産業用温度センサの選定は、測定点、使用温度、電気環境、必要応答、取付方法、制御システムとのインターフェースの確認から始まります。あらゆる産業用途に適合する単一の測定技術はありません。RTD、熱電対、サーミスタ、赤外線センサ、半導体センサ、光ファイバーセンサは、それぞれ異なる測定課題に対応します。
従来型の電気センサは、プロセス配管、アクセス可能な機械、低電圧設備、工場内の一般的な測定に引き続き実用的です。測定点に高電圧、強い電磁界、RFやマイクロ波エネルギー、強磁界、電気的絶縁の要件、または直接の点式測温が必要な埋込み位置が含まれる場合、光ファイバー測温の適性が高まります。
産業用温度センサとは
産業用温度センサは、所定位置の温度を、測定、表示、伝送、制御システムでの利用が可能な信号に変換します。測定方法は接触式と非接触式に分けられ、出力の原理には電気、光、放射を用いる方式があります。
産業用温度測定装置には、単純な感温素子から、温度データの取得、表示、伝送、統合を行う計器全体まであります。
測定系の異なる部分を示すにもかかわらず、次の3用語はよく混同されます：
- 温度センサ： 測定点にある感温素子・プローブ。
- 温度測定装置・監視計測器： センサ信号を収集、処理、表示、伝送する装置です。伝送器、復調器、調節器、表示計などがあります。
- 温度監視システム： センサ、配線または光ファイバー、監視計測器、通信、警報、制御システム連携を含む全体構成です。
正しいセンサを選ぶだけで、適切な監視システムになるわけではありません。チャンネル数、通信、警報要件、センサ配線、監視距離、PLC・SCADA連携も案件に合わせる必要があります。
産業用温度センサの一般的6種類
1. RTD・PT100センサ
RTDは、金属感温素子の電気抵抗の変化を利用して温度を測定します。PT100は、安定した精度と再現性が重要な産業用接触測定に広く使用され、プロセス機器、タンク、配管、熱交換器、機械、一般的なプラント計装などに採用されています。
主な強み： 良好な精度と再現性、成熟した技術、幅広い計測器互換性、産業分野での高い入手性。
主な制約： 感温素子と監視計器の間に電気導体が必要です。そのため、高電圧や強電磁界環境では、絶縁、接地、配線経路、シールド、信号品質について追加の配慮が必要な場合があります。
PT100は多くの従来型産業設備で実用的です。測定環境に固有の電気的・電磁的・設置上の制約がなければ、光ファイバー方式へ置き換える必要はありません。
2. 熱電対
熱電対は、異なる2種類の金属の接合部で微小電圧を発生します。プロセス条件と必要温度に合わせて各種の熱電対を選べるため、工業加熱、炉、機械、試験機器、プロセスシステムで広く使われています。
主な強み： 堅牢な構造、幅広い入手性、単純な感温構造、多くの産業プロセスへの適性。
主な制約： センサと補償導線の両方に導電性があります。基準接点補償を正しく行う必要があり、微小信号は設置条件によって電気ノイズの影響を受けます。大電流機器や電気ノイズの多い機器の周辺では、特に接地と配線経路が重要です。
3. サーミスタ
サーミスタは温度による抵抗変化を使い、通常、想定動作範囲内で高い感度を持ちます。小型なため、電子機器、制御組立品、小型機械、バッテリーシステム、機器の局所監視でよく使われます。
主な強み： 小型感温素子、高感度、適切な構造での高速応答、小型機器への容易な組み込み。
主な制約： の応答は非線形で、使用範囲はサーミスタの材料と設計に大きく依存します。幅広い用途への柔軟な対応が必要な重工業プロセス測定では、RTDや熱電対がよく選ばれます。
4. 赤外線温度センサ
赤外線温度センサは、対象に物理的に接触せず、放出される熱放射から表面温度を求めます。可動部品、アクセス困難な表面、高温物体、接触プローブを取り付けにくい場所が一般的な用途です。
主な強み： 非接触測定で対象へのセンサ取付けが不要なため、可動面やアクセス困難な表面を測定しやすくなります。
主な制約： の測定は、見通しと対象の放射率に依存します。可視表面だけを測るため、赤外線測温では、見えない内部巻線、埋もれた接続部、埋込み温度点を直接測定できません。
この違いの詳細は次をご覧ください。 点測定と非接触温度測定.
