제어계측/ 각종 온도 측정 프로세스 계측제어기술
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각종 온도 측정 프로세스 계측제어기술
1 자기특성을 이용한 온도측정
감온자성재료는 -50 ~ 400℃에서 자기변태온도 곧 큐리 - 온도(tc)를 가지고 있으며 이 tc 에서 일어나는 포화전속밀도 (Bm), 초투자률(μ), 보자력(Hc)의 급변화현상을 이용하고 있 는 것으로서 감온자성재료는 훼라이트계의 것과 정자강계의 것이 있고 어느 정도 재료조성 및 열처리 건을 엄밀히 하면 tc의 재현성이 양호하여 지므로 일정 온도 검출 외에도 검출 증폭기능을 가지고 있으므로 온도검추르 항온제어, 과열보호, 열입력의 증폭제ㅐ어, 온도메 모리 등에 사용되어지고 있다.
(1) 감온훼라이트 재료와 온도특성
그림 1은 감온훼라이트의 히스테리시스 특성의 온도의존성을 보이고 있다.
온도에 의해서 변화하는 히스테리시스 특성을 이용 온도를 측정하는 온도측정소자로는입력 에 대한 자기특성의 변화 즉 포화자속밀도(Bm), 초투지률(μ), 보자력(Hc) 등의 자특성을 이용하고 있는 것이며, 사용자적, 검출회로, 경제성으로부터 이용 특성을 달리한다.
감온훼라이트 재료로서는 스피넬 구조를 가지고 있는 철산화물이 사용되고 있는 Mn - Cu - Fe. Mn - Ni - Fe, Mn - Ni - Fe계 산화물이 NTC와 동양으로 복합소결체로서 실용되 어지고 있다.

그림 1

그림 2
그림 2는 Zn. M 훼라이트(M : Li, Ni, Co, Mn), 그림 3은 Cu. M 훼라이트 (M : Ni, Mg, Zn, Cd) 의 조성과 tc의 관계를 보인다. Zn. Mn 훼라이트는 타의 것에 비해 주합비의 변화에 의한 tc의 변화가 완만해지는 것으로서 tc의 재현성도 양호해서 감온 훼라이트의 기 본 재료로서 가장 많이 사용한다.

그림 3
0 ~ 100℃ 사이에는 Zn : Mn 주합비의 1%인 변화에 대해서 tc는 6 ~ 7℃ 변화하고 소결 분위기의 미소한 차에 의해서도 tc는 변화하는 것으로부터 항상 균일한 tc의 감온훼라이트 를 만들기 위해서는 세조공정상 정밀한 관리가 필요하다.
종래 tc의 간격은 ±2 ~ 3℃이었으나 근년 ±1 ~ 1.5℃까지 좁혀져 있다.
그림 4는 감온훼라이트 Bm의 온도의존성을 , 그림 9-5는 μ의 온도의존성을 보이고 있 다.
Bm특성은 온도를 기계적인 힘으로 변환시키는 온도측정소자로서, μ특성은 인덕턴스의 변 화로서 전기적 신호를 취출시키는 온도측정소자로서 이용되어진다.
그림 4의 Bm 특성은 온도상승과 함께 완만한 감소를 보이는 tc 부근에서 급격히 하강한 다.
그림 5의 μ특성은 온도상승과 함께 일단 증가하다가 tc 부근에서 급격히 감소한다. 보자력은 일반적으로 온도상승과 함께 직선적으로 감소하나 tc 부근에서는 완만하게 하강하 고 그 후 tc에서 급감한다.

그림 4

(2) 감온 훼라이트 감온검출소자
감온 훼라이트 온도특성을 이용하는 실제적 온도검출소자로서의 최대자속밀도 (Bm)형과 초투자율(μ)형 중 전자는 자기적인 흡인력의 온도변화를 이용하는 것으로서 구동을 위한 전기적 입력을 필요로 하지 않는 큰 특징이 있으나 그림 4와 5에서 비교할 수 있듯이 후자 에 비해서 온도에 의한 특성변화의 급변은 없고 동작온도의 간격도 있는 것으로 정밀한 온 도검출에는 사용하지 않는 것이 좋다.
후자는 온도를 검출하기 위해서는 교류전원 또는 발전회로를 필요로 하나 특성변화가 급변 해서 정도가 높은 온도검출이 가능하다.

그림 5
그림 6과 같이 감온 훼라이트, 영구자석, 리드스위치를 조합시킨 것이 감온 리드스위치로 서 영구자석에는 주로 베륨휘라이트를 사용한다. 영구자석과 감온 훼라이트를 조합시킨 방 법으로서는 큐리 일온도(tc) 이하에서 리드스윗치 접점이 폐되는 것과 개되는 것이 있고 tc 이상에서는 반동동작을 한다.

그림 6
그림의 점선에서 볼 수 있듯 가로의 변화가 발생하고 리드스윗치의 흡수 개방이 일어난다. 따라서 통상의 전자리레이와 같이 동작시와 복귀시 통상 4~ 6℃의 히스테리시스가 있다. 또 한 감온 리드스윗치는 자계로서 동작하는 만큼 외부자계의 영향을 받기 쉽다.
그림 7은 철판의 근접에 의한 동작온도의 변화를 보이는 것으로서 곧 철판에 의한 자로의 변경에 기인되는 현상이다. 따라서 강자성체 부근 및 외부자재가 있는 장소에서는 이것을 작동 온도를 선택할 필요가 있는 것이다.

그림 7
그림 8은 리-드선의 길이가 동작온도에 주어지는 영향을 보이는 것으로서 리드선을 15mm 정도로 절단하면 1℃ 정도 동작온도가 상승한다. 이것은 리-드선이 자로에 영향을 주고 있는 것이다.

그림 8
그림 9는 2개의 감온 리드스윗치를 근접시킬 때의 동작온도 변화를 나타낸다. 따라서 다수 의 감온리드스윗치를 병렬로 사용하는 것은 좋지 않다.
리드스윗치는 기계적인 스윗치가 있는 것으로부터 강한 진동충격이 있는 장소에서는 오동 작 또는 열화가 있다.
그림 10은 감온 리드스윗치의 진동에 대한 사용한계를 보이는 것으로서 자동차 엔진의 정 도의 진동여건에는 견디나 책상 위로부터 떨어지는 정도의 충격에는 열화한다.

