温度計の種類・用途・選び方

温度計 : 直接的な回答とコアの概要

工業プロセス用の温度計を選択する最も信頼性の高い方法は、測定原理を 3 つの要素 (必要な温度範囲、アプリケーションが要求する精度クラス、センサーが使用中に直面する物理的および化学的条件) に同時に適合させることです。 熱電対は、高温、堅牢、広範囲の産業用途に適した温度計器であり続けています 一方、測温抵抗体 (測温抵抗体) は一般に、絶対範囲よりも厳しい精度と中程度の温度での長期安定性が重要な場合に選択されます。サーミスタは通常、狭い範囲の低コスト監視タスク用に予約されており、プロセス媒体との物理的接触が非現実的または安全でない場合には、赤外線または非接触温度計が使用されます。

広い工業的な意味での温度計測器には、物理​​的な温度を使用可能な電気信号または視覚信号に変換する感知素子、保護アセンブリ、送信機、表示器、およびコントローラーが含まれます。このカテゴリには、スポット チェックに使用されるシンプルなバイメタル ダイヤル温度計から、連続プロセス監視用のサーモウェルに取り付けられた熱電対および 測温抵抗体 アセンブリ、分散制御システムとデジタル通信するスマート温度トランスミッタまでが含まれます。基礎となるセンシング技術は、熱、振動、腐食、電気ノイズの下では異なる動作をするため、ある用途では良好に機能する温度計測器が、別の用途では適合しない可能性があります。そのため、選択基準についてはこの記事の後半で詳しく説明します。

続きを読む前に素早い意思決定の枠組みが必要な読者のために、短いバージョンを以下に示します。高温または過酷な環境には熱電対を選択してください。中程度の範囲での精度と再現性を重視して 測温抵抗体 を選択します。高速応答と低コストが重要なコンパクトな低範囲監視にはサーミスターを選択してください。接触感知が不可能な場合は、赤外線温度計を選択してください。この記事の残りの部分では、構造の説明、比較データ、メンテナンス ガイダンス、および工業用温度計の現在の業界の方向性によって、これらの各点を詳しく説明します。

重要なポイント: 温度機器を正しく選択するには、アプリケーションごとに単一の機器タイプを選択するのではなく、検出原理を温度範囲、必要な精度、設置環境に適合させることから始まります。

一般的な温度計の種類とその特徴

工業用温度計はいくつかの確立されたファミリーに分類され、それぞれが異なる物理測定原理に基づいて構築されています。これらのファミリーを理解することは、新規または既存のプロセス ライン用の機器を指定する際に、エンジニアや調達チームが温度計のメーカーや温度計のサプライヤーと明確にコミュニケーションをとるのに役立ちます。以下に説明する 5 つのカテゴリは、製造、エネルギー、化学処理、ビル管理アプリケーションで使用される温度計の大部分をカバーしています。

それぞれのタイプが現場でどのように適用されるかを検討する前に、これらのさまざまな温度機器の需要が産業分野全体にどのように分布しているかを大まかに把握しておくと役立ちます。以下のチャートは、正確な市場数値ではなく一般的な比例感を与えることを目的として、工業用計器の使用において一般的に観察されるパターンから構築された例示的な表現です。これは、温度計の需要を 5 つの広範な分野に分類しており、これらの分野は産業用監視および制御プロジェクトで定期的に現れます。温度機器のメーカーやサプライヤーを評価する読者は、特定のタイプの機器がどこに集中する傾向があるかを理解するための出発点として、この種の部門の内訳を使用できます。パターンが一目で解釈しやすいように、セグメントは意図的に広く保たれています。

