熱電対とは:動作原理とその応用

熱電対とは:動作原理とその応用

1821年、物理学者「トーマスゼーベック」は、温度が接合部に加えられたときに、回路内の1つの接合部の両端で2つの異なる金属線がリンクされると、電流が流れることを明らかにしました。 回路 これは電磁界(EMF)として知られています。回路によって生成されるエネルギーは、ゼーベック効果と呼ばれます。トーマスゼーベックの効果をガイドラインとして使用し、イタリアの物理学者であるレオポルドノビリとマセドニオメローニの両方が協力して、1826年に熱電電池を設計しました。これは、熱マルチプライヤーと呼ばれ、ゼーベックの熱電の発見から生まれました。 検流計 放射を計算するためのサーモパイルと同様に。彼の努力のために、何人かの人々はノビリを熱電対の発見者として特定しました。

熱電対とは何ですか?

熱電対は一種の温度として定義できます センサー これは、EMFまたは電流の形で特定の1点の温度を測定するために使用されます。このセンサーは、1つの接合部で互いに接続された2本の異なる金属線で構成されています。この接合部で温度を測定することができ、金属線の温度変化が電圧を刺激します。




熱電対

熱電対



デバイスで生成されるEMFの量は非常に小さい(ミリボルト)ため、回路で生成される起電力を計算するには、非常に感度の高いデバイスを使用する必要があります。起電力の計算に使用される一般的なデバイスは、電圧平衡ポテンショメータと通常の検流計です。これら2つから、バランスポテンショメータが物理的または機械的に利用されます。

熱電対の動作原理

ザ・ 熱電対の原理 主に、ゼーベック、ペルチェ、トンプソンの3つの効果に依存します。



ベック効果を参照してください

このタイプの効果は、2つの異なる金属間で発生します。熱が金属線のいずれかに提供されると、電子の流れが高温の金属線から低温の金属線に供給されます。したがって、直流が回路を刺激します。


ペルチェ効果



このペルチェ効果は、ゼーベック効果の反対です。この効果は、2つの異なる導体間で電位差を適用することにより、それらの間で温度差を形成できることを示しています。

トンプソン効果

この効果は、2つの異なる金属が一緒に固定され、それらが2つの接合部を形成する場合、温度の勾配により、電圧が導体の全長を誘導することを示しています。これは、正確な位置での温度の速度と方向の変化を示す物理的な言葉です。

熱電対の構築

デバイスの構造を以下に示します。これは、2つの異なる金属線で構成され、接合端で相互に接続されています。ジャンクションは測定端と見なされます。ジャンクションの端は、非接地、接地、露出の3つのタイプに分類されます。

熱電対の構造

熱電対の構造

接地されていないジャンクション

このタイプの接合部では、導体は保護カバーから完全に分離されています。この接合部の用途には、主に高圧塗布作業が含まれます。この機能を使用する主な利点は、漂遊磁界の影響を減らすことです。

接地ジャンクション

このタイプの接合部では、金属線と保護カバーが相互に接続されています。この機能は、酸性雰囲気の温度を測定するために使用され、ノイズに対する耐性を提供します。

露出ジャンクション

露出したジャンクションは、迅速な対応が必要な領域に適用できます。このタイプの接合部は、ガス温度を測定するために使用されます。温度センサーを作るために使用される金属は、基本的に温度の計算範囲に依存します。

一般に、熱電対は、鉄とコンスタンタンという2つの異なる金属線で設計されており、ホットジャンクションと呼ばれる1つのジャンクションで接続することで要素を検出します。これは2つのジャンクションで構成され、1つのジャンクションは電圧計で接続されています または送信機 ここで、コールドジャンクションと2番目のジャンクションは、ホットジャンクションと呼ばれるプロセスで関連付けられます。

熱電対はどのように機能しますか?

