熱電対タイプの説明: タイプ K、J、T、E、N、R、S と適切な熱電対の選択方法

あ 熱電対 は、工業用プロセス制御、電気加熱システム、製造装置で最も広く使用されている温度センサーです。その動作原理は簡単です。一方の端 (測定接点) で接続された 2 本の異なる金属ワイヤが、測定接点と基準端 (冷接点) の間の温度差に比例した小さな電圧を生成します。この熱起電圧 (ゼーベック効果) は、接続された機器によって測定され、その熱電対タイプの標準化された熱電対校正曲線に基づいて、電圧読み取り値が温度値に変換されます。

エンジニア、機器設計者、調達チームにとって実務上重要な点は、「熱電対」が単一の製品ではないということです。熱電対は標準化されたセンサー タイプのファミリーであり、それぞれが特定の合金ワイヤのペアによって定義され、それぞれが異なる温度範囲、出力感度、化学的適合性、精度プロファイルを備えています。工業用加熱用途に熱電対を指定するということは、温度範囲、プロセス環境、精度要件に合わせて正しいタイプを選択することを意味します。間違ったタイプを選択すると、不正確な温度測定値や早期のセンサー故障が発生し、どちらもプロセスの品質を低下させ、メンテナンスコストを増加させます。

このガイドでは、主な標準化された熱電対タイプについて説明し、それらの主要な性能パラメータを比較し、熱電対タイプをアプリケーション要件に適合させるための実践的なフレームワークを提供します。

熱電対タイプの標準化方法

熱電対タイプは国際的に標準化されています。IEC 60584 規格は、世界中で使用されている主要な文字指定熱電対タイプの参照表 (EMF と温度の関係) を定義しています。 ANSI/ASTM E230 は同等の米国規格であり、DIN EN 60584 は欧州の統一規格です。各熱電対タイプは、2 つの導体に使用される特定の合金ペアを識別する 1 つの大文字 (K、J、T、E、N、R、S、B、C) で指定されます。文字の指定と参照テーブルは国際的に標準化されているため、あるメーカーの K 型熱電対と別のメーカーの K 型熱電対は、両方が標準校正テーブルに従って製造されている限り、同じ温度機器内で交換可能です。

各熱電対タイプ内では、精度許容差が 2 つまたは 3 つのクラス (IEC 60584-2 によるクラス 1、クラス 2、クラス 3) で定義されており、クラス 1 が最も厳しい許容差であり、クラス 3 はより低い温度範囲に適用されます。選択したクラスはプロセスの精度要件と一致する必要があります。クラス 2 が適切な場合にクラス 1 を指定すると、不必要なコストが追加されます。クラス 1 が必要な精密プロセスでクラス 2 を使用すると、不正確な温度制御が発生します。

主な熱電対の種類: 特性と用途

タイプK(クロメル/アルメル)

タイプ K は、世界中で最も広く使用されている熱電対タイプです。広い温度範囲、十分な精度、優れた耐酸化性、低コストの組み合わせにより、別のタイプの特定の特性が必要とされない大部分の工業用温度測定アプリケーションのデフォルトの仕様となっています。

温度範囲: –200 °C ～ 1,260 °C (工業用熱電対で通常使用されるワイヤ ゲージでは、最大 1,100 °C までの連続使用を推奨)。出力感度は 500°C で約 41 µV/°C。

ワイヤー合金: 正極導体 — クロメル (約 90% ニッケル、10% クロム)。負の導体 — アルメル (約 95% ニッケル、2% マンガン、2% アルミニウム、1% シリコン)。

強み: 広い温度範囲。酸化性雰囲気に対する優れた耐性。クリーンな環境での長期間の使用にわたって安定した校正。ほとんどの範囲にわたって良好な直線性。一般的なタイプの中で最もコストが低い。互換性のある機器、コネクタ、および延長ワイヤを最も幅広く入手できます。

制限事項: 低酸素、硫黄含有雰囲気では「緑腐れ」腐食の影響を受けます。これらの条件では正導体のクロムが選択的に酸化し、校正ドリフトを引き起こします。保護なしで還元環境、硫黄環境、または真空環境での使用には適していません。 300 ～ 600°C の範囲でヒステリシスを示します (校正サイクル効果はわずかです)。

