KR101286346B1 - 열전쌍 연장용 와이어 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 열전쌍 장치가 개시된다. 상기 열전쌍 장치는 양 리드선(positive lead) 및 음 리드선(negative lead)을 갖는 열전쌍을 포함한다. 양 와이어(positive wire)의 제1 단부는 제1 접합부에서 양 리드선에 연결되며, 양 와이어의 제2 단부는 제2 접합부에 연결된다. 음 와이어(negative wire)의 제1 단부는 제3 접합부에서 음 리드선에 연결되며, 음 와이어의 제2 단부는 제4 접합부에 연결된다. 제2 접합부 및 제4 접합부는 기준 접합부를 구성한다. 양 와이어 및 음 와이어 중 적어도 하나의 굵기와 열 전도도 중 하나 이상은, 제1 접합부로부터 기준 접합부를 향하는 열 흐름과, 제3 접합부로부터 기준 접합부를 향하는 열 흐름을 각각 좌우하며, 이들 열 흐름의 차이가 소정 크기 미만이 되도록 하는 값으로 선택된다.

Description

열전쌍 연장용 와이어{THERMOCOUPLE EXTENSION WIRE}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은, 35 U.S.C §119(e)에 따라 2007년 10월 24일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/982,292호의 우선권을 주장하며, 상기 가특허 출원의 개시 내용은 인용함으로써 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 열전쌍 연장용 와이어에 관한 것이다.
고온 측정에 사용되는 열전쌍은 일반적으로 백금 및 백금의 합금과 같은 귀금속으로 제작된다. (1) 백금 및 13 %의 로듐을 재료로 하는 양 리드선(positive lead)과 백금으로 된 음 리드선(negative lead)을 구비하는 타입 R 열전쌍 및 (2) 백금 및 10 %의 로듐을 재료로 하는 양 리드선 및 백금으로 된 음 리드선을 구비하는 타입 S 열전쌍이 가장 일반적이다.
귀금속 열전쌍의 단점은 열전쌍의 가격이 비싸다는 것이며, 이때 가격은 백금 및 백금/로듐 열전쌍 와이어의 길이에 비례한다.
산업 환경에서, 기준 접합부가 위치하는 기구는 보통 열전쌍으로부터 멀리 위치한다. 특히, 용융 금속의 온도를 측정하는 경우, 열전쌍의 emf 출력을 측정하기 위해 사용되는 기구는 보통 열전쌍의 측정용 접합부로부터 원거리에, 예컨대 100 피트 거리에 위치한다. 귀금속 열전쌍을 측정용 접합부까지 100 피트 이상 연장하는 것은 불가능이나 다름없을 정도로 많은 비용이 소요된다. 또한, 예컨대 보통 용융 금속의 온도 측정의 경우에서와 같이 단지 1회 또는 수차례만 측정하기 위해 열전쌍을 사용하는 경우, 100 피트 이상 연장되는 귀금속 열전쌍을 사용하는 것은 훨씬 더 불가능에 가깝다.
용융 금속의 온도 측정을 위해 귀금속 열전쌍을 사용하는 온도 측정 장치는, 일반적으로 센서 또는 프로브라고 흔히 부르는 연결 장치에서 저렴한 금속/금속 합금으로 제작된 연결용 와이어를 부착함으로써, 열전쌍을 원거리에 있는 측정 기구에 연결하여 귀금속 열전쌍 와이어의 길이를 최소화한다. 이러한 연결용 와이어는 일반적으로 연장용 와이어라 불린다.
연장용 와이어는 열전쌍을 원거리에 있는 측정 기구에 연결하기 위해 사용될 수 있으며, 이때 (1) 연장용 와이어의 열전기적 물성이 연장용 와이어의 작동 온도 범위에 걸쳐 연장용 와이어에 부착되는 귀금속 열전쌍의 열전기적 물성과 실질적으로 동일하게 되도록 상기 열전기적 물성을 선택함으로써, 그리고 (2) 양의 열전쌍 와이어와 양의 연장용 와이어의 접합부를 음의 열전쌍 와이어와 음의 연장용 와이어의 접합부와 동일한 온도로 유지함으로써, 대부분의 용례에 있어서 허용 가능한 측정 정확도를 유지한다. 이러한 조건 하에서, 기준 접합부에서 측정되는 전압은, 이상적으로는 열전쌍 와이어와 연장용 와이어의 연결부에 형성되는 접합부의 온도와 무관하게 단지 측정용 접합부와 기준 접합부 사이의 온도차만의 함수이다. 통상적으로, 귀금속 열전쌍의 양의 열전쌍 리드선에 연결하기 위한 연장용 와이어는 순수한 구리로 제작되며, 음 리드선에 연결되는 연장용 와이어는 구리-니켈 합금으로 제작된다. 열전쌍과 연장용 와이어 사이의 열전기적 물성의 불일치로 인한 오차를 최소화하기 위해, 한 가지 유형의 연장용 와이어의 열전기적 물성과 귀금속 열전쌍의 열전기적 물성을 일치시키도록 특정 유형의 재료를 선택하는 것은, 미국 특허 제3,926,681호 및 미국 특허 제4,002,500호에 설명되어 있다. 열전쌍 요소에 대한 연장용 와이어의 열전기적 물성의 불일치에 따른 열전쌍과 연장용 와이어의 접합부에서의 온도차에 의해 유발되는 측정 오차는 "Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement", ASTM Pub. 470B, 1981, pages 27-35에 언급되어 있다.
