온도센서 시정수 평가 기술지원 - ITFIND · -2-제 출 문 산 업 자 원 부 장 관 귀하 본 보고서를 온도센서 시정수 평가 기술지원 지원기간“

온도센서 시정수 평가온도센서 시정수 평가온도센서 시정수 평가온도센서 시정수 평가

기술지원기술지원기술지원기술지원

2005. 11.2005. 11.2005. 11.2005. 11.

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 한국표준과학연구원한국표준과학연구원한국표준과학연구원한국표준과학연구원

지원기업지원기업지원기업지원기업 :::: 주 와이즈 콘트롤주 와이즈 콘트롤주 와이즈 콘트롤주 와이즈 콘트롤( )( )( )( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

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제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀하산 업 자 원 부 장 관 귀하산 업 자 원 부 장 관 귀하산 업 자 원 부 장 관 귀하

본 보고서를 온도센서 시정수 평가 기술지원 지원기간본 보고서를 온도센서 시정수 평가 기술지원 지원기간본 보고서를 온도센서 시정수 평가 기술지원 지원기간본 보고서를 온도센서 시정수 평가 기술지원 지원기간“ ” ( : 2004. 11. ~ 2005.“ ” ( : 2004. 11. ~ 2005.“ ” ( : 2004. 11. ~ 2005.“ ” ( : 2004. 11. ~ 2005.

과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다10.) .10.) .10.) .10.) .

2005. 11. .2005. 11. .2005. 11. .2005. 11. .

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 한국표준과학연구원한국표준과학연구원한국표준과학연구원한국표준과학연구원

대표자 이 세경대표자 이 세경대표자 이 세경대표자 이 세경( )( )( )( )

지원기업지원기업지원기업지원기업 :::: 주 와이즈 콘트롤주 와이즈 콘트롤주 와이즈 콘트롤주 와이즈 콘트롤( )( )( )( )

대표자 이 상훈대표자 이 상훈대표자 이 상훈대표자 이 상훈( )( )( )( )

지원책임자 김 용규지원책임자 김 용규지원책임자 김 용규지원책임자 김 용규ːːːː

참여연구원 김 기술참여연구원 김 기술참여연구원 김 기술참여연구원 김 기술ːːːː

송 창호송 창호송 창호송 창호〃〃〃〃 ːːːː

이 영희이 영희이 영희이 영희〃〃〃〃 ːːːː

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목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

부 록 열전대 시정수 측정 결과 워크샵 발표자료부 록 열전대 시정수 측정 결과 워크샵 발표자료부 록 열전대 시정수 측정 결과 워크샵 발표자료부 록 열전대 시정수 측정 결과 워크샵 발표자료....

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제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

열전대는 산업체에서 온도측정용으로 가장 많이 사용되고 있는 센서이다.

그 종류는 크게 니켈 및 철 등의 비금속 계통 합금을 사용한 비금속 열전( )卑金屬

대와 백금 및 로듐을 주 원소로 하는 귀금속 열전대로 나눌 수 있다 비금속( ) .貴金屬

열전대는 이하의 공정에저 금속제 보호관과 합께 사용된다1100 .℃

반면 귀금속 열전대는 위 온도 이상의 영역에서 알루미나 혹은 탄화규소를 보호관

재질로하여 이용된다.

열전대와는 다른 물리현상을 이용한 주요 온도센서로 산업용백금저항온도센서를 들

수 있다 저항물질로 백금을 사용하며 에서의 저항이 오옴이 주종을 이루. , 0 100℃

고 있다 통상적으로 온도에 따른 저항의 변화율이 인 제품이 표준으로. 0.385 /Ω ℃

사용되고 있다.

주 와이즈콘트롤은 위와 같은 산업용 온도센서를 국내 산업체에 제조 판매 하고 있( ) /

다 그러나 온도센서의 시정수에 대한 기술 자료를 수요처에서 요구받고 있으나 평.

가기술을 확립하지 못하고 현재까지 고객의 요구에 적절히 대응하지 못하고 있는

실정이다 온도센서의 시정수는 산업공정의 대부분이 동적 상태에서 이루어지고 있.

는 것을 감안하면 공정의 설계에 매우 중요한 역할울 하는 이적 특성치라고 할anff

수 있다 이외에도 고객으로부터 공정에 적용가능한 적절한 온도센서를 추천해달라.

는 요구가 있을 때 공정설계의 주요 변수 중의 하나인 시정수 값을 알지 못하여 추

천에 애로를 겪고 있다.

이 기술지원은 전문 온도센서 제조업체인 와이즈콘트롤에서 제조 판매되고 있는 생/

산품의 특성을 평가할 수 있는 시스템과 기술을 확립할 수 있도록 도와줌으로써 신

뢰성있는 기업이미를 제고하기 위함이다 또한 회사의 누구하도 제품의 시정수에.

대한 정보를 얻기 쉽도록 시정수 데이터베이스를 구축하여 정보의 공유화를 도모하

고자 한다.

주 와이즈콘트롤은 자체로 부설연구소를 운영하고 있으며 인증 국가교정기관( ) ISO ,

인증 등을 통해 품질의 규격화를 위한 노력을 견지하고 있으며 기술 개발에 대한

업체의 강한 의욕과 인력 시설 및 개발 공간 등과 같은 제반 여건이 잘 갖추어져,

있으므로 본 기술지원이 성공적으로 이루어 질 것으로 기대된다.

