3. 온도 측정

실습 목표

3. 온도 측정

온도계의 종류와 취급 방법을 할 수 있다.

온도 측정 할 수 있다.

실습 재료

황산나트륨(Na2SO4․10H2O), 얼음

기기/기구

온도계, 교반기, 비커, 모래 중탕, 둥근바닥 플라스크, 유리 원통, 유리관, 열전쌍 고온계, 스탠드, 링클램프, 클립, 삼발이, 알코올 램프, 석면망, 비등석

관계 이론

온도의 개념과 단위

온도의 개념

우리들의 신체의 일부가 물체에 접촉하면 덥고 차가운 감각을 느끼게 되는데, 이때 덥고 차가운 정도를 나타낸 척도가 온도이고, 그 수치를 물리적으로 측정하기 위하여 물체에 접촉시키는 계기가 온도계이다. 이는 물체의 온도 측정에 사용되는 열평형의 원리를 이용하고 있는 것이다.

온도 단위

온도계를 이용하여 열평형된 상태를 온도계를 이용하여 나타내는 방법으로는 그 영도의 위치와 눈금 간격을 정하기 위한 온도 정점을 사용하여 표시하며, 1990년 국제 도량형 총회에서 결정 된것으로, 온도를 표현하는 눈금에는 열역학적인 온도눈금(열역학적 캘빈온도,열역학적 셀시우스온도)와 실용온도 눈금 (캘빈온도, 셀시우스 온도)이 있다.

온도 측정 방법 및 온도계의 종류

온도 측정 방법

일반적으로 온도계 구성은 온도를 감지하는 측온부 (온도검출단), 측온부에서 감지한 온도를 직접 또는 간접으로 표시하는 표시부(수신계기)및 측온부와 표시부를 연결시켜 주는 도선 또는 배관으로 구성된다.그러나 액체 글라스 온도계와 같이 측온부와 표시부가 일체형으로 된것도 있다. 온도계는 측정 방법에 의해 측온부를 피측정 물체에 직접 접촉시켜 온도를 측정하느냐, 접촉시키지 않고 측정하느냐에 따라서 접촉법과 비접촉법으로 분류한다

<표 1>에서는 온도측정 방법인 접촉법과 비접촉식을 비교하였다.

표  접촉식과 비접촉식의 비교

구분	접촉식	비접촉식
측정 조건	∙온도 측정 물체에 측온부를 충분히 접촉시킬것 ∙실용상 측온체 접촉시 피측정물의 온도가 변하지 않을 것	∙온도 측정 물체로부터 방사되는 방사 에너지가 측온부에 충분히 감지되도록 할 것
특징	∙피측정물체에 측온부 접촉시온도가 변하는 작은 물체의 온도측정은 곤란 ∙이동물체의 온도 측정은 곤란 ∙물체의 내부 온도 측정 용이	∙피측정물체의 온도를 일정하게 하면서 온도를 측정 ∙이동물체의 온도 측정 용이 ∙물체의 표면온도 측정 용이
온도 범위	∙1,000℃ 이하 온도측정 용이	∙1,000℃ 이상 온도측정 용이
오차	∙일반적으로 눈금폭의 1% 정도측정조건에 따라서는 0.01도까지 측정가능	∙일반적으로 20도 정도이고, 양호해도 10도 정도이다.
측정 시간	∙일반적으로 크다. ∙측정조건에 따라서 양호하면 1분, 불량하면 1시간	∙일반적으로 작다. 길어도 10초 이내이다.

온도계의 종류

온도계의 종류는 유리제 온도계, 압력식 온도계, 바이메탈식 온도계, 저항식 온도계, 열전식 온도계, 방사 온도계 등이 있으며, 온도측정 원리에 따른 온도계 분류는 <표 2>와 같다.

