「スコーレ・テクニカル・ブリーフ」第９号２００９年１２月分野：試験・評価技術テーマ：熱電対使用時の留意点熱電対は、構造が簡単で取り扱いやすく、また価格も比較的安価なため、温度測定に多用されています。しかし、取扱いが簡単なため故の、思わぬ落とし穴もあります。そこで、熱電対の原理の復習と使用上の留意点をまとめました。【１】熱電対の原理よく知られているように、熱電対はゼーベック効果を利用しています。これは、図１の様に異なる材料の金属導線の両端を接合して、二つの接合点に温度差を与えると、両端に熱起電力が発生し、回路に熱電流が流れる現象を言います。金属Ａ熱電流低温高温金属Ｂ図１図２の様に、一方の接合点（一般的には低温側）を開放すれば、熱起電力（電位差）として測定することが可能になります。起電力：電圧計で測定する高温低温図２熱電対の種類（構成材料：異なる材料の組合せ）及び種類ごとの規準熱起電力はＪＩＳ規格（ＪＩＳＣ1602）に記載されています。 1 【２】熱電対の３法則（引用文献：１）熱電対の基本法則として３法則があります。以下、「温度差＝高温-低温」とします。 ① 均質回路の法則（図３）金属ＡとＢがそれぞれ均質であれば、発生する熱起電力は金属Ａ、Ｂの組合せと温度差で決まり、両端以外の温度（例えば、図３のＴ３、Ｔ４）には影響されません。 ↓ 熱電対の中間部が局部的に加熱、あるいは冷却されても均質な熱電対（材料が劣化等をしていない）であれば、温度測定に影響はありません。Ｔ３金属Ａ低温：Ｔ２高温：Ｔ１金属ＢＴ４図３ ② 中間金属の法則（図４）金属ＡまたはＢの中間に異種金属Ｃを入れたとき、金属Ｃの両端が同一温度であれば、熱起電力は金属Ｃ及びその温度Ｔ３の影響を受けません。 ↓ 金属Ｃに温度差がある場合は測定誤差が生じます。よって、熱電対と計測の間に延長ケーブルを入れる場合、延長ケーブルの両端は同じ温度にする必要があります。金属Ｃ：温度Ｔ３(金属Ｃの両端の温度) 金属Ａ低温：Ｔ２高温：Ｔ１金属Ｂ図４ 2 ③ 中間温度の法則図５の様に、中間接点を設けた場合、以下の式が成立します。Ｔ1-Ｔ3 間の熱起電力＝Ｔ1-Ｔ2 間の熱起電力+Ｔ2-Ｔ3 間の熱起電力・・・式（１） ↓ 補償導線（熱電対と近似な熱起電力特性を有する熱電対用のリード線。熱電対よりも安価）を使用して、熱電対と測定器を接続することが出来ます。金属Ａ低温：Ｔ3 高温：Ｔ１金属ＢＡＡＴ３Ｔ１Ｂ中間温度：Ｔ２Ｂ図５【３】熱電対取り付け時の留意点（引用文献：２）熱電対の取り付けには十分な注意が必要です。熱電対を測定対象の表面に接触されると、熱電対から熱が逃げ、測定対象の温度や温度分布を変えてしまうので、注意が必要です。これは、測定対象の熱容量や熱伝導率が小さいほど、熱電対の熱容量や熱伝導率が大きいほど著しいです。図６は、測定対象と熱電対の取り付け方法が表面温度測定結果に及ぼす影響を示したものです。銅板＊測定対象の表面温度＝３５℃ ＊外気温＝１５℃ 図６（引用文献：２、Ｐ１４４） 3 ・ (a)：熱電対を一点で接触させているので、測定誤差が大きい。コルク、木の測定誤差が大きいのは、熱伝導率が小さいので、熱電対を介して逃げた熱を周囲から十分補給出来ないため。・ (b)：薄い銅板を熱電対の測温接点にはんだ付け。測定対象との熱的接触が良くなっているので、誤差は小さいが、熱電対を介して熱は逃げる。・ (c)：熱電対を物体表面に沿って設置してあるので、熱が測温接点から逃げることが無い。【４】熱電対の応答性について ① 熱電対の応答性についても十分な注意が必要です。応答性は、熱電対の質量、周囲の環境条件によっても応答性は異なります３）。そして、応答性は、制御工学で言う「１次遅れに近似」４）する場合が多いようです。1 次遅れの場合は、応答速度を時定数で示します。「時定数とは、最終値の６３．２％に達するまでの時間」であることに注意する必要があります。１次遅れ系の過渡応答特性（ステップ応答、例えば、０℃の熱電対を１００℃の沸騰水中に投入した場合の熱電対による測定温度の時間経過）は図７の様になります５）。ここで、ｙ（Ｔ）＝０．６３２Ｋとなる時間Ｔを時定数といい、通常τ（ｓｅｃ）で表されます。図７ｙ（Ｔ）＝１-exp(-T/τ) ・・・式（２）ですので、式（２）を使用して、測定目標物の温度に達する時間を計算すると以下の様になります。０℃の熱電対を１００℃の沸騰水中に投入した場合（ステップ応答）を例にとると、・６３．２℃に達するまで時間＝τ（ｓｅｃ）・９０℃に達するまでの時間≒２．３×τ（ｓｅｃ）・９９℃に達するまでの時間≒４．６×τ（ｓｅｃ）・９９．９℃に達するまでの時間≒６．９×τ（ｓｅｃ）→ほぼ真値（１００℃）に達するまでは、時定数τの約７倍の時間がかかります。 4 熱電対の応答性は時定数（τ、６３．２％応答）で表すことが多かった。最近は９０％や５０％応答での表現も増えている３）ようですが、応答性の定義に十分注意する必要があります。 ② 応答性の事例（シース熱電対の場合）１．アムニス（株）ＨＰより・熱電対の種類、測温接点形式、シース材質等は不明。・応答性の参考資料として下さい。２．（株）ＴＥＭＣＯカタログ（超極細シース熱電対）より・・・・熱電対の種類：Ｋ素線数：シングルエレメント測温接点：Ｕ（＃９）非接地型シース材質：ＮＣＦ６００（インコネル６００相当）注：９９．９℃に達するまでには、上記の約７倍弱の時間がかかります。＊引用文献１．細木三千夫：やさしい温度計測入門、検査技術、２００７．６、Ｐ２７～２８２．松山裕：実用温度測定、１９９８．６、Ｐ１４４、（財）省エネルギーセンター３．風岡学：熱電対の使い方、軽金属、４９（１９９９．１０）、Ｐ５２１４．松山裕：実用温度測定、１９９８．６、Ｐ１４１、（財）省エネルギーセンター５．井上和夫他：MATLAB/Simulink によるわかりやすい制御工学、２００２．３、Ｐ４４、森北出版 ********************問題解決のお手伝いをします*************************** （有）スコーレ・ティー・エー・リサーチ電話：０５２－７２３－９２２７、ＦＡＸ：０５２－７２３－９２２８ E-mail:[email protected] ﾎｰﾑﾍﾟｰｼﾞ http://www.schole-rd.co.jp 5