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제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

열전대 및 산업용 저항온도센서를 대상으로 시정수에 대한 이론적 지식 전수 및□

시정수 측정시스템 제작에 관한 기술지원

위 온도센서를 대상으로 여러 가지 환경조건 하에서의 시정수를 측정 분석 할/□

수 있는 기술 전수

측정된 온도센서를 대상으로 시정수 데이터베이스를 구축하여 사내의 정보공유□

를 촉진하고 제품 수요자의 시정수 요구에 즉각적으로 대처할 수 있는 체계 지원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

의 작동 특성을 이해하고 정밀한 측정기술을 습득할 수 있도록 물Thermocouple□

질의 열전기 현상 및 이론에 대한 교육을 제공한다.

온도센서의 시정수에 대한 이론적 해석 및 강의를 통해 시정수에 대한 기본개념□

을 습득케 한다.

고속으로 기전력을 측정할 수 았도록 관련 장비의 선정에 기술적 지원을 한 후□

컴퓨터로 측정할 수 있는 자동 측정 프로그램을 개발한다.

와이즈 콘트롤에서 생산 판매되고 있는 열전대와 산업용 저항온도센서를 대상으□

로 시정수 측정을 실시한다.

열전대는 구간에서 측정하고 산업용 저항온도에서 이500 ~ 1000 , 250□ ℃ ℃ ℃

하에서 측정한다.

각 대역별로 시정수를 측정하여 이를 분석한다.□

측정 매체로 물 공기 기름으로 구분하여 측정한다, , .□

최종적으로 각 종류별 온도별 시정수 측정값을 데이터 베이스로 구축하여 담당□

자가 쉽게 접근할 수 있도록 한다.

각 센서별 시정수 측정 조건을 아래와 같이 한다.□

시정수 측정용 센서의 종류 및 시험온도 매질시정수 측정용 센서의 종류 및 시험온도 매질시정수 측정용 센서의 종류 및 시험온도 매질시정수 측정용 센서의 종류 및 시험온도 매질Table 1. ,Table 1. ,Table 1. ,Table 1. ,

온도센서 종류 온도 매질

열전대

형(K )

쉬스형1/4“

일반형 보호관1“ (SUS 316 )

일반형 세라믹 보호관1“ ( _

500 1000℃ ˜ ℃ 공기

IPRT

(Pt100)및 쉬스형1/8" 1/4“ 50 , 100 , 200℃ ℃ ℃ 물 공기 기름, ,

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제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원 달성도기술지원 달성도기술지원 달성도기술지원 달성도1.1.1.1.

지원목표 지원 내용 달성도

시정수 측정 원리 및

시스템 구축 기술지원시정수에 대한 강의 및 측정시스템 구축 완료- 100 %

시정수 측정 기술지원

형 열전대 종 사용환경 종 온도 점 총- K 4 , 3 , 6 15

종 시정수 측정

산업용저항온도센서 종 사용환경 종 온도 점- 2 , 3 , 3

총 종 시정수 측정18

형 열전대를 이용한 시정수 측정워크샵 발표 측- K (

정클럽 워크샵 한국표준과학연구원, 2005. 11. 24, )

120%

시정수 데이터 베이스

웹을 이용한 시스템 구축- DB

시정수 홈페이지 구축-

(http://timeconstant.krtss.re.kr)

시정수 확인 및 출력 기능-

100%

기타 온도센서 관련

기술지원

공업규격 자료 제공- (ASTM E 839)

형 열전대의 연장선 사용에 관한 기술지원- B

형 열전대의 연장선 성분 검사- B

100%

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기술지원 내용기술지원 내용기술지원 내용기술지원 내용2.2.2.2.

가 시정수 측정 원리 및 시스템 구축가 시정수 측정 원리 및 시스템 구축가 시정수 측정 원리 및 시스템 구축가 시정수 측정 원리 및 시스템 구축....

시정수 는 온도센서의 응답특성을 나타내는 파라미터이다(time constant) .

은 서로 다른 방법으로 시스템의 온도를 올릴 시스템의 온도변화 특성과 그에Fig.1

따른 시정수의 정의를 나타낸 것이다 경사형 온도변화 를 시스템에. (ramp change)

가할 경우 시정수는 시스템의 온도와 온도센서의 온도가 같은 온도를 나타낼 때 까

지 걸리는 시간을 나타낸다 이때 시스템의 온도변화가 충분히 직선성을 만족할 수.

있도록 초기의 유지시간을 충분히 시정수의 배이상 주어야 한다( 4 ) .

시정수 측정 방법시정수 측정 방법시정수 측정 방법시정수 측정 방법Fig.1Fig.1Fig.1Fig.1

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또 다른 방법으로는 와 같은 계단형 온도변화 를 주었을 때Fig.1 (b) (step change)

전체 온도변화량의 에 도달하는 시간을 나타낸다 시정수 구하는 방법으로63.2% .

이 방법을 가장 많이 사용하고 있다 는 계단형 온도변화를 주었을 때 온. Fig.1 (c)

도센서의 시간에 따른 응답거동 양상을 보여주고 있다 차 반응을 가정하여 계산. 1

하였을 때와 실제로 얻은 응답곡선이 약 응답시간에서 서로 일치하고 있다63.2% .

즉 계단형 온도변화를 가하면 온도센서의 시간에 따른 반응특성은 차 반응형태를, 1

취하고 있다 결국 시간에 따른 온도변화는 다음식 을 따르게 된다. (1) .

여기서 는 최종 평형온도Te , T1은 처음 시작온도 는 임의의시간 에서의 온도, T t , T

는 시정수를 나타낸다 따라서 가 일 때 약 의 변화를 가지게 된다 통상적. t T 63.2% .

으로 정도의 시간이 되었을 때 온도는 실험적으로 평형온도에 도달한다고 알려5T

지고 있다.

