あなたに最適な温度センサーはどれですか?

サーミスタ

最高の温度センサーを入手することは、どの業界でも必須です。入手できないのは、四角い穴に丸いペグを入れるようなものです。あなたはそれにあなたのベストショットを与えたと思うかもしれません。しかし、代わりに、あなたはあなたの操作を妥協しなければなりません—そうでなければ、それを停止させます。品質の結果が温度の測定値に依存している場合、それ以下で解決しないことが最も重要です。したがって、言うまでもなく、目的の最終結果によって、アプリケーションに最適な温度センサーの種類が決まります。

シックスシグマの黒帯支持者によって宣伝されている運用効率は、全体的な有効性に関連してのみ重要であることに注意してください。温度センサーを間違えると、運用効率が低下するだけでなく、効果を損なうことにもなります。この意味で、これは避けるのが最善のシナリオです。それはあなたの顔の中で爆発するのを待っている爆弾だからです。

そのためには、各温度センサーの種類の特性に関する公正な技術的知識を習得することで、うまくいくはずです。各センサータイプを個別のツールと見なしてください。そのため、それぞれを最大限に活用できるように、それぞれがどのように機能するかを知る必要があります。最後の例えでは、シャベルとハンマーを比較することはできませんよね?各ツールは異なる機能を果たします。この観点から、運用効率は、仕事に適したツールを入手することを決定します。

熱電対、RTD、サーミスタ、温度計という、世界で最も利用されている温度センサーの上位4つについて詳しくは、以下をお読みください。そして、それぞれがどのようにあなたの目的を最もよく果たすことができるかを理解してください。

第一原理

比較する前に、4つの温度プローブのそれぞれがどのようになったかを見てみましょう。そして、それらがどのように機能するか。

その過程で、偉大な哲学者アリストテレスが説教したことや、私たちの時代の最も有名なエンジニアの1人であるイーロンマスクが行ったことを行うことができます。私たちは話している 第一原理思考.

赤外線温度計

レーザー温度計とも呼ばれる赤外線温度計は、測定対象の物体から放出される赤外線エネルギーの量とその放射率を測定する非接触温度計です。レーザーによってスポットに焦点を合わせるように誘導されるため、レーザー温度計とも呼ばれます。

通常、ハンドヘルドの赤外線温度計はサーマルカメラのように動作しますが、容量が限られているため、小さなスポットしか測定できません。赤外線カメラはより洗練され、より強力です— より広い領域を測定する これにより、ターゲットオブジェクトのより詳細な温度プロファイルが得られます。赤外線技術は、1800年に赤外線放射を発見したウィリアムハーシェル卿の作品に基づいています。

熱電対

熱電対は基本的に、2つの異なる金属導体によって形成される電気的接合部です。 温度依存電圧 ゼーベック効果(熱電効果)を介して。

この現象は、1821年にトーマス・ヨハン・ゼーベックによって最初に発見されました。ドイツの物理学者は、2つの異なる金属が両端で結合されると、金属の結合に温度差が生じると磁場が発生することを発見しました。後に、この磁場は形成される熱電流の産物であることがわかりました。その後の電圧を測定することは、温度を測定するための鍵です。異なる金属合金は異なる電圧サイズを生成するため、熱電対はさまざまな金属の組み合わせに従って分類されることに注意してください。

RTD

測温抵抗体とも呼ばれるRTDまたは測温抵抗体は、細いワイヤーを通過する電気抵抗を使用して物体の温度を測定する温度センサーです。原則として、金属の電気抵抗と適用温度の間の線形関係に基づいています。

RTDは抵抗と温度の関係の精度に依存するため、RTDで使用される細線は純粋な材料、通常は白金、ニッケル、または銅でできています。 Seebeckが熱電効果を発見したのと同じ1821年、有名な英国の化学者であるハンフリーデービー卿は、金属の抵抗が温度と直接的な関係があることを発表しました。半年後、英国とドイツの電気技師であるカールシーメンス卿は、RTDの理想的な元素としてプラチナを提案しました。プラチナRTDは、他の材料の中でも特に今日でも使用されています。プラチナRTDは660°Cまで測定できますが、ニッケルRTDは300°C未満の温度に最適です。

サーミスタ

サーミスタは基本的にステロイドのRTDです。熱に敏感な抵抗器という言葉から派生し、測温抵抗体と同じ原理を利用しています。そして、1833年にサーミスタを発見し、半導体の力を導いたのは、英国の偉大な物理学者、マイケル・ファラデーでした。金属を使用するRTDとは異なり、サーミスタは半導体材料を使用します。その結果、サーミスタはRTDよりもはるかに優れた温度変化を検出できます。