그림 9
그림 11에서 품종 감온 리드스윗치의 외관을 볼 수 있다. WBR, MBR, BBR 등이 있고 P 형은 금형제의 보호케이스 차입되어진 것으로서, 기름, 물 등의 액체온도 검지에 상당하고 자동차의 엔진 과열방지, 냉각수 온도조절 온수보일러 및 급탕기의 온도검출단으로서 실용 되어지고 있다. 주로 가정용의 전자밥통, 온수기 및 보일러 등의 과열감시에 응용된다.
그림 10

그림 11
C형은 알루미늄 원통케이스 중에 차입되어진 것으로서 응답성, 기계적 강도를 높여서 범용성을 가지고 있다. L형과 동양으로 이용된다.
S형은 알루미늄 또는 동의 각형케이스에 차입되어진 것으로서 단자는 비닐선으로 강출하 고 방습 방적형으로 되어있다.
수분, 습도가 높은 장소 및 저온용으로서도 사용되고 냉동, 공조기기 관계에 많이 이용된다.
기타 감온리드스윗치에 강력한 영구자석을 작용시켜서 동작온도를 어느 정도 가변시키는 것이 가능하며 그림 12와 같은 리드스윗치는 저온부에 감온훼라이트부는 300℃ 이상의 고온 부의 설치시킨 고온용 감온리드스윗치 등도 실용되어지고 있다.

그림 12

그림 13
대형전자기기의 냉각휀의 이상정지 검출 등에 사용하기도 한다.
②초투자율(μ)를 이용한 온도검출소자
감온훼라이트를 자심에 사용한 코일을 감온검출소자로서 사용한 것이며 통상링상 또는 그 것에 유사한 형상의 훼라이트를 사용한다. 이 사용법에는 상용전원 50 ~ 60 Hz을 사용하는 것과, 30 ~ 500 KHz의 정강파 또는 인펄스 전원을 사용한 것과, 코일을 사용한 발진회로의 출려전압 또는 주파수의 변화를 이용하는 것으로 분류한다.
그림 13은 상용전원을 사용한 온도검출회로로서 훼라이트 자심의 과포화특성을 이용해서 미분펄스를 발생시켜 SCR을 구동한다.

그림 15
전술된 CTR은 동작온도가 47 ~ 80℃인 것에 비해 이 감온훼라이트는 -50 ~ 300℃로 범위 가 CTR 10배 잇아 큼으로 사용장소가 확대된다.
그림 14는 링훼라이트에 15T의 코일을 감은 μ형 온도검출소자의 출력특성으로서 0.2V의 출력점을 생각하면 -50 ~ 80%/℃의 온도계수를 α를 가지고 있고, PTC, CTR의 α와 거의 같다.
입력전원에는 30KHz 정강파를 사용하고 있고 링훼라이트를 사용한 이유는 외부의 전 자계의 영향을 피하기 위한 것이다.
그림 13의 상용전원 사용시의 출력전압을 SCR의 구동전압으로 하기 위해서는 200회 정도 의 권선으로 하지 않으면 안되는 것에 비해 이 형에서는 입력의 주파수가 높고 코일의 출력 전압은 fn²(f : 주파수, n : 코일 권수)에 비례하는 것으로부터 10 ~ 15회로서 충분하다.
또한 권선에는 절연피복이 두꺼운 오나전내수성인 도선이면 다 가능하다.

그림 14
그림 15는 대표 적인 μ형 소자의 구조로서 (a)는 링훼라이트로서 외경 3mm의 소형것도 있고 복사기의 온 도제어용 소자 등에 이용된다. (b)는 내열형으로서 석유난방기 및 주절기 등에 이용된다.

2 정전용량을 이용한 온도검출소자

(BaSr)Tio3를 주체로한 세라믹콘텐샤의 투전률 ε는 큐리- 온도 tc 부근에서 급격히 크게 되고 그 잇아에서는 큐리 -와이스 법칙에 따라서 온도상승과 ε이 역비례하는 형으로서 감 소하고 있다.
이 Ba, Sr의 주합비와 tc의 관계는 PTC의 경우와 동일하다고 볼 수 있고 PTC에서는 Y2O3 등을 외장ㅎ래서 전도성을 가지도록 하고 세라믹콘덴샤로서는 역으로 절연성을 향상 시키는 재료로서 외장시키고 있다.
그림 16은 (BaSr)Tio3계 BaTio3계 세라믹콘덴샤 정전용량의 온도특성이다.

그림 16
(BaSr)Tio3계에서는 15 ~ 60℃ 범위에서 (BaSr)Tio3계에서는 135~ 220℃의 범위에서 온도 와 전기용량의 역수가 직선관계에 있는 것을 알 수 있다. 이 온도범위는 Fa와 Sr의 주합비 를 변화시킴에 따라 PTC의 경우와 같이 자유로이 변화시키는 것이 가능하다. 이 온도범위 의 온도계수 dlnc/dt는 NTC의 1/2이 값이다.
이 온도검출소자는 LC 공진회로로서 또는 CR발진기 C로서 온도를 주파수 변화로 변동시 키고 분해능이 양호한 온도측정이 가능하고 C는 습도에 따라서도 변화할 수 있으므로 방습 처리를 엄중히 할 필요가 있다. 또한 부유용량도 감온측정 오차가 된다.

그림 17
그림 17은 온도소자의 응용례로서 회전체의 온도를 카프링코일을 사용 측정하는 것이다. 그림 18의 a)는 결정화된 세라믹콘덴샤의 온도특성으로서 tc는 70K 부근에 있다.
100 ~ 300 K의 온도소자로서 실용되어지나 b)와 같이 60K 이하의 소자로서도 사용되어진 다. c)는 이것을 다시 더 2~ 7K의 영성으로 확대시킨 것으로서 극저온의 영성 온도소자로서 또한 사용되어진다.