열전대의 보호관 직경에 따른 시정수 변화열전대의 보호관 직경에 따른 시정수 변화열전대의 보호관 직경에 따른 시정수 변화열전대의 보호관 직경에 따른 시정수 변화Fig.2Fig.2Fig.2Fig.2

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는 열전대의 보호관 직경에 따른 다양한 조건에서의 시정수 변화를 나타낸 결Fig.2

과이다 직경이 증가함에 따라 시정수가 증가하는 깃을 알 수 있으며 이는 직경이. ,

증가하면 필연적으로 열용량이 커지게 되어 충분한 온도변화가 나타나기에 걸리는

시간이 길어지기 때문이다 동일한 보호관 및 굵기를 갖는 쉬스형 열전대의 경우.

접지형 열전대 비접지형 열전대 에 비하여 약간 작은 시(grounded tc) (isolatedtc)

정수를 나타내고 있다 또한 액체 금속에 열전대를 장입하였을 때 열전대 끝 부분.

에 측정접점을 형성시킨 것에 비하여 보호관 측면에 접점을 용접하여 부착한 열전

대의 시정수가 작은 값을 보이고 있다 결국 시정수는 열전달 속도와 관련되므로.

열전대의 열응량이 작을수록 열전달 속도가 빠를수록 시정수가 작은 것을 알 수,

있다.

다양한 열전달 매체에 따른 시정수의 변화를 통일한 열전대를 이용하여 조사하였

다 은 열전대의 열전달 매체에 따른 시정수 변화를 여러 온도에서 나타낸 것. Fig.3

이다 아르곤이나 기체의 경우에는 온도가 증가함에 따라 시정수가 감소함을 말 수.

있다 반면 헬륨은 온도에 따른 영향을 받지 않고 약간 감소하는 경향을 보이고 있.

는데 이것은 헬륨의 열용량아 작아 열전대와 주변과의 열교환 능력이 온도에 따라

크게 변하지 않기 때문인 것으로 판단된다 액체 금속 인듐 갈륨 합금 을 사용하. ( - )

였을 경우에는 헬륨의 경우와는 반대로 온도가 증가함에 따라 약간 증가하는 경향

을 보이고 있다 공기의 조성 성분 중 질소가 정도로 가장 많이 차지하고 있. 80%

으므로 통상적으로 온도센서가 사용되는 공기 분위기에서는 온도에 따라 시정수가

감소할 것으로 예측된다.

열전대의 열전달 매체에 따른 시정수 변화열전대의 열전달 매체에 따른 시정수 변화열전대의 열전달 매체에 따른 시정수 변화열전대의 열전달 매체에 따른 시정수 변화Fig.3Fig.3Fig.3Fig.3

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시정수 측정을 위한 시스템으로 빠른 응답성을 보이면서 다앙한 종류의 온도센서를

적용할 수 있는 계측기를 선정하였다 는 채널 스캐너카드를 장. Agilent 34970A 20

착할 수 있으며 열전대 및 산업용 저항온도센서 모두 측정이 가능한 범용 계측기이

다 또한 사에서 제공하는 측정 소프트웨어가 포함되어 있어 별도의 자동측. Agilent

정 프로그램을 제작할 필요가 없어 매우 유용한 시스템으로 평가되어 이 기술지원

에서는 위 계측기를 측정시스템으로 선정하였다.

시정수 측정에 사용된 각종 항온시스템의 사양을 에 나다내었다Table 2 .

는 시정수 측정시스템 및 측정모습을 보여준다Fig.4 .

시정수 측정에 사용된 항온장비의 사양시정수 측정에 사용된 항온장비의 사양시정수 측정에 사용된 항온장비의 사양시정수 측정에 사용된 항온장비의 사양Table 2.Table 2.Table 2.Table 2.

항온조 제작회사 타입 시험 온도 매질 비고

전기로 고려전기로 수직형

500℃

750℃

1000℃

공기 시험t/c

액체항온조 Hart 6035

50℃

100℃

200℃

오일시험t/c

시험IPRT

액체항온조 Hart 603550℃

90℃물

시험t/c

시험IPRT

전기로 Hart 9122

50℃

100℃

200℃

공기시험t/c

시험IPRT

빙점조 - - 0℃ 물 시험IPRT

시정수 측정 시스템 및 측정모습 사진시정수 측정 시스템 및 측정모습 사진시정수 측정 시스템 및 측정모습 사진시정수 측정 시스템 및 측정모습 사진Fig. 4Fig. 4Fig. 4Fig. 4

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나 시정수 측정결과나 시정수 측정결과나 시정수 측정결과나 시정수 측정결과....

열전대의 시정수 측정열전대의 시정수 측정열전대의 시정수 측정열전대의 시정수 측정(1)(1)(1)(1)

시정수 측정은 규격에 준하여 실시하였으며 총 회 반복측정하였다ASTM E 839 , 3 .

는 굵기의 쉬스열전대를 대상으로 각각의 온도 매질에서 측정Fig.5 1/8“ SUS316 ,

시간에 따른 온도변화 곡선이다.

물물물물Fig.5(a) 1/8“ t/c, , 50Fig.5(a) 1/8“ t/c, , 50Fig.5(a) 1/8“ t/c, , 50Fig.5(a) 1/8“ t/c, , 50 ℃℃℃℃ 기름기름기름기름Fig.5(b) 1/8“ t/c, , 100Fig.5(b) 1/8“ t/c, , 100Fig.5(b) 1/8“ t/c, , 100Fig.5(b) 1/8“ t/c, , 100 ℃℃℃℃

기름기름기름기름Fig.5(c) 1/8“ t/c, , 200Fig.5(c) 1/8“ t/c, , 200Fig.5(c) 1/8“ t/c, , 200Fig.5(c) 1/8“ t/c, , 200 ℃℃℃℃

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은 굵기의 쉬스열전대를 대상으로 각각의 온도 매질에서 측정Fig.6 1/4“ SUS316 ,

시간에 따른 온도변화 곡선이다.

