バイメタル温度計と圧力温度計の違いは何ですか?

産業、プロセス、および機械工学のアプリケーションにおける温度測定は、いくつかの根本的に異なる物理原理に依存しており、特定のアプリケーションに対して間違ったタイプの機器を選択すると、精度の低下、早期故障、安全上の問題、または不必要なコストが発生する可能性があります。最も広く導入されている機械式温度計の 2 つのタイプであるバイメタル温度計と圧力温度計 (ガス作動式または充填システム温度計とも呼ばれる) は、両方とも外部電源を必要としないローカル読み取りの内蔵型計器であるため、直接比較されることがよくあります。しかし、それらの動作原理、構造、性能特性、理想的な用途は、重要かつ実際的に意味のある点で異なります。この記事では、エンジニア、プラントオペレーター、調達専門家が情報に基づいた選択を行えるよう、両方の機器タイプを詳しく調査します。

バイメタル温度計の仕組み

あ バイメタル温度計 は、長さに沿って永久的に結合された 2 つの異種金属間の熱膨張差の原理に基づいて動作します。複合材ストリップが加熱または冷却されると、2 つの金属はそれぞれの熱膨張係数に応じて異なる速度で膨張または収縮し、接着されたストリップが温度変化に比例して湾曲します。このバイメタル ストリップをらせん状またはらせん状のコイルに巻き、一端を固定アンカーに接続し、もう一端が機械的リンク機構を介して指針を駆動することにより、コイル端の回転運動が校正されたスケールを横切る指針の偏向に変換されます。

バイメタル温度計で最も一般的に使用される金属ペアは、黄銅、銅、ステンレス鋼などの高膨張合金に接着されたインバー (熱膨張係数が極めて低いニッケル鉄合金) です。インバーのゼロに近い膨張率により、特定の温度変化に対する差動が最大化され、感度とスケール スパンが向上します。らせんコイルの形状は、ダイヤル温度計では単純な平らならせんよりも好まれます。これにより、コンパクトなステム直径内でより長いバイメタル要素が可能になり、温度変化ごとの角度回転が増加し、その結果、可読性と精度が向上します。

センシング要素 (らせん状バイメタル コイル) は、測定対象のプロセス媒体に挿入される保護サーモウェルまたは浸漬ステム内に収容されています。ステムは、流体との直接接触から保護しながら、媒体からバイメタル要素に熱を伝えます。指針、目盛、および場合によっては保護窓を備えたダイヤルヘッドはステムの上部に取り付けられており、温度を直接読み取ります。電力、外部信号調整、リモート読み取り装置は必要ありません。測定と表示のチェーン全体が機械式です。

圧力温度計の仕組み

あ pressure thermometer — more precisely described as a filled thermal system or vapor-pressure thermometer — operates on an entirely different physical principle. A sealed system consisting of a bulb (the sensing element), a capillary tube, and a Bourdon tube pressure element is filled with a temperature-sensitive substance — either a gas, a liquid, a vapor, or a combination — and hermetically sealed. When the bulb is exposed to the process temperature, the filling medium expands (in liquid-filled and gas-filled systems) or generates a characteristic vapor pressure (in vapor-pressure systems), increasing the pressure throughout the sealed system. The Bourdon tube at the instrument end responds to this pressure change by straightening slightly, driving a pointer through a mechanical linkage to indicate temperature on a calibrated scale.

SAMA (Scientific Apparatus Makers Association) の分類では、充填媒体に基づいて充填熱システムを 4 つのクラスに分類しています。クラス I システムは液体充填 (通常、従来の機器ではシリコン オイルまたは水銀) を使用し、クラス II システムは蒸気圧充填 (充填流体の飽和曲線を利用する液体と蒸気の混合物) を使用し、クラス III システムはガス充填 (通常は窒素) を使用し、クラス V システムは水銀を使用します。各クラスには異なる温度範囲、周囲温度補償要件、および精度特性がありますが、キャピラリによって指示ヘッドに接続されたリモート電球という共通の機能、つまり測定点と読み取り点を最大数メートルの距離で物理的に分離できる機能をすべて共有しています。