전술한 바와 같이, 열전쌍 및 연장용 와이어의 양 접합부(positive junction)와 음 접합부(negative junction)(이하 중간 접합부라 칭함) 사이에서 발생하는 온도차는, 열전쌍 emf의 측정 오차를 유발한다. 중간 접합부들 사이에서의 이러한 온도차는 양의 중간 접합부로부터 저온인 대응하는 기준 접합부로의 열 흐름과, 음의 중간 접합부로부터 저온인 대응하는 기준 접합부로의 열 흐름의 차이로부터 발생할 수 있다는 점은 종래 기술에서 언급된 바 없다. 이들 열 흐름의 차이는, 2개의 접합부가 동일한 열 입력을 받아들이는 상황에서 접합부들 중 하나의 뚜렷한 냉각을 초래한다. 이러한 온도 차이는, 열전쌍, 보다 구체적으로는 중간 접합부가 고온 환경에 노출된 결과로서 점진적인 열 이득을 얻는 상황에 노출되는 시간에 비례하여 증가한다.
귀금속 온도 측정의 정확도를 높이는 것, 구체적으로 용융 금속의 온도 측정의 정확도를 높이는 것은 산업계에 경제적인 장점이 될 것이다. 따라서, 열전쌍과 연장용 와이어의 접합부로부터 열전쌍 연장용 와이어를 통한 열 흐름의 차이를 줄이는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은, 열전쌍과 연장용 와이어의 접합부로부터 열전쌍 연장용 와이어를 통한 열 흐름의 차이를 줄임으로써 귀금속 온도 측정의 정확도를 개선하며, 구체적으로 용융 금속의 온도 측정의 정확도를 개선하여 경제적인 장점을 갖는 열전쌍 장치를 제공하는 것이다.
전술한 문제는 본 발명에 의해 해결된다. 본 발명은 독립 청구항에 의해 특징이 결정된다. 바람직한 실시예는 종속 청구항에 설명되어 있다. 열전쌍 장치가 개시된다. 상기 열전쌍 장치는 양 리드선 및 음 리드선을 구비하는 열전쌍을 포함한다. 양 와이어의 제1 단부는 제1 접합부에서 양 리드선에 연결되고, 양 와이어의 제2 단부는 제2 접합부에 연결된다. 음 와이어의 제1 단부는 제3 접합부에서 음 리드선과 연결되고, 음 와이어의 제2 단부는 제4 접합부에 연결된다. 제2 접합부 및 제4 접합부는 기준 접합부를 구성한다. 양 와이어 및 음 와이어 중 적어도 하나의 굵기와 열 전도도 중 하나 이상은, 제1 접합부로부터 기준 접합부를 향하는 열 흐름과, 제3 접합부로부터 기준 접합부를 향하는 열 흐름을 각각 좌우하며, 이들 열 흐름의 차이가 소정 크기 미만이 되도록 하는 값으로 선택된다.
본 발명에 따른 열전쌍 장치는 열전쌍과 연장용 와이어의 접합부로부터 열전쌍 연장용 와이어를 통한 열 흐름의 차이를 줄임으로써 귀금속 온도 측정의 정확도를 개선하며, 구체적으로 용융 금속의 온도 측정의 정확도를 개선하여 경제적인 장점을 갖는다.
전술한 설명뿐만 아니라 이하의 본 발명에 대한 상세한 설명은 첨부 도면과 함께 읽으면 더 잘 이해될 것이다. 본 발명의 예시를 목적으로, 현재로서 바람직한 실시예가 도면에 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 도시된 정확한 구성 및 기구로 한정되지 않는다는 점을 이해하여야 한다.
도 1은 열전쌍(A, B 및 C)의 개략적인 도면이다.
