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熱電対センサーの種類と特長

2つの異なる金属を接続すると、接合点の間に異なる温度差の起電力が発生します。熱電対センサーは接合点に発生した熱起電力を利用して温度差を測るものです。この熱電対センサーにはいくつかの種類が存在し、特長が異なります。それぞれの用途を理解しておきましょう。

熱電対とは

熱電対とは、ゼーベック効果を用いて熱起電力を測定することを言います。ゼーベック効果は、ドイツで活躍した物理学者トーマス・ゼーベックが1821年に発見したものです。異なる2つの材質でできた金属線を用いて熱電対をつくり、それぞれの接点に温度差を与えると、その熱電対に電圧が起こります。この現象を利用した温度検出端が、熱電対です。

熱電対は極めて細い線でも問題なく、寿命の長さや耐熱性能、機能的強度が高いといったメリットがあることから、中高温領域の温度センサーとして幅広く使用されています。高温下や低温下でも特性のばらつきが小さく、高温下でも機械的強度が保たれる上に、耐食性も高いため、ガスにも使用可能です。

接点の一端の温度がわかるとゼーベック効果により、他端の温度がわかります。たとえば基準とする側の冷接点が常に0度を維持していれば、熱起電力を測ることによって熱接点側の温度がわかる仕組みです。冷接点はこの方式以外にも、熱電素子による電子冷却なども利用されています。

種類と特長

熱電対センサーには種類記号で分類されています。K、J、T、E、N、R、Sといくつかの種類が存在しますが、それぞれで主な構成材料が異なり、使用温度や特長が変わります。

種類の記号 主な構成材料 使用温度範囲 特長
+脚 −脚
K ニッケルおよびクロムを主とした合金 ニッケルを主とした合金 -200℃〜1000℃ 工業用として最も多く使われている。
J 銅およびニッケルを主とした合金 0℃〜600℃ 工業用として中温域で使用されている。+脚の鉄は酸化しやすい。
T 銅およびニッケルを主とした合金 -200℃〜300℃ 電気抵抗が小さく、低温での精密測定に広く利用されている。
E ニッケルおよびクロムを主とした合金 銅およびニッケルを主とした合金 -200℃〜700℃ 酸化性に優れている。JISに定められた熱電対の中で最も起電力が大きい。
N ニッケル、クロムおよびシリコンを主とした合金 ニッケルおよびシリコンを主とした合金 -200℃〜1200℃ 低温から高温まで、広い範囲にわたって熱起電力が安定している。
R ロジウム13%を含む白金ロジウム合金 白金 0℃〜1400℃ 高温での不活性ガスおよび、酸化雰囲気での精密測定に適している。精度が良くバラツキや劣化が少ないため、標準熱電対として利用されている。高温においても水素ガスや金属蒸気が発生する場合は適さない。
S ロジウム10%を含む白金ロジウム合金 白金 0℃〜1400℃

Kは、+脚がニッケルとクロムを主とした合金、−脚はニッケルを主とした合金です。使用温度は−200〜1,000℃までで、工業用として広く利用されています。最小は13μφまで製造されており、熱伝導率が低く正確に測定できるのが特長です。

Jは、+脚が鉄、−脚は銅およびニッケルを主とした合金です。使用温度は0〜600℃まで、工業用として中温域で使用されています。+脚の鉄は酸化しやすいという性質がありますが、熱起電力がやや大きく、比較的安価で購入できるのが特長です。

Tは、+脚が銅、−脚は銅およびニッケルを主とした合金です。使用温度は−200〜300℃まで、電気抵抗が小さく、主に低温下で精密測定が必要な際に利用されています。熱伝導率が高く、熱電対を通り熱が逃げやすいため、対象物が小さい場合は注意が必要です。

Eは、+脚がニッケルおよびクロムを主とした合金、−脚は銅およびニッケルを主とした合金です。使用温度は−200〜700℃までで、酸化しにくいのが特長で、JISに定められた熱電対の中でも最も起電力が大きくなっています。

Nは、+脚がニッケル・クロムおよびシリコンを主とした合金、−脚はニッケルおよびシリコンを主とした合金です。使用温度は−200℃〜1,200℃まで、低温から高温まで広い範囲にわたり熱起電力が安定しています。

Rは、+脚がロジウム13%を含む白金ロジウム合金、−脚は白金です。使用温度は0〜1,400℃で、高温での不活性ガス、酸化雰囲気における精密測定に適しており、正確性が高く誤差や劣化が起きにくい特長があるため、標準熱電起対として用いられています。ただし、水素ガスや金属蒸気が発生する場合は適していません。

Sは、+脚がロジウム10%を含む白金ロジウム合金、−脚は白金です。使用温度は0〜1,400℃で、高温での不活性ガスおよび、酸化雰囲気における精密測定に適しています。精度が良くばらつきや劣化が少ない特長があるため、標準熱電起対として利用されていますが、水素ガスや金属蒸気が発生する場合は適していません。

これらのように熱電対は種類に応じたメリット・デメリットをよく把握して選ぶ必要があります。対象物のサイズや材質、使用温度、使用環境、寿命等を考えながら、必要な熱電対の種類や形状を選ぶようにしましょう。

熱電対自体は安価に出回っているものですが、使用する状況により使い分けが必要となってきます。熱電対の基本的な特徴から、種類別の特長をよく理解のうえ、適切に選択することが必要です。選定を間違えれば測定結果にも影響を及ぼす可能性がありますので、それぞれの特長を比較してみましょう。


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