熱電対 ガイド

熱電対は、2種類の異なる金属線の両端をつなげて回路を形成すると、2つの電気接点ができます。一方の接点は温度を測定する必要がある場所に位置し（測温接点）、もう一方は既知の安定した温度の物体（基準接点）に接続されます。

この2つの接点に温度差があると回路内に電圧を発生させ、その後の電流の流れによって、接点の温度を測定することができます。

熱電対は熱電効果の原理で動作します。2種類の異なる金属導体の両端を接続して閉回路を作り、一端を加熱するなどして、両端に温度差を生じるとその金属固有の熱起電力が発生し、回路中に電流が流れます。

この原理を説明すると、ガスコンロ上のフライパンを考えてみると良いです。熱は取っ手を伝って手のひらの冷たい方へと伝導されることはすぐにわかりますが、同じように電流の伝導も起こっています。

各接合点間の温度差によって生じる起電力によって電流が生じ、熱電対は付属の電圧計を使ってその電流を測定します。冷接点の温度を知っていれば、熱電対はこの電圧の測定値を使用して、測温接点の正確な温度を計算することができます。

両方の接合点の温度が同じであれば、それぞれの接合部で発生する起電力は相殺され、その結果、接合部を流れる電流はゼロとなります。

ゼーベック（T.J.Seebeck）が、2つの異なる金属をつなげて、両方の接点に温度差を与えると、金属の間に電圧が発生し、電流が流れることを始めて発見しました。この現象を発見者の名前をとって「ゼーベック効果」と呼ばれています。

ゼーベックの発見は、ペルチェやトムソンを含む物理学者によってさらに改良され、異なる金属の回路で記録された正確な電圧値を、温度値に対して科学式を適用することによって解釈できるようになりました。

このように、現代の熱電対の仕組みは、少なくとも3人の物理学者の成果に依存しており、そのすべてがゼーベック効果の発見に端を発しています。

熱電対の外観は、その意図する用途や使用環境によって大きく異なります。 しかし、下の熱電対回路図からわかるように、熱電対は同じ基本原理とシステムが使われています：

2本以上の異なる熱電対素線が回路内で（少なくとも）2つの接合を形成し、そのうちの1本は常に安定した温度に保たれています。通常は測定接合の温度よりも低いが、高い場合もあります。

回路に接続された電圧計は、温度差による起電力によって発生する電流を読み取り、その電流を使って測定接点の温度を正確に読み取ることができます。

熱電対には様々な種類があり、いずれもさまざまな用途や環境上の課題、特に異なる温度範囲に対応するように設計されています。熱電対は一般的にアルファベットで区別され、代表的な熱電対の種類はJ、K、L、N、Tです。

熱電対回路の接続に使用される金属の組み合わせで種類を示す記号が決まっております。これは、装置全体の温度感度と安全動作範囲に直接影響します。

この章では、熱電対のタイプと構成をいくつか紹介し、熱電対がどのような環境と温度範囲で使用されるかを見ていきます。

熱電対は、家電製品、産業機械、自動車メカニズム、実験室環境など、日常生活から専門的な用途まで、非常に幅広く使用されています。

以下のようなものがあります：

サーモスタット用熱電対

サーモスタットには、適切かつ効率的に機能するための重要な部品として、熱電対がよく使用されます。

両者の違いは、熱電対は読み取り値を提供するために存在する温度センサです。 一方、サーモスタットは、読み取り値に基づいて自動的にオンとオフを切り替える装置の一部です。熱電対は通常、サーモスタットで使用される部品であり、その読み取り値がサーモスタットのオン／オフ動作のトリガーとなっています。

医療体温計用熱電対

熱電対は、病院用の体温計やその他の医療検査、診断、治療機器に一般的に使用されています。患者や熱を必要とする機械やプロセスのより迅速で正確な温度測定に役立つことを目的として、専門的または小型化されたバージョンが提供されます。

用途としては、皮膚センサや皮下注射から、腫瘍の検出やDNA研究、温度関連の流量測定、カテーテルプローブまで多岐にわたります。

車両診断用熱電対

熱電対は、診断、エンジン性能の向上、車両の安全性など、さまざまな温度の監視と管理に役立つため、自動車や航空宇宙産業の幅広い用途で使用されています。

エンジン用熱電対やその他の車両用センサが読み取るデータは、排気ガスの測定値、シリンダヘッドやスパークプラグの機能、ディスクブレーキの性能、バッテリの健全性、外部環境の変化など、さまざまな要因の監視や調整に使用できます。

ボイラー、加熱センサ、オーブン用熱電対

ボイラー、温水システム、暖房センサー、オーブンで使用される熱電対は、前述のサーモスタットとほぼ同じ働きをします。これらの機器に使用されるガスの種類によっては、安全装置として熱電対が使用されることが多く、パイロットランプから発生する熱が熱電対回路に必要な電圧を発生させない場合、ガスバルブが開くのを防ぎます。

ボイラーや温水システムでは、熱電対はサーミスタと同じ意味で使われることが多いが、これは正確ではありません。 どちらも温度を測定するために使用されるが、サーミスタは、温度の上昇と下降によって物質内の電気抵抗が変化するという基本原理に基づいて動作します。熱電対とは異なり、ボイラー用サーミスタは実際には電圧を発生しません。

食品温度計、工業用プローブ/センサ用熱電対

食品用温度計は通常、熱電対技術を利用して、食材や全食品の製造・調理段階で、非常に迅速かつ正確な温度測定が可能です。ケータリング用温度計とは異なり、熱電対は調理中に食品に入れたままにしません。

デジタル式食品温度計の熱電対は応答速度が速いため、肉や鶏肉のような大きな食品の複数箇所で正確な温度を素早く正確に測定することができ、温度計自体が各箇所で正しい熱の読み取り値を記録するのを待つ必要がありません。

さらに、小型化できるため、厚みのある標準的な食品用温度計では耐えられないような薄いものや繊細なものでも、正確な測定値を得ることができます。

温度要件が厳しいさまざまな製造工程やその他の生産工程で使用される工業用センサやプローブにも適用されます。 工場用、機械用、実験室用の熱電対の多くには、一般的な家庭用熱電対よりも過酷な環境で優れた性能を発揮するために、磁気プローブやより頑丈なサーミスタなどの機能も含まれています。

あらゆる種類のセンサや変換器と同様に、用途に応じて最適な熱電対の選択は、入手可能な多様な形式、材料、構成、および関連する熱電対のコストに大きく影響されます。

ここでは、人気ブランドのいくつかをご紹介します：