도 2는 열전쌍 회로의 개략적인 도면이다.
도 3은 열전쌍 회로의 emf 대 온도의 그래프이다.
도 4는 공지된 온도 센서의 도면이다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예의 도면이다.
도 5b는 본 발명의 제2 실시예의 도면이다.
도 5c는 본 발명의 제3 실시예의 도면이다.
이제, 도 1을 참고하면, 열전기적 물성이 동일한 2개의 열전쌍이 도시되어 있다. Treference = 32 ℉인 기준 접합부 및 소정 중간 온도 Tintermediate인 측정용 접합부를 갖는 제1 열전쌍(A)과, 상기 중간 온도 Tintermediate인 기준 접합부 및 측정 대상 온도 Tmeasure인 측정용 접합부를 갖는 제2 열전쌍(B)의 조합은, 32 ℉인 기준 접합부 및 측정 대상 온도 Tmeasure인 측정용 접합부를 갖는 단일 열전쌍과 등가이며, 즉 emfA + emfB = emfC이고, 이때 emf는 열전쌍(들)에 의해 발생되는 전동력(electromotive force)이다. 간단하게 말해서, 하나의 기준 온도에 대해 소정 열전쌍의 emf 대 온도의 관계가 알려져 있을 경우에는 이후에 임의의 다른 기준 온도에서 발생되는 emf를 예측할 수 있다.
실제적인 결과로서, 잇대지 않은(unbroken) 열전쌍(C)에 의해 측정된 순 emf에 영향을 주지 않으면서, 열전쌍 쌍(B)의 열전기적 특성과 동일한 열전기적 특성을 갖지만 상이한 재료로 된 연장용 와이어 쌍(A)이 열전쌍 회로에(예컨대, Treference와 Tintermediate 사이에) 삽입될 수 있다.
하우징 내에서 열전쌍에 연결되는 연장용 와이어를 사용하는 다수의 산업적인 용례에 있어서, 측정용 접합부에서의 온도는 2500 ℉를 초과할 수 있으며, 하우징 내에 위치하는 중간 접합부는 중간 접합부의 온도가 400 ℉를 초과하지 않도록 한다. 마찬가지로, 경험에 따르면 측정 기구에서 기준 접합부는 32 ℉ 미만으로 낮아지지 않는다. 결과적으로 연장용 와이어의 작동 온도 범위가 제한되기 때문에, 귀금속 열전쌍보다 저렴한 재료로 제작된 연장용 와이어는 기준 접합부에 대해 열전쌍을 연장하기 위해 산업적인 용례에서 흔히 사용된다. 이상적으로는, 부정확하게 되지 않도록 하기 위해, 연장용 와이어 및 귀금속 열전쌍은 열전기적 특성을 일치시켜 2개의 연장용 와이어 사이에서 발생되는 전동력 차, 즉 emf 차이가 극성 및 크기 면에서 32 ℉ 내지 400 ℉의 범위에 속하는 임의의 온도에서 2개의 귀금속 열전쌍 와이어 사이에 발생되는 emf 차이와 실질적으로 동일하게 되도록 한다.
도 2는 타입 S 및 타입 R인 열전쌍 회로에서 연장용 와이어(Px, Nx)를 사용하는 것을 도시하며, 이때 귀금속 열전쌍(P, N)은 점 TI에서 중간 접합부에 연결되며, 연장용 와이어(Px, Nx)는 점 TR에 위치하는 기준 접합부와 중간 접합부 사이에 삽입된다. 이러한 열전쌍 조립체의 출력은, 각각의 말단에서의 전술한 온도들 사이에서 모든 접합부의 전압을 합산함으로써 산출될 수 있다.
Figure 112010016721372-pct00001
위 수식에서 EPX는 점 TI와 TR 사이의 emf와 동일하며, EP는 점 TM과 TI 사이의 emf와 동일하고, EN은 점 TI와 TM 사이의 emf와 동일하며, ENX는 점 TR과 TI 사이의 emf와 동일하다.
일치되는 열전기적 물성(emf)을 갖지 않는 연장용 와이어에 의해 유발되는 오차 이외에도 열전쌍 온도 측정에서의 오차 발생 원인이 있음을 발견하였다. 이들 오차를 줄임으로써 얻는 이익은, 연장용 와이어와 열전쌍의 emf 특성을 일치시켜 얻는 이익보다 훨씬 막대할 수 있다. 이들 오차 중 하나, 즉 본 발명의 대상은, 비록 연장용 와이어 쌍이 각각의 온도에서 열전쌍 emf를 정확하게 일치시킨다고 하더라도 각각의 열전쌍 와이어가 각각의 연장용 와이어에 연결되는 접합부들 사이에 온도차가 존재할 때 발생한다.