以下に最適: 一般的な工業プロセスの温度測定。電気発熱体の表面とプロセス温度の監視。オーブンと炉の温度制御。プラスチック加工 (射出成形、押出) バレルおよびホット ランナーの温度。食品加工および乾燥装置。 HVAC および空気処理システム。特定の特性要件によって別のタイプが要求されない標準的な産業用途。

タイプJ（鉄・コンスタンタン）

タイプ J は、最も初期に標準化された熱電対タイプの 1 つであり、特にそれが元の仕様であった既存の産業機器で広く使用されており、置き換えることにより校正の互換性が維持されます。

温度範囲: –40°C ～ 750℃ (タイプ K と比較して上限範囲が制限されています。760°C を超えると、鉄導体が急速に酸化します)。出力感度は 300°C で約 55 µV/°C — 動作範囲内のタイプ K よりわずかに高い感度です。

ワイヤー合金: 正極導体 - 鉄。マイナス導体 — コンスタンタン (銅ニッケル合金、約 55% 銅、45% ニッケル)。

強み: 低～中温度域でタイプKよりも高い出力感度を実現。還元雰囲気または真空雰囲気での使用に適しています (タイプ K のクロム導体に問題がある場合)。従来の産業用計装によって広くサポートされています。貴金属系に比べて低コストです。

制限事項: 鉄の導体は湿気の多い環境では錆びます。ステンレス鋼の保護シースなしで湿気や湿った状態で保護なしで使用するのには適していません。 760℃を超えると急速に酸化します。中温の酸化環境では鉄の酸化によりタイプ K より寿命が短くなります。新しいアプリケーションでは徐々にタイプ N に置き換えられています。

以下に最適: 低～中温の工業プロセス。還元雰囲気または真空雰囲気での用途。元々タイプ J で指定されていた既存の機器の置き換え。プラスチック射出成形装置（歴史的仕様）。 750℃以下で作動する熱処理炉とアニール炉。

タイプT (銅/コンスタンタン)

タイプ T は、特に低温および極低温の温度測定に適しています。その銅とコンスタンタン合金の組み合わせは、-270°C (極低温) までの温度でも確実に機能し、標準的な産業用途での 350°C までの使用にも適しています。

温度範囲: –270℃～400℃。出力感度は 100°C で約 46 µV/°C。

ワイヤー合金: 正極導体 - 銅。マイナス導体 — コンスタンタン。

強み: 低温での優れた精度と安定性。極低温用途に適しています。湿気と軽度の腐食に耐性があります。酸化雰囲気と還元雰囲気の両方で良好な安定性。 –200°C ～ 350°C の範囲で卑金属熱電対タイプの中で最高の精度を実現します。

制限事項: 上限温度は 400℃ なので、使用は低温用途に制限されます。銅導体は熱伝導率が高いため、温度勾配が急な用途では伝導エラーが発生する可能性があります。

以下に最適: 極低温および低温測定。食品の冷蔵および冷凍庫の温度監視。製薬コールドチェーンのモニタリング。低温での精度が必要な実験室および科学用途。 HVAC およびビルディング オートメーション システムにおける耐湿温度検知。

タイプE（クロメル/コンスタンタン）

タイプ E は、一般的な標準化された熱電対タイプの中で最も高い出力感度 (1 度あたりの EMF) を備えており (300 °C で約 68 µV/°C)、機器の感度要件を最小限に抑えるために最大の信号強度が必要なアプリケーションや、小さな温度差を正確に解決する必要があるアプリケーションに最適です。

温度範囲: –200℃～900℃。非磁性 (両方の導体は非磁性合金です)。

ワイヤー合金: 正極導体 - クロメル。マイナス導体 — コンスタンタン。

強み: 標準卑金属タイプの中で最高の感度。非磁性構造は、強磁場の近くでの用途において重要です。良好な耐酸化性。安定した校正。

制限事項: 還元雰囲気または真空雰囲気には適していません (クロメル導体)。一部の市場ではタイプ K または J ほど広く入手可能ではありません。 種類 Kよりも若干コストが高くなります。

以下に最適: あpplications requiring maximum sensitivity at low temperature differences; magnetic field environments where iron-conductor types are unsuitable; sub-zero temperature measurement with high sensitivity.

