工業用熱電対のタイプ: 完全な選択ガイド

工業用熱電対の種類とコアの特性

正しい 工業用熱電対 タイプは主に、センサーが耐えなければならない最高温度とセンサーが動作する雰囲気という 2 つの要素によって決まります。間違った合金ペアの選択は、プラント温度ループの早期ドリフトや故障の最も一般的な原因であるため、シースの直径、接合スタイル、または精度クラスを検討する前に、タイプの指定を正しく決定することが最初に決定されます。

IEC 60584-1 国際規格では、熱電対は、測定接点で使用される金属合金のペアに応じて、文字で指定されたタイプに分類されます。卑金属タイプ (K、J、N、T、E) は、ニッケル、鉄、銅、またはクロム合金から作られており、ほとんどの一般的な産業用途に対応します。貴金属タイプ (R、S、B) はプラチナおよびプラチナ-ロジウム合金を使用しており、高温または高温での長期安定性が重要な用途向けに予約されています。

卑金属の種類

• タイプK (ニッケル-クロム / ニッケル-アルメル) は、酸化性雰囲気に対する広範囲の耐性と一般的な耐性により、最も広く指定されている工業用熱電対です。
• タイプJ (鉄/コンスタンタン) の範囲は狭く、鉄の脚はニッケルベースの合金よりも早く酸化するため、酸化条件では約 760℃ を超える温度で使用しないでください。
• タイプN (nicrosil / nisil) は、タイプ K の高温での安定性と緑腐れと呼ばれるドリフト現象に対する耐性を改善するために開発されました。
• タイプT (銅/コンスタンタン) は氷点下や極低温でも優れた性能を発揮し、冷凍やコールドチェーンの監視で一般的です。
• タイプE (クロム / コンスタンタン) は、一般的な卑金属タイプの中で 1 度当たりの出力信号が最も高く、信号対雑音比が重要な場合に役立ちます。

貴金属の種類

• タイプRとタイプS (プラチナ-ロジウム合金) は、高温炉、ガラス、および金属の処理に使用され、高温での精度がプラチナベースのセンサーの高い信号ノイズ感度を上回ります。
• タイプB (プラチナ-ロジウム) は、一般的な指定の最高連続使用温度をサポートしますが、約 50℃ 未満では使用可能な信号がほとんど生成されないため、低温での読み取りには適していません。

重要なポイント: 工業用熱電対は、合金の種類を温度上限とプロセス雰囲気の両方に合わせて選択します。 温度範囲だけではありません。

動作原理と内部構造

工業用熱電対は、測定接点と基準点の間に温度差があるたびに小さな電圧を生成します。これはゼーベック効果として知られる現象です。 2 本の異なる金属線が一方の端で接合されて熱接点を形成します。接点がコールドエンドと比較して加熱されると、2 本のワイヤに測定可能なミリボルトレベルの電位が発生し、トランスミッタまたはコントローラが標準化された参照テーブルを使用して温度測定値に変換します。

シース、絶縁体、冷接点補償

裸線の実験室設定では、ジャンクションは屋外に直接設置できますが、工業用熱電対は、圧力、振動、腐食性ガス、および機械的磨耗に耐えるために、ほとんどの場合保護金属シースが必要です。一般的なシースの材質には、一般的な耐薬品性を目的とした 304 および 316L ステンレス鋼、および高温酸化用途向けのインコネル 600 または 601 が含まれます。シースの内側では、圧縮された酸化マグネシウム (MgO) 粉末が 2 本の導線を相互およびシース壁から絶縁しながら、接合部に効率的に熱を伝導するため、機械的保護を犠牲にすることなく妥当な応答時間を維持します。

熱電対は温度差のみを測定するため、熱電対を読み取る機器は基準端、通常はトランスミッタヘッド内の端子台の温度も把握している必要があります。これは冷接点補償と呼ばれ、通常、送信機に内蔵された基準センサーによって自動的に処理されます。センサーとトランスミッタ間に間違ったタイプの延長ケーブルまたは補償ケーブルを使用することは、現場で最も頻繁に測定誤差の原因の 1 つとなります。ケーブルが一致しないと、すべての接続点で独自の寄生熱電対効果が発生するためです。

ジャンクション構成

シースの内部で熱接点が形成される方法は、応答速度と電気的絶縁の両方に影響します。

1. 接地された接合部: ワイヤはシース先端の内側に直接溶接されており、シースからの電気的絶縁は失われますが、保護されたスタイルの中で最も速い応答が得られます。
2. 非接地接合: ワイヤは互いに溶接されていますが、薄い絶縁層によってシースから絶縁されており、応答が若干遅くなる代わりに電気的絶縁が行われますが、これはグランド ループの影響を受けやすい回路では重要です。
3. 露出した接合部: 溶接された先端がシースと絶縁体を越えて突き出ているため、可能な限り最速の応答が得られますが、接合部はプロセス雰囲気から保護されません。