그림 18

그림 19
그림 19는 kcl 결정의 정전용량형 온도소자의 특성으로서 강자계 하에서도 특성이 변화하 지 않기 때문에 강자장에서의 온도측정에 적당하다.

3 반도체의 PN 적합 이용 온도소자

반도체의 Pn적합의 순방향 또는 역방향 전압은 온도의존성을 가지고 있으므로 외로소자로 서의 사용시 당연 문제가 되고 있는 것이다. 그러므로 온도의존성을 역으로 이용해서 온도 소자의 사용 시험이 행해지고 있고 반도체의 제조기술의 진보와 더불어 점차 온도소자로서 확대 이용되는 추세에 있다.
(1) 다이오드 온도소자
그림 20은 Ge 다이오드 및 Si 다이오드의 순방향전압의 온도의존성으로서 100℃ 잇아의 넓은 온도폭에서 거의 직선적으로 변화하고 있다.
그림 21은 이 특성을 이용해서 만든 온도검출회로로서 거의 0.1v/℃의 출력취출이 가능하 다.

그림 21
그림 22는 Si 트렌지스터에 4개 직열로 연결한 다이오드를 접손시킨 것의 온도특성으로서 0- 150℃의 범위에서 거의 직선적으로 변화하고 있다. 소자의 수를 주정하는 것에 의해 -10mv/℃ 이상의 출력을 임의로 취출하는 것이 가능하나 정전류 또는 정전압 전원이 필요 한 것과 다이오드 특성 자체가 다양함으로 넓은 온도역에서의 사용시는 호환성이 결핍되는 결점이 있으므로 넓은 온도역에서 직선적인 변화를 얻기 위하여 그림 23과 같은 직선화 회 로를 사용하고 있다.
그림 21

그림 23

(2) 트랜지스터 온도소자
npn트랜지스터에 일정의 콜렉터 전류 Ic를 흘릴 EO의 베이스 -에이터 간 전압 E는 다음 식에서 볼 수 있듯 주위온도 T에 의해서 대폭 변화한다.

그림 24

그림 25
EO는 T = OK 시의 EBE, K는 볼트만 정수, q는 전자의 전하, K, r은 정수이다.
그림 24는 Ic를 변수로 해서 표현되어진 Si 트랜지스터의 온도와 EBE의 관계로서 ln(KT r/Ic)에 T가 포함되어 있기 때문에 dEBE/dT는 그림 25와 같이 180℃ 부근까지 약 간 상승하고 그 후 ①식의 관계로부터 벗어나서 급격이 작아진다.
그림 26은 이 특성을 DSH도소자로서 사용한 온도계회로로서 0.1V/℃의 직선 출력을 얻 고 있다.

그림 26
그림 27은 비직선성을 보정시킨 정밀온도계의 예로서 -50 ~ 125℃사이 ±0.05℃ 정도가 있고 일반 온도계중에서는 최고급 정도의 온도계이다.

그림 27

(3) IC 온도소자
다이오드 온도소자는 2단자로 사용은 용이하나 특성이 분산되어 있어서 호환성이 결여되어 있고, 트랜지스터 온도소자는 2단자이며 이 또한 호화성 및 직선성이 충분하지 못함으로 보 정회로가 필요하게 된다.
이 우방의 결점을 보충한 2단자의 온도소자가 IC 온도소자인 것이다. 그림 28 a)에서 Q1.Q2는 정합되어진 2개의 트랜지스터로서 이 콜렉터 전류를 IC1, IC2라 하고 2개의 차 △EBE은 다음 식
△EBE = kT/ q x ln x (IC1/IC2)으로 추도된다.

그림 28
IC1/IC2가 실용온도범위에서 일정하면 △EBE는 절대온도 T에 비례하는 것이 되고 직선출 력의 온도소자가 실현된다. Q1, Q2가 완전히 동일한 특성이라면 △EBE의 출력은 "0"되는 것으로부터 Q1, Q2 에미터 면적에 차를 가지므로 전류정도를 변화시켜 △EBE를 크게 한 다. 그림 28 a)에서는 Q2의 에미터 면적은 Q1의 8배에 달하고 Q3, Q4에 의한 카렌트 밀러 회로에서 IC1=IC2이루어 지도록 되는 것으로부터 Q1, Q2 에미터 전류정도는 1 : 8이 되므 로 다음 식이 추도된다.
△EBE = kT/ q x ln8 = 179T(μV)
또한 전회로전류 Ir는R에 흐르는 전류 2배로서
Ir = 2(△EBE / R) = 358 T/R (μA)
이 되고 R = 358Ω으로 하면 0℃(273.15K)에서 273.15μA αIT = 1 μA/℃의 출력을 가진 온도소자가 된다.
이 특성은 트랜지스터의 경우에만 상당하는 것이며 실제에는 이 원리를 사용해서 그림 28의 b)와 같이 IC화해서 온도소자로 사용하고 있다. 그림의 Q11, Q9, Q1-Q2, Q3-Q4가 (a)의 Q1, Q2, Q3, Q4에 상당하고 기타의 회로는 양측의 회로를 대칭적으 로 동작시키는 구조로 되어 있다.
R6는 (a)의 R에 상당하고 주정저항 R5와 함께 레이저트 리밍으로서 정밀하게 주정되어진다.
Q6는 전원을 역접속시키는 경우의 보호장치 역할을 하 고 있다. 이 IC 온도소자는 그림의 c)와 같다.
그림 d)와 같이 4~ 30V의 넓은 전원전압으로 서 동작되는 것으로부터 다이오드 및 트랜지스트 온도소자와 같이 정전류전원을 필요로 하 지 않는 것이 특징이 되는 것이다. 그림 29는 온도 IC를 사용한 온도검출이 기본회로이 다.
a)는 온도 IC에 직열로 μA메터만을 접속시킨 회로로서 전원으로서는 5~ 10VDC를 인가한 다.
전류치가 곧 절대온도를 지시하는 온도특정회로가 된다.
b)는 차동형의 μA메터를 이용한 것으로서 편측에 -273.2μA의 전류가 흐르도록 하면 섭 시 온도를 지시한다. 편측의 전류를 가변해서 임의의 전류치 설정이 가능하도록 하면 임의 의 온도를 기점으로 하는 온도변화 또는 온도차의 측정이 가능해 진다.
c)는 전압출력으로서 취출하며 1kΩ의 저항치의 경우 0℃에서 273.2mV, 1mV/℃의 출력을 취출하는 것이 된다.
이 IC의 출력은 제조 시의 온도설정 정도 및 그림 9-28 b)의 R5, R6트리밍 정도에 따라서 25℃에서 ±1~5μA 오차폭이 되고 그림 29 c)의 Rv에 의해서 이 오차를 보정하는 것이 가 능하다. 예를 들면 25℃에서 298.2mV의 출력이 나오도록 조정함에 따라 전온도역에 걸쳐서 오차를 줄이는 것이 된다.
그림 28 d)에서 전원전압은 4~30 V사이에서 임의로 되나 실제 높은 전압을 가하면 IC내부 에서 큰 전압강하가 일어나기 때문에 온도가 상승하고, 측정오차의 원인이 된다.
방열장치를 사용하지 않는 경우 공중에서의 방열계수 C는 2mW/℃ 정도, 유중에서 20mW /℃ 정도이고 30V 인가에서 400μA(126℃)의 경우에는 총 10mW의 소모전력이 되고 공중 에서 총 5℃의 자기발열오차가 발생한다. 이 IC의 자규격은 전원전압이 5V, 충분히 양호한 방열조건을 기준으로 해서 정해진다.
섭시온도 또는 임의의 온도를 기준으로 하는 온도차를 전압출력으로서 취출하고 싶은 경우 에는 d)와 같이 별도의 기준전압회로를 오계해서 그 전압차를 검출하면 좋다. 그림 29 e)는 감온 IC를 다수 직열로 접속시킨 것으로서 최저온도에서 발생하는 IC의 전류 로서 제한시키는 최저온도 검출회로이다.

