熱電対

ゼーベック効果とは、電気伝導性材料の2点間に温度差がある場合に、その2点間に起電力が発生する現象を指します。内部電流が流れない開回路状態では、電圧勾配（${\displaystyle \scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}V}$）は温度勾配に正比例する（${\displaystyle \scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}T}$):

${\displaystyle {\boldsymbol {\nabla }}V=-S(T){\boldsymbol {\nabla }}T,}$

どこ${\displaystyle S(T)}$は、ゼーベック係数として知られる温度依存性の材料特性です。

図に示す標準的な測定構成では、4つの温度領域があり、したがって4つの電圧成分が存在する。

1. 変更元${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {メートル} }}$に${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$下側の銅線に。
2. 変更元${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$に${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$アルメル線の中に。
3. 変更元${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$に${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$クロメル線において。
4. 変更元${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$に${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {メートル} }}$上部の銅線に。

第１および第４の寄与は、これらの領域が同じ温度変化と同一の物質に関係するため、完全に相殺されます。結果として、${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {メートル} }}$測定電圧には影響を与えません。2番目と3番目の寄与は、異なる材料が関与しているため、相殺されません。

測定された電圧は

${\displaystyle V=\int _{T_{\mathrm {ref} }}^{T_{\mathrm {sense} }}\left(S_{+}(T)-S_{-}(T)\right)\,dT,}$

どこ${\displaystyle \scriptstyle S_{+}}$そして${\displaystyle \scriptstyle S_{-}}$は、それぞれ電圧計の正極端子と負極端子に接続された導体（図中のクロメルとアルメル）のゼーベック係数である。

熱電対の挙動は特性関数によって表される。${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$これは、2つの引数についてのみ参照する必要がある。

${\displaystyle V=E(T_{\mathrm {sense} })-E(T_{\mathrm {ref} }).}$

ゼーベック係数に関して、特性関数は次のように定義される。

${\displaystyle E(T)=\int ^{T}S_{+}(T')-S_{-}(T')dT'+\mathrm {const} }$

この不定積分における積分定数は意味を持たないが、慣例として次のように選ばれる。${\displaystyle \scriptstyle E(0\,{}^{\circ }{\rm {C}})=0}$。

熱電対メーカーやNISTなどの計測標準機関は、機能の表を提供しています。${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$これらは、特定の熱電対タイプについて、さまざまな温度範囲で測定および補間されたものです（これらの表にアクセスするには、 「外部リンク」セクションを参照してください）。

必要な測定値を得るには${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$測定するだけでは不十分です${\displaystyle \scriptstyle V}$基準接合部の温度${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$も知っておく必要がある。ここではよく2つの戦略が用いられる。

• 「氷浴」：基準接合ブロックは、大気圧下で半凍結状態の蒸留水浴に浸漬され、既知の温度に維持されます。融点相転移の正確な温度が自然なサーモスタットとして機能し、${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$0  ℃まで。
• 基準接合センサ（「冷接点補償：基準接点ブロックの温度は変動しても構いませんが、このブロックの温度は別の温度センサーで測定されます。この二次的な測定値は、接点ブロックの温度変動を補償するために使用されます。熱電対接点はしばしば過酷な環境にさらされますが、基準接点は機器の近くに設置されることがよくあります。 現代の熱電対機器では、半導体温度計がよく使用されます。

どちらの場合も値は${\displaystyle \scriptstyle V+E(T_{\mathrm {ref} })}$計算すると、関数${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$一致する値が検索されます。この一致が発生する引数は、${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$:

${\displaystyle E(T_{\mathrm {sense} })=V+E(T_{\mathrm {ref} })}$。

熱電対の構造における一般的なエラーは、冷接点補償に関連しています。${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$温度測定に誤差が生じます。最も単純な測定では、熱電対ワイヤは、温度を測定する高温または低温点から遠く離れた銅に接続されます。この基準接点は室温であると想定されますが、その温度は変化する可能性があります。^{[ 4 ]}熱電対電圧曲線の非線形性により、温度測定に誤差が生じます。${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$そして${\displaystyle T_{\mathrm {sense} }}$一般的に不均等な値です。タイプBなどの一部の熱電対は、室温付近で比較的平坦な電圧曲線を示します。これは、室温での大きな不確実性を意味します。${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$小さなエラーに翻訳すると${\displaystyle T_{\mathrm {sense} }}$。

