電気の知識

ゼーベック効果を利用した熱電対とは?補償導線が必要な理由も解説

熱電対と補償導線

こんな方におすすめ

  • 熱電対について知りたい方
  • 補償導線について知りたい方
  • ゼーベック効果の使用例について知りたい方

工場にある設備などでは温度センサーを使用して温度を制御していることがあります。

温度センサーは様々な種類があり、Pt100と呼ばれる白金抵抗やサーミスタ、熱電対等が使われています。

そんな沢山の種類がある温度センサーの中で、今回はゼーベック効果を利用した温度センサーである熱電対についての特徴や種類を説明していきます。

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そもそもゼーベック効果とは?

ゼーベック効果とはゼーベック効果は物質の両端に温度差を与えたとき、その両端間に起電力(電位差)が生じる効果です。

1821年にドイツの物理学者であるトーマス・ゼーベックによって発見されました。

動力で電圧を発生させるのではなく、温度で電圧を発生させられる点は不思議に感じるのではないでしょうか。

ゼーベック効果の原理は電荷の移動と密生に関係しています。

ゼーベック効果の詳細についてはコチラの記事をご覧ください。

熱電対とは?

温度計と熱電対ゼーベック効果を利用したセンサーとして熱電対があります。

熱電対とは、異なる金属線を接続した一種の回路であり、温度センサーです。

それぞれの接点に温度差を与えると、回路に電圧が発生します。

測定方法の例として、図のように配線します。

熱電対による起電力は組み合わせる金属の種類によって変わりますが、金属の形状や大きさとは関係しません。

熱電対の特徴

熱電対は主に工業用として使用されるのが一般的です。他の温度計と異なる特徴は下記の通りです。

熱電対の特徴

・応答がスムーズ
・広範囲の温度測定ができる
・狭い場所でも温度測定しやすい
・温度が電気信号で検出される
・価格が安い傾向にある

いずれの特徴からも、熱電対は温度測定の方法として選定されやすいです。

熱電対の種類

熱電対の温度測定範囲は構成材料の組み合わせによって異なり、JIS規格で定められています。

具体的には9つの種類に分かれており、下記の表はJIS C1602 から一部抜粋した表になります。

この中で工業用として一番使用されているのは、温度と起電力の関係が直線的であり、耐食と耐熱性の高い"Kの熱電対"です。

種類+側導体-側導体
Bロジウム(30%)を含む白金ロジウム合金ロジウム(6%)を含む白金ロジウム合金
Rロジウム(13%)を含む白金ロジウム合金白金
Sロジウム(10%)を含む白金ロジウム合金白金
Nニッケル、クロム、シリコンを主とした合金ニッケル及びシリコンを主とした合金
Kニッケルとクロムを主とした合金ニッケル及びアルミニウムを主とした合金
Eニッケルとクロムを主とした合金銅及びニッケルを主とした合金
J銅及びニッケルを主とした合金
T銅及びニッケルを主とした合金
Cレニウム(5%)を含むタングステン・レニウム合金レニウム(26%)を含むタングステン・レニウム合金

各熱電対の使用できる最高使用温度はJISの過熱限度温度を記載しています。

種類測定温度範囲最高使用温度
B600~1500℃1700℃
R0~1400℃1600℃
S-200~1400℃1250℃
N-200~1200℃1250℃
K-200~1000℃1200℃
E-200~700℃800℃
J0~600℃750℃
T-200~300℃350℃

今回の記事ではCの熱電対は空気中で測定できないため、記載していません。

シマタケ

私の経験として、工場にある生産設備の温度センサーで熱電対が使用されている場合、K以外の熱電対を見たことがありません。
それだけ普及していることが分かります。

熱電対に必要となる補償導線

熱電対の配線熱電対を使用するときに、熱電対(測温点)と指示計器(計測点)までの距離が遠い場合があります。

そのときに熱電対の線を延長するとコストがかかったり、正確な計測ができなくなったりするケースも少なくありません。

そこで必要なのが補償導線になります。

補償導線について

補償導線は単なる線ではなく、組み合わせる熱電対とほとんど同じ起電力特性を持つ導線であり、熱電対と指示計器を接続できます。

必要な理由

・熱電対の線は強度が弱く、屈曲性が低い。
・長距離で使用すると抵抗値が高くなり、温度補正がかかるなど正確に計測できないことがある。
・熱電対を短くし、コストを下げたい。

こちらも熱電対と同様にJIS規格(C 1610)で規定されています。

シマタケ
補償導線は見た目はただの配線に見えます。
間違えて普通の電線に交換したり、接続しないように注意しましょう。

熱電対の環境にあった保護管を選定

熱電対_保護管付き熱電対の用途は多岐にわたります。

したがって、使用する保護管については、計測温度や用途によってさまざまな材質を選び分ける必要があります。

例として、焼却炉では腐食性ガスの影響を受ける可能性があるので、耐食性に優れた材質が適しています。

熱電対を設備や機械、生産ラインなどのセンサーとして検討している方は、適切に導入できるよう環境にも目を向けるのが良いです。

まとめ:熱電対と補償導線について

まとめ

・ゼーベック効果は異なる材質に温度差を与えたとき、起電力が生じる効果
・熱電対はゼーベック効果を利用した温度センサー
・工業用としてKの熱電対がもっとも使用されている。
・熱電対を延長するときは補償導線を使用すること

熱電対は比較的安価であり、測定できる温度範囲も広範囲であることから、よく使用される温度センサーの1つです。

併せて、熱電対を延長するための配線は普通の配線ではなく、熱電対と同じ特性を持った補償導線を使用しなければいけません。

間違った熱電対や補償導線を交換する時は、種類や極性に気をつけましょう。

参考文献など

日本産業規格 JIS C1602

 

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シマタケ

共働きの子育て会社員。工場で15年間働く電気エンジニア。多数の国家資格を取得。施設や工場で働く電気エンジニアが勉強できる、様々な悩みを解決できるサイトを目指しています。雑記記事も時々書きます。心理学を勉強中でメンタルケア心理士取得。

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