熱電対とは、2種類の異なる金属線を接続した形状の温度センサーのことです。安価でありながら温度範囲が広く、耐環境性も良いため、産業用途で広く使用されています。小型でワイヤーの形状であるため、機器の内部に設置された回路基板の温度測定などでも活用できるでしょう。

本記事では、熱電対の原理や測定方法、測定時の注意点について解説しますので、測定を検討されている方はぜひご確認ください。

熱電対の測定原理

二つの異なる金属線の先端同士が接続されているとき、両方の接点に温度差があると熱起電力と呼ばれる電圧が発生します。熱電対はこの現象を用いて温度を測定します。この現象は1821年にドイツの物理学者トーマス・ゼーベックが発見したことからゼーベック効果と呼ばれています。組み合わせる2種類の金属の材質と温度差で発生する熱起電力の大きさが決まるため、その電圧値を計測器で読み取ることで温度が分かります。熱電対が検知するのはあくまでも金属両端の温度差であるため、温度補正機能のついた専用の計測器が必要となります。

熱電対は使用温度範囲が広く、使用する金属の組み合わせによって－200～＋1700℃まで対応しています。測温抵抗体やサーモグラフィーなど他の温度センサーと比べて安価であること、耐熱性や耐腐食性が高いこと、小型なため特定点や小スペース内の測定が可能であることが主なメリットです。なお熱電対に使用される2種類の金属の組み合わせはJISやIECで規格化されており、K／J／Tなどアルファベット1文字で種類分けされています。

熱電対の測定方法

熱電対による測定の流れを解説します。熱電対は専用の計測器と接続し、熱電対の先端を測定したいポイントにテープなどで固定します。測定対象の温度は周囲の室温に応じて変動するため、温度測定の際には機器の周囲温度も一緒に測定し、周囲温度との温度差を確認しなければなりません。熱電対を取り付けた計測器の設定画面で、使用する熱電対の種類を設定します。熱電対の取り付けが完了したら測定したい機器を動作させますが、温度が飽和して一定値になるまで待ってから値を確認します。

熱電対を選定する際には、まず使用する金属の組み合わせに注意してください。金属の種類により温度の測定範囲が異なり、熱電対自体の曲げやすさも変わるため取り付けのしやすさにも影響します。測定したい箇所の数を満たす本数で、計測器と測定ポイントの距離に応じた長さの熱電対を用意する必要があります。

計測器から測定ポイントまで距離があるときは補償導線を使用することもできます。熱電対と同様に温度差に応じた熱起電力を発生させることから、補償導線は熱電対を延長したいときに用いられます。補償導線は熱電対より使用温度範囲が狭いですが、その代わり熱電対よりコストがかかりません。

測定時の注意点

熱電対による測定時の注意点を二つご紹介します。

一つ目の注意点は熱電対からの放熱です。測定対象の熱が熱電対を通して逃げてしまい、測定対象の本来の温度より低い値が出てしまうことがあります。線径の太い熱電対は金属線から放熱されやすいため、なるべく細いものを選びましょう。逆に細すぎると断線の恐れがあるため適度な太さのものを選ぶ必要があります。また測定ポイントに取り付ける熱電対の先端部分を最小限の長さにすると、より放熱を抑えられます。

二つ目の注意点は熱電対の固定方法です。特に振動の発生しやすい機器の温度測定時に影響します。熱電対の先端は耐熱性のあるテープで固定するのが簡単ですが、振動の大きい機器では剥がれる恐れがあります。その場合はエポキシ系の接着剤を用いると強固に固定できます。さらに熱電対の先端以外の部分をテープなどで固定すると良いでしょう。ただし測定対象と熱電対は密着させる必要があり、隙間に接着剤が入ると正しい温度が測れなくなります。エポキシ系の接着剤は、熱電対を剥がす際に完全に除去することが難しく、跡が残ってしまう恐れもあります。また熱電対の先端は金属がむき出しになっているため、回路基板上の部品の測定では部品の端子などに接触してショートしないよう十分注意してください。

熱電対は産業用途で広く用いられる温度測定センサー

熱電対はゼーベック効果により発生する熱起電力から温度差を求められるセンサーです。ほかの温度センサーと比べて安価かつ小型であり、特に特定点や小スペースの測定に適しています。熱電対は専用の計測器とセットで使い、測定ポイントにはテープなどで貼り付けます。測定時には熱電対からの放熱や、振動による熱電対の剥がれに注意が必要です。熱電対の剥がれを防ぐには、接着剤を用いて強固に固定すると良いでしょう。

熱電対は安価で入手しやすくさまざまな機器の温度測定に活用できるため、導入を検討してはいかがでしょうか。