このグラフを最大のセグメントから下に読んでいくと、電力およびエネルギー設備が例示的な需要の最大の単独シェアを占めており、これは安全な運転のために連続温度計に依存している膨大な数のボイラー、タービン、および熱交換器と一致しています。冶金学と金属加工も密接に続き、プロセス温度が定期的に 1000°C を超える炉、窯、鋳造ラインでの高温熱電対の広範な使用を反映しています。化学プラントと石油化学プラントは 3 番目に大きなセグメントを形成しており、温度計はプロセス制御と反応温度制限に関連付けられた安全インターロックの両方に使用されます。食品および製薬施設、HVAC または建築システムは、それぞれ小さいながらも安定したシェアを占めており、一般に RTD とサーミスターが好まれます。これは、そのプロセスが摂氏数百度を超えることはほとんどなく、代わりに精度と再現性が優先されるためです。これら 5 つのセグメントを総合すると、単一タイプの温度計が市場を独占できない理由がわかります。セクターが異なれば、重量範囲、精度、耐久性も異なります。冶金やエネルギーなどの重工業部門では、振動、熱サイクル、機械的ストレスに耐えることができる熱電対や頑丈なサーモウェル アセンブリに需要が集中する傾向があります。製薬や食品加工などの精度重視の分野では、RTD や校正済みサーミスタに需要が集中しており、多くの場合、絶対温度範囲よりも追跡可能な精度が重要です。 HVAC およびビルディング オートメーション システムでは、対象範囲が狭く、小さな測定誤差による影響が限定されているため、通常、よりシンプルで低コストの温度計が使用されます。このパターンは、多くの温度計メーカーが 1 つのセンシング技術だけに特化するのではなく、複数のセンシング技術にわたる製品ラインを維持している理由も説明しています。温度計のメーカーやサプライヤーを比較する調達チームにとって、提案された計器がもともとどの分野向けに設計されたかを理解することは、同様の用途でどのように機能するかを知るための有用な代用となる可能性があります。全体として、この例示的なセクター構成は、導入部で述べた点を補強するものです。機器の選択は、1 つのセンシング技術に対する一般的な好みではなく、プロセスの特定の要求に従う必要があります。

重要なポイント: 熱電対、RTD、サーミスター、赤外線センサー、バイメタル温度計はそれぞれ、範囲、精度、環境の異なる組み合わせに役立ちます。重工業では一般に堅牢性が重視され、精密分野では安定性が重視されます。

温度計の動作原理と構造設計

すべての温度計は最終的に温度値を報告しますが、その測定の背後にある物理的メカニズムはテクノロジーによって異なります。熱電対は、2 つの異なる金属合金の接合部から小さな電圧を生成します。その電圧の大きさは、測定接合部と基準点の間の温度差に関連します。これはゼーベック効果として知られており、熱電対が生の信号を生成するために外部励起電力を必要としない理由はこれです。その代わりに、RTD は、ほとんどの純金属、特にプラチナは、温度が上昇すると電気抵抗が非常に予測可能かつ再現性高く増加するという事実を利用しています。そのため、素子を流れる小さな測定電流により、抵抗、ひいては温度を高精度で計算できます。サーミスタは、温度とともに抵抗が急激かつ非線形に変化する半導体セラミックを使用しており、線形性を犠牲にして狭い範囲にわたって強い感度を与えます。赤外線温度計は、絶対零度を超えるあらゆる物体から自然に放射される赤外線を測定し、その放射の強度とスペクトル特性を物理的接触なしで温度測定値に変換します。

感知素子自体以外にも、ほとんどの工業用温度計は、信号配線をトランスミッター、コントローラー、または制御システムに安全に引き出せるようにしながら、感知チップを保護するように設計された共通の構造レイアウトを共有しています。以下の図は、プロセス配管または容器で使用される一般的な熱電対または RTD アセンブリを示し、検出素子、保護チューブ、サーモウェル、および接続ヘッドがどのように組み合わされるかを示しています。

上に示したアセンブリでは、検出チップは保護チューブの閉端に設置されており、測定ジャンクションまたは抵抗要素がプロセス流体またはガスと直接接触するのを防ぎます。継続的な浸漬と校正のための定期的な取り外しの両方が必要な場合は、別個のサーモウェルをプロセスパイプまたは容器壁にねじ込むか溶接することで、プロセスの封じ込めを壊したりラインを減圧したりすることなく、センサーと保護チューブを引き出すことができます。感知素子からの配線は、保護チューブを通って接続ヘッド内に収容された端子台まで伸び、そこでリモート送信機につながる延長線、または一体型のヘッドマウント送信機に直接接続されます。接続ヘッドには通常、湿気や汚染物質を端子ブロックから遠ざけるためのケーブル グランドまたは導管の入り口も含まれており、これは機器の寿命にわたって安定した信号品質を維持するために重要です。

