熱電対センサを使用した温度計測

はじめに

温度が最も頻繁に記録される物理計測であることをご存知ですか？温度を知ることは、人体から自動車のエンジンまで、およびその間のすべてを正しく動作させるために重要です。

温度は、いくつかの温度センサで計測されます。

• 熱電対センサ
• RTDセンサ
• サーミスタセンサ
• 赤外線温度センサ

熱電対とは何ですか？

熱電対は、温度を計測するために使用されるセンサです。熱電対は比較的低コスト，互換性，広い計測範囲，信頼性などの点で汎用性の高いセンサです。

一般的な熱電対センサ ※Hartke、Wikimedia Commons

熱電対は、ファクトリオートメーションやプロセス制御から自動車，航空宇宙，軍事，エネルギー，金属製造，医療など、あらゆる業界で広く使用されています。

熱電対には互換性のある標準のコネクタタイプがあり、容易に入手できます。センサ側では、2つの金属をねじるように接続する単純なものや、過酷な産業環境で使用するために頑丈なプローブに封入することもできます。

長いケーブルで接続された熱電対プローブ
※Harke / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0）

熱電対は非常に人気がありますが、1°Cより高い精度は簡単には実現できません。しかしながら多くの利点があるため、今日の産業用計測に使用される最も人気のあるタイプのセンサであり続けています。

熱電対の種類

いろいろな種類の金属を組み合わせると、さまざまな測定ができます。これらは「熱電対タイプ」と呼ばれます。

• 熱電対タイプ K：ニッケルクロムとアルミを組み合わせて、-200℃～1,350℃の広い範囲を測定します。
• 熱電対タイプ J
• 熱電対タイプ T
• 熱電対タイプ E
• 熱電対タイプ R
• 熱電対タイプ S
• 熱電対タイプ B
• 熱電対タイプ N
• 熱電対タイプ C

熱電対タイプJ, K, T, およびEは、卑金属熱電対とも呼ばれます。タイプR, S, およびBの熱電対は、貴金属熱電対として知られており、高温アプリケーションで使用されます。
現在使用されている最も一般的な熱電対のタイプは次のとおりです。

詳細な熱電対の比較は下の画像でご覧いただけます。画像をクリックすると拡大します。

熱電対はどのように機能しますか？

熱電対はゼーベック効果に基づいています。互いに接触している異なる金属の両端に温度変化を与えると、金属間に電圧が発生し電流が流れます。これは受動的に行われます。つまりシグナルコンディショナから電力を供給する必要はありません。

それはどのようにして可能なのでしょう？　私たちは何もないところから自由エネルギーを生み出していますか？　いいえ、それは簡単な物理現象です！

電子は電気と熱の両方を運ぶと考えてください。裸の銅線を1本取り片方の端を手で握ります。皮膚からの熱によってエネルギーを与えられた電子は、触れている領域から遠く離れた涼しい場所まで伝播し、ワイヤーの長さに沿って温度勾配を作ります。　熱はエネルギーに変換されます。

この現象は、もともと1794年にイタリアの科学者アレッサンドロ・ボルタ（「ボルト」と名付けた）によって発見されました。しかしドイツの物理学者トーマス・ヨハン・ゼーベックが1821年に再発見しました。ゼーベックは、2種類の金属でできた電線の両端をつなぎ、その間に温度差があると接合部に小さな電位が生じることを発見しました。

この電位を「ゼーベック電圧」と呼び、熱エネルギーからこの電位が発生することを「ゼーベック効果」と呼びます。200年前のゼーベックの観察結果に基づき、物理学者はゼーベック係数、すなわち物質間の温度差によって誘起される熱電電圧の大きさを決定することができます。

熱電対は一対の異種金属を接触させて温度の変化を検出します

何十年にもわたる研究、試行錯誤の結果、いまではどのような金属を組み合わせて熱電対を作ると最良の結果が得られるかがわかってきました。組み合わせによって、有効な測定範囲が異なります。もちろん、それぞれの金属には環境特性があり、それによって使用できる場所や方法がさらに決まります。

