温度トランスミッターとは何ですか?また、センサー信号を信頼性の高い工業用出力に変換する方法は何ですか?

あ 温度トランスミッター は、熱電対、RTD、サーミスターなどの温度センサーによって生成された生の電気信号を受信し、それを制御システム、データロガー、PLC、または DCS に長距離にわたって確実に送信できる標準化された出力信号に変換する電子機器です。センサーの本質的に弱くノイズが発生しやすいミリボルトまたは抵抗信号をコントローラーに直接送信するのではなく、トランスミッターはその測定値を調整し、増幅し、線形化し、堅牢で耐干渉性の形式に再エンコードします。

産業用温度トランスミッタでより広く使用されている出力標準は、 4 ～ 20 mA 電流ループ ここで、4 mA は設定された温度範囲の最低点を表し、20 mA は最高温度を表します。たとえば、0 ～ 100 °C の範囲に設定されたトランスミッタでは、4 mA 信号は 0 °C を示し、20 mA 信号は 100 °C を示し、全範囲がこれら 2 つのエンドポイント間に直線的にマッピングされます。などの電圧出力 DC0～5V そして DC0～10V も使用されますが、ケーブルが長いと干渉を受けやすくなります。

つまり、温度トランスミッタは、物理測定の世界とデジタル制御の世界の間の重要な橋渡しとして機能します。センサーが温度を検出し、トランスミッタがそれを通信します。

温度トランスミッターと温度センサー: 主な違い

「温度センサー」と「温度トランスミッター」という用語は、同じ意味で使用されることもありますが、測定システム内で異なる役割を持つ別個のコンポーネントを表します。この違いを理解することは、システムを正しく設計するために不可欠です。

実際には、温度トランスミッターとセンサーはペアのシステムとして機能することがよくあります。最新のデバイスの中には、両方を 1 つのアセンブリに統合しているものもあります。これにより、個別のコンポーネントの必要性がなくなり、配線の複雑さが軽減されます。

温度トランスミッターはどのように機能しますか?

温度トランスミッターの動作原理には、信号処理のいくつかの連続した段階が含まれており、各段階が正確で信頼性の高い最終出力に貢献します。

ステージ 1: センサー入力

トランスミッターは、接続された温度センサーからの生信号を入力端子で受信します。この信号の性質はセンサーのタイプによって異なります。熱電対は、測定接点と基準接点の間の温度差に比例する小さな熱起電力 (ミリボルト範囲) を生成します。 RTD は、温度とともに予想どおりに増加するさまざまな電気抵抗を示します。サーミスタも同様に抵抗値を変化させますが、より狭い範囲でより高い感度を持ちます。

ステージ 2: 信号増幅

センサーの出力信号は本質的に小さくて弱いため、送信機の内部回路は信号を動作可能なレベルまで増幅します。 RTD 入力の場合、増幅前に抵抗変化を測定可能な電圧信号に変換するためにホイートストン ブリッジ回路が一般的に使用されます。このステップにより、信号対雑音比が増加し、さらなる処理のために測定値が準備されます。

ステージ 3: 線形化と補償

温度センサーは、温度と電気出力の間に常に完全な線形関係を生み出すわけではありません。特に熱電対とサーミスタは、動作範囲全体にわたって重大な非直線性を示します。送信機の内部マイクロプロセッサまたはアナログ回路は、この非直線性を補正するために補償曲線を適用し、出力信号が実際の温度変化に正比例して変化するようにします。冷接点補償は、基準接点温度を考慮して熱電対にも適用されます。

ステージ 4: アナログからデジタルへの変換 (スマート送信機内)

マイクロプロセッサベースの「スマート」送信機では、調整されたアナログ信号が内部でデジタル値に変換されます。これにより、信号が送信用にアナログ 4 ～ 20 mA 出力に変換されたり、純粋なデジタル出力として制御システムに送信される前に、スケーリング、診断モニタリング、自己校正、HART などのデジタル プロトコルを介した通信など、より高度な処理が可能になります。

ステージ 5: 標準化された出力送信

完全に処理された信号は、標準化された出力として配信されます。産業環境でより一般的な 2 線式 4 ～ 20 mA 電流ループ構成では、送信機は出力信号を伝送する同じ 2 本の線から動作電力を直接引き出します。これにより、リモート測定ポイントに別の電源を用意する必要がなくなりました。また、(0 mA ではなく) 4 mA の電流により、制御システムは、有効な低温読み取り値と、ゼロ電流を生成する断線またはトランスミッタの故障とを区別することができます。

