) S 열전대

 

1886년에 르 샤틀리에 의해 개발된 열전대인데, R열전대에 비해 열기전력이 작고, 사용 온도 범위는 R열전대와 동등하므로, 공업용으로 쓰이는 일은 거의 없었다.

 

이 열전대는, 백금이 공기 중에서 1400도씨로 가열되면 재결정 입자의 생장이 시작된다. 또 수소 중에서는 1100도씨까지는 안전하다. 그 이상이 되면 열기전력의 변화는 물론이고 단선되는 일이 많다. 백금 로듐은 소량의 탄소에도 민감하여 딱딱하고 취약해져 단선된다. 일산화탄소에는 영향을 받지 않는다 금속성의 가스에게는 악영향을 받으므로, 알루미나 자기의 보호관을 사용할 필요가 있다.

 

청정한 산화 분위기 중에서 사용하면 가장 신뢰성이 높고, 단시간 동안 이라면 불활성 가스 분위기 또는 진공중에서도 사용할 수 있다.

 

5) K 열전대

 

1960년에 호스킨스사에 의해 크로멜/알루멜의 상표로써 개발된 비금속 열전대이다. 그러므로 이 호칭이 유명해져, 지금도 K열전대의 대명사로써 쓰이고 있다.

 

+각, -각 공히, 니켈을 주로 하는 합금이며, 내열성이 있고, 저온의 습기찬 분위기에서 내식성이 좋고, 열기전력 특성은 온도에 대한 직선상이 양호하여, 1000도씨 까지의 산화, 불활성 가스 분위기에서 가장 많이 쓰이고 있다.

 

공업용의 온도 계측에서는, 오랜 세월 동안의 실적에서 그 성질이 잘 알려져 있으며 정도,안전성이 뛰어나고, 열기전력이 크고, 또한 가격이 적정하다는 점에서, 현재의 다른 열전대와 비교할 때 뛰어난 특징이 있어, 반세기에 걸쳐 널리 이용되고 있다.

 

6) E 열전대

 

E열전대는, 통칭, 크로멜-콘스탄탄 열전대라고도 한다. +각은 K 열전대와 마찬가지로 Ni에 10%Cr을 함유하는 합금을, -각은 Cu와 Ni의 합금을 쓰고 있다.

 

이 E 열전대의 실용화는 비교적 최근의 일이고, 1964년에 ANSI로 채택된 이래, 그 이용이 확대되어 가고 있다. 최대의 장점은, 실용화되고 있는 열전대 중에서 가장 큰 열기전력 특성을 갖고 있는 점이다. 그 정도는 K 열전대보다 약 50%가 크고, J 열전대보다 약 20%큰값이다.

 

사용 온도는, +각은 K 열전대와 동등 정도의 내열성이 있으나 -각의 내열성이 낮아, 3.2mm의 것에서 700도씨 정도가 상용 한도로 되어 있다.

 

이 밖의 내식. 내산화성이 뛰어나고, 고정도의 것을 용이하게 입수할 수 있으며, 또한 양각 공히 비자성이란 특징이 있다.

 

이 열전대는 J 열전대의 결점을 보완하기 위해 개발된 것으로알려저 있으며, 뛰어난 특징을 살려서, 대형 화력 발전소, 원자력 발전소를 비롯하여, 화학 공업의 온도 계측 제어에 널리 이용되고 있다. 열기전력 특성이 크다는 점에서 경보기에 이용되는 일도 있는데, 그 대표적 예는 가스기구의 안전기가 있다. 결점은, 환원성 분위기에 약한 것, 범용 열전대 중에서는 가장 값이 비쌈.

 

7) J 열전대

 

J 열전대는 +각에 순철, -각에 Cu-Ni합금을 쓰고 있으며, 철/콘스탄탄 열전대라고도 불린다. 이 열전대는 환원성 분위기에 비교적 강하다. 수소나 일산화탄소에 비교적 강하고, 또 탄소와 철의 결합도 약하므로 안정되어 있다. 일찍이 실용화되고 가격도 싸다는 점에서, 특정 분야에서는 많이 이용 되고 있다. 그러나 이 열전대는 여러 가지 문제점이 있어, 전술한 E 열전대에 의해 대체되는 경향이 있다. 그 문제점은, +각의 순철이 녹슬기 쉬워서 열기전력 특성이 약화하기 쉬운 점이다. 특히 임해 공업 지대에서는 염해가, 또 일반 지역에서도 광화학 스모그 등에서 볼 수 있는 황화가스 등이 증가하여, 철에 대한 마이너스 요소가 증대하고 있다. 일반적인 방청 처리로는 주석이나 아연 도금이 생각될 수 있으나, 고온에서의 장시간 사용에 의한 계면 합금층의 형성이 열기전력 특성을 변화시키는 원인이 된다. 이밖에 파칼라이징이나 에나멜 소부에 의한 것은 고온에 사용할 수 없어, J 열전대에 대한 결정적인 방청 대책은 없다. 또, 다른 문제점은 규준 열기전력이 국제적으로 통일되어 있지 않다는 것이다. IEC, ANSI, JIS 등은 통일되고 있지만, 유럽에서 영향력이 강한 DIN은 앞의 세 규격과 다르다. 따라서, 어는 규격에 의해 눈금이 매겨져 있는 계기인가를 확인하여, 적합한 열전대를 선책하지 않으면 커다란 오차가 생기게 된다.