現在、熱電対の科学は非常に成熟しており、クロメルとアルメルの金属を組み合わせたKタイプのように、業界標準の「タイプ」が市販されていて、非常に広い測定範囲を実現しています。

熱電対のペアを用意してその一端をDAQシステムや電圧入力に接続して、温度の測定を開始するというのは非常にシンプルに聞こえます。しかし、それだけではありません。

熱電対センサの出力を使用可能な温度値に変換するためには、冷接点補償と線形化という更に2つのステップが必要です。ここではそれぞれの仕組みと役割について説明します。

冷接点補償

絶対的な計測を行うためには、熱電対センサのケーブルの反対側にある既知の温度を「基準」にする必要があります。昔は0℃という既知の温度を持つ蒸留水をほぼ凍らせた氷槽を基準にしていました。しかし、これでは持ち運びに不便なので、周囲から遮蔽された小さなサーミスタやRTDを使って周囲の温度を測定する方法が生まれました。これを「冷接点補償」（Cold Junction Compensation」（CJC））といいます。

DEWESoft IOLITE TH熱電対モジュール内のCJC

白いワイヤは、白いサーマルペースト内に埋め込まれたサーミスタが接続されています。 「ホットジャンクション」は熱電対アセンブリの計測端であり、もう一方の端は「コールドジャンクション」、つまりCJCチップが配置されている基準熱電対ジャンクションです。したがって冷接点温度は変動する可能性がありますが、計測システムがセンサの計測端の温度を非常に優れた再現性のある精度で導き出すことができる既知の基準を提供します。

線形化（リニアライズ）

熱電対センサの小電圧出力はリニアではありません。つまり、温度の変化に対して線形に変化することはありません。線形化するには、シグナルコンディショナ自体で行う方法と、DAQシステム内で動作するソフトウェアを使用する方法があります。

最も一般的な熱電対タイプの線形化曲線

熱電対計測の課題と解決策

これらのセンサの出力は非常に小さいマイクロボルトやミリボルトであるため、計測システムが隔離されていない場合、電気的なノイズや干渉が発生する可能性があります。DEWESoft DAQデバイスは、差動信号処理によってこれに対処します。Dewesoftのシグナルコンディショナモジュールは、差動であることに加えてガルバニック絶縁されています。これらは、信号チェーンに入るコモンモード電圧を除去するための最良の方法です。

ノイズを低減するもう一つの方法は、シグナルコンディショナをセンサにできるだけ近づけることです。長い信号線を避けることは、信号の忠実度を最大化し、コストを削減するための実証済みの戦略です。SIRIUSとKRYPTONのモジュール式DAQデバイスは、最高のソリューションを提供します。

CJCが不適切な場合、誤った測定値になります。このアセンブリは、確かな基準を提供するために周囲の温度変化から保護する必要があります。DEWESoftのハイエンドCJCは、チャネルごとに独立したCJCチップを使用しており、アルミの塊から削り出して精密に組み立てることで、最高のリファレンスを実現しています。

熱電対の電線は、単純な銅線よりも高価であるため、冷接点は信号源にできるだけ近い場所に設置する必要があります（ただし、極端な周囲の温度変化は避けなければなりません）。

DEWESoftの1チャネル絶縁型熱電対モジュール「KRYPTON ONE」のようなシステムは、この分野で究極の製品を提供しています。コールドリファレンスは、センサが設置されている場所であればどこにでも分散させることができ、最大100m離れた場所で相互に接続することができます。信号は測定点でデジタルに変換され、EtherCAT経由でホスト計測システムに送信されるため、ノイズや高価な熱電対ケーブルの長い配線を必要としません。

熱電対の計測アプリケーション

炉の上に置かれたテストサンプルにタイプKの熱電対が取り付けられている
（炉の側面にある黄色いコネクタに注目）
Achim Hering / CC BY（https://creativecommons.org/licenses/by/3.0）

温度は世界で最も計測される物理的現象であり、熱電対は温度測定のための最も一般的なセンサです。そのため、熱電対には、あらゆる産業や分野において、文字通り何百万、何千万ものアプリケーションがあります。ここでは、そのうちのいくつかを紹介します。

