Youtube열전대 냉접점 보상(CJC)이란? 원리와 보상 오차 계산
요약
열전대 냉접점 보상(CJC, Cold Junction Compensation)은 열전대 기준접점의 실제 온도를 따로 재서 그 온도만큼의 기전력을 측정값에 더해 주는 보정입니다.
열전대는 측온접점과 기준접점 사이의 온도 차이만 전압으로 내보내므로 이 보상이 없으면 정확한 온도를 알 수 없습니다.
이 글에서는 K타입 기전력 표로 계산해 봅니다. 400℃를 재는데 단자대가 30℃이고 보상을 하지 않으면 지시값은 약 371.5℃로 나옵니다. 보상도선 대신 일반 동선을 쓰는 것처럼 현장에서 자주 하는 실수와 점검 순서도 함께 정리했습니다.
열처리로나 건조기의 열전대 온도가 기준 온도계와 수십 도씩 차이 나는 일이 있습니다. 센서를 새것으로 바꿔도 같은 차이가 다시 나오면 원인은 대개 센서 쪽에 있지 않습니다. 열전대 끝에서 계측기 단자까지 이어지는 배선과 기준접점 처리를 의심해 볼 차례입니다.
열전대는 원리가 단순한 대신 배선 경로 전체가 측정 회로의 일부가 됩니다. 단자대 온도가 오르내리거나 중간에 다른 금속 선이 끼어들면 그 영향이 고스란히 지시값에 실립니다. 냉접점 보상의 원리를 이해해 두면 이런 오차가 어디서 생겼는지 숫자로 짚어 낼 수 있습니다.
1. 열전대 냉접점 보상(CJC)이란?
열전대는 서로 다른 두 금속선을 한쪽 끝에서 접합한 센서입니다. 온도를 재려는 쪽 접합부를 측온접점(열접점, Hot Junction)이라 하고 열전대 선이 계측기의 구리 단자와 만나는 지점을 기준접점(냉접점, Cold Junction)이라고 부릅니다. 열전대가 만드는 전압은 두 접점의 온도 차이에 따라 정해집니다.
기전력 표는 기준접점을 0℃에 두었다고 가정하고 만든 것입니다. 실제 계측기 단자는 실내 온도나 패널 안 온도에 있으므로 0℃와의 차이를 메워 주는 작업이 냉접점 보상입니다. 계측기는 단자 근처에 둔 서미스터나 측온저항체로 기준접점 온도를 재고 그 온도에 해당하는 기전력을 표에서 찾아 측정 전압에 더합니다. 열전대가 전압을 만드는 원리 자체는 써모커플 열전대 효과 글에 정리되어 있습니다.
2. 기준접점 온도가 왜 필요할까?
2-1. 열전대는 온도 차이만 안다
열전대 회로의 전압은 다음 관계로 나타낼 수 있습니다. 측정 전압 = E(측온접점 온도) − E(기준접점 온도). 여기서 E(t)는 기준접점 0℃ 기준 기전력 표에서 t℃에 해당하는 값입니다. 같은 전압이라도 기준접점이 20℃일 때와 35℃일 때 측온접점 온도는 서로 다르게 계산되므로 기준접점 온도를 모르면 열전대 전압만으로는 온도를 정할 수 없습니다.
2-2. 계측기 안에서 일어나는 보상 순서
그림 1. 측온접점 전압은 보상도선을 거쳐 계측기 단자대(기준접점)에 닿고 냉접점 센서가 잰 단자 온도로 보상합니다.
그림 1은 열전대 측정 회로의 구성입니다. 측온접점에서 생긴 전압은 보상도선을 거쳐 계측기 단자대(기준접점)에 닿고 단자대 옆의 냉접점 온도 센서가 단자 온도를 잽니다. 계측기는 이 두 값을 합쳐 온도로 바꿉니다.
- 전압 측정 : 단자에 걸린 열전대 전압을 읽습니다.
- 기준접점 온도 측정 : 단자 근처 센서로 단자 온도를 잽니다.
- 보상 기전력 계산 : 기준접점 온도에 해당하는 기전력을 표나 다항식으로 구합니다.
- 합산 후 환산 : 측정 전압에 보상 기전력을 더한 값을 다시 표로 환산해 측온접점 온도를 얻습니다.
기준접점 온도를 기전력으로 바꿔 더한 뒤에 온도로 환산하는 순서가 중요합니다. 온도끼리 바로 더하면 열전대 기전력이 온도에 정확히 비례하지 않기 때문에 오차가 생깁니다.
