熱電対, 温度センサーの 1 つ

温度センサーは広く使用されており、さまざまな種類があります, しかし、主な一般的なタイプは次のとおりです: 熱電対 (PT100/PT1000), 熱電対列, サーミスタ, 測温抵抗体, およびIC温度センサー. IC温度センサーは2種類あります: アナログ出力センサーとデジタル出力センサー. 温度センサーの材質や電子部品の特性に応じて, それらは 2 つのカテゴリに分類されます: 熱抵抗器と熱電対. 熱電対は、広範囲の温度を適切な精度で費用対効果の高い測定を行うための業界標準の方法となっています。. ボイラー内で約 +2500°C までのさまざまな用途に使用されます。, 給湯器, オーブン, ほんの数例を挙げると、航空機エンジンなどです。.

タイプ 白金ロジウム熱電対 高温耐性 1600 度コランダムチューブ

PT100 温度センサーニードルプローブ熱電対

3-ワイヤ PT100 白金抵抗熱電対、シールドケーブル付き

(1) 熱電対の基本定義
熱電対は、業界で最も一般的に使用される温度検出素子の 1 つです. 熱電対の動作原理はゼーベック効果に基づいています, 異なる成分の2本の導体の両端が接続されてループを形成する物理現象. 2つの接続端の温度が異なる場合, ループ内に熱電流が発生します.

工業用温度測定において最も広く使用されている温度センサーの 1 つとして, 熱電対, 白金熱抵抗器と併用, およその責任を負う 60% 温度センサーの総数のうち. 熱電対は通常、液体の表面温度を直接測定するために表示計器と組み合わせて使用​​されます。, 蒸気, 範囲内の気体媒体および固体 -40 さまざまな製造プロセスで 1800°C まで. 測定精度が高いなどの利点がある, 広い測定範囲, シンプルな構造と使いやすさ.

(2) 熱電対温度測定の基本原理
熱電対は、温度を直接測定し、熱電位信号に変換できる温度検知素子です。. 信号は電気機器を介して測定媒体の温度に変換されます。. 熱電対の動作原理は、異なるコンポーネントの 2 つの導体が閉ループを形成することです。. 温度勾配がある場合, 電流がループを通過し、熱電位が生成されます。, それがゼーベック効果です. 熱電対の 2 つの導体は熱電対と呼ばれます, その一端が作業端です (より高い温度) もう一方の端は自由端です (通常は一定の温度で). 熱電位と温度の関係によると, 熱電対スケールが作られています. 熱電対が異なればスケールも異なります.

熱電対ループに3つ目の金属材料を接続した場合, 材料の 2 つの接点の温度が同じである限り, 熱電対によって生成される熱電位は変化せず、第 3 の金属の影響を受けません。. したがって, 熱電対の温度を測定する場合, 測定器を接続すると、熱電位を測定することで被測定媒体の温度を測定できます。. 熱電対は導体または半導体 A と B を溶接して閉ループにします.

熱電対は、異なる材料の 2 つの導体または半導体 A と B を溶接して閉ループを形成します, 図に示すように.

2 つの取り付け点間に温度差がある場合 1 そして 2 導体AとBの, 両者の間に起電力が発生します, したがって、ループ内に特定のサイズの電流が形成されます. この現象を熱電効果といいます. 熱電対はこの効果を利用して機能します.

異なるコンポーネントの 2 つの導体 (熱電対線または熱電極と呼ばれる) 両端がつながって輪になっている. ジャンクション温度が異なる場合, ループ内に起電力が発生します. この現象を熱電効果といいます, この起電力は熱起電力と呼ばれます. 熱電対はこの原理を使用して温度を測定します. その中で, 媒体の温度を測定するために直接使用される端は作業端と呼ばれます (測定端とも呼ばれます), もう一方の端はコールドエンドと呼ばれます (補償終了とも呼ばれます); コールドエンドは表示機器またはマッチング機器に接続されています, 表示計器は熱電対によって生成された熱電位を示します。.