표  측정 원리에 따른 온도계 분류

측정 방식	원리		변환량	기기 및 계측요소
접촉방식	열팽창 형상	고체	변위	Bimetal 온도계, 금속제 봉상 온도계
		액체	액위∙압력	Glass 온도계, 액체상태(수은, 일반유기물)압력 온도계
		기체	액위∙압력	기체 온도계(정압, 정적형), 기체상태 압력온도계
	전기저항변화	금속	정저항	저항식 온도계(Pt, Ni, Cu)
		반도체	부저항	Thermister식 온도계
	열전 효과		전압	열전식 온도계(B, R, S, K, E, J, T)
	상태변화	용융점	변형	Seger Cone
		증기압	압력	증기압 온도계
	물자의 색변화		변색	hermocolor(시온시료)
	열량 변화		열량	열량계식 온도계
	열 잡음		전압	잡음 온도계
	수정 진동		주파수	수정 온도계
비접촉방식	열방사 현상	방사광	광의 강도(휘도)	광 고온계
		전방사	전압	방사 온도계(써모파일형)
		방사광	색	색 온도계
		광전 효과	전류	광전관 온도계
		열선 (적외선)	전압	적외선 온도계(초전도체형, 반도체형)

온도 측정 원리

유리제 온도계

유리제 온도계는 <그림 4>에서 나타낸 바와같이 수은 온도계처럼 주입액(수은 또는 유기용액)을 수용하는 작은 구형 또는 원관 형으로 되어 있는 측온부와 액체의 열팽창에 의한 액위변화를 수용하는 전달부인 미세관과 표시부에 해당하는 온도 눈금부로 구성되며 일체형으로되어 있다.

☑ 자료실

http://www.autocontrol.co.kr/magazine/2003/0307/96-100.pdf

압력식 온도계

압력식 온도계는 바이메탈식 온도계와 함께기계식 온도계라 칭한다. 압력식 온도계의 구조는 감온부(측온부: 감온관, 접촉부: Bulb), 모세관(전달부: Capillary), 지시부(표시부: BoundonTube) 3부로 구성되어 있으며, 전체 내부 주입물(액상, 증기상, 기상)을 주입시킨 상태에서 감온부에 피측정물체의 온도가 가해지면 그에 따른 내부 주입물의 팽창(체적팽창)에 의해 발생하는 압력이 모세관으로 전달 Bourdon Tube로 입력된다.

☑ 자료실

http://www.autocontrol.co.kr/magazine/2003/0307/96-100.pdf

바이메탈식 온도계

바이메탈이란 열팽창계수가 다른 2종의 금속박판을 압연접착(열간압연접착, 냉간압연접착) 시킨 것으로 두께는 0.1~2mm 정도이다. <그림6>에 나타낸 바와 같이 가해진 온도에 비례하여 열팽창계수가 작은 금속쪽으로 굴곡변형이 일어나며, 단위 온도 변화당 굴곡변형량을 지하여

온도로 환산한다.

☑ 자료실

http://www.autocontrol.co.kr/magazine/2003/0307/96-100.pdf

저항식 온도계

도체에 있어서의 전기저항은 온도에 따라 변화하게 되며 이러한 성질을 이용 단위온도 변화

당 저항 변화분을 알고 미지의 온도에 대응된변화 저항만을 측정하여 미지의 온도를 측정하

는 온도 측정방식이다.

열전식 온도계

금속은 그 종류에 따라서 자유전자의 밀도가 다르고 고온이 될수록 그 밀도는 증가한다. 자유 전자의 밀도가 다른 2종의 금속을 접촉시키면자유전자는 그 밀도가 큰 측으로부터 작은 측으로 확산이 일어나고 그 역의 방향으로 전류가 발생한다. 이 전류를 접촉전류라 하고 이에 따라 양금속 간에는 전위차가 발생한다. <그림 7>의 A, B 양금속선 양끝단 접합점 온도가 동일하면 각선 양끝단의 전위차는 없으나, (a)와 같이 양 끝단에 온도차를 두면 양 접합점

에는 접촉전위차 불평형(b)이 발생하고저온측 접합점에서 A로부터 B측으로 전류가 흐른다면 도체 A는 도체 B에 대해서 +의 극성을 가졌고, A에서는 고온에서 저온측으로 B는 저온에서 고온측으로 열전류가 흐르게 된다. 이때 양 접합점 중 한쪽의 온도를 일정하게 유지시키면 다른 한쪽의 변화해가는 미지의 온도에만 관계하는 기전력을 측정 온도로 환산하여 온도를 측정한다.