基本的に、サーミスタにはPTC(正の温度係数)とNTC(負の温度係数)の2種類があります。 NTCサーミスタが、1°Cの温度変化ごとに-3%から-6%の抵抗変化を示すことは珍しいことではありません。サーミスタの主な欠点は、範囲が制限されており、RTDよりもはるかに制限されていることです。

 

上位4つの温度センサーの一般的な概要

温度センサー

背後にある発見

最大の利点

一般的な使用法

 

赤外線温度計

1800年:による赤外線発見 Sir William Herschel

非接触

● 発熱検出

● 調理

● 自動車修理

 

 

熱電対

1821年:熱電効果 Thomas Johann Seebeck

最も広い温度範囲

● サーモスタットセンサー

● ガスタービン排気

● 火炎センサー

 

RTD

1821: Sir Humphrey Davy R対Tの結果(抵抗対温度)

正確な測定値

● コーヒーマシン

● 携帯電話

● 火災検知器

 

サーミスタ

1833:によって発見された Michael Faraday

最も正確な測定値

● オーブン

● 冷蔵庫

● 自動車用デジタル体温計

 

最高の温度センサーの直接比較

前述のように、各温度センサーには独自の長所と短所があります。したがって、最善のアプローチは、特定のアプリケーションを考慮し、最も適切な温度センサーが最適に機能することを確認することです。

スポット赤外線温度計の場合

using an infrared thermometer

そのように 基本的な操作は同じです、赤外線温度計(温度銃、高温計、レーザー温度計とも呼ばれます)は、赤外線カメラのより単純な弟です。このように、それは(物体によって放出される)赤外線放射を捕らえる集束レンズと、前記エネルギーを読み取り可能な電気信号に変換する電子機構からなる。レーザーは通常、赤外線温度計を特定の場所に誘導するために使用されます。

すぐに、スポット赤外線温度計の最大の利点は、離れた場所から温度を読み取ることができることです。プローブタイプのセンサー(熱電対、サーミスタなど)とは異なり、赤外線温度計は、観察中の身体との直接接触を確立することなく読み取りを行うことができます。

ただし、信頼できる温度出力に到達するために考慮しなければならない特定の考慮事項があることに注意してください。 1つは、調査対象のオブジェクトの放射率です。簡単に言えば、放射率は、物体が熱放射を放出するのにどれだけ効果的かを測定したものです。技術用語で:

  • 放射率:同じ温度での理想的な黒い表面(完全な放射率)の熱放射に対する特定の表面からの熱放射の比率です。その比率はに基づいています Stefan-Boltzmann 法.
  • そのため、放射率は0対1の形式をとることができ、1が完全な放射率、0が最も信頼性の低い放射率です。

理想的な黒い表面または黒い物体は、理論的には、角度や周波数に関係なく、電磁放射のすべての入射を吸収できるオブジェクトです。何よりも、それは完全に熱放射を放出することができます。スペクトルのもう一方の端には、すべての方向に熱エネルギーを散乱させる白体があります。

特定の赤外線温度計を選択する際のその他の重要な考慮事項は次のとおりです。

  • 視野
  • 温度範囲
  • 取り付けの制限
  • 反応時間

時間の経過とともに、多くの種類のスポット赤外線温度計が商業的に登場しました。これらのいくつかは次のとおりです。

  • ハンドヘルド赤外線温度計
  • ポケット赤外線温度計
  • 赤外線熱電対

赤外線温度計のもう1つの重要な利点は、データの整合性です。表面プローブセンサーと比較して、赤外線デバイスは、観察対象にそれ自体の温度を導入しません。

製造やその他の連続プロセス温度測定ジョブで可動部品を監視するのにレーザー温度計が最適である理由は不思議ではありません。

赤外線温度計の制限

赤外線温度計を使用する際の主な障害は、収集された温度データの精度です。測定されるデータの整合性に悪影響を与える可能性のある多くの要因があることを知ってください。

特に赤外線温度計と一般的な赤外線サーモグラフィを使用する際の重要な考慮事項は、周囲温度です。周囲温度、または測定デバイスが使用される温度の劇的な違い、および測定対象の温度は、結果の温度データの精度に悪影響を与える可能性があります。