물물물물Fig.6(a) 1/4“ t/c, , 50Fig.6(a) 1/4“ t/c, , 50Fig.6(a) 1/4“ t/c, , 50Fig.6(a) 1/4“ t/c, , 50 ℃℃℃℃ 기름기름기름기름Fig.6(b) 1/4“ t/c, , 100Fig.6(b) 1/4“ t/c, , 100Fig.6(b) 1/4“ t/c, , 100Fig.6(b) 1/4“ t/c, , 100 ℃℃℃℃

기름기름기름기름Fig.6(c) 1/4“ t/c, , 200Fig.6(c) 1/4“ t/c, , 200Fig.6(c) 1/4“ t/c, , 200Fig.6(c) 1/4“ t/c, , 200 ℃℃℃℃ 공기공기공기공기Fig.6(d) 1/4“ t/c, , 500Fig.6(d) 1/4“ t/c, , 500Fig.6(d) 1/4“ t/c, , 500Fig.6(d) 1/4“ t/c, , 500 ℃℃℃℃

공기공기공기공기Fig.6(e) 1/4“ t/c, , 750Fig.6(e) 1/4“ t/c, , 750Fig.6(e) 1/4“ t/c, , 750Fig.6(e) 1/4“ t/c, , 750 ℃℃℃℃ 공기공기공기공기Fig.6(f) 1/4“ t/c, , 1000Fig.6(f) 1/4“ t/c, , 1000Fig.6(f) 1/4“ t/c, , 1000Fig.6(f) 1/4“ t/c, , 1000 ℃℃℃℃

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은 굵기의 열전대를 대상으로 각각의 보호관재질에 따라 온도 매질에서Fig.7 1“ ,

측정한 시간에 따른 온도변화 곡선이다.

공기공기공기공기Fig.7(a) 1“ t/c, SUS, , 500Fig.7(a) 1“ t/c, SUS, , 500Fig.7(a) 1“ t/c, SUS, , 500Fig.7(a) 1“ t/c, SUS, , 500 ℃℃℃℃ 세라믹 공기세라믹 공기세라믹 공기세라믹 공기Fig.7(b) 1“ t/c, , , 500Fig.7(b) 1“ t/c, , , 500Fig.7(b) 1“ t/c, , , 500Fig.7(b) 1“ t/c, , , 500 ℃℃℃℃

공기공기공기공기Fig.7(c) 1“ t/c, SUS, , 750Fig.7(c) 1“ t/c, SUS, , 750Fig.7(c) 1“ t/c, SUS, , 750Fig.7(c) 1“ t/c, SUS, , 750 ℃℃℃℃ 세라믹 공기세라믹 공기세라믹 공기세라믹 공기Fig.7(d) 1“ t/c, , , 750Fig.7(d) 1“ t/c, , , 750Fig.7(d) 1“ t/c, , , 750Fig.7(d) 1“ t/c, , , 750 ℃℃℃℃

공기공기공기공기Fig.7(e) 1“ t/c, SUS, , 1000Fig.7(e) 1“ t/c, SUS, , 1000Fig.7(e) 1“ t/c, SUS, , 1000Fig.7(e) 1“ t/c, SUS, , 1000 ℃℃℃℃ 세라믹 공기세라믹 공기세라믹 공기세라믹 공기Fig.7(f) 1“ t/c, , , 1000Fig.7(f) 1“ t/c, , , 1000Fig.7(f) 1“ t/c, , , 1000Fig.7(f) 1“ t/c, , , 1000 ℃℃℃℃

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은 와 쉬스형 열전대를 물과 기름 항온조에서 측정한 시정수를 정Table 3 1/4" 1/8"

리하여 나타낸 것이다 열전대의 굵기에 따라 매질을 분류하였으며 각항온조 온도. ,

에서의 온도변화 등을 나타내었다 시정수는 회 반복측정한 값의 평균을 적용하였. 3

으며 표준편차를 같이 나타내었다 는 동일한 방법으로 굵기의 일반형, . Table 4 1"

열전대와 굵기의 쉬스형 열전대를 전기로에서 각각 측정한 시정수 결과이다1/4" .

액체항온조에서 측정한 열전대의 시정수액체항온조에서 측정한 열전대의 시정수액체항온조에서 측정한 열전대의 시정수액체항온조에서 측정한 열전대의 시정수Table 3.Table 3.Table 3.Table 3.

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공기중에서 측정한 열전대의 시정수공기중에서 측정한 열전대의 시정수공기중에서 측정한 열전대의 시정수공기중에서 측정한 열전대의 시정수Table 4.Table 4.Table 4.Table 4.

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은 굵기의 열전대와 굵기의 열전대를 전기로에서 측정한 시정수 변화Fig.8 1" 1/4"

를 온도의 함수로 나타낸 것이다 쉬스형 열전대의 시정수가 가장 작은 값을. 1/4"

보였으며 저온에서는 보호관을 사용하는 굵기의 열전대 시정수가 가장, SUS316 1"

큰 값을 보였다 온도가 증가함에 따라 점차 시정수가 감소하는 경향을 보였으며. ,

특히 보호관을 사용한 굵기의 열전대 시정수가 가장 큰 폭으로 감소하였SUS 1"

다 이 측정에서 알 수 있었던 것은 일반직으로 세라믹 보호관을 사용하는 경우 시.

정수가 금속에 비하여 클 것으로 짐작되나 오히려 더 낮은 값을 보였다 그러나 고.