그림 29
f)는 병렬접속시킨 것으로서 각각의 IC는 별개로 작동함으로 평균온도의 검출이 가능하다. 이 경우 1mV/℃의 출력을 취출하기 위한 직열저항은 1,000/nΩ이 되지 않으면 안된다. 감온 IC는 통상의 IC와 동양으로 서지 전압에 약하다. 온도검출점과 제미회로를 나누고 서 지가 발생하기 쉬운 장소에서 사용하는 경우는 접지 및 기타의 방법으로 서지를 방지할 필 요가 있다.

그림 30
그림 30 a)는 감온 IC를 사용한 온도측정회로로서 절대온도를 측정하는 경우에는 AD580 과 분압저항기는 불요하다.
그림 b)는 2점간의 온도차를 검출하는 회로로서 R1, R2에서 출력조정이 가능하다. 10mV /℃의 출력이고 10-2℃의 검출은 용이하나 IC의 자기가열에 의한 차가없도록 양 IC의 방열 조건은 동일하도록 하지 않으면 안된다.
(4) 감온 SCR
SCR에 가지고 있는 열적인 턴온효과를 DURDYDD해서 온도 스위치의 기능을 갖도록 하는 것이다.
PnPn 소자의 전압전류 특성은 양극측이 부인 때인 다이오드의 역방향특성과 동일 한 특성을 갖는다.
정일 때는 브레이크 오버전압까지는 거의 전류가 흐르지 않으나 이 전압을 넘으면 브레이 크 -오버해서 도통 상태가 된다.
브레이크 오버 전압은 온도에 따라서 변화함으로 이것을 온도 스위치로서 실용화 시킨 것 이 감온 SCR이며 특히 일반의 SCR보다도 저온도에서 브레이크 오버하도록 열적으로 발생 하는 캐리어를 많게 하고 전류 증폭률도 높인 것이다.

그림 31
또한 게이트 저항 RGA에 의해서 스윗칭 온도를 외부로부터 제어가 가능하도록 한다.
그림 31은 이 동작특성이다.
평균 온(ON)전류는 100mA, 서지 전류는 2A이다. 어느 온도 소자에 있어서나 마찬가지이지만 소자 자체의 자기발열이 검출오차가 되고 이 감온 SCR에 서도 큰 전력용량이 되지 않도록 하는 것이 문제이다.
그림 32는 감온 SCR를 DSH도소자로 해서 별도의 SCR을 구동하고 큰 부가의 제어를 행 하는 회로예이다.

그림 32


4 탄성을 이용한 온도소자

물질의 탄성계수는 온도에 따라서 변동한다. 고체편 및 공동 내의 액체, 기체의 공진주파 수, 고체 액체 기체의 음파의 전반속도는 그 물질의 탄성계수에 관계하고 있는 것으로 이것 들의 현상을 측정함으로서 곧 온도를 감지하는 것이다. 현재 온도소자로서 이 현상을 이용하고 있는 것으로서는 수정 진동자의 고유진동주파수를 이용한 수정온도계와 기체 액체의 음파 전반속도를 이용하는 초음파온도계가 실용되고 있 다.
(1) 수정온도소자.
수정진동자의 고유진동주파수 f는 아래 식과 같다.
f = n/ 2t ( y/ρ)1/2n은 오버턴 차수, t는 진동자의 두께, ρ은 밀도, y는 탄성계수이다. y가 온도의존성을 가지고 있기 때문에 f가 온도에 따라서 변화한다.
시계 및 통신기기의 주파수 의 표준으로서 만들어지고 있는 수정진동자는 이 온도의존성이 지극히 작은 캇트버을 취하 고 있는 것이나, 그러나 온도소자로 이용되고 있는 것은 온도의존성이 크면서 온도와 주파 수 f가 거의 직선적 관계에 있는 캇트법을 개발 실용화 이용하고 있는 것이다.
수정온도소자는 0℃에서 28.208MHz의 공진주파수를 갖는 LC캇트의 것과 30℃에서 10.594MHz의 Ys 캇트의 것이 있으면 양측 다 총 1 MHz/℃의 온도계수를 가지고 있다.
현재 가장 고정도로서 측정이 가능한 물리량은 주파수인 것으로부터 온도를 직접 주파수로 변환시키는 이 온도소자는 신뢰성이 높은 것이 된다.

