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熱電対関係
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補
償導線関係
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保
護管
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電
気ヒータ
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No.
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質問の内容
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回 答
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01
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● 熱電対の絶縁抵抗が低下
した場合の影響は？
熱電対はその設置箇所の影響、絶縁材の経時的な劣化、製造中の湿気の侵入等が原因で現場
にて使用中に絶縁抵抗が低下することがある。問題なく使用できるケースが多いが、その場合、実際にどの程度の影響があるのか？また、どの程度の絶縁抵抗低
下まで許容できるか？ |
詳細はpdfファイルに別途示すが、結論は下記。 |
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02
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● 熱電対（補償導線）の極性を間違えて配線した場合
は？
熱電対・補償導線のカラーコードは各国の規格により大幅に異なり、配線作業時に極性を間 違えることがある。その場合の温度指示は？ |
熱電対と補償導線の接続部は、熱電対付属の端子箱や接続箱（ジャンクションボックス）
であり、接続部は大気温度となるケースが多い。従って、端子箱等から受信計器の端子までを極性を間違えて接続した場合は、端子箱部分の温度と受信計器端子
の温度の差が誤差に影響する。もし、両者の温度差がなければ誤差は生じないが、夏や冬では温度差が極めて大きくなるため10℃以上の誤差も生じうる。 極端な例として、夏期に端子箱部分が40℃に達し、受信計器部分は20℃であったとすると、熱電対種類がＥの場合、本来の極性通りであれば40℃での熱 起電力2420μVと20℃での熱起電力1192μVの差である1228μVの熱起電力を発生する。ところが、極性を間違えると全く逆の負の熱起電力とな るため、その部分で-1228μVの熱起電力となるため、本来の熱起電力から-2456μVの熱起電力となる。この値は測定温度500℃程度の温度で換算 すると、-30℃低い指示となる。 また、端子箱部分のみ極性を間違え、受信計側が正しい場合は、熱電対が逆に接続されたこととなるため、さらに大きな誤差となる。同様に受信計側のみ間違 えた場合は補償導線を含めて熱電対が逆に接続されたこととなり、より大きな誤差となる。 |
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03
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● 熱電対と補償導線の接続部分の温度が100℃以上に
なってしまった場合の影響は？
熱電対の設置環境によっては、接続部分（スリーブ又は端子箱）の温度が100℃以上の高 温になる場合がある。影響は？ |
当社製品の最も基本的なシース熱電対はT35形という、シース熱電対の端末に補償導線
を接続したタイプである。シース内部の熱電対線と補償導線をつなぎ換える際に、シースの端部の防湿シールと補償導線の固着のためにスリーブという部分を設
け、内部にエポキシ系の接着剤を充填している。
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04
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● 熱電対を端子等で接続する場合の誤差は？
一般的なプロセスでの計装では、熱電対の端末をJ.BOX等に集めて汎用の端子台を用い て補償導線へつなぎ代えることが多い。異種金属接続となるがその誤差は？ |
一般的な計測手法では、コスト低減のために熱電対で温度を計測し、離れた箇所にある計
測器までは補償導線で延長する。安価な卑金属熱電対（K,E,J,T）であっても、熱電対線と補償導線の価格を比較すると差が出るため、補償導線が使用さ