重要なポイント: シースの材質、MgO 絶縁体、および接合のスタイルによって、特定のプロセスにおける工業用熱電対の応答速度と信頼性が決まります。 、どの合金タイプが選択されるかに関係なく。

温度範囲と感度の比較

タイプを選択する前に、標準温度の天井を並べて確認すると役立ちます。以下の表は、IEC 60584-1 で定義されている基準範囲に基づいて、一般的な工業用熱電対の各タイプのおおよその最大連続使用温度をまとめたものです。バーを上から下に読むと、低温の卑金属タイプから、最も高温の炉や窯で使用される貴金属タイプに移ります。隣接する型間のギャップは等間隔ではありません。プロセスが型の上限に近づいて実行される場合、これ自体が有益な情報になります。このチャートをスキャンするプロセス エンジニアは、天井が予想されるプロセス温度を下回るタイプをすぐに除外し、雰囲気と応答時間を考慮する前に候補リストを絞り込むことができます。ここでのバーの長さは温度の上限のみを表し、精度、コスト、感度は反映されていません。これらについては、この記事の後半で個別に説明します。

このチャートは、約 1300℃ 未満でクラスター化された卑金属グループ (T、J、E、K、N) と、1700℃ に向かって広がる白金ロジウム グループ (R、S、B) の間で明確に分かれていることを示しています。タイプ K とタイプ N は卑金属クラスターの上部近くに近接して配置されているため、過酷ではあるが極度の工業用熱には耐えられない代替候補として扱われることが多いのです。タイプ J の短いバーは、低品質のセンサーではなく、より狭い鉄ベースの化学反応を反映しています。それは単に範囲の最高端を対象としたものではありません。タイプ B が遠端にあるということは、このタイプが汎用監視ではなく、ほぼ専ら焼結、セラミック、および特殊炉での作業のために予約されている理由を説明しています。プロセス温度があるタイプの上限の約 100℃ 以内にある場合、合金の劣化は上限付近で加速するため、ほとんどの仕様ガイドでは限界値で継続的に実行するのではなく、次のタイプにステップアップすることを推奨しています。 タイプK and Type N cover the widest share of general industrial duty, while R, S, and B are reserved for the highest-temperature niches.

適用シナリオと選択基準

工業用熱電対の選択は、温度上限、プロセス雰囲気、必要な応答時間、機械的環境、必要な精度クラスの 5 つの変数を消去するプロセスです。温度については正しく評価されていても、大気との適合が不十分なセンサーでも早期に故障する可能性があるため、これらの変数を単独で評価する必要はありません。

プロセスの雰囲気は選択時に見落とされがちです。水素または一酸化炭素を含む還元性雰囲気は、時間の経過とともに特定の卑金属合金を攻撃する可能性がありますが、酸化性雰囲気は一般にニッケルクロムタイプの場合により耐性があります。一部の合金は真空下、高温でゆっくりと揮発するため、真空サービスでは特別な取り扱いが必要です。これが、貴金属タイプが電気ノイズに対する信号感度が高いにもかかわらず、真空炉用途に指定されることが多い理由の 1 つです。

機械的環境により、シースの直径と接合スタイルの選択が決まります。接合部が露出または接地されている薄いシースはすぐに反応しますが、振動疲労や機械的衝撃に対してより脆弱です。接地されていない接合部を備えた重いシースは、過酷な環境での耐用年数を長くするために応答速度をある程度犠牲にします。回転機器の近くに取り付けられたセンサーなど、高振動の設置では、通常、センサーをプロセスの直接接触から隔離し、プロセスを停止せずに交換できるサーモウェルの恩恵を受けます。

重要なポイント: 選択の際は、温度だけではなく、雰囲気、振動、必要な応答時間などを常に考慮して温度上限を考慮する必要があります。 .

