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測定部の基礎

熱電対の基礎

熱電対とは

  • 応答が早い。
  • -200℃~+1700℃と広範囲の温度測定が可能。
  • 特定の点や小スペースでの温度測定が可能。
  • 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。
  • 安価で入手しやすい。

熱電対とは二種類の異なる金属導体で構成された温度センサのことです。
主に工業用として使用されるこの熱電対は、他の温度計(水銀計、サーミスタなど)と比較して右のような特長があります。

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熱電対の原理

熱電対の原理

1821年、ドイツ人科学者ゼーベック(T.J.Seebeck)が、2つの異なる金属をつなげて、両方の接点に温度差を与えると、金属の間に電圧が発生し、電流が流れることを発見しました。
この現象を発見者の名前をとって「ゼーベック効果」と言います。この回路に電流を起こさせる電力を熱起電力(Thermoelectromotive force)と呼ばれ、その極性と大きさは2種類の導体の材質と両端の温度差のみによって定まることが確認されています。

熱電対は前述のゼーベック効果により、2種類の金属の接合部(測温接点)T1の温度と計測器側接点(基準接点)T0の温度差Tによる電圧を発生します。
熱電対を使用して温度を計測する場合、計測器でこの電圧を測定します。

計測器の測定方法としては、次の2種類があります。

計測器の測定方法

  • 基準接点を0℃(冷接点補償)にして温度を直読する方法
  • 基準接点の気温を測り(基準接点補償)、温度差ΔTに加算する方法

冷接点を測定中0℃に維持するのは大変です。 端子付近の温度を測定し、0℃を基準とする熱起電力を加算することにより、測温接点の温度を求めることができます。 これを基準接点補償と言います。

熱電対のセンサ部はどこ?

熱電対のセンサ部はどこ?

図は熱電対を熱い液体の入ったコップに挿入したイメージ図です。
液体の中の温度は均一に100℃であると仮定します(温度勾配がない)。
この時、 液体内の熱電対部分に熱起電力は発生しません。熱起電力が発生するのは温度勾配がある部分のみです。
熱電対のセンサ部は熱起電力が発生する部分ですので、この温度勾配部が熱電対のセンサ部になります。

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測温抵抗体の基礎

測温抵抗体の特徴

測温抵抗体は高精度に温度を測定する場合に使用されます。

  • ・高精度に温度を測定できる
  • ・極低温を測定できる

この2点が大きなメリットです。その反面、高温測定には不向きなセンサです。
環境の温度測定には測温抵抗体、工業炉の温度測定には熱電対というように使い分けることが一般的です。

測温抵抗体の原理

測温抵抗体の抵抗素子の抵抗値は温度の変化により、一定の割合で変化します。
抵抗素子に一定の電流を流し、測定器で抵抗素子の両端の電圧を測定し、オームの法則E=IRから抵抗値を算出し、温度を導き出します。

測温抵抗体の原理

[参考]Pt100の基準温度換算表

温度℃ -100 0 温度℃ 0 100 200 300 400 500 600 700 800 温度℃
0 60.26 100 0 100 138.51 175.86 212.05 247.09 280.98 313.71 345.28 375.7 0
-10 56.19 96.09 10 103.9 142.29 179.53 215.61 250.53 284.3 316.92 348.38 378.68 10
-20 52.11 92.16 20 107.79 146.07 183.19 219.15 253.96 287.62 320.12 351.46 381.65 20
-30 48 88.22 30 111.67 149.83 186.84 222.68 257.38 290.92 323.3 354.53 384.6 30
-40 43.88 84.27 40 115.54 153.58 190.47 226.21 260.78 294.21 326.48 357.59 387.55 40
-50 39.72 80.31 50 119.4 157.33 194.1 229.72 264.18 297.49 329.64 360.64 390.48 50
-60 35.54 76.33 60 123.24 161.05 197.71 233.21 267.56 300.75 332.79 363.67 60
-70 31.34 72.33 70 127.08 164.77 201.31 236.7 270.93 304.01 335.93 366.7 70
-80 27.1 68.33 80 130.9 168.48 204.9 240.18 274.29 307.25 339.06 369.71 80
-90 22.83 64.3 90 134.71 172.17 208.48 243.64 277.64 310.49 342.18 372.71 90
-100 18.52 60.26 100 138.51 175.86 212.05 247.09 280.98 313.71 345.28 375.7 100
温度℃ -100 0 温度℃ 0 100 200
0 60.26 100 0 100 138.51 175.86
-10 56.19 96.09 10 103.9 142.29 179.53
-20 52.11 92.16 20 107.79 146.07 183.19
-30 48 88.22 30 111.67 149.83 186.84
-40 43.88 84.27 40 115.54 153.58 190.47
-50 39.72 80.31 50 119.4 157.33 194.1
-60 35.54 76.33 60 123.24 161.05 197.71
-70 31.34 72.33 70 127.08 164.77 201.31
-80 27.1 68.33 80 130.9 168.48 204.9
-90 22.83 64.3 90 134.71 172.17 208.48
-100 18.52 60.26 100 138.51 175.86 212.05
温度℃ 300 400 500 600 700 800
0 212.05 247.09 280.98 313.71 345.28 375.7
10 215.61 250.53 284.3 316.92 348.38 378.68
20 219.15 253.96 287.62 320.12 351.46 381.65
30 222.68 257.38 290.92 323.3 354.53 384.6
40 226.21 260.78 294.21 326.48 357.59 387.55
50 229.72 264.18 297.49 329.64 360.64 390.48
60 233.21 267.56 300.75 332.79 363.67
70 236.7 270.93 304.01 335.93 366.7
80 240.18 274.29 307.25 339.06 369.71
90 243.64 277.64 310.49 342.18 372.71
100 247.09 280.98 313.71 345.28 375.7