☑ 자료실

http://www.autocontrol.co.kr/magazine/2003/0307/96-100.pdf

방사 온도계

모든 물체는 표면으로부터 절대온도 0K 이상의 온도에서 방사에너지를 방출하고 온도가 상승할수록 방사에너지도일반적으로 증가하며 또한 역으로 외부로부터 방사에너지도 흡수한다. 온도변화에 따른 전기저항 변화를 감지해서 온도를 측정하며 거의 상온용을 사용한다.

또한, 집전검출기는 온도 변화에 따라발생하는 자발분극에 의한 기전력을 감지 온도로 측정한다.

열전대 온도계와 측온저항 온도계

열전대 온도계

열전대는 구조적으로 간단하고 조작이 간편하여 산업현장이나 실험실 등에서 많이 쓰이는 전기 신호식 온도계이다.

측정값이 전기적 신호인 전압크기로 출력되어 측정값을 먼 거리까지 전송할 수 있어 중앙제어에 유용하게 활용되고 있는 범용의 온도센서이다. 열전대는 -273℃부터 3,000℃까지 광범위한 측정범위와 0.1~1%의 정밀도를 갖고 있다.

그림  열전대의 구조

측온저항체 온도계

금속은 고유 저항값을 갖고 있으며 그 전기 저항은 온도에 따라 일정하게 변하는 성질을 가지고 있다. 이러한 특성을 이용하여 순도가 아주 높은 금속선을 감온부로 만들어 온도측정 대상체에 접촉시켜 온도를 감지하게 한다. 그리고 온도크기에 따라 변한 저항값을 저항측정기로 계측하여 온도눈금으로 바꾸어 읽는 전기식 온도계를 만들 수 있다. 이 온도계가 측온저항체 온도계(RTD: Resistance Temperature Detector)이다.

유리 온도계의 보정

유리 온도계로 측정한 온도는 모세관의 굵기가 일정하지 않거나, 유리가 조금씩 수축되어 있든지, 또는 봉입액의 팽창이 온도에 따라 약간씩 다르다는 등의 이유 때문에 눈금의 간격이 같은 간격으로 되어 있더라도 반드시 정확하다고 단정할 수 없다.

따라서, 이들 온도계를 사용할 때에는 미리 검정해 놓을 필요가 있다. 일반적으로 순수한 물질의 녹는점, 끓는점, 전이점 등의 물리 상수는 일정한 압력에서는 항상 일정하므로 이러한 성질을 이용하여 온도계를 검정하고 이를 보정할 수 있다.

먼저,  얼음을 녹이면서 온도를 측정하여 0℃일 때 온도계가 가르키는 눈금을 읽고, 이어 함수 황산나트륨의 전이점을 측정하여 32.38℃일 때 온도계가 가르키는 눈금을 읽어 기록한 다음, 물을 끓이면서 온도를 측정하여 100℃일 때 온도계가 가르키는 눈금을 읽어 이들의 결과를 표로 만든다.

그리고 이 표를 바탕으로 하여 검정한 온도계가 가르키는 눈금이 정확한 온도의 몇 ℃에 해당하는가를 나타내는 보정표를 만든다.

지금, 어느 온도계를 검정한 결과를 정리한 것이 표와 같다고 한다면 이 때의 보정표는 그림과 같이 나타낼 수 있다.

검정 결과표

정확한 온도 (t ℃)	온도계가 가르키는 온도 (t' ℃)	눈금차 [(t'-t) ℃]
0.00 32.38 100.00	0.5 31.5 102.5	0.5 -0.9 2.5

만약, 위에서 검정한 온도계로 측정한  온도가 55.0℃이었다면, 이 때의 정확한 온도는 보정표를 써서 다음과 같이 구할 구 있다.

