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熱電対の原理

熱電対の技術

熱電対は、あらゆるセンサのかなで最もシンプルなセンサの一つであり、丈夫かつ低コストなため産業用途での利用に最適です。

熱電対は、異なる2本の金属線を測定点で接合して構成されています。この点を熱接点といいます。センサの出力は、この熱接点ともう一方の金属線の端である冷接点との間の温度差に応じて生じる電圧です。その起電力は非常に小さく非線形ですので、熱電対による測定器のメーカーにとって、これが設計上の課題となります。しかしながら、測定器を適切に設計すれば、熱電対は故障しても手軽に交換できる非常に低コストなセンサとして活用できます。

熱電対の原理

熱電対の回路には少なくとも2つの接合点があります。測温接点(熱接点)と基準接点(冷接点)です。基準接点とは、2本の熱電対の金属線を測定器(たとえばデータロガー)に接続した点です。この点で、導体が熱電対の構成金属から測定機の回路を構成する金属へと変わります。大半のデータ記録機器の電子回路では銅です。

熱電対の出力電圧は、測温接点と基準接点の間の温度差によって決まります。これは、2つの異なる金属線で作った回路で一方の接合点を加熱すると方位磁針の向きが変わったという、トーマス・ゼーベックが1821年に発見した現象によるものです。

それぞれの熱電対の種類に応じて、ゼーベック効果による電圧は固有の特性を示します。このゼーベック効果は、熱電対を構成する2本の金属線の材料に依存するものです。なお、その電圧はmV単位で測定します。熱電対に使われるほとんどの金属線は合金ですので、測定システムの精度にとって、その合金の均質性が非常に重要です。

また、電圧は熱接点そのものではなく、金属線に沿って温度勾配のある部分で生じることを理解しておくことも大切です。最高の精度を求める場合には、この点を含めて熱電対を使用する前にその精度を検討しましょう。

熱電対の種類

熱電対の種類は基本的に2つのグループに分けられます。卑金属で構成したものと、貴金属で構成したものです。卑金属とは、一般に銅や鉄、ニッケルなど低価格な元素による合金です。その合金の厳格な組成比は決まっていませが、電圧/温度の応答曲線は定められています。そのため、2つの異なるメーカーが提供する熱電対の金属線は、結晶レベルでは異なる組成である可能性があります。一方、貴金属の熱電対は、白金やロジウムなど高価な元素を使って製造されています。厳格な純度と組成が決められており、電圧/温度の応答曲線も同様です。

一般に利用されている熱電対の種類のいくつかについて、その使用温度範囲を以下に挙げました。

熱電対の種類 使用温度範囲(金属線の絶縁による制限は除く) 金属線の組成

 

K型

-27 ~ 1370C 

Ni-Cr (+ve ), Ni -Al

N型

-270 ~ 1300C 

Ni-Cr-Si (+ve ), Ni-Si-Mg

T型

-270 ~ 400C

Cu (+ve), Cu-Ni

J型

-210 ~ 1200C

Fe (+ve), Cu-Ni

E型

-270 ~ 1000C

Ni-Cr (+ve), Cu -Ni

R型

-50 ~ 1768C

Pt-13% Rh (+ve) , Pt

S型

-50 ~ 1768C

Pt-10% Rh (+ve), Pt

B型

0 ~ 1768C

Pt-30% Rh (+ve), Pt

熱電対の構造

熱電対の主要な利点の一つは、構造がシンプルなことから、用途に応じた設計が可能なことです。たとえば、食品産業では、その先端を簡単に食品に突き刺すことができます。また、金属の熱処理では、処理対象の製品に溶接することもできます。熱電対の先端を平坦にして熱伝導性を高めたり、素早く貼り付けられるよう磁石を利用したりすることも可能です。

金属線の絶縁は柔軟なPTFEやガラス編組によって行え、耐熱性も発揮します。また、より高温な環境では、金属シースやセラミックシースを用いることも可能です。

熱電対の構造熱電対の構造

熱電対を用いた計装

データロガーなど熱電対を使用する機器には、最大限の精度を確保するために入念な電気設計と機械設計が必要です。機械設計によって、熱電対の金属線を回路基板の銅製の端子や配線に接続する点と冷接点のセンサが確実に等しい温度になるようにしなければなりません。もし冷接点のセンサが、その温度の変化に高精度に追従できなければ、最終的な測定値に誤差を生じます。この部分が温度変化に等しく追従し、温度勾配を生じないようにすることが極めて重要です。

熱電対の電圧は4μV/℃と小さいため、信号としてデジタル化する前に増幅が必要です。熱電対は、一般に金属線を並行に長く伸ばし、電気的に過酷な環境で使用されることも多いため、その金属線がアンテナとしてふるまい干渉信号を拾います。そのため、不要な信号をフィルタリングできるよう電気的な設計を慎重に施す必要があります。

まとめ

熱電対は、低コストで丈夫なうえ、広い測定温度範囲をカバーできます。そのため、米国の産業においてあらゆる温度測定の半分以上が熱電対を使っていると推定されています。その出力電圧は小さく非線形ですが、データロガー等の測定機器を入念に設計しておけば、高精度で繰返し性の高い結果が得られる測定システムになります。