5. 光ファイバー温度センサ
INNOは蛍光式の光ファイバー点式測温を採用しています。プローブ先端の蛍光材を光で励起し、蛍光減衰時間の変化から温度を計算します。プローブと監視計測器の間では、導電性信号線ではなく光ファイバーで光を伝送します。
測定原理の詳細は次をご覧ください。 蛍光式光ファイバー温度測定.
測定挙動を正しく定義することが重要です：
- プローブ1本は所定の物理的感温点1か所を測ります。
- 複数本で独立した複数温度点を測ります。
- 蛍光点式測温は分布型温度測定（DTS）ではありません。
- 光ファイバー全長の連続測温ではありません。
- 未知のホットスポットは自動特定されません。
主な強み： 測定点での電気的絶縁、高い耐電磁干渉性、高電圧機器近傍への適性、強いEMI環境への対応、RF・マイクロ波・強磁場・特定の埋め込み測定用途での実用性。
主な制約： では、設置した感温点の温度だけを測定するため、測定前にプローブの位置を決める必要があります。埋込用途では、通常、機器製造時のアクセスまたは適切な後付け方法が必要です。専用の光学監視計器も必要になるため、測定点の電気的・環境的要件と照らしてシステム構成と費用を評価してください。
プローブ・システム構成は以下をご覧ください： 光ファイバー温度センサ.
6. 半導体・集積温度センサ
半導体温度センサは、半導体デバイス内部の温度依存の電気特性を利用します。PCB、電子アセンブリ、パワーエレクトロニクス、制御機器、小型組込みシステムに組み込まれるのが一般的です。
主な強み： 小型で電子回路に組み込みやすく、機器設計に応じて便利なアナログ・デジタル出力を選べます。
主な制約： 許容温度、電気的絶縁、パッケージ構造、周囲の電気環境を用途に適合させる必要があります。電子回路に使用する半導体デバイスは、一般に、高電圧の埋込測定点用プローブを直接代用するものではありません。
産業用温度センサの比較
| センサ種類 | 接触・非接触 | 主な強み | 主な限界 | 一般的な産業用途 |
|---|---|---|---|---|
| RTD／PT100 | お問い合わせ | 精度・再現性 | 導電性配線と設置上の検討事項 | プロセス機器、タンク、機械 |
| 熱電対 | お問い合わせ | 堅牢で入手しやすい | 基準補償と電気ノイズの検討事項 | 加熱装置、炉、産業プロセス。 |
| サーミスタ | お問い合わせ | 小型・高感度 | 非線形応答と用途依存の範囲 | 電子回路・小型機器 |
| 赤外線 | 非接触 | 対象に触れず測定。 | 表面のみ。見通しと放射率。 | 可動・アクセス困難な表面 |
| 光ファイバー | 接触点測定 | 電気的絶縁と高いEMI耐性 | 指定プローブ位置と光計器が必要 | 高電圧、EMI、RF、埋め込み点。 |
| 半導体 | お問い合わせ | 電子回路へ組み込みやすい | 環境・電気的絶縁の制限 | PCB・電子機器。 |
産業用温度センサの選び方
有用な選定基準は、センサ名だけでなく、機器と測定目的から導きます。通常は測定位置で最初に絞り込み、次に温度条件、電気的環境、設置制約、応答要件、精度、点数、システム連携を検討します。
測定位置
まず、温度を測る位置を正確に定めてください。表面温度、内部巻線温度、母線接合部、プロセスチャンバー、試験対象、埋込部品、アクセス可能な機械表面では、それぞれ異なる測定構成が必要です。
赤外線測温は露出表面を測れますが、巻線内部温度を直接示すことはできません。埋込みプローブは内部点を測れますが、機器組立の前または途中で設置アクセスが必要です。
温度範囲
通常運転、起動、過負荷、試験、予見できる異常条件を含め、実際の運転条件から温度要件を定めてください。
RTD、熱電対、サーミスタ、半導体センサ、光ファイバープローブには多様な構造があり、対応温度も異なります。技術全体に同じ範囲が当てはまると考えず、個々のモデルの仕様に基づいて選定してください。
INNOの標準蛍光式プローブは、プローブとシステム構成に応じて、通常約−40 °C～+260 °Cに対応します。
電気的環境
高電圧、大電流、接地条件、電気的絶縁、電磁干渉により、実用的に使用できるセンサ技術が決まることがあります。
従来の電気式センサは通常の産業環境で良好に機能します。通電中の高電圧機器や強い電磁界に近い測定点では、追加の絶縁、シールド、接地、ケーブル経路対策が必要な場合があります。
電気的絶縁や高い耐電磁干渉性が主要要件となる場合、光ファイバー測温が有力になります。代表例は次に示しています。 高電圧温度監視.