たとえば、冷蔵スペースにレーザー温度計を導入した場合、温度の読み取り値は5〜6度も変動する可能性があります。これに対抗し、より正確な読み取り値を生成するには、赤外線温度計を新しい環境に順応させる必要があります。つまり、デバイスを使用する前に、その寒い場所に20〜30分間置いておくと、時間のかかる産業環境には贅沢がありません。または、特殊なレンズ(マイカレンズなど)の赤外線温度計を使用して、デバイスを順応させることなく正確な結果を得ることができます。

さらに、もう1つの重要な制限は、赤外線温度計が基本的に表面温度センサーであるということです。そのため、加工肉などの物体のコア温度を測定する場合は、最適なセンサーではない可能性があります。または、熱によって引き起こされる部屋のさまざまなポイントを測定したい場合。

 

一言で言えば赤外線温度計の特性

パラメータ

IR温度計データ

対プローブタイプ

温度範囲

-37°C〜5537.77778°C(-100°F〜10000°F)

はるかに低い範囲

 

-270°Cから1704°C(-454°Fから3,100°F)

最大の利点

非接触(可動部品に最適)

高精度

最大の制限

● 表面温度のみを測定

● 表面の放射率に応じて調整が必要

● プローブタイプほど正確ではありません

● アクセシビリティ(アクセスできない場所を測定することはできません)

● 調査中のオブジェクトの温度に干渉する可能性があります

価格の考慮

ユニットあたりの価格が高い

安い

 

熱電対の場合

holding a thermocouple probe

プローブタイプのセンサーの世界では、温度範囲に関しては熱電対が支配的です。確かに、他のセンサープローブに関しては、大きな技術的進歩がありました。 1つのRTDは、400°Cを超える温度、さらには1000°Cまでの温度にも対応できるようになりました。しかし、RTDが400°Cを超えると、最終的には精度が大幅に犠牲になります。今日のRTDの90%が400°C未満で動作する十分な理由。サーミスタはこれよりはるかに低く動作します。

ただし、熱電対は、RTDやサーミスタよりもはるかに高くなります。熱電対が2500°Cまでの温度で使用されることは珍しいことではありません。そして、それは確かに残りのプローブタイプのセンサーを水から吹き飛ばします。

熱電対のもう1つの設計上の利点は、シングルポイント測定です。したがって、2つの異なる金属が収束するまさにその場所まで測定点に焦点を合わせることができます。 「裸の先端」を使用することにより、この正確なポイントの温度は、たとえ小さくても生成できます。 RTDにはそのような贅沢はありません。

次に、コストに関する考慮事項があります。多くの場合、RTDは熱電対の2倍または3倍の費用がかかります。サーミスタはRTDよりも安価かもしれませんが、熱電対ほど安価ではありません。 1つは、自己給電型の熱電対とは異なり、サーミスタが機能するには外部電源が必要です。

値札になると、プローブタイプのセンサーが熱電対に近づくことはできません。簡単に言えば、それらは束の中で最も安いものです。

熱電対の制限

原則として、RTDは熱電対よりもはるかに正確です。また、サーミスタは一般にRTDよりも正確であるため、この部門ではサーミスタが熱電対よりも優れています。 RTDの精度は0.1°Cであるのが普通ですが、ほとんどの場合は1°Cです。一方、熱電対の精度は通常2°Cであり、業界で精度が必要な場合は非常に大きくなります。

注意すべきは、プローブセンサーの精度に影響を与える2つの要因があります。これらは:

  • 線形性:RTDは電気抵抗に基づいているため、出力は基本的に線形です。この意味で、温度の上昇は、対応する抵抗値の上昇を生成し、それによって読み取り値を出力します。要するに、それはほぼ直接的な比例関係です。ただし、熱電対は比例性の点で揺らいでいます。これは直接的な関係ではなく、「S」プロットの出力によって管理されます。
  • ドリフト(安定性と再現性):RTDセンサーの出力は再現性があるため、ドリフトを最小限に抑えながら長期間にわたって一定に保たれます。熱電対は、不均一なワイヤのおかげで、読み取り値に影響を与える化学変化(酸化)を受けます。全体的な効果は?熱電対の経時的な高ドリフト。

熱電対はまた、多くの要因によって悪影響を受ける可能性があり、読み取り値が大きな誤差に逸脱する可能性があります。熱電対の出力の完全性に影響を与える可能性のある要因は次のとおりです。

  • 表面酸化
  • 周囲の空気の周囲温度
  • 伝導による熱の損失
  • プローブの開始温度(熱慣性)
  • 表面にかかるプローブの圧力

信頼性の高い温度出力を求める場合は、これらを考慮する必要があります。具体的な例は、2点熱電対です。かさばり、質量が大きいため、2点熱電対は、測定対象の表面からの熱流が、対象の温度を反映する熱をプローブに導入するのに十分な大きさではない可能性があるため、失敗する可能性があります。要するに、熱電対は信頼できる読み取りの邪魔になる可能性があります。

