기초공학실험 온도측정 레포트입니다

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본문 실 험 목 적 - 압력, 부피 전기적 저항, 팽창계수 등은 기본적인 분자구조를 통하여 모두 온도와 관련이 있다. 온도는 물리적 상태량의 하나이지만 이것을 직접 계측할 수 없고 변위, 압력, 저항, 전압 주파수 등의 다른 물리량으로 변화하여 계측을 한다. 일반적으로 접촉식 온도계인 glass bulb 온도계, 열전대 및 RTD 온도센서와 비접촉식 온도계인 적외선 온도계를 이용하는데 이러한 종류의 온도계의 작동 원리 및 각각의 계측시스템을 이해하고 이들 센서들을 이용한 온도 측정 실험을 통해 센서 또는 계측시스템의 값과 이론상의 값을 토대로 오차에 대해 고찰한다. 실 험 원 리 Glass bulb - 일상생활 속에서도 흔히 이용하는 Glass bulb는 열역학 제 0법칙에 근거하여 정량적 방법으로 시스템의 온도를 측정하는 기구이다. 열역학 제 0법칙이란 어떤 3개의 물체가 각각의 온도 T _ 1 ,`T_ 2 ,`T_ 3 라 할 때 T_ 1 =T_ 2 이고 T_ 2 =T_ 3 이면 T_ 1 =T_ 3 이 성립함을 말한다. 다시 말해 물의 온도, 온도계외벽의 온도, 온도계 검출부의 온도를 각각 T _ 1 ,`T_ 2 ,`T_ 3 라 하면 물의 온도 T_1이 온도계외벽의 온도 T_2와 온도평형상태를 이루고 다시 온도계 외벽의 온도 T_2와 온도계 검출부의 온도 T_3가 온도평형상태를 이뤄 결과적으로 물의 온도와 온도계 검출부의 온도가 같다 는 이론을 이용하고 있다. 이 때 온도계 내부의 물질은 보통 수은과 알코올을 많이 이용하는데 수은은 -38.9℃에서 356.7℃까지 액체상태이다. 액체상태 수은은 따뜻해지면 선형적 비율로 팽창하는데 그 팽창계수는 25℃ 일 때 60.4 mum/mK이다. 열팽창 계수란 일정한 압력하에 물체의 열팽창과 온도사이의 비율을 말하며 열팽창은 물질이 열을 받았을 때 그 부피가 커지는 현상으로 물질을 이루는 입자들이 열을 받음으로 인해 운동에너지가 커져 입자 운동이 활발해지기 때문이다. Thermocouple(열전대) - 열전대는 두 가지 금속으로 구성되어 두종류의 금속의 한 끝을 접합시켜 감지기능을 만든다. 이 것을 측온 접점(Hot junction) 이라고 부른다. 따라서 열전대는 측온 접점으로부터 두 선으로 갈라지는데, 이 두 선을 열전대 소선(Element) 라하고 이 두 개의 소선은 각각 절대지벡계수가 큰 쪽이(+), 작은 쪽이(-)로 계측기 입력단자에 연결한다. 이 때 단자에 연결되는 열전대 소선의 말단을 기준 접점부(Reference Junction) 라고 부른다. 이렇게 구성이 되면 열전대의 감지부인 측온접점 에 임의의 온도가 되도록 열이 가해지면 기준접점 과의 온도차이 만큼 열기전력(emf)이 발생되어 연결된 전압계에 전달되어 그 열기전력 값인 전압 값을 측정하게 된다. 여기서 열기전력이란 두 금속이 온도에 따른 전자의 위치에너지가 달라 생기는 현상으로 두 종류의 도체(또는 반도체)를 양쪽으로 접합시키고 양 접합 부위 온도가 다르면 금속 사이에 전류를 흐르게 하는 힘이 생겨 전류가 흐르는데 이를 기전력이라 하고, 이 때 온도차에 의해 전압이 발생되어 전류를 흐르게 하는 힘을 말한다. 