熱電対の冷接点: なぜそれが本当に重要なのか、そして CJC はどのように機能するのか

同じパイプ上の 2 つの熱電対を比較し、それらが数度一致しないのを見たことがある場合は、おそらくセンサーの先端が問題ではなかったでしょう。多くの場合、答えはループのもう一方の端、つまり熱電対のワイヤが機器と接続する端子台にあります。その接続点は冷接点であり、その役割を理解すれば、熱電対測定は当てずっぽうではなくなります。

この記事では、冷接点とは何か、熱電対が冷接点なしでは絶対温度を報告できない理由、最新の機器における冷接点補償の仕組み、基準接点がデータを静かに損なうことを防ぐ習慣について説明します。

熱電対が電圧を生成する仕組み

熱電対は、一端で結合された異なる金属の 2 本のワイヤです。その接合部、つまり測定または熱接点は、プロセス内に配置するものです。 2 つの金属の接合端と自由端の間に温度差があると、ゼーベック効果によって小さな電圧 (通常は摂氏 1 度あたり数十マイクロボルト) が発生します。

人々を驚かせる詳細は、電圧が測定ジャンクション温度のみに対応しているわけではないということです。これは、測定接点とワイヤの終端点との間の差に相当します。 K 型熱電対は摂氏 1 度あたり約 41 マイクロボルトを生成するため、プロセスがまったく移動していない場合でも、端子での 5 °C の変化は測定値の 5 °C の変化として現れます。

コールドジャンクションとは何ですか?

基準接点とも呼ばれる冷接点は、熱電対またはその延長ワイヤが測定器 (トランスミッタ端子台、コントローラ入力、データロガー、または温度トランスミッタ) に接続される場所に形成されます。

これについてよく誤解されていることが 2 つあります。

• 単なる室温ではありません。これは、どんな風、筐体の熱、ケーブル負荷が存在しても、その時点での端末の実際の温度です。
• 必ずしも便利なスポットが 1 か所あるわけではありません。間違ったワイヤで中間接続が行われるたびに余分な接合部が作成され、それぞれが独自の電圧を発生させます。

銅のネジや回路基板のトラックが熱電対のワイヤに接触すると、それらの接触点が熱電回路の一部になります。端子領域を等温に保つこと、つまりすべての接続が同じ温度に保たれることは、優れた冷接点設計の物理的基礎です。

アイスバスから電子補償まで

前世紀のほとんどの間、基準接点は溶けた氷の入ったフラスコ内で既知の 0 °C に保たれていました。測定された電圧は、その基準に基づいて作成された公開された表と直接比較できます。これは正確であり、現在でも使用されている標準的な熱電対テーブルの背後にある考え方ですが、石油化学ユニットや熱処理炉のそばではほとんど実用的ではありません。

最新の機器は電子的に問題を解決します。冷接点を強制的に 0 °C にするのではなく、その実際の温度を測定し、基準が 0 °C にあった場合に熱電対が生成するであろう電圧を加算します。その追加量が冷接点補償電圧です。

冷接点補償の仕組み

トランスミッター、コントローラー、またはデータ収集カード内のプロセスは 3 つのステップに分かれています。

1. 端子温度を測定します。小型の RTD、サーミスタ、またはシリコン センサーが、レイアウトが許す限り実際のジャンクションに近い端子ブロックの横に配置されます。
2. その温度を同等の熱電対 EMF に変換します。使用されている熱電対タイプの標準テーブルを使用して、機器は基準温度が 0 °C に留まり、測定接点がその端子温度にある場合に現れる電圧を計算します。
3. 加算して線形化します。補償電圧が測定信号に加算され、その合計が多項式またはルックアップ テーブルを通じて最終的な温度値に変換されます。

補正は熱電対の種類に依存するため、機器の入力、センサー、延長配線がすべて一致している場合にのみ補正が有効になります。タイプ J 用に構成されたトランスミッターに給電するタイプ K センサーは、再キャリブレーションをいくら行っても除去できない体系的なオフセットを与えます。データ収集システムのソフトウェアベースの補正も同じロジックに従いますが、基準センサーは端末から遠くに設置されることが多く、その距離で精度が最も失われやすくなります。