 

8) T 열전대

 

T 열전대는 +각에 구리, -각에 동-니켈 합금을 쓴 것이다. 예날에는 CC 열전대라고 했고 보통 동/콘스탄탄 열전대라 불린다. 가격이 싸고 가는 선의 가공성도 좋고 손쉽게 입수할 수 있으며, 특성도 고르므로 저온 영역에서는 널리 사용되고 있다. 열기전력 특성이 온도에 비례하고 있어 고정도의 온도 측정도 기대할 수 있다. 결점은 구리의 고온에서의 산화가 커서 상용 온도 한계가 낮은 것, 전기 정항의 온도 계수가 커서 +각과 -각과의 전기 저항이 크게 다른 것, 열전도율이 크므로 측온부의 열전도 오차나 측정의 지연을 초래하기 쉽다

 

 

 

 

*특수한 열전대

 

1) N 열전대(나이크로실/나이실 열전대)

 

새로운 열전대인 나이크로실/나이실 열전대는 N 열전대라고도 불리고 있다. 약 15년전에 오스트레일이아 국방성, 재료 연구소에 의해 개발되었다. 1978년에, NBC Monograph 161로 N 열전대의 제원에 대한 상세한 연구 결과와 함께 규준 열기전력이 발표된 것을 계기로, 미국을 중심으로 한 열전대 메이커에서 제품화가 추진되어 시판에 이르렀다.

 

열전대 중에서도 K 열전대가 실용상 뛰어난 특징을 지니고 있어, 반세기에 걸쳐 과학, 공업용으로서 널리 사용되어 왔으나, 산업계의 기술 혁신에 따라 온도 계측도 다양화되어, K 열전대가 가진 몇 가지 문제점이 측정 정도에 따라 미치는 영향이 큰 것이 제기되었다.

 

N 열전대는, K 열전대의 결점을 보완하는 목적으로, 개발된 유사한 개량품이다. N 열전대의 구성은, +각이 Ni에 Cr 14.2%와 Si 1.4%를 함유하는 합금이고, -각이 Ni에 Si 4.4% 등을 함유하는 합금이다.

 

2) 고온 측정용 열전대

 

귀금속 열전대는 백금-로듐 합금을 쓰는 것과, 이리듐-로듐 합금을 쓰는 것이 있다. 백금에 로듐 40%를 함유하는 합금과, 백금에 로듐 20%를 함유하는 합금으로 구성하는 PR40-20 열전대는 1100도씨~1800도씨의 범위로 사용할 수 있다. 열기전력이 작아 저온 영역에서 사용할 수 있게 고온 영역 전용으로서 개발된 것이다. 측정치의 분해능이 올라가지 않으므로, 고정도를 얻기는 곤란하다. 이리듐-로듐 합금의 열전대는 몇 가지 종류가 개발되어 있다. 일례로 Ir-Rh 40%/Ir 열전대가 있다. 상용한도는 1100~2000도씨이다. 특징은 진공, 불활성 가스, 약한 산화성 분위기에서 사용 가능하다. Ir-Rh는 모두 경도가 높아 신선가공이 곤란하다는 점도 있어 고가이다. 또 열기전력이 작고, Ir는 증발 오염되기 쉽다는 등의 이유로, 사용되는 일은 드물다.

 

고온의 열전대로 많이 쓰이는 것에 텅스텐계의 열전대가 있다. 그중에서도 대표적인 것은, 텅스텐에 레늄 5%를 함유하는 합금과, 텅스텐에 레늄 26%를 함유하는 합금으로 구성된 열전대이다. 통칭, W-Re5-26 열전대라고도 한다. 사용 온도 범위는 0~2400도씨이고, 단시간이라면 300도씨까지 사용 가능하다고 알려져 있다. 이 금속은 산화하기 쉬우므로, 환원성, 분위기, 불활성 가스 도는 수소 가스 중에서 아용하지 않으면 안된다. 열기전력은 약간 크고, 실용상으로는 충분한 성능을 갖고 있다.

 

양각 공히 고경도이고 취약하므로, 조립은 조심해서 취급해야 한다. 보관 중 또는 사용 중에도 특히 측온 접점 부근에서는 단선되기 쉬우므로, 충분한 배려가 요구된다.

 

3) 극저온용 열전대

 

표준화된 열전대는, -200도씨까지 규정되어 있어, 그 이상의 온도 영역은 많은 열전대가 실용화되고 있다. 최근에는 그 이하의 온도 영역, 즉 극저온에서의 온도 측정의 요구가 높아지고 있다. 이 영역의 온도계에는, 저항 온도계를 비롯하여 몇 가지가 있고, 열전대도 널리 이용되고 있다. 극저온용으로 최초에 개발된 열전대는, 구리와 금에 2.1%의 코발트를 함유하는 합금으로 구성된 것이다. 이 열전대는 10K 정도까지는 실용상 충분한 감도를 갖고 있으나, 그보다 저온이 되면 급격히 감도가 감소한다. 과학 기술의 진보에 따라 보다 극저온의 측정이 요구되었고, 특히 액체 헬륨(4.2K)의 이용 확대에 수반하여 새로운 열전대의 개발이 진행되어, 크로멜과, 금에 0.07%의 철을 함유하는 합금에 의해 구성되는 열전대가 완성 되었다. 이 열전대는 열기전력이 크고, 또 온도와의 직선성도 양호하며, 특성도 안정되어 있으므로 극저온 영역에서 널리 쓰이고 있다. 극저온 영역의 온도 측정에서는, 측정 오파를 작게 하고 피측정물의 단열 효과를 저하시키지 안ㄹ도록 소형의 센서가 요구 된다. 이 열전대는 소선지름 파이 0.2mm에 에나멜 피복을 한 것이 사용된다. 한편, 극저온의 이용 기술이 연구 단계에서 실용 단계로 발전하게 되면 장치가 대형화되는 경향이 있어, 장기간에 걸쳐 안전하게 조업하기 위해서는 고신뢰성의 열전대가 요구되어, 시스형의 열전대도 개발되고 있다.

[출처] 열전대의 종류와 특징|작성자 태화님