ザ・ 熱電対図 下の写真に示されています。この回路は2つの異なる金属で構築でき、2つの接合部を生成することで結合されます。 2つの金属は、溶接による接続で囲まれています。

上の図では、接合部はPとQで示され、温度はT1とT2で示されています。接合部の温度が互いに異なる場合、電磁力が回路内に発生します。

熱電対回路

熱電対回路

接合端の温度が同等になると、同等の電磁力と逆電磁力が回路内に生成され、回路に電流が流れなくなります。同様に、接合端の温度が不均衡になり、電位変動がこの回路に誘発されます。

回路に誘導される電磁力の大きさは、熱電対の製造に使用される材料の種類に依存します。回路全体の電流の流れ全体は、測定ツールによって計算されます。

回路に誘導される電磁力は、次の式で計算されます。

E = a(∆Ө)+ b(∆Ө)2

∆Өが高温熱電対接合端と基準熱電対接合端の間の温度差である場合、aとbは定数です。

熱電対の種類

熱電対のタイプについて説明する前に、熱電対を保護ケースで保護して、大気温度から隔離する必要があることを考慮する必要があります。このカバーは、デバイスへの腐食の影響を大幅に最小限に抑えます。

したがって、熱電対には多くの種類があります。それらを詳しく見てみましょう。

タイプK –これは、ニッケル-クロム/ニッケル-アルメルタイプの熱電対とも呼ばれます。最も一般的に使用されるタイプです。信頼性、精度が向上し、安価であるという特徴があり、拡張された温度範囲で動作できます。

Kタイプ

Kタイプ

温度範囲は次のとおりです。

熱電対グレードワイヤ– -454F〜2300F(-2700Cから12600C)

延長線(00Cから2000C)

このKタイプの精度レベルは

標準+/- 2.2Cまたは+/- 0.75%および特別な制限は+/- 1.1Cまたは0.4%です

タイプJ –それは鉄/コンスタンタンの混合物です。これは、最も使用されているタイプの熱電対でもあります。信頼性、精度が向上し、安価であるという特徴があります。このデバイスは、より狭い温度範囲でのみ操作でき、高い温度範囲で操作すると寿命が短くなります。

Jタイプ

Jタイプ

温度範囲は次のとおりです。

熱電対グレードワイヤ– -346F〜1400F(-2100Cから7600C)

延長線(00Cから2000C)

このJタイプの精度レベルは

標準+/- 2.2Cまたは+/- 0.75%および特別な制限は+/- 1.1Cまたは0.4%です

タイプT –それは銅/コンスタンタンの混合物です。 Tタイプの熱電対は安定性が向上しており、一般に超低温冷凍庫や極低温などの低温用途に実装されています。

Tタイプ

Tタイプ

温度範囲は次のとおりです。

熱電対グレードワイヤ– -454F〜700F(-2700Cから3700C)

延長線(00Cから2000C)

このTタイプの精度レベルは

標準+/- 1.0Cまたは+/- 0.75%および特別な制限は+/- 0.5Cまたは0.4%です

タイプE –それはニッケル-クロム/コンスタンタンの混合物です。 1000F以下で動作する場合、タイプKおよびJの熱電対と比較して、信号能力が高く、精度が向上します。

Eタイプ

Eタイプ

温度範囲は次のとおりです。

熱電対グレードワイヤ– -454F〜1600F(-2700Cから8700C)

延長線(00Cから2000C)

このTタイプの精度レベルは

標準+/- 1.7Cまたは+/- 0.5%および特別な制限は+/- 1.0Cまたは0.4%です

タイプN –NicrosilまたはNisil熱電対と見なされます。タイプNの温度と精度のレベルはタイプKと似ていますが、このタイプはタイプKよりも高価です。

Nタイプ

Nタイプ

温度範囲は次のとおりです。

熱電対グレードワイヤ– -454F〜2300F(-2700Cから3920C)

延長線(00Cから2000C)

このTタイプの精度レベルは

標準+/- 2.2Cまたは+/- 0.75%および特別な制限は+/- 1.1Cまたは0.4%です

タイプ –プラチナ/ロジウムまたは10%/プラチナ熱電対のいずれかと見なされます。 Sタイプの熱電対は、バイオテクノロジーや薬局などの高温範囲のアプリケーションに非常に実装されています。精度と安定性が向上しているため、温度範囲の狭いアプリケーションにも使用されます。

