【基礎から学ぶ】 熱電対 ~ゼーベック効果を利用した温度測定

電気電子
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基本的に”イメージ”を意識した内容となっておりますので、基礎知識の無い方への入門向きです。
じっくり学んでいきましょう!

今回は、「熱電対」についての説明です。

初めに

熱電対とは一体何なのか知っていますか?
業務を行う上で対象の温度測定をする際に使ったことがあるという人はいるかもしれませんので、温度を測ることができる何かという認識の方が多いかと思います。
実際、やっていること自体は温度センサのようなものです

商品としての見た目は↓こんな感じです↓

この記事では、熱電対がどんな原理で温度を測定しているのか、どのような種類があるかなどの情報をまとめています

熱電対の原理

熱電対は、ゼーベック効果と呼ぶ現象を利用することで対象の温度を測っています。

ゼーベック効果とは、異なる材料でできた二種類の金属線を接合(接続)して一つの閉回路を作り、異種金属線同士の接合箇所二点間に温度差を与えると閉回路内に電圧が発生するという現象です
この現象により発生する電圧のことを、熱によって発生する起電力(電圧)なので熱起電力と呼びます。

つまり、熱電対は(温度差)により気が発生する二となっている金属線ということです。

図1

この現象は、1821年にドイツの物理学者であるトーマス・ゼーベックさんが発見しました。
こういった気付きって一体どんな経緯で発見してるんですかね?
すごいいがいのかんそうがでない。

ゼーベック効果による熱起電力及びその極性は、金属の組み合わせと温度差に依存します
逆に言うと、その二点以外の要素は介入してきません
なので、ある金属の組み合わせで温度差が10℃あって発生する熱起電力の値が5Vだったとすると、金属線が太かろうが長かろうが熱起電力が5Vという数値は常に同じになります。
なので、熱起電力の値と使用している熱電対の種類さえわかれば温度を逆算できるわけです
※ 実際の方法としては、閉回路の片側を開放して電位差を測っています。

ただ、これでは確かに二点間の温度差はわかるのですが、実際に接合点が何℃なのかはわかりませんよね?
そこで、一般的には計測器(電圧計に相当するモノ)と熱電対を接続する端子台部分の温度を基準接点とし、基準接点の温度(気温)を測定しています。
こうすることで、基準接点の温度に温度差を加減算して接合点の温度が算出可能になります。
この方法を基準接点補償と呼びます。

基準接点補償の他には、冷接点補償という測定方法もあります。
こちらは名称通りで、基準接点を0℃(冷温)に保つ方法です。
イメージすれば納得できると思うのですが、基準点を0℃に保つのがそもそも困難なので、一般的なのは基準接点補償になっています。

熱電対の特徴

熱電対には以下のような特徴があります。

  • 構造がシンプルなので比較的安価。(ただの銅線の方が安いけど)
  • 測定温度幅が広い。(JIS規格のもので-270℃~約2000℃)
  • 耐熱性・耐食性・不活性ガス用など、用途別に特化した種類のものがある。
  • 応答が早い。
  • 精度はあまりよくない。
  • 強度や柔軟性に難あり。

熱電対の種類

熱電対について調べてみると、K熱電対T熱電対といった表記を目にすることがあります。
これらはJIS規格で規定されている熱電対です
そんなJIS規格で規定された熱電対の温度範囲や特徴を簡単にまとめました。
実際に何でできているかなどは使用する人が知っている意味は別に無いので書いていません。
もっと詳しく知りたいという方はどこかの企業がガチガチにまとめてくれた資料が調べればすぐに見つかるので、そちらをどうぞ~。

ちなみに、リールで買った熱電対には温度範囲が書かれているわけではなく、記号だけ書かれているという場合が普通にあります。

種類温度範囲[℃]特徴
B熱電対0~1820・高温環境下での使用に適している。(JIS規格で規定された中では一番)
R熱電対-50~1768.1・高温環境下での使用に適している。
・比較的精度が良い。
・不活性ガス・酸化する環境での使用に適している。
S熱電対-50~1768.1・R熱電対とほぼ同じ。R熱電対とは+側の線の材料が若干異なる。
K熱電対-270~1372・低温~高温の広い範囲で使用可能。
・工業用として最もよく使われている。
・起電力-温度特性が直線性を持つ。
N熱電対-270~1300・低温~高温の広い範囲で使用可能。
J熱電対-210~1200・熱起電力特性が高い。(JIS規格で規定された中では二番)
・酸化する雰囲気での使用に適していない。
E熱電対-270~1000・熱起電力特性が高い。(JIS規格で規定された中では一番)
・耐食性があり、不活性ガス・酸化する環境での使用に適している。
T熱電対-270~400・低温(特に200℃以下)での使用に適している。