온에서는 금속과 세라믹 보호관의 차이가 없어져 거의 유사한 값을 보였으며 온도,

를 더욱 상승시켰을 경우에는 금속보호관의 시정수가 더 낮은 값을 가질 것으로 예

측되는 거동을 보였다.

온도가 증가함에 따라 시정수가 낮은 값을 보이는 것은 의 열전달 매체에 따Fig.3

른 시정수 변화에서 질소의 경우 온도증가에 따라 시정수가 감소하듯이 이 실험에

서도 공기 증 가장 많은 함량을 차지하는 질소효과에 따라 감소하는 것으로 판단된

다.

보호관과 세라믹 보호관의 온도에 따른 시정수 변화를 고찰하기 위하여 센서SUS

의 시장수에 영향을 미치는 열물성 인자중 비열 열전도도 열확산도를 조사하였다, , .

는 과 알루미나 세라믹의 상온 및 에서의 열물성 값들이다Table 5 SUS316 1000 .℃

열물성 성질중의 하나인 비열은 알루미나가 세라믹에 비하여 조사한 온도에서 크게

나타났다 이것은 보호관의 온도를 올리기 위해서는 더 많은 에너지가 필요하다는.

것을 의미하며 결국 시정수를 크게 하는 효과를 가지고 있다 또한 온도가 증가함.

에 따라 두 재료의 비열이 비슷한 크기로 증가하여 온도에 따른 효과는 크게 작용

하지 않을 것으로 추정되고 있다 반면 열전도도나 열확산도는 테이블에서 보는 바.

와 같이 두 재료가 큰 차이를 가지고 있으며 저온에서는 의 열전도도 및, SUS316

열확산도가 알루미나에 비하여 작고 온도가 증가하면 은 열전도도 및 열확, SUS316

산도가 커지는 반면 알루미나는 감소하는 거동을 보여주고 있다 이것은 온도가 올, .

라가면서 의 열전달 능력은 상승하고 알루미나의 열전달 능력은 감소하게 할SUS ,

것으로 판단된다 따라서 저온에서는 알루미나의 시정수가 금속에 비하여 작게 나.

타나고 온도가 올라감에 따라 그 차이가 점차 감소하여 결국에는 값속과 세라믹의,

시정수 차이가 거의 없어지는 것으로 판단된다.

는 과 굵기의 쉬스열전대를 에서 까지 액체항온조에서 시Fig.9 1/4" 1/8" 50' 200℃ ℃

정수를 측정한 결과이다 는 물을 이용하였고 그 외의 온도는 오일을 사용하. 50 ,℃

였다 결과를 보면 예측되는 바와 같이 굵기가 가는 열전대의 시정수가 작게 나타.

났다 그런데 은도에 따른 시장수 변화 양상을 살펴보면 의 결과와는 반대로. Fig.8

온도가 증가함에 따라 시정수가 증가하였다.

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전기로에서 측정한 온도에 따른 시정수 변화전기로에서 측정한 온도에 따른 시정수 변화전기로에서 측정한 온도에 따른 시정수 변화전기로에서 측정한 온도에 따른 시정수 변화Fig.8Fig.8Fig.8Fig.8

및 알루미나의 비열 열전도도 및 열확산도및 알루미나의 비열 열전도도 및 열확산도및 알루미나의 비열 열전도도 및 열확산도및 알루미나의 비열 열전도도 및 열확산도Table 5. SUS316 ,Table 5. SUS316 ,Table 5. SUS316 ,Table 5. SUS316 ,

- 18 -

액체항온조에서 측정한 온도에 따른 시정수 변화액체항온조에서 측정한 온도에 따른 시정수 변화액체항온조에서 측정한 온도에 따른 시정수 변화액체항온조에서 측정한 온도에 따른 시정수 변화Fig. 9Fig. 9Fig. 9Fig. 9

이 결과는 에서 액체 금속을 열전달 매질로 사용하였을 경우 온도증가에 따라Fig.3

시정수가 약간 증가한 결과와 잘 일치하고 있다 즉 온도 전달 매질이 비교적 열전. ,

달 능력이 우수한 액체인 경우에는 온도가 증가하면서 시정수가 커짐을 알 수 있었

고 반면 공기와 같이 비교적 열전달 능력이 좋지 않은 경우에는 시정수가 온도상,

승아 따라 감소하는 것을 알 수 있었다.

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산업용 저항온도센서의 시정수 측정산업용 저항온도센서의 시정수 측정산업용 저항온도센서의 시정수 측정산업용 저항온도센서의 시정수 측정(2)(2)(2)(2)

은 굵기의 을 보호관으로 한 쉬스형 산업용조항온도센서를 공Fig.10 1/4" SUS316

기 오일 물에서 측정온도에 따른 온도변화 곡선이다, , .

공기공기공기공기Fig.10(a) , 50Fig.10(a) , 50Fig.10(a) , 50Fig.10(a) , 50℃℃℃℃ 공기공기공기공기Fig.10(b) , 100Fig.10(b) , 100Fig.10(b) , 100Fig.10(b) , 100℃℃℃℃ 공기공기공기공기Fig.10(c) , 200Fig.10(c) , 200Fig.10(c) , 200Fig.10(c) , 200℃℃℃℃

오일오일오일오일Fig.10(d) , 50Fig.10(d) , 50Fig.10(d) , 50Fig.10(d) , 50℃℃℃℃ 오일오일오일오일Fig.10(e) , 100Fig.10(e) , 100Fig.10(e) , 100Fig.10(e) , 100℃℃℃℃ 오일오일오일오일Fig.10(f) , 200Fig.10(f) , 200Fig.10(f) , 200Fig.10(f) , 200℃℃℃℃

물물물물Fig.10(g) , 0Fig.10(g) , 0Fig.10(g) , 0Fig.10(g) , 0℃℃℃℃ 물물물물Fig.10(h) , 50Fig.10(h) , 50Fig.10(h) , 50Fig.10(h) , 50℃℃℃℃ 물물물물Fig.10(i) , 90Fig.10(i) , 90Fig.10(i) , 90Fig.10(i) , 90℃℃℃℃

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은 굵기의 을 보호관으로 한 쉬스형 산업용저항온도센서 공기Fig.11 1/8" SUS316 ,

오일 물에서 측정온도에 따른 온도변화 곡선이다, .

