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측정기술/ 열방사에 의한 온도 측정
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열방사에 의한 온도측정
1 개 요
통상의 온도범위에서의 방사에너지는 거의 열선인 것으로서 2000K 정도의 고온에서는 가 시광선 량은 약 1.3% 정도이고 열선의 양은 약 99%에 달하는 것으로서 이 열선의 량을 측 정해서 물체의 온도를 측정하는 온도계가 방사온도계이며, 실제의 열선 검출 시 피측온도로 부터 방사되는 방사에너지 중 검출소자에 도달하는 에너지 전량(빛 + 열에너지)를 원리상 검출하게 되는 것임으로 또한 전방사온도계라고도 칭한다.
열방사검출소자로서는 써모파일(thermopile : 열전대), 보로메터(bolometer),초전검출기 등이 주로 이용되며, 써모파일은 다수의 열전대를 직열로 접속 온도변화에 따른 전력 변화의 감 도를 증대 온도를 측정하는 것이고, 보로메트는 금속(백금, 니켈, 금)서미스타 등의 상온용 초전도체 및 게르마늄, 실리콘 등의 저온용 전기저항 변화를 감지해서 온도를 측정하며 방 사온도계로서는 거의 상온용을 사용한다.
또한 초전검출기는 강유전체 결정으로서 온도 변 화에 따라 발생하는 자발분극에 의한 기전력을 감지 온도를 측정하는 것이다.

열방사온도계(장점)
①피측온물체에 직접 접촉시키지 않는 상태로의 온도 측정이므로 피측온물체의 온도에 영향 을 미치지 않는 온도측정이 가능하고 고온을 비교적 용장하게 측정할 수 있다.
②이동하고 있는 물체 및 회전체의 표면온도측정이 가능하다.
③비접촉임에 따라 감온소자 자체의 온도가 높지 않고 또한 재질의 내열성 문제를 고려한 필요가 있다.
④기록 및 자동제어가 가능하다.
⑤지시의 시간지정이 대체로 작다.


열방사온도계(단점)
①피측온물체의 방사 율에 따른 영향을 받는다.
②측온물체와 감온부의 사이 증기, 매연 등에 따른 방사에너지의 흡수 산란에 의해 온도가 낮게 지시된다.
③물체의 피면온도만이 측정되어진다.
④렌지 반사경 등의 오염에 따라 온도가 낮게 지시된다.

2. 열방사 온도계
열방사를 이용한 온도계의 일반적 구조는 삼부분으로 구성되어 있다.
①검출소자 : 집광된 방사에너지를 전기신호로 변환시키는 부분 ⅰ.써모파일 ⅱ.브로메터 ⅲ. 초전검출기 등으로 분류한다.
②광학부 : 열방사의 효과를 보다 높이기 위한 집광부와 필요에 따라 특정의 피장도만을 선 택하기 위한 필터(Filter)등으로 구성되는 부분집광부는 렌즈용, 반사경용 등으로 대별된다.
③전기부 : 검출소자로 부터의 전기적 출력신호를 증폭 처리시키는 부분 및 온도피시부 방 사온도계에 이용되는 방사법칙은 전술된 스테판 -볼트만의 법칙이고 실제 온도계의 온도눈 금은 이 법칙으로 피현되는 전방사온도 눈금이다.
온도계 교정시 표준은 흑체이며 실체 이외의 피측온체 진의 온도는 흑체온도보다 높게 나 타나게 되며, 현 방사온도계로서의 측정된 흑체온도를 S(。K)라 하면 물체의 진온도 T(。 K)는
T = S/ 4 ε(ε: 측정표면의 방사율)로 나타내어진다.
방사온도계의 분류는 온도 검출소자에 의한다.

(1)써모파일 형.
1)원리 및 구조
방사체로부터 방사되는 방사에너지는 집속시키는 구조는 렌즈 사용형(그림 1)과 반사경 사용형 (그림 2)으로 분류하고 여기서 집속된 방사에너지는 수열판 상엥 상으로 맺히게 된 다.
따라서 수열판(그림 3과 그림 4)은 방사에너지를 흡수, 자체의 온도가 상승하게 되면 그 외 부 열전관으로 전달 곧 온도 변화에 비례하는 기전력을 발생 외부 출력으로 내게 되는 것이 다.
수열판은 그림에서와 같이 8~20대의 열전대 (또는 열전관)을 십자형 또는 V자형으로 직열 연결하고 마이카로서 흑색 도장시켜 사용하는 것이다. 또한 다수의 열전대를 일체로 사용한 다는 의미에서 열전퇴라 칭하기도 한다.

