[논문]온도 경계층 측정용 열전대 센서 개발

서종범; 한상조

doi:10.3795/ksme-b.2014.38.12.983

온도 경계층 측정용 열전대 센서 개발
Development of Thermocouple Sensor for Thermal Boundary Layer Measurement 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.12 = no.351, 2014년, pp.983 - 990

서종범 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과) , 한상조 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 등온 벽에서 가까이에 위치한 유동과 같이 온도 구배가 큰 곳에서 발생하는 전도오차를 줄이기 위해 새로운 열전대의 형상 설계 및 제작 방법을 제안하고자 한다. 전도오차를 줄이기 위하여 지름이 $79.9{\mu}m$인 열전대를 이용했으며, 아크 용접을 통해 제작된 상대적으로 접점이 큰 일반 열전대와 다른 butt-welded 열전대를 제작하기 위하여 용접용 5 축 장비가 고안됐다. 열전대의 단면을 맞닿게 하여 용접해 접합부위 크기를 최소화 했다. 온도 보정 실험을 통하여, 일반적인 형상의 열전대와 이 연구에서 제안하는 열전대의 온도 측정 결과가 동일함을 알 수 있었다. 접합부가 $79.9{\mu}m$ 지름을 가지는 butt-welded 열전대를 온도 경계층에 침투시켜서 전도에 의한 오차를 최소화하여 급격히 변하는 온도 경계층의 온도를 효과적으로 측정할 수 있게 되었다. 개발된 센서를 이용하여 선형 터빈 날개가 장착된 풍동에서 온도 경계층을 측정하였고, 측정된 결과를 Nusselt 수로 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research focused on designing an appropriate thermocouple sensor for a thermal boundary layer with a large temperature gradient. It was designed to minimize the conduction error from a constant temperature wall in a boundary layer. A $79.9-{\mu}m$ thermocouple was chosen, and a five-axis device jig was developed to fabricate a butt-welded thermocouple, which is different from arc-welded junction thermocouples. This was used to minimize the size of the thermocouple junction. In addition to fabricating butt-welded thermocouples, a thorough calibration was conducted to decrease the internal error of a multimeter to ensure that the data from the butt-welded and regular thermocouples were almost the same. Based on this method, a butt-welded thermocouple with a small junction was found to be suitable for measuring the temperature in a thermal boundary layer with very large thermal gradients. Using this thermal boundary layer probe, the thermal boundary layers in a turbine cascade were measured, and the Nusselt numbers were obtained for the turbine endwall.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 열전달 분석의 중요한 열경계층의 온도 측정은 전도 오차 때문에 측정이 난해한 점을 butt-welded 된 열전대를 이용하여 해결하고자 한다. 열경계층은 이론적으로 Fig.
본 연구의 벽면근처 유동 속에서 온도 경계층을 측정하는데 사용되는 79.9 micron 지름의 열전대를 용접하는 방법 및 장비에 대해서 소개하도록 한다. 일반적인 열전대는 벽면 유동의 경계층(Fig.
열전대의 성능시험은 열전대 접점의 크기에 변화에 따라 온도 측정의 특성 변화 여부에 대해 알아보기 위하여 수행하였다. 시험에 사용된 열전대는 K Type 열전대로 Omega 의 TT-K-40-SLE 를 사용하였다.