도 2를 참고하면, T( PX to P) ≠ T( NX to N)이 성립한다.
도 3은 양의 열전쌍 와이어(P) 및 음의 열전쌍 와이어(N) 그리고 대응하는 연장용 와이어(PX 및 NX)에 대한 emf 대 온도의 그래프이다("Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement", ASTM Pub. 470B, 1981, page 34 참고). 다음 관계식은 연장용 와이어의 작동 범위에 속하는 임의의 온도(T)에서 적용된다.
열전쌍 출력 = 연장용 쌍 출력
EP - EN = EPX - ENX.
변형하면, EP - EPX = EN - ENX.
P가 TP에서 PX와 만나고 N이 TN에서 NX와 만나는 2개의 접합부 사이에 온도차가 존재하는 경우, 즉, TP ≠ TN 인 경우, 2개의 접합부를 가로질러 소정 크기의 원치 않는 emf가 존재하게 된다.
ΔE = (EP - EPX)TP - (EN - ENX)TN
ΔE = (EP - EPX)TP - (EP - EPX)TN
TP ≠ TN일 때 ΔE의 부호, 즉 오차가 양의 편차 또는 음의 편차를 유발하는가의 여부는 TP와 TN의 차이와, P 및 N에 대한 PX 및 NX의 emf 관계에 따라 좌우된다.
상업적인 열전쌍 조립체에서 고유한 TP ≠ TN의 조건으로부터 유발되는 오차와 관련하여 여러 가지 이유가 존재한다. 열전쌍 조립체가 열전쌍 귀금속 와이어의 길이에 비해 과도하게 긴 연장용 와이어를 구비하는 경우, 오차가 발생할 가능성이 크다는 것을 관찰하였으며, 이때 TP ≠ TN이다. 이러한 조건은, 연장용 와이어의 비용에 비교되는 백금 계열 금속의 비용 때문에 귀금속 열전쌍의 길이를 가능한 짧게 유지하는 백금 계열 귀금속 열전쌍 장치에서 매우 일반적이다.
연장용 와이어의 직경에 대해 귀금속 열전쌍 와이어의 직경이 불일치하는 경우, TP ≠ TN일 때 열전쌍 조립체에서 오차가 더욱 증가됨을 관찰하였다. 이는, 예컨대 영국 특허 제GB 719026호, 미국 특허 제2,993,944호, 미국 특허 제2,999,121호 및 미국 특허 제3,298,874호에 설명되는 타입의 일회용 열전쌍 장치에서 특히 뚜렷하다.
열전쌍 회로의 부품을 신속하게 연결하고 분리하기 위한 수단을 제공하는 온도 회로에서, 중간에 있는 연장용 와이어 재료의 도선(conductor)들의 물리적인 와이어 직경이 불일치하는 경우, TP ≠ TN 일 때 열전쌍 조립체에서 추가적으로 오차가 증가한다는 것을 발견하였다. 미국 특허 제4,229,230호는 연결용 부재에서 이러한 비대칭의 예를 개시하고 있다.
전술한 emf 효과 이외에, 열전쌍 회로에서 연장용 와이어를 사용하는 것과 관련하여 온도 측정에서 오차가 발생하는 또 다른 원인은, 고온의 중간 접합부로부터 저온의 기준 접합부까지 PX 연장용 와이어 및 NX 연장용 와이어에서의 열 흐름 에 차이가 있기 때문이다. 이러한 열 흐름의 차이는, 양 접합부와 음 접합부 사이의 열 전도도가 무한대가 아닌 경우에 양의 중간 접합부와 음의 중간 접합부 사이에서 온도차를 유발한다. 정상 상태 1차원 열전도의 법칙을 간략히 살펴보면 본 발명에 의해 극복되는 난제를 설명하는 데 도움이 된다.
연장용 와이어와 같은 물체에 온도 구배가 존재하는 경우, 열 에너지는 고온 영역으로부터 저온 영역으로 전달된다. 이러한 현상은 전도 열전달로 알려져 있으며, 푸리에 법칙으로 설명된다. 1차원 열 흐름에 대해서, 다음이 성립한다.
Figure 112010016721372-pct00002
이때 열 유속 q(Watt/m2)는 주어진 온도 프로파일(T)에 따라 좌우되며, 열 전도 계수 k(Watt/m-K)는 전달 방향에 수직인 단위 면적당 열 전달율이다. 음의 부호는 온도 구배를 따라 열이 전달됨을 의미하도록 하기 위한 규칙에 따른 것이다.