Sタイプ

Sタイプ

温度範囲は次のとおりです。

熱電対グレードワイヤ– -58F〜2700F(-500Cから14800C)

延長線(00Cから2000C)

このTタイプの精度レベルは

標準+/- 1.5Cまたは+/- 0.25%および特別な制限は+/- 0.6Cまたは0.1%です

タイプR –プラチナ/ロジウムまたは13%/プラチナ熱電対のいずれかと見なされます。 Sタイプの熱電対は、高温範囲のアプリケーション向けに非常に実装されています。この種はタイプSよりもロジウムの量が多いため、デバイスのコストが高くなります。タイプRとタイプSの機能と性能はほぼ同じです。精度と安定性が向上しているため、温度範囲の狭いアプリケーションにも使用されます。

Rタイプ

Rタイプ

温度範囲は次のとおりです。

熱電対グレードワイヤ– -58F〜2700F(-500Cから14800C)

延長線(00Cから2000C)

このTタイプの精度レベルは

標準+/- 1.5Cまたは+/- 0.25%および特別な制限は+/- 0.6Cまたは0.1%です

タイプB –プラチナロジウムの30%またはプラチナロジウム熱電対の60%と見なされます。これは、より高い温度範囲のアプリケーションで広く使用されています。上記のすべてのタイプの中で、タイプBの温度制限が最も高くなっています。高温レベルでは、タイプB熱電対の安定性と精度が向上します。

Bタイプ

Bタイプ

温度範囲は次のとおりです。

熱電対グレードワイヤ– 32F〜3100F(00Cから17000C)

延長線(00Cから1000C)

このTタイプの精度レベルは

標準+/- 0.5%

タイプS、R、およびBは、貴金属熱電対と見なされます。これらは、高温範囲でも機能し、優れた精度と長寿命を提供するために選択されました。しかし、卑金属タイプと比較すると、これらはより高価です。

熱電対を選択する際には、アプリケーションに適した多くの要素を考慮する必要があります。

  • アプリケーションに必要な低温範囲と高温範囲を確認してください。
  • 使用する熱電対の予算はどれくらいですか?
  • 使用する精度のパーセンテージは?
  • どの大気条件で、不活性ガスや酸化などの熱電対が動作しますか
  • 予想される応答レベルはどれくらいですか?つまり、デバイスが温度変化にどれだけ迅速に応答する必要があるかを意味しますか?
  • 必要な寿命はどのくらいですか?
  • 操作の前に、デバイスが水に浸されているかどうか、およびどのレベルの深さまであるかを確認してください。
  • 熱電対の使用は断続的ですか、それとも連続的ですか?
  • 熱電対は、デバイスの寿命全体にわたってねじれたり曲がったりしますか?

熱電対が不良かどうかはどうやってわかりますか?

熱電対が完全に機能しているかどうかを知るには、デバイスのテストを実行する必要があります。デバイスの交換を行う前に、デバイスが実際に機能しているかどうかを確認する必要があります。これを行うには、マルチメータと電子機器の基本的な知識で十分です。マルチメータを使用して熱電対をテストするには、主に3つのアプローチがあり、それらを以下に説明します。

抵抗テスト

このテストを実行するには、デバイスをガス器具のラインに配置する必要があり、必要な機器はデジタルマルチメータとクロコダイルクリップです。

手順–クロコダイルクリップをマルチメータのセクションに接続します。熱電対の両端にクリップを取り付け、一方の端をガスバルブに折り込みます。ここで、マルチメータのスイッチを入れ、読み取りオプションを書き留めます。マルチメータが小さい順序でオームを表示する場合、熱電対は完全な動作状態にあります。または、読み取り値が40オーム以上の場合、良好な状態ではありません。

開回路テスト

ここで使用する機器は、クロコダイルクリップ、ライター、デジタルマルチメーターです。ここでは、抵抗を測定する代わりに、電圧が計算されます。さて、ライターで熱電対の一端を加熱します。マルチメータが25〜30 mVの範囲の電圧を表示する場合、正常に動作しています。または、電圧が20mVに近い場合は、デバイスを交換する必要があります。

