熱電対を使った炉の温度測定

一般に、多くの製造工程では加熱が必要です。ゴムや接着剤を硬化させたり、金属の冶金や特性を変更するために焼鈍したり、被膜を乾燥させたり、金属を溶解したり、セラミックスを焼成または陶化したりします。このような工程の多くは、電気またはガスのいずれかで加熱されたかまどの中で実行されます。1000℃以上に加熱できるかまどは、加熱炉と呼ばれます。キルンは、セラミックスに使用される特殊なタイプの加熱炉です。多くの物質は高温になると、周囲の雰囲気と反応を開始します。その雰囲気に酸素が大幅に不足していると、加熱されている物質から酸素を奪うことがあります。このような雰囲気を「還元性」と言います。ガス加熱によって、通常は酸素が不足した雰囲気になります。雰囲気に酸素が十分にある場合、加熱されている物質は、その一部を捕獲して酸化層を形成します。このような雰囲気を「酸化性」と言います。これは、SiO2を発生させるために、マイクロエレクトロニクス製造で使用される拡散炉で採用される工程です。電気的加熱は、酸化性雰囲気をもたらす可能性が高くなります。雰囲気の制御は、複数の方法で実現できます。ガスを加熱室内までパイプで送ることがあります。これは、不活性雰囲気を発生させるために実行される場合があります。あるいは、真空炉を使用することがあります。

サーミスタ装置の上限は約100℃、RTDでは約750℃です。このため、熱電対や赤外線高温計またはサーモグラフィが、1000℃を超える温度の測定に最適な装置となっています。

熱電対は、ゼーベック効果（異なる金属間の起電力の差）を利用して、温度に比例した信号を生成します。ニッケルクロムとニッケルアルメルが「タイプK」熱電対で最も一般的に使用される金属の組み合わせです。

タイプKは安価である上、-200～1250℃の温度範囲で使用可能です。ただし、1000℃を超える温度では冶金の変化によって精度が低下し、この温度で循環するとヒステリシス効果を誘導してさらに精度が低下します。また、タイプK熱電対は、酸化性雰囲気では腐敗しやすくなります。

熱電対は稼働中に破損したり不具合が生じたりする可能性があり、交換が必要になります。連続加熱炉を停止し冷却が必要になると、困難でコストがかかる作業になる可能性があります。このため一般的には、加熱室全体に予備の熱電対を設置します。

赤外線(IR)高温計は、便利な非接触式高温測定方法を提供します。この技術は、表面から発されるIR放射の波長と密度がその温度に比例するというプランクの法則を利用しています。高温計またはサーモグラフィは、この放射を検出しその信号を温度に変換します。

赤外線放射温度計は、溶滓鍋で溶解している金属のように、高温物質の表面が露出している場合は良好に機能します。炉内の温度を測定する場合は、窓を通して視野内になるようにすることが必要であるため、赤外線放射温度計を使用することはより難しくなります。この窓は、検出器の感度および測定されている温度の両方に対応する波長のIR放射を伝送しなければなりません。

普通のガラスは、一部のIR波長、特に6～7ミクロンのIR波長に対して不透明です。カルコゲニドガラスは、特にIR伝送用途のために製造されていますが、約370℃未満の温度に限定されます。サファイヤも窓の材料として使用され、4ミクロンまでの波長を伝送しますが、比較的柔らかく、破損しやすくなっています。サファイヤIR窓が視野ポートとして使用される場合は、破損を招くような射影を含まずに設計する必要があります。また、サファイヤには約450℃の温度限度もあり、加熱炉の用途には適切ではありません。

高温計では、必ず放射率が問題となります。同じ温度の異なる物質は、異なる密度のIR放射を放射するため、センサはこれに対して校正される必要があります。窓は伝送される放射に影響を及ぼします。

タングステン・レニウム結合と白金・ロジウム結合の2種類の熱電対を使用できます。タングステン・レニウム熱電対（タイプG、C、D)は、2320℃の高温で作動しますが、酸化性雰囲気では使用できません。

酸化性雰囲気の場合は、白金・ロジウム熱電対（「貴金属熱電対」とも呼ばれる）を選択しなければなりません。このような熱電対には、タイプR[最高温度1460℃]、S[最高温度1450℃]、B[最高温度1700℃]があります。これらの熱電対は、卑金属の熱電対よりも高価です。

設置方法に応じて一般に、熱電対のワイヤを保護チューブまたはシースの内側に配置して保護します。ステンレス鋼は安価で腐食耐性があるため、幅広く使用されています。ただし、融点が約1400℃であるため、1100℃以下の使用温度に限定されます。また、酸化性雰囲気と反応します。

最高温度の機能が必要な場合は、タンタルまたはモリブデンのいずれかのシースを使用することを検討します。これらはそれぞれ、2315℃および2200℃まで耐性がありますが、どちらも酸化の影響を受けやすく、酸化性雰囲気では使用できません。その他、1960℃まで耐性があるセラミックシース、1650℃まで耐性がある白金・ロジウム合金シース、1150℃まで耐性があるInconel®600があります。これらはすべて、酸化性雰囲気で使用できます。

シース材質

絶縁は熱電対シースに組み込まれて、ワイヤが面に接触しないようにします。この絶縁には、環境に適した温度定格がある必要があります。炉の温度に対して一般的な材料としては、アルミナ、マグネシア、酸化ハフニウムがあります。アルミナの最高温度定格は1540℃で、マグネシアと酸化ハフニウムの最高温度定格は1650℃です。

熱電対は、加熱炉内の温度測定に優れたオプションです。広範囲に使用されている「タイプK」熱電対は加熱炉の温度に対処しますが、タイプG、C、D、およびR、S、Bはさらに優れた性能を提供します。加熱炉の温度で、使用される雰囲気のタイプは重要な考慮事項になります。特にマイクロエレクトロニクス製造で使用される酸化性雰囲気は、タイプG、C、D、および使用されることが多いステンレス鋼シースの両方と反応します。

赤外線放射温度計は、別の高温測定方法ですが、加熱炉内の温度を測定するには視野ポートまたは窓が必要です。このため一般に、視線が遮られない場合に適しています。