まあ、使い分けてくださいということです。

ちなみに、PCB基板のFETやCPUの温度測定をする時はせいぜい120℃くらいまでしか上がらなかったので、低温環境下で最も特性の良いT熱電対を使用していました。

・・・他の種類と比べると400℃でも低温だから、400℃は低温なのです(`・ω・´)

↑K熱電対の例。10mで1000円程度でした。

補償導線について

熱電対は計測器に接続して使用するわけですが、熱電対と計測器を繋ぐ為の線として補償導線というものがあります。
補償導線は、0~60℃の範囲において熱電対とほぼ同等の熱起電力特性を持ちます。
端的に言えば、0~60℃の範囲内なら熱電対と同じ動きをしてくれるということです。
『ほぼ同じ特性を保有してるなら直接熱電対と計測器繋げばよくね?』と思うかもしれませんが、コスト面では補償導線の方が安価だったり、熱電対が単線タイプだった場合は計測器に接続しづらいという地味なデメリットがあるので、そこをカバーしたい場合に使用します。

補足の意味も込めて、熱電対の仕組みを含めた軽い解説を挟みます。

図2のように熱の勾配がある状態で高温部の温度を測ろうとして、「①熱電対のみを使用した場合」、「②熱電対と補助導線を使用した場合」、「③熱電対とただの銅線を使用した場合」の温度計測結果は以下のようになります。

図2

③の銅線だけなんか変な値になっていますよね?
この理由について説明します。

まず①ですが、熱電対は温度差があればそれに対応した熱起電力が発生するという説明をしました。
この例の場合、20℃と50℃の間には30℃、50℃と100℃の間には50℃の温度差がありますよね?
この差に応じた熱起電力が発生する為、基準接点補償の20℃+30℃+50℃=100℃と計測器に表示されるわけです。

次に②ですが、20℃~50℃の間に補助導線を使用しています
0~60℃の範囲内において熱電対と同じ熱起電力特性を持つので、①同様に計測器には100℃と表示されます。

問題の③ですが、20℃~50℃の間に銅線を使用しています
この範囲を熱電対もしくは補助導線で繋いでいれば温度差に応じた熱起電力が発生するのですが、銅線の場合は熱起電力が発生しなくなります。
つまり、20~50℃の30℃分の温度差が認識されなくなります
その結果、計測器には100℃から30℃引かれた70℃という値が表示されてしまいます。

このように、使い方次第では誤差とは言えないレベルの差が出てしまうということは頭の片隅にでも置いておきましょう。

熱電対の接合方法

熱電対は、二種類の金属線を接合して使用すると述べました。
じゃあ、どうやって接合するのでしょうか
ということで、最後に接合方法についてです。

一番早いのは、自分で接合しないことですね。(本末転倒)
時間を金で買うというヤツです。
モノタロウなどの通販サイトで熱電対と調べれば、最初から接合された製品候補が出てきます。
ただ、結構ぼった・・・お高くなっております。
加工のされていない熱電対を買っておいて自分で加工した方が安く済みますし、熱電対の種類も自分で選べるという点を考えると、自作の方が自由度は高いですよね。

では本題に入りましょう。

Q.どうやって接合しますか。

A.熱電対溶接機を使用しましょう。

はい、普通に溶接機があります。
どこのメーカのものが良いのかは知りませんが、熱産ヒート株式会社の「熱電対玉つくり溶接機(TC-ARC)」は普通に使いやすかったです。(※ これしか使ったことがない)

簡単な手順(例):
①電源スイッチなどの安全確認をし、FGを取り付ける。
②ストリッパーで熱電対の外部被覆と内部被覆を剥く。
③つまみを回してパワーを6~8程度にしておく。
④素線部分を若干クロスさせた状態で付属のラジオペンチで固定する。
⑤フットペダルを押す。
⑥黒い突起部分に熱電対の重なった部分を水平方向から触れさせる。
⑦眩い光が発生して溶接が完了する。

こんな感じです。簡単そうでしょ?
パワーは人それぞれですが、弱過ぎると何度かトライする必要がありますし、強過ぎるとクロスした熱電対部分が弾け飛びます(笑)
そもそも、ストリッパーで被覆を剥くのに慣れが必要です。
まあ、やってみればわかりますよ。

ちなみに、⑥の発光はバルス並みに光るので、直視しないように注意してください(笑)
普通に頭痛くなります。

以上、熱電対についての説明でした。

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