月: 2014年11月

サーミスタと白金測温抵抗体の次は広く普及しているのが熱電対です。

熱電対の温度センサは「２種類の異なる金属で閉回路を形成した時、

２箇所の接合点に温度差が生じると起電力(電圧)が生じる」という原理を利用したものです。

この現象をゼーベック効果と言います。

 

ゼーベック効果
ゼーベック効果により端子D1−D2間に電圧（熱起電力）V1が発生します。
ゼーベック効果による熱起電力V1はC点（測温接点）とD点（基準接点）の
温度差 ΔT （＝T1−T2）に対応して発生するものであり、
JISなどの規格に「規準熱起電力表」として掲載されています。

 

具体的にどんな感じかと言うと・・・

たとえばＴタイプの熱電対は線の一本が銅、もう一本がコンスタンタンという金属を使います。

（コンスタンタンは銅５５％ニッケル４５％の組成からなる合金なのです。）

この接点の部分を１００℃のヤカンに触れさせ、

反対側の接点を氷に触れさせると・・・なんと４．２７９mVという電圧が発電されます。

つまり、このほぼ直線的な特性を生かして電圧を測ることにより、

温度に換算したのが熱電対温度計の原理なんですね。　　（写真はK熱電対）

ちなみに２５℃だと４．２７９mV÷１００℃✕２５℃＝１．０６９７５mVてな感じです。

 

さて、ちょっとゼーベック効果が面白いので寄り道してみましょう。

この効果をよく考えてみると超小さな発電所と呼べるのではないでしょうか？

この効果の応用を２つ紹介します。

 

ひとつはサーモパイルと呼ばれるものです。

これは熱電対をたくさん直列や並列に接続してパイル状(碁盤の目のイメージ)にしたものです。

たくさん使うと起電力も増えて小さな温度変化も見ることが出来るのですね。

 

これを利用して物から温度の高さに応じて出る赤外光をレンズで集光しサーモパイルに当てます。

最近では体温計なのでも利用される放射温度計がこの原理なんですね。

この放射温度