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測定部の選び方

熱電対の選定

測定温度で選定

熱電対には、二種類の金属導体の組み合わせ方で以下の8種類があります。

種類の記号 構成材料 測定範囲
+極 -極
B ロジウム30%を含む
白金ロジウム合金
ロジウム6%を含む
白金ロジウム合金
+600~+1700℃
R ロジウム13%を含む
白金ロジウム合金
白金 0~+1100℃
S ロジウム10%を含む
白金ロジウム合金
白金 +600~+1600℃
N ニッケル、クロムおよび
シリコンを主とした合金
ニッケルおよびシリコンを
主とした合金
-200~+1200℃
K ニッケルおよびクロムを
主とした合金
ニッケルおよびアルミニウムを
主とした合金
-200~+1200℃
E ニッケルおよびクロムを
主とした合金
銅およびニッケルを
主とした合金
-200~+900℃
J 銅およびニッケルを
主とした合金
-40~+750℃
T 銅およびニッケルを
主とした合金
-200~+350℃

B/R/S熱電対は貴金属熱電対、N/K/E/J/T熱電対は卑金属熱電対と呼ばれます。
白金、ロジウムといった融点の高い金属が含まれる貴金属熱電対は+1000℃以上の測定に使用され、+1000℃未満の測定には卑金属熱電対が使用される傾向にあります。
以下、各熱電対の特徴を記載します。

B 熱電対 他の貴金属熱電対と比較してロジウムの含有量が多いので、融点および機械的な強度が増していて、長寿命です。起電力が極めて低く、低温領域の測定は不可能です。基本的にR/S熱電対で測定できないような、更に高温の領域を測定する場合に選定します。
R/S 熱電対 高温領域で耐久性が必要な場合に選定します。貴金属熱電対の中ではR熱電対が最も使用されます。
N 熱電対 安価に+1000℃以上の高温領域を測定したい場合に選定します。
K 熱電対 貴金属熱電対と比較すると安価ですので、現在工業用として最も普及しています。起電力特性の直線性が優れていて、耐熱・耐食性も高いので、まずはK熱電対を使用することから考えます。
E 熱電対 1℃あたりの起電力が非常に高く、分解能が優れているタイプです。特に精度良く温度を測定したい場合に選定します。
J 熱電対 E熱電対についで1℃あたりの起電力が高く、分解能が優れているタイプです。E熱電対よりも安価なのも特長です。
T 熱電対 低温領域(-200~+300℃)の起電力特性がいいタイプです。低温領域を精度良く測定したい場合に選定します。

測定温度で選定

環境性と応答性で選定

熱電対の素線は、酸化や腐食性雰囲気での耐久性を持たせるために、通常は外気から遮断します。
外気から遮断するため、金属の被覆と一対の熱電対素線の間に、粉末状の無機絶縁物を充填封入して加工した熱電対のことを、"シース型熱電対"といいます。

シース型熱電対の特長

シース型熱電対の特長

  • 機械的強度が大きいことによる、優れた曲げ特性と耐衝撃性
  • 耐食性、耐圧性に優れる

これらの特長から、十数年前に実用化されて以来、
使用実績は徐々に拡大しています。

シース型熱電対の特長

シース熱電対の測温接点

使用用途に応じて最適な接点形を選定します。

シース熱電対の測温接点には3通りあります

  • ・接地型
    熱電対の素線をシースの先端部に直接溶接して測温接点を作ったシース熱電対です。応答性が早いのが特長です。素線がシースに接地していますのでノイズのある場所、危険な場所での使用はできません。
  • ・非接地型
    熱電対の素線をシース部と絶縁し、測温接点を作ったシース熱電対です。応答性は接地型には劣りますが、長時間の使用に耐え、また、ノイズのある場所、危険な場所でも影響されずに使用可能です。
  • ・露出型
    熱電対の素線をシースから露出し、測温接点を作ったシース熱電対です。応答性は3タイプの中では最も早く、わずかな温度変化も追従します。エンジンテストなど、早い応答性が求められる場合に使用します。ただ、強度は著しく低いので基本的には使い捨てで使用します。

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測温抵抗体の選定

抵抗素子で選定

測温抵抗体には大別して以下の4種類があります。

種類 測定範囲
白金測温抵抗体 -200~+660℃
銅測温抵抗体 0~+180℃
ニッケル測温抵抗体 -50~+300℃
白金・コバルト測温抵抗体 -272~+27℃

以下、各測温抵抗体の特徴を記載します。

白金測温抵抗体

温度による抵抗値変化が大きく、安定性と精度が高いことから工業用計測に最も広く使用されています。
白金測温抵抗体の種類は以下の3つに大別されます。

記号 0℃における抵抗値 抵抗比率
Pt100 100Ω 1.3851
Pt10 10Ω 1.3851
JPt100 100Ω 1.3916

抵抗比率:100℃における抵抗値/0℃における抵抗値

Pt100が最も多く使用されています。
Pt10はIEC規格に規定がありますので、JIS規格に追加されていますが、使用実績はほとんどありません。
JPt100は1989年以前、JIS規格上では旧Pt100でした。
1989年のJIS規格改正時に、IEC規格に合わせて新Pt100(現在のPt100)を制定した際、旧Pt100をJPt100という記号に変えて残しましたが(市場の混乱を防ぐため)、1997年のJIS改正時に廃止されました。