공기공기공기공기Fig.11(a) , 50Fig.11(a) , 50Fig.11(a) , 50Fig.11(a) , 50℃℃℃℃ 공기공기공기공기Fig.11(b) , 100Fig.11(b) , 100Fig.11(b) , 100Fig.11(b) , 100℃℃℃℃ 공기공기공기공기Fig.11(c) , 200Fig.11(c) , 200Fig.11(c) , 200Fig.11(c) , 200℃℃℃℃

오일오일오일오일Fig.11(d) , 50Fig.11(d) , 50Fig.11(d) , 50Fig.11(d) , 50℃℃℃℃ 오일오일오일오일Fig.11(e) , 100Fig.11(e) , 100Fig.11(e) , 100Fig.11(e) , 100℃℃℃℃ 오일오일오일오일Fig.11(f) , 200Fig.11(f) , 200Fig.11(f) , 200Fig.11(f) , 200℃℃℃℃

물물물물Fig.11(g) , 0Fig.11(g) , 0Fig.11(g) , 0Fig.11(g) , 0℃℃℃℃ 물물물물Fig.11(h) , 50Fig.11(h) , 50Fig.11(h) , 50Fig.11(h) , 50℃℃℃℃ 물물물물Fig.11(i) , 90Fig.11(i) , 90Fig.11(i) , 90Fig.11(i) , 90℃℃℃℃

- 21 -

은 를 공기 기름 물항온조에서 측정한 시정수를 정리하여 나타Table 6 1/4" IPRT , ,

낸 것이다 시정수는 회 반복측정한 값의 팡균을 적응하였으며 표준편차를 같이. 3 ,

나타내었다.

시정수 측정 결과시정수 측정 결과시정수 측정 결과시정수 측정 결과Table 6. 1/4" IPRTTable 6. 1/4" IPRTTable 6. 1/4" IPRTTable 6. 1/4" IPRT

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은 를 공기 기름 물항온조에서 측정한 시정수를 정리하여 나타Table 7 1/8" IPRT , ,

낸 것이다 시정수는 회 반복측정한 갈의 평균을 적용하였으며 표준편차를 같이. 3 ,

나타내었다

시정수 측정 결과시정수 측정 결과시정수 측정 결과시정수 측정 결과Table 7. 1/8" IPRTTable 7. 1/8" IPRTTable 7. 1/8" IPRTTable 7. 1/8" IPRT

- 23 -

와 은 각각 굵기외 굵기의 시정수를 액체 매질에 따라 온Fig.12 13 1/4" 1/'8" IPRT

도의 함수로 나타낸 것이다 굵기의 센서는 공기 중에서 가장 큰 시정수를 나. 1/4"

타내었으며 물의 경우에 가장 작은 값을 보였다 기름은 물보다 약간 크게 시정수.

가 측정되었다 각각의 경우 온도에 따른 변화는 거의 밭생하지 않았다 전반적으로. .

약간 감소하는 경향을 보이고는 있으나 그 차이가 미미하여 온도에 무관하다고 하

여도 큰 무리가 없다 반면 센서의 경우에는 매질별 시정수의 차이가 분명히. 1/8"

나타나고 (T Air > T Oil > T Woter 있다 또한 온도가 증가함에 따라 시정수가 감소) .

하는 경항을 분명히 보이고 있다 이와 같이 센서의 굵기에 따라 온도에 따른 변화.

거동이 틀린 것은 열전달 속도가 센서가 작을 수 록 빠르고 또한 고온에서의 열전

달 능력이 더 빠르기 때문인 것으로 추정된다.

는 각 온포벽로 항온조 매질에 따른 시정수 변화를 굵기에 따라 나타낸 것Fig. 14

이다 에서는 물 기름 공기 가지 매질을 대상으로 비교하였으며. 50 , , 3 , 100℃ ℃

이상에서는 기름과 공기만을 비교하였다 모든 온도에서 공기 중에서의 시정수가.

가장 크게 측정되었다 그리고 굵기의 센서가 더 큰 값을 보였으나 물이나 기. 1/4"

름을 이용하여 측정하였을 경우에는 반대로 굵기의 센서가 더 큰 시정수 값을1/8“

보였다 액체 속에서 열전달 속도는 열전달이 이루어지는 표면적과도 관계가 있으.

므로 매질에 따라 시정수의 상대적 차이가 다르게 나타나는 것은 굵기의 센서1/4”

의 표면적이 보다 더 크기 때문에 시정수가 작게 나타나는 것으로 추정된다1/8" .

