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혜수 유
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241 Design for Temperature Control Based on a Non-contact System of an AC Heat Wire Se-Hun Kim Faculty of Science Education and Research Institute of Education Science, Jeju National University, Jeju

1 New Physics: Sae Mulli, Vol. 66, No. 2, February 2016, pp Design for Temperature Control Based on a Non-contact System of an AC Heat Wire Se-Hun Kim Faculty of Science Education and Research Institute of Education Science, Jeju National University, Jeju 63243, Korea (Received 17 September 2015 : revised 19 October 2015 : accepted 26 October 2015) A variable temperature is necessary in order to study the structural phase transitions in solid-state materials. A non-contact system is adopted, instead of the thermal contact between the sample and the heat reservoir, in order to measure the temperature dependences of the physical properties. The designed temperature control of the AC power system improved the signal-to-noise ratio (SNR) for the measurements. For temperature control, the non-contact system can supply the sample with heat by using an ac power source. When the temperature of the programmable controller was set at 10, 20, and 50 C, the temperature of the sample station was found to be the range from room temperature to 200 C. PACS numbers: c, K-, Fb, Wr, d Keywords: Temperature control, AC power, Non-contact system, Thermal contact, Signal to noise ratio (SNR) 비접촉교류열선을기반으로한온도제어시스템제작 김세헌 제주대학교과학교육학부물리교육전공, 제주 63243, 대한민국제주대학교교육과학연구소, 제주 63243, 대한민국 (2015 년 9 월 17 일받음, 2015 년 10 월 19 일수정본받음, 2015 년 10 월 26 일게재확정 ) 고체의구조상전이를연구하기위하여변온실험이필요하다. 본연구에서는임의의특정온도에서물성을 관측하기위하여시료와열저장고 (heat reservoir) 의열적접촉방식대신비접촉방식을채택하였다. 종래 열적접촉방식의온도조절기에의한관측신호의잡음을제거하기위하여교류전력방식의온도조절기를 설계하였다. 비접촉방식에서의온도조절기는전열선에교류전원을사용하고시료에열을공급함으로서 신속하고정확한온도조절이가능하였다. 프로그래머블조절기를각각 10, 20, 50 C 간격으로온도 설정한후샘플스테이션의온도가상온부터 200 C 구간에서신속하고정확하게도달하였다. PACS numbers: c, K-, Fb, Wr, d Keywords: 온도조절기, 교류전원, 비접촉방식, 열접촉, 신호대잡음비 spinjj@jejunu.ac.kr This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

242 New Physics: Sae Mulli, Vol. 66, No. 2, February 2016 I. 서론 고체계에서물질의구조는온도에따라변한다. 구조 (structure) 또는상 (phase) 이임계온도전후에변하게되는데물질의상전이분석을위하여고체물리실험에서변온실험이필수적이다.

