熱電対は、科学技術のすべての分野で温度を測定するためのデバイスです。この記事では、熱電対の一般的な概要と、デバイスの設計と動作原理の分析について説明します。熱電対の種類とその簡単な特性について説明し、測定器としての熱電対の評価も示します。
コンテンツ
熱電対装置
熱電対の動作原理。シーベック効果
熱電対の動作は、1821年にドイツの物理学者TomasSeebeckによって発見された熱電効果の発生によるものです。
この現象は、特定の周囲温度にさらされたときに閉じた電気回路で電気が発生することに基づいています。電流は、異なる組成（異種金属または合金）の2つの導体（熱電極）の間に温度差があるときに発生し、それらの接点（接合部）の場所を維持することによって維持されます。デバイスは、接続されたセカンダリデバイスの画面に測定温度の値を表示します。
出力電圧と温度は直線的に関係しています。これは、測定温度が上昇すると、熱電対の自由端でミリボルト値が高くなることを意味します。
温度測定のポイントにある接合部は「ホット」と呼ばれ、ワイヤがコンバータに接続されている場所は「コールド」と呼ばれます。
冷接点温度補償（CJC）
冷接点補償（CJC）は、熱電対のリード線が接続されているポイントの温度を測定するときに、合計読み取り値の補正として適用される補償です。これは、コールドエンドの実際の温度と、0°Cでのコールドジャンクションの温度のキャリブレーションテーブルの計算された読み取り値との間に不一致があるためです。
CCSは、既知のコールドジャンクション温度（リファレンスジャンクションとも呼ばれます）から絶対温度の読み取り値を求める微分法です。
熱電対の設計
熱電対を設計する際には、外部環境の「攻撃性」、物質の凝集状態、測定温度範囲などの影響を考慮します。
熱電対の設計機能：
1）導体の接合部は、ねじりまたはさらに電気アーク溶接によるねじれによって相互接続されます（まれにはんだ付けによる）。
重要： 接合部の特性が急速に失われるため、ツイスト法の使用はお勧めしません。
2）熱電極は、接触点を除いて、全長に沿って電気的に絶縁されている必要があります。
3）断熱方法は、上限温度を考慮して選択されます。
- 最大100-120°C-任意の断熱材;
- 1300°Cまで-磁器のチューブまたはビーズ;
- 1950°Cまで-Alチューブ2O3;
- 2000°以上-MgO、BeO、ThO製のチューブ2、ZrO2.
4）保護カバー。
材料は、耐熱性と耐薬品性があり、熱伝導率が高い必要があります（金属、セラミック）。ブーツを使用すると、特定の環境での腐食を防ぐことができます。
延長（補償）ワイヤ
このタイプのワイヤは、熱電対の端を二次計測器またはバリアまで延長するために必要です。熱電対に統合された出力信号を備えたコンバータが組み込まれている場合、ワイヤは使用されません。最も広く使用されているのは、センサーの標準端子ヘッドにある正規化コンバーターで、4〜20mAの統一信号、いわゆる「タブレット」を備えています。
ワイヤの材質は熱電極の材質と一致する場合がありますが、寄生（誘導）熱放射の形成を防ぐ条件を考慮して、ほとんどの場合、より安価なものに置き換えられます。延長ワイヤを使用すると、生産を最適化することもできます。
ライフハック！ 補償ワイヤの極性を正しく決定し、それらを熱電対に接続するには、ニーモニックルールMM-マイナスが磁化されていることを覚えておいてください。つまり、任意の磁石を使用すると、プラスとは異なり、補正のマイナスが磁化されます。
熱電対の種類と種類
熱電対の多様性は、使用される金属合金のさまざまな組み合わせによって説明されます。熱電対の選択は、業界と必要な温度範囲に応じて行われます。
熱電対クロメル-アルメル（TXA）
正極：クロメル合金（90％Ni、10％Cr）。
負極：アルメル合金（95％Ni、2％Mn、2％Al、1％Si）。
断熱材：磁器、石英、金属酸化物など。
温度範囲は-200°Сから1300°Сの短期および1100°Сの長期加熱です。
作業環境：不活性、酸化性（O2= 2-3％または完全に除外）、乾燥水素、短期真空。保護カバーの存在下での還元またはレドックス雰囲気。
短所：変形のしやすさ、thermo-EMFの可逆的な不安定性。
大気中に微量の硫黄が存在し、弱酸化性雰囲気（「緑色の粘土」）でクロメルが存在すると、アルメルが腐食および脆化する場合があります。
熱電対クロメルコペル（TKhK）
正極：クロメル合金（90％Ni、10％Cr）。
負極：Kopel合金（54.5％Cu、43％Ni、2％Fe、0.5％Mn）。
温度範囲は-253°Сから800°Сの長期および1100°Сの短期加熱です。
作業環境：不活性で酸化性のある短期間の真空。
短所：熱電極の変形。
長時間の真空下でのクロム蒸発の可能性;硫黄、クロム、フッ素を含む雰囲気との反応。
熱電対鉄-コンスタンタン（TGK）
正極：市販の純鉄（軟鋼）。