応答時間
急速に温度が変化するプロセス、実験室試験、パワーエレクトロニクス機器、短時間の負荷変動では、大型設備の定常監視より速いセンサ応答が必要になる場合があります。
応答は感温素子の構造、プローブ径、取付方法、熱接触、周囲材料、監視計器によって異なります。そのため、比較には実際のセンサ構成と設置方法のデータを使用してください。
INNOの標準蛍光プローブ構成は、プローブ構造と設置条件に応じて1秒未満の応答に対応できます。
設置・センサアクセス
プローブ寸法、固定方法、配線、ケーブル・光ファイバーの曲げ、保守アクセス、交換方法、設置時期が実際の設計に影響します。
埋込センサは、機器製造時に配置する必要があることがよくあります。後付けではアクセスが大幅に制限される場合があり、経路と機械的保護がセンサ仕様と同じくらい重要になります。
精度と再現性
必要精度は、入手できる最高仕様ではなく設計目的から決めてください。プロセス監視、保護、実験室試験、傾向監視では、必要な精度が異なる場合があります。
過剰仕様はシステムの複雑さと費用を増やし、精度不足は有用な診断を妨げます。センサ、監視計器、設置方法、校正を一つの測定系として検討してください。
測定点数
単点と多点のプロジェクトではシステム構成が異なります。多点設置では、センサ数、利用可能チャンネル、同時収集、予備チャンネル、監視位置、通信構成を決める必要があります。
蛍光方式の光ファイバー測温では、1本のプローブが所定の1測定点に対応します。複数本を設置すると独立した複数の測定値を得ます。あくまで点式測温であり、DTSと混同しないでください。
システム統合
温度値は、現場表示、警報、データロガー、PLC、SCADA、その他の監視プラットフォームへ送る必要がある場合があります。
対象となるINNO監視計器では、選定構成に応じてRS485やModbus-RTUなどのインターフェースを利用できます。そのため、センサ自体から通信機能を推測せず、計器選定前に通信要件を定めてください。
光ファイバー温度センサが適する場面
温度測定に加えて、電気的絶縁、強い電磁界、RFエネルギー、磁場への対応や、従来方式で届きにくい内部点へのアクセスが必要な場合、光ファイバー温度測定は特に有用です。
高電圧機器
変圧器巻線、通電中の試験対象、高電圧試験室、一部の電気設備では、測定点が高い電位に置かれる場合があります。そのような場所では、金属感温素子と導電性信号配線が絶縁設計を複雑にすることがあります。
光学的な点式測温は測定点の電気的絶縁を確保し、通電領域から離れた計測器へ温度情報を光で伝送できます。
代表用途は、 変圧器温度監視では、製作中に選定巻線位置へプローブを組み込めます。
強電磁界
モーター、発電機、開閉装置、変圧器、大電流導体、電気試験装置は、従来の電気信号配線を難しくする電磁環境を形成する場合があります。
光ファイバープローブは温度情報を光学的に伝送するため、高い耐電磁干渉性を持ちます。従来のセンサも、接地、シールド、配線、場の強さを適切に管理すれば良好に機能します。
関連例には次があります： 開閉装置温度監視 および モータ・発電機温度監視.
RF・マイクロ波機器
導電性プローブやセンサリード線は、位置、形状、設置方法によってRF・マイクロ波の場と相互作用します。光学プローブは、適切なRF・マイクロ波プロセス内部で、直接の点測定用に非導電性経路を提供します。
用途の詳細は次をご覧ください。 産業用マイクロ波温度監視.
強磁場
研究システム、試験装置、MRI関連環境では、測定点近くの金属感温素子や導電性配線に制約がある場合があります。強磁場がセンサ選定に影響する場所で、光学プローブは別の測定手段を提供します。
内部埋込測定点
変圧器巻線、モータ・発電機巻線、研究機器、その他の組立体では、製造後にアクセスできなくなる選定点の温度を直接測定する必要がある場合があります。
機器構造や後付け設計によってアクセスを確保できれば、予定位置に光ファイバープローブを設置できます。各プローブは設置位置の温度を示し、未知の最高温度点を探すものではありません。
従来センサのほうが適する条件
すべての産業用温度測定に光ファイバー測定が必要なわけではありません。RTD、PT100、熱電対、サーミスタ、赤外線センサは、産業用途の多くに適しています。
主な例：
- 通常プロセス配管
- アクセス可能な機械表面
- 低電圧機器
- 従来のプロセス制御
- 一般HVAC・プラント測定
- 特殊な電気的絶縁要件がない用途
- 電磁界・RF・磁場の厳しい制約がない位置
従来のセンサは設置・交換が容易なことが多く、既設計測器も対応しています。
光ファイバー温度センサは、光測定が利用できるという理由だけでなく、測定環境がその電気的・光学的特性を必要とする場合に選んでください。
詳細な比較は以下をご覧ください： 光ファイバー温度センサとPT100比較 および 光ファイバー温度センサと熱電対の比較.