JIS C1604より抜粋(単位:Ω)

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測温抵抗体とは

測温抵抗体とは

測温抵抗体は、金属または金属酸化物が温度変化によって電気抵抗値が変化する特性を利用し、その電気抵抗を測定することで温度を測定するセンサです。
RTD(Resistance Temperature Detector)とも呼ばれます。
使用する金属には一般的には特性が安定して入手が容易である白金(Pt100)が用いられます。JIS-C1604で規格化されています。
そのため各メーカ間の互換性があります。
現在、熱電対と並んで、最もよく使用される温度センサです。

放射温度計の基礎

放射温度計とは

放射温度計とは

手のひらを頬に近づけると暖かく感じますが、これは人間の手のひらから出ている赤外線を皮膚が感知しているためです。
このように、全ての物体は赤外線を出しており、物体の温度が高くなればなるほど強い赤外線を放出しています。
放射温度計はこの赤外線を利用して温度を測定しています。

赤外線とは?

赤外線は通常人が目で見ている可視光線と同じ"光"の一種です。IR(InfraRed)とも呼ばれます。
ただ、可視光線より波長が長い(周波数が低い)ため肉眼で見ることができません。
波長はおよそ0.7~400μmです。
1800年にイギリスのSir Frederick William Herschelにより発見されました。

赤外線とは?

放射温度計の特長

放射温度計を使用することのメリットは以下の2点です。

  • ・高速で温度測定ができる
  • ・非接触で温度測定ができる

移動・回転する物体や、センサを接触させると表面温度が変化するような物体(小熱容量物体)の温度測定に有効です。
その反面、物体の内部や気体の温度測定ができない点や、物体に合わせて放射率の設定が必須である点等がデメリットです。

放射温度計の原理

物体から放射された赤外線をレンズでサーモパイルと呼ばれる検出素子に集光します。
サーモパイルとは物体から放出される赤外線を吸収し、それによって暖められると、温度に応じた電気信号を生じる検出素子です。
これを増幅し、放射率補正を行って温度を表示します。

放射温度計の原理

図のように、複数の熱電対が多数直列に接続された構造になっています。
中心部には熱電対の温接点を集め、周辺部に熱電対の冷接点を集めています。
レンズで集光された赤外線は温接点のみに当たるため、温接点のみ加熱されます。
ゼーベック効果で温接点と冷接点との間に電圧差が生じ、温度測定が可能になります。
(放射温度計にはサーミスタが内蔵されており、冷接点の温度を測定しています。)

放射率とは

放射率とは

物体から放射される赤外線の量は同じ温度の物体であっても、物体の材質や表面状態によって異なります。
放射温度計で温度を測定する場合は、物体によってこの放射の割合を補正する必要があります。
この割合のことを「放射率」と言います。

「放射率」は物体に依存する定数で、理想的な黒体は"1"、黒体と逆で完全に赤外線を反射・透過してしまうもの(空気など)は"0"となります。
すべての物体の放射率は0~1の間に収まることになります。

放射率とは

物体表面に光が入射すると、そのエネルギーは物体に吸収されるか、表面で反射されるか、あるいは物体を透過するかに分かれます。
入射したエネルギーを"1"とすると

1=吸収率+反射率+透過率が成立します。

また、キルヒホッフの法則より、吸収したエネルギーと物体が放射するエネルギーは等しいので

吸収率=放射率が成立します。

上記の式から、物体に入射したエネルギーの吸収率が高ければ高い(反射、透過しない)ほど、放射率が高くなるということがわかります。

黒体とは?

放射率を考えるとき、「黒体」について理解する必要があります。
「黒体」とは、その表面に入射するあらゆる波長の光を吸収し、反射も透過もしない、放射温度計にとっては理想の物体です。
反射率も透過率も"0"ですので、吸収率は"1"、すなわち放射率も"1"です。

放射率の決め方

放射率が分かっている場合

物体の放射率が文献などに物理定数として記載されている数字をそのまま利用します。
その放射率を測定したときの測定条件(物体の表面状態など)に注意して決定します。

放射率が分からない場合

放射率が分からない場合

物体の温度を実際に測定し、そのときの放射温度計の表示値を利用します。

  1. 接触式温度計を使用する方法
    物体の温度を放射温度計と熱電対など接触式温度計の2通りで測定し、それぞれの表示値が一致するように放射率を設定します。
  2. 黒体スプレー(テープ)を使用する方法
    物体の放射率を求めるときに使用するスプレーです。
手順1

物体の一部に黒体スプレーを塗布します。

手順2

黒体の放射率に設定した放射温度計で黒体スプレーを塗布した部分の温度を測定します。

手順3

黒体スプレーを塗布していない部分の温度を測定し、手順2.の表示値と同じになるように放射率を設定します。

手順4

手順3.で設定した放射率をこの物体の放射率とします。


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