비금속 열전대(K-TYPE)와 산업용저항온도계의 특성 비교 및 측정불확도 산출 :Comparison of characteristics of non-metal thermocouple(K-TYPE) and industrial resistance thermometer and calculation of measurement uncertainty

강주경

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자료유형: 학위논문

저자정보: 강주경 (한양대학교, 한양대학교 공학대학원)

지도교수: 소홍윤

발행연도: 2023

저작권: 한양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2024

열전대 지시계의 상온보상용 내부 온도센서 교정 방법과 열전대 지시계 사용의 불확도

강주경 , 이영희 , 양인석 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2024.05 학술대회자료

2023

비금속 열전대(K-TYPE)와 산업용저항온도계의 특성 비교 및 측정불확도 산출

강주경 기계ㆍ플랜트공학과 2023.01 학위논문

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온도를 측정하기 위해선 온도를 감지하는 센서가 필요하며, 정밀 측정을 위해 국가공인 교정기관에 의뢰하여 보정을 받은 후 사용한다. 표준교정절차에 의해 온도 센서를 교정하는 방법과 계수 값 적용에 관한 내용은 잘 나와 있지만, 현장이나 실무자들이 이해하기에 다소 어려운 부분이 있었다. 열전대는 빙점보상(EXT) 방법과 상온보상(INT) 방법으로 온도 측정이 가능하다. 하지만, 두 측정법을 이용 시 서로 간의 측정값 차이가 발생하게 된다. 또한, 표준환경 온도와 동일 환경에서 온도 측정 시 성적서에 제기된 지시 값과 거의 일치하는 반면, 현장과 같이 열악한 환경에선 표준환경 온도와 불일치 시 편차가 발생하는 경우가 있다.
본 문제점을 해결하기 위해 본 논문은 첫째, 산업용저항온도계(RTD)의 보정계수인 CVD(Callendar-van Dusen)의 상세한 계산방법과 산업용저항온도계와 비금속 열전대(K-Type)의 기존 식을 참고로 수학적 모델 식 구성과 둘째, 열전대 두 측정법을 사용했을 때 편차 발생 수치와 셋째, 대기 환경 온도 변화 시 각 센서별 지시 특성과 환경변화가 심한 곳에서 정밀한 온도 측정을 하기 위해 어떤 센서를 사용해야 하는 가에 관한 연구를 진행하였다.
본 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 보정계수 식을 통해 프로그램 이용 시 오류가 발생할 경우, 엑셀을 통해 구할 수 있는 법을 확인하였고 기존 식보다 측정불확도 값이 감소하여 오차 또한 감소하는 것을 확인하였다. 둘째, 열전대 측정 시 빙점보상(EXT) 방법이 정밀한 온도 측정이 가능하며 고온으로 갈수록 두 측정법 간의 온도 편차가 증가하는 것을 확인하였다. 셋째, 비금속 열전대(K-Type)의 경우 환경 온도 변화에 영향을 받지만, 산업용저항온도계의 경우 영향을 거의 받지 않는 것을 확인하였으며 대기 환경 온도 변화가 심하게 발생하는 곳에서 정밀하고 정확한 온도 측정을 위해선 산업용저항온도계를 사용하는 것이 좋다는 것을 확인하였다.
본 연구 결과를 통해 정확하고 정밀한 온도 측정을 위한 조건으로 사용될
수 있을 것으로 기대한다. 본 연구에서는 현장에서 많이 사용하는 두 온도 센서인 산업용저항온도계와 비금속 열전대(K-Type)만 분석하였으며 나아가 현시대에 온도 측정 시 사용하는 온도 센서의 오차 감소와 불확도 산출 시 요인 감소 등 여러 방법을 이용하여 측정불확도 감소, 환경 온도 변화가 심한 곳에서도 비금속 열전대를 이용하여 측정 시 정확하고 정밀한 온도 측정이 가능한 방안에 관한 상세한 연구도 필요할 것으로 보인다.

