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熱電対と電磁環境

温度の測定記録の最も簡単な方法は熱電対を使用することです。熱電対の性能は、ほとんどの環境で信頼性が高く、高温や低温、振動、さらに電離放射線に対する耐性もあります。ただし、電磁場の影響を受けやすいため、そのような場所では全く使用しないようにするか、注意して使用します。

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OMEGAエンジニアリングの今回のホワイトペーパーでは、電磁場環境で熱電対を使用する際の問題点を検討し、その他の種類の温度計測器を推奨します。各セクションでは以下を検討します:

熱電対理論と適用

熱電対は、1821年にトーマス・ヨハン・ゼーベックによって発見されたゼーベック効果を利用します。これは、異なる金属から作成された回路では、その2つの接点が異なる温度であると電流が流れるという現象です。

熱電対に使用する金属は熱電特性を有していなければなりません。これは、電子が物質を通って拡散することが可能である場合です。温度が上昇すると、電子が運動エネルギーを得て、運動しやすくなり、運動レベルが大きくなるため、電位に変化が生じます。多くのニッケルベースの合金はこのような特徴を有し、最も一般的な熱電対線で使用されます。例えば、タイプK熱電対はクロメルとアルメルの接点を使用し、どちらもニッケルをかなりの割合で含有します。熱電対で使用されるその他の材料の組み合わせは、白金-ロジウムやタングステン-レニウムを基本とし、これらも熱電対特性を所有します。

生成される電流および電圧は、2つの接点の温度差に比例しますが、その関係は厳密に線形ではありません。実際の電圧は非常に小さいものです。タイプK熱電対(温度範囲が広く、コストが低いため広く使用されています)では、その変化は摂氏1度あたり41mVです。その他の熱電対タイプも同様な変化を発生させます。従って、熱電対の信号は計測器で使用するために増幅する必要があります。必然的に、外部の原因で信号に発生する追加電圧も同時に増幅されます。

電磁脆弱性

温度測定が必要な多くの状況では、高電圧であることが多く、電磁場を回避することができません。誘導加熱は業界全体で使用され、一定のプロセスを保証するために温度を測定する必要があります。電力線は高電圧です。変圧器の負荷は高く、非常に高温になりがちです。内部燃焼エンジン(自動車のエンジンだけでなく、大型の発電機)に使用されるスパークプラグは、過渡電磁信号を発生させます。

電磁場は、以下のような2つの面から熱電対の読取値に影響を与えます。
  1. 熱電対線の電圧を誘導する
  2. 熱電対の誘導加熱を発生させる
さらに、接地に対するコモンモード電圧は、熱電対の信号に電圧を追加します。これらの問題は、直流環境で発生する可能性がありますが、交流が存在するとさらに影響が大きくなります。

誘導電圧

ファラディの法則は、導電体を磁場で移動させると電位差が発生するという現象を説明します。同じ効果によって、熱電対線で、特に線が変化電界に対して垂直な位置にあると、電圧が発生します。ゼーベック効果が非常に小さい電圧を発生させることから、小さい電界であっても温度読取値を変化させることができます。

誘導加熱

導体が交流電磁場の影響を受けると、渦が生じ、加熱が上昇します。このように、ニッケルは導電性であるため、大型のモーターまたは発電機周囲に見られるような交流磁場は、温度測定デバイスそのものを加熱します。これは、測定温度が正確に表示されない信号に繋がります。

コモンモード電圧問題

熱電対が電気機器とともに、またはその一部で使用された場合、その電源に接続されることがよくあります。電気的に励起されると、接地と機器接地の差が熱電対の信号電圧に影響を与える可能性があります。このような場合の解決策として、温度測定システムにガルバニック絶縁を施すか、他の温度測定方法を検討します

代替の温度計測器

赤外線放射温度計
赤外線放射温度計
赤外線放射温度計
赤外線放射温度計/トランスミッタ
Pt100タイプの測温抵抗体(RTD)と赤外線(IR)放射検出という2つの技術を検討します。

RTD(測定原則は、一定の長さの白金線の抵抗の変化です)は高精度で知られ、電磁場に対する良好な耐性があります。ただし、壊れやすく、必ずしも産業環境に適切ではありません。

IR放射の測定は非接触式という利点があり、放射体の大きさに応じて数フィート以上の距離で実施することができます。物体はその温度に比例してエネルギーを放射するというプランクの法則を活用しています。対応が必要な1つの課題は、同じ温度でも表面が異なると異なる速度で放射するということです。放射率の差として説明されますが、IR検出器で温度を測定する場合は必ず考慮しなければなりません。

OMEGAエンジニアリングは、広範囲の産業分野での使用に適切なIR温度センサ/トランスミッタを多数提供しています。OS137は、NEMA 4定格、直径1インチのステンレス鋼筐体で提供され、48インチまでの距離で使用できます(注意:測定対象がセンサの視野内であることが必要です。視野内にない場合、測定温度は正確ではありません)。

OS137の3つの温度範囲は、538℃までの温度範囲で有効です。設定中にレーザー照準付属品を前面に設置して、対象と正確に配置されているかを確認することができます。出力タイプは注文時に指定してください。電圧、電流、タイプK熱電対出力から選択できます。アラーム設定ポイントの機能があり、放射率は調整可能です。

OS136は直径が3/4インチであり、より小型の赤外線センサ/トランスミッタです。性能はOS173に似ていますが、視野角がさらに広くなっています(このため、設置場所を近づけることが必要な場合があります)。OS137とは異なり、放射率が0.95に固定されているので、その差を目標に補正することが必要です。

まとめ

熱電対は、摂氏1度あたりのマイクロボルトで温度を測定します。この信号は、使用するには増幅する必要があり、電磁環境で使用された場合は測定誤差が発生しやすくなります。熱電対線で電圧が誘導される可能性、誘導加熱によって熱電対の温度が上昇する可能性、接地の問題によって測定される電圧が増加する可能性があります。

様々なフィルターや様々なシールド方法を使用できますが、測定技術を切り替えるというアプローチもあります。RTDやIRの放射検出は電磁場に対して高い耐性がありますが、RTDは産業環境では壊れやすいという弱点があります。IRセンサ/トランスミッタは、多種多様な出力オプションを備えた非接触式測定を提供し、堅牢な保護筐体に収容されています。

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