閉回路テスト

ここで使用する機器は、クロコダイルクリップ、熱電対アダプター、デジタルマルチメーターです。ここでは、アダプターがガスバルブの内側に配置され、次に熱電対がアダプターの一方の端に配置されます。次に、マルチメータのスイッチを入れます。読み取り値が12〜15 mVの範囲にある場合、デバイスは適切な状態にあります。または、電圧の読み取り値が12mVを下回ると、デバイスに障害があることを示します。

したがって、上記のテスト方法を使用すると、熱電対が適切に機能しているかどうかを確認できます。

サーモスタットと熱電対の違いは何ですか?

サーモスタットと熱電対の違いは次のとおりです。

特徴 熱電対 サーモスタット
温度範囲-454から32720F-112から3020F
価格帯もっと少なく高い
安定安定性が低下します中程度の安定性を提供します
感度熱電対の感度が低いサーモスタットは最高の安定性を提供します
直線性中程度貧しい
システムコスト高い

長所と短所

熱電対の利点は次のとおりです。

  • 精度が高い
  • 堅牢で、過酷な環境や高振動などの環境で使用できます。
  • 熱反応は速い
  • 温度の動作範囲が広い。
  • 広い動作温度範囲
  • コストが低く、非常に安定しています

熱電対の欠点は次のとおりです。

  • 非線形性
  • 安定性が最も低い
  • 低い電圧
  • 参照が必要です
  • 最小感度
  • 熱電対の再校正は困難です

アプリケーション

いくつかの 熱電対の用途 以下のものが含まれます。

  • これらは温度センサーとして使用されます サーモスタットで オフィス、家庭、オフィス、企業で。
  • これらは、鉄、アルミニウム、および金属中の金属の温度を監視するための産業で使用されます。
  • これらは、食品業界で極低温および低温用途に使用されます。熱電対は、熱電冷却を実行するためのヒートポンプとして使用されます。
  • これらは、化学プラント、石油プラントの温度をテストするために使用されます。
  • これらは、パイロット火炎を検出するためのガス機械で使用されます。

RTDと熱電対の違いは何ですか?

熱電対の場合に考慮しなければならないもう1つの最も重要なことは、RTDデバイスとの違いです。したがって、表はRTDと熱電対の違いを説明しています。

RTD 熱電対
RTDは、(-200-200の間のより狭い範囲の温度を測定するのに広く適しています0Cから5000C)熱電対は、(-180)の間のより高い温度範囲を測定するのに適しています0Cから23200C)
最小限のスイッチング範囲で、安定性が向上しますこれらの安定性は最小限であり、複数回テストした場合の結果は正確ではありません
熱電対よりも精度が高い熱電対の精度が低い
感度範囲はより広く、最小限の温度変化も計算できます感度範囲が狭く、これらは最小の温度変化を計算できません
RTDデバイスの応答時間は良好です熱電対はRTDよりも迅速な応答を提供します
出力は線形です出力は非線形の形状です
これらは熱電対よりも高価ですこれらはRTDよりも経済的です

寿命はどれくらいですか?

ザ・ 熱電対の寿命 それが利用されるときのアプリケーションに基づいています。したがって、熱電対の寿命を具体的に予測することはできません。デバイスが適切に保守されている場合、デバイスの寿命は長くなります。一方、継続使用後は、経年劣化の影響で破損する場合があります。

また、このため、出力性能が低下し、信号の効率が低下します。熱電対の価格も高くありません。したがって、2〜3年ごとに熱電対を変更することをお勧めします。これが答えです 熱電対の寿命はどれくらいですか

したがって、これはすべて熱電対の概要に関するものです。上記の情報から、最終的に、 熱電対出力 マルチメータ、ポテンショメータ、出力デバイスによる増幅器などの方法を使用して計算できます。熱電対の主な目的は、いくつかの異なるアプリケーションで一貫した直接的な温度測定を構築することです。