그림 33
그림 33은 Ys 캇트 진동자의 온도특성 그림 9-34는 LC캇트 진동자의 구조와 그 수정온도 소자의 프로브 구조로서 -80 ~ 250℃ 범위에서 사용된다.
이 온도소자의 공진주파수는 1Hz가 10-3℃에 상당하는 것으로부터 10-4℃의 분해능을 가 지고 있는 것이 되나 그림 34와 같이 프로브의 직경이 9.5mm일 때 공중의 열시정수는 1분 이상이 된다.
1℃ 변화에 대해서 10-4℃까지 추종하는데는 총 10분 정도가 걸리므로 10-3℃ ~ 10-1℃의분해능으로 실용화하고 있다.

그림 34
그림 35는 이 소자의 히스테리시스 특성으로서 -80 ~ 240℃ 범위 내의 특성이고 영점에서 총 20mK의 차가 있다.
구조적으로 이 온도소자는 강한 충격에 약하므로 취급에 주의를 요하고 정밀한 온도측정을 해야할 필요가 있는 경우 실험실 및 공장에서 간단한 표준온도계로서 사용할 수 있다.

그림 35

(2) 초음파온도계
기체 중을 전반하는 음파의 속도 v는 기체의 정도 ρ, 체적탄성률 y와의 사이 v = (y ρ)1/2의 관계가 있고사상기체에서는 다음과 같은 식이 나타난다.
v= (γRT/M)1/2 T= Mv²/γR ..........................................①
γ는 비열비(정압비열/정적비열), R는 기체정수, M는 분자률, T는 온도이다.
공기의 경우는 이상기체에 가깝게 v= 20.067T1/2(m/s) 가 된다.
P, P'는 대기압 및 수증기압으로서 상온상습에서 상대온도가 10%RH 증가하며 음속은 0.03 ~ 0.04% 빠르게 됨으로 총 2℃정도의 측정온차가 발생하게 되며, 정밀한 기온을 측정 하기 위해서는 상대온도와 대략의 기온을 먼저 측정해서 수증기압을 산출하고 온도의 측정 치를 보정하지 않으면 안된다.
초음파의 통로에 바람이 있으면 음속이 변한다. 초음파의 전반통로와 θ의 각도로서 v'의 바람이 불 때 전반시간 λ1은 무풍시의 운반시간 λ0에 대해서
λ1/λ0= [ { 1-(v'sinθ/v)²} 1/2+ v'/v cosθ]-1......................②
θ=0. 곧 초음파의 전반경로와 동방향의 바람이 불면 v/v'에 거의 비례하는 오차가 나타난 다. 이 오차를 소거시키기 위하여 초음파의 신호를 왕복시켜서 정부의 오차를 상살시키는 방법을 채용하고 있다.
그림 36은 이 방법에 의한 오차로서 v' < 20m/s로서는 풍속오차는 무시해도 무방하다.
상기의 T와 음속의 실계를 역으로 사용해서 T를 구하는 것이 초음파온도계로서 다음과 같은 타의 온도소자로서는 불가능한 측정이 가능한 특징을 가지고 있다.
①타 온도소자로서의 기체 온도측정에 발생하는 시간지연이 없고 내연기관내 GAS온도 변 화 측정이 가능하다.
②피측정물 중 온도소자를 설치할 필요가 없으므로 열방사의 영향 및 소자 설치에 따라 일 어나는 측정오차를 유념할 필요가 없다.

그림 36
③송파기와 주파기 분리 거리가 100m 이상 가능함으로 공항의 활주로 및 농지 위에 편군기 온 측정을 할 수 있다.
또한 이 온도계는 가청주파의 음파로 사용할 수 있으나 주로 초음파를 사용하는 이유는 다 음과 같다.
①주위 소리의 방해를 피할 수 있다.
②주파수가 높은 측의 전기적 증폭이 용이하고 분해능도 양호하다.
③송파 주파의 전기적음성변환기가 소형 간단한다.
④가청주파보다 지향성이 있다.
⑤소음원이 되지 않는다.
초음파를 이용한 실제의 온도측정에는 펄스 전반시간법, 입상차법, 공진법, 주파수 변화법 등 4개의 방법이 있다.
①식은 통상 기체에서는 0.01 ~ 100기압까지, 또한 3,000℃ 이하에서 성립되며 내연기관내의 개스 온도측정에 이용된다.
그림 37는 송수파기의 구조로서 진유 결합봉을 통하여 초음파신호를 연소실에 보내어지고 이 결합봉은 수냉으로 초음파진동자의 온도가 상승되지 않도록 하지 않으면 안된다.
2MHz의 초음파와 통상의 오실로스코프로 측정해서 최대 4.7%의 오차 이내로 측정한다.

그림 37
그림 38은 이 방법에 의한 측정예이다.
기타 3MHz의 펄스를 이용해서 송수파기 간격을 총 150m로 하고 공항의 활주로 상의 평 균온도를 0.5℃의 정도까지 측정한 예도 있다.
그림 39는 펄스를 수신함과 동시에 다시 수신펄스 순환시켜 일정 시간 내의 펄스수로부터 전반시간을 구하는 방식도 있다.
이 방법을 sing around법이라 칭한다.



그림 38

그림 39
②입상차법
일정거리 사이의 음파의 전반시간을 측정하는 상기의 펄스 전반시간법보다도 입상차 이용 방법이 고정도 측정을 할 수 있다. 이 하나의 방법으로서 송신파기를 역방향으로 각 1조씩 설치해서 각각 7.5MHz, 10MHz의 연속파를 발사, 송수신 신호의 입상차로부터 v를 구하여 기온을 산출한다.