유리 온도계의 보정표

55.0 ＋ 0.3 = 55.3℃

즉, 이 온도계가 55.0℃일 가르킬 때의 정확한 온도는 55.3℃이다.

안전 및 유의 사항

보통의 유리 막대 온도계로 온도를 측정한 후 급랭시키면 안된다.

온도를 측정할 때 온도계를 그릇의 밑바닥이나 벽에 닿지 않도록 한다.

온도계로 시료를 젓지 않도록 한다.

실습 순서

100℃ 유리 온도계의 교정

0℃의 검정

큰 비커 속에 증류수와 지름 2～3cm의 얼음을 넣은 다음 교반기를 장치한다.

큰 비커 속에 증류수와 지름 2～3cm의 얼음을 넣은 다음 교반기를 장치한다.

검정하고자 하는 온도계를 0℃의 눈금이 완전히 잠기도록 넣은 다음 교반기를 천천히 위아래로 움직이면서 얼음이 녹아 가는 생태로 놓아 둔다.

아니오

예

10분 동안 놓아 두었는가?

온도계의 눈금을 읽고 기록한다.

아니오

예

3회 반복하였는가?

평균값을 측정값으로 한다.

32.83℃의 검정

큰 비커에 준비한다.

천칭을 이용하여 황산나트륨 100g을 칭량한다.

물을 넣는다.

작은 비커에 옮기고 증류수로 녹인다.

작은 비커를 큰 비커에 넣다.

검정하려는 온도계를 작은 비커에, 다른 온도계 하나를 큰 비커 속에 담겨 놓는다.

그림과 같이 모래 중탕위에서 천천히 가열시켜 큰 비커 속의 물의 온도가 약 40℃가 되도록 한다.

아니오

예

40℃에 도달하였는가?

작은 비커 속의 물의 온도가 높아지다가 일정한 온도에서 오랫 동안 머물러 있을 때 까지 기다린다.

아니오

예

일정한 온도에서 오랫 동안 머물렀는가?

온도계의 눈금값을 읽고 기록한다.

100℃의 검정

둥근바닥 플라스크에 증류수 약 500mL를 비등석과 함께 넣는다.

둥근바닥 플라스크의 목 부분을 굵은 유리관으로 덮고, 그림과 같은 장치를 꾸민다.

검정하고자 하는 온도계의 둥근 부분이 물의 윗면으로부터 약 2cm정도 위로 오도록 한다.

둥근바닥 플라스크 속의 물을 천천히 가열하여 끓이고, 물이 끓기 시작한 다음 약 10분간 기다린다.

아니오

예

물이 끓고 약 10분간 기다렸는가?

온도계의 눈금값을 읽고 기록한다.

아니오

예

3회 반복하였는가?

실습 결과를 바탕으로 검정 결과펴를 작성한 다음 보정표를 그린다.

온도 측정

액체의 온도 측정

비커에 물을 넣고 그림과 같은 장치를 꾸민다.

알코올 램프를 천천히 가열한다.

가열 시간과 온도와의 관계를 조사하여 표로 만들고, 모눈 종이에 그린다.

온도 보정을 한다.

높은 온도 측정

전기 가마에 열전쌍 온도계를 꽂는다.

전기 가마에 전원을 넣는다.

시간에 따른 온도 변화를 조사하여 표를 만들고, 그래프로 나타낸다.

실습 보고서

100℃ 유리 온도계의 보정

검정 결과표

정확한 온도 (t ℃)	온도계가 가르키는 온도 (t' ℃)	눈금차 [(t'-t) ℃]
0.00 32.38 100.00

검정 보정표

온도계의 눈금(℃)

보정값⌒℃

︶

온도 측정

액체의 온도 측정

시간에 따른 온도 변화

시간(분)
측정 온도(℃)
보정 온도(℃)

시간에 따른 온도 변화 그래프

온도(℃)

시간(분)

높은 온도 측정

시간에 따른 온도 변화

시간(분)
측정 온도(℃)
보정 온도(℃)

시간에 따른 온도 변화 그래프

온도(℃)

시간(분)