マルチポイント熱電対のサプライヤーとして、熱膨張係数を理解することは、これらの重要な温度測定デバイスの設計と用途の両方にとって非常に重要です。このブログでは、多点熱電対の熱膨張係数とは何か、それが重要である理由、およびそれがこれらのセンサーの性能にどのような影響を与えるかについて詳しく説明します。
熱膨張係数を理解する
熱膨張係数 (CTE) は、温度の変化に伴って物体のサイズがどのように変化するかを説明する材料特性です。これは、温度の単位変化当たりの長さまたは体積の部分的な変化として定義されます。線膨張の場合、式は (\alpha=\frac{1}{L}\frac{\Delta L}{\Delta T}) です。ここで、(\alpha) は線熱膨張係数、(L) は元の長さ、(\Delta L) は長さの変化、(\Delta T) は温度の変化です。
多点熱電対の場合、これらの熱電対は温度変化が大きい環境で使用されることが多いため、CTE が重要になります。マルチポイント熱電対は、その名前が示すように、その長さに沿った複数のポイントで温度を測定するように設計されています。これらは、発電、化学製造、金属加工などの工業プロセスで一般的に使用されています。
多点熱電対の材料とその熱電対
多点熱電対は通常、それぞれ独自の CTE を持つさまざまな材料で構成されています。温度に比例した熱起電力を生成する熱電対ワイヤは、通常、鉄 - コンスタンタン (タイプ J)、クロメル - アルメル (タイプ K) などの卑金属、または白金 - ロジウム (タイプ S、R、B) などの貴金属でできています。
卑金属熱電対は、コストが低く、温度範囲が広いため、より一般的に使用されます。たとえば、クロメル (K 型熱電対の一般的な合金) の線熱膨張率は約 (17\times10^{-6}/^{\circ}C) ですが、アルメルの CTE は約 (13\times10^{-6}/^{\circ}C) です。これらの CTE の違いは、温度変化があるときに熱電対アセンブリ内に機械的応力を引き起こす可能性があります。
一方、貴金属熱電対の CTE 値は低くなります。タイプ S 熱電対に使用されるプラチナ - ロジウム合金の CTE は、約 (9\times10^{-6}/^{\circ}C) です。貴金属の CTE が低いため、高温での安定性が高まり、熱膨張による機械的故障のリスクが軽減されます。
多点熱電対の性能に対する CTE の影響
多点熱電対の材料間の CTE の違いは、その性能にいくつかの影響を与える可能性があります。
機械的ストレスと故障
多点熱電対が温度変化を受けると、さまざまな材料がさまざまな速度で膨張または収縮します。これにより、熱電対アセンブリ内に機械的ストレスが発生する可能性があります。時間が経つにつれて、熱サイクルが繰り返されると熱電対ワイヤーが疲労し、最終的には故障につながる可能性があります。たとえば、熱電対ワイヤが保護シース内にしっかりと詰め込まれている場合、膨張差によってワイヤが断線したり、シースに亀裂が入ったりする可能性があります。
測定精度
熱膨張によって生じる機械的応力も、多点熱電対の測定精度に影響を与える可能性があります。ワイヤに応力がかかると、熱電対回路の電気抵抗が変化し、熱起電圧測定に誤差が生じる可能性があります。これにより、不正確な温度測定値が得られる可能性があり、正確な温度制御が不可欠な工業プロセスでは重大な問題となる可能性があります。
設置環境との互換性
多点熱電対をさまざまな環境に設置する場合は、その CTE も考慮する必要があります。たとえば、熱電対が金属パイプやセラミック炉のライニングなど、異なる CTE を持つ構造物に取り付けられている場合、膨張差により位置ずれや熱電対の損傷が発生する可能性があります。
多点熱電対の CTE の管理
熱膨張の悪影響を軽減するために、いくつかの設計および製造戦略を採用できます。
材料の選択
同様の CTE 値を持つ材料を慎重に選択すると、熱電対アセンブリ内の機械的ストレスを軽減できます。たとえば、CTE の不一致が (2\times10^{-6}/^{\circ}C) 未満の材料を使用すると、熱電対の信頼性が大幅に向上します。
柔軟な設計
多点熱電対をある程度の柔軟性を持って設計すると、熱膨張に対応できます。これは、緩めのシースを使用するか、熱電対要素間に柔軟なコネクタを組み込むことによって実現できます。
断熱性
適切な断熱も熱電対全体の温度勾配を軽減し、膨張差を最小限に抑えるのに役立ちます。熱電対を急激な温度変化から保護するために、熱伝導率の低い絶縁材料を使用できます。
当社の多点熱電対製品
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参考文献
- 「熱電対: 理論と実践」ジョン RC キャタロール著
- 「工業用温度測定」デビッド A. ダン著
- 熱電対の材料とアセンブリに関するメーカーのデータシート