와트 단위로 측정되는 열 흐름이 정해진 단면적 A를 통해 전달된다면, 등식은 다음과 같다.
재료 두께 Δx를 통한 열 흐름 방정식을 적분하면 아래와 같다.
Figure 112010016721372-pct00003
위 식에서 T1 및 T2는 물체의 2개의 경계에서의 온도이다.
열 전도에 대한 이러한 이해에 기초하여, 다음에는 연장용 와이어의 열 전도도 차이가 실제 온도 오차에 어떻게 영향을 줄 수 있는지를 살펴볼 수 있다.
예를 들면, 귀금속 열전쌍 장치의 대부분은, 중간 접합부에서, 측정용 접합부를 갖는 귀금속 열전쌍과, 기준 접합부를 갖는 측정 기구를 연결하기 위해 구리 및 구리-니켈 연장용 와이어 쌍을 이용한다. 중간 접합부 및 기준 접합부에서의 구조는 양 접합부 및 음 접합부를 실질적으로 동일한 온도로 유지하도록 각각 구성된다. 그러나, 양의 중간 접합부 및 음의 중간 접합부는 전기적으로 절연되어야만 하기 때문에, 접합부들 사이의 열 전도도는 유한하며, 이에 따라 양 접합부 및 음 접합부는 정확하게 동일한 온도로 유지되지 않을 수 있다.
귀금속 열전쌍 중 양의 열전쌍의 연장을 위해 사용되고 국가 표준 기구 및 국제 표준 기구에 의해 연장용 와이어로서 지정된 구리 와이어의 열 전도 계수 k는 68 ℉에서 약 390 W/(m·K)이며, 음 리드선의 연장을 위한 구리-니켈 연장용 와이어의 열 전도 계수는 약 85 W/(m·K)이다. 각각의 2개의 연장용 와이어 레그(leg) 중 고온인 단부에 대한 열 입력이 동일한 값으로 유지되고 각 와이어의 와이어 단면적이 동일하다면, 높은 열 전도도를 갖는 와이어의 고온 단부는 시간이 경과함에 따라 낮은 열 전도도를 갖는 와이어보다 온도가 더 낮아지는데, 이는 와이어의 저온 단부(기준 접합부)로의 전도 열손실이 더 크기 때문이다. 이와 마찬가지로, 열 전도도가 높은 연장용 와이어의 저온 단부는 열 전도도가 낮은 연장용 와이어에 비해 온도가 약간 더 높으며, 이는 상기 단부를 향하는 열 흐름이 더 크기 때문이다. 이러한 효과는, 각각의 와이어 둘레에 공통적으로 배치되어 주위 환경과의 열교환을 차단하며 전기 절연을 촉진하는 단열 및 전기 전열부에 의해 심화된다. 와이어의 고온 단부에서 지속적으로 열이 가해지면, 각각의 개별 와이어의 고온 단부 및 저온 단부 사이에서 연장용 와이어를 따르는 온도 구배는 점점 상이하게 되고, 이에 따라 도 3을 사용하여 설명한 바와 같은 온도 측정에서 큰 오차가 발생한다.
연장용 와이어에서의 열 흐름은 열 전도 계수 및 와이어의 굵기의 함수이다. 따라서, 각각의 연장용 와이어에서의 열 흐름은, 와이어의 굵기에 대한 특정 값, 와이어의 열 전도 계수에 대한 특정 값 또는 양자 모두를 선택함으로써 좌우될 수 있다. 실제로, 귀금속 열전쌍 장치의 경우에 있어서, 단지 연장부 와이어 경로에서 열 흐름이 충분히 동등하게 되도록 하기 위해 귀금속 열전쌍과 함께 통상적으로 사용되는 구리-니켈 연장용 와이어의 직경을 증가시키고 구리 연장용 와이어의 굵기를 감소시키는 것은 실용적이지 못하다는 것이 밝혀졌는데, 왜냐하면 가는 구리 와이어는 끊어지기 쉽고/쉽거나 굵기가 더 굵은 구리-니켈 합금 와이어는 허용 불가능할 정도로 고가이기 때문이다. 결과적으로, 연장용 와이어를 위한 대체재를 선택하여 그 전도 계수가 와이어 굵기 및 열전기적 특성의 허용 가능한 범위에서 열적인 등화(equalization)를 달성하도록 하는 것이 바람직하다.
