なぜ 熱対 は 高精度 の 温度 測定 に おい て 好ましい 選択 です か

通常尋ねられる質問には、データシートの比較に耐えられない仮定が含まれています。熱電対は入手可能な温度センサーの中で最も正確ではないため、熱電対としては販売されていません。白金測温抵抗体は室温付近で約 ±0.15 °C の許容差に達しますが、狭い帯域ではサーミスタの方が優れています。タイプ K 熱電対は、使用中にドリフトが発生する前に、国際公差標準に従って ±1.5 °C から始まります。

熱電対がどちらよりも優れている点は、単一の抵抗センサーでは到達できない範囲をカバーし、過酷な環境に耐え、直径数ミリメートルのスペースに収まり、ミリ秒で応答できることです。この組み合わせが工業用測定の主流となっている理由であり、精度とは異なる主張です。 40 °C で ±0.1 °C を必要とする購入者は熱電対を購入すべきではありません。また、窯内で 1,300 °C での測定値が必要な購入者には他に選択肢がありません。

このページでは、正直に比較を設定し、熱電対の精度が実際にどこから来るのかを示します: ワイヤの公差クラス、使用中にワイヤに作用する 2 つのドリフト機構、冷接点、および校正ポイント。この 4 つの項目が結果を決定しますが、そのどれもがセンサー本体ではありません。

以下の比較は、仕様の出発点となります。番号は各ファミリの典型的なものであり、特定の製品とともに移動するため、部品を選択するためではなく、ファミリを配置するために使用されます。

最初の行を 2 番目の行と比較して読みます。範囲が最も広いファミリーは許容範囲が最も緩く、許容範囲が最も狭いファミリーは範囲が最も狭いです。それはどちらの製品の欠陥でもありません。これが両方が存在する理由であり、最も広い範囲と最も厳しい許容誤差を同時に要求する仕様では、どのセンサーも実現できない組み合わせが要求されます。

IEC 60584-1 では、熱電対の出力許容差をタイプおよびクラスごとに設定しており、許容差は固定度数または測定温度の分数として表されます。この表は、約 0.1 mm ～ 3 mm のワイヤ直径に対する、一般的な卑金属および貴金属タイプのクラス 1 およびクラス 2 の制限を示しています。

そのテーブルの 2 行には、残りの行よりも多くの情報が含まれています。タイプ T は、125 °C 未満±0.5 °C の低温で最も緊密な卑金属タイプであり、そのため極低温および医療現場で使用されるのです。タイプ S および R は貴金属タイプであり、その許容差は 1,100 °C 未満では±1.0 °C で温度にほぼ依存しません。これは、範囲を読み取るまではタイプ K より悪く聞こえます。1,000 °C でのタイプ K は ±4 °C が許容されますが、貴金属タイプは依然として ±1 °C が許容されます。

この規格には、公差がカバーしない範囲についても記載されています。この制限は供給されたワイヤに適用され、使用中の校正ドリフトは許容されません。この文が次のセクションの存在理由です。

熱電対は証明書の値にとどまりません。熱電素子は使用中に変化し、その変化は特定の温度でペアが生成する電圧の変化として現れます。タイプ K では、2 つの変化が反対方向に作用するため、単一の補正係数ではそれらを修正できません。

最初のメカニズムは、正の熱電素子であるニッケルクロム合金の原子配列の変化です。約 200 °C から 600 °C の間で、合金は短距離秩序を発達させます。これは、原子が新しい相を形成することなく局所的に優先された配置をとることを意味します。この順序により合金のゼーベック係数が上昇するため、熱電対の読み取り値は高くなります。この効果は時間に依存し、特定の温度で最大値に向かって増大し、最大の変化は 400 °C 付近で発生します。 600 °C を超えると、正の熱電素子は完全に無秩序になり、効果は逆転します。