銅測温抵抗体

温度特性のばらつきが小さく、安価です。ただし、抵抗率(固有抵抗)が小さいため小型化できません。
また、高温で酸化しやすいので+180℃程度が使用上限温度になります。

ニッケル測温抵抗体

1℃あたりの抵抗値変化が大きく、安価です。
ただし、+300℃付近に変態点があるなどの理由で使用上限温度が低いです。

白金・コバルト測温抵抗体

抵抗素子に白金・コバルト希薄合金を使用したセンサで、極低温計測用に使用されます。

精度で選定

測温抵抗体の精度は”測定温度に対する許容差”としてJIS規格に定められています。

クラス 許容差(℃)
A ±(0.15+0.002│t│)
B ±(0.3+0.005│t│)

│t│:測定温度の絶対値

内部導線の結線方式で選定

内部導線の結線方式は2線式、3線式及び4線式があります。

内部導線の結線方式で選定

  • 【2線式】
    抵抗素子の両端にそれぞれ1本ずつ導線を接続した結線方式です。
    安価ですが、導線抵抗値がそのまま抵抗値として加算されますので、あらかじめ導線抵抗値を調べて補正をする必要があります。そのため、実用的ではありません。
  • 【3線式】
    最も一般的な結線方式です。抵抗素子の片端に2本、もう片端に1本の導線を接続した結線方式です。
    3本の導線の長さ、材質、線経及び電気抵抗が等しい場合、導線抵抗の影響を回避できることが特徴です。
  • 【4線式】
    抵抗素子の両端に2本ずつ導線を接続した結線方式です。
    高価ですが、測定原理上、導線抵抗の影響を完全に回避できます。

なぜ3線式測温抵抗体は導線抵抗の影響を受けないか?

なぜ3線式測温抵抗体は導線抵抗の影響を受けないか?

図に示すように、3線式測温抵抗体は抵抗素子の片端に2本、もう片端に1本の導線を接続した測温抵抗体です。
抵抗素子の抵抗値をR、3本の導線抵抗をR1、R2、R3(R1=R2=R3)とすると、規定電流はA→B→Cの経路を流れます。
(BとDは同電位なのでR2には流れない)

3線式測温抵抗体が配線されたレコーダはこのときA-B間の電圧とB-C間の電圧を測定し、その差分を計測値とします。

流れる電流値は一定ですので、それぞれの抵抗を流れる電圧を
R:V
R1、R3:V1
とすると
(B-C間の電圧)-(A-B間の電圧)
=(V+V1)-(V1)
=V
となり、導線抵抗の影響を回避することができます。

構造で選定

【1】 一般型(保護管付)測温抵抗体

抵抗素子に内部導線を接続し、保護管に納め、端子を取り付けて使用するという、測温抵抗体の最も基本的な構造です。
耐震性・耐蝕性の高い保護管も選ぶことができ、また、安価で扱いやすいことがメリットです。
その反面、下記のシース測温抵抗体と比較するとサイズが大きくなりますので、応答性が遅いことがデメリットです。

一般型(保護管付)測温抵抗体

【2】 シース測温抵抗体

金属細管(シース)と内部導線及び抵抗素子の間に高純度のMgO(酸化マグネシウム)を充填し、一体に加工された構造です。
シース測温抵抗体は、細く、シース内に空気層が全くありませんので、応答性が速いことが最大のメリットです。
また、形状を自由に曲げることができる点や、外径を細くできる点もメリットになります。

シース測温抵抗体

「ダブルエレメント」とは何?

測温抵抗体の抵抗素子部分のことをエレメントと呼ぶことがあります。
通常、1つの測温抵抗体の内部には1つの抵抗素子のみ存在し、これをシングルエレメントと呼びます。
ダブルエレメントとは1つの測温抵抗体の内部に2つの抵抗素子が入っているタイプの測温抵抗体のことをいいます。

  • ・内部導線の断線など、故障に対する信頼性を向上させたい場合
  • ・複数の機器(レコーダと温調器など)に同じ測定値を表示、記録したい場合に使用します。

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放射温度計の選定

使用方法で選定

放射温度計には大別して以下の2種類があります。

携帯型(ハンディタイプ)

携帯型(ハンディタイプ)

検出部と変換部の区別がなく、両者が一体に構成された放射温度計です。小型かつ軽量であり、携帯して手に持って温度を測定することが可能です。

設置型

設置型

検出部と変換部が構造上別体に分かれており、両者を接続ケーブルで電気的に結合する放射温度計です。
固定して温度を測定します。

物体のサイズと測定距離で選定

放射温度計は測定できる範囲(スポット径と呼びます)と測定距離が決まっています。
正確に温度を測定するためには決まったスポット径と測定距離で使用する必要があります。

物体のサイズと測定距離で選定

上図は放射温度計のスポット径と測定距離の関係を示します。
放射温度計を選定する際、必ずスポット径が物体よりも小さいことをご確認ください。

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