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온도센서의 매질에 따른 온도별 시정수 변화온도센서의 매질에 따른 온도별 시정수 변화온도센서의 매질에 따른 온도별 시정수 변화온도센서의 매질에 따른 온도별 시정수 변화Fig. 12. 1/4" IPRTFig. 12. 1/4" IPRTFig. 12. 1/4" IPRTFig. 12. 1/4" IPRT

온도센서의 매질에 따른 온도별 시정수 변화온도센서의 매질에 따른 온도별 시정수 변화온도센서의 매질에 따른 온도별 시정수 변화온도센서의 매질에 따른 온도별 시정수 변화Fig. 13. 1/8" IPRTFig. 13. 1/8" IPRTFig. 13. 1/8" IPRTFig. 13. 1/8" IPRT

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각각의 온도에서 센서 굵기에 따른 매질별 시정수각각의 온도에서 센서 굵기에 따른 매질별 시정수각각의 온도에서 센서 굵기에 따른 매질별 시정수각각의 온도에서 센서 굵기에 따른 매질별 시정수Fig. 14.Fig. 14.Fig. 14.Fig. 14.

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다 시정수 데이터 베이스 구축다 시정수 데이터 베이스 구축다 시정수 데이터 베이스 구축다 시정수 데이터 베이스 구축....

는 이 지원사업에서 구축한 시정수 데이터베이스 메인화면이다 현재 이 싸Fig.15 .

이트는 서버에 구축되어 있으나 와이즈콘트KRISS (http://timeconstant.kriss.re.kr)

롤과 협의를 하여 이 회사 서버로 이전할 계획이다 시정수는 센서종류 센서굵기. , ,

보호관 매체 측정온도로 구분되어 입력 출력되며 시정수 측정 데이터와 함께 측정, , /

한 시정수를 나타낸다.

데이터베이스는 이 지원에서 측정한 형 열전대와 저항온도센서 뿐만 아니K Pt100

라 모든 온도 센서의 정보를 입력 관리할 수 있도록 구성되어 있다/ .

시정수 데이터베이스 홈페이지 메인화면시정수 데이터베이스 홈페이지 메인화면시정수 데이터베이스 홈페이지 메인화면시정수 데이터베이스 홈페이지 메인화면Fig. 15Fig. 15Fig. 15Fig. 15

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제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

부품소재 종합기술지원 사업 회의록

일련번호 : 1

지원 대상기업 주 와이즈 콘트롤( )

지원 기관 한국표준과학연구원 온습도 그룹 김 용규 인( )

지원 일시 년 월 일2004 11 12

참석자 명단 황하룡 김종문 김숙향, ,

기술지원 내용

기술지원을 위한 와이즈콘트롤 업무 포장1.

황하룡 측정 결과 분석:

김종문 시험용 시편준비 및 프로그램 개발:

김숙향 측정 및 입력:

시정수 측정을 위한 시스템 선정2.

측정용 장비 선정- : Agilent 34970A

항온조 액체항온조 사 제춤- : (Hart )

담금깊이- : 15cm

전기로 수직형 고온전기로 고려전기로개발- : ( )

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일련번호 : 2



지원 일시 년 월 일2004 12 15


기술지원내용

시정수 측정 이론 전수1.

스텝응답법 측정원리 및 방법-

열전대 굵기에 따른 시정수 변화 양상 확인-

열전대 열전달 매체에 따른 시정수 영항 조사-

시정수 측정 관련 문헌 자료 건 제공- 1

시정수 측정 계획 수립2.

열전대 측정온도- : 500 , 750 , 1000℃ ℃ ℃

저항온도센서 측정온도- : 50 , 100 , 250℃ ℃ ℃

각 설정온도에서 독립적으로 회 측정- 3

측정방법은 스텝응답법 적용 상온상태에서 측정온도 매질 속으로 장입- ( )

- 29 -


일련번호 : 3



지원 일시 년 월 일2005 2 24


기술지원내용

시정수 측정1. IPRT

테스트 매질 실리콘 오일- :

테스트 온도- : 200 ℃

테스트 시편 보호관- : 1/4“ SUS

시험조건 상온에서 항온조에 급속 장입- : 200 ℃

총 회 반복 측정- 3

시정수 측정 규격 건 제고2. ASTM 1

- ASRM E 839-03, Standard Test Methods for Sheathes Thermocouples

and Sheathed Thermocouple Material

- 30 -


일련번호 : 4



지원 일시 년 월 일2005 2 24


기술지원내용



테스트 온도- : 200 ℃




시정수 측정 규격 건 제고2. ASTM 1

- ASRM E 839-03, Standard Test Methods for Sheathes Thermocouples

and Sheathed Thermocouple Material

- 31 -


일련번호 : 5



지원 일시 년 월 일2005 3 18


기술지원내용



테스트 온도- : 100 ℃




형 열전대의 실온 보상선에 의한 온도측정 오차 요인 분석2. B

삼성 사의 공정에 사용되는 형 열전대의 실온 보상선 분석- XX B

육안으로 평가할 때 피복의 색깔 구분은 형으로 파악됨- B .

그러나 내부 심선의 상태를 조사한 결과 순수 구리선이 아닌 합금선으로 판단-

되어 형 열전대의 실온 보상선인 것으로 의심됨R .

실제 보상선을 이용하여 기전력 발생 여부를 측정한 결과 열기전력 발생 이- .

는 형 열전대 실온 보상선이 아님을 증거함B .

명확한 분석을 위하여 실온 보상선의 성분분석을 하기로 함-

- 32 -


일련번호 : 6



지원 일시 년 월 일2005 4 15

참석자 명단 이영희 황하룡 김종문 김숙향, , ,

기술지원내용

형 열전대의 실온 보상선 성분분석 완료1. B

보상선에 검출 이것은 형 보상선을 형 열전대에 사용하였다는 것- Mn . S/R B

을 의미.

보상선 설정에 잘못이 있었음을 확인함- .



