熱電対ワイヤーの説明：原理、部品、種類、および選択
熱電対ワイヤーとは
熱電対ワイヤーとは、2 つの異種金属を接続した温度センサーです。これらの金属が加熱または冷却されると、熱電効果として知られる小さな電圧が発生し、この電圧は2つの接合部の温度差に直接関係します。この電圧は測定され、温度測定値に変換される。
熱電対ワイヤーは、正確な温度監視が重要な産業、科学、商業用途で広く使用されています。熱電対は、炉、オーブン、エンジンなど、高温制御を必要とするプロセスで特に人気があります。熱電対は、温度範囲とアプリケーションの特定のニーズによって異なるタイプが使用されます。
熱電対ワイヤーの動作原理
熱電対ワイヤーの動作の基本原理はゼーベック効果で、異なる温度にさらされた2つの異種金属を2つの接合部で接合すると電圧が発生する現象です。このプロセスは、接合部の形成から最終的な温度の読み取りまで、以下の4つの重要なステップに分けることができます：
- ホットジャンクションとコールドジャンクション：ホットジャンクションとコールドジャンクション：熱電対ワイヤーの一方の接合部は測定ポイントに置かれ（ホットジャンクション）、もう一方の端は基準温度に置かれる（コールドジャンクションまたは「リファレンスジャンクション」）。
- 電圧の発生：2つの異種金属が温度差を受けると、接合部に小さな電圧が発生する。この電圧は、ワイヤーの両端の温度差に直接関係します。
- 電圧測定：この電圧は装置（電圧計や熱電対メーターなど）で測定され、この電圧に基づいてホットジャンクションの温度が計算されます。
- 出力：生成された電圧は、使用される金属の種類によって異なり、これに基づいてホットジャンクションの温度が決定される。
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さらに読む：プラスかマイナスか？初心者のための熱電対ワイヤー識別ガイド
熱電対ワイヤー部品の説明
一般的な熱電対ワイヤは、いくつかの主要部品で構成されています：
- 導電性ワイヤー：導電性ワイヤー：ワイヤー自体は、熱電特性を考慮して選択された2つの異なる金属から作られています。一般的な材料は以下の通りです：
- 銅（タイプT熱電対用）
- ニッケル-クロムおよびニッケル-アルミニウム(タイプK熱電対用)
- プラチナと ロジウム（タイプR、S、B熱電対用）
- 接合部：熱電対回路には2つの接合がある：
- ホットジャンクション：温度が感知される測定端。
- コールドジャンクション（またはリファレンスジャンクション）：既知の基準温度に保たれる熱電対の端。
- 絶縁：電線を保護し短絡を防ぐため、熱電対の電線はガラス繊維、テフロン、セラミック・コーティングなどの材料で絶縁されていることが多い。絶縁はまた、ワイヤーが互いに接触するのを防ぎ、正確な読み取りを保証する。
- 保護シース：一部の熱電対ワイヤーは、物理的な損傷や化学物質への暴露を防ぐため、ステンレス鋼などの材料でできた保護シースに包まれており、過酷な環境でもワイヤーを無傷な状態に保ちます。
熱電対の種類
熱電対ワイヤーは、使用する熱電対のタイプに合わせて特別に設計されており、各タイプは金属と温度範囲のユニークな組み合わせに対応しています。最も一般的なタイプには以下のものがある：
- タイプ K（クロメル-アルメル）：最も広く使用されている熱電対で、汎用性と信頼性で知られている。一般的に-270℃～1372℃の広い温度範囲を持ち、工業用途でよく使用される。
- タイプJ（鉄-コンスタンタン）： タイプJの熱電対は、-40℃から750℃までの温度に適しており、一般的な温度測定に使用される。
- タイプT（銅-コンスタンタン）：低温測定に最適で、測定範囲は-200℃～350℃。極低温産業や食品加工産業でよく使用される。
- タイプR（プラチナ・ロジウム）： R型熱電対は高温測定に使用され、通常0℃～1600℃の範囲で使用される。精度が高く、一般的に科学的用途に使用される。
- タイプS（白金-ロジウム）：R型に似ているが、白金とロジウムの比率が異なる。実験室での高精度測定に使用される。
- タイプB（プラチナ・ロジウム）：超高温測定用として知られ、測定範囲は1700℃まで。Bタイプは、炉の監視など高温の工業用アプリケーションでよく使用される。
- E型（クロメル-コンスタンタン）：高出力のE型熱電対は低温測定に有効で、測定範囲は-200℃～900℃。
- タイプN（ニクロシル-ニシル）：この熱電対は安定性と耐酸化性が向上しており、高精度の工業用途に適している。温度範囲は-200℃～1300℃。
熱電対ワイヤーの選び方
熱電対ワイヤーを購入する際には、特定の用途に適したタイプを選択することが重要です。工業用、研究用、実験室用を問わず、高品質の熱電対ワイヤーを選ぶことで、温度測定の精度と寿命が保証されます。
- 温度範囲：購入する熱電対ワイヤーが、特定のニーズに適した温度範囲を持っていることを確認します。
- 材質：熱電対ワイヤーが使用される環境に適した材質のものを選ぶ。例えば、高温環境では、タイプKまたはタイプSの熱電対を選ぶ。
- 絶縁と被覆：条件（例えば、化学薬品にさらされる、高湿度、極端な温度）に応じて、適切な絶縁と保護被覆を選択する。
- 精度：ワイヤーがアプリケーションに必要な精度レベルに適合していることを確認する。
スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ (SAM) は、白金-ロジウム (Pt-Rh)、タイプ J、タイプ K、タングステン-レニウム合金熱電対など、最高級の熱電対ワイヤーを幅広く取り揃えています。熱電対の詳細や仕様については、製品カタログをご覧ください。
参考文献
[1] Litteaur, Raymond.(2018).In Situ Verification Techniques for Multipoint Thermocouples in Pressure Vessels.10.13140/RG.2.2.20703.30885.