温度伝送器の種類

温度トランスミッタは、特定の設置環境やアプリケーション要件に適したいくつかの物理的形式と技術カテゴリで入手できます。

物理フォームファクター別

ヘッドマウント (ホッケーパック) 送信機

コンパクトな円盤状の形状から名付けられたヘッドマウント型トランスミッターは、より一般的なタイプで、温度プローブまたはサーモウェルの接続ヘッド内に直接収まるように設計されています。この配置により、トランスミッターがセンサーのできるだけ近くに配置され、保護されていないセンサー配線の長さが最小限に抑えられ、信号干渉のリスクが軽減されます。これらは低コストでコンパクトで、OEM アプリケーションや標準的な工業用温度プローブに最適です。両側に 2 つの取り付け穴があるため、プローブ ヘッド内への取り付けが容易になります。

DIN レール取り付け型伝送器

DIN レール トランスミッタは、電気エンクロージャ、ジャンクション ボックス、またはコントロール パネル内の標準 35 mm DIN レールに取り付けられるように設計されています。これらは、複数のトランスミッタを中央の場所にまとめて収容する必要がある場合、または設置環境で電子機器に対する高度な物理的保護が必要な場合に推奨される選択肢です。モジュラー形式により、メンテナンスと交換が簡単になります。 DIN レール モデルは通常、さまざまなセンサー入力を受け入れ、ヘッドマウント型のモデルよりも多くの構成オプションを提供します。

現場設置型送信機

フィールド取り付け型トランスミッタは、通常 IP65 以上の定格を持つ堅牢な耐候性ハウジングに収められており、測定点に近いプロセス環境に直接設置されます。頑丈な構造により、電子機器を湿気、ほこり、機械的振動、腐食性雰囲気から保護します。多くの製品は、可燃性ガスや粉塵が存在する可能性のある危険場所で使用するために、防爆バージョンまたは本質安全バージョンで入手できます。トランスミッターをセンサーの近くに配置すると、センサーのケーブル長が最小限に抑えられ、信号の完全性が向上します。

マイクロプロセッサベースの (スマート) 送信機

マイクロプロセッサベースの送信機は、より技術的に高度なカテゴリを代表します。プログラム可能な設計により、温度範囲、センサーの種類、出力スケーリング、その他のパラメーターを設置後に設定および再構成できるため、プロセス条件が変化した場合でも柔軟性が得られます。測定精度、内蔵自己診断機能、デジタル通信プロトコルとの互換性を備えています。密閉された、多くの場合ステンレス鋼のハウジングは環境保護を提供します。

通信プロトコルによる

あnalogue (4–20 mA)

従来の出力形式ですが、さらに広く導入されています。 4 ～ 20 mA の電流ループは堅牢かつシンプルで、事実上すべての産業用制御システムと互換性があります。電気ノイズの影響を非常に受けにくく、長い伝送距離でも劣化しません。その主な制限は、単一の測定値のみを伝送することです。プロセス変数が追加されると、追加の配線が必要になります。

HART (ハイウェイ アドレス可能リモート トランスデューサー)

HART トランスミッタは、従来の 4 ～ 20 mA アナログ信号にデジタル通信信号を重畳し、アナログ測定を中断することなくトランスミッタとホスト システム間の双方向デジタル通信を可能にします。これにより、リモート構成、診断、および同じ 2 線接続を介した二次変数の送信が可能になります。 HART は、プロセス産業でより広く使用されているデジタル通信プロトコルです。

Foundation フィールドバスとプロフィバス

これらは、アナログ 4 ～ 20 mA 信号を完全に置き換える完全デジタル通信プロトコルです。複数のトランスミッタが同じバスケーブルを共有できるため、大規模な設置における配線コストが大幅に削減されます。これらは、高度な診断、多変数伝送、最新のデジタル制御アーキテクチャとのシームレスな統合をサポートしています。 Foundation フィールドバスは、石油、ガス、石油化学産業で一般的です。 Profibus は、ディスクリート製造およびプロセス製造で広く使用されています。

ワイヤレス送信機

ワイヤレス温度トランスミッターは信号ケーブルを完全に排除し、WirelessHART や ISA100.11a などの無線周波数プロトコルを介して測定データを送信します。これらは、回転機器、遠隔タンク、既存施設への改造設置など、ケーブルの配線が非実用的、法外に高価、または潜在的に危険な用途で特に価値があります。電池式モデルは交換まで数年間動作します。

温度伝送器に対応した入力センサーの種類

あ temperature transmitter must be matched to the type of sensor it will receive input from. The three principal sensor families are as follows:

RTD (測温抵抗体)