③공진법
일정 공동내의 기체의 공진주파수로부터 음속을 구하는 방법이다.
그림 40은 초음파간섭장치는 구조로서 수정발진자로부터 보내지는 음파는 반사법에서 반사 되고 원통의 길이가 반파장의 배수가 되도록 하면 음파는 정재파가 된다. 따라서 송파의 주 파수를 변화시켜 정재파의 마디의 수를 변화시킴으로 이것을 측정 음속을 구하며 실동내의 기체의 온도를 구하는 것이 가능하게 감지하게 되는 것이다.
표 1은 이 방법의 정도 확인 데이터로서 고정도 측정 결과를 볼 수 있다.


그림 40

표 1
④급변하는 온도측정
일정 주파수의 음파를 온도가 급변하고 있는 기체에 발사하면 음파의 주파수가 변화한다.
이 효과는 도프러효과에 유사하고 기체온도가 상승하고 있는 경우 주파수는 증가하고 하강 하는 경우는 감소한다.
이 원리를 응용해서 수만 ℃/s의 급변한 기체온도변화를 측정한 예 이다.
초음파온도계의 원리는 기체온도 뿐만 아니라 액체, 고체의 온도측정에도 사용된다.
그림 41은 액체온도측정예로서 T는 송파기, R은 수파기로서 a) b) c) 3방식을 보이고 있 다.

그림 41
a)는 반사왓샤로 부터의 반사시간의 지연 차로부터,
b)는 1, 2의 주파기의 주파신호 지연시 간으로부터 음속을 구하는 것이고,
c)는 a)와 동일하게 반사면의 거리의 차와 반사파의 시간 차로부터 음속을 구하는 방법으로서 표 2에 액체의 온도와 음속의 대표예를 보인다.
액체의 경우는 송수파 소자와의 기계적인 임피던스매칭이 용이하기는 하나 전기적인 절연, 내식성, 기포 및 교반에 의한 방해가 일어난다.
대개의 용융금형은 -0.2 ~ - 0.6m/s/k의 온도계수를, 유기액체는 그 총 10배의 온도계수를 가지고 있다.
고체 금형 내의 음속은 총 5,000m/s로서 총 -0.25m/s/k의 온도계수를 또한 프라스틱은 -3m/s/k의 온도계수를 갖는다.

표 2

5 물질의 색 및 변형 이용 온도소자

화학물질, 금형 및 세라믹의 분자배열, 색조, 융점 등이 온도와 밀접한 관계에 있는 것을 이용한 온도소자로서 이 중 순금형, 수, 유산소다, 나후타린 등의 응고점 또는 비점은 온도 정점으로서 이용되기도 한다.
(1) 액정
액정은 분자가 규칙적으로 배열하고 있으며, 결정의 성질을 가지고 있는 액상의 우기물질 로서 네마틱, 스멕틱, 콜레스테릭 3개의 형으로 분류하고 이 중 주로 콜레스테릭의 액정이 온도소자로서 이용된다. 콜레스테릭 액정은 그림 42와 같이 층상나선 구조로 분자배열이 되어 있고 투명하고도 점성을 가지고 있는 즉 액체와 결정의 중간체로서 일정 온도 범위에 서 광학적으로 복굴절을 일으키는 용융체이다.
분자의 장융은 층면에 평행으로 배열되어 있고 분다의 층은 지극히 얇으며 각층의 분자축 의 방향은 인접한 층 분자축의 방향과 약간씩 빗겨 차이가 있어서 전체로서는 나선구조를 이룬다.
그림 42에서는 나선의 피치 P는 0.55nm로서 300 층 간의 분자배열이 그려져 있다. 이 분자배열에서는 비틀림 변형의 에네르기는 지극히 작은 것으로서 피치는 온도, 전장, 자 장, 응력 화학적환경 등의 외력에 의해서 용이하게 변화한다.

그림 42
이 온도에 따라서 피치가 변화하는 현상을 이용한 것이 액정온도소자 또는 액정온도측정 요소이다.
피치의 간격은 액정의 재질에 따라서 약간씩 다르게 되나 일반적으로 가시광의 파장에 가 깝고 이 박층에 백색광이 닿으면 뉴톤링의 원리에 의해 피치 간격에 상당하는 산란광을 발 생시키고 온도변화에 따라서 표 3의 변화를 보인다.
그림 43 액정의 온도와 산란광의 관계를 보이는 일례이다.
변색의 온도는 액정의 종류 배합비에 의해서 그림 44와 같이 여러 계단의 것이 있고 -20 ~265℃까지는 거의 자유로이 송택할 수 있고 변색을 하는 온도 범위는 그림 44와 같이 1 ~ 6℃ 정도로서 분류능은 우수하나 넓은 온도범위의 측정이 곤란하며 착색영역의 이상에서도 이하에서도 무색이 됨으로 판별이 불가능하다.

그림 43
또한 간섭에 의한 반사광이 있음으로 관측각도에 따라서 색조가 변하는 결점도 있다.
액정으로 피측정체의 표면온도를 측정하기 위해서는 막상으로 액정을 도포하지 않으면 안 되므로 피측정물체 표면을 정정히 하지 않으면 안되며 녹이 있으면 샌드페이퍼로 닦아내고 그 위에 흑색도료를 도장시킨다.
막의 두께는 얇게 균일하지 않으면 안된다. 측정 후 막을 제거시킬 필요가 있는 경우는 유기용제로서 간단히 가능하다.
흑색도료를 도포시키는 것은 색조의 변화를 쉽게 알아보기 위한 것이며 액정은 신나에 용 해되기 쉬우므로 재측정 시는 신나를 사용 완전히 증발시킨다.