 

RTDの場合

Using a RTD Thermometer

本質的に、測温抵抗体とも呼ばれるRTDは、金属の予測可能な抵抗/温度の関係を使用して温度を検出するプローブタイプのセンサーです。 RTDは精度と再現性が高いため、市場で徐々に勢いを増し、熱電対に取って代わりつつあります。

RTDはPTC(Positive Temperature Coefficient)センサーであり、NTCサーミスタとは異なり、温度に対する抵抗が正比例することを意味します。通常、RTDで使用される上位の金属はニッケルとプラチナです。そして、これらの中で最も人気のあるのは、プラチナで作られたPT100です。

より一般的な熱電対に対するRTDの最大の利点は、精度です。簡単に言えば、それらは大量使用の熱電対と比較してより高い精度を運びます。ただし、精度の点でRTDと直接対決できる熱電対があります。

RTDのもう1つの重要な利点は、予測可能性が向上することです。 RTDは長期間安定しているため、その出力は熱電対の出力と比較して高い再現性があります。さらに良いことに、RTDは、熱電対にはない、温度を検出するときに線形の温度と抵抗の関係を示します。

RTDの制限

温度範囲の制限は、RTDの1つの欠点です。 2500°Cまで検出できる熱電対と比較すると、熱電対は650°Cまでしか限界に達していないように見えます。違いが大きいので、なぜ熱電対がプローブタイプの温度センサーの誰もが認めるリーダーであるのか不思議はありません。

もう1つの重要な制限は価格です。 RTDよりも熱電対の製造にかかる時間ははるかに短くなります。全体として、熱電対はRTDと比較して低価格です。注意するために、RTDを生成するのに熱電対よりも通常2倍または3倍多くかかります。

次に、感度の場合があります。熱電対とRTDはどちらも温度変化に応じて迅速に応答できますが、熱電対はより速く応答できます。

熱電対-RTD比較チャート

比較のパラメータ

熱電対

RTD

温度測定範囲

-270°C〜 + 2500°C

-240°C〜 + 650°C

正確さ

公平

優秀な

望ましくない自己発熱

優秀な

ミディアムからエクセレント

直線性

公平

優秀な

再現性

公平

優秀な

反応時間

ミディアムからエクセレント

良い

長期安定性

貧しい

優秀な

 

サーミスタの場合

Using a thermistor

実際、サーミスタとRTDはどちらも、測温抵抗体と温度比を使用して、読み取り可能な温度出力を生成します。主な違いは、使用されている材料にあります。 RTDは、プローブまたはシース内で保護されている純金属(プラチナが最も一般的)を利用します。さらに、プローブは1つのセラミック基板に埋め込むこともできます。

一方、サーミスタは半導体または複合材料で構成されています。通常、これらは安定剤および結合剤と一緒の金属酸化物(例えば、ニッケル、銅、マンガン)です。

サーミスタとRTDはどちらも導体によって生成される抵抗に依存していますが、大きな違いがあることに注意してください。 RTDは、抵抗と温度の直接的な関係を使用します。

一方、より一般的なNTC(負の温度係数)サーミスタは、抵抗と温度の逆の関係に依存しています。意味:温度が上昇すると電気抵抗が減少します。また、RTDに関しては、温度と抵抗の関係は線形ですが、サーミスタは指数曲線の関係を観察します。設計上、NTCサーミスタは温度の最小変化をより効率的に検出します。

そのため、サーミスタの最大の強みは、RTDと比較して精度が高いことです。最近、技術の進歩により、最高のRTDがサーミスタの精度に可能な限り近づきましたが、一般に、RTDは精度部門のパフォーマンスを低下させます。

このより高い精度は、より高い感度にたどることができます。 RTDセンサーは、温度の変化度ごとの抵抗変化が小さいことを示しています。一方、サーミスタは、温度差の程度ごとに数十オームの変化を示します。

サーミスタのもう1つの長所は、価格です。原則として、サーミスタはRTDよりもはるかに安価です。

サーミスタの制限

サーミスタの最大の欠点は、範囲が非常に限られていることです。 600°Cに達するRTDはニュースではありません。いつものことです。しかし、最高の状態では、サーミスタは130°Cまでしか到達できません。それを超えると、サーミスタは無効になります。それでも、通常の温度制限を超えるように設計された新しいサーミスタモデルがあります。

