温度伝送器の原理は何ですか?

温度トランスミッターのサプライヤーとして、私はこれらの重要なデバイスの背後にある原理についてよく質問されます。温度トランスミッターは、製造やプロセス制御から環境モニタリングや HVAC システムに至るまで、幅広い業界で重要な役割を果たしています。特定のニーズに適した温度トランスミッターを選択する場合、情報に基づいた意思決定を行うには、その仕組みを理解することが重要です。

温度伝送器の基本概念

温度トランスミッターの核心は、温度測定値を電気信号に変換するデバイスです。この信号は、さらに処理および分析するために、制御システム、表示ユニット、またはその他の監視機器に送信されます。基本原理は、温度センサーを使用して温度を検出し、その物理量を電気量に変換することです。

温度トランスミッターで一般的に使用される温度センサーにはいくつかの種類があり、それぞれに独自の動作原理があります。最も一般的なものには、熱電対、測温抵抗体 (RTD)、サーミスターなどがあります。

熱電対

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に基づいています。ゼーベック効果は、2 つの異なる金属が 2 つの接合点で接合され、これらの接合点間に温度差があると起電力 (EMF) が発生することを示しています。

熱電対では、一方の接点は測定対象の温度にさらされ (測定接点)、もう一方の接点は既知の基準温度 (基準接点) に保たれます。生成される EMF は 2 つの接合部間の温度差に比例します。基準温度を知り、EMF を測定することにより、測定接点の温度を決定できます。

熱電対は比較的安価で、温度範囲が広く、耐久性に優れているため、広く使用されています。ただし、基準接点温度の補償が必要であり、これは通常、最新の温度トランスミッタで電子的に行われます。

測温抵抗体 (RTD)

RTD は、金属の電気抵抗が温度とともに変化するという原理に基づいて動作します。ほとんどの RTD はプラチナでできていますが、ニッケルや銅などの他の金属も使用できます。プラチナ RTD は、精度、安定性、温度範囲が広いため、推奨されます。

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RTD の抵抗は、既知の温度と抵抗の関係に従って、温度とともに直線的に増加します。たとえば、0℃における白金RTDの抵抗は、通常100オーム(PT100)または1000オーム(PT1000)です。 RTDの抵抗を測定することで温度を計算できます。

抵抗を正確に測定するには、RTD に定電流を流し、その両端の電圧を測定します。次に、温度トランスミッターはこの電圧測定値を使用して抵抗を特定し、それを温度値に変換します。

サーミスタ

サーミスタは、温度によって抵抗が大きく変化する半導体デバイスです。正の温度係数 (PTC) を持つ RTD とは異なり、多くのサーミスタは負の温度係数 (NTC) を持ちます。これは、温度が上昇すると抵抗が減少することを意味します。

サーミスタは温度変化に非常に敏感であるため、高感度の温度測定が必要な用途に適しています。ただし、その温度範囲は熱電対や RTD に比べて比較的限られており、抵抗と温度の関係は非常に非線形です。サーミスターを使用した温度トランスミッターは、出力を線形化し、温度を正確に測定するために複雑な信号処理を実行する必要があります。

信号の変換と送信

温度センサーが温度を検出し、それを電気量 (電圧や抵抗など) に変換したら、温度トランスミッターはこの信号を、他の機器で簡単に送信および処理できる標準出力信号に変換する必要があります。

温度トランスミッターの最も一般的な出力信号は、4 ～ 20 mA の電流信号と 0 ～ 10 V の電圧信号です。これらの標準信号は干渉の影響を受けにくく、長距離伝送が可能なため、産業用制御システムで広く使用されています。

センサー信号を 4 ～ 20 mA または 0 ～ 10 V 信号に変換するために、温度トランスミッターは信号調整回路を使用します。これらの回路は、センサー信号を増幅、フィルター、線形化し、目的の出力信号に変換します。

たとえば、PT100 RTD を使用する温度トランスミッタでは、測定された抵抗はまずブリッジ回路を使用して電圧信号に変換されます。この電圧信号は増幅され、アプリケーションの温度範囲に一致するように線形化されます。最後に、線形化された電圧信号は、電流生成回路を使用して 4 ～ 20 mA の電流信号に変換されます。

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