3. K타입 열전대 기전력 표 (기준접점 0℃)
아래 값은 IEC 60584-1과 NIST ITS-90 기준 함수에 따른 K타입 기전력입니다. 이 글의 계산 예시는 모두 이 표의 값을 씁니다. 다른 타입의 특성과 용도는 열전대 종류 K·J·T·E·N·R·S·B 타입 비교 글을 참고하면 됩니다.
| 온도 (℃) | 기전력 (mV) | 온도 (℃) | 기전력 (mV) |
|---|---|---|---|
| 0 | 0.000 | 100 | 4.096 |
| 10 | 0.397 | 200 | 8.138 |
| 20 | 0.798 | 300 | 12.209 |
| 25 | 1.000 | 365 | 14.923 |
| 30 | 1.203 | 366 | 14.965 |
| 40 | 1.612 | 371 | 15.175 |
| 50 | 2.023 | 372 | 15.217 |
| 60 | 2.436 | 400 | 16.397 |
표를 보면 K타입은 상온 부근에서 1℃당 약 0.040mV, 400℃ 부근에서 1℃당 약 0.042mV씩 늘어납니다. 기울기가 구간마다 조금씩 다르므로 보상은 기전력으로 계산합니다.
4. 냉접점 보상 오차는 어떻게 계산할까?
4-1. 정상 보상 (측온접점 400℃, 단자대 30℃)
측온접점이 400℃이고 계측기 단자대가 30℃이면 단자에 걸리는 전압은 16.397 − 1.203 = 15.194mV입니다. 계측기가 단자 온도 30℃를 정확히 재서 1.203mV를 더하면 15.194 + 1.203 = 16.397mV가 되고 표에서 400℃로 환산됩니다.
4-2. 보상을 하지 않은 경우
같은 조건에서 계측기가 보상 없이 15.194mV를 그대로 환산하면 371℃(15.175mV)와 372℃(15.217mV) 사이 값이 됩니다. 보간하면 371 + (15.194 − 15.175) ÷ 0.042 ≈ 371.5℃이고 실제보다 약 28.5℃ 낮게 나옵니다. 오차가 단자 온도 30℃와 비슷하지만 똑같지는 않은데 상온과 400℃ 부근의 기전력 기울기가 다르기 때문입니다.
4-3. 보상도선 대신 일반 동선을 쓴 경우
열전대 헤드(접속 단자함)가 노 옆이라 60℃이고 거기서 계측기까지 일반 동선으로 이었다고 해 보겠습니다. 이때 열전대 선이 구리와 만나는 지점은 헤드이므로 실제 기준접점은 60℃입니다. 단자에 걸리는 전압은 16.397 − 2.436 = 13.961mV인데, 계측기는 자기 단자 온도 25℃만 알기 때문에 1.000mV를 더해 14.961mV로 계산합니다.
14.961mV는 365℃(14.923mV)와 366℃(14.965mV) 사이이므로 지시값은 약 365.9℃입니다. 실제 400℃보다 약 34℃ 낮고 헤드 온도가 오르내릴 때마다 지시값도 따라 흔들립니다.
그림 2. K타입 기전력 표로 계산한 경우별 지시값입니다 (단자대 30℃ 또는 25℃, 헤드 60℃).
그림 2는 측온접점이 400℃일 때 세 경우의 지시값을 비교한 것입니다. 정상 보상은 400℃, 보상을 하지 않은 경우는 약 371.5℃, 헤드 60℃에서 동선으로 연장한 경우는 약 365.9℃입니다.
| 경우 | 계측기가 계산한 기전력 | 지시값 | 오차 |
|---|---|---|---|
| 정상 보상 (단자 30℃) | 15.194 + 1.203 = 16.397mV | 400℃ | 0℃ |
| 보상 없음 (단자 30℃) | 15.194mV | 약 371.5℃ | 약 −28.5℃ |
| 헤드 60℃에서 동선 연장 (단자 25℃) | 13.961 + 1.000 = 14.961mV | 약 365.9℃ | 약 −34℃ |
4-4. 냉접점 센서 자체의 오차
계측기 안의 냉접점 온도 센서가 1℃ 틀리면 보상 기전력이 약 0.040mV 어긋나고 지시값도 약 1℃ 틀어집니다. 열전대 측정의 전체 오차에는 열전대 소선의 허용차와 계측기 전압 측정 오차에 이 냉접점 오차가 더해집니다. 사양서에 냉접점 보상 정확도가 따로 적혀 있는 경우가 많으니 함께 확인합니다.
