熱電対の基礎 - ゼーベック効果を利用した温度測定

熱電対は、堅牢性、比較的低価格、広い温度範囲、および長期安定性により、一般的なタイプの温度センサーです。 前の記事で説明したゼーベック効果は、熱電対の動作を支配する基本原理です。 ゼーベック効果は、金属ワイヤの両端間の温度差 (ΔT) がワイヤの長さ全体にわたって電圧差 (ΔV) をどのように生成するかを説明します。 この効果は次の方程式で特徴付けられます。

$$S = \frac{\Delta V}{\Delta T} = \frac{V_{コールド}-V_{ホット}}{T_{ホット}-T_{コールド}}$$

ここで、S は材料のゼーベック効果を示します。 この方程式は次のように表すこともできます。

$$S(T)=\frac{dV}{dT}$$

ここで、S(T) は、ゼーベック効果が温度の関数であることを強調しています。 ゼーベック効果は金属合金や半導体でも観察されることに注意してください。 この効果を温度測定にどのように利用できるかを見てみましょう。

式 1 は、材料のゼーベック係数により、導体の両端間の電圧差を使用して両端間の温度差を決定できることを示しています。 これは理論的には正しいですが、個々の材料のゼーベック電圧を直接測定することは不可能です。 例として、図 1 に示すセットアップを考えてみましょう。

銅線の端は T1 = 25 °C および T2 = 100 °C です。 この温度範囲では、銅の絶対ゼーベック係数は一定で、+1.5 μV/°C に等しいと仮定します。 式 1 を使用すると、ワイヤ上の電圧差は次のように求められます。

$$V_{1}-V_{2}=1.5\times(100-25)=112.5\,\mu V$$

マルチメータのリード線とマルチメータの入力回路で構成される経路にも 75 °C の温度差があるため、マルチメータで測定される電圧は異なります。 テストリードとマルチメータの入力回路にかかる不要なゼーベック電圧により、エラーが発生します。

テストリードとマルチメータにゼーベック電圧が発生するのを避けるために、これらの部品を一定の温度に保つ必要があります。 たとえば、図 2 に示すように、測定システムを 25 °C に保つことができます。

この例では、黒色のテスト リードと銅線のホットエンドの間を電気的に接続するために別の導体が必要です。 この接続は、図では「メタル 2」で示されています。 この接続には銅線は使用できないことに注意してください。 これは、元の銅線と同じ温度勾配も経験し、(金属 2 間に) 次のような電圧差が生じるためです。

$$V_{3}-V_{2}=1.5 \times (100-25) = 112.5\,\mu V$$

したがって、元の銅線の温度差に関係なく、マルチメータはゼロボルトを測定します。 上記の説明は、材料の絶対ゼーベック係数をマルチメータで直接測定できない理由を示しています。 絶対ゼーベック係数を決定する一般的な方法は、ケルビン関係を適用することです。

上記の議論から、温度勾配に比例する電圧差を生成するには、ゼーベック係数が異なる材料が必要であると推測できます。 たとえば、0 °C で +1.5 μV/°C のゼーベック係数を持つ銅の場合、0 °C で -40 μV/°C の絶対ゼーベック係数を持つコンスタンタン ワイヤを使用できます。 「メタル 2」をコンスタンタン ワイヤに置き換えると、マルチメータは以下で計算されるように 3112.5 μV の電圧差を測定するはずです。

$$V_{1}-V_{3}= (V_{1}-V_{2})-(V_{3}-V_{2})= 1.5 \times(100-25)-(-40)\倍(100 - 25) = 3112.5\,\mu V$$

上記の計算では、銅とコンスタンタンのゼーベック係数が一定であり、対象の温度範囲にわたって指定された値に等しいと仮定していることに注意してください。

したがって、一端で半田付けまたは溶接された 2 つの異なる導体を使用して、温度センサーを作成できます。 熱電対として知られるこの温度センサーの構造を図 3 に示します。

2 つの異なる金属が結合する接合部は、測定 (またはホット) 接合部と呼ばれます。 センサーが測定システムに接続される反対側の端は、基準 (または冷) 接点と呼ばれます。 熱電対のリード線を同じ温度に保つには、熱伝導性材料で作られた等温ブロックが一般に必要です。

熱電対は、測定接点と基準接点の絶対温度ではなく、それらの接点間の温度差を測定することに注意してください。 基準接点の開放電圧は、両端間の温度差に比例します。

銅線をコンスタンタン線に接合して作成された熱電対は、タイプ T 熱電対として知られています。 その他の一般的な熱電対のタイプは次のとおりです。

メーカーは通常、熱電対タイプの全体的なゼーベック係数 (または感度) を表、グラフ、または方程式として指定します。 たとえば、0 °C における T 型熱電対のゼーベック係数は通常約 39 µV/°C と指定されており、これは使用した個々の金属/合金から上記で得た値 (41.5 µV/°C) に近い値です。 。 この感度値は温度によって変化することがわかっています。 図 4 は、温度に対する T、J、および K タイプの熱電対のゼーベック係数を示しています。

上記の曲線は、0 °C の基準接点を使用して得られます。 次の記事では、これらの測定のセットアップについて詳しく説明し、この情報が実際にどのように使用できるかを見ていきます。

ほとんどのエンジニアは熱電対に精通していますが、よくある誤解がいくつかあります。 熱電対は、一端で接合された 2 つの異なる金属を使用して温度を測定するため、ゼーベック電圧は異なる金属を接合した結果生成されるという誤解がよくあります。 温度勾配がある場合、単一の導電性材料がゼーベック電圧を生成できることがわかっています。

ゼーベック電圧は 2 つの異なる金属の接合部では生成されないことを覚えておくことも重要です。 ゼーベック電圧は、温度差が生じるワイヤの長さに沿って発生します (図 5)。

接合部は、異なる金属間の電気接続を提供し、温度を測定する必要がある場所に配置されます。 ただし、実際には接合部では電圧は発生しません。

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