接合部は確実に形成する必要がありますが、これを実現する方法は数多くあります。低温の場合、接合部はろう付けまたははんだ付けできますが、適切なフラックスを見つけるのが難しい場合があり、はんだの融点が低いため、検出接合部には適さない場合があります。そのため、基準接合部と延長接合部は通常、ネジ端子台を使用して形成されます。高温の場合、最も一般的な方法は、耐久性のある材料を使用したスポット溶接または圧着です。 ^{[ 5 ]}

熱電対に関するよくある誤解の 1 つは、不要な起電力の発生を避けるために、接合部を第三の金属を使用せずにきれいに作らなければならないというものです。^{[ 6 ]} これは、電圧が接合部で発生するという別のよくある誤解から生じている可能性があります。^{[ 7 ]}実際には、接合部は原理的に均一な内部温度を持つべきであり、したがって、接合部では電圧は発生しません。電圧は、ワイヤに沿った温度勾配で発生します。

熱電対は、多くの場合マイクロボルト程度の微弱な信号を生成します。この信号を正確に測定するには、入力オフセット電圧の低い増幅器が必要であり、電圧計内部での自己発熱による熱起電力の発生を避けるよう注意する必要があります。熱電対ワイヤの抵抗が何らかの理由で高い場合（接合部の接触不良、または高速な熱応答のために非常に細いワイヤが使用されている場合など）、測定電圧のオフセットを防ぐために、測定器は高い入力インピーダンスを備えている必要があります。熱電対計測器の便利な機能として、抵抗値を測定すると同時に、配線や熱電対接合部の接続不良を検出する機能があります。

熱電対ワイヤの種類は化学組成によって説明されることが多いが、実際の目的は標準化されたワイヤのペアを製造することである。${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$曲線。

不純物は金属の各バッチに異なる影響を与え、ゼーベック係数にばらつきを生じさせます。標準的な挙動に合わせるため、熱電対ワイヤメーカーは、合金に意図的に追加の不純物を混ぜて「ドーピング」し、原料の制御不能な変動を補償します。^{[ 5 ]} その結果、熱電対の挙動に求められる精度レベルに応じて、標準グレードと特殊グレードの熱電対ワイヤが存在します。高精度グレードは、一方のワイヤの欠陥を他方のワイヤで補償するように変更されたマッチドペアでのみ入手可能な場合があります。

熱電対線には「延長グレード」と呼ばれる特殊な種類があり、熱電回路をより長い距離にわたって伝送するように設計されています。延長線は、以下の仕様に従います。${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$曲線を描くが、さまざまな理由から、極端な環境での使用を想定して設計されていないため、一部の用途ではセンシング接合部で使用できない。たとえば、延長線は、撚り線構造とプラスチック絶縁を備えた非常に柔軟なものなど、異なる形状になっている場合や、多数の熱電対回路を伝送するための多線ケーブルの一部になっている場合がある。高価な貴金属熱電対の場合、延長線は、標準タイプを狭い温度範囲で模倣する、まったく異なる安価な材料で作られている場合もある。^{[ 5 ]}

熱電対は、高温環境や反応性の高い炉内雰囲気でよく使用されます。このような場合、熱電対の実用寿命は経年劣化によって制限されます。非常に高い温度を測定するために使用される熱電対の導線の熱電係数は時間とともに変化する可能性があり、それに伴って測定電圧も低下します。接合部の温度差と測定電圧の単純な関係は、各導線が均質（組成が均一）である場合にのみ成り立ちます。熱電対は、プロセス中に経年劣化すると、極端または長時間の高温への曝露によって引き起こされる化学的および冶金学的変化により、導体の均質性が失われる可能性があります。熱電対回路の劣化部分が温度勾配にさらされると、測定電圧が異なり、誤差が生じます。