그림 44

표 3
공기중에서는 수십 시간 지 나면 액정이 열화함으로 장시간 측정이 필요한 경우에는 그위에 투명한 프라스틱 필름을 접 착시켜서 외부로부터 차단하는 것이 좋다.
그러나 이 방법도 1개월 이상 사용에는 견디지 못한다.
(2) 시온도료
특정의 온도에서 물리변화 또는 화학변화가 일어남으로 변색되는 물질을 이용, 온도를 측 정할 때 이것을 시온도료( themocolor)라 칭하고 가열 시 온도 상승에 따라 변색된 색깔이 온도가 하강함에 따라 본래의 색으로 환원하는 물리적 변화를 일으키는 가역성인 것과 온도 하강시에 본래의 색으로 변화되지 않는 화학적 변화를 일으키는 불가역성인 것이 있으며 또 한 2단계 ~ 4단계로 변색되는 것도 있다.
시온도료에 요술되는 일반적 조건은?
①온도에 따라 민감하게 변색할 것
②손으로 도포 또는 첨부시키기가 용이한 것.
③피측정 물건을 손상시키지 않을 것
④독성이 없을 것
⑤가격이 저렴할 것 등이다.
표 4는 가열성 및 준가역성시온도료를 보이고 있으며 가역성이 온도 하강과 동시에 곧바로 원색으로 환원되는 것에 빌해 준가역성인 것은 흡수되는 것에 따라 원색으로 환원되는 것이 다.

표 4

표 5
표 9는 불가역성의 시온도쵸 변색온도와 색조변화 관계를 보이고 있다.
일반 변색의 것은 40℃ ~ 1,350℃까지의 넓은 온도 범위에 걸쳐서의 소재가 가능하고 개 략의 표면온도를 측정하기에는 편리하다.
단, 주의하지 않으면 안되는 것은 그림 45과 같이 변색에 시간의 요인도 가해지는 것으로 서 장시간 가열되고 있는 상태에서는 50℃ 정도의 낮은 온도에서도 변색되는 것이 있으므로 실제사용 시는 제작사에 이러한 특성을 확인해야할 필요가 있다.
2-4단 변색의 것은 한개의 시온도료로서 2~4점의 온도 측정이 가능한 것으로서 실험실 및 공장 현장에 발생하는 온도상승속도의 검출 및 이상온열의 감시에 편리하다.
시온도료는 도 료의 형으로서도 wopvna화되어 있으나 종이상으로도 가공해서 피측정체에 간편하게 부착 사용할 수도 있다.

그림 45

(3) 융점 온도소자
유기 무기화화합물 및 금형의 용융온도에서 일어나는 투명도의 변화, 연화현상을 이용 온 도검출소자로서 사용하는 것이며 주로 물질의 변태현상을 이용하는 결과가 된다.
①시온라벨
특정온도에서 용융하는 물질을 착색시킨 종이 위에 도포시킨 것으로서 용융온도에 달하면 용융해서 투명하게 되고 본 바닥의 종이 색이 나타나게 된다.
온도 하강 시 원색으로 환원되지 않는 불가역성이고 형상은 1점의 것을 검지하는 직경 10mm 소판상의 것도 있고 그림 46과 같이 용융온도가 서로 다른 3종 ~5종 소형의 것을 병 렬로 5℃ 간격으로 나열시켜서 온도를 측정하는 것도 있다.
a)는 저온 시의 상태에서는 b)는 온도가 상승된 때의 것이다. 이 경우 온도는 65℃~ 70℃의 사이에 있는 것을 알 수 있다. 동작온도의 정도는 ±2~3℃정도이다.
표 6은 1소자 것의 변색 상태와 변색온도를 표 7은 3소자 및 5소자를 조합시킨 동작온 도이다.
이 온도소자는 시온도료와 마찬가지로 목측되는 것임으로 순간적인 온도 EH는 이상온도가 되는 경역을 아는 것이 가능한 장점을 가지고 있다.
열차 등의 가동되는 장치의 과열검출 등에 이용 가치가 높다. 라벨의 후면에는 접착재가 발라져 있으므로 간단히 피측정체에 부착시킬 수 있고 피측정체와 라벨의 사이 열접촉이 잘 되도록 조심한다.

표 6
고속으로 가동하고 있는 물체의 표면은 강풍이 불고 있는 상태와 동일해서 강제공냉되어지 고 있는 것이 됨으로 피측정체와 라벨의 사이 약간 열저항이 높은 온도분포를 이루며 정확 히 온도검출이 되지 않는다.
이런 경우 특별히 가융화합물을 크레용상으로 가공해서 피측정체에 문질어 칠하고 용융 시 의 광택이 나타나는 점을 이용 온도를 아는 것이다.

그림 46
표 8에서 용융온도와 크레용색과의 관계를 볼 수 있다.
②온도퓨즈 정온감지선
일반퓨즈는 과전류의 자기가열에 의해서 금형선이 용융 이상의 온도에 달하면 용단되는 것 이나 온도퓨즈는 전류와는 무관계하고 다만 온도에만 의해서 용단하는 것으로서 일반의 가 전제품 전기장치의 과열방지용으로 사용된다.
그림 47은 각종 온도퓨즈의 구조와 동작기구를 정리한 것이다.

표 7/ 표 8

그림 47
1-3은 저융점 금혀으이 융 점을 이용해서 전기회로를 개하는 것으로서 그 중 1은 가장 단순한 구조이다.

표 9

그림 48






그림 49
표 9는 저융점 금형의 성분과 동작온도를 보이고 있다.
저융점금형을 단심코드의 형으로 가공해서 넓은 범위의 이상온도를 검출하도록 한 것도 있 다.
4, 5는 고분자 재료의 연화 또는 융해와 탄성의 동작으로서 전기회로를 개하는 것으로서 고분자 재료의 종류에 응해서 각종 온도의 것이 있다.
표 11은 5의 유기물 융해+ 탄성형의 동작온도이다.
6은 회로소자로서 고정저항기와 과열검출의 양방 기능을 갖는 것으로서 평상시는 고정저항 시로서 작동하고 있는 것이다.