サーミスタの温度制限は、設計に合わせて追跡できます。 NTC抵抗器の顕著な非線形性のおかげで、130°Cを超えることは困難です。 1つは、結果として生じるドリフトがRTDのドリフトよりも大きいことです。

原則として、RTDを介してサーミスタを取得する方が安価で効率的であるため、賢明です。温度範囲が観察されたと仮定します。実際には、サーミスタは範囲が限られているため、家庭用アプリケーションでよく使用されますが、RTDは、より高い温度を検出するために業界で使用されています。

ただし、注意してください。一般に、サーミスタはRTDと比較して安価です。ただし、通常を超える拡張温度範囲用に設計されたサーミスタは、通常、一般的なRTDよりも高価です。

サーミスタ-RTD比較チャート

比較のためのパラメータ

サーミスタ

RTD(測温抵抗体)

温度範囲

-60°C - 130°C

-230°Cから660°C

正確さ

より正確な

精度が低い

反応時間

速い

遅い

感度

高い

低い

費用

安い

高価な

サイズ

小さな

大きい

材料

純金属(ニッケル、銅、プラチナ)

半導体

 

結論:最高の温度センサー

 

まず最初に。温度センサーを選択する前に、測定するオブジェクトとその環境を評価する必要があります。つまり、デューデリジェンスを行う必要があります。そうでなければ、配信不足の温度センサーで、貴重なお金は言うまでもなく、多くの時間を無駄にしている可能性があります。さらに悪いことに、過剰配信。

繰り返しますが、全体的に最高の温度センサーというものはありません。産業用と家庭用の用途はさまざまであるため、当面の仕事に最も適したものしかありません。

要するに、あなたはあなたのデューデリジェンスをする必要があります。そのため、特定のアプリケーションに最適な温度センサーの選択に影響を与える重要な要素のいくつかを以下に示します。

conclusion

    赤外線温度計は、システムの故障やシステムの欠陥を示す温度異常を見つけるのに最適です。そのため、製造業やあらゆる業界の可動部品に最適です。そうすれば、機械が稼働しているときでも、機械の異常を検出できます。さらに良いことに、誰も危害を加えることはありません。汚染のリスクや、オブジェクトの表面への機械的影響を考慮に入れる必要はありません。さらに、温度を取得するためだけにプロセスを中断することはありません。

    後から考えると、これにより、赤外線レーザー温度計は、COVID-19パンデミックに照らして発熱を検出するための頼りになるツールになりました。それをIR温度計の最高の時間と呼んでください。また、-37°C〜5537.77778°C(-100°F〜10000°F)の温度範囲に対応できるため、これらの非接触センサーは、多くの業界に確実に役立ちます。確かに、彼らは腕の中で撃たれています。

    しかし、観察中の物体の表面との物理的接触を必要とする仕事があります。古典的な例は、食品加工アプリケーションで肉のコアを調べることです。または、そのことについては、熱いオーブンで熱を測定します。

    その場合、プローブタイプのセンサーが不可欠です。彼らは太陽の下で彼らの場所を持っています。たとえば、160°Fに達する可能性のあるナンキンムシの駆除には、接触センサーが必要です。接触温度センサーを使用して、温度を継続的に監視することもできます。さらに良いことに、継続的に必要なデータを記録するようにWi-FiまたはBluetooth接続を構成できます。

    ここで問題となるのは、どのプローブタイプのセンサーがアプリケーションに最適かということです。ご参考までに、世界の上位3つの接触温度計の比較表を以下に示します。

    熱電対vs.RTDvsサーミスタチャート

    センサータイプ

    熱電対

    RTD

    精度(標準)

     

    0.5〜5°C

    0.1〜1°C

    0.05〜1.5°C

    100°Cでの長期安定性

    変数

    0.05°C /年

    0.2°C/年

    温度範囲(標準)

    200〜1750°C

    -200〜650°C

    -100〜325°C

    必要な電力

    セルフパワー

    定電圧または定電流

    定電圧または定電流

    電気ノイズに対する感受性

    感受性/冷接点補償

    まれに影響を受けやすい

    まれに影響を受けやすい

    高抵抗のみ

    反応時間

    速い


    0.10から10秒

    一般的に遅い

    1〜50代

    速い


    0.12〜10秒

    直線性

    非線形

    かなり線形

    指数関数

    費用

    低い

    高い

    低から中程度

    デューデリジェンスを行うことの良い点は、アプリケーションに最適な温度を簡単に決定できることです。それを回避する方法は他にありません。宿題をするときは、最高の温度センサーを手に入れるのは公園を散歩することです。


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