5. 보상도선은 왜 써야 할까?
보상도선(연장도선)은 일정 온도 범위에서 열전대 소선과 같은 기전력 특성을 내도록 만든 전선입니다. 보상도선으로 이으면 기준접점이 헤드에서 계측기 단자대로 옮겨 가므로 계측기의 냉접점 센서가 실제 기준접점 온도를 재게 됩니다. 그래서 4-3의 동선 연장 오차가 생기지 않습니다.
구리 단자나 커넥터처럼 회로 중간에 다른 금속이 들어가도 그 양 끝의 온도가 같으면 기전력에 영향이 없습니다(중간 금속의 법칙). 반대로 단자 한쪽에만 바람이 닿거나 발열 부품이 가까이 있으면 양 끝 온도가 달라져 오차가 생깁니다. 계측기 단자대를 등온 블록으로 만들고 덮개를 씌우는 것도 이 때문입니다.
| 구분 | 기준접점 위치 | 냉접점 보상 결과 |
|---|---|---|
| 열전대 소선을 계측기까지 직접 연결 | 계측기 단자대 | 정상 |
| 헤드에서 같은 타입 보상도선으로 연장 | 계측기 단자대 | 정상 (보상도선 사용 온도 범위 안에서) |
| 헤드에서 일반 동선으로 연장 | 헤드 | 헤드 온도와 단자 온도 차이만큼 오차 |
| 헤드에서 신호 변환기로 4-20mA 변환 | 변환기 입력 단자 | 변환기가 보상 (이후는 동선 사용 가능) |
배선 거리가 길거나 패널까지 보상도선을 끌고 가기 어려운 현장에서는 헤드 근처에서 열전대 신호를 4-20mA로 바꾸는 방법을 많이 씁니다. 변환기가 자기 입력 단자에서 냉접점 보상을 하므로 그다음 구간은 일반 계장 케이블로 이어도 됩니다. 변환기 역할은 센서 신호 변환기의 역할 글에서 더 자세히 다룹니다.
6. 현장에서 자주 하는 실수는?
| 실수 | 나타나는 증상 | 조치 |
|---|---|---|
| 보상도선 대신 일반 동선 사용 | 헤드가 뜨거울수록 낮게 지시, 헤드 온도에 따라 값이 흔들림 | 같은 타입 보상도선으로 교체하거나 헤드에서 신호 변환 |
| 보상도선 +·− 반대 결선 | 헤드와 단자 온도차의 영향이 반대로 실려 동선 연결보다 오차가 대략 두 배 | 헤드와 단자 양쪽에서 극성 확인 |
| 다른 타입 보상도선 사용 (K 열전대에 J 보상도선 등) | 일정하지 않은 편차, 계절에 따라 달라짐 | 열전대 타입과 보상도선 표기 대조 |
| 계측기 입력 타입 설정 오류 | 전 범위에서 큰 편차 | 입력 설정을 실제 열전대 타입과 맞춤 |
| 냉접점 보상 기능 꺼짐 (시험용 설정이 남은 경우) | 실내 온도만큼 낮게 지시 | CJC 설정을 내부 보상으로 되돌림 |
| 단자대에 바람·발열 부품이 닿음 | 팬이 돌거나 문을 열 때 값이 튐 | 단자 덮개 장착, 발열 부품과 거리 두기 |
극성은 색으로 1차 확인하고 마지막에는 실제로 데워 보는 것이 확실합니다. IEC 60584-3 색상에서 K타입은 +선이 녹색, −선이 흰색입니다. 다만 오래된 설비는 다른 나라 색상 규격의 선이 섞여 있을 수 있으므로 색만 믿지 않습니다.
7. 냉접점 보상 문제는 어떤 순서로 점검할까?