표 10
그림 48은 프라스틱의 연화에 의해서 2본의 직선을 쇼트시킨 정온형의 화재감지선으로서 통 상의 온도소자가 점검출형인 것에 대해서 이 감지선은 선검출형인 것임으로 넓은 면적의 감 시에 적당하다.
그림 49는 유사의 이상온도검지 케이블의 동작예로서 프라스틱은 무기화합물과 같이 용융 온도가 민감하지는 않으므로 동작에는 시간의 효과가 있다.
(4) 제겔콘
작업 등에서 자주 사용되어지는 것으로서 1885년 H.Seger에 의해 고안된 것이다.
점토를 주성분으로 해서 기타의 규산염 및 산화금형류를 배합해서 작은 삼각추형으로 만든 것으로서 글 조성에 따라 사용온도범위가 다르고 임의 특정의 온도가 되면 용도 변형을 일 으킴으로 곧 온도를 측정할 수 있게 되는 것이다.
59종이 있고, 각 종주의 온도측정폭은 10 ~ 50deg 정도로서 전체 온도측정범위는 600 ~ 2000℃ 정도이다.

표 11
그 외형은 그림 a)같이 연결 소공시킨 것이며, 그림 b)와 같이 수평태 위에 세워진 위치로 부터 용도하는 상태를 파악 측정온도를 비례적으로 감지하는 것이다.
제겔콘의 성분 및 용도온도는 표 9-11과 같다

(5) 금형의 경도변화를 이용한 온도소자
고온으로부터 급냉시켜서 연결시킨 곧 소입시킨 강은 변태점 이하의 고온에 놓아두면 뜨임 에 의해서 연화한다.
이 현상을 이용해서 온도의 이력을 판정하는 소자로서 사용이 가능해지는 것이다. 이 고온소자로서의 필요조건은 풀림이 스무스하게 이루어지고, 경도와 온도이력의 관계가 단순하고 ,넓은 온도범위를 갖는 것으루서 표 12의 탄소공구강이 적당하다. 이 공구강을 5 x 5mm의 원통상으로 가공해서 표의 열처리를 한 것을 온도소자로 그림 51의 a)와 같이 피측정체에 압입한다.

표 12
치측정체의 고온에서의 운전이 종료된 후 매입부를 드릴로 구멍을 내서 취출시키고 그림 51의 b)와 같이 연마하고 마이크로 경도로서 경도를 측정한다.
c)는 이 소자의 풀림 온도와 경도의 교정곡선으로서 실선은 1시간 풀림의 경도변화의 곡 선, 양측의 점선곡선은 0.1시간 밑 10시간의 곡선이다.
이 교정곡선과 실제의 가열운전시간으로부터 피측정체의 온도를 판정한다.
이 소자는 1,500kg/㎠ 압력하에도 견디고 가혹한 기계적진동, 화학적조건에서도 사용되고 더구나 온도이력을 기록하고 있는 것으로서 고속회전체, 고전압이 인가되고 있는 장소, 비상 체 등의 온도를 아는 것이 가능하다.
금형 자체가 소자이므로 열전도가 양호하고 단시간에 피측정체와 동일한 온도가 된다.
취급방법에 따라서 넓은 온도분포의 측정이 되는 장저이 있다.
그러나 반면, 뜨임 현상은 d온도 및 시간이외의 요인의 영향도 받으므로 측정정도는 절대치로 ±60℃ 상대치로 ±2 0℃ 정도이다.
측정범위는 200 ~ 700℃ 정도이고 온도측정은 최고온도만의 측정이 되는 것 이며 피측정체에 손상을 주고 또한 파괴되지 않으면 안되는 드으이 결점이 있다.

그림 51

6 NQR(Nuclear Quadrupole Resonance : 핵사중극공명) 온도계

NQR 현상은 원자핵의 전기사중극 모우멘트와 전장 구배의 상호작용에 의해 분산되는 에 너지 준위의 천이에 따라 발생한다.
이 온도계의 기본이 되는 것은 KCIO3의 Cl35원자핵으로서 이 핵에 임의 주파수의 에너지 전자파가 주어지면 이 핵인 가지고 있는 2개의 에너지 준위간의 천위가 일어나서 전자파를 흡수한다. 이것을 NQR 흡수현상이라 칭한다.
이 주파수는 Cl35의 원자간격의 변화 곧 열팽창에 의해서 변동하는 것으로서 그림 53과 같 이 온도에 의해서 변화한다.
NQR 온도계는 이 원리를 이용한 것으로서 소자부는 KCIO3의 분말결정과 고주파코일을 포함한 직경 12mm, 길이 50mm의 감온부와 발진부를 접속시키는 동축관으로 구성되고 외 부자계에 의해 NQR 흡수신호의 강도가 낮아지는 것을 방지하는 목적은 퍼머로이 용기에 내장시키고 있다.

그림 53
그림 54은 발신 검출회로의 브록 다이아그램에서 NQR 주파수를 검출하고 온도를 표시한 다. 감오부의 코일은 발진부의 콘덴샤와 공진회로를 구성하고 있고 코일을 농해서 발진기로 부터 보내지는 고주파자계가 KCIO3에 가해진다.
공진회로의 콘덴샤의 일부는 가변도용량 다이오드로 되어 있어서 발진주파수를 소인한다. 공진주파수와 일치된 점에서 선택도 Q가 낮아져서 발진진폭이 낮아짐으로 이점의 주파수 를 검출 신호처리를 행하고 온도표시를 한다.
NQR 주파수는 그림 53과 같이 90 ~ 398K에서 29 ~ 27.4MHz의 변화를 하고 1Hz는 0.2mK 분해능을 갖는다.
NQR 주파수는 Cl35의 원자물성에 의해서 정해지는 것으로서 만약 온도와 주파수의 관계 를 구하여 놓으면 그 관계는 전체의 소자에 공통으로서 응용되고 , 호환성은 ±2mK 이내에 있다.

그림 54
또한 넓은 온도범위에 걸쳐서 재현성은 ±1.3mK에 이르고 표준의 백금저항온도계와 같이 조작에 고도의 숙련을 필요로 하지는 않으면서 90~ 398K(125℃)의 온도표준기로서 이용가 치가 높다. 단 이와 같은 정밀온도소자와 ±1mK의 입력까지의 온도를 안정시키는 대는 대 는 수정온도계의 경우와 동양으로 수분 이상의 긴시간이 필요한 것에 주의를 요한다.
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