In order to measure the temperature, a sensor that detects the temperature is required, and for precise measurement, it is used after being calibrated by requesting it to a nationally accredited calibration institution. The method of calibrating the temperature sensor according to the standard calibration procedure and the application of the coefficient value are well described, but there were some difficult parts for the field or practitioners to understand. The thermocouple can measure the temperature by the freezing point compensation (EXT) method and the room temperature compensation (INT) method. However, when using the two measurement methods, a difference in measured values occurs between them. In addition, when measuring the temperature in the same environment as the standard environment temperature, it is almost identical to the indicated value presented in the test report, but in a harsh environment such as the field, deviation may occur when it does not match the standard environment temperature.
In order to solve this problem, this paper firstly refers to the detailed calculation method of CVD (Callendar-van Dusen), the correction coefficient of industrial resistance thermometer (RTD), and the existing formula of industrial resistance thermometer and non-metallic thermocouple (K-Type). Second, the deviation occurrence value when using two thermocouple measurement methods, and third, the indication characteristics of each sensor when the atmospheric environment temperature changes, and which sensor should be used for precise temperature measurement in a place with severe environmental changes research was conducted.
The results of this study are as follows. First, through the correction coefficient formula, it was confirmed how to obtain it through Excel when an error occurs when using the program, and it was confirmed that the error was also reduced because the measurement uncertainty value was reduced compared to the existing formula. Second, it was confirmed that the freezing point compensation (EXT) method enables precise temperature measurement when measuring thermocouples, and the temperature deviation between the two methods increases as the temperature increases. Third, non-metallic thermocouples (K-Type) are affected by environmental temperature changes, but industrial resistance thermometers are virtually unaffected. It was confirmed that it is better to use a resistance thermometer.
It is expected that the results of this study can be used as conditions for accurate and precise temperature measurement. In this study, only the industrial resistance thermometer and the non-metallic thermocouple (K-Type), which are two temperature sensors commonly used in the field, were analyzed. Furthermore, various methods were used, such as reducing the error of the temperature sensor used in measuring temperature in the present era and reducing factors in calculating uncertainty. Therefore, it is necessary to conduct detailed research on methods for reducing measurement uncertainty and enabling accurate and precise temperature measurement when measuring using non-metallic thermocouples even in places with severe environmental temperature changes.

#기계공학

I. 서론 1
1. 연구의 필요성 및 목적 1
II. 관련 이론 3
1. 산업용저항온도계 3
2. 열전대 4
3. 측정불확도 산출 6
III. 실험방법 10
1. 사전준비 10
2. 측정불확도 산출을 위한 온도 측정 13
2.1. 산업용저항온도계 13
2.2. 비금속 열전대(K-Type) 13
3. 비금속 열전대(K-Type) 빙점보상(EXT) 방법과 상온보상(INT) 방법 14
4. 고정표준실 환경(온도)변화 15
IV. 결과 및 고찰 17
1. CVD(Callendar-van Dusen) 17
1.1. 감도계수 18
1.2. 빙정 부근의 빙점 저항 19
1.3. CVD(캘랜더 반 두센) 계수 20
2. 측정불확도 산출 22
2.1. 산업용저항온도계 측정불확도 22
2.2. 비금속 열전대(K-Type) 측정불확도 27
3. 비금속 열전대의 측정법에 따른 지시 특성 비교 38
3.1. 비금속 열전대(K-Type)의 빙점보상(EXT) 방법과 상온보상(INT) 방법의 측정결과 38
3.2. 비금속 열전대(K-Type)의 빙점보상(EXT)와 상온보상(INT) 지시 값 비교 분석 40
4. 표준 환경 온도 변화 시 온도 센서 지시 및 특성 분석 41
4.1. 표준 환경 온도 변화 시 온도 센서 별 측정결과 41
4.2. 표준 환경 온도 변화 시 온도 센서 지시 특성 및 비교 분석 50
V. 결론 58
참고자료 60
ABSTRACT 64
감사의 글 66
연구윤리서약서-국문 67
연구윤리서약서-영문 68

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