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【計装】プラントで使用される温度計(温度センサ)の種類と特徴の解説

こんにちは。Toshi@プラントエンジニアのおどりばです。

今回の記事ではプラントで使用される温度計(温度センサ)の種類と特徴について解説します。

温度は流量圧力液面同様、測定対象や目的に応じて様々な原理のものがあります。もちろん、プラントを安全・安定に運転するために適切なものを選定しなければなりません。

温度計の種類

・ 熱電対式(Thermocouple type)
・ 抵抗温度計
・ 液体充満式(Filled system type)
・ バイメタル式(bimetallic type)
・ 放射式(Infrared type)

次項から、それぞれのタイプの特徴について解説します。温度計の選定の際の参考にして下さい。

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熱電対式(Thermocouple type)

 

異なる材料の2本の金属線を接続すて1つの回路(熱電対)をつくり、ふたつの接点に温度差を与えると、回路に電圧が発生します。この現象をゼーベック効果と言います。

片端を開放すれば、電位差(熱起電力)の形で検出することが出来ます。この現象を利用した温度検出端を熱電対と言います。

熱起電力は低温側の基準設定温度を0℃とした場合の電力ですが、実際には基準温度は常温として、補正処理をすることがほとんどです。

主な特徴は以下の通りです。

熱電対の特徴

・ 感音部を小さくすることが出来、設置の自由度が大きい。
・ 振動、衝撃に強い。
・ 高温領域の温度測定に適する。
・ 基準接点が必要
・ 基準接点、補償導線による誤差がある。

また、熱電対にはいくつか種類があり、温度領域や目的により使い分けられます。

記号 種類 測定範囲 特徴
T 銅-コンスタンタン -200~300℃ ・安価
・低音に強い
J 鉄-コンスタンタン -200~600℃ ・安価
・熱起電力の直線性が良い
・錆びやすい
K クロメル-アルメル -200~1000℃ ・熱起電力の直線性が良い
E クロメル-コンスタンタン -200~1000℃ ・K型よりも安価
・熱起電力が大きい
R 白金-白金ロジウム 0~1400℃ ・高価
・高温まで測定可能
・精度が良い
・錆びにくい

抵抗温度計

 

金属や半導体の電気抵抗値が温度によって変化する特性を利用したものです。

抵抗温度計は測温抵抗体サーミスタの2種類が知られています。

測温抵抗体(Resistance type)

抵抗体に白金、ニッケル、銅などの金属を用い、温度に対する抵抗値が正の相関(温度が高いほど抵抗値が大きい)を持つものが測温抵抗体です。

主な特徴は以下の通りです。

測温抵抗体の特徴

・ 基準接点、補償導線が不要
・ 微小な温度変化iに対する感度が良く、中程度温度領域では熱電対よりも精度が良い
・ 高温用タイプは650℃程度まで使用可能
・ 振動、衝撃に弱い

サーミスタ(Thermistor type)

抵抗体に金属酸化物などの半導体、絶縁体を用い、温度に対する抵抗値が負の相関(温度が高いほど抵抗値が小さい)を持つものが測温抵抗体です。

主な特徴は以下の通りです。

サーミスタの特徴

・ 感音部を小さくすることが出来、設置の自由度が大きい。
・ 基準接点、補償導線が不要
・ 温度変化による感度が測温抵抗体よりも良い
・ 振動、衝撃に弱い
・ 抵抗と温度の直線性が悪い
・ 使用可能な温度範囲が狭い(350℃程度まで)



液体充満式(Filled system type)

出典:venvalle

基本的な原理はブルドン管圧力計と同じです。

感温筒(Liquid or Gas Filled Capillary)、導管(Capillary tube)、ブルドン管が有機液体、あるいは蒸気で満たされている状態で、感温筒の周囲に温度変化が生じると、内部の液体、蒸気が膨張、収縮することで、それが圧力変化として導管を経てブルドン管内部に伝達されます。

プラントではほとんど使われることはありません。

主な特徴は以下の通りです。

液体充満の特徴

・ 測定原理が明確
・ 外圧の変動の影響を受ける
・ 測定可能な温度範囲が狭い

バイメタル式(bimetallic type)

出典:Tameson

温度による膨張係数が異なる2枚の金属板を重ね合わせたもの(バイメタル)の周囲温度が上昇すると、膨張係数が大きい側の金属(上図の金属A)が膨張し、長さが伸びるのに対し、膨張係数が小さい側の金属(上図の金属B)はほとんど伸びません。

その結果、金属Aは上図のように上方に反り返るように膨張します。

反り返りの度合いは温度上昇の度合いに比例するため、これを計測することで、温度が求まります。

現場計器の温度計としてよく用いられます。

主な特徴は以下の通りです。

バイメタル式の特徴

・ 安価で頑丈
・ 外部電源不要
・ 温度変化に対する直線性が高い
・ 頻繁に校正が必要となる場合がある
・ 低音だと精度が落ちる



放射式(Infrared type)

 

出典:ScienceDirectモノタロウ

高温物体から放射された赤外線(Infrared)を検出素子に集光し、その量を測定して温度を求めるタイプです。

非接触の温度計であるため、機器や配管の表面温度を測定するための、ポータブル温度計として使われることが多いです。

日常生活では、非接触で体温を測定するために使用されることも多いです。

主な特徴は以下の通りです。

放射式の特徴

・ 非接触で温度を測定可能
・ 測定対象の放射率が材質、温度、表面状態によって変わってしまう
・ 周囲の雰囲気(ガスやダストなど)の影響を受けやすい

まとめ

今回の記事ではプラントで使用される温度計(温度センサ)の種類と特徴について解説しました。

温度は流量圧力液面同様、測定対象や目的に応じて様々な原理のものがあります。もちろん、プラントを安全・安定に運転するために適切なものを選定しなければなりません。

この記事が役に立てば幸いです。ではまた他の記事でお会いしましょう。

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  • この記事を書いた人

Toshi

プラントエンジニア/ 技術ブログでプラントエンジニアリング業務に役立つ内容を発信中 / 現在120記事、月1.8万PV達成 / 得意分野はプロセスエンジニアリング / 化学メーカーからエンジニアリング会社に転職 / 旧帝大化学工学専攻卒 / 海外化学プラント設計、試運転経験有/投資による資産形成もブログで報告。 保有資格:危険物取扱者(甲種),高圧ガス製造保安責任者(甲種化学),エネルギー管理士(熱)

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