RTD は、温度の上昇に伴う純金属 (最も一般的にはプラチナ) の電気抵抗の予測可能な増加を利用して温度を測定します。 Pt100 (0 °C で 100 オーム) と Pt1000 (0 °C で 1,000 オーム) は、より広く使用されているバリエーションです。 RTD は精度、長期安定性、優れた直線性を備えているため、約 -200 °C ～ 850 °C の範囲での精密用途に最適です。 RTD トランスミッタは、ホイートストン ブリッジ回路を使用して抵抗を電圧信号に変換して処理します。

熱電対

あ thermocouple consists of two dissimilar metal wires joined at one end. When that junction is heated or cooled, it generates a small thermoelectric voltage (the Seebeck effect) proportional to the temperature difference between the measurement junction and the reference junction. Thermocouples can measure a very wide temperature range—from cryogenic temperatures to above 1,700 °C for specialised types—and are robust, fast-responding, and inexpensive. Common types include Type K (chromel/alumel), Type J (iron/constantan), and Type T (copper/constantan). Thermocouple transmitters must include cold junction compensation to account for the reference junction temperature.

サーミスタ

サーミスタ are semiconductor resistors whose resistance changes dramatically—and non-linearly—with temperature. Negative Temperature Coefficient (NTC) thermistors decrease in resistance as temperature rises; Positive Temperature Coefficient (PTC) types increase. Their high sensitivity makes them well suited to precise measurements over a narrow temperature range (typically −50 °C to 150 °C), and they are commonly used in medical, HVAC, and consumer electronics applications. Transmitters paired with thermistors must apply more significant linearisation correction to compensate for their inherent non-linearity.

温度トランスミッターを使用する主な利点

• 長距離信号伝送: 4 ～ 20 mA の電流ループは、標準的な安価な銅線ケーブルを使用して、直接センサー配線に影響を与える信号劣化を起こすことなく、数百メートルにわたって確実に伝送できます。
• 高いノイズ耐性: 電流モード信号は、センサーによって直接生成されるミリボルトレベルの信号に比べて、モーター、可変周波数ドライブ、その他の産業用機器からの電磁干渉の影響をはるかに受けにくくなります。
• グランドループの排除: あn isolating temperature transmitter breaks the electrical connection between the sensor circuit and the control system ground, preventing the measurement errors caused by ground loop currents that arise when two grounding points are at different potentials.
• 2 線式のシンプルさ: あ two-wire transmitter requires only two conductors—the same pair carries both the power supply and the output signal—reducing wiring costs, installation time, and the complexity of cable management.
• 信号の線形化: トランスミッターはセンサーの非線形性を自動的に補正し、制御システムでの補正を必要とせずに、実際の温度測定値を正確に表す線形出力を提供します。
• 標準化された出力の互換性: 4 ～ 20 mA 出力は、特別な延長ワイヤや入力カードを必要とせずに、事実上すべての PLC、DCS プラットフォーム、データ ロガー、インジケーターで広く受け入れられます。
• あdvanced diagnostics (smart transmitters): マイクロプロセッサベースのモデルは、センサーの故障、配線の故障、校正ドリフトを検出して報告できるため、予知保全が可能になり、計画外のダウンタイムが削減されます。

温度伝送器の産業用途

温度トランスミッターは、自動化されたプロセス制御または監視システムの一部として、正確で信頼性の高い温度測定が必要な場所に配置されます。そのアプリケーションは、現代産業の事実上あらゆる分野に及びます。

石油、ガス、石油化学製品

製油所、上流の生産施設、石油化学プラントでは、反応器の温度、蒸留塔のプロファイル、熱交換器の性能、パイプラインの温度、貯蔵タンクの状態を監視するために温度伝送器を広範囲に使用しています。正確な温度制御は、プロセスの効率性と、暴走反応、機器の損傷、または安全上のインシデントを引き起こす可能性のある状態を防ぐために重要です。このような環境では、防爆または本質安全認証を取得したフィールド取り付け型送信機が標準です。

化学品製造

化学合成プロセスは、反応収率、選択性、製品の品質を確保するために厳密な温度制御に依存します。反応容器、ジャケット付きタンク、熱伝達システムに接続された温度送信機は、加熱または冷却を自動的に調整する制御システムにリアルタイム データを供給します。大型原子炉では、送信機アレイを使用した多点温度プロファイルが一般的です。

食品および飲料の加工

低温殺菌、滅菌、発酵、調理、冷蔵保管はすべて、製品の安全性と食品安全規制への準拠を確保するために正確な温度管理を必要とします。 FDA および EHEDG 基準を満たすサニタリー接続と材料を備えた衛生的なプロセス設計の温度トランスミッターは、食品および飲料の生産ライン全体で使用されます。医薬品製造でも、温度測定とトレーサビリティに対して同様に厳しい要求が課されます。