経年劣化した熱電対は部分的にしか変化しません。例えば、炉の外側の部分は影響を受けません。このため、経年劣化した熱電対は設置場所から取り外して、浴槽や試験炉で再校正して誤差を測定することはできません。これは、経年劣化した熱電対を炉から部分的に引き抜いたときに誤差が観察されることがある理由も説明しています。センサーを引き戻すと、経年劣化した部分がより低温の耐火領域を通過する際に、高温から低温への温度勾配の増加にさらされ、測定に大きな誤差が生じる可能性があります。同様に、経年劣化した熱電対を炉の奥深くまで押し込むと、温度勾配が新しい部分のみで発生するため、より正確な測定値が得られる場合があります。^{[ 8 ]}

B型、R型、S型の熱電対は、導体に白金または白金/ロジウム 合金を使用しています。これらは最も安定性の高い熱電対の一つですが、感度は他のタイプよりも低く、約10μV/℃です。B型、R型、S型の熱電対は、高価で感度が低いため、通常は高温測定にのみ使用されます。R型およびS型の熱電対では、熱電対を強化し、高温や過酷な条件下で発生する可能性のある結晶粒成長による故障を防ぐために、純白金の代わりにHTX白金線を使用できます。

これらの熱電対は、極めて高い温度の測定に適しています。典型的な用途としては、水素雰囲気や不活性雰囲気、真空炉などがあります。高温の酸化性環境では脆化するため使用されません。^{[ 23 ]}一般的な測定範囲は0～2315℃ですが、不活性雰囲気では2760℃まで、短時間の測定では3000℃まで 拡張できます。 ^{[ 24 ]}  

純タングステンは高温下で再結晶化を起こし、脆くなる。そのため、用途によってはG型よりもC型やD型が好まれる。

高温で水蒸気が存在すると、タングステンは反応してタングステン(VI)酸化物を生成し、これが揮発して水素が生成される。水素はタングステン酸化物と反応し、その後再び水が生成される。このような「水の循環」は、熱電対の侵食と最終的な故障につながる可能性がある。したがって、高温真空用途では、微量の水の存在を避けることが望ましい。^{[ 25 ]}

タングステン/レニウムの代替としてタングステン/モリブデンもあるが、電圧-温度応答は弱く、約1000  K付近で最小値を示す。

熱電対の温度は、使用される他の材料によっても制限されます。たとえば、高温用途でよく使用される材料である酸化ベリリウムは、温度の上昇とともに導電率が増加する傾向があります。ある特定の構成のセンサーでは、絶縁抵抗が1000 K でメガオーム から2200  K で 200 オームまで低下しました。高温では、材料は化学反応を起こします。2700  K では、酸化ベリリウムはタングステン、タングステン-レニウム合金、およびタンタルとわずかに反応します。2600  K では、モリブデンは BeO と反応しますが、タングステンは反応しません。BeO は約 2820  K で、酸化マグネシウムは約 3020  Kで融解し始めます。 ^{[ 26 ]}

下の表は、いくつかの異なるタイプの熱電対の特性を示しています。許容誤差の列では、Tは高温接点の温度を摂氏で表します。たとえば、許容誤差が±0.0025× T の熱電対は、1000℃で±2.5℃の許容誤差を持ちます 。カラーコードの列の各セルは、熱電対ケーブルの端部を示しており、ジャケットの色と個々のリード線の色を表しています。背景色はコネクタ本体の色を表しています。

熱電対を構成する電線は、検出接点を除いて、あらゆる箇所で互いに絶縁されていなければなりません。電線同士の接触、あるいは電線が他の導電性物体に接触すると、電圧が変化し、温度の測定値が誤ってしまう可能性があります。

プラスチックは熱電対の低温部に適した絶縁体である一方、セラミック絶縁体は1000  ℃程度まで使用可能である。耐摩耗性や耐薬品性といったその他の要素も、材料の適合性に影響を与える。

電線の絶縁体が劣化すると、目的の検出点とは異なる場所で意図しない電気接触が発生する可能性があります。このような損傷した熱電対がサーモスタットやその他の温度コントローラーの閉ループ制御に使用されると、誤った温度測定値が通常、検出接合部の温度よりも低くなるため、暴走過熱や深刻な損傷につながる可能性があります。絶縁体の劣化は通常、ガスを放出するため、プロセス汚染の原因となることもあります。非常に高温で使用される熱電対部品や、汚染に敏感な用途で使用される熱電対部品の場合、適切な絶縁方法は真空または不活性ガスのみとなる場合があります。熱電対電線の機械的剛性を利用して、電線同士を分離します。