重要なポイント: 感知素子は温度機器が熱を測定する方法を決定し、保護チューブ、サーモウェル、接続ヘッドは実際のプロセス条件に耐える測定の信頼性を決定します。

温度計のアプリケーションシナリオと選択基準

温度計の仕様は、過酷な環境に耐えること、厳しい精度の達成、変化への迅速な対応、プロセスとの物理的接触の回避のいずれを優先するかに応じて異なります。以下の表は、一般的なアプリケーション シナリオと、候補となる機器を評価するために通常使用される選択基準を分けたもので、温度機器サプライヤー向けの仕様を作成する際に並べて読むことができます。

実際の選考プロセスは通常、業界に関係なく一貫した順序に従います。これらの手順を順番に実行すると、最初に機器のタイプを選択し、後でそれをアプリケーションに強制的に適合させようとするというよくある間違いを避けることができます。

1. 通常の動作温度だけでなく、短時間のアップセット状態も含めて、プロセスが到達できる最低温度と最高温度を定義します。
2. プロセスを管理する制御戦略、品質システム、または規制要件によって要求される精度と再現性を決定します。
3. 保護チューブやサーモウェルの材料の選択に影響を与えるプロセス媒体と、腐食性、摩耗性、または高圧条件を特定します。
4. 既存のプロセス接続に適合するために必要な、ねじサイズ、フランジ定格、挿入長さなどの機械的インターフェイスを確認します。
5. 信号出力（ミリボルト、抵抗、4 ～ 20 mA、またはデジタル プロトコル）を受信トランスミッター、コントローラー、または監視システムに合わせます。
6. 手の届きにくい場所にある機器は、プロセスをシャットダウンせずに校正または交換できる設計の恩恵を受けるため、メンテナンスへのアクセスを確認してください。

重要なポイント: 使い慣れた機器タイプをデフォルトとするのではなく、アプリケーション シナリオを定義された順序で選択基準に一致させることで、早期故障や測定の不正確さのリスクが軽減されます。

温度計の種類の詳細な比較

熱電対、RTD、サーミスター、赤外線温度計のどれを選択するかは、多くの場合、各タイプが実際に温度スケールの異なる部分をどのようにカバーするかによって決まります。以下の積み上げ棒グラフは、一般的に説明されている産業用途に基づいて、各機器タイプが低温、中温、および高温のアプリケーション帯域全体にどのように分布する傾向があるかの代表的なパターンを示しています。これは、正確な統計的内訳ではなく、相対的な範囲の範囲を比較するための一般的な参考として意図されています。各バーを左から右に読むと、200℃未満の低帯域、200℃から800℃の間の中帯域、および800℃を超える高帯域に該当するその機器タイプの一般的な使用のおおよその割合が示されます。このビューは、温度機器メーカーの特定のモデルを比較する前に機器ファミリーを絞り込む場合に特に役立ちます。

