EN温度の概念
物理的な観点からは、熱は、その分子または原子の不規則な動きにより体内に含まれるエネルギーの尺度です。テニスボールが速度を上げるとエネルギーが増えるのと同じように、温度が上がると体やガスの内部エネルギーが増加します。温度は、質量や比熱などの他のパラメーターとともに、体のエネルギー含有量を表す変数です。
温度の基本的な尺度はケルビン度です。0°K(Elvin)では、体内のすべての分子が静止しており、熱はなくなります。したがって、エネルギーが低い状態がないため、マイナスの温度になる可能性はありません。
日常の使用では、通常の方法は摂氏(以前の摂氏)を使用することです。そのゼロ点は水の凝固点にあり、実際には簡単に再現できます。さて、0°Cは決して最低温度ではありません、なぜなら誰もが経験から知っているからです。摂氏スケールをすべての分子運動が停止する最低温度まで拡張すると、273.15度に達します。
人間は、限られた範囲で自分の感覚を通じて温度を測定する能力を持っています。しかし、定量的な測定値を正確に再現することができませんでした。最初の定量的温度測定は、17世紀初頭にフィレンツェで開発され、アルコールの膨張に依存していました。スケーリングは、夏と冬の最高気温に基づいています。100年後、スウェーデンの天文学者セルシウスは、それを水の融点と沸点に置き換えました。これにより、温度計はいつでもズームインおよびズームアウトし、後で測定値を再現することができます。
電気測定温度
温度測定は、ビル制御、食品加工、鉄鋼および石油化学製品の製造など、多くのアプリケーションで重要です。これらの非常に異なるアプリケーションには、異なる物理的構造と通常は異なる技術を持つ温度センサが必要です
産業用および商業用アプリケーションでは、測定ポイントは通常、表示ポイントまたは制御ポイントから遠く離れています。測定のさらなる処理は、通常、コントローラー、レコーダー、またはコンピューターで必要です。これらのアプリケーションは、日常の使用から温度計を知っているため、温度計の直接表示には適していませんが、温度を別の形式のデバイスである電気信号に変換する必要があります。このリモート電気信号を提供するために、通常はRTDが使用されます。サーミスタと熱電対。
RTDは、温度によって金属抵抗が変化する特性を採用しています。これらは正の温度係数(PTC)センサーであり、温度とともに抵抗が増加します。使用される主な金属はプラチナとニッケルです。最も広く使用されているセンサーは、100Ωまたは1000ΩのRTDSまたは白金抵抗温度計です。
RTDは、産業用アプリケーション向けの最も正確なセンサーであり、最高の長期安定性も提供します。白金抵抗精度の代表値は、測定温度の+ 0.5%です。1年後、老化により+ 0.05°Cの変化がある場合があります。プラチナ抵抗温度計の温度範囲は-200〜800°Cです。
温度による抵抗値の変化
金属の導電率は、導電性電子の移動度に依存します。ワイヤの端に電圧が印加されると、電子は正極に移動します。格子の欠陥がこの動きを妨げます。それらには、外部または欠落している格子原子、粒界の原子、および格子位置間の原子が含まれます。これらの故障位置は温度に依存しないため、一定の抵抗が生成されます。温度が上昇すると、金属格子内の原子は静止位置付近で振動が増加し、導電性電子の動きが妨げられます。振動は温度とともに直線的に増加するため、振動による抵抗の増加は温度に直接依存します。
プラチナは、工業測定で広く受け入れられています。その利点には、化学的安定性、比較的容易な製造(特にワイヤ製造用)、高純度の形で取得する可能性、および再現性のある電気的特性が含まれます。これらの特性により、白金抵抗センサは最も広く交換可能な温度センサとなっています。
サーミスタは一部の金属酸化物でできており、温度が上昇すると抵抗が減少します。温度が上昇すると抵抗特性が減少するため、負の温度係数(NTC)センサと呼ばれています。
基本的なプロセスの性質上、導電性電子の数は温度とともに指数関数的に増加します。したがって、特性は大幅な増加を示しています。この明らかな非線形性はNTC抵抗器の欠点であり、その有効温度範囲は約100°Cに制限されます。もちろん、自動化されたコンピュータによって線形化することもできます。ただし、精度と直線性は、大きな測定スパンの要件を満たすことはできません。交互温度でのドリフトもRTDよりも大きくなります。それらの使用は、温度が200°Cを超えないアプリケーションの監視および表示に限定されます。この単純なアプリケーションでは、低コストで必要な電子回路が比較的単純であることを考えると、実際には高価な熱電対やRTDよりも優れています。
熱電対の基本は、サーミスタという2つの異なる金属間の接続です。熱電対とRTDによって生成される電圧は、温度とともに増加します。抵抗温度計と比較して、温度の上限が高く、摂氏数千度の大きな利点があります。それらの長期安定性はわずかに劣っており(1年後に数度)、測定精度はわずかに劣っています(平均+ 測定範囲の0.75%)。それらは、オーブン、炉、煙道ガス測定、および温度が250°Cを超えるその他の領域でよく使用されます。
熱電効果