絶縁体の温度定格は、熱電対ケーブル全体の構成材料によって異なる場合があります。

 注：T300は、最近ULによって300 ℃の動作温度での使用が承認された新しい高温材料です。

B型、S型、R型、K型の熱電対は、製鉄工程における温度と化学組成のモニタリングに鉄鋼業界で広く用いられています。使い捨て型の浸漬式S型熱電対は、電気アーク炉工程において、出鋼前の鋼の温度を正確に測定するために日常的に使用されています。少量の鋼サンプルの冷却曲線を分析することで、溶鋼の炭素含有量を推定することができます。

オーブンや給湯器など、多くのガス式暖房器具は、必要に応じてパイロット炎を使ってメインのガスバーナーに点火します。パイロット炎が消えると、未燃焼ガスが放出され、爆発の危険性や健康被害を引き起こす可能性があります。これを防ぐため、一部の器具では、パイロット炎の点灯を感知する安全回路に熱電対を使用しています。熱電対の先端をパイロット炎に当てると、電圧が発生し、パイロットにガスを供給する供給バルブが作動します。パイロット炎が点灯している間は熱電対が高温になり、パイロットガスバルブは開いたままになります。パイロット炎が消えると、熱電対の温度が下がり、熱電対にかかる電圧が低下してバルブが閉じます。

プローブを炎の上に容易に配置できる場合は、整流センサーが代わりに用いられることが多い。セラミック部分を含むこれらのセンサーは、炎検知棒、炎センサー、または炎検出電極とも呼ばれる。

ハネウェル社製のメインバーナーとパイロットガスバルブが一体化した製品の中には、コイルのサイズを、軽いバネに抗してバルブを開いたまま保持できるサイズにすることで、消費電力をパイロットで加熱される単一の汎用熱電対（開回路電圧25mV、コイルを10～12mV、0.2～0.25Aの電源に接続すると半減する）の範囲内に抑えているものがあります。ただし、これはパイロット点火時にユーザーがノブを押して保持し、バネを圧縮することで最初の点火力を加えた後にのみ行われます。これらのシステムは、パイロット点火手順に「x分間押して保持する」と記載されていることで識別できます。（このようなバルブの保持電流要件は、バルブを閉位置から引き込むために設計された大型ソレノイドが必要とする電流よりもはるかに小さくなります。）通常のミリアンメーターはガスバルブコイルよりも大きな抵抗を導入するため使用できないため、バルブの解放電流と保持電流を確認するために専用のテストセットが作成されます。熱電対の開放電圧と、熱電対ガスバルブコイルを介した短絡に近い直流導通をテストする以外に、専門家でなくても簡単にできるテストは、正常なガスバルブと交換してみることです。

ミリボルト制御システムと呼ばれる一部のシステムでは、熱電対の概念を拡張して、メインガスバルブの開閉も行います。パイロット熱電対によって生成された電圧は、パイロットガスバルブを作動させるだけでなく、サーモスタットを介してメインガスバルブにも電力を供給します。ここでは、上記のパイロット炎安全システムよりも大きな電圧が必要であり、単一の熱電対ではなく熱電対が使用されます。このようなシステムは、動作に外部電源を必要としないため、他のすべての関連システムコンポーネントがこれを許容すれば、停電時にも動作できます。これは、送風機モーターを動作させるために外部電源が必要な一般的な強制送風炉には適用されませんが、この機能は、電源不要の対流式ヒーターには特に役立ちます。熱電対を使用した同様のガス遮断安全機構は、メインバーナーが一定時間内に点火することを保証するために使用されることがあり、点火しない場合はメインバーナーのガス供給バルブを遮断します。

常時点火するパイロット炎によるエネルギーの浪費を懸念し、多くの新型機器の設計者は、間欠点火とも呼ばれる電子制御式のパイロットレス点火方式に切り替えています。常時点火するパイロット炎がないため、炎が消えてもガスが蓄積するリスクがなく、これらの機器には熱電対式のパイロット安全スイッチは必要ありません。これらの設計では、継続的な電源なしで動作できるという利点が失われるため、一部の機器では依然として常時点火するパイロットが使用されています。例外は、水の流れを利用してガスバーナーの点火に必要な電流を生成する、後期型の瞬間式（いわゆる「タンクレス」）給湯器です。これらの設計では、ガスが点火しない場合や炎が消えた場合に備えて、安全遮断装置として熱電対も使用されています。