| 순서 | 점검 내용 | 판단 기준 |
|---|---|---|
| 1 | 계측기 입력 타입과 CJC 설정 확인 | 열전대 타입과 일치, 내부 보상 켜짐 |
| 2 | 열전대를 빼고 입력 단자를 짧게 이음 | 지시값이 단자 부근 실내 온도와 비슷하면 냉접점 보상 정상 |
| 3 | 헤드부터 계측기까지 배선 종류 확인 | 전 구간이 같은 타입 보상도선이거나 변환기 이후 구간만 동선 |
| 4 | 헤드와 단자의 극성 확인 | 헤드를 손이나 열풍으로 데웠을 때 지시값이 오르지 않고 내려가면 반대 결선 |
| 5 | 헤드 온도와 지시값 편차를 함께 기록 | 헤드 온도가 오를수록 편차가 커지면 배선 문제 |
| 6 | 기준 온도계와 비교 측정 | 남은 편차는 열전대 소선 열화나 교정 문제로 보고 교체·교정 검토 |
2번 시험은 열전대 대신 0mV를 넣어 주는 것과 같습니다. 이 상태에서 계측기는 기준접점 온도만 보여 주므로 냉접점 센서가 제대로 동작하는지 바로 알 수 있습니다. 모니터링 시스템에서는 헤드 근처에 온도 센서를 하나 더 두고 기록해 두면 계절에 따라 생기는 편차를 나중에 원인별로 나눠 보기 쉽습니다.
8. 관련 산업용어
■ 측온접점 (Hot Junction)
열전대 두 소선이 접합되어 온도를 재려는 곳에 놓이는 끝부분입니다.
■ 기준접점 (냉접점, Cold Junction)
열전대 소선이 구리 등 다른 금속과 만나는 지점입니다. 이 지점의 온도가 열전대 측정의 기준이 됩니다.
■ 보상도선 (Compensating Cable)
정해진 온도 범위에서 열전대와 같은 기전력 특성을 내는 연장용 전선으로, 기준접점을 계측기 단자까지 옮기는 역할을 합니다.
■ 등온 블록 (Isothermal Block)
여러 단자의 온도를 같게 유지하도록 열전도가 좋은 재료로 만든 단자부입니다. 냉접점 센서가 이 블록 온도를 잽니다.
■ 중간 금속의 법칙
열전대 회로에 제3의 금속이 들어가도 그 양 끝 온도가 같으면 전체 기전력은 변하지 않는다는 원리입니다.
9. 자주 묻는 질문
Q. 열전대 냉접점 보상 안 하면 오차 얼마나 나요?
대략 기준접점 온도만큼 낮게 나옵니다. K타입으로 400℃를 재고 단자대가 30℃이면 지시값은 약 371.5℃로 약 28.5℃ 낮습니다.
Q. 보상도선 대신 일반 전선 써도 되나요?
안 됩니다. 기준접점이 헤드로 옮겨 가서 헤드 온도와 계측기 단자 온도의 차이만큼 오차가 생기며 헤드 60℃·단자 25℃ 조건에서 400℃를 재면 약 34℃ 낮게 나옵니다.
Q. 냉접점 보상은 온도를 그냥 더하면 되나요?
아니요, 기전력으로 더해야 합니다. 기준접점 온도에 해당하는 mV를 측정 전압에 더한 다음 온도로 환산해야 기울기 차이에서 오는 오차가 생기지 않습니다.
Q. K타입 열전대 25도 기전력은 몇 mV?
1.000mV입니다(기준접점 0℃ 기준). 30℃는 1.203mV, 400℃는 16.397mV입니다.
Q. 열전대 계측기 냉접점 보상이 제대로 되는지 확인하는 방법은?
입력 단자를 짧게 이어 보면 됩니다. 지시값이 단자 부근 실내 온도와 비슷하면 냉접점 보상은 정상입니다.
Q. 4-20mA 변환기를 쓰면 보상도선이 필요 없나요?
변환기 뒤 구간은 필요 없습니다. 열전대에서 변환기 입력 단자까지는 열전대 소선이나 같은 타입 보상도선으로 이어야 합니다.
10. 마무리
열전대는 두 접점의 온도 차이만 전압으로 내보내므로 기준접점 온도를 알아야 실제 온도를 계산할 수 있습니다. 냉접점 보상을 하지 않으면 대략 단자 온도만큼, 보상도선 대신 동선을 쓰면 헤드와 단자의 온도 차이만큼 지시값이 틀어집니다. 보상은 온도가 아니라 기전력으로 더하고 열전대 소선이나 같은 타입 보상도선이 계측기 단자 또는 변환기 입력까지 이어져야 한다는 점을 꼭 기억해 두십시오. 편차가 의심될 때는 입력 단자 단락 시험과 헤드 온도 기록부터 해 보면 원인을 빠르게 좁힐 수 있습니다.
참고 기준 : IEC 60584-1:2013 「Thermocouples – Part 1: EMF specifications and tolerances」, IEC 60584-3:2021 「Thermocouples – Part 3: Extension and compensating cables – Tolerances and identification system」, NIST ITS-90 Thermocouple Database (SRD 60)
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