제안 방법

(2) 열전대 성능시험에 앞서 장비의 내부 전압오차를 없애는 교정이 요구되어 장비의 오차를 보정 후 성능시험을 했다.
(5) Butt-welded 열전대를 이용하여 풍동에서 등온 벽의 열 경계층 측정을 하였다. 열 경계층은 약 0.
J3(ordinary TC, butt-welded TC 총 2 개)는 진공 보온병에 수은온도계와 함께 넣었으며 두 개의 열전대는 거의 동일한 위치에서 측정을 하였다. 20~50℃의 물을 보온병에 넣어 열전대로 측정했으며, 충분히 섞은 후 수은온도계의 값과 기전력 값이 안정된 것을 확인하고 측정 값을 수집하였다. 보온병 입구에서 대류 열전달과 물의 물질전달은 미미하여 무시할 수 있다.
5의 회로대로 일반 접점과 butt-welded 접점으로 만들어진 열전대 2 개의 세트로 실행하였다. Fig. 5에서 멀티미터에 연결된 두 채널을 구리선으로 연결하고 K type 열전대의 Chromega(Ni-Cr), Alomega(NiAl)와 용접시켜 Reference point 로 사용 될 접합부(J1, J2)를 만들었다. 단열을 위해 얼음물(0℃)을 스티로폼(Styrofoam)상자를 담아서 온도를 유지하도록 하였다.
9 micron 의 열전대를 이러한 방식으로 용접하는 것은 쉽지 않다. 그래서 열전대 용접을 위한 전용 5 축 용접 장비를 직접 설계 하여 제작하였다. 5 축 용접용 지그는 얇은 두 개의 금속선을 일렬로 배열하기 위하여 x, y, z 의 3 축과 θ1, θ2의 두 방향으로 각도를 조정하는 것이 가능하다(Fig.
5에서 멀티미터에 연결된 두 채널을 구리선으로 연결하고 K type 열전대의 Chromega(Ni-Cr), Alomega(NiAl)와 용접시켜 Reference point 로 사용 될 접합부(J1, J2)를 만들었다. 단열을 위해 얼음물(0℃)을 스티로폼(Styrofoam)상자를 담아서 온도를 유지하도록 하였다. J1, J2 를 얼음물에 담갔기 때문에 J3 에서 발생되는 기전력은 얼음물과 J3 의 온도 차이를 나타낸다.
시험에 사용된 열전대는 K Type 열전대로 Omega 의 TT-K-40-SLE 를 사용하였다. 동일한 Spool 에서 나온 열전대 선을 이용하여 Fig. 5의 회로대로 일반 접점과 butt-welded 접점으로 만들어진 열전대 2 개의 세트로 실행하였다. Fig.
기존의 열전대가 접점이 크기 때문에 전도에 의해 온도 변화가 급격한 열 경계층 측정이 어려웠었다. 본 연구를 통해 제작한 열전대를 이용하여 등온 조건을 유지하여 butt-welded 열전대를 이용하여 제작된 센서(Fig. 7)를 가지고 열 경계층 측정(Fig. 8)을 했고, 일부 열경계층 측정 및 Nusselt number 계산 결과를 Fig. 10~ Fig. 13까지 나타내었다. Fig.
두 개의 가는 열전대선의 접촉은 약 100 배율의 광학 현미경을 사용하여 확인하였다. 열전대의 용접은 두 개의 구리 집게에 용접할 열전대를 피복을 벗겨 전류가 통할 수 있도록 고정하고, 반대편 양 끝을 각각 양극과 음극에 연결한 후 열전대의 양 끝을 5 개의 축을 이동하여 맞춘 후 열전대 용접기를 이용하여 용접했다. 용접 시에는 광학현미경을 이용하여 열전대의 양끝의 단면이 서로 일치하도록 맞닿게 하고 전압을 조절하여 용접 한다.
이후 두 채널에 대하여 각각의 교정 방정식을 따로 계산하여 교정을 수행하였다. 위 두 가지 방법을 통해 측정 장비에 대한 오차 교정을 수행하였다.
예를 들면, 온도계산을 위한 내장함수가 실험에 사용하려는 열전대와 맞지 않거나, 내부 ice point 로 사용하는 칩의 기준점 온도가 채널 별로 다른 오차들이 존재한다. 이러한 오차를 줄이기 위하여 내부 기준 온도를 이용하여 온도를 측정하는 것이 아니라, 실제 얼음물을 이용하여 Seebeck effect 에 따라 생성되는 기전력(emf)을 직접 측정하였다. 또한 장비 자체의 오차를 최소화하기 위해 내부 전압 차를 0 으로 만드는 교정을 먼저 수행하였다.
이와 같은 결과는 데이터 수집보드의 채널간의 오차로 볼 수 있다. 이후 두 채널에 대하여 각각의 교정 방정식을 따로 계산하여 교정을 수행하였다. 위 두 가지 방법을 통해 측정 장비에 대한 오차 교정을 수행하였다.
앞 절에서 설명한 용접 장비를 이용하여 만들어진 열전대의 성능을 평가하기 위해서는 오차 교정이 수반되어야 한다. 정확한 교정을 위하여 우선 측정 장비의 오차 교정(Calibration)을 수행하였다. 측정 장비로는 Agilent 의 Multimeter 34970A 를 사용하여 각 열전대의 기전력(emf)값을 측정하였다.