2番目のメカニズムは酸化です。ニッケルクロム合金ではクロムが優先的に酸化し、合金のクロム含有量は連続した外部クロム酸化物層を形成できるほど高くありません。その結果、クロムを豊富に含む酸化物層の上に外部の酸化ニッケルが形成され、その層を形成するクロムはその下の金属から取り出されます。合金はクロムが減少したままであり、クロム含有量が低いほどゼーベック係数が低いことを意味するため、熱電対の読み取り値は低くなります。

実際的な結果は、両方のバンドを観測したタイプ K 熱電対には正味誤差があり、その符号は設置履歴に依存し、それを知る唯一の方法は測定することです。サービス後の校正チェックは合計を明らかにする装置であり、キャンペーン後に校正研究所に返却されたプローブが、プローブがどれだけ移動したかを知るための信頼できる唯一の方法です。

熱電対は絶対温度ではなく差を測定します。生成される電圧は熱接点でのゼーベック効果と端子でのゼーベック効果の差であるため、機器は結果を報告するために端子温度を知る必要があります。それが冷接点であり、その誤差は減衰することなく測定値に直接反映されます。

3 つの方法が一般的に使用されており、それぞれが想定している内容が異なります。固定基準は端子を既知の温度に保持します。これまでは氷浴が使用されていましたが、現在はサーモスタット付きブロックが使用されています。補償端子は、別個のセンサーで端子温度を測定し、対応する電圧を電子的に加算します。等温ブロックは、すべての端子が同じ温度であると想定し、その 1 つの温度を 1 回測定します。

削除するのが最も簡単なエラーは、そのまま残されることが最も多いエラーです。プローブヘッドと機器の間に通常の銅ケーブルで取り付けられた熱電対は、移行部に 2 つの新しい接点を作成し、それらの接点はキャビネットの周囲温度になります。測定値はプロセスだけでなくキャビネットの温度にも依存し、その依存性はキャビネットが加熱または冷却されない限り見えません。

このために補償ケーブルが存在します。限られた温度範囲で熱電対の熱電挙動に適合する合金で作られているため、プローブから機器への移行時にエラーが発生することはありません。ケーブルには極性があり、マッチが耐えられる温度範囲があり、正しく接続する必要があります。逆補償ケーブルはジャンクション温度の 2 倍の誤差を生成しますが、これは大きく、機器の故障のように見えます。

公差クラスは製造上の限界であり、特定のプローブに関する記述ではありません。プローブが何を読み取ったかを知る方法はプローブを校正することであり、校正方法の選択によって範囲がどの程度カバーされるかが決まります。

比較校正では、プローブと基準温度計を同じ槽または炉に入れ、一連の点での差を記録します。これは高速であり、浴が到達できる範囲をカバーし、その不確実性は基準と浴の均一性によって制限されます。固定点校正では、プローブを金属の凝固点などの熱力学的相転移に保持します。この温度は基準温度計ではなく物理学によって定義されます。これは遅くて高価であり、使用するポイントでの不確実性が低くなります。

どちらの方法でも、キャリブレーション後に発生するドリフトは除去されません。設置前に校正され、400 °C で 1 年間使用されたプローブには、もはやなくなった状態を説明する証明書が付いています。これを検出する方法は、1 つまたは 2 つのポイントで定期的にチェックし、その結果を元の証明書と比較し、その間隔をカレンダーではなく測定値の移動速度によって設定することです。

熱電対は、代替手段が使用できない場合に最も有効です。表は、それぞれがこの家族に指摘する条件と理由を示しています。

ワイヤの 4 つの特性によって完成した熱電対の性能が決まり、プローブを組み立てる前に 4 つすべてが設定されます。

組成はゼーベック係数を設定し、公差クラスは組成と処理がどの程度厳密に保持されているかを示します。数パーセントのクロム含有量の変動により、タイプ K カップルの出力が許容限界で重要な量だけ変動します。そのため、熱電対ワイヤの合金仕様は、抵抗または構造材料として使用される同じ合金の仕様よりも厳格です。