熱電対は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、生成された熱電位を測定することで温度を測定するエネルギー変換器です。. 熱電対の熱電位を調べる場合, 次の問題に注意する必要があります:
1) 熱電対の熱電位は、熱電対の両端間の温度差の関数です。, 熱電対の両端間の温度差ではありません.
2) 熱電対によって生成される熱電位の大きさは、熱電対の長さや直径とは関係がありません。, but only with the composition of the thermocouple material and the temperature difference between the two ends, 熱電対の材質が均一であれば.
3) 熱電対の 2 本の熱電対線の材料組成を決定した後、, 熱電対の熱電位の大きさは、熱電対の温度差にのみ関係します。. 熱電対の低温端の温度が一定のままの場合, 熱電対の熱電位は、動作終了温度の単一値の関数にすぎません。.
一般的に使用される熱電対の材料は次のとおりです。:
(3) 熱電対の種類と構造
種類
熱電対は 2 つのカテゴリに分類できます: 標準熱電対と非標準熱電対. いわゆる標準熱電対とは、熱電位と温度の関係が国家規格で規定されている熱電対を指します。, 許容される誤差, 統一された標準スケールを持っています. 選択可能な表示計器が付いています. 標準化されていない熱電対は、使用範囲または桁数の点で標準化された熱電対よりも劣ります。, 一般に統一されたスケールはありません. これらは主に特定の特別な機会の測定に使用されます。.

熱電対の基本構造:
工業用温度測定に使用される熱電対の基本構造には、熱電対線が含まれます。, 絶縁チューブ, 保護管とジャンクションボックス, 等.

一般的に使用される熱電対ワイヤとその特性:
あ. 白金ロジウム10白金熱電対 (卒業番号がSの場合, 単一白金ロジウム熱電対としても知られています。). この熱電対の正極は、白金とロジウムの合金です。 10% ロジウム, 負極は純プラチナです;

特徴:
(1) 安定した熱電性能, 強い酸化耐性, 酸化性雰囲気での連続使用に適しています。, 長期使用温度は1300℃に達します, 1400℃を超えると, 空気中でも, 純プラチナ線は再結晶します, 粒子が粗くなり壊れる;
(2) 高精度. すべての熱電対の中で最高の精度グレードであり、通常は標準として、または高温の測定に使用されます。;
(3) 幅広い使用範囲, 優れた均一性と互換性;
(4) 主な欠点は次のとおりです: 小さな熱電位差, 感度が非常に低い; 高価な価格, 機械的強度が低い, 還元性雰囲気または金属蒸気の条件下での使用には適していません.

B. 白金ロジウム13白金熱電対 (目盛り番号がRの場合, 単一白金ロジウム熱電対としても知られています。) この熱電対の正極は、白金とロジウムの合金です。 13%, 負極は純プラチナです. Sタイプとの比較, その潜在的なレートは約です 15% より高い. その他の性質はほぼ同じ. このタイプの熱電対は、日本の業界で高温熱電対として最もよく使用されています。, しかし中国ではあまり使われていない;

C. プラチナ-ロジウム 30-プラチナ-ロジウム 6 熱電対 (分割番号B, ダブル白金ロジウム熱電対としても知られています。) この熱電対の正極は、白金とロジウムの合金です。 30% ロジウム, 負極はプラチナとロジウムの合金です。 6% ロジウム. 室温で, その熱電位は非常に小さいです, そのため、通常、測定中に補償ワイヤは使用されません。, 低温端の温度変化の影響は無視できます。. 長期使用温度は1600℃です。, 短期使用温度は1800℃です。. 熱電位が小さいので, より高感度な表示器が必要です.

タイプ B 熱電対は、酸化雰囲気または中性雰囲気での使用に適しています。, 真空雰囲気での短期間の使用にも使用可能. 還元的な雰囲気の中でも, その人生は 10 に 20 タイプBの2倍. 回. 電極には白金ロジウム合金を使用しているため、, 白金-ロジウム-白金熱電対の負極の欠点をすべて備えているわけではありません. 高温下でも大きな結晶化の傾向が少ない, 機械的強度も優れています. 同時に, 不純物の吸着やロジウムの移行への影響が少ないため, 長期間使用しても熱電位は大きく変化しません。. 欠点は値段が高いこと (単一のプラチナ-ロジウムと比較して).