그림 1 그림 2

그림 3 그림 4 그림 5

집광부와 수열판과의 거리는 고정되어 있는 고정초점식과 거리를 변경시켜 상의 위치를 조 정할 수 있는 가동초점식이 있고, 렌즈 사용형의 전자는 동재료의 렌즈를 사용하는 경우는 초점거리가 다소 다르다해도 측정온도범위 및 출력특성은 일정하고 다만 측정면의 크기만 변화하는 장웅가 되고, 후자는 수열판의 위치를 렌즈에 대해서 변화시키는 것으로서 상의 위치와 크기가 변화함으로 따라서 측정온도범위 곧 출력특성이 변화하고 이에 대한 과정을 행하지 않으면 안된다. 과정은 거리계수를 이용해서 행한다.
집광부에 반사경 사용형은 수열판과 반사경과의 거리는 고정적이다. 온도표시부는 감온부 로 부터의 열기전력을 측정하는 열전온도계로서 가동코일형, 자동평형형, 전위차계 등을 사 용한다.
온도 측정 시 렌즈 사용형은 주로 고온측정에 상당하고 이 경우는 감온통의 온도가 비교적 높아짐으로 수냉 또는 용냉시켜서 온도상승을 방지하고 있으며 그림 5는 방사고온계의 감온통 조위 수냉관 및 용냉장치를 부착한 경우이다.
반사경 사용형은 렌즈 사용형에 비해 저온도 측정에 적당하고 특히 비교적 파장이 긴 적외 선에 대해서는 반사경 측이 렌즈보다도 흡수률이 작은 것으로서 양호하다. 그러나 상에 도 달하는 중간 수열판이 있으므로 방해를 받아 열손실이 있게 된다.
사용온도 범위 및 정도는 렌즈사용형은 1,000 ~ 2,000, 500 ~ 1,000℃, ±1%이고 반사경 사용형은 600 ~ 1,000, 600 ~이하, ±1.5%이다.

2)거리계수
방사온도계로서의 온도측정 시 측정물체의 필요한 최소의 크기는 방사온도계로부터의 거리 에 따라 다르고 그 거리에 비례하는 것이다.
이것은 곧 수열판에 맺어지는 사이 크기가 그 구조상 일정면적을 갖어야 함으로 곧 그 크기 및 거리에 있어서 물체와의 상관관계를 갖게 되는 것이다.
그림 6 렌즈사용형에서 R을 수열판으로 하면 상이 R과 동일크기가 되는 때의 측정물체의 크기가 필요한 측온체의 크기가 된다. R(직경 : d)은 거의 도형으로서 표시된다.
측온물체의 직경을 D, 측정물체와 렌즈와의 거리를 L, 렌즈와 수열판과의 거리를 ℓ이라하 면.
L/D = ℓ/d = 거리계수
렌즈 사용형에 있어서의 거리계수는 일반적으로 20 ~ 40정도이다. 그림 7 반사경 사용형에 서 원추경 전방 조리개 역할을 하도록 끝 단면 S로 원추경의 정점 "O"중심으로해서 OB를 반경으로 하는 주의 원주에 접선을 긋고 그 교점을 P라 하면 조리개 중심과 점 P의 거리를 ℓ, 조리개 직경을 R이라 하면 거리계수는 ℓ/R이다. 이 경우 측온물체와의 거리계수는 일 반적으로 2~10정도이다.

(2) 초전형
1) 원리
방사체로부터 방사되는 열선을 받아서 소자 자체의 온도가 상승 이차원적으로 전기신호를 발생시켜 주는 열형소자이다.
초전체라 함은 강유전성세라믹 결품으로서 초기 고전압을 인가 분극시킨 후전계를 소거시 켜도 소자 양단간에는 전하가 남는 곧 소자 고유의 분극조작에 의해 자발분극이 나타난다.


이 자발분극 현상은 그림 7과 같이 표리면으로 +와 -전하가 양표피로 대전되어 있으며 일 반 대기중에서는 부류전하에 의해 중화되어 표리면간의 전위치는 "0"이 되는 것이다.
자발분극의 크기는 소재의 온도에 따라서 결정되며 온도 증가 시 오히려 감소하는 즉 전하 가 소거되는 것으로서, 표리면 양측 전극을 만들고 그 사이 적당한 저항을 차입시킨 상태에 서 온도증가에 비례된 전하 감소의 중화과정에 따른 저항 양단간의 전압변화를 측정 곧 온 도를 감지하는 것이다.

온도 △T 변화 시의 자발분극을 △Ps 정전용량을 C라 하면 전압 E는
E = △Ps/C
관계에 있고 이 현상을 초전효과라 칭한다.
또한 초전계수 π는
π = △Ps / △T
통상 사용되고 있는 재료의 초전계수는 2 x 10-8 크롬 /㎠ .℃ 정도이다.
정상적 온도변화가 있는 경우 초전체의 전기출력 계산 예를 들어보면 초전체 양단간에 발생 하는 정상전압 V는 V(정상전압)= 2 x 10-8 x 0.2x0.08 x 0.5 / 60 x 100 x 109 =0.27 V 정도가 된다.