2 242 New Physics: Sae Mulli, Vol. 66, No. 2, February 2016 I. 서론 고체계에서물질의구조는온도에따라변한다. 구조 (structure) 또는상 (phase) 이임계온도전후에변하게되는데물질의상전이분석을위하여고체물리실험에서변온실험이필수적이다. 변온실험을하기위해서는측정하고자하는시료와 cold tip 접촉하여온도평형상태를유지한후실험을할수있다. 하지만핵자기공명분광 (nuclear magnetic resonance, NMR) 의변온실험을할경우 cold tip 에부착된시료를탐침코일안에함께설치해야한다. 이때금속소재의 cold tip 에서생성되는유도전류에의하여순수한시료의 NMR 신호를검출하기가불가능하게된다 [1]. 이러한문제들을극복하기위하여우리는비접촉방식의탐침시스템를설계및제작하였고교류전력공급방식의온도조절기를제작한후샘플스테이션까지열을공급하였다. II. 이론적배경 우리가잘알고있듯이유체인물은대기압아래에서 0 C일때얼음으로변한다. 다시말해많은물질은온도나압력이주어지면한상태또는상 (phase) 을유지하다외부에서가해준온도나압려과같은물리량이변하면그상에서다른상으로변화하는현상을일으킨다. 이러한현상을상전이 (phase transition) 라하며상전이가일어나는온도를전이온도또는 Curie 온도라하고 T c 로표시한다 [2]. 상전이에는물과같이액상-고상간의상전이또는기상-액상간의상전이이외에도한고상에서다른고상으로상전이가있을수있다. 특히, 강유전체는온도에따라상유전상에서강유전상또는반강유전상으로고상간의구조상전이현상에관하여좋은예라고볼수있다 [3]. 열이란두물체사이의온도차에의하여한물체에서다른물체로자연스런에너지의흐름이라고정의된다. 계에전달된열과계의내부에너지변화 U 에관한열역학법칙을다음과같이쓸수있다. T S = U + p V 여기서임의온도 T, 엔트로피 S, 계의압력 p, 부피 V 를나타낸다. 면적이 A 이고두께가 x 인판에서시간 t 동안뜨거운면에서차가운면으로판을통한열전달을고려해보자. 전도에의한열의형태로전달된에너지 Q가다음과같이온도차에비례한다는것을보여준다. A T t Q. x 계에열이가해질경우온도가변하는경우엔트로피변화의관계식은다음과같다. S = C v 는정적열용량이다 [4,5]. f i C v T dt. Fig. 1. (Color online) Schematic design of temperature control of AC power system. III. 연구방법 1. 교류전력제어방식의온도조절기설계도 Fig. 1 은교류제어방식의온도조절기를시제품으로개 발하기위한설계도면이다. 다음은온도조절기내부의구 동방식을아래와같이부품별로설명할수있다. 1) 전력조정기 Fig. 1 을보면전압 : 220 V, 주파수 : 60 Hz 의단상교 류전원이전원조정기 (thyristor power regulaor, TPR) 에 입력된다. 전원조정기의제어방식은입력전류 : 4 20 ma d.c, 전압입력 : 1 5 V d.c, 접점입력 : on-off 이다. 출력조정범위는전류입력최대일때입력전압의 95% 이상이 된다. 출력전압은변압기 (220 V 110 V) 를통하여 0 5 A 전류를생산하고열을발생시키는전열선 ( 니크롬선 ) 으로전달하게된다. 열전달장치내부의전열선에의하여 발생된열은팬이설치된공기주입구에의하여샘플스테 이션까지강제수송하게된다. 이때열의전달은팬의회전 속도에의존하게된다. 회전모터에공급된직류전원은약 volt 정도로서샘플의온도제어하기에충분하다. 2) 프로그래머블조절계 (NP-200) 프로그래머블조절계는샘플스테이션의온도센서로부터 온도를읽어들여 PID 방식으로온도를제어하게된다. 온도센서는 K-type 열전대 (thermocouple) 이며열기전력 차이로부터온도를환산하게된다. 감도는 +4 µv/ C 정도되며읽어들이는온도범위는약 ,370 C 정도된다. PID 제어방식이란 P : Proportinal ( 비례 ) I

Design for Temperature Control Based on a Non-contact System of an AC Heat Wire Se-Hun Kim Fig. 2.

: Integral (적분) D : Differential (미분) 약어로서 목표 로 정한 온도에 신속하게 도달할 수 있도록 제어해 간다. PID 제어 알고리즘 연산방식이 내장된 컴퓨터에 적용하여 프로그램 설정된 목표 온도까지의 편차를 최소화하여 도 달할 수 있게 된다.

특히 NP-200 프로그래머블 조절계는 RS422/RS485 시리얼 프로토콜 (serial protocol) 통신기능이 있어서 RS422/RS485 to USB 통신 케이블을 사용하여 개인용 컴퓨터에 연결한 후 GUI (graphical user interface) 환경에서 온도를 제어할 수 있는 장점이 있다.