負極：コンスタンタン合金（59％Cu、39-41％Ni、1-2％Mn）。
還元性、不活性媒体、真空の測定に使用されます。 -203°Сから750°Сまでの長期および1100°Сの短期加熱の温度。
アプリケーションは、正と負の温度の共同測定で開発されています。負の温度のみに使用することは不採算です。
短所：熱電極の変形、耐食性の低さ。
約700°Cと900°Cでの鉄の物理化学的性質の変化。硫黄や水蒸気と反応して腐食を起こします。
タングステン-レニウム熱電対（TVR）
正極：合金BP5（95％W、5％Rh）/ BAP5（シリカおよびアルミニウム添加剤を含むBP5）/ BP10（90％W、10％Rh）。
負極：BP20合金（80％W、20％Rh）。
断熱材：化学的に純粋な金属酸化物セラミック。
機械的強度、耐熱性、汚染に対する感度の低さ、製造の容易さが注目されています。
1800°Сから3000°Сまでの温度の測定、下限は1300°Сです。測定は、不活性ガス、乾燥水素、または真空環境で実行されます。高速プロセスでの測定のみを目的とした酸化環境。
短所：熱起電力の再現性の低さ、照射中の不安定性、温度範囲での不安定な感度。
熱電対タングステン-モリブデン（VM）
正極：タングステン（商業的に純粋）。
負極：モリブデン（商業的に純粋）。
断熱材：アルミナセラミック、石英チップで保護。
不活性、水素または真空環境。絶縁体が存在する酸化環境で短期間の測定を行うことができます。測定温度範囲は1400〜1800℃、最高作動温度は約2400℃です。
短所：熱起電力の再現性と感度の低さ、極性の反転、高温での脆化。
熱電対白金-ロジウム-白金（TPP）
正極：白金-ロジウム（Pt c 10％または13％Rh）。
負極：白金。
断熱材：クォーツ、磁器（プレーンおよび耐火物）。最大1400°C-Al含有量の高いセラミック2O3、1400°C以上-化学的に純粋なAlからのセラミック2O3.
最高作動温度は長期1400°C、短期1600°Cです。低温の測定は通常行われません。
作業環境：酸化性および不活性、保護の存在下での還元。
短所：高コスト、照射中の不安定性、汚染（特に白金電極）に対する高い感度、高温での金属粒子の成長。
熱電対白金-ロジウム-白金-ロジウム（TPR）
正極：Rhが30％のPt合金。
負極：6％RhのPt合金。
媒体：酸化性、中性および真空。保護の存在下で金属または非金属の蒸気を低減および封じ込める際に使用します。
最高作動温度は長期1600°C、短期1800°Cです。
断熱材：アルセラミック2O3 高純度。
白金-ロジウム-白金熱電対よりも化学汚染や粒子成長の影響を受けにくい。
熱電対の配線図
- ポテンショメータまたは検流計を導体に直接接続します。
- 補償ワイヤーとの接続;
- 統一された出力を備えた熱電対への従来の銅線との接続。
熱電対導体の色基準
色付きの導体絶縁は、端子に適切に接続するために熱電極を互いに区別するのに役立ちます。規格は国によって異なり、導体の特定のカラーコードはありません。
重要： エラーを防ぐために、企業で使用されている標準を知る必要があります。
測定精度
精度は、熱電対のタイプ、温度範囲、材料の純度、電気的ノイズ、腐食、接合特性、および製造プロセスによって異なります。
熱電対には、測定の信頼区間を確立する許容誤差クラス（標準または特殊）が割り当てられています。
重要： 製造時の特性は運転中に変化します。
測定速度
速度は、温度ジャンプとそれに続く測定デバイスの入力信号の流れに迅速に応答する一次コンバータの能力によって決定されます。
パフォーマンスを向上させる要因：
- 一次コンバーターの長さの正しい設置と計算。
- 保護スリーブ付きのトランスデューサを使用する場合は、スリーブの直径を小さくしてユニットの質量を減らす必要があります。
- 一次コンバータと保護スリーブの間のエアギャップを最小限に抑えます。
- バネ仕掛けの一次コンバーターを使用し、スリーブの空隙を熱伝導フィラーで埋めます。
- 動きの速い、または密度の高い媒体（液体）。
熱電対性能チェック
性能を確認するには、専用の測定器（テスター、検流計、ポテンショメーター）を接続するか、ミリボルトメーターで出力電圧を測定してください。矢印またはデジタルインジケータの変動がある場合は、熱電対を修理できます。それ以外の場合は、デバイスを交換する必要があります。
熱電対の故障の原因：
- 保護シールド装置の使用の失敗;
- 電極の化学組成の変化;
- 高温で発生する酸化プロセス;
- 制御・測定器等の故障。
熱電対を使用することの長所と短所
このデバイスを使用する利点は次のとおりです。
- 広い温度測定範囲;
- 高精度;
- シンプルさと信頼性。
欠点は次のとおりです。
- 冷接点の継続的な監視、制御機器の検証と校正の実施。
- デバイスの製造中の金属の構造変化;
- 大気の組成、シーリングのコストに依存します。
- 電磁波による測定誤差。