• 発電所（温度が部品の過熱の指標となる）
• 家電製品（サーミスタでは不十分な場合）
• 工業用プロセス制御，ファクトリーオートメーション
• 食品・飲料製造業
• 金属，パルプ・紙加工工場
• 環境モニタリング，環境調査
• 科学的な研究開発(R&D)
• 製薬・医療用品製造・試験
• 自動車のシステムおよびテストアプリケーション，温度サイクルテスト，ブレーキテスト，燃焼分析など
• 航空機・ロケットエンジンのシステム・試験
• 衛星・宇宙機の製造・試験

熱電対の長所と短所

熱電対の長所

• セルフパワード（パッシブ）
• 使い方が簡単
• 交換可能で簡単な接続
• 比較的安価
• さまざまな熱電対プローブが利用可能
• 種類が豊富で計測温度範囲が広い
• 抵抗値の減少または増加の影響を受けない

熱電対の短所

• 出力の線形化が必要
• CJC（コールドリファレンス）が必要
• 出力が低電圧でノイズの影響を受けやすい
• RTDほど安定していない
• RTDに比べて精度が低い

アプリケーションに適した熱電対の選択

計測に適したセンサを選ぶためには、さまざまな要素を考慮することが重要です。

• 計測する最高温度と最低温度はどれくらいですか？
• 予算はどのくらいですか？
• どの程度の精度が必要ですか？
• どのような環境で使用されますか？（酸化性、不活性など）
• 必要とされるセンサの寿命はどれくらいか？
• 必要な応答性（温度変化に対する反応の速さ）は？
• 熱電対の使用は定期的か継続的か？
• 熱電対の使用期間中、曲げたり、たわんだりすることがありますか？
• 水に浸すことがありますか、またその深さは？

これらの質問に基づいて上記の熱電対タイプ表を参照することで、最適なセンサを選択できます。

熱電対トレーニングビデオ

熱電対の基本的な特性と動作原理、DEWESoft製品とソフトウェアによる温度計測について説明します。

熱電対用のDEWESoft計測器

DEWESoftは、温度を効果的に計測，保存，表示できるDAQシステムをいくつか提供しています。 それは、産業用DAQアプリケーションで世界的に最も普及している温度センサである熱電対を接続することで実現しています。DEWESoftのシステムは、1チャネル～数百チャネルの温度をリアルタイムに計測，保存，解析，表示することができます。

データ収録ソフトウェアDewesoft Xは、任意のセンサからの温度出力を、任意の温度スケールで表示することができます。デフォルトの計測単位は摂氏ですが、ソフトウェアは華氏スケール（F）や、国際単位システム（SI）の温度の基本単位であるケルビンスケール（K）にも簡単に変換できます。

【動画】Dewesoft XとDAQハードウェアを使用して、
熱電対センサでリチウムイオン電池の温度を計測したデータファイル

Dewesoft Xは非常に柔軟性が高いので、必要に応じて特定の計測値を複数の計測単位で同時に表示できます。

データロガーSIRIUSでの熱電対センサ計測

SIRIUSはUSBやEtherCAT®でPCに接続するモジュール式や、R3ラックマウントシステム、そしてコンピュータを内蔵したR1，R2，R4，R8スタンドアローンシステムなど幅広い構成を備えています。 熱電対をSIRIUSに接続するには、DSIアダプタを使用して接続します。

SIRIUSの製品ラインナップ

DSI-THxシリーズの熱電対アダプタは業界標準のミニブレードタイプの入力コネクタと、タイプに合わせた金属を使用した短い熱電対ケーブルを備えています。DSI-THxアダプタは一般的なJ，K，T，Cの4種類の熱電対に対応しています。

DEWESoftのDSI-TH-Kアダプタ（タイプJ，T，Cも利用可能）

DSIアダプタは内蔵のTEDSインタフェースを使用して、Dewesoft Xで自動的に設定されます。DSI-TH熱電対アダプタをSIRIUSモジュールのD-sub9ピンの入力コネクタに接続し、Dewesoft Xのセットアップ画面で設定を確認するだけで計測を開始することができます。

SIRIUSとDSI-TH8xアダプタとの互換性の相互参照は次のとおりです。