はじめに
温度計測で一般的に利用される熱電対について、計測原理から種類、使い方の注意点まで徹底解説します。
熱電対の計測原理
熱電対は、異なる種類の金属線の先端を、溶接してつなぎ合わせた構造となっています。
この溶接部の温度が変わると、金属線間に温度に応じた起電力が発生し、電圧を測定することで温度を計測することができます。（この現象をゼーベック効果ともいいます。）
熱電対の種類（素線の組み合わせ）
熱電対は、金属線（一般に素線と呼びます）の組み合わせに応じて、さまざまな種類があります。以下に、JISに掲載されている素線の組み合わせをまとめました。
| 記号 | ＋側 | －側 | 温度範囲 | 特徴 |
|---|---|---|---|---|
| B | 白金ロジウム合金 (Rh30%) | 白金ロジウム合金 (Rh6%) | 0℃ ～ 約1800℃ | 酸化性雰囲気で使用可能 高温域で高精度だが、600℃以下は精度低下 |
| R | 白金ロジウム合金 (Rh13%) | 白金 | 0℃ ～ 約1600℃ | 酸化性雰囲気で使用可能 還元性雰囲気では不可 精度高く標準用としても用いられる |
| S | 白金ロジウム合金 (Rh10%) | 白金 | 0℃ ～ 約1600℃ | R熱電対と同様 |
| N | ナイクロシル | ナイシル | -270℃ ～ 約1300℃ | 低温から高温まで熱起電力が非常に安定 |
| K | クロメル | アルメル | -270℃ ～ 約1300℃ | 直線性が良く工業用として最も普及 |
| E | クロメル | コンスタンタン | -270℃ ～ 約800℃ | JIS規定の中で最も高い熱起電力特性のため、わずかな温度変化をとらえやすい |
| J | 鉄 | コンスタンタン | -210℃ ～ 約1200℃ | Eに次いで熱起電力が大きく中温域で多用 還元性雰囲気に比較的強い |
| T | 銅 | コンスタンタン | -270℃ ～ 約400℃ | 電気抵抗が小さく安定 低温の精密測定向き |
| C | タングステン・ レニウム合金 (Re5%) | タングステン・ レニウム合金 (Re26%) | 0℃ ～ 約2300℃ | 超高温用 還元・不活性・水素雰囲気専用 酸化性雰囲気では使用不可 |
JIS規格外の熱電対もたくさんありますので、詳しくは八光電機様のサイトをご覧ください。
最もよく使われるのはK熱電対で、比較的迅速、安価に手に入れることができます。
一方で高温対応のB熱電対は白金（プラチナ）を含むので、その分高価となります。
私が学生の頃、B熱電対を自作して火炎の温度計測をしており、有名貴金属メーカから直接白金素線を購入していました。
こういう分野も対応しているんだと驚いた記憶があります。
注意すべきは、温度範囲だけ見ると高温まで対応していても還元性雰囲気や酸化性雰囲気では使用できない熱電対があることです。
例えば、最も高温まで対応できるC熱電対は、酸化性雰囲気、つまり燃焼ガスには使えません。
購入の際はこういった特性も把握しながら検討するようにしましょう。
熱電対の被覆の種類
熱電対の素線は非常に細く切れやすいので、何らかの被覆をするのが一般的です。
ここでは①シース型、②保護管型、③ガラス被覆型について紹介します。
シース型
シース型とは、素線を「シース」と呼ばれる金属製の細い管に入れて、隙間に絶縁粉末（酸化マグネシウムなど）を充填して密封したタイプの熱電対です。
後述する保護管タイプと比べて応答速度が速いので、温度変化を迅速に計測したい場合に適しています。
また、コンプレッションフィッティングと呼ばれる継手を使用することで、リークを防止しながら容器内部に貫通することができます。
保護管型
保護管型とは、素線をシースよりも太く厚い「保護管」に入れた構造の熱電対です。
シースよりも頑丈なので、高温高圧下での計測や、高速で流れる流体の計測に適しています。
ただ中に収めるだけではなく、熱電対先端を保護管内面にスプリングで押し付けて応答性を改善しているタイプもあります。
ガラス被覆型
ガラス被覆型とは、素線先端の溶接部を、石英ガラスなどでコーティングした構造の熱電対です。
シースよりも応答速度が速く、適切にコーティングできれば、表面の放射率から輻射による熱損失量を推定しやすくなります。研究用にしばしば使われます。
使用時の注意点
応答速度
温度計測の際、意外と見落としがちなのが応答速度です。
素線 ＜ シース細 ＜ シース太 ＜ 保護管付と、素線を厚く保護するほど応答速度が遅くなっていくので、機械的強度と応答速度のバランスを見ながら仕様を選定するようにしましょう。
シース太さと曲げ半径限界
シース熱電対は、手で容易に曲げることができるので、配管や装置に合わせてレイアウトすることができ、とても便利です。
一方で、中の素線や絶縁材を傷めないために、曲げ半径の限界が決められています。
一般的にはシース径の5倍以上とされているので、注意して使用するようにしましょう。
配管設置位置（温度分布と共振による折損）
配管内に熱電対を設置する場合、ただ単に熱電対を差し込んで計測すると、正しい温度が測れないことがあります。
配管内では、図のように流体の温度が均一ではなく分布を持っています。
直管部では壁面近くが温度が低く、エルボを通過した後は、遠心力で分布が複雑に変化します。
したがって、配管には保温材を施工して熱損失を抑えつつ、なるべく直管部で計測するのが基本です。ただし、エルボがある場合は、Cのように設置することで精度よく計測することができます。
直管部に差し込んで計測する際、Aのように浅い差し込み位置としてしまうと、壁近傍の冷えた部分の温度を計ってしまうことになります。
知りたいのが配管内の代表的な温度であれば、Bのように配管中心付近まで熱電対を差すようにしましょう。
ただし、ここで1点注意です。配管内の流速が速い場合は、熱電対と流体渦（カルマン渦）が共振し、熱電対が破損する場合があります。
カルマン渦の周波数は、
\(f_v = S_t \cdot \dfrac{V}{D}\)
\(S_t\rm{：}ストローハル数（円柱の場合は通常0.2）\)
\(V\rm{：}配管内の流速\rm{[m/s]}\)
\(D\rm{：}シース外径\rm{[m]}\)
熱電対の固有振動数は
\(f_n = \dfrac{3.52}{2\pi L^2} \sqrt{\dfrac{E \cdot I}{\rho_m \cdot A}}\)
\(L\rm{：}挿入長さ\rm{[m]}\)
\(E\rm{：}ヤング率\rm{[Pa]}\)
\(I\rm{：}断面二次モーメント\rm{[m^4]}\)
\(ρ\cdot A\rm{：}熱電対の密度\rm{[kg/m]}\)
でそれぞれ計算できます。
もしfv ＞ 0.8fnとなるようであれば、シースを太くしたり、保護管付の適用を検討しましょう。
輻射の影響
最後が輻射の影響です。熱電対を高温のガス中に挿入して温度を測る場合、熱電対自体から輻射が発生して、実際のガス温度よりも熱電対の温度が低下します。
これを避けるためには、ガラス被覆のように放射率を一定にして補正するか、サクションパイロメータと呼ばれる多重シールドされた熱電対を使うのが有効です。
まとめ
いかがでしたでしょうか。流体の温度計測で一般的に利用される熱電対について、計測原理から種類、使い方の注意点まで解説しました。
取り上げてほしい内容があれば、コメントからご連絡いただけますと幸いです。
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