よくある冷接点の落とし穴

私たちが耳にする冷接点の問題のほとんどは、いくつかのパターンに分類されます。以下の表は、一般的に何が問題となるのか、またそれを修正する傾向があるものをまとめたものです。

延長および補償ワイヤー これは、倉庫にあったものと最も頻繁に置き換えられるループの部分であるため、特に言及する価値があります。銅線ケーブルは 4 ～ 20 mA の信号を伝送するのには適していますが、両端に新しい接合部を作成しないと熱電対信号を伝送することはできません。補償ワイヤは熱電対のタイプに適合した合金で作られており、その温度定格は、高温の容器または炉のケーシングを横切る部分を含む、通過する最も高温の点をカバーする必要があります。

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冷接点を処理するハードウェア

冷接点が効果的に存在する場所は、信号をデジタル化する場所によって決まります。ほとんどの産業設備は 3 つの取り決めでカバーされます。

• 機器内の基準センサーを使用して、コントローラーまたは入力カードに直接配線します。
• センサーに取り付けられたヘッド トランスミッターまたはフィールド トランスミッターは、ローカルで補正を実行し、4 ～ 20 mA またはデジタル信号を制御室に送信します。
• キャビネット内のレールに取り付けられた送信機は、届きにくいセンサー用です。

多くの場合、送信機をセンサーの外に移動することが、最大の改善点となります。熱電対とその延長配線は短くなり、中間接点がなくなり、信号はマイクロボルト レベルの EMF ではなく堅牢な電流ループとして距離の大部分を伝わります。当社の統合型温度トランスミッタは、まさにこの配置向けに構築されており、基準接点は長いケーブルの遠端ではなくハウジング内で処理されます。

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アナログとスマート トランスミッターを比較検討している場合は、次のガイドをご覧ください。 温度トランスミッターの仕組み 精度クラス、ドリフト、選択基準について詳しく説明します。

信頼性の高い冷接点を実現するための実践的な習慣

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• 1 つの熱電対のすべての端子接続を、2 つのブロックに分割するのではなく、単一の等温ゾーン内に保持します。
• 端子台やトランスミッタをコンタクタ、ドライブ、または電源の真上に取り付けないでください。
• 熱電対グレードのワイヤを使用し、その温度定格を尊重し、締める前に極性を確認してください。
• 特に屋外の筐体では、端末を直接の空気の流れや日光から保護してください。

サービス中

• ドライブロックキャリブレーターやシミュレートされたミリボルト入力などの既知の基準に対してループを検証します。
• 端子の酸化を検査し、新しい設置の最初の熱サイクル後に再度締め付けます。
• プロセス測定値と一緒にキャビネット温度を記録します。安定したプロセスにおける季節ドリフトは通常、センサーではなくエンクロージャを指します。

制御側では、サウンド基準ジャンクション処理を備えたコントローラーにより、この作業がオペレーターの手から解放されます。当社のコンパクトなデジタル PID 温度コントローラーは、熱電対入力を直接受け入れ、冷接点を内部で管理するため、小型スキッド、インキュベーター、オーブンの構築と保守が簡単になります。

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ループを 1 つのシステムとして扱う

冷接点の動作は測定ループの一部であり、ループの残りの部分も同様に注意する必要があります。センサーのタイプ、シースの材質、保護チューブ、取り付け方法、ケーブル経路はすべて相互作用するため、完全に補償されたトランスミッターは、生き残れない場所に設置された熱電対を救うことはできません。石油化学プラントでは、通常、防水性と耐摩耗性の熱電対を正しく定格の補償ワイヤと組み合わせることが、カタログ精度のわずかな違いよりも重要になります。高温プロセスでは、プラチナ-ロジウムおよびタングステン-レニウムのセンサーにより、卑金属タイプでは持続できない測定接点の信頼性が維持されます。これらの組み合わせがどのように組み合わされるかがわかります。 業界のアプリケーションページ .

これらはどれも複雑である必要はありません。熱電対は絶対値ではなく差を報告することを受け入れ、基準接点に安定した等温の基準を与え、センサーに適合するワイヤを使用し、適切に指定されたトランスミッターまたはコントローラーに演算を処理させます。これら 4 つのことを行うと、冷接点は隠れた誤差の原因ではなくなり、本来あるべき姿、つまり測定ループの静かで理解される部分になります。