3 Design for Temperature Control Based on a Non-contact System of an AC Heat Wire Se-Hun Kim Fig. 2. (Color online) Schematic design of probe and sample station which are made of (a) duralumin and (b) teflon (dimensional unit, mm). : Integral (적분) D : Differential (미분) 약어로서 목표 로 정한 온도에 신속하게 도달할 수 있도록 제어해 간다. PID 제어 알고리즘 연산방식이 내장된 컴퓨터에 적용하여 프로그램 설정된 목표 온도까지의 편차를 최소화하여 도 달할 수 있게 된다. 출력은 실리콘 제어 정류소자 (siliconcontrolled rectifier thyristor, SCR) 의 4 20 ma 직류 전류가 전원조정기 (TPR) 에 입력되며 온도 제어하기 위한 샘플링 주기는 250 ms 이다. 특히 NP-200 프로그래머블 조절계는 RS422/RS485 시리얼 프로토콜 (serial protocol) 통신기능이 있어서 RS422/RS485 to USB 통신 케이블을 사용하여 개인용 컴퓨터에 연결한 후 GUI (graphical user interface) 환경에서 온도를 제어할 수 있는 장점이 있다. 각 각 전기부품의 프로토콜 통신을 위해 사용된 소프트웨어는 National Instruments의 LabVIEW 8.5 프로그램이다. 243 Fig. 3. (Color online) (a) Internal structure of temperature control by using AC power system (b) Front panel of temperature control system 1) Electric transformer, 2) TPR, 3) AC output power source, 4) AC input power source, 5) RS232/RS485 to USB serial protocol system, 6) AC output current meter, 7) AC output voltage meter, 8) Programable controller, 9) Fine variable resistor (10 kω). 3) 샘플 스테이션 샘플스테이션 (Fig. 2) 은 외부와 열을 차단하고 시스템의 단열 효과를 최대로 하기 위하여 테프론 소재를 사용하였다. 외부벽은 지지대에 부착 가능하도록 두랄루민을 사용하여 설계한 후 제작하였다. 샘플스테이션의 내부 공간에는 온 도센서와 시료 및 물성 관측 가능한 전기신호를 내보낼 수 있도록 BNC 연결소자의 feedthrough를 설계 한후 제작 설치하였다 [6]. 내부의 온도를 K-type thermocouple 센서 에서 읽어 들여 프로그래머블 조절계로 보내고 실내온도와 설정온도 차이만큼 다시 열선에 전력을 feedback 해주어 설정온도를 유지하게 해 준다. Fig. 4. (Color online) (a) Gas-heat flow transfer line and sample station (b) Gas flow rate control device by using DC power supply. 4) 교류전력 제어방식의 온도조절기 내부 Fig. 3(a) 은 금속케이스 내부에 프로그래머블 조절계 (NP-200), 전력조정기, 변압기, RS232/RS485 to USB 시 리얼 프로토콜 변환기, 교류전류계, 교류전압계, 미세가변