2つの金属がつながると、電子と金属イオンの結合エネルギーが異なるため、熱起電力が発生します。電圧は金属自体と温度によって異なります。この熱電圧が電流を生成するためには、もちろん、2つの金属をもう一方の端で接続して閉回路を形成する必要があります。このようにして、2番目のジャンクションで熱電圧が生成されます。熱電効果は、1822年にゼーベックによって発見されました。早くも1828年に、ベクレルは温度測定に白金パラジウム熱電対の使用を提案しました。
両方のジャンクションで同じ温度がある場合、2つのポイントで生成された分圧が互いに打ち消し合うため、電流は流れません。ジャンクションの温度が異なると、発生する電圧が異なり、電流が流れます。したがって、熱電対は温度差しか測定できません。
測定点は、測定された温度にさらされる接点です。リファレンスジャンクションは、既知の温度のジャンクションです。既知の温度は通常、測定された温度よりも低いため、基準接点は通常、冷接点と呼ばれます。測定ポイントの実際の温度を計算するには、コールドエンド温度を知る必要があります。
古い機器は、サーモスタット制御ジャンクションボックスを使用して、50°Cなどの既知の値でコールドジャンクション温度を制御します。最新の機器は、コールドエンドで薄膜RTDを使用して、その温度を決定し、測定ポイントの温度を計算します。
熱電効果によって生成される電圧は非常に小さく、摂氏1度あたりわずか数マイクロボルトです。したがって、熱電対は通常、-30〜+ 50°Cの範囲では使用されません。これは、基準接点温度と基準接点温度の差が小さすぎて非干渉信号を生成することができないためです。
RTD配線
抵抗体温度計では、抵抗は温度によって変化します。出力信号を評価するために、定電流が流れ、その両端の電圧降下が測定されます。この電圧降下については、オームの法則、v = IRに従います。
測定電流は、センサーの加熱を避けるために、できるだけ小さくする必要があります。1mAの測定電流では、明らかな誤差は生じないと考えることができます。この電流は、0°CでPT100に0.1Vの電圧降下を生じます。この信号電圧は、最小限の変更で接続ケーブルを介して表示ポイントまたは評価ポイントに伝送する必要があります。接続回路には、次の 4 つのタイプがあります。
2線式回路
温度計と評価用電子機器の接続には、2芯ケーブルが使用されます。他の導電体と同様に、ケーブルには抵抗温度計と直列に抵抗があります。その結果、2つの抵抗が加算され、電子機器はそれを温度上昇と解釈します。長距離では、ライン抵抗が数Ωに達し、測定値に大きなオフセットが生じることがあります。
3線式回路
ライン抵抗の影響と温度による変動を最小限に抑えるために、通常は3線式回路が使用されます。これには、RTDの接点の1つに追加のワイヤを配線することが含まれます。これにより、2つの測定回路が作成され、そのうちの1つはリファレンスとして使用されます。3線式回路は、ライン抵抗の数と温度変化の点で補償できます。ただし、3つの導体はすべて同じ特性を持ち、同じ温度にさらされる必要があります。これは通常、3線式回路を今日最も広く使用されている方法にするのに十分な程度に適用されます。ラインバランシングは必要ありません。
4線式回路
抵抗温度計の最適な接続形式は4線式回路です。測定は、ライン抵抗にも温度誘起変化にも依存しません。ラインバランシングは必要ありません。温度計は、電源接続を介して測定電流を供給します。測定ラインの電圧降下は、測定ラインによって拾われます。電子機器の入力抵抗がライン抵抗の何倍も大きい場合、ライン抵抗は無視できます。この方法で決定される電圧降下は、接続ワイヤの特性とは無関係です。この手法は通常、100分の1の測定精度を必要とする科学機器にのみ使用されます。
2線式送信機
マルチワイヤケーブルの代わりに2線式トランスミッタを使用することで、上記のような2線式回路の問題を回避できます。送信機は、センサー信号を温度に比例する4〜20mAの正規化された電流信号に変換します。送信機への電源も、4mAの基本電流を使用して、同じ2つの接続を介して動作します。2線式トランスミッタには、信号増幅により外部干渉の影響が大幅に軽減されるという追加の利点があります。送信機の位置決めには2つの配置があります。非増幅信号間の距離はできるだけ短くする必要があるため、アンプは端子ヘッドの温度計に直接取り付けることができます。この最善の解決策は、構造上の理由や、障害が発生した場合に送信機に到達するのが難しいという考慮事項により、不可能な場合があります。この場合、レールマウント型送信機は制御盤に取り付けられます。アクセス性が向上する利点は、増幅されていない信号が移動しなければならない距離が長くなるという犠牲を払って購入できることです。
サーミスタ配線
サーミスタの抵抗は、通常、リード線の抵抗よりも数桁大きくなります。したがって、リード線抵抗が温度測定値に与える影響はごくわずかですが、サーミスタはほとんどの場合、2線式構成で接続されます。
熱電対配線
RTDSやサーミスタとは異なり、熱電対にはプラスとマイナスの脚があるため、極性を観察する必要があります。これらはローカルの2線式送信機に直接接続でき、銅線は受信機器に戻すことができます。受信機器が熱電対入力を直接受け入れることができる場合は、同じ熱電対ワイヤまたは熱電対延長ワイヤを受信機器までさかのぼって使用する必要があります。
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