熱電対バーは、800°C を超える高温帯域で最も重い濃度を示します。これは、S、R、B などの貴金属タイプが一般的である炉、窯、金属加工ラインで広く使用されていることと一致しています。 RTD バーは逆のパターンを示し、低帯域と中帯域に集中しています。これは、標準のプラチナ要素では 800°C を超える精度を維持することが難しい精密用途におけるその役割を反映しています。サーミスタは 200°C 未満の低帯域でさらに鋭い集中を示し、これは工業プロセスの熱ではなく、HVAC、冷凍、および一般的な電子機器の温度検出における一般的な使用と一致しています。赤外線機器は高帯域に偏ったパターンを示します。これは、接触センサーを取り付けることができない圧延鋼板や回転炉シェルなどの高温の移動表面の測定に頻繁に使用されることを反映しています。 4 つのバーをすべて比較すると、精度やコストが議論に入る前に、範囲のカバー範囲だけで 2 つまたは 3 つの候補テクノロジを除外するのに十分であることがわかります。また、RTD と熱電対が、一方が他方を置き換えるのではなく、同じ施設内で頻繁にペアになる理由もわかります。これは、それぞれが他方では処理できない温度スケールの一部をカバーするためです。 200 °C または 800 °C 近くで動作するプロセスなど、バンド境界付近にあるアプリケーションの場合、このグラフはどちらのファミリーも技術的に実行可能である可能性があることを示唆しており、最終的な選択は多くの場合、この記事の他の場所で説明されている精度要件や設置上の制約に帰着します。また、この比較は、異なる表面材質間の放射率の変化が測定精度に影響を与える可能性があるため、非常に広い公称範囲をカバーしているにもかかわらず、赤外線温度計が普遍的ではなく選択的に使用される理由を裏付けています。以下の表 2 は、精度、応答速度、メンテナンスに関する考慮事項を含めてこの比較を拡張し、より完全な比較参照を提供します。

重要なポイント: 範囲範囲により、候補となる温度計の分野がすぐに絞り込まれますが、精度、応答速度、メンテナンスの必要性が、その絞り込まれた分野内での最終的な選択を決定します。

温度機器のメンテナンスと校正のガイダンス

温度計は、合金の汚染、機械的ストレス、絶縁破壊、または定格限界を超える条件への曝露により、時間の経過とともにドリフトするため、測定値の信頼性を維持するには、体系化されたメンテナンスおよび校正スケジュールが重要です。熱電対は特に、高温が持続すると酸化や合金の移動によってドリフトする傾向があり、外部に明らかな故障の兆候がなくても、読み取り値が徐々に変化する可能性があります。一般に、RTD は時間の経過とともに安定しますが、機械的衝撃やリード線接続部での湿気の侵入には依然として敏感であり、温度変化を模倣する抵抗誤差が生じる可能性があります。励起電流が適切に制限されていない場合、サーミスタは自己発熱効果によりシフトする可能性があり、レンズ ウィンドウが汚れたり、傷がついたり、曇ったりすると、赤外線機器がドリフトする可能性があり、これにより検出器に到達する赤外線の量が変化します。

実際のメンテナンス ルーチンには通常、配線とハウジングの目視検査、参照標準との定期的な比較、および単一の固定カレンダー スケジュールではなく動作の重大度に基づいた文書化された交換間隔が含まれます。高振動、腐食性雰囲気、頻繁な熱サイクルなど、より過酷な条件で稼働する施設は、通常、安定した穏やかな稼働環境の施設よりも頻繁な校正チェックが必要です。以下のヒートマップは、工業用温度機器について一般的に報告されているメンテナンス パターンに基づいて、環境の厳しさレベルや機器の種類によって校正の注意の必要性がどのように変化するかを図解的に示しています。濃い陰影は、相対的に高い推奨注意レベルを表し、明るい陰影は、相対的に低い注意力を表します。この種のマトリックスは、メンテナンス プランナーが、施設内のすべての温度機器に 1 つの均一なスケジュールを適用するのではなく、混合機器全体にわたって校正リソースの優先順位を付けるのに役立ちます。

