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温度センサーの仕組みを知ってヒーターの温度を測ろう!

こんにちは。スリーハイの中山です。

先日風邪をひいてしまい38.9℃の熱を出してしまい動くのもとてもだるかったです。
余談ですが、日本人の平熱は36℃台後半と意外と高めようです。


人の熱を測る時に使うのは体温計ですが...、スリーハイが扱うのは体温よりもっと高い温度に発熱する電気ヒーターになりますので体温計では測れません。


では、どんなもので測るのかというと「熱電対」と呼ばれる温度センサーになります。


今回は温度センサーの仕組みについて詳しくお伝えしていきます!


温度センサーの「熱電対」ってどんな仕組み?

image004_21.jpg

温度を測ると言えば、身近なのは体温計でしょう。でも温度センサーである熱電対は体温計とは違います。

昔の体温計は熱による水銀の体積の膨張によって体温を測っていました。


熱電対の見た目は2種類の金属を一つにまとめたケーブルになります。

この金属に熱を与える事で電気が発生するので、その電気量で温度を測定する事が出来ます。

これをゼーベック効果と呼んでいます。

温度センサー(熱電対)のゼーベック効果とは

では、ゼーベック効果とはどんなものでしょうか。

まず、「ゼーベック効果」の名称の由来は物理学者トーマス・ゼーベックの名前からきているそうです。

ゼーベック効果は2つの異なる金属を2ヶ所接触さて、その2ヶ所を違う温度に保つと温度差毎の電流が流れます。そして、その一端を切り開くと温度差に応じた熱起電力が生まれます。
これを利用したのが熱電対になります。

image006_21.jpg

上記写真はスリーハイのデュープレクス(先端溶接)タイプの熱電対、TH-8181シリーズです。
2種類の金属を写真のように溶接し接触させています。

接触させた一ヶ所で温度を図りたい部分に置いて熱起電力が発生するので温度計測器や温度調節器(スリーハイではmonooneシリーズ)に電力を検知させることで、温度が表示されて現在温度がわかる仕組みとなります。
因みにですが、熱起電力がどれ位発生しているかというと以下になります。

・100℃の計測時は4.096mV
・200℃の計測時は8.138mV
・300℃の計測時は12.209mV

※基準接点の温度0℃の場合の目安となります。

スリーハイで取り扱っている温度センサー(熱電対)の金属の組み合わせは?

2つの異なる金属と前の段落で説明しましたが、金属の組み合わせも様々あります。

・「クロメル」と「アルメル」の組み合わせのK熱電対
・「クロメル」と「コンスタンタン」の組み合わせのE熱電対
・「銅」と「コンスタンタン」の組み合わせのT熱電対
・「鉄」と「コンスタンタン」の組み合わせのJ熱電対

上記はJIS規格となっているメジャーな熱電対です。

「アルメル」とか「クロメル」なんて言葉は普段の生活では言葉聞き慣れないですよね。
アルメルもクロメルもニッケル合金でして、どちらもニッケル(Ni)が主に含まれています。
次にアルメルはアルミニウム(Al)がクロメルにはクロム(Cr)が多く含まれていて別の金属となっています。

image008_21.png

アルミはアルミホイルなどでよく目にしますよね。
クロムは高級感を出すメッキ処理をする場合に使われたりしています。

その中でもK熱電対は測定範囲が-200℃~1000℃となっており温度と熱起電力の関係が直線的で使いやすいです。
また、世間的にも流通量が多いのがK熱電対です。
憶測ですが、K熱電対の流通量が多いのは、温度範囲が広いのはもちろんの事、使っている素材がアルミやメッキ素材のクロムなので他の熱電対と比べても安価な点だと思います。
スリーハイでは流通量の最も多いK熱電対を在庫品として多数取り揃えております。

+脚 

ニッケル及びクロムを主とした合金(クロメル・CR) 

-脚

ニッケルを主とした合金(アルメル・AL)

温度センサーの精度

熱電対で温度を測る事が出来るのは説明してきましたが、実際の熱電対が検知した温度がどの位正しいのかわからない事ありますよね。

温度センサーの精度はJIS規格で以下の三段階に分かれています。


階級 クラス1

温度範囲 -40℃以上 +375℃未満 許容差 ±1.5℃

温度範囲 375℃以上 1000℃未満 許容差 ±0.004・|t|


階級 クラス2

温度範囲 -40℃以上  +333℃未満 許容差 ±2.5℃

温度範囲 333℃以上 1200℃未満 許容差 ±0.0075・|t|


階級 クラス3

温度範囲 -167℃以上  +40℃未満 許容差 ±2.5℃

温度範囲 -200℃以上 -167℃未満 許容差 ±0.015・|t|


通常スリーハイでは高くても200℃付近の発熱するヒーターを作っていますので、クラス3は取り扱いがなく、クラス2(-40℃~332℃で±2.5℃)が9割以上のお問い合わせとなっています。

クラス2は温度制御はしたいけど、ザックリとした精度は求めていない現場、ヒーターが暴走しなければ良いという範囲の場合にご使用いただいています。

それでも「さらに制度の良い物を!」という方にようにも、デュープレクス(先端溶接)タイプのTH-8296シリーズですとクラス1も用意がありますのでより精度の良い制御も狙えます。
クラス1は医療機関や研究機関、精密検査などでご使用したいというお話が多いです。

また、製品にもよりますが温度センサーの検査成績書や校正書などもご依頼頂けますと出すことも出来ますのでお問い合わせください。

熱電対(温度センサー)の注意点

熱電対の測定範囲は-200℃~1000℃なのですが実際には-200℃や1000℃を測定する事は難しいです。

それは耐熱温度の問題があるからです。

スリーハイで扱っているK熱電対は金属の素線の太さの直径が0.32mmと非常に小さく-200℃や1000℃という特殊な温度には耐えられないからです。
さらに熱電対は絶縁目的で金属を覆っている被覆素材があり、これにも耐熱温度があるのですが1000℃まで耐える事は出来ません。
スリーハイで扱っている製品と耐熱温度はおおよそ以下になります。

・ガラス被覆...250~350℃
・シリカガラス被覆...400℃
・テフロン被覆...200~260℃

製品によって耐熱温度がそれぞれちがいますので詳しくは弊社ホームページをご覧ください。

最後に

いかがでしょうか?
このように熱のお悩み解決集団のスリーハイではヒーターだけではなく温度センサーも取り扱っております。
際限なく加熱し続けてしまうヒーターも温度センサーがあるだけで安心して温度をみる事や温度制御をすることが出来ます。

さらに温度センサーK熱電対の詳しい仕様に関して興味の有る方は以下のURLもご覧いただけるとより理解が深まります。
http://www.threehigh.co.jp/products/

わからない事がありましたら、いつでも気軽にご相談ください!
以下URLからでしたらいつでも簡単にご連絡いただけます。
https://www.threehigh.co.jp/contact/

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