2)재료 및 구조
소자에 사용되는 재료에는 표 1과 같고 한계온도 Tc는 탈분극이 일어나는 온도이다.
LiNbO3(니오브산리튬) LiTaO3(탈탄산리튬) SBN. TGS 지료는 단결창 PbTiO3(티탄탄납)는 세라믹 소결체이고 PVF2 유기계 필름이다.

초전체의 전기적 특성은 임피던스가 1011Ω 이상으로 비상히 높고 또한 이 때문에 외부잡 음의 영향을 받기 쉬워서 증폭기를 소자에 내장시키는 것이 좋으나 내장시키는 경우 증폭기 의 입력 임피던스는 비상히 높은 것이 필요하다.


그림 9

따라서 FET OP AMP(그림 9)를 부가 이용하는 경우가 많다.
또한 이러한 고저항을 안정하게 장시간유지시키기 위하여서는 질소가스로 충만시킨 케이스 중에 초전체를 차입 사용하고 있다.
고감도인 소자를 얻기 위하여서는 초전체의 용량을 작게 하고 초전게수를 크게 해야 하며 또한 초전체로 부터의 열방산량을 작게 하는 것이 중요하다.
그림 9에서 대표적 경우 예를 볼 수 있으며 a)형은 팽지몰드형, b)형은 요면경을 내장시킨 것으로서 b)측이 출력감도가 보다 높다.

초전소자( PZT)의 표면은 저고히선을 흡수시키기 용역하도록 흑화시키고 있으며 그림 c) 처럼 소자의 가운데에 앰프의 FET를 주입시킨다.
초전체의 전기적 등가회로는 그림 10의 a) b)와 같다.
또한 적외선을 투입시키는 창은 리에틸렌 필름을 사용하고 있으며 종래의 Ge, Si 암염 등 의 재료를 이용한 창의 것과 비교된 상대감도는 그림 11과 같다.


그림 11 그림 12

이 형으로서의 온도측정 시 특징은 정지하고 있는 물체에는 연속적으로 반응을 일으키지 않으므로 고온물체를 연속감지하기 위해서는 수 Hz의 기술적 쵸퍼를 사용해야 한다.
표면온도측정용 온도계의 브록도는 그림 12와 같다.

(3)서미스터 볼로메터
1) 검출소자
서미스터볼로메터 곧 적외선(열선) 검출기는 그림 13과 같은 것으로서 두께 10μm 정도의 막형 NTC를 Ge창 또는 렌즈를 사용한 용기 중에 진공 주입시킨 고급인 것이다.


그림 13 그림 14

그림 14는 비드형 NTC에 광학렌즈로 열선을 집속 사용하는 것이며 700~ 1,600℃의 온도측 정이 가능한 것이다.
그림 a)에서 "a"에 있는 NTC는 온도측정용이고 "b"의 NTC는 온도보상용 NTC로서 양 비 드 NTC 소자 사이의 미소온도차는 그림 b)의 회로로서 검출한다. (서미스터 측온저항 참 조) 지시적 피측온도의 크기, 방사률에 따라서 변하고 또한 주위온도변화에 따라서 출력감 도가 변함으로 온도의 절대직의 측정에는 사용할 수 없고 거의 일정 유지의 피측정체의 온 도 감시용으로서의 이용 빈도는 높다.
그림 C는 그 출력특성으로서 주위온도가 높아지면 NTC의 온도계수가 작아저 출력감도가 e 떨어짐으롯거 주위온도 변동이 큰 장소에서의 사용 시는 출력회로에도 온도보상을 해야 하 고 넓은 온도역에서의 온도계수 변화를 줄이기 위하여 Si PTC를 검출소자에 사용하기도 한 다.

지금까지 전술된 열방사형 온도계의 그 검출소자의 감응특성은 표 2와 같다.
표 D는 검출감 도를 HQ이는 지수로서 범용으로 사용되고 있는 것들의 값이다.

2) 적외선 온도계
고온역에서의 검출소자는 주로 고순도시리콘 단결정 Pn경합 소자가 이용되며 분자감도역 은 총 0.4 ~ 1.2㎛로 대기 흡수가 작은 대역이고 400℃ 이상 온도계측에 사용 가능한 감도를 갖으며, dshvmds 온도지수 n을 보이며, 방사률 영향이 타의 검출소자보다 작다.

기능적으로 분류하면 단색형(단일파급 대역의 분광방사 휘도를 계측), 주사형(단생형 EH는 2색형의 임의 숫자의 시정개소를 회전경 등으로 순차 주사시키며 판재의 폭방면 등 온도를 계산) 등이고 또한 Si 광전소자 출력을 직접 출력으로 하느냐 증폭기 사용 출력으로 하느냐 에 따라 직접형과 증폭형으로 분류하며 기타 세분류 예는 표 3과 같다.
자반 임양일람도 열 거하였다.
그림 15, 16에서 실제의 적외선온도계 예를 볼 수 있다.

그림 15 사진 1
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