4 244 New Physics: Sae Mulli, Vol. 66, No. 2, February 2016 Fig. 5. (Color online) Schematic design for gas-heat flow transfer line which is made of (a) DC motor, (b) fan and (c) heater wire (dimensional unit, mm). Fig. 7. (Color online) Temperature vs. time by using home-built temperature control system with set value 10 C (a) heating, (b) cooling. Fig. 6. (Color online) (a) Experimental measurement system under the temperature dependence based on personal computer (b) Labview program by using RS422/RS485 to USB protocol communication. 저항, 퓨즈, K-type thermocouple 센서, 스위치 등을 설계 회로도에 맞춰 전선을 결선한 것을 나타낸다. 각 부품마다 전선을 연결할 경우 알맞게 전선을 자른 후 전선의 끝부분 을 스트리퍼로 피복을 탈피하여 결선한다. 이때 납땜 대신 볼트와 와셔를 사용하여 부품간의 전선을 결선함으로서 외부충격이나 노후화로 인한 기계적 강도를 유지할 수 있 다. Fig. 3(b) 는 금속케이스 전면부 판넬에 부착된 프로 그래머블 조절계, 교류전압계, 교류전류계, 미세가변저항 (10 kω) 을 보여준다. 전면부의 프로그래머블 조절계에서 샘플스테이션의 현재온도와, 설정온도를 표시하며 전열선 에 공급되는 전력은 교류전압계와 교류 전류계를 통하여 실시간 확인할 수 있으며 전력 공급을 미세조정하기 위하여 10 kω 가변저항을 사용하여 전력조정기를 제어할 수 있다. Fig. 4(a) 는 샘플스테이션과 기체-열 전달 장치 (gas-heat flow transfer line) 를 결합한 것을 보여준다. 기체-열 전달 장치의 내부는 온도조절기의 교류 전기에너지가 전열선에 공급되어 열을 생성하며 열저장고 (heat reservoir) 기능을 하게 된다. Fig. 4(b) 는 생성되고 보관된 열을 샘플스테이 션까지 공급하기 위하여 장치 끝단에 DC 모터, 팬, DC 전력 공급기로 구성된 기체 유량 제어 장치를 보여준다. 이것의 소재는 테프론을 원통형으로 제작하여 단열 및 열에 의한 변형을 억제하였으며 열의 전달은 팬 (fan) 으로 구성된 송 풍장치에 의하여 열기체를 전달하며 기체의 유량 조절은 팬 모터의 DC 전압으로 제어하게 된다. 기체-열 전달 장치의 설계 그림은 Fig. 5에서 나타나 있다. Fig. 6 는 교 류 기 반 온 도 조 절 기 와 노 트 북 PC 를 RS422/485 to USB 케이블로서 연결 개통한 후 Labview GUI 환경에서 샘플스테이션의 변온실험이 가능하도록 만 든 장치이다. IV. 결과 및 논의 Fig. 7 9은 PC 제어 온도 조절기에 의하여 샘플스테이 션 내부의 온도 변화를 시간에 따라 그래프로 나타낸 것이

5 Design for Temperature Control Based on a Non-contact System of an AC Heat Wire Se-Hun Kim 245 Fig. 8. (Color online) Temperature vs. time by using home-built temperature control system with set value 20 C (a) heating, (b) cooling. Fig. 9. (Color online) Temperature vs. time by using home-built temperature control system with set value 50 C (a) heating, (b) cooling. 다. 온도설정간격을각각 10 C, 20 C, 50 C 설정한후샘플스테이션내부의온도변화를기록하였다. 본연구에의하여개발된온도조절장치를사용하여상온에서부터약 200 C 승온시키고다시반대로약 200 C부터상온까지냉각되는온도를측정및기록하였다. 기체열전달장치는내부에열선이있으며샘플스테이션까지열-기체를운송과정에서외부와의온도차를최대한줄이기위해테프론소재로단열처리할수있도록제작되었다. 1) 설정온도간격 : 10 C, DC 전압 : 23.3 volt 평균 1 C 내리는데소요된시간은 13.8 초정도되었다. 승온속도가냉각속도보다더높게나타났다. 이것은샘플스테이션이테프론소재의단열장치로구성되어있으므로저온상태에서외부열을빠르게받아들여온도가빨리승온되었다. 반대로샘플스테이션의내부의온도를고온에서저온으로냉각시킬경우는내부의열을빼앗기위하여저온의액체질소또는액체헬륨과같은냉매를공급하지못하고송풍장치로만의존하여냉각시키는한계가있으므로승온과정비교할경우상대적으로냉각속도는느리게진행됨을알수있다 [7]. 열 - 기체전달장치의팬에공급된 DC 전압은 23.3 volt 이며 200 C 승온시키는데걸린시간은약 33 분 25 초가 소요되었다. 그리고설정온도를 10 C 간격으로온도를 제어하였을경우평균온도변화량은 dt dt = ( C/sec) 또는 5.52 ( C/min) 정도된다. 다시말해, 평균 1 C 올리 는데걸리는시간이약 10.6 초소요되었다. 반대로고온 200 C 에서상온 30 C 까지냉각시키는데소요된시간은 73 분정도된다. 계의냉각과정에서온도의냉각속도는 dt dt = ( C/sec) 또는 4.07 ( C/min) 정도되었으며 2) 설정온도간격 : 20 C, DC 전압 : 17.1 volt 온도조절기의설정온도 20 C 간격으로올리면서샘플스테이션의온도를측정하였다. 이때기체열전달장치에서팬의 DC 전압은 17.1 volt 이다. 샘플스테이션의내부온도가상온에서 200 C될때까지소요된시간은 13분 8 초가걸렸다. 승온속도는 C/min이고냉각속도는 4.99 C/min 정도된다.