ヒートマップを行ごとに読み取ると、重大度の低い環境では、すべての機器タイプにわたって一般に明るい陰影が見られます。これは、安定した、クリーンな、低振動の条件では、その基礎となる原理に関係なく、センシング テクノロジにかかるストレスが最小限であるという事実を反映しています。重大度が中程度の行に移ると、熱電対、RTD、およびサーミスタベースの要素全体で陰影が適度に深くなり、中程度の振動または熱サイクルによって、それ以外は安定しているテクノロジーであっても、測定可能な校正注意が必要になり始めることが示されています。重大度の高い行は、全体的に最も暗い陰影を示しており、RTD およびサーミスタベースのトランスミッタ素子が最も高い例示的注意レベルに達しており、これは、リード接続での機械的衝撃や、持続的な過酷な条件下での自己発熱やドリフトに対する感度が高いことと一致しています。重大度の高い列の熱電対も、RTD よりわずかに低いものの、高いシェーディングを示しており、応力下で突然故障するのではなく、徐々に合金がドリフトする既知の傾向と一致しています。ソリッドステート コンポーネントは一般に、感知素子自体に最も影響を与える機械的ストレスや熱的ストレスに対する感度が低いため、送信機の電子機器は 3 つの重大度行すべてにわたって比較的明るいシェーディングを示します。このパターンは、過酷な環境で作業するメンテナンス チームが、すべての種類の機器を同じように扱うのではなく、より頻繁な校正チェックのために RTD およびサーミスター回路を優先する必要があることを示唆しています。また、熱電対は頑丈であるという評判にもかかわらず、高温または高振動の要求が厳しい設置においては、計画的なドリフト検証によって依然としてメリットが得られることも示唆しています。複数の機器が混在する施設の場合、この種のマトリックス ビューは、濃い色の陰影で示された組み合わせにより頻繁なチェックを割り当て、明るい色の組み合わせに低い頻度のチェックを割り当てるリスクベースの校正プログラムをサポートできます。文書化された校正記録は、認識された基準標準まで追跡可能であり、機器の種類間で注意がどのように優先されるかに関係なく、メンテナンス プログラムの重要な部分であり続けます。最終的には、単一の一括間隔ではなく、校正頻度を実際の環境の厳しさに合わせることで、温度機器を必要な精度許容範囲内に保ちながら、メンテナンス リソースをより効率的に使用できる傾向があります。

重要なポイント: 温度機器の校正頻度は、施設全体の 1 つの固定スケジュールに従うのではなく、環境の厳しさと機器の感度に応じて調整する必要があります。

温度計測機器を形成する業界のトレンド

いくつかの傾向が、工業用温度計の仕様、設置、保守の方法を徐々に変えつつあります。温度トランスミッターと産業用モノのインターネットプラットフォームの統合により、定期的な手動によるスポットチェックを超えて、継続的な読み取り値の記録とリモート分析が可能になります。無線温度トランスミッターは、回転装置や広く分散したタンクファームなど、信号ケーブルの敷設が高価であるか非実用的である場所で使用されることが増えています。過去の温度傾向データに基づいて構築された予知保全分析により、ハード アラームやプロセスの異常がトリガーされる前に、段階的なドリフトや異常な熱挙動にフラグを立てることができます。単一の大きなプローブではなく、小さなセンサーのアレイを使用する多点温度監視は、温度が広い物理領域にわたって大きく変化する可能性がある大型の貯蔵タンクや拡張された反応容器などの用途でより一般的になりつつあります。

これらの技術トレンドに加えて、施設が正式な保守管理システムを採用するにつれて、校正コンプライアンスと文書化の実践もより構造化されてきています。以下のゲージチャートは、正式な定期校正プログラムを実施している施設が、一般的に説明されている保守プログラムのパターンに基づいて、温度計の計画校正間隔をどのように一貫して遵守する傾向があるかを説明する図を示しています。これは、正確な業界全体の統計ではなく、プログラム規律の一般的な指標として意図されています。一般に、遵守率が高いということは、計画外の機器の故障が少なく、メンテナンスの予算がより予測可能であることと相関しています。これに対し、正式なプログラムを持たない施設は、障害が発生してすでにプロセスデータの品質に影響が出た後、事後対応型の交換に大きく依存する傾向があります。