構造上および操作上の主な違い

どちらの機器も外部電源なしでローカルの機械的温度測定値を提供しますが、内部構造には操作上の大きな違いがあり、さまざまな用途への適合性に直接影響します。

検知素子の位置と遠隔読み取り

バイメタル温度計では、感知要素 (バイメタル コイル) が計器ステム内のダイヤル ヘッドの真下に配置されています。したがって、ダイヤルは測定点または測定点の非常に近くに配置する必要があります。通常はプロセス接続の数センチメートル以内にあります。これにより、バイメタル温度計は、読み取りのために測定点に直接アクセスすることが実際的かつ安全な用途に限定されます。対照的に、圧力温度計は、障害物の周囲、壁を通って、またはかなりの距離にわたって配線できる毛細管を介して、電球 (検出素子) を指示ヘッドから分離します。この遠隔読み取り機能により、測定ポイントに物理的にアクセスできない場合、危険な場所、高地にある場合、または操作中に人がプロセスに近づきてはならない場合に、圧力温度計が不可欠になります。

応答時間

バイメタル温度計は、表示が変化する前に熱がプロセス流体からサーモウェル壁を通ってバイメタル要素に伝導する必要があるため、他のタイプの温度センサーと比較して熱応答が比較的遅いです。ステムの直径、サーモウェルの材質、プロセス流体の速度に応じて、プロセス温度のステップ変化の 90% に達するまでの応答時間は、通常 30 ～ 120 秒の範囲になります。プロセス流体に直接浸漬された大きなバルブを備えた圧力温度計は、液体が満たされたシステムでは応答が若干速くなりますが、キャピラリーにより若干の追加遅れが発生します。どちらのタイプの計測器も、迅速な温度追跡が必要なアプリケーションには適していません。熱電対や、薄肉サーモウェルを備えた RTD などの電子センサーの方がはるかに高速です。

あmbient Temperature Compensation

あ significant practical difference between the two instrument types is their sensitivity to ambient temperature at the instrument head. Bimetal thermometers, because their entire sensing element is at the process temperature, are not significantly affected by ambient temperature changes at the dial — the bimetal coil responds only to the temperature at the stem, not the temperature of the surrounding air at the dial. Pressure thermometers, particularly liquid-filled (Class I) and gas-filled (Class III) systems, are sensitive to ambient temperature changes because the filling medium in the capillary and Bourdon tube is also affected by ambient temperature, not just the temperature at the bulb. This effect is managed through compensation devices — bimetallic compensators built into the movement mechanism — but residual ambient temperature error can be a meaningful source of inaccuracy in environments with wide ambient temperature swings.

あccuracy and Calibration Comparison

バイメタル温度計の代表的な用途

バイメタル温度計は、一般的な産業およびプロセス用途で最も広く使用されているローカル読み取り温度計であり、そのシンプルさ、低コスト、堅牢性、設置の容易さの組み合わせにより、非常に幅広い温度監視業務のデフォルトの選択肢となっています。

• HVAC および建築サービス: 加熱および冷却回路、空気処理ユニットのコイル、冷水システム、ボイラーの流れおよび戻りラインの供給温度と戻り温度を監視します。標準バイメタル温度計のコンパクトなステムと調整可能なダイヤルの向きにより、1/2 インチ以上のパイプ サイズに簡単に取り付けることができます。
• 産業用配管および容器: 食品加工、化学、製薬プラントのポンプ入口、熱交換器接続、貯蔵タンク出口、混合ポイントでのプロセス流体の温度を監視します。衛生的なプロセス接続を備えたサニタリーグレードのバイメタル温度計は、食品および飲料の加工において標準です。
• コンプレッサーと機械の監視: コンプレッサー、ポンプ、ギアボックスの油温、吐出温度、冷却水温度を監視します。液体充填ダイアルバイメタル温度計は、グリセリンまたはシリコンの充填により指針の振動が減衰し、ムーブメントの機械的摩耗が軽減されるため、高振動機械の用途に好まれます。
• ユーティリティの監視: 蒸気分配システム、圧縮空気ライン、冷却塔回路、および一般的なユーティリティ配管では、正確なプロセス制御ではなく、動作認識のために温度が監視されます。このような場所に設置されるバイメタル温度計は、多くの場合、最も費用対効果が高く、メンテナンスが容易なオプションです。