6 246 New Physics: Sae Mulli, Vol. 66, No. 2, February 2016 V. 결론 우리는고체물성측정을위한비접촉방식의온도조절장치, 열전달장치, 샘플스테이션시제품을설계및제작하였다. 교류전원온도조절기장치를제작한후샘플스테이션에열이제대로공급되는과정을알아보기위하여프로그래머블조절기의설정온도를 C 간격으로맞춘후현재온도를측정한결과승온과정, 냉각과정에서신속하고정확하게온도제어가이루어졌음을알수있다. 고체계의구조상전이분석연구, 중 / 고온연료전해질의전기전도도, 유전율, 임피던스등물성평가및개발연구에훌륭히사용되길기대할수있다. REFERENCES Fig. 10. (Color online) Heat and cooling rate vs. time by using home-built temperature control system with different set value (dash line is the average heat and cooling rate, Bar width indicates the set value of the programmable controller). 3) 설정온도간격 : 50 C, DC 전압 : 17.1 volt 온도조절기의설정온도 50 C 간격으로올리면서샘플스 테이션의온도를측정하였다. 이때 DC 전압 : 17.1 volt 이다. 샘플스테이션의내부온도가상온에서 200 C 될때 까지소요된시간은 12 분 5 초가걸렸다. 승온속도는 C/min 이고냉각속도는 6.72 C/min 정도된다. Fig. 10 은샘플스테이션의내부온도 C 구간 에서온도설정조건에따른승온속도, 냉각속도를나타낸 그래프이다. 온도설정구간이 10 C 보다 20, 50 C 일경우 승온속도가상대적으로큰값으로나타냈는데설정온도의 수동제어횟수가작을수록프로그래머블조절기의 PID 알고리듬자동제어로인하여빠르고신속하게온도제어가 가능함을알수있다. 온도설정구간이커질수록냉각속도의 경우도비례한것으로보여주었는데같은맥락으로설명될 수있다. [1] E. Fukushima and S. B. W. Roeder, Experimental Pulse NMR (Addison-Wesley Publishing Company, USA, 1981). [2] C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, 8th ed. (John Wiley & Sons Inc, USA, 2004). [3] M. E. Lines and A. M. Glass, Principles and Applications of Ferroelectrics and Related Materials (Oxford University Press, USA, 2001). [4] D. V. Schroeder, An Introduction to Thermal Physics (Addison-Wesley, USA, 1999). [5] D. Halliday, R. Resnick and J. Walker, Fundamentals of Physics, 9th ed. (Wiley, USA, 2011). [6] J. H. Moore, C. C. Davis and M. A. Coplan, Building Scientific Apparatus, 4th ed. (Cambridge University Press, USA, 2009). [7] H.-C. Stahl and S. Hunklinger, Low-Temperature Physics, 2005 ed. (Springer, USA, 2005).

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<313630313032C6AFC1FD28B1C7C7F5C1DF292E687770> 양성자가속기연구센터 양성자가속기 개발 및 운영현황 DOI: 10.3938/PhiT.25.001 권혁중 김한성 Development and Operational Status of the Proton Linear Accelerator at the KOMAC Hyeok-Jung KWON and Han-Sung KIM A 100-MeV proton linear accelerator