タイプN (ナイクロシル/ナイシル)

タイプ N は、高温におけるタイプ K の既知の校正安定性制限の一部に対処する、タイプ K のより安定性の高い代替品として開発されました。 300℃を超える温度でタイプ K に影響を与える校正ドリフト メカニズム (短距離秩序化、選択的酸化) を最小限に抑えるために特別に配合された合金を使用します。

温度範囲: –200℃～1,300℃。出力感度は 600°C で約 39 µV/°C。

強み: 300℃を超える温度での長期校正安定性はタイプ K よりも優れています。タイプ K よりも高温酸化に対する耐性が優れています。 300 ～ 600°C の範囲でのヒステリシスに対する耐性が向上します。

以下に最適: 長期にわたる校正の安定性が重要な高温工業プロセス。ドリフトが繰り返し発生するメンテナンス問題があるアプリケーションでは、タイプ K を置き換えます。 600 ～ 1,200°C の範囲で動作する炉と窯。

タイプRおよびタイプS（プラチナロジウム/プラチナ）

タイプ R および S は貴金属熱電対で、どちらも白金ベースの合金を使用しています (タイプ R: 13% ロジウム/白金プラス、タイプ S: 10% ロジウム/白金プラス、どちらも純白金マイナス導体を使用)。貴金属構造により、大幅にコストが高くなりますが、卑金属タイプでは実現できない安定性と精度特性が得られます。

温度範囲: 0℃～1,600℃（タイプR、S）。タイプ B (30% Rh/Pt / 6% Rh/Pt) は 1,700℃ まで拡張します。

強み: 1,600℃までの高温能力。高温での優れた校正安定性。高精度 (クラス 1 許容差 ±1°C または 0.25%);酸化性および不活性雰囲気での使用に適しています。国際温度スケール ITS-90 は、630.74 °C から 1,064.43 °C までの定義内挿計器の 1 つとしてタイプ S を使用します。

制限事項: コストが非常に高い（プラチナとロジウムの合金のコスト）。出力感度が低い (1,000 °C で約 10 μV/°C - 高感度の機器が必要)。還元ガスや金属蒸気による汚染を受けやすい（ほとんどの工業環境ではセラミックまたはプラチナのシースで保護する必要がある）。壊れやすい - 機械的衝撃や振動環境で保護せずに使用することはできません。

以下に最適: ガラス製造炉;セラミック窯。貴金属の加工。実験室校正標準。測定精度がコストプレミアムに見合った卑金属タイプの能力を超える高温プロセス。

熱電対タイプ比較表

熱電対の構造: 裸線タイプ、鉱物絶縁タイプ、および組み立てタイプ

合金の種類以外にも、熱電対アセンブリの物理的な構造によって、その応答速度、機械的堅牢性、およびさまざまな設置環境への適合性が決まります。

裸線熱電対 最も単純な形式です。2 本の熱電対ワイヤが測定チップで溶接され、保護されずに、または基本的なセラミック絶縁で動作します。これらは最速の熱応答を持ち (チップと測定媒体の間に保護質量がない)、高速応答が重要であり、環境が機械的保護を必要としないアプリケーション (ガス流温度測定、研究アプリケーション、短寿命プロセス監視など) で使用されます。

鉱物絶縁金属シース (MIMS) 熱電対 (MI 熱電対または鉱物絶縁ケーブルとも呼ばれます) は、継ぎ目のない金属シース (ステンレス鋼、インコネル、またはその他の合金) 内に酸化マグネシウム (MgO) 鉱物粉末が詰め込まれた熱電対ワイヤで構成されています。 MgO 絶縁体は導体とシースの間に電気的絶縁を提供し、金属シースは機械的保護と耐薬品性を提供します。 MIMS 熱電対は標準的な工業用構造です。堅牢で耐振動性があり、小径 (外径 1 ～ 12 mm) で入手でき、複雑な設置形状に曲げることができます。測定ジャンクションは接地（応答を速くするためにシースに溶接）、非接地（電気絶縁のためにシースから絶縁）、または露出（応答を速くするためにシースを越えて突き出す）で利用できます。