D. ニッケル-クロム-ニッケル-シリコン (ニッケルアルミニウム) 熱電対 (グレーディングナンバーはKです) この熱電対の正極は、次の成分を含むニッケルクロム合金です。 10% クロム, 負極はニッケル - シリコン合金であり、 3% シリコン (一部の国での製品の負極は純ニッケルです). 0～1300℃の媒体温度を測定でき、酸化性ガスや不活性ガス中での連続使用に適しています。. 短期使用温度は1200℃です。, 長期使用温度は1000℃です. その熱電位は次のようになります。温度関係はほぼ線形です。, 価格は安いです, 現在最も広く使用されている熱電対です。.

K型熱電対は、耐酸化性に優れた卑金属熱電対です。. 真空中での裸線の使用には適していません, 硫黄を含む, 炭素を含む大気, と酸化還元交互雰囲気. 酸素分圧が低い場合, ニッケルクロム電極内のクロムが優先的に酸化されます。, 熱電位に大きな変化を引き起こす, しかし金属ガスはほとんど影響しません. したがって, 金属製の保護チューブがよく使われます.

黄色オスプラグ付 バネ式熱電対 Kタイプ

ステンレス鋼プローブ付き K タイプ温度センサー

K型ステンレス鋼製WRN-Kシリーズ熱電対温度センサ

K型熱電対のデメリット:
(1) 熱電位の高温安定性はN型熱電対や貴金属熱電対に比べて劣ります. より高い温度で (例えば, 1000℃以上), 酸化により損傷を受けることが多い.
(2) 250～500℃の範囲では短期の熱サイクル安定性が劣ります。, あれは, 同じ温度点で, 熱電位の測定値は、加熱および冷却プロセス中に異なります。, その差は2〜3°Cに達する可能性があります.
(3) 負極は150～200℃の範囲で磁気変態を起こします。, 室温～230℃の範囲での目盛値が目盛表からずれる場合. 特に, 磁場中で使用する場合, 時間に依存しない熱電位干渉が頻繁に発生する.
(4) 高光束媒体系照射を長時間照射した場合, マンガンなどの元素 (ん) そしてコバルト (コ) 負極で変態が起こる, 安定性が悪くなります, 熱電位に大きな変化が生じる.

E. ニッケル-クロム-シリコン-ニッケル-シリコン熱電対 (N) この熱電対の主な特徴は次のとおりです。: 強力な温度制御と1300℃以下の耐酸化性, 優れた長期安定性と短期熱サイクル再現性, 核放射線および低温に対する良好な耐性. 加えて, 400～1300℃の範囲で, N型熱電対の熱電特性の直線性はK型熱電対より優れています。. しかし, 低温域では非線形誤差が大きい (-200-400℃), 材質が硬くて加工が難しい.

E. 銅-銅-ニッケル熱電対 (T) T型熱電対, この熱電対の正極は純銅です, 負極は銅ニッケル合金です (コンスタンタンとしても知られています). その主な特徴は次のとおりです。: 卑金属熱電対の中では, 熱電極の最高の精度と優れた均一性を備えています。. 動作温度は-200～350℃です。. 銅熱電対は酸化しやすく酸化皮膜が剥がれやすいため, 酸化性雰囲気で使用する場合は、通常 300℃を超えることは認められません。, -200～300℃の範囲内. 彼らは比較的敏感です. 銅コンスタンタン熱電対のもう 1 つの特徴は、安価であることです。, 一般的に使用されているいくつかの標準化製品の中で最も安価です。.

F. 鉄コンスタンタン熱電対 (グレーディングナンバーはJです)
J型熱電対, この熱電対の正極は純鉄です, 負極はコンスタンタンです (銅ニッケル合金), 価格が安いのが特徴です. 真空酸化の還元雰囲気または不活性雰囲気に適しています。, 温度範囲は-200～800℃です。. しかし, 一般的に使用される温度は500℃未満です, この温度を超えると, 鉄熱電対の酸化速度が加速する. 太い線径を使用する場合, 高温でも使用でき、長寿命です。. この熱電対は水素による腐食に強いです (H2) そして一酸化炭素 (CO) ガス, ただし高温では使用できません (例えば. 500℃) 硫黄 (S) 雰囲気.