ゲージは、利用可能なアークの約 5 分の 4 を占める例示的な遵守レベルを示しています。これは、温度機器の正式な校正スケジュールをすでに約束している施設の中で、比較的高い、しかし完全ではないレベルのプログラム規律を表しています。円弧の残りの埋められていない部分は、計画された校正チェックを遅らせる生産スケジュールやメンテナンス部門の一時的な人員不足など、通常は運用上のプレッシャーから生じるギャップを表しています。このパターンは、保守専門家が校正プログラムのパフォーマンスについて議論するときに一般的に説明する内容とほぼ一致しています。正式なプログラムは、アドホックなアプローチと比較して一貫性を大幅に向上させますが、すべてのサイクルで完全に完了することはほとんどありません。ゲージ形式は、閲覧者が複数のデータ系列を一度に解釈する必要がなく、パフォーマンスが定義された目標にどの程度近づいているかを即座に視覚的に把握できるため、この種の単一メトリクスの追跡に特に役立ちます。工業用温度計の校正プログラムを正式化するかどうかを評価している施設にとって、この範囲内の遵守レベルの例は、完全な準拠への非現実的な飛躍を必要とせずに、有意義な改善が達成可能であることを示唆しています。この種の指標を単一のスナップショットとしてではなく、時間の経過とともに追跡することにより、施設は、スタッフがプログラムに慣れるにつれて順守が増加傾向にあるのか、それとも競合する優先事項が徐々に増えてくるにつれて順守が下降傾向にあるのかを確認することもできます。多くの施設では、この種の追跡と、コンピューター化された保守管理システムによって生成される自動リマインダーを組み合わせて、手動のスケジュール設定や紙の記録への依存を減らしています。ワイヤレスおよび IIoT 接続の温度トランスミッターがより一般的になるにつれて、この遵守追跡の一部は、ライブセンサーの読み取り値を同じ監視プラットフォームに保存されている予想される校正期限と比較することによって部分的に自動化できます。接続された計装と構造化されたメンテナンス追跡のこの統合は、温度計装分野が近年向かって進んでいるより明確な方向性の 1 つです。新しい計測器を調達する組織は、堅牢な物理構造と互換性のあるデジタル出力の両方をサポートする温度計測器メーカーと協力することで、今後のこうした接続された監視および校正追跡のトレンドに参加しやすくなります。これらの傾向のいずれも、この記事の前半で説明した正しい楽器の選択とサウンドの設置方法の基本的な必要性を排除するものではありません。代わりに、適切に指定された温度計の上に可視性と規律の層が追加されます。

重要なポイント: 信頼性を向上させ、計画外のダウンタイムを削減するために、接続されたトランスミッター、予測分析、構造化された校正追跡が、厳選された温度機器の上にますます階層化されています。

Xinguoグループと温度計の製造能力について

この記事で説明する熱電対および RTD アセンブリの多くの背後には、合金の製造と機器の組み立てを 1 つの組織の下で組み合わせる製造拠点があります。 Xinguo Group Co., Ltd.は、安徽Xinguo Instrument Co., Ltd.、Anhui Xinguo Alloy Co., Ltd.、Anhui Xinguo Cable Co., Ltd.、Anhui Xinguo Precious Metals Co., Ltd.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、国家文明モデル都市である安徽省天昌市に位置しています。 Xinguo Group は 1997 年に設立され、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運営されており、敷地面積は 150 エーカー以上、建設面積は 60,000 平方メートルです。

Xinguo Group は熱電対合金ワイヤと完成した工業用計器の両方を同じグループ構造で製造しているため、この組織は未加工のセンシング合金とそれを中心に構築された完成した温度計器アセンブリとの間の一貫性を必要とする顧客をサポートする立場にあります。この構造は、保護チューブの材質の適合性、端子と接続ヘッドの構造の重要性、厳しい産業環境で動作する温度機器に課せられる一般的な信頼性の期待など、この記事の前半で取り上げたいくつかの点に関連しています。熱電対、RTD、サーモウェル、または関連する工業用温度計器を調達する施設は、範囲、精度、環境適合性、自社のプロセスに特有の信号出力要件と並んで、この種の合金と計器の統合製造の背景を、上で説明した選択基準の 1 つの要素として考慮することができます。

重要なポイント: 合金と機器の一貫生産を行うメーカーから温度機器を調達することで、センシング材料と完成したアセンブリの品質の一貫性をサポートできます。

温度計に関するよくある質問