이처럼 두 접점간의 온도 차이에 따라 열기전력이 나오는 현상을 지벡효과(Seebeck ``effect)라고 부른다. 여기서 우리는 두 가지 금속을 구리와 콘스탄탄을 이용하여 측정하고 이 두 금속을 이용하여 측정할 수 있는 온도의 범위는 -200 ~ 350℃이고 두 접점의 온도차를 100℃로 하면 4.24mV의 기전력이 생기고, 전류는 고온부의 접점을 통하여 열전류가 높은 콘스탄탄에서 열전류가 낮은 구리쪽으로 흐르게 된다. 그리고 이러한 열전대는 glass bulb에 비해 반응이 빠르고 시간지연이 적으며 다른 온도센서와 비교하여 가격이 저렴하고 쉽게 이용할 수 있다. Resistance Temperature Detector(측온저항센서) - 일반적으로 물질의 전기저항은 온도에 의해서 변화한다. 금속으로는 온도에 거의 비례하여 전기 저항치가 증감한다. 백금, 동 등의 전기 저항치 R과 온도 t 사이에는 R _ RTD `=`R _ 0 LEFT 1+ alpha (t-t _ 0 ) RIGHT 와 같은 일정한 관계가 있고, 이 관계를 이용하여 전기 저항을 측정하여 온도로 환산하는 온도계가 측온저항센서이다. 기준저항 R_0는 기준온도 t_0에서의 저항이며, 비례계수 alpha는 단위저항 당 단위온도상승 시 저항증가량의 의미를 갖는다. 이 실험에서 쓰일 백금의 경우 보통 alpha`=`0.00385 OMEGA/OMEGA DEGC 이며, 기준온도 0℃에서 기준저항 100OMEGA으로 제작된 백금 측온저항체를 Pt100OMEGA라 명명하고 있다. 측온저항체는 주요 부분을 검출부에서 구성하고 그 전기저항에 의해 온도를 검출한다. 검출부에 이용하는 금속선을 저항 소선이라고 하고, 백금 / 동 / 니켈 등이 있다. 이 중 이 실험에 쓰일 백금이 정밀도, 안정성 등이 가장 우수하고 국제 온도 눈금(1TS-90)에 근거하고 표준 온도계로 사용되고 있다. 측온저항센서의 특징으로는 감도가 크고, 안정성이 높으며 온도와 저항의 관계를 잘 알수 있고 공업용으로 간단한 회로에서 직선출력을 얻을 수 있고 저항치의 온도가 알기 쉽다. 하지만 측온저항센서의 구조가 복잡하기 때문에 형태가 크다. 따라서 응답이 느리고 좁은 장소의 측정에는 적합지가 않으며 최고 사용온도가 500~600℃정도로 낮고 가는 저항소자를 사용하기 때문에 기계적 충격이나 진동에 약하다. 측온저항센서는 저항의 온도에 대한 변화를 이용하여 온도를 측정하므로 센서와 저항계를 연결하는 전선의 저항에도 민감하게 관련된다. 센서는 주로 현장에 설치되고 저항계는 제어실 등에 설치되는 관계로 이 연결선은 길이가 길어 저항을 무시 할 정도가 아니므로 연결선 저항을 고려한 게측 방법이 필요하다. 이러한 경우를 고려하여 보통 3도선식으로 전선 하나를 더 사용하여 연결선 저항의 영향을 거의 제거시킨다. <3도선식> 실 험 방 법 하고 싶은 말 좀 더 업그레이드하여 자료를 보완하여, 과제물을 꼼꼼하게 정성을 들어 작성했습니다. 위 자료 요약정리 잘되어 있으니 잘 참고하시어 학업에 나날이 발전이 있기를 기원합니다 ^^ 구입자 분의 앞날에 항상 무궁한 발전과 행복과 행운이 깃들기를 홧팅 키워드 온도, 센서, 온도계, 측온, 전기, 열전대