G. ニッケル-クロム-銅-ニッケル (コンスタンタン) 熱電対 (部門コードE)
タイプ E 熱電対は比較的新しい製品です, ニッケルクロム合金の正極と銅ニッケル合金の負極を備えた (コンスタンタン). 最大の特徴は、一般的に使用されている熱電対の中で、, その熱電ポテンシャルは最大です, あれは, その感度は最高です. 適用範囲はタイプKほど広くありませんが、, 高感度が要求される条件で選ばれることが多い, 熱伝導率が低い, 許容される大きな抵抗. 使用上の制限はタイプKと同様です。, しかし、高湿度を含む雰囲気では腐食に対してあまり敏感ではありません。.

上記に加えて 8 一般的に使用される熱電対, タングステンレニウム熱電対もあります, 白金ロジウム熱電対, イリジウムゲルマニウム熱電対, 白金モリブデン熱電対, 非標準熱電対としての非金属材料熱電対. 一般的に使用される熱電対の材質仕様および線径と使用温度の関係を下表に示します。:

熱電対グレード番号 線径 (んん) 長期 短期
SΦ0.513001600
RF0.513001600
BΦ0.516001800
KΦ1.28001000

(4) 熱電対の低温端の温度補償
熱電対の材料費を節約するため, 特に貴金属を使用する場合, 通常、補償ワイヤはコールドエンドを延長するために使用されます。 (フリーエンド) 熱電対を温度が比較的安定している制御室に導入し、計器の端子に接続します。. 熱電対補償ワイヤの役割は、熱電対を延長し、熱電対の低温端を制御室の計器端子に移動することに限定されることは明らかです。. それ自体は、温度測定に対するコールドエンドの温度変化の影響を排除できず、補償の役割を果たすことはできません。.

絶縁チューブ

熱電対の動作端はしっかりと溶接されています, 熱電対は絶縁チューブで保護する必要があります. 絶縁チューブにはさまざまな材質があります, 主に有機絶縁体と無機絶縁体に分けられます. 高温端用, 絶縁チューブとして無機材料を選択する必要があります. 一般的に, 粘土絶縁管は1000℃以下でも選択可能, 1300℃以下では高アルミ管も選択可能, 1600℃以下ではコランダムチューブも選択可能.

保護チューブ

保護チューブの機能は、熱電対の電極が測定媒体に直接接触するのを防ぐことです。. その機能は熱電対の寿命を延ばすだけではありません, 熱電極を支持、固定し、強度を高める機能も提供します。. したがって, 熱電対の保護チューブと絶縁材料を正しく選択することは、熱電対の耐用年数と測定精度にとって非常に重要です。. 保護管の材質は大きく2つに分けられます。: 金属と非金属.

まとめ:
熱電対は工業用温度測定で一般的に使用されるセンサーです, 高い精度が特徴です, 経済性と広い温度範囲への適用性. ホットエンドとコールドエンドの温度差を測定することで測定します.

ホットエンド感知点の温度を求めるには, 低温端の温度を測定し、それに応じて熱電対の出力を調整する必要があります。. 通常, 冷接点は、熱伝導率の高い材料のシートを通じて熱電対信号処理ユニットの入力と同じ温度に保たれます。. 銅は理想的な熱伝導率を持った素材です (381W/mK). 熱電対信号がチップ上の熱伝導に干渉しないように、入力接続は電気的に絶縁する必要があります。. 信号処理ユニット全体がこの等温環境にあることが望ましい.

熱電対の信号範囲は通常マイクロボルト/℃レベルです。. 熱電対信号処理ユニットは電磁干渉に非常に敏感です (EMI), 熱電対ラインは EMI によって干渉されることがよくあります. EMI は受信信号の不確実性を高め、収集された温度データの精度を損ないます。. 加えて, 接続に必要な専用熱電対ケーブルも高価です, 他のタイプのケーブルを注意深く置き換えないと、, 分析が困難になる可能性があります.