테스트 온도- : 50 , 200 ,℃ ℃


시험조건 상온에서 및 항온조에 급속 장입- : 50 200℃ ℃


시정수 측정3. TC

테스트 매질 공기- :

테스트 온도- : 500 ℃


시험조건 상온에서 로 유지되고 있는 전기로에 급속 장입- : 500 ℃


- 33 -


일련번호 : 7



지원 일시 년 월 일2005 5 20

참석자 명단 이영희 황하룡 김종문 김숙향, , ,

기술지원내용



테스트 온도- : 50 , 100 , 200 ,℃ ℃ ℃


시험조건 상온에서 위 온도로 설정되어 있는 전기로에 급속 장입- :




테스트 온도- : 750 ℃




- 34 -


일련번호 : 8



지원 일시 년 월 일2005 6 17


기술지원내용


테스트 매질 물- :

테스트 온도- : 0 , 50 , 90 ,℃ ℃ ℃


시험조건 상온에서 위 온도로 설정되어 있는 항온조에 급속 장입- :




테스트 온도- : 1000 ℃




- 35 -


일련번호 : 9



지원 일시 년 월 일2005 7 15


기술지원내용


테스트 매질 물- :

테스트 온도- : 0 , 50 , 90 ,℃ ℃ ℃






테스트 온도- : 500 ℃

테스트 시편 일반형 보호관 일반형 세라믹 보호관- : 1“ SUS , 1”

시험조건 상온에서 위 온도로 유지되고 있는 전기로에 급속 장입- :


- 36 -


일련번호 : 10



지원 일시 년 월 일2005 7 22


기술지원내용


테스트 매질 기름- :

테스트 온도- : 50 , 100 ,℃ ℃






테스트 온도- : 750 ℃




- 37 -


일련번호 : 11



지원 일시 년 월 일2005 8 19


기술지원내용


테스트 매질 기름- :

테스트 온도- : 200 ,℃






테스트 온도- : 1000 ℃




시정수 데이터 보관 및 출력을 위한 데이터 베이스 프로그램 설계 자문3. .

보유 웹 서버를 사용하기로 결정- KRISS

웹을 이용한 인터넷 홈페이지 구축-

주소- : http://timeconstant.kriss.re.kr

- 38 -


일련번호 : 12



지원 일시 년 월 일2005 8 26


기술지원내용



테스트 온도- : 50, 100, 200 ℃


시험조건 상온에서 위 온도로 설정되어 있는 전기로에 급속 장입- :


시정수 데이터 보관 및 출력을 위한 데이터 베이스 프로그램 설계 자문2. .

웹 출력 방법 토의-

데이터 입력 방법의 편의성 검토-

데이터 출력 방법에 대한 검토-

- 39 -


일련번호 : 13



지원 일시 년 월 일2005 9 30


기술지원내용

시정수 데이터 웹 페이지 디버깅1.

데이터 입출력 무결성 검토-

측정값과 입력값의 오류 검토-

관리자 로그인 화면 검토-

사용자 제한에 관한 사항 토의 사용은 와이즈콘트롤 직원으로 한정- . .

- 40 -


일련번호 : 14



지원 일시 년 월 일2005 10 27


기술지원내용

시정수 추가 측정1. TC

및 쉬스형 열전대- 1/4“ 1/8”

에서 측정- 50 , 100 , 200℃ ℃ ℃

는 물 항온조에서 측정- 50 ℃

및 는 오일 항온조 이용- 100 200℃ ℃

측정클럽 워크샵 발표 준비2.

발표를 위한 데이터 정리-

를 대상으로 시정수 측정결과 발표- t/c

발표자료 준비-

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

와이즈 콘트롤에 대한 온도센서 시정수 평가 기술지원 사업을 통해 아래와 같은 기

술 지원을 실시하였다.

온도센서의 시정수 이론 및 측정시스템 구축O

스텝응답법 교육-

다양한 조건에서의 시정수 변화 거동 전수-

국제규격 에 준한 담급법 시험장치 구성- (ASTM E 839)

측정장비 선정 완료-

온도센서 시정수 측정O

형 열전대 졸 사용환경 종 온도 점 총 종 측정- K 4 , 3 , 6 , 15

산업용저항온도센서 종 사용환경 종 온도 점 총 종 측정- 2 , 3 , 3 18

형 열전대를 이용한 시정수 측정워크샵 발표 측정클럽 워크샵- K ( , 2005. 11. 24,

한국표준과학연구원)

시정수 데이터 베이스 구축O

홈페이지 구축- (http://timeconstant.kriss.re.ke)

센서종류 굵기 재질 매질 온도별로 관리- , , , ,

상기 기술지원을 통해 국내 온도센서 제조업체에서는 유일하게 온도센서의 시정수

측정 및 분석 기술을 습득하였고 공정 제어를 위한 온도센서 선정에 큰 기여가 있,

을 것으로 생각된다 이 기술지원 사업을 통해 와이즈 콘트롤의 산업용 온도센서.

제조 기술이 더욱 발전할 것으로 기대된다.

- 42 -

결론결론결론결론7.7.7.7.

형 열전대의 시정수 측정O K

세라믹 보호관이 금속보호관에 비해 시정수가 작다-

공기중에서는 온도가 증가함에 따라 시정수가 감소하였다- .

액체내에서는 온도가 증가함에 따라 시정수가 증가하였다- .

동일 종류 센서의 경우 굵기에 비례하여 시정수가 크다- .

시정수 측정결과를 바탕으로 생산공정에 적합한 센서 선정이 유리한 정보제공이O

가능.

인터넷에 데이터베이스를 구축하여 관련 정보 제공가능O

(http://timeconstant.kriss.re.kr)

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Documents

온도센서 시정수 평가 기술지원 - ITFIND · -2-제 출 문 산 업 자 원 부 장 관 귀하 본 보고서를 온도센서 시정수 평가 기술지원 지원기간“