サーモウェル取り付け熱電対 測定媒体に直接接触させるのではなく、別に設置したサーモウェル (プロセス容器またはパイプに固定された閉端管) に挿入します。サーモウェルは熱電対を流れの侵食、圧力、化学的攻撃から保護し、プロセスを停止することなく熱電対の取り外しと交換を可能にします。熱応答は直接浸漬タイプよりわずかに遅くなりますが、高圧および高速プロセスの用途には不可欠です。

よくある質問

他に何も変更せずに、タイプ K 熱電対をタイプ N に置き換えることはできますか?

タイプ K 熱電対をタイプ N に機械的に置き換えることができます。熱電対の物理的寸法は同一であってもかまいません。ただし、タイプ K とタイプ N の校正テーブルは異なります (同じ温度で異なる EMF 値を生成します)。つまり、正しい温度を表示するには、熱電対に接続された温度計をタイプ N 入力用に再構成する必要があります。機器がタイプ K に設定されており、タイプ N 熱電対が接続されている場合、表示される温度は間違っており、通常、高温では実際よりも数度低く表示されます。熱電対のタイプを変更する場合は、必ず機器と延長ワイヤを再構成してください (タイプ N 熱電対にはタイプ N 延長ワイヤが必要です)。

熱電対線と熱電対延長線の違いは何ですか?

熱電対ワイヤは、測定チップで使用される実際のセンシング合金です。指定された熱電対タイプ (タイプ K のクロメル/アルメルなど) に適した合金ペアである必要があり、間に異種金属接合を導入することなく、測定接点から基準接点 (機器の端子) まで連続的に延びる必要があります。延長ワイヤ (低グレードのタイプでは補償ケーブルとも呼ばれます) は、低コストで熱電対ヘッドから機器まで熱電対信号を長距離伝送するために使用されます。延長ワイヤには、配線の周囲温度範囲 (通常 0 ～ 200 °C) 内で元の熱電対合金の熱電特性に厳密に一致するように選択された合金が使用されます。熱電対と機器の間に通常の銅線または間違ったタイプの延長線を使用すると、接続点で測定エラーが発生し、不正確な温度測定値が生成されます。

熱電対の交換が必要かどうかはどうすればわかりますか?

熱電対の故障と劣化には、いくつかの識別可能な指標があります。 突然の開回路故障 (機器は、通常は最大スケールまたはエラー コードの故障読み取り値を表示します。熱電対ワイヤが腐食または機械的応力が加わった点で断線しています)。段階的な校正ドリフト（機器の読み取り値が基準測定値とますます異なってきます。熱電対合金は、酸化、汚染、または高温での粒子成長によって組成が変化しています）。不規則に変化する断続的な測定値 (動作に接触したり切断したりする熱電対ワイヤの部分的な断線により、機器の測定値がジャンプしたり振動したりする)。故障するまで稼働するのではなく、設置温度と環境に対するメーカー推奨の耐用年数に基づいて計画的に交換することで、生産中の熱電対の故障による予期せぬプロセス制御の中断を防ぎます。

Xinghua Yading の熱電対電気発熱体

興華雅定電気発熱体有限公司 江蘇省興華社は、タイプ K、タイプ J、タイプ T、タイプ E、タイプ N、および貴金属タイプの工業用熱電対を鉱物絶縁 (MIMS) 構成および組み立て構成で製造しています。シースの材質には、ステンレス鋼 304/316、インコネル 600/601、および高温および腐食環境用途向けのその他の合金が含まれます。標準およびカスタムのチップ構成、1mm ～ 12mm のシース直径、および接続ヘッドのタイプが利用可能です。電気加熱システム、射出成形装置、工業炉、プロセス温度制御用の熱電対アセンブリ。カスタム仕様およびアプリケーション固有の構成の OEM 製造。

熱電対仕様の推奨事項と見積もりを受け取るには、アプリケーションの温度範囲、プロセス雰囲気、必要な精度クラス、シースの材質、機械的構成をお知らせください。

関連製品: 熱電対 | カートリッジヒーター | バンドヒーター | ホットランナーヒーター | 浸漬ヒーター