熱電対は、科学技術のあらゆる分野で温度を測定するための装置です。この記事では、デバイスの設計と動作原理の内訳とともに、熱電対の一般的な概要を説明します。熱電対の種類と特徴を簡単に説明し、測定器としての熱電対の評価を行います。
熱電対の設計
熱電対の動作原理。ゼーベック効果
熱電対は、ドイツの物理学者トーマス・ゼーベックが 1821 年に発見した熱電効果に基づいています。
この現象は、特定の周囲温度にさらされたときに閉じた電気回路に電気が発生することに基づいています。電流は、異なる組成 (異種金属または合金) の 2 つの導体 (熱電極) 間に温度差があるときに生成され、接点 (接合部) を所定の位置に維持することによって維持されます。デバイスは、接続されたセカンダリ デバイスの画面に測定された温度値を表示します。
出力電圧と温度は線形関係にあります。これは、測定温度が上昇すると、熱電対の自由端のミリボルト値が高くなることを意味します。
温度測定ポイントのジャンクションは「ホット ジャンクション」と呼ばれ、ワイヤがトランスミッタに接続されるポイントは「コールド ジャンクション」と呼ばれます。
冷接点温度補償 (CJC)
冷接点補償 (CJC) は、熱電対の自由端の接続点で温度を測定する際の最終読み取り値に対する補正という形で行われる補正です。これは、実際の冷接点温度と、0°C での冷接点温度のキャリブレーション チャートから計算された読み取り値との間の不一致によるものです。
CHS は、冷接点温度 (基準接点の別名) の既知の値から絶対温度の読み取り値を導出する差分法です。
熱電対の設計
熱電対の設計では、外部環境の「攻撃性」、物質の凝集状態、測定する温度範囲などの要因の影響が考慮されます。
熱電対設計の特徴:
1) 導体ペアは、さらにアーク溶接 (めったにはんだ付け) を加えたツイストまたは撚り合わせによって相互に接続されます。
重要： 接合特性が急速に失われるため、ツイスト法はお勧めしません。
2) 熱電対の電極は、接触点を除いて全長にわたって電気的に絶縁されていなければなりません。
3) 絶縁方法は、温度の上限を考慮して選択されます。
- 100 ～ 120°C まで - あらゆる断熱材。
- 1300°Cまで - 磁器チューブまたはビーズ。
- 1950°Cまで - Al2〇3;
- 2000°C 以上 - MgO、BeO、ThO のチューブ2ThO、ZrO2.
4) 保護カバー。
材料は熱的および化学的に耐性があり、良好な熱伝導率を備えている必要があります (金属、セラミック)。シースを使用すると、特定の媒体での腐食が防止されます。
延長（拡張）ワイヤー
このタイプのワイヤは、熱電対の端を二次デバイスまたはバリアまで延長するために必要です。熱電対に出力信号が統一されたトランスミッタが内蔵されている場合、ワイヤは使用されません。最も広く普及しているアプリケーションは、統一された 4 ～ 20mA 信号、いわゆる「タブレット」を備えた標準センサー ターミナル ヘッドに配置された正規化トランスデューサです。
ワイヤの材料は熱電極の材料と一致する可能性がありますが、ほとんどの場合、寄生（誘導）熱電極の形成を防ぐ条件を考慮して、安価なものに置き換えられます。延長ワイヤの使用は、生産の最適化にも役立ちます。
ヒントとコツ！ 補償ワイヤの極性と熱電対への接続を正しく判断するには、MM ニーモニック ルール (マイナスは磁気) を覚えておいてください。つまり、任意の磁石を使用すると、プラスとは異なり、補償のマイナスが磁気になります。
熱電対の種類と種類
熱電対の多様性は、使用される金属合金のさまざまな組み合わせによるものです。熱電対の選択は、業界と必要な温度範囲に基づいています。
クロメルアルメル熱電対 (TXA)
正極: クロメル合金 (90% Ni、10% Cr)。
負極: アルメル合金 (95% Ni、2% Mn、2% Al、1% Si)。
絶縁材料：磁器、石英、金属酸化物など
-200 ° C から 1300 ° C の短期および 1100 ° C の長期加熱の温度範囲。
動作環境: 不活性、酸化 (O2=2-3% または完全に除外)、乾燥水素、短期間の真空。保護シースの存在下での還元または酸化還元雰囲気中。
短所：変形しやすく、熱起電力の可逆的な不安定性。
大気中の微量の硫黄の存在下でのアルメルの腐食および脆化の可能性のあるケースと、弱酸化雰囲気中のクロメル（「グリーンクレイ」）。
クロメル銅熱電対 (TCC)
正極: クロメル合金 (90% Ni、10% Cr)。
負極: コペル合金 (54.5% Cu、43% Ni、2% Fe、0.5% Mn)。
-253°C から 800°C の長期および 1100°C の短期加熱の温度範囲。
動作環境: 不活性で酸化性、短期間の真空。
短所：熱電対の変形。
おそらく長時間の真空中でのクロムの蒸発。硫黄、クロム、フッ素を含む雰囲気との反応。
鉄コンスタンタン熱電対 (PCT)。
正極: 技術的に純鉄 (軟鋼)。
