실험보고서 - 열전대[Thermocouple]을 이용한 온도측정법

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실험보고서 - 열전대[Thermocouple]을 이용한 온도측정법에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험제목 2
2. 실험목적 2
3. 실험이론 2
가. Thermocouple 2
1) About the Thermocouple 2
2) 원리 2
3) 기준접점(영접점) 3
4) Thermocouple의 종류 4
나. 배경이론 5
다. 용어개념 6
라. 냉각 곡선을 이용한 융점확인 7
마. 과냉을 통한 상분석 및 변태점확인 7
4. 실험재료 및 기구 8
5. 실험방법 8
6. 결과 8
7. 비고 및 고찰 9
8. 참고문헌 10

본문내용

로를 개방한 상태에서 A와 A′간에 생기는 전위차를 열기전력이라 한다. A, B가 모두 균질한 도체일 때의 열기전력은 양 접점 이외 부분의 온도와 A, B의 길이, 굵기에 상관없이 양 접점의 온도차만으로 정해지므로 온도차 측정에 이용된다.
냉각 곡선을 이용한 융점확인
모든 금속원자들은 액체 또는 고체 상태에 따라 서로 다른 양의 에너지를 갖고 있다. 금속을 용융점온도까지 가열하기 위해서는 일정량의 열에너지를 필요로 한다. 그러나 용융온도에서 금속은 전혀 용융되지 않는다. 이러한 금속을 비정질상의 액체 상태로 용융시키기 위해서는 각 원자가 인접한 격자점으로부터 뛰쳐나올 수 있도록 상당한 양의 열에너지가 요구된다. (용융잠열)
금속은 고체-액체의 용융과정에서 상당한 에너지를 얻게 되며 이로 인하여 원자의 운동이 활발해진다. 따라서 원자는 고체 상태에서보다 액체 상태에서 높은 운동에너지를 갖는다. 이와는 반대로 용액의 응고과정을 보면 원자가 낮은 에너지를 갖는 결정 상태로 돌아가기 위해서는 용융점에서 냉각이 진행되는 동안 열을 방출해야 한다. 이 응고잠열은 그 양에 있어서 용융잠열의 양과 똑같다. 금속의 용해곡선과 응고곡선을 그리면 이들은 서로 경면대칭이 된다. 한편 금속의 용융점(혹은 응고점)에서의 온도-시간관계는 시간적으로 지연되는 것을 볼 수 있는데 이는 금속이 용융 또는 응고되는 동안 전체 용융잠열을 흡수하거나, 전체응고잠열을 방출할 때 까지 온도가 변화하지 않음을 말한다.
이를 통해 재료의 융점을 확인할 수 있다.
과냉을 통한 상분석 및 변태점확인
일반적으로 재료를 평형상태에서의 상변화 온도 즉, 변태점이하의 온도로 냉각을 시키게 되면 상변화(phase change)가 일어나기 마련이지만, 급격하게 냉각을 시켜주게되면 변태점이하가 되어도 상변화가 일어나지 않게 된다. 이를 과냉(super cooling)이라고 한다.
온도가 갑자기 낮아졌을 경우 재료의 구성원자가 각 온도에 따른 안정상태로 변화할 여유가 없기 때문인데, 이러한 특성을 이용하여 특정온도에서의 상분석이 이루어질 수 있다. 이러한 상분석을 통해 상변화가 일어나는 변태점을 확인할 수 있다.
실험재료 및 기구
□J-type(or K-type) Thermocouple
□알루미늄(Al) (융점 660.32℃)
□도가니
□전기로
실험방법
전기로의 온도를 800℃로 맞추고, 알루미늄을 일정량 담은 도가니를 넣어 용융시킨다.
액상의 알루미늄을 꺼내어 Thermocouple를 이용하여 5초간격으로 온도를 측정한다.
측정한 data를 이용하여 냉각곡선을 그리고, 변태점을 확인한다.
결과
시간(t)
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
실내온도:
21.4℃
온도(℃)
723.2
717.2
713.8
709.2
705.3
700.1
695.6
690.6
686
680.2
시간(t)
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
온도(℃)
675.5
670.9
665.7
661.3
659.3
659.4
659.5
659.5
659.5
659.5
시간(t)
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
온도(℃)
659.5
659.5
659.7
659.8
659.8
659.7
659.7
659.7
659.7
659.7
시간(t)
155
160
165
170
175
180
185
190
195
200
온도(℃)
659.7
659.7
659.7
659.7
659.8
659.8
659.8
659.7
659.8
659.7
시간(t)
205
210
215
220
225
230
235
240
245
250
255
온도(℃)
659.7
659.6
659.4
659.3
659.1
658.6
655.8
651.5
646.7
641.2
634.4
비고 및 고찰
이번실험은 열전대를 통한 Al의 온도측정을 통한 열전대의 특성 확인 및 Al의 융점을 확인해보는 실험이였다.
액상의 Al은 그래프의 기울기를 평균적으로 계산해봤을 때 초당 온도변화가
-0.95℃/sec정도로 기울기를 봤을 때 고상의 Al의 초당 온도변화보다 절대값이 작다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Al이 액상보다 고상이 비열이 높음을 확인할 수 있는 부분이다.
그리고 용융점은 약 659.7℃로 확인이 되었는데 이는 우리에게 잘 알려져있는 Al의 융점 660.32℃와 약 0.6℃정도 차이나게 되었다. 이 온도차이는 재료에 불순물이 들어갔을 경우, J-Type 열전대의 오차범위, 실온에서 실험에 의한 보상의 오차, 실험시 열전대와 재료의 비접촉 등의 가능성을 염두할 수 있는데, 다른 조의 실험값과 비교하였을 때 비교적 정확한 데이터를 얻었음을 확인하게 되어, 이와 같은 오차요인이 개입되었을 가능성은 적었던 것으로 생각된다.
액상의 Al이 냉각되어 상태변화를 시작하게 되었을 때 과냉에 의한 우물을 기대하였는데 실험결과를 살펴보면 상태변화에 들어갈 때 온도가 측정융점보다 약 0.3℃정도 순간 낮았다가 높아지는 구간이 70~85sec부분에서 확인되었다. 이 구간이 과냉구간이였는지, 아니면 실험 오차에 의한 부분인지는 추가적인 실험을 통해 명확히 파악할 수 있겠지만, 과냉구간이라면, 공냉에 의한 비교적 더딘 냉각속도로 인해 과냉 우물이 얕게 나타난 것이라고 생각된다.
그리고, 실험시 고상이 된 Al속에 열전대가 묻혀 열전대를 손상시키는 경우가 발생되기도 하는데, 이와같은 상황을 피하고자 다른 실험조들은 최대한 얕게 열전대를 재료에 접촉시키다가 실험값에 영향을 주는 결과를 얻기도 하였고, 우리조는 열전대와 함께 Al이 굳게 되어 실험 마무리가 잘 안되기도 하였다. 정확한 실험값을 얻는 범위내에서 최대한 열전대의 손상을 막을 수 있는 추가 실험기구의 필요성을 확인하였다.
참고문헌
(주)한다솜계기, 열전대 온도계, http://www.hath.co.kr/korean/product/temp0619.pdf
화학용어사전, 화학용어사전편찬회, 2011.1.15, 일진사
화학용어사전, 화학용어사전편찬회, 2011.1.15, 일진사
전자용어사전, 월간전자기술 편집위원회편, 1995.3.1, 성안당
금속용어사전, 금속용어사전편찬회편, 1998.1.1, 성안당

키워드

1.1. Thermocouple,   제베크효과,   톰슨효과