圧力温度計の代表的な用途

圧力温度計は、主に遠隔指示の必要性（プロセス測定点から物理的に離れた場所で温度を読み取る）と、電子センサーが実用的でない、または許可されていない場所での完全に機械式の自己完結型計器の要件によって定義される、狭いながらも重要な用途ニッチを占めています。

• ボイラーと圧力容器: 安全に、または実質的に直接アクセスできない場所での蒸気温度、給水温度、および排ガス温度の監視。電球は測定点に取り付けられ、指示ヘッドは安全な距離にあるローカルパネルまたは制御盤に配置されます。
• 冷凍および極低温システム: ガス充填 (クラス III) および蒸気圧 (クラス II) の圧力温度計は、温度が標準のバイメタル機器の範囲を大幅に下回る冷凍プラント、冷蔵施設、および液化ガス システムで使用されます。低温充填を指定できるため、測定範囲が -200°C 以下まで拡張されます。
• 石油およびガスの生産施設: 電気部品の排除が安全要件である危険区域として分類されたプロセスエリア内の場所で、坑口温度、分離器温度、熱交換器出口温度を遠隔から読み取ります。電気部品のない完全に機械的な圧力温度計は、爆発性雰囲気において本質的に安全です。
• 海洋および海洋アプリケーション: 耐食性、機械的堅牢性、および電力要件の有無がすべて重視される、船舶および海洋プラットフォームのエンジン ルーム温度モニタリング。モネルまたはハステロイのキャピラリーを備えたオールステンレス製の圧力温度計は、最も腐食性の高い海洋環境向けに仕様化されています。

バイメタル温度計と圧力温度計の選択: 意思決定の枠組み

アプリケーション要件が明確に定義されている場合、バイメタル温度計と圧力温度計のどちらを選択するかが曖昧になることはほとんどありません。次の決定ロジックは、最も一般的な差別化要因をカバーしています。

• 読み取りポイントが測定ポイントから離れている必要がある場合: 圧力温度計を選択してください。バイメタル機器は、感知機能と表示機能を分離できません。バルブとヘッド間の距離、キャピラリーの配線、および必要なキャピラリーの長さはすべて注文段階で指定する必要があります。
• アプリケーションに高振動が含まれる場合: どちらのタイプも耐振動バージョン (液体充填バイメタル ダイヤル、グリセリン充填ブルドン管圧力温度計) で入手できます。より大きな質量のブルドン素子を備えた圧力温度計は、一般にバイメタル機器よりも持続的な高振動環境においてより堅牢です。
• 機器ヘッドの周囲温度が大きく変化する場合: 測定値がダイヤルの周囲温度に影響されないバイメタル温度計を選択するか、遠隔測定も必要な場合はクラス II 蒸気圧温度計を指定してください。周囲温度の変動が大きい環境では、補償されていないクラス I 液体充填圧力温度計の使用を避けてください。
• 測定温度が−70℃未満の場合： あ pressure thermometer with a cryogenic fill is the only practical mechanical option. Bimetal instruments cannot reliably operate at temperatures below approximately −70°C due to brittleness and loss of differential expansion in very low temperature bimetal alloys.
• コストとシンプルさが簡単な配管監視アプリケーションの主な基準である場合: バイメタル温度計を選択してください。圧力温度計よりも安価で、設置と交換が簡単で、現場での校正も簡単です。アクセス可能な測定ポイントでの -70°C ～ 400°C の範囲での一般的な工業用温度監視業務の大部分では、依然としてバイメタル温度計が最も実用的でコスト効率の高い選択肢です。