卑金属熱電対と貴金属熱電対: 詳細な比較

ここではタイプ K を代表的な卑金属熱電対として使用し、タイプ S を代表的な貴金属熱電対として使用します。これは、どちらもそれぞれのカテゴリで参照タイプとして広く指定されているためです。以下のレーダー チャートは、相対的な 0 ～ 100 スケールで 5 つの特性を比較しています。スコアが高いほど、その特定の特性が有利になります。これらのスコアは、IEC 60584-1 で定義されている各タイプの確立された冶金特性および熱電特性に基づいた相対的な定性的位置付けを表します。これらは、正確な比例測定ではなく、相対的な長所と短所を示しています。タイプ K は信号感度と一般的な材料のコスト効率で明らかに優れており、一方、タイプ S は最高温度と高熱での耐酸化性で優れています。応答速度は合金ペア自体よりもシースの直径と接合スタイルに大きく依存するため、両者の応答速度はほぼ同じです。 2 つの重なり合う形状を一緒に読むと、卑金属と貴金属の選択が、どちらかのタイプが普遍的に優れているという理由ではなく、プロセスの特定の要求にセンサーを適合させることが重要である理由がわかります。

タイプ K の多角形の形状は、感度とコスト効率の軸に大きく傾いており、摂氏 1 度あたり約 41 マイクロボルトの信号出力を反映しています。これはプラチナ ロジウム タイプよりも数倍高く、標準の計器でタイプ K を正確に読みやすくなっています。タイプ S の多角形は、最高温度と耐酸化性を重視しており、これは、連続的な高温酸化サービスにおけるスケーリングに耐えるプラチナ ロジウムの能力と一致しています。タイプ S は比較的小さい信号 (範囲の一部では摂氏 1 度あたり約 10 マイクロボルトであることがよくあります) を生成するため、配線、シールド、端子接続は、電気ノイズによる読み取り値の低下を避けるために、より注意が必要です。これが、プラチナ ロジウム センサーがシールド付き補償ケーブルや絶縁型トランスミッターと組み合わせられることが多い理由の 1 つです。 どちらのタイプも 5 つの特性すべてにおいて優勢ではないため、卑金属熱電対と貴金属熱電対が同じ産業施設の異なるゾーンに共存し続けています。

IEC 60584-1 に基づく精度クラス

IEC 60584-1 では、タイプの選択に加えて、熱電対の出力が標準参照テーブルにどれだけ厳密に一致する必要があるかを記述する許容クラスも定義しています。中間範囲内のタイプ K の場合、クラス 1 の許容差は約 ±1.5 °C とより厳しく、クラス 2 の許容差は約 ±2.5 °C と広くなります。以下のゲージは、この関係を比率で表しています。クラス 1 の許容帯域はクラス 2 の帯域の約 60% の幅であり、クラス 1 センサーは非常に厳格な製造および校正基準に準拠していることを意味します。コンテキストの 5 つの文: 許容クラスは温度範囲に依存せず、センサーのタイプは変わりません。センサーが基準曲線を追跡することをメーカーがどれだけ厳密に保証するかが変わるだけです。クラス 1 センサーは通常、ワイヤ バッチの選択と校正が厳密であるため、製造コストが高くなります。多くの一般的な産業用アプリケーションはクラス 2 許容範囲内で快適に動作します。また、重要なプロセス制御ループ、保管搬送、または安全計装システムでは、クラス 1 が指定されることが多くなります。

このゲージをプロジェクト仕様書と併せて読むと、同じタイプで同じ温度範囲の 2 つの熱電対が異なる品質グレードや異なる文書要件に対応できる理由が明確になります。クラス 1 センサーは、原則として、異なる合金や異なる構造ではありません。これは、標準基準曲線からの偏差がより狭くなるように製造および校正された同じ合金ペアです。入荷したセンサーを認定基準槽に対してバッチテストする施設は、適合証明書のみに依存するのではなく、この許容差を独立して検証できます。安全インターロックまたは保管転送請求を供給するループの場合、より狭いクラス 1 帯域により、ループ全体の不確実性計算に組み込まれなければならない系統誤差が減少します。一般的な監視、エリア加熱、または非クリティカルなアラームの場合は、より広い帯域でもプロセスが許容できる動作マージン内に十分収まるため、クラス 2 の許容値が一般に受け入れられます。 公差クラスはタイプ指定だけでは暗示されないため、発注書で明示的に指定する必要があります。

ジャンクション構成s and Sheath Options

工業用熱電対は、合金の種類以外にも、接合部の構成とシースの選択によってさらに定義され、その両方が応答時間、耐用年数、設置コストに影響します。以下のカードは、一般的な工業用熱電対のメーカーまたはサプライヤーのカタログから入手できる最も一般的な構成をまとめたものです。