대상 데이터

열전대의 성능시험은 열전대 접점의 크기에 변화에 따라 온도 측정의 특성 변화 여부에 대해 알아보기 위하여 수행하였다. 시험에 사용된 열전대는 K Type 열전대로 Omega 의 TT-K-40-SLE 를 사용하였다. 동일한 Spool 에서 나온 열전대 선을 이용하여 Fig.

데이터처리

정확한 교정을 위하여 우선 측정 장비의 오차 교정(Calibration)을 수행하였다. 측정 장비로는 Agilent 의 Multimeter 34970A 를 사용하여 각 열전대의 기전력(emf)값을 측정하였다. 멀티미터의 uncertainty 는 장비의 분해능(resolution)이 가장 큰 영향을 미친다.

성능/효과

(1) Butt-welded 된 열전대를 제작하기 위해서 5개의 단축 스테이지를 조합하였고, 20~200 배율확대 가능한 광학현미경을 추가하여 장비를 완성하였다.
(3) 성능시험결과 일반적인 열전대와 개선된 열전대의 온도에 따른 기전력이 거의 동일함을 알 수 있었다. 또한 온도에 따른 기전력의 변화율도 마찬가지로 매우 유사했다.
(4) Butt-welded 열전대의 성능은 일반 열전대와 동일하고, 접점의 크기가 더 작기 때문에 온도경계층에서 Nusselt Number 측정을 위한 온도를 측정할 때 열전도에 의한 오차를 최소화할 수 있다.
멀티미터의 A 채널과 B 채널에서 측정된 값은 일정한 값의 차이를 보였으며, 각 열전대(ordinary TC, butt-welded TC)를 서로 다른 채널에 연결했을 때도 같은 현상이 나타났다. 이는 장비의 각 채널의 오차로 판단된다.
본 연구를 통하여 Fig. 4에서 왼쪽의 일반적인 열전대와 오른쪽의 5 축 열전대 제작 장비로 만든 butt-welded 열전대의 성능은 온도 측정 시험 결과 동일한 열전대로 취급할 수 있을 만큼 매우 유사한 결과를 얻었다. 온도 측정 성능은 일반 열전대와 동일하고 접합부의 크기가 전선의 굵기와 같으므로 본 연구를 통해 만들어진 열전대는 경계층에서 온도를 측정하는 데 더 적합하다.
얇은 열 경계층에서는 일반 열전대의 접점이 경계층 두께보다 더 크기 때문에 열경계층의 측정이 불가능 하다. 본 연구의 열전대는 일반 열전대와 동일한 성능을 가지고, 접점의 크기가 열경계층의 전도 영역의 두께 보다 작아서 얇은 열 경계층 속에서 정확한 온도 측정이 가능하다. 위에 있는 4개의 열 경계층 그래프는 Fig.
4에서 왼쪽의 일반적인 열전대와 오른쪽의 5 축 열전대 제작 장비로 만든 butt-welded 열전대의 성능은 온도 측정 시험 결과 동일한 열전대로 취급할 수 있을 만큼 매우 유사한 결과를 얻었다. 온도 측정 성능은 일반 열전대와 동일하고 접합부의 크기가 전선의 굵기와 같으므로 본 연구를 통해 만들어진 열전대는 경계층에서 온도를 측정하는 데 더 적합하다.
J1, J2 를 얼음물에 담갔기 때문에 J3 에서 발생되는 기전력은 얼음물과 J3 의 온도 차이를 나타낸다. 이상적으로 얼음물의 온도는 0 ℃이므로 Reference point 를 사용하기에 적절하며, 실제로 0.1 ℃ 분해능을 갖는 수은 온도계로 측정한 결과 0℃가 측정되었다. J3(ordinary TC, butt-welded TC 총 2 개)는 진공 보온병에 수은온도계와 함께 넣었으며 두 개의 열전대는 거의 동일한 위치에서 측정을 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	많은 에너지 시스템에서 열에너지의 변화는 어떻게 계산할 수 있는가?	많은 에너지 시스템에서 열에너지의 변화는 온도를 측정함으로써 계산할 수 있다. 온도는 상대적으로 쉽게 측정할 수 있는 물리 량으로 수은 온도계, RTD(Resistance temperature detector), 열전대(Thermocouple), 적외선 측정기, Thermistor, 반도체 온도센서 등을 이용해서 측정 할 수 있다.
	온도는 무엇을 통해 측정할 수 있는가?	많은 에너지 시스템에서 열에너지의 변화는 온도를 측정함으로써 계산할 수 있다. 온도는 상대적으로 쉽게 측정할 수 있는 물리 량으로 수은 온도계, RTD(Resistance temperature detector), 열전대(Thermocouple), 적외선 측정기, Thermistor, 반도체 온도센서 등을 이용해서 측정 할 수 있다. Thermistor 의 경우에는 측정 가능 범위가 제한적이고, RTD 는 높은 정확도를 가지지만 가격이 비싸며 자체발열, 측정 가능한 온도 범위의 제한이 존재한다.
	일반적인 열전대로 경계층의 온도를 측정하는데 한계가 있는 문제를 해결하기 위해 사용할 수 있는 방법은 무엇인가?	1)에서 온도를 측정할 때 둥근 형태의 접점의 크기가 경계층의 급격한 온도변화 구간의 폭보다 크기 때문에 경계층의 온도를 측정하는데 한계가 있다. 이 문제를 해결하기 위해서는 급격히 변하는 온도경계층의 두께보다 얇은 열전대를 이용하여 접점의 크기를 최소로 만들어서 측정하는 방법이 있다. 상업적으로 사용이 가능한 최소 두께의 열전대의 지름은 79.

