온도 측정 실험

실험 목적 열공학에서 가장 기본적 성질인 온도를 측정하는 방법은 여러 가지가 있으나 비교적 간단하고 측정범위가 넓은 열전대(熱電對 : thermocouple)를 사용하여 결선법 및 측정방법을 익히며 온도와 기전력을 파악하여 각종 온도계의 측정 원리와 그 특성을 이해하도록 한다.

관련 이론 (1)온도와 온도계 ① 온도의 개념 인간의 온냉의 감각은 신뢰성이 적기 때문에 수량적으로 나타내기 위하여 계측장치가 필요하고 이를 온도계라 하며, 즉 온도란 이 계측 결과치를 말한다. ② 온도계의 원리 물질의 열팽창(체적), 전기저항, 열기전력, 열복사도 등의 각종 물리적 성질을 이용하여 측정하며 다른 량(압력 등)과는 달리 간접적인 방법뿐이다.

관련 이론 ③ 온도의 구분 가. 섭씨온도(℃) 스웨덴의 천문학자 Ander Celsius(1701~1744)가 표준대기압에서 순수한 물의 빙 점(ice point)를 0℃, 비점(steam point)을 100℃로 하고 이를 100등분하여 1℃ 로 정하고 미터단위를 쓰는 나라에서 주로 사용되고 있다. 나. 화씨온도(℉) 독일의 Daniel Fahrenheit(1688~1736)가 표준대기압에서 순수한 물의 빙점을 32〬 비점을 212〬로 하고 이를 180등분하여 1℉로 정하고 영국 등에서 많이 사용되고 있다. 다. 절대온도(K, R) 완전가스는 일정체적에서 온도 1℃ 감소에 0℃때의 1/273.16씩 압력이 감소되어 -273.16℃에 이르면 기체의 압력이 0이 된다. 따라서 -273.16℃는 최저극한 온도(절 대빙점)를 온도정점으로 하여 나타낸 것을 절대온도라 하며, 섭씨 눈금으로 표기할 때 기호는 K(Kelvin), 화씨 눈금으로 표기할 때 기호를 R(Rankine)로 표시한다.

관련 이론 ④ 온도계의 종류 표는 현재 널리 사용되는 온도계를 나타내고, 가스온도계는 열팽창률이 거의 일정하여 정도가 높은 온도를 측정할 수 있다.

관련 이론 (2) 열전대 온도계 공장이 대형화, 플랜트화 되면서 자동화가 절실하게 되었다. 이때 필요한 온도계가 먼거 리까지 측정한 온도값을 전송할 수 잇는 전기식 온도계이다. 이 전기식 온도계는 측정값 을 전기신호로 출력하여 시퀀스회로를 구성하여, 컴퓨터에 입력시켜 자동화를 실현할 수 있어 각광을 받게 되었다. ① 원리 성분이 다른 두 종류의 금속으로 폐회로를 만들고 그 양단의 온도를 달리하여 주면 회로 내에 기전력이 발생하는데 이를 Seebeck 효과라 부르며 이러한 폐회로를 열전대라 하며 기준온도와 측정하는 곳의 온도차이에 의해 기전력이 발생되므로, 이 기전력을 측정함으 로써 온도를 알 수 있다.

관련 이론 ② 열전대의 법칙 가. 두접점 사이의 온도차이에 의한 기전력은 중간부분의 온도분포에는 영향을 받지 않는다. 나. 회로 중간에 제 3의 금속을 삽입하여도 제 3의 금속에 의해서 만들어진 두 접점사이 의 온도가 동일하다면 전체회로의 기전력은 영향을 받지 않는다. 다. 기준 금속에 대한 어떤 두 금속의 기전력이 각각 알려져 있는 회로의 기전력은 그들 의 기준 금속에 대한 기전력의 차이와 같다. 라. 폐회로 양단의 온도가 T1, T2일 때 기전력 E1을 발생하고 양단의 온도가 T2, T3 일 때 발생되는 기전력은 E1+E2가 된다.

관련 이론 ③ 열전대의 오차 보호관이 없는 열전대의 측온접점은 작아서 국부적 인 온도의 측정에는 적합하나 소선내의 온도 구배 가 크면 피측물체와 측온접점과의 사이에 온도차가 생긴다. 이와 같이 온도계의 내의 열전도에 의해 외부와의 사이에 열의 출입으로 인한 측정값에 생 기는 오차를 열전도 오차라 한다. 보호관을 사용하 면 열전도 오차가 커지기 쉬우며 이를 피하기 위하 여 피측물 속에 깊이 꽂아야 한다. 기체의 온도 측 정시는 금속보호관은 바깥 지름의 20배 이상, 비금 속 보호관은 10배 이상으로 측정 유체에 꽂아야 한 다.

관련 이론

실험 장치

배선 작업 전위차계 Es 단자 ⊕ ➝ 표준 셀 ⊕ Es 단자 ⊖ ➝ 표준 셀 ⊖ BA Guard ➝ 표준 셀 접지 2. 전위차계 GA ➝ 검류계 적색선 GA ➝ 검류계 백색선 GUARD ➝ 흑색선 : 고정위치 3. 전위차계 BA(배터리) ⊕ ➝ Power supply ⊕ BA(배터리) ⊖ ➝ Power supply ⊖ 4. 전위차계 Ex ⊕ ➝ 열전 대 출력단자 적색선 Ex ⊖ ➝ 열전 대 출력단자 흑색선

Setting 작업 1. 배선연결 2. Es ADJ 다이얼을 표준전압인 1.0193V에 맞춘다. 3. Range 다이얼을 1.5V에 놓는다. 4. 측정전압 다이얼은 1.0193V에 맞춘다. 5. Es/Ex 다이얼 손잡이는 Es에 맞춘다. 6. G2, G1, G0, Gs 버튼을 순서대로 누르면서 7. Current ADJ. 다이얼을 조정한다. 8. 이대 Coarse, Midium, Fine을 순차적으로 조정하면서 9. 갈바노미터(검류계)의 지시계가 “0”에 있을 때까지G0을 누른 상태에서 Fine다이얼을 조정한다. ※주의 : G0와 Fine은 가장 민감하게 지시계의 바늘이 움직인다.

실험 방법 1. 히터를 on 시켜 섭씨 90 도 에 맞춘다. 2. 보온병 안의 온도 (섭씨 0 도) 유지 3. 타입별 (E, T, J, K) 전위차계 기전력(EMF)를 읽어 기록한다. 4. 온도를 낮추어 가며 위 실험을 반복하여 기록한다,

실험 결과 1)측정값을 기술하시오 2) 온도와 기전력이 선형 관계를 갖는다고 할 때 다음의 공식을 이용하여 상수를 정하고 각 열전대에 맞는 특성의 관계식을 구해서 값을 구하고 이론 값과 비교하라 * EMF = a₀ + a₁T 3) 측정된 자료를 가지고 그래프를 그리고 이론 값과 비교하시오. 4) 실험에 대해서 고찰을 쓰시오.