均一性は、温度勾配がどこに位置するかによって測定値がどの程度依存するかを設定します。不均一に加工されたワイヤや、その長さに沿って組成勾配があるワイヤは、そのどの部分がホットゾーンにあるかに応じて異なる電圧を生成します。そのため、熱電対をコイルから切り取って、その履歴を知らずに取り付けるべきではありません。また、短くなった使用済みのプローブの読み取り値が、交換したプローブと異なる可能性があるのはそのためです。

表面状態は、酸化メカニズムがどれだけ速く進行するかを設定します。きれいで均一な表面を持つワイヤは予測どおりに酸化し、引き抜き跡や残留潤滑剤のあるワイヤは局所的に酸化し、長さに沿ってクロムが不均一に消耗します。

直径によって寿命が決まります。ワイヤが太いほど、酸化層が消費するクロムが失われるまでに時間がかかるため、重いゲージのプローブは同じ炉内でより長く使用できますが、その代わりに応答が遅くなります。この取引は、買い手が応答のための細いワイヤーと生命のための太いワイヤーのどちらかを選択するときに行うものです。

熱電対ワイヤはタイプ、クラス、直径、および絶縁によって注文され、出力を管理する規格は合金を管理する規格とは別のものです。

DLX は、江蘇省常州市で、厚さ 0.025 mm のワイヤ、丸棒から 50 mm、厚さ 0.50 mm ～ 2.5 mm のストリップの熱電対合金を供給しています。この範囲には、タイプ K およびタイプ N のニッケル クロムおよびニッケル シリコン合金、タイプ T およびタイプ J の銅ニッケル合金、タイプ S およびタイプ R のプラチナ ロジウム合金と、適合する補償ケーブル合金が含まれます。

ワイヤは、注文時に指定された合金仕様および公差クラスに基づいて供給され、ご要望に応じて EN 10204 3.1 証明書およびテスト結果に追跡可能な熱数が付属します。有益な質問は、一般的にどのタイプが最も正確であるかということではなく、どのタイプが設置範囲および設置環境全体にわたって許容誤差を保持するかということです。

いいえ、データシートにはそのように記載されています。クラス A の白金抵抗温度計は室温付近で約 ±0.15 °C に達しますが、クラス 1 タイプ K 熱電対の許容範囲は 375 °C 未満で ±1.5 °C です。熱電対は、範囲、サイズ、応答速度、そして過酷な環境に耐える能力の点で優れています。測温抵抗体は、使用できる精度と安定性において優れています。

これは、IEC 60584-1 による製造許容差です。-40 ～ 375 °C では ±1.5 °C、375 ～ 1,000 °C では測定温度の ±0.004 倍、つまり 1,000 °C では ±4 °C です。規格では、この制限は供給された状態のワイヤに適用され、使用中の校正ドリフトは許容されないため、その温度で 1 年間過ごしたクラス 1 プローブはクラス 1 内ではなくなる可能性があると規定されています。

2 つのメカニズムが異なる温度帯域に作用し、測定値を反対方向に押し出すためです。約 200 ～ 600 °C の間で、ポジティブ レッグは短距離秩序を発生させ、ゼーベック係数が上昇して対の読み取り値が高くなります。400 °C 付近で最大の効果が現れます。空気中で約 900 °C を超えると、クロムが酸化し、その下の金属のクロムが減少し、ゼーベック係数が低下し、対の読み取り値が低くなります。正味のエラーは、インストールの履歴によって異なります。

接続することができ、接続によりキャビネットの周囲温度で 2 つの新しい接点が作成されます。測定値はプロセスだけでなく周囲温度にも依存し、その依存性はキャビネットが加熱されるまで見えません。限られた範囲で熱電対に適合する合金で作られた補償ケーブルは、正しいタイプで正しい極性で接続されていれば、エラーを回避できます。

間隔は、固定されたカレンダーではなく、実際に観察されるドリフトに従う必要があります。安定した温度のクリーンな炉内のプローブは、秩序帯を循環するプローブや 900 °C を超える空気中で動作するプローブよりもドリフトが小さくなります。 1 つまたは 2 つのポイントで定期的にチェックし、元の証明書と比較してドリフト レートを算出し、そのレートによって間隔が設定されます。

