열전대 계산기의 원리
열전대는 측정 접점(측온 접점)과 소선이 구리선에 연결되는 지점인 기준 접점(냉접점) 사이의 온도 차이에 따라 전압을 냅니다. 각 표준 형식의 전압–온도 관계는 NIST ITS-90 기준 함수로 정의되며, 이는 NIST Monograph 175로 발표되고 IEC 60584-1에 채택되었습니다. 온도의 다항식이며, K형은 0 °C 이상에서 지수 항이 추가됩니다.
계산기는 이 기준 함수를 직접 계산합니다. 전압에서 온도로의 역방향은 같은 함수를 수치적으로 역산해 구합니다. NIST는 별도의 역함수 다항식도 발표하지만, 이는 순방향 함수를 0.01 °C 단위로 근사할 뿐입니다. 순방향 함수를 역산하면 이 작은 추가 오차를 피할 수 있어, 온도를 밀리볼트로 바꿨다가 되돌리면 모든 형식의 전 범위에서 0.001 °C 이내로 같은 온도가 나옵니다.
냉접점 보상 단계
모든 열전대 기전력표는 0 °C 기준입니다. 그런데 계측기가 보는 것은 측온 접점과 계측기 자신의 단자 사이의 전압이며, 단자는 대개 상온 근처입니다. 올바른 보상은 온도가 아니라 전압으로 합니다.
- 표에서 냉접점 온도의 기전력을 찾습니다: E(T냉접점).
- 측정한 전압에 더합니다: E(T측온) = E계측기 + E(T냉접점).
- 합계를 다시 온도로 변환합니다.
예: K형. 측온 접점이 500 °C, 단자가 25 °C입니다. 0 °C 기준 기전력은 500 °C에서 20.644 mV, 25 °C에서 1.000 mV이므로 계측기는 19.644 mV를 나타냅니다. 냉접점 25 °C로 19.644 mV를 입력하면 계산기는 500 °C를 돌려줍니다.
19.644 mV를 K형 표에서 바로 찾으면 476.5 °C로, 약 24 °C의 오차입니다. 여기에 25 °C를 더하면 501.5 °C로 가깝지만 여전히 틀립니다. 열전대의 감도가 25 °C(40.5 µV/°C)와 500 °C(42.6 µV/°C)에서 다르기 때문입니다. 다른 형식에서는 차이가 더 큽니다. J형으로 300 °C를 이 방법으로 구하면 약 2 °C 어긋납니다.
열전대 형식 고르기
| 형식 | 표의 범위 | 주 용도 |
|---|---|---|
| K | −270~1372 °C | 범용, 산업에서 가장 흔함 |
| J | −210~1200 °C | 오래된 설비, 환원 분위기. 철 소선은 고온의 공기 중에서 산화됨 |
| T | −270~400 °C | 저온, 식품과 실험실, 상온 근처에서 정확도 좋음 |
| E | −270~1000 °C | 비금속 형식 중 도당 기전력이 가장 큼 |
| N | −270~1300 °C | 고온에서 K보다 안정적 |
| R, S | −50~1768 °C | 고온과 기준 측정용 백금 계열, 기전력이 작음 |
표의 범위는 기준 함수의 범위입니다. 실제 열전대의 사용 범위는 더 좁으며 소선 직경, 시스, 분위기에 따라 달라집니다. 프로브 데이터시트를 확인하십시오.
허용차 등급
IEC 60584-1은 열전대 소선의 허용차 등급을 정합니다. K형의 경우 −40~1000 °C에서 1 등급은 ±1.5 °C와 온도의 ±0.4 % 중 큰 값, 2 등급은 ±2.5 °C와 ±0.75 % 중 큰 값입니다. 500 °C에서는 ±2.0 °C와 ±3.75 °C입니다. 계산기는 선택한 형식과 온도에 대해 두 등급을 모두 보여 주며, 등급이 정의되지 않은 곳에서는 “범위 밖”으로 표시합니다.
기전력표
변환기 아래 표에는 원하는 범위와 간격의 기전력과 감도(제벡 계수)가 °C 또는 °F로 나옵니다. CSV 다운로드가 있는 전 범위 기준표는 K형, J형, T형, E형, N형, R형, S형에 있습니다.
흔한 실수
냉접점 보상에서 전압 대신 온도를 더하는 것. 위에서 본 것과 같습니다.
구리선으로 열전대를 연장하는 것. 서로 다른 금속의 접합부는 모두 열전대입니다. 연장에는 맞는 연장 도선이나 보상 도선을 써야 하며, 그렇지 않으면 접속점이 온도를 모르는 새로운 냉접점이 됩니다.
극성 반대 연결. 소선이나 보상 도선을 반대로 연결하면 기전력이 더해지지 않고 빼져, 오차는 반대로 연결된 구간의 온도 차이의 약 2배가 됩니다.
형식 혼동. 많은 계기가 기본값이 K형입니다. J형 프로브를 K형으로 읽으면 눈에 띄는 경고 없이 잘못된 결과가 나옵니다.
자주 묻는 질문
프로브가 상온인데 계측기에 작은 전압이 나오는 이유는?
측온 접점과 냉접점의 온도가 같으면 전압이 나오지 않아야 합니다. 전압은 온도 차이에 따라 정해지기 때문입니다. 단자의 오프셋이나 온도 구배로 수 마이크로볼트가 나올 수는 있습니다.
0 °C 빙점 기준을 쓰는 열전대에도 쓸 수 있나요?
네. 냉접점을 0으로 두면 계측기 지시값이 표의 기전력과 같아집니다.
기준 함수는 얼마나 정확한가요?
기준 함수 자체가 규격이며 표의 값을 정의합니다. 실제 측정의 불확도는 열전대의 허용차 등급, 드리프트, 보상 도선, 계기에서 생깁니다.
°F도 지원하나요?
네. 페이지 위쪽에서 °C와 °F를 전환하면 온도 칸, 표, 감도가 자동으로 환산됩니다.