負極: コンスタンタン合金 (59% Cu、39-41% Ni、1-2% Mn)。
還元、不活性媒体、および真空での測定に使用されます。 -203°Cから750°Cまでの温度と1100°Cの短期加熱。
アプリケーションは、正と負の温度の共同測定に折り畳まれています。負の温度だけに使用するのは有利ではありません。
短所：熱電対の変形、低耐食性。
700 °C および 900 °C 付近での鉄の物理的および化学的性質の変化。腐食の形成を伴う硫黄および水蒸気と相互作用します。
タングステン レニウム熱電対 (TVR)
正極: 合金 BP5 (95% W、5% Rh)/BP5 (BP5 にシリカとアルミニウムを添加)/BP10 (90% W、10% Rh)。
負極: 合金 BP20 (80% W、20% Rh)。
断熱材：化学的に純粋な金属酸化物のセラミック。
機械的強度、耐熱性、汚染に対する感度の低さ、製造の容易さなどの特徴があります。
測定温度は1800°Cから3000°C、下限は1300°Cです。測定は、不活性ガス、乾燥水素、または真空環境で行われます。高速流動プロセスでの測定専用の酸化媒体。
短所：熱EMFの再現性が低い、照射中の不安定性、温度範囲での不安定な感度。
タングステンモリブデン (TM) 熱電対
陽極: タングステン (技術的に純粋)。
負極: モリブデン (技術的に純粋)。
断熱材：アルミナセラミック、石英チップによる保護。
不活性、水素または真空環境。絶縁体が存在する場合、酸化環境での短期間の測定が可能です。測定温度範囲は1400～1800℃、動作限界温度は約2400℃です。
欠点: 熱 EDC の再現性と感度が低い、極性反転、高温での脆化。
熱電対 プラチナ-ロジウム-プラチナ (TPP)
正極: 白金ロジウム (10% または 13% Rh を含む Pt)。
負極：プラチナ。
断熱材：石英、磁器（通常および耐火物）。 1400 °C まで - Al 含有量の高いセラミック2〇3O、1400°С以上 - 化学的に純粋なAl2〇3.
最高使用温度 長時間1400℃、短時間1600℃。通常、低温での測定は行いません。
動作環境: 酸化および不活性、保護の存在下での還元環境。
短所：高コスト、照射下での不安定性、汚染に対する感度の高さ（特に白金電極）、高温での金属粒子の成長。
プラチナ-ロジウム-プラチナ-ロジウム熱電対 (PRT)
正極: 30% Rh の Pt 合金。
負極：6％RhのPt合金。
媒体: 酸化、中性および真空。保護の存在下で、還元および金属または非金属の蒸気を含む環境で使用してください。
最高使用温度: 1600°C 長期、1800°C 短期。
断熱材：Al製セラミックス2〇3 高純度。
白金ロジウム熱電対より化学汚染や粒子成長の影響を受けにくい。
熱電対接続図
- ポテンショメータまたは検流計を導体に直接接続します。
- 補償ワイヤーとの接続;
- 出力が統一された熱電対に従来の銅線で接続。
熱電対導体の色の規格
色分けされた導体絶縁により、熱電対の電極を互いに区別して端子に適切に接続できます。基準は国によって異なります。導体に特定の色指定はありません。
重要： エラーを防ぐために、工場で使用されている標準を見つける必要があります。
測定精度
精度は、熱電対の種類、測定された温度範囲、材料の純度、電気ノイズ、腐食、接合部の特性、および製造プロセスによって異なります。
熱電対には、測定の信頼区間を確立する公差クラス (標準または特殊) が割り当てられます。
重要： 製造時の特性は使用中に変化します。
測定速度
応答性は、一次トランスデューサが温度ジャンプに迅速に応答する能力と、その後の測定器からの入力信号の流れによって決まります。
応答性を高める要因:
- 一次変換器の長さの適切な設置と計算;
- 保護サーモウェルを備えた伝送器を使用する場合は、より小さい直径のサーモウェルを選択してアセンブリの質量を減らします。
- 一次トランスデューサとサーモウェルの間の空隙を最小限に抑えます。
- スプリング式一次トランスデューサを使用し、サーモウェルのキャビティを熱伝導性フィラーで満たします。
- 動きの速い媒体または密度の高い媒体 (液体)。
熱電対性能のチェック
動作を確認するには、特別な測定装置 (テスター、ガルバノメーターまたはポテンショメーター) を接続するか、ミリボルトメーターで出力電圧を測定します。矢印またはデジタル インジケータが変動する場合、熱電対は良好です。それ以外の場合は、デバイスを交換する必要があります。
熱電対の故障の原因:
- 保護シールド装置を使用しない;
- 電極の化学組成を変更します。
- 高温で発生する酸化プロセス;
- 測定器等の破損
熱電対を使用する利点と欠点
このデバイスを使用する利点は次のとおりです。
- 測定温度範囲が広い。
- 高精度;
- シンプルさと信頼性。
不利な点は次のとおりです。
- 冷接点の継続的な制御、制御機器の検証と校正の実施;
- デバイスの製造中の金属の構造変化;
- 大気組成、シーリングコストへの依存;
- 電磁波への曝露による測定誤差。