れる。 その際、熱電対と補償導線を端子箱で接続するが、市販の標準的な端子盤を用いて接続することが多い。補償導線は熱電対とほぼ同等の熱起電力特性を持った 導線であるが、端子板に用いる金属板は銅合金がほとんどで、+側・−側どちらも同一金属種である。そのため、異種金属が熱電対回路に混在することとなり、 誤差の発生を懸念されることがある。 厳密には、熱電対回路に異種金属が介在し、その両端に温度差が生ずると誤差が生じることとなる。従って、端子部の熱電対接続側と補償導線接続側の10数 mm程度の間に温度差が生じなければ誤差はないと言える。通常の使用方法では両者の距離で温度差が大きく出るような使用方法は考えにくく、端子部の温度は 均一であるとの前提で使用されている。 但し、設置環境が相当厳しく、常に端子部の温度が高かったり、温度変化が激しいと予測されるような箇所では接続部分に温度差が生じるおそれもある。その 際には端子板や、熱電対端末の圧着端子を含めて熱電対と同一材質で製作して対応することがある。 |
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05
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● 熱電対から計測器まで距離が離れているため、補償導
線を使用するが、距離の制約と精度への影響は？
発電所や大型化学プラント等の現場では、温度計測箇所から計器室まで数kmの距離になる 場合がある。その場合の問題点は？ |
熱電対回路はその原理から、使用する熱電対材料と両端の温度のみによって発生する熱起
電力は決定され、熱電対線の線経や長さによって特性が変わることはない。従って、測定部分が細く、途中が太くても影響はないし、また、薄板の熱電対でも測
定精度上問題はない。 但し、熱起電力を計測する計器側には制約があり、計器への入力抵抗に何Ωまでという制約が必ずある。そのため、発電所等の大規模なプラントでは補償導線 の線経を太くして長距離伝送を行っている。 最近ではシース熱電対で外径の細いニーズが高まり、熱電対部分だけで高抵抗になるケースもある。例えば、化学プラントのリアクタ等ではφ0.5のシース 熱電対を10数m使用するため、その部分だけでkΩを超える値となりそのままでは計測誤差が大きくなると言う問題が発生した事がある。その時の解決方法 は、計器内部のバーンアウト検出回路をOFFにすることで、熱電対側の導線許容抵抗を増やして対応した。 |
| 06 | ● K熱電対の不可
避誤差（ショートレンジオーダリング：SRO）とは？
K熱電対を250℃〜550℃近傍で使用したのちに温度校正を行うと、プラス側に誤差が
大きく出る、この原因と対策は？
図をクリックすると拡大表
示
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■事象 K熱電対を約250℃〜550℃の温度範囲に曝すと、曝された部分の熱起電力が徐々に上昇し､挿入長さを変化させることにより実際の温度より数℃高く指 示する現象で、約600℃以上になると元の状態に回復する。この温度範囲は文献によりやや異なる。実際の使用深さと、校正時の挿入深さが異なることで顕著 に現れる。 ■原因 一般に結晶構造の短範囲規則性（Short Range Ordering、以下SROと呼ぶ）により、ゼーベック係数が可逆的に変化する事象で、K熱電対の＋脚（KP:クロメル）の主成分である、NiとCrの 原子配列が250℃〜550℃の範囲で規則的に配列することによりゼーベック係数が増加し、その温度に曝された部分が不均質になる。この不均質な部分に温 度勾配が与えられることで、熱起電力の増加が生じる。 この熱起電力の増加量は、温度と時間に大きく依存し350℃〜450℃の範囲が最も影響が大きく、例えば350℃の場合5分間で0.9℃、45分間で 1.9℃、7日間で3.7℃、30日間で5℃の様に短期間で比較的大きな誤差が生じることがある。Crの規則配列が支配的であるといわれているが、これら の事象は約600℃以上に加熱すると規則性がなくなり元の状態に戻る。温度とゼーベック係数の変化を左図に示す。 ■対策 この事象はＫ熱電対の物理的現象であるため、根本的に阻止することは困難であるが、熱処理（Aging）を施すことにより緩和することが可能である｡ あらかじめ、低めの熱起電力特性の熱電対に、実際に使用する温度近傍（例えば450℃）の温度で熱処理を施し、SROを前もって与え、その範囲内で許容 差に入るよう安定させる。この方法により、250℃〜550℃の温度範囲で使用しても熱起電力の上昇は微量で済ませられる。但し元々の熱起電力は低めであ るため、SRO範囲以上の温度（約650℃以上）で使用した場合、元の特性に戻りマイナス目に許容差を逸脱する。 ■熱処理上の注意点 熱処理はSROを緩和する手法として用いられるが、熱処理温度と材質によりシース熱電対に損傷を与えることもあるので注意が必要である。 オーステナイト系ステンレス鋼を500℃〜850℃の範囲で加熱し除冷した場合、粒界組織内に炭素（C）が析出しクロム（Cr）を取り込みクロム炭化物 となり粒界腐食しやすくなる。この処理を鋭敏化熱処理といい、腐食環境に接すると比較的早く進行し､金属は脆く破損しやすくなる。従ってSRO対策で熱処 理を必要とする金属シースは、低炭素鋼(SUS316L)や安定化オーステナイトステンレス鋼 (SUS347、SUS321)等を選択するのが賢明である。 ■参考文献 １）A.W.Fenton : The travelling gradient approach to thermocouple research, Temperature Vol.4 -1972 ２）３）田村 洋一：実用「熱電温度計」計測技術-1995、5月号 |
