熱電対の原理

熱電対は、あらゆるセンサのかなで最もシンプルなセンサの一つであり、丈夫かつ低コストなため産業用途での利用に最適です。

熱電対は、異なる2本の金属線を測定点で接合して構成されています。この点を熱接点といいます。センサの出力は、この熱接点ともう一方の金属線の端である冷接点との間の温度差に応じて生じる電圧です。その起電力は非常に小さく非線形ですので、熱電対による測定器のメーカーにとって、これが設計上の課題となります。しかしながら、測定器を適切に設計すれば、熱電対は故障しても手軽に交換できる非常に低コストなセンサとして活用できます。

熱電対の種類は基本的に2つのグループに分けられます。卑金属で構成したものと、貴金属で構成したものです。卑金属とは、一般に銅や鉄、ニッケルなど低価格な元素による合金です。その合金の厳格な組成比は決まっていませが、電圧/温度の応答曲線は定められています。そのため、2つの異なるメーカーが提供する熱電対の金属線は、結晶レベルでは異なる組成である可能性があります。一方、貴金属の熱電対は、白金やロジウムなど高価な元素を使って製造されています。厳格な純度と組成が決められており、電圧/温度の応答曲線も同様です。

一般に利用されている熱電対の種類のいくつかについて、その使用温度範囲を以下に挙げました。

データロガーなど熱電対を使用する機器には、最大限の精度を確保するために入念な電気設計と機械設計が必要です。機械設計によって、熱電対の金属線を回路基板の銅製の端子や配線に接続する点と冷接点のセンサが確実に等しい温度になるようにしなければなりません。もし冷接点のセンサが、その温度の変化に高精度に追従できなければ、最終的な測定値に誤差を生じます。この部分が温度変化に等しく追従し、温度勾配を生じないようにすることが極めて重要です。

熱電対の電圧は4μV/℃と小さいため、信号としてデジタル化する前に増幅が必要です。熱電対は、一般に金属線を並行に長く伸ばし、電気的に過酷な環境で使用されることも多いため、その金属線がアンテナとしてふるまい干渉信号を拾います。そのため、不要な信号をフィルタリングできるよう電気的な設計を慎重に施す必要があります。