用途別産業用温度センサ
産業用の各種温度センサは、測定位置、周囲の電気的環境、設置アクセス、必要なシステム統合に応じて選びます。
| 用途 | 測定課題 | 一般的なセンサ選択肢 | 光ファイバーを検討する場面 |
|---|---|---|---|
| 変圧器巻線 | 高電位下の内部測定点。 | 光ファイバープローブ、間接的油温・巻線温度法。 | 選定巻線位置の直接測定。 |
| 開閉装置 | 充電接続部、狭い空間、大電流の電磁界 | 赤外線、RTD、熱電対、その他の点式方式 | 電気的絶縁または高い耐EMI性が必要な測定点 |
| 電動機・発電機 | 巻線内部点、強い電磁界、限られた配線空間。 | RTD、熱電対、サーミスタ、選定光センサ | 絶縁または高いEMI耐性が必要な選定巻線点。 |
| 産業プロセス機器 | 異なる温度、プロセス条件、固定要件。 | RTD、熱電対、赤外線、専用プロセスセンサ | 電気的・RF・電磁的制約がある位置 |
| 高電圧試験 | 高い電位で動作する試験対象。 | 用途に応じた測定方式 | 選定試験対象点での直接絶縁測定 |
| RF / マイクロ波機器 | 導電性センサと電磁界の相互作用の可能性 | 用途別接触・非接触方式。 | 適したRF・マイクロ波環境内での非導電性点測定 |
| 実験室 / 試験システム | 可変構成、多点、変化する試験条件。 | 熱電対、RTD、サーミスタ、赤外線、光学センサ。 | 電気的絶縁、強電磁界、埋込試験点 |
温度センサから監視システムへ
有用な監視は測定系全体に依存します：
測定点→センサ・プローブ→ケーブル・光ファイバー→監視計測器→警報・通信→PLC / SCADA
センサ選定は測定系の一部分です。チャンネル数、信号収集、警報ロジック、通信インターフェース、記録、制御システム統合、保守、センサ交換も最終設計に影響します。
蛍光式システムは、光ファイバー温度プローブ、光ファイバーまたは延長ファイバー、温度変換器・復調器・監視計測器などで構成できます。測定点数に応じて、単チャネルまたは多チャネル構成を選定できます。
システムの選択肢は次をご覧ください。 光ファイバー温度監視システムで、測定方式全体は次で説明しています。 光ファイバー温度測定.
温度監視システムの依頼前に定める情報
明確なプロジェクト情報により、センサと監視システムをより正確に選定できます。見積依頼に有用な情報は通常、次のとおりです：
- 監視対象機器
- 正確な測定点
- 温度点数。
- 想定使用温度範囲
- 電圧環境
- EMI、RF、磁界条件
- プローブ設置可能スペース
- 必要なケーブル・光ファイバー経路
- センサと計測器の距離。
- 必要な監視チャネル数
- 必要通信インターフェース
- PLC・SCADA統合要件。
- 警報・リレー出力要件。
- 新設機器か改修案件か
測定環境に適したセンサの選定
産業用温度センサの選定は、どこを測定し、その点がどのような条件に置かれるかによって決まります。温度範囲、電気的環境、設置時のアクセス、応答、精度、チャンネル数、保守、システム統合をまとめて評価してください。
RTD、熱電対、サーミスタ、赤外線センサ、半導体センサは、多くの一般的な産業測定で実用的な選択肢です。光ファイバー方式は対象用途がより限定されますが、高電圧、EMI、RF、強磁場、埋め込み測定点、電気的絶縁によって従来の電気式センサに制約が生じる重要な用途に対応します。
これらの条件を伴う案件では、 INNO技術チームへ相談 へ、機器の種類、測定位置、点数、温度範囲、電気環境、必要な監視インターフェースをお知らせください。実際の用途要件に照らして、適切な蛍光式点測定構成を評価できます。