温度が母材タイプの実用範囲を超える場合、または高温でも公差を維持する必要がある場合。タイプ K はクラス 1 の 1,000 °C で ±4 °C が許容されますが、タイプ S または R は ±1.0 °C ～ 1,100 °C が許容されます。貴金属タイプはコストが高く、汚染に対してより敏感であり、ワイヤの価格よりも温度精度が重要な場合には貴金属タイプが答えとなります。

熱電対は、抵抗センサーが到達しない範囲をカバーし、抵抗センサーが破壊される環境に耐え、ミリ秒で応答するため、工業用温度測定に最適です。これは最も正確なセンサーではなく、センサーとして扱う仕様は誤った前提から始まります。

利用可能な精度は、ワイヤの公差クラス、設置によって生じるドリフト、冷接点、および校正の 4 つの項目によって決まります。タイプ K には、ドリフトには反対方向に作用する 2 つのメカニズムがあり、そのため補正係数がキャリブレーション チェックに代わることはできません。冷接点誤差は減衰することなく読み取り値に反映されます。そのため、補償ケーブルと均一な端子台がプローブと同じくらい重要です。

IEC 60584-1、熱電対、基準関数および許容差。タイプおよび温度範囲別のクラス 1 およびクラス 2 の許容差のソース。タイプ K の ±1.5 °C および ±0.004 倍 t 制限、タイプ T の ±0.5 °C および ±0.004 倍 t 制限、タイプ S および R の ±1.0 °C および ±(1 + 0.003 x (t - 1,100)) の制限が含まれます。

IEC 60584-2、熱電対、許容差は、参照機能の関連文書として使用されます。

タイプ K 熱電対ワイヤに関する技術データを公開し、発生起電力のおおよその変化が 100 °C で 42 マイクロボルト/ケルビン、1,000 °C で 39 マイクロボルト/ケルビン、0 ～ 1,100 °C の連続範囲、-180 ～ 1,350 °C の短期範囲、および標準公差では使用中の校正ドリフトが許容されないという声明を示しています。

タイプ K 裸線熱電対のドリフトに関するケンブリッジ大学の研究結果を発表。 200 ～ 600 °C の間の正の熱電素子における短距離秩序変態、それが生み出すゼーベック係数の増加、400 °C 付近での最大効果、600 °C を超える無秩序状態、およびゼーベック係数を低下させる 900 °C を超える優先酸化によって引き起こされるクロム消耗メカニズムのソース。

IEC 60751、工業用白金測温抵抗体および白金温度センサーを、比較に使用した室温付近でのクラス A 許容差約 ±0.15 °C のソースとして使用します。

ASTM E230、標準化された熱電対の標準仕様および温度起電力テーブル。IEC 基準関数の北米版として使用されます。

ASTM E220、比較技術による熱電対の校正のための標準試験方法。

EN 10204、検査文書。実際のテスト結果を記録し、メーカーの独立した検査担当者によって承認された文書としての 3.1 証明書の定義について説明します。

上記の許容差と温度は、指定されたタイプとクラスの標準値であり、使用中のプローブではなく、供給された状態のワイヤに適用されます。公差は製造上の限界であり、測定の不確かさではありません。特定の測定値の不確かさには、冷接点、延長ワイヤ、機器、および設置によって生じるドリフトが含まれます。タイプ K について説明したドリフト メカニズムは時間の経過とともに作用し、その大きさは温度、雰囲気、および暴露に依存するため、プローブは想定されるものではなく確認される必要があります。測温抵抗体とサーミスタの精度の数値は、指定されたクラスの一般的な値であり、特定の製品によって異なります。製品仕様が改訂され、注文書に記載されているエディションが適用されます。このページのいかなる内容も、エンジニアリング リリースやバイヤーとサプライヤーの間で合意された認定テストに代わるものではありません。