熱電対でどうして温度が測定できるのか!温度測定器の概要

温度を測定するときに、一般的に使用される熱電対、どの様な原理で温度が測定できるのか!温度測定器の仕組みを説明

熱電対を使った温度計測(熱電対でどうして温度が測定できるか)

まずは、熱電対のしくみについて

種類の異なる2種類の金属線(導体)の先端同士を接触(T1、T2)し図1の様な閉回路を作り、この両端接触点(T1、T2)に温度差を与えると回路中に熱起電力が発生して電流が流れる。

※T1、T2が同一温度の場合は熱起電力は発生しません。

図1

この現象は一般にゼーベック効果と呼ばれ、1821年にT.J.Seebeck がビスマス-銅とビスマス-アンチモンの組み合わせで発見したものとされおり、実際には、セーベック効果とはペルティエ効果とトムソン効果の組合わさった結果となることが後日の研究の結果判明している。

  • ゼーベック効果:異なった導体を接触させて、接触部に温度差を加えると熱起電力が発生し電流が流れる。
  • ペルティエ効果:異なる金属を接合し電圧をかけ、電流を流すと、接合点で熱の吸収・放出が起こる効果。(ゼーベック効果の逆)
  • トムソン効果:均質の金属や半導体の内部に温度 T の勾配があるとき,電流を温度勾配に平行に流すと,ジュール熱以外に熱の発生または吸収が起る現象。(ゼーベック効果の逆)

熱起電力の大きさは2つの金属の種類と両接点の温度によって決まり、金属の形状や大きさには無関係です。

2種類の金属(A、B)を接触させると電子の移動によって接触部に電位差が生じます。

図1のように閉回路にすると、2つの接点の温度(T1、T2)が等しい場合は両方の電位差が相殺して電流が流れませんが、片方の接点の温度(T1)を上げると不均衡が生じて電流が流れ、温度(T1、T2)による起電力の差が「熱起電力」となります。

熱起電力の大きさは2つの金属の種類と両接点の温度によって決まり、金属の形状や大きさには無関係です。

従って、2つの金属の種類と熱起電力の大きさ、および片側の接点の温度(T2)が分かっていれば、もう片方の接点の温度(T1)を知ることができます。

熱電対の原理で温度を測る側の接点を測温接点(温接点)

基準にする側の接点を「基準接点(冷接点)」と言っています。

冷接点補償回路

2つの金属(A、B)の種類がわかっており、T2接点を0℃にしたときに発生する熱起電力を測定して測定値を基準熱起電力表(日本工業規格「JIS C 1602」規定)に当てはめるとT1の温度を知ることができる。

参考にに下記URLは八光電機社の[熱起電力→温度]変換表です。こちらで熱電対の種類と熱起電力を入力することで測温接点の温度が何℃になるかを知ることができます。

https://www.hakko.co.jp/qa/qakit/html/s04010.htm

こちらを押して頂ければ(八光電機社の[熱起電力→温度]変換表)ページにつながります。

参考データ(熱電対の種類:K 温度範囲:-270~1372℃)

  • 温度:0℃ 熱起電力 0μV
  • 温度:1℃ 熱起電力 39.5μV
  • 温度:2℃ 熱起電力 79.0μV>
  • 温度:3℃ 熱起電力 119μV

また、このサイトから「基準熱起電力表」を確認することができます。

<基準熱起電力表から確認することができます。(※金属の形状や大きさには影響されない。)>

この表から分かる通り、熱電対(金属)を使用して温度を測定する測定器は電圧を測定しており、出力される電圧を温度に換算して表示しているのです。

※温度計がなくても高精度の電圧計があれば正確に温度を測定することも出来ののです。 ※参考に高価電圧測定器には、温度計測できる測定が比較的に多いいです。

温度測定器(温度データロガー)の測定方法は2種類に分かられます。

図2は、基準接点を0℃(冷接点補償)にして電圧を読み取り、温度に変換する。基準熱起電力表(日本工業規格「JIS C 1602」規定)にあてはめ、測温接点(T1)の温度が知ることができる。

図3は、基準接点の気温を測り(基準熱起電力表から0℃のときは何℃、何Vと計算させて)電圧を読取り温度に変換する。(温度補償回路で計算にて測温接点(T1)の温度を求める。)

2種類に分かれます。

図2の測定器は基準接点を0℃にコントロールする機能が組込まれるので価格は高額になります。

図3の機器は基準接点温度を読取り(温度補償回路と一般的には言われる回路にて読み取る)、そこから計算にて温度を表示させるので図2にくらべて安価になります。

実質、温度測定器、温度データロガーを校正する場合は、温度で調整するのではなく、電圧の読取値で機器の校正を実施します。

熱電対は、製造現場や研究所をはじめ、幅広い分野で用いられている温度センサーです。

形状はワイヤーや薄板、保護管を用いたシースロッド等、様々な形状があり、他のセンサーに比べ測定箇所に応じてより柔軟に取付方法を選択することができます。

特長

  1. 応答が早い。
  2. -200°C~+1700°Cと広範囲の温度測定が可能。
  3. 特定の点や小スペースでの温度測定が可能。
  4. 温度情報が電気信号(熱起電力)として検出されるので情報処理・解析がシンプル。
  5. 安価で入手しやすい。

JIS規格内とされる金属の組み合わせは以下の通りです。

  • K型(クロメル・アルメル)過熱使用限度 1,200℃
  • J型(鉄・コンスタンタン)過熱使用限度 750℃
  • T型(銅・コンスタンタン)過熱使用限度 350℃
  • E型(クロメル・コンスタンタン)過熱使用限度 800℃
  • N型(ナイクロシル・ナイシル)過熱使用限度 1,250℃
  • R型(ロジウム13%含有白金ロジウム合金・白金)過熱使用限度 1,600℃
  • S型(ロジウム10%含有白金ロジウム合金・白金)過熱使用限度 1,600℃
  • B型(ロジウム30%含有白金ロジウム合金・ロジウム6%含有白金ロジウム合金)過熱使用限度 1,700℃
  • ※過熱使用限度はJIS C 1602:2015より素線径が最大時の温度です。

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