HVAC とビル管理

暖房、換気、および空調システムでは、温度トランスミッタがダクト温度、給気および還気の状態、冷水の温度、大規模な商業または工業用建物全体のゾーン温度を監視します。標準化された出力はビル管理システム (BMS) と直接統合され、HVAC 機器の集中監視と自動制御が可能になり、エネルギー効率と居住者の快適さを実現します。

発電

化石燃料、原子力、再生可能エネルギーのいずれであっても、発電所では温度伝送器を使用してタービン軸受、発電機巻線、蒸気温度、冷却水システム、排気ガス温度を監視します。正確で信頼性の高い温度データは、効率の最適化と、機械的故障や安全上の問題を示す可能性のある状態の早期検出の両方に不可欠です。

あerospace and Defence

エンジン試験、環境試験室、航空宇宙製造プロセスでは、この分野の厳しい仕様を満たすために高精度の温度トランスミッターが必要です。小型送信機は、航空機エンジンやその他の安全性が重要なコンポーネントの機内監視システムにも統合されています。

適切な温度トランスミッタの選択方法

特定のアプリケーションに適切なトランスミッターを選択するには、相互に依存するいくつかの要素を慎重に考慮する必要があります。

• センサーの互換性: トランスミッタが使用されている特定のセンサー タイプ (熱電対タイプ、RTD 構成、またはサーミスター特性) を受け入れ、その入力範囲が必要な測定スパン全体をカバーしていることを確認します。
• 温度範囲: 分解能と精度を低下させる不必要に広い範囲を避けながら、最小プロセス温度と最大プロセス温度を快適に包含する構成範囲を持つトランスミッターを選択してください。
• 出力信号の種類: 出力フォーマット (4 ～ 20 mA アナログ、HART、Profibus、Foundation Fieldbus、またはワイヤレス) を受信制御システムまたはデータ インフラストラクチャの要件に合わせます。
• 環境評価: 屋外またはプロセスエリアに設置する場合は、トランスミッタの IP 定格と材料構造が、極端な温度、湿度、塵、腐食性物質の存在などの周囲条件に適切であることを確認してください。
• 危険区域認定: 爆発性雰囲気が存在する可能性のある環境では、送信機は本質安全または防爆動作のために、適切な認証 (ATEX、IECEx、または同等の国家規格) を取得する必要があります。
• あccuracy and stability requirements: 高精度アプリケーションには、より低いドリフト仕様と追跡可能な校正を備えたスマートトランスミッターが必要な場合があります。それほど要求の厳しいアプリケーションでは、標準のアナログユニットで十分に対応できる場合があります。
• 取り付けおよび設置形式: 物理的形状 (ヘッドマウント、DIN レール、またはフィールドマウント) を、利用可能な設置スペース、センサーへの近さ、設置の保護要件に合わせてください。

設置とメンテナンスに関する考慮事項

温度トランスミッタが提供できる完全な精度と信頼性を実現するには、適切な設置が不可欠です。保護されていないセンサー配線の長さを最小限に抑えるために、送信機はできるだけ測定点の近くに設置する必要があります。ケーブルのシールドと正しいアース方法により、電気的にノイズの多い環境での干渉のリスクが大幅に軽減されます。グランド ループ エラーが懸念される場合は、絶縁トランスミッタを指定する必要があります。

定期的なメンテナンスには、特に温度測定精度が製品の品質や安全性コンプライアンスに直接影響を与えるプロセスにおいて、測定精度が許容範囲を超えていないことを確認するために、既知の参照標準に対する定期的な校正チェックが含まれる必要があります。診断機能が組み込まれたスマートトランスミッターは、潜在的な問題に自動的にフラグを立てることで、このプロセスを簡素化します。特に過酷な屋外またはプロセス環境では、配線接続、端子の完全性、およびハウジングの状態の物理的検査も定期的に実行する必要があります。

あ temperature transmitter is a foundational component of modern industrial measurement and control systems. By converting the weak, noise-susceptible signals produced by temperature sensors into robust, standardised electrical outputs suitable for long-distance transmission and integration with control platforms, it makes accurate, reliable temperature monitoring possible across the full scale and complexity of industrial processes. Understanding what a temperature transmitter is, how it works, and how to select the right type for a given application is essential knowledge for anyone involved in process instrumentation, automation engineering, or industrial plant operations. From the simplest analogue two-wire loop to the more sophisticated wireless smart transmitter, the fundamental purpose remains unchanged: to communicate what the process temperature actually is, precisely and dependably, to the systems that need to act on that information.