이제 도 4를 참고하면, 측정용 접합부(16)를 갖는 귀금속 열전쌍(14)을 포함하는 센서(12)와, 양의 열전쌍 리드선(14a) 및 음의 열전쌍 리드선(14b)과, 기준 접합부(26a, 26b)를 포함하는 측정 기구(28)와, 상기 센서(12)를 측정 기구(28)에 연결하는 연장용 와이어(24a, 24b)를 포함하는 공지된 열전쌍 장치(10)의 예가 도시되어 있다. 센서(12)는 또한 저온 접합부(18a, 18b) 및 커넥터 접합부(22a, 22b)를 포함한다. 연결용 와이어(20a, 20b)는 양의 열전쌍 리드선(14a) 및 음의 열전쌍 리드선(14b)을 커넥터 접합부(22a, 22b)에 연결시킨다. 연장용 와이어(24a, 24b)는 연결용 와이어(20a, 20b)를 기준 접합부(26a, 26b)에 연결시킨다.
도 4의 공지된 열전쌍 장치(10)에 있어서, 열전쌍(14)의 양 리드선(14a)에 연결되는 연결용 와이어(20a) 및 연장용 와이어(24a)는 통상적으로 68 ℉에서 약 390 W/(m·K)의 공칭 열 전도 계수를 갖는 구리(Cu)로 제작된다. 열전쌍(14)의 음 리드선(14b)에 연결되는 연결용 와이어(20b) 및 연장용 와이어(24b)는 68 ℉에서 85 W/(m·K)의 공칭 열 전도 계수를 갖는 구리-니켈 합금(CuNi)으로 제작된다. 20b 및 24b의 재료가 이상적으로는 동일한 열전기적 특성을 가지며 20a 및 24a의 재료가 동일한 열전기적 특성을 갖기 때문에, 이러한 열전쌍 장치는 접합부(18b)와 접합부(26b) 사이에서, 마찬가지로 접합부(18a)와 접합부(26a) 사이에서 단일 도선을 갖는 열전쌍 장치와 동일하게 측정한다. 그러나, 공지된 장치의 경우, 전술한 바와 같이, 양의 연결용 와이어(20a)/연장용 와이어(24a)를 통한 기준 접합부(26a)로의 열 흐름은, 음의 연결용 와이어(20b)/연장용 와이어(24b)를 통한 기준 접합부(26b)로의 열 흐름과 상이한데, 이는 각각의 연장용 와이어/연결용 와이어의 복사 및 열 전도도 상의 고유한 차이에 따른 것이다. 열 흐름에 있어서의 차이는, 접합부(18a, 18b)에서 발생하는 emf차로 인한 측정 오차를 유발할 수 있다.
이제 도 5a를 참고하면, 본 발명의 바람직한 제1 실시예로서, 24a와 상이한 양의 연장용 와이어 세그먼트(24a')를 구비하고 구체적으로 언급되는 것을 제외한 모든 다른 세부항목은 도 4의 공지된 장치와 동일한 것인 실시예가 도시되어 있다. 바람직한 제1 실시예에 있어서, 양의 연장용 와이어 세그먼트(24a')를 위한 바람직한 재료는 68 ℉에서 155 W/(m·K)의 공칭 열 전도 계수를 갖는 구리-망간 합금(CuMn)이며, 이때 상기 열 전도 계수는 32 ℉ 내지 400 ℉의 온도 범위에서 145 내지 190 W/(m·K)로 변할 수 있다. 바람직하게는, 양의 연장용 와이어 세그먼트(24a')에서 망간의 비율은 1 % +/- 0.35 %이다. 바람직한 제1 실시예에 있어서, 접합부(18a)로부터 기준 접합부(26a)를 향하는 열 흐름 및 접합부(18b)로부터 기준 접합부(26b)를 향하는 열 흐름이 각각의 열 흐름량에 있어서 소정 크기 미만만큼 상이하고 바람직하게는 실질적으로 동일한 양이 되도록 하기 위해, 연장용 와이어(24a', 24b)의 열 전도도 및/또는 굵기를 의도적으로 선택하여 각각의 저온 접합부(18a, 18b)로부터 기준 접합부(26a, 26b)를 향하는 열 흐름이 결정되도록 한다.