サーモパイルは、入射放射（通常は可視光または赤外線）の強度を測定するために使用されます。入射放射によって高温接合部が加熱され、低温接合部はヒートシンク上に設置されます。市販のサーモパイルセンサーを使用すれば、わずか数μW/cm²の^放射強度を測定することが可能です。例えば、一部のレーザーパワーメーターはこのようなセンサーに基づいており、これらは特にサーモパイルレーザーセンサーとして知られています。

熱電対センサーの動作原理はボロメータとは異なり、後者は抵抗値の変化を利用する。

熱電対は、一般的に電気機器や機械機器の試作試験に使用できます。例えば、電流容量試験中の開閉装置には、熱負荷試験中に熱電対を設置して監視することで、定格電流時の温度上昇が設計上の制限値を超えないことを確認することができます。

熱電対は、追加の回路や電源を必要とせずに、電流を生成して一部のプロセスを直接駆動することができます。例えば、熱電対からの電力は、温度差が生じた際にバルブを作動させることができます。熱電対によって生成される電気エネルギーは、電位を維持するために高温側に供給されなければならない熱から変換されます。熱電対を流れる電流は高温側を冷却し、低温側を加熱する傾向があるため（ペルティエ効果）、熱の継続的な伝達が必要です。

熱電対を直列に接続して熱電対を構成できます。熱電対では、高温側の接点はすべて高温に、低温側の接点はすべて低温に曝されます。出力は各接点の電圧の合計となり、より大きな電圧と電力出力が得られます。放射性同位体熱電発電機では、超ウラン元素の放射性崩壊を熱源として利用し、太陽から遠く離れて太陽光発電が利用できない宇宙船の動力源として用いられてきました。

灯油ランプで加熱された熱電対は、孤立した地域で電池不要のラジオ受信機を動作させるために使用されました。 ^{[ 35 ]}ろうそくの熱を利用して複数の発光ダイオードを動作させる市販のランタンや、薪ストーブの空気循環と熱分布を改善するために熱電駆動のファンがあります。

化学製造工場や石油精製工場では、通常、プロセスに関連する多数の温度（通常数百個）の記録と限界試験にコンピュータが使用されます。このような場合、複数の熱電対リード線が共通の基準ブロック（大きな銅ブロック）に接続され、各回路の2番目の熱電対がそこに配置されます。このブロックの温度はサーミスタによって測定されます。各測定箇所の温度は、簡単な計算によって求められます。

熱電対は、約 0.001 ～ 1 torrの絶対圧力範囲で真空計として使用できます。この圧力範囲では、ガスの平均自由行程は真空チャンバーの寸法と同程度であり、流れの様式は純粋に粘性でも純粋に分子流でもありません。^{[ 36 ]} この構成では、熱電対接合部は短い加熱ワイヤの中心に取り付けられ、通常は約 5 mA の定電流で通電され、熱はガスの熱伝導率に関連した速度で除去されます。 

熱電対接合部で検出される温度は、周囲のガスの熱伝導率に依存し、その熱伝導率はガスの圧力に依存します。熱電対で測定される電位差は、低真空から中真空の範囲では圧力の二乗に比例します。高圧（粘性流）および低圧（分子流）では、空気またはその他のガスの熱伝導率は基本的に圧力に依存しません。熱電対は、1906年にVoegeによって初めて真空計として使用されました。^{[ 37 ]} 真空計としての熱電対の数学的モデルは、Van Attaによって詳細に説明されているように非常に複雑ですが、^{[ 38 ]}次のように簡略化できます。

${\displaystyle P={\frac {B(V^{2}-V_{0}^{2})}{V_{0}^{2}}},}$

ここで、Pはガス圧、Bは熱電対の温度、ガスの組成、真空チャンバーの形状に依存する定数、V0_はゼロ圧力（絶対値）での熱電対電圧、Vは熱電対によって示される電圧です。

代替手段としてピラニゲージがあり、これはほぼ同じ圧力範囲で同様の方法で動作しますが、熱電対を使用する代わりに、細い電熱線の温度による抵抗変化を検出する2端子デバイスです。