接地されたジャンクション 保護されたスタイルの中で最も速い応答。シースの先端に直接溶接されています。電気的に絶縁されていません。 非接地接合部 シースから電気的に絶縁されています。応答がわずかに遅くなります。グランドループが懸念される場合に推奨されます。 露出接合部 可能な限り最速の応答。接合部が絶縁体を越えて突き出ている。機械的および化学的保護が制限されています。 セラミック保護管 炉のサービスで R、S、および B タイプとともに使用されます。高温には耐えられますが、機械的にはより壊れやすいです。 インコネルシース セラミックよりも金属の延性が優先される高温酸化サービスに一般的です。

重要なポイント: 接合スタイルとシースの材質は、合金の種類とともに指定する必要があります。 なぜなら、同じタイプでも非常に異なる応答時間と耐久性のプロファイルを組み込むことができるからです。

設置、校正、およびメンテナンスのガイダンス

適切な設置深さは、最も単純でありながら最も見落とされがちな信頼性要因の 1 つです。一般的な経験則は、シース直径の少なくとも 10 倍のセンサーをプロセスに挿入することです。これにより、シースの長さに沿ったチップからの熱伝導が制限され、ステム効果冷却によって引き起こされる読み取りエラーが減少します。振動や頻繁なプロセスへのアクセスが予想される場合、センサーをサーモウェル内に取り付けることで、プロセス境界を侵害することなく交換が可能になり、シースを直接の機械的磨耗から保護できます。

延長ケーブルと補償ケーブルは、熱電対のタイプと正確に一致する必要があります。接続箱で短時間であってもケーブルの種類を混合すると、意図しない熱電対効果が生じ、測定値が歪められます。追跡可能な基準に対する定期的な再校正は、通常、プラントの信頼性プログラムによって定義された間隔で行われ、製品の品質や安全マージンに影響を与える前に、段階的なドリフトを捕捉します。特に貴金属センサーは、設置中および保守中に特定の卑金属との接触や還元性雰囲気を避ける必要があります。これは、汚染により接合部の白金ロジウム合金の組成が変化し、校正曲線が永久に変化する可能性があるためです。

以下のグラフは、標準温度範囲にわたるタイプ K、タイプ J、およびタイプ T センサーのおおよその基準 EMF 出力をミリボルト単位で示しています。説明のために四捨五入されています。これらの数値は標準の熱電参照テーブルから引き出されており、精密な校正ソースとして機能するというよりは、一般的な傾向と相対的な大きさを示すことを目的としています。タイプ J は、有効範囲内の同じ温度でタイプ K よりも著しく高い出力を生成します。これが、全体の温度上限が低いにもかかわらず、一部のレガシー制御システムがタイプ J を指定した理由の 1 つです。タイプ T の曲線は、高温での使用には対応していないため、350°C までの有効範囲内でのみ示されています。高温での各曲線の急勾配は、ゼーベック効果の非線形性を反映しています。そのため、正確な温度変換には、単純な直線近似ではなく常に完全な基準多項式が必要です。

熱電対の出力は非線形であるため、保守技術者は誤差が範囲全体で均等に変化すると仮定してはなりません。 200°C での正確なセンサー読み取り値が、900°C でも同様に正確であるとは保証されません。だからこそ、1 点だけでなく複数の点での定期的な検証が音響校正手順の一部となります。複数のタイプの混合センサー フリートを実行している施設では、メンテナンス チームが管理する必要がある個別の補償ケーブル配線と参照テーブルの数を減らすために、少数のタイプを正確に標準化することがよくあります。

確立された工業用熱電対メーカーから一貫性があり、十分に文書化されたセンサーを調達することは、バッチを一致させることでプラント全体のセンサー間のばらつきを減らすため、長期的なメンテナンス計画にも役立ちます。 興国グループ株式会社 安徽興国計器有限公司、安徽興国合金有限公司、安徽興国ケーブル有限公司、安徽興国貴金属有限公司などの子会社で構成されるハイテク企業です。登録資本金は1億1,800万元で、グループは安徽省天昌市に本拠を置き、1997年に設立され、敷地は200万以上です。 150エーカー、60,000平方メートル以上の建設面積。中国の熱電対合金ワイヤ メーカーおよび産業計装工場として、Xinguo Group は子会社を通じて自社の合金ワイヤを製造しており、ワイヤの製造から完成品の工業用熱電対までの原材料のトレーサビリティをサポートしています。これは、センサーを定期的に調達するための安定した OEM または ODM メーカーおよびサプライヤーを探している工場に有益なアプローチです。

重要なポイント: 正しい挿入深さ、適合した補償ケーブル、および定義された再校正スケジュールは、工業用熱電対の寿命にわたって測定精度を最も直接的に保護する 3 つのメンテナンス要素です。 .

よくある質問