EMIは線路の長さに比例するので, 干渉を最小限に抑えるための通常のオプションは、制御回路を感知点の近くに配置することです, センシングポイントの近くにリモートボードを追加します, または、複雑な信号フィルタリングとケーブルシールドを使用する. より洗練された解決策は、感知点の近くで熱電対出力をデジタル化することです。.

(5) 熱電対プロセスの生産フロー
熱電対の製造プロセス制御には次のものが含まれます。:
1) ワイヤー検査: 幾何学的寸法と熱電位を確認する.
2) 補償線検査: 幾何学的寸法と熱電位を確認する.
3) プラスチックソケットなどの部品の準備と検査, アルミキャップ, 耐火物基材, 紙管と小さな紙管.
4) ホットエンド溶接: P管理図を通じて、はんだ接合部の適合率と長さの適合率を確認します。.
5) ワイヤーアニール: 一次焼鈍を含む (アルカリ洗浄、酸洗浄後のアニール) そして二次焼鈍 (U字管通過後アニール), アニーリングの温度と時間を制御する.
6) 工程検査: 極性判定も含めて, 耐ループ性、外観品質、幾何寸法検査.
7) コールドエンド溶接: 溶接電圧を制御する, はんだ接合部の形状と球のサイズを確認してください.
8) 組み立てと注入: 必要に応じて組み立てる, ホットエンド位置と補償ワイヤ距離の制御を含む. 注入要件にはセメントの準備が含まれます, 焼き温度と時間, および絶縁抵抗測定.
9) 最終検査: ジオメトリを確認してください, ループ抵抗, プラスとマイナスの極性と絶縁抵抗.

(6) 熱電対センサーの応用
熱電対は、2 つの異なる導体を接続することによって形成されます. 測定接点と基準接点の温度が異なる場合, いわゆる熱電磁力 (電磁波) 生成される. 接点の目的 測定接点は、測定温度にある熱電対接点の部分です。.

基準接点は、既知の温度を維持したり、熱電対の温度変化を自動的に補償したりする役割を果たします。. 従来の産業用途では, 熱電対素子は通常コネクタに接続されます, 一方、基準接点は、適切な熱電対延長線を介して温度が比較的安定した制御された環境に接続されます。. 接点のタイプは、シェル接続熱電対接点または絶縁熱電対接点です。.

シェル接続された熱電対ジャンクションは、物理的な接続によってプローブの壁に接続されます。 (溶接), 熱は外部からプローブ壁を通って接合部に伝達され、良好な熱伝達が実現されます。. このタイプのジャンクションは、静的または流動的な腐食性ガスおよび液体の温度の測定に適しています。, 一部の高圧アプリケーションと同様に.

絶縁された熱電対の接合部はプローブの壁から分離され、柔らかい粉末で囲まれています。. 絶縁熱電対はシェル熱電対よりも応答が遅くなりますが、, 電気絶縁を提供します. 腐食環境での測定には絶縁熱電対を推奨します, 熱電対がシースシールドによって周囲環境から完全に電気的に絶縁されている場合.

露出端子熱電対により、接合部の上部が周囲の環境に浸透することが可能になります. このタイプの熱電対は最高の応答時間を提供します, ただし、非腐食性のものにのみ適しています, 無害な, および非加圧用途. 応答時間は時定数で表すことができます。, これはセンサーが変化するのに必要な時間として定義されます 63.2% 制御された環境での初期値から最終値まで. 露出端子熱電対は応答速度が最も速い, プローブシースの直径が小さいほど, 応答速度が速いほど, ただし、最大許容測定温度は低くなります。.

延長ワイヤ熱電対は、延長ワイヤを使用して基準接点を熱電対からもう一方の端のワイヤに転送します。, 通常、制御された環境に設置され、熱電対と同じ温度 - 電磁周波数特性を持ちます。. 正しく接続されている場合, 延長ワイヤは基準接続ポイントを制御された環境に転送します.