도 5b를 참고하면, 본 발명의 바람직한 제2 실시예로서, 20a와는 상이한 양의 연결용 와이어(20a')를 가지며 구체적으로 언급된 바를 제외한 모든 다른 세부항목에 있어서 도 4의 공지된 장치와 동일한 것인 실시예가 도시되어 있다. 바람직한 제2 실시예에 있어서, 열 전도가 더 작은 연결용 와이어(20a')를 이용하면 서멀 브레이크(thermal break)로서의 기능을 한다. 바람직한 제2 실시예에 있어서, 연결용 와이어(20a')를 위한 바람직한 재료는 155 W/(m·K)의 공칭 열 전도 계수를 갖는 구리-망간 합금(CuMn)이며, 이때 상기 열 전도 계수는 32 ℉ 내지 400 ℉의 온도 범위에서 145 내지 190 W/(m·K)로 변할 수 있다. 바람직하게는, 연결용 와이어(20a')에서 망간의 비율은 1 % +/- 0.35 %이다. 바람직한 제2 실시예에 있어서, 연결용 와이어(20a', 20b)의 열 전도도 및/또는 굵기를 선택하여 각각의 저온 접합부(18a, 18b)로부터 연장용 와이어(24a, 24b)를 향해 연결용 와이어(20a', 20b)를 통해 전도되는 열 흐름이 결정되도록 함으로써, 필수적인 것은 아니지만 바람직하게는 Cu/CuNi 연장용 와이어(24a, 24b)가 기준 접합부(26a, 26b)에 연결될 때 전술한 열 흐름이 실질적으로 동일하게 되도록 한다. 연결용 와이어(20a', 20b)는 센서(12) 내에 도시되어 있지만, 이들 연결용 와이어는 센서(12) 외부에 있을 수 있음에 주의하라.
도 5c를 참고하면, 본 발명의 바람직한 제3 실시예로서, 양의 연결용 와이어(20a') 및 양의 연장용 와이어 세그먼트(24a')를 구비하고 구체적으로 언급한 바를 제외하면 모든 다른 세부항목은 도 4의 공지된 장치와 동일한 것인 실시예가 도시되어 있다. 바람직한 제3 실시예에 있어서, 연결용 와이어(20a') 및 양의 연장용 와이어 세그먼트(24a')를 위한 바람직한 재료는 155 W/(m·K)의 공칭 열 전도 계수를 갖는 구리-망간 합금이며, 이때 상기 열 전도 계수는 32 ℉ 내지 400 ℉의 온도 범위에서 145 내지 190 W/(m·K)로 변할 수 있다. 바람직하게는, 연결용 와이어(20a') 및 양의 연장용 와이어 세그먼트(24a')에서의 망간의 비율은 1 % +/- 0.35 %이다. 바람직한 제3 실시예에 있어서, 연결용 와이어(20a', 20b)와 각각의 연장용 와이어(24a', 24b) 사이의 접합부에는 동일한 금속이 연결된다. 접합부(18a)로부터 기준 접합부(26a)를 향하는 열 흐름 및 접합부(18b)로부터 기준 접합부(26b)를 향하는 열 흐름이 각각의 열 흐름량에 있어서 소정 크기 미만만큼 상이하고 바람직하게는 실질적으로 동일한 양이 되도록 하기 위해, 연결용 와이어(20a', 20b) 및 연장용 와이어(24a', 24b)의 열 전도도 및/또는 굵기를 의도적으로 선택하여 각각의 저온 접합부(18a, 18b)로부터 기준 접합부(26a, 26b)를 향하는 열 흐름이 결정되도록 한다. 상기 열 흐름은 연결용 와이어(20a')와 양의 연장용 와이어 세그먼트(24a') 중 어느 하나 또는 양자 모두의 굵기를 조정함으로써 조절될 수 있기 때문에, 와이어의 굵기를 선택함에 있어서 보다 융통성이 있게 된다.
본 발명은 귀금속 열전쌍 및 CuNi 합금으로 제작된 음의 연장용 와이어를 이용하는 열전쌍 장치로 한정되지 않는다. 바람직한 실시예에서 사용되는 CuMn 합금은, 통상적으로 양의 연장용 와이어가 합금되지 않은 구리로 된 것인 임의의 열전쌍 장치에 동등하게 적용 가능하다. 이러한 열전쌍 장치는, 한정하는 것은 아니지만 타입 B, 타입 K 및 타입 T 열전쌍뿐만 아니라 타입 R 및 타입 S 열전쌍을 채용하는 장치를 포함한다. 또한, 연장용 와이어의 조성물을 선택함으로써 연장용 와이어에서의 열 흐름을 동등하게 한다는 개념은, 임의의 유형의 열전쌍 장치에 적용 가능하며, 연장용 와이어에서 사용하기 위한 임의의 구체적인 재료 선택으로 한정되지 않는다.