참고문헌 (11)

Blackwell, BF. and Moffat, RJ., 1975, "Design and Construction of a Low Velocity Boundary Temperature Probe," J Heat Transfer, Vol. 97(2), pp. 313-315

상세보기
Qiu, S., Simon, TW. and Volino, RJ., 1995, "Evaluation of Local Wall Temperature, Heat Flux, and Convective Heat Transfer Coefficient from the Near-wall Temperature Profile," HTD Heat Transf Turbul Flows, Vol. 318, pp. 45-52
Han, S. and Goldstein, RJ., 2007, "Heat Transfer Study in a Linear Turbine Cascade Using a Thermal Boundary Layer Measurement Technique," J Heat Transfer, Vol. 129, pp. 1384-1394

상세보기
Sundqvist, B., 1992, Thermal Diffusivity and Thermal Conductivity of Chromel, Alumel, and Constantan in the Range 100-450 K," J Appl Phys, Vol. 72(2), pp 539-545

상세보기
Durst, F., Zanoun, E.-S. and Pashtrapanska, M., 2001, "In Situ Calibration of Hotwires Close to Highly Heat-Conducting Walls," Exp Fluids, Vol. 31, pp. 103-110

상세보기
Bhatia, JC., Durst, F. and Jovanovic, J., 1982, "Corrections of Hotwire Anemometer Measurements Near Walls," J Fluid Mech, Vol. 122, pp. 411-431

상세보기
Shi, J.-M., Breuer, M. and Durst, F., 2002, "Wall Effect on Heat Transfer from a Micro-cylinder in Near-wall Shear Flow," Int J Heat Mass Transf, Vol. 45, pp. 1309-1345

상세보기
Durst, F., Shi, J.-M. and Breuer, M., 2002, "Numerical Predictions of Hotwire Corrections Near Walls," J Fluids Eng, Vol. 124, pp. 241-255

상세보기
Aiba, S. and Tsuchida, H., 1986, "Heat Transfer Around a Circular Cylinder Near a Plane Boundary," Heat Transf Jpn Res, Vol. 15(2), pp. 1-25
Aiba, S., 1985, Heat Transfer Around a Circular Cylinder Near a Plane Surface. J Heat Transf, Vol. 07(4), 916-921
Bird, R.B., Stewart, W. E. and Lightfoot, E.N., 1960. Transport Phenomena. John Wiley and Sons.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증