이상적으로는, 저온 접합부로부터 측정용 접합부를 향해 각각의 연장용 와이어를 통해 발산되는 열 흐름은, 오차의 원인을 완전하게 제거하기 위해 동등해야만 한다. 그러나, 당업자는 특히 동일한 열전쌍 센서로 연속적인 측정을 행하는 경우에 오차를 현저하게 줄이기 위해, 반드시 완전하게 열 흐름을 동일하게 할 필요는 없음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 경제적 장점은 특히 귀금속 센서를 채용하는 1회용 온도 센서에 적용 가능한 반면, 중간 접합부로부터 기준 접합부를 향하는 와이어에서의 열 흐름을 동등하게 한다는 개념은, 연장용 와이어를 통한 동등하지 않은 열 흐름에 의한 오차가 온도 측정의 오차에 영향을 주는 임의의 열전쌍 장치에 마찬가지로 적용 가능하다.
당업자는 광의의 본 발명의 광의의 개념에서 벗어나지 않으면서 전술한 실시예에 변경이 행해질 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은 설명한 구체적인 실시예로 한정되지 않으며, 첨부된 청구 범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위에 속하는 모든 변형을 포괄하려는 의도임을 이해해야 한다.
A, B, C : 열전쌍
Px, Nx : 연장용 와이어
10 : 열전쌍 장치
12 : 센서
14 : 귀금속 열전쌍
14a : 양의 열전쌍 리드선
14b : 음의 열전쌍 리드선
16 : 측정용 접합부
18a, 18b : 접합부
20a, 20a', 20b : 연결용 와이어
22a, 22b : 커넥터 접합부
24a, 24a', 24b : 연장용 와이어
26a, 26b : 기준 접합부
28 : 측정 기구

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  8. 열전쌍 장치(10)에 있어서,
    양 리드선(14a) 및 음 리드선(14b)을 갖춘 타입 R 또는 타입 S 열전쌍(14)과,
    0.65 내지 1.35 중량%의 망간과, 잔부(殘部) 구리를 포함하며, 타입 R 또는 타입 S 열전쌍(14)의 양 리드선(14a)에 전기 접속되는 양 와이어(20a, 20a')
    를 포함하고,
    상기 양 와이어는 32 ℉ 내지 400 ℉의 온도 범위에 걸쳐 100 내지 250 W/(m·K)의 열 전도도를 갖는 것인 열전쌍 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 양 와이어(20a, 20a')는 열전쌍(14)의 양 리드선(14a)에 직접 연결되는 것인 열전쌍 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 열전쌍(14)은 커넥터를 구비하는 센서(12)에 포함되며, 상기 양 와이어(20a, 20a')는 상기 커넥터를 통해 열전쌍(14)의 양 리드선(14a)에 연결되는 것인 열전쌍 장치.
  11. 백금/백금-로듐 열전쌍 장치(10)에서 음의 구리-니켈 열전쌍 연결용/연장용 와이어(20b, 24b)와 함께 사용하기 위한 양의 열전쌍 연결용/연장용 와이어(20a, 20a', 24a, 24a') 조성물로서,
    상기 열전쌍 장치(10)의 열전쌍(14)의 양 리드선(14a)은 백금-10 중량% 로듐 및 백금-13 중량% 로듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 백금-로듐 합금이며, 상기 양의 열전쌍 연결용/연장용 와이어(20a, 20a', 24a, 24a') 조성물은 0.65 내지 1.35 중량%의 망간과, 잔부 구리를 포함하는 것인 와이어 조성물.
  12. 백금/백금-로듐 열전쌍 장치(10)에서 열전쌍 연장용 와이어로서 사용하기 위한 양의 열전쌍 연결용/연장용 와이어(20a, 20a', 24a, 24a') 조성물로서,
    상기 열전쌍 장치(10)의 열전쌍(14)의 양 리드선(14a)은 백금-10 중량% 로듐 및 백금-13 중량% 로듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 백금-로듐 합금이며, 음 리드선(14b)은 백금이고, 음의 연장용 와이어(24b)는 공칭적으로 0.5 중량% 내지 1.5 중량%의 니켈, 0.25 중량% 내지 0.40 중량%의 망간과, 잔부 구리로 이루어지며, 상기 양의 열전쌍 연결용/연장용 와이어(20a, 20a', 24a, 24a') 조성물은 32 ℉ 내지 400 ℉의 온도 범위에 걸쳐 100 내지 250 W/(m·K)의 열 전도도를 가지고,
    상기 조성물은, 0.65 내지 1.35 중량%의 망간과, 잔부 구리를 포함하는 것인 와이어 조성물.
  13. 제12항에 있어서, 상기 조성물은 32 ℉ 내지 400 ℉의 온도 범위에 걸쳐 145 내지 190 W/(m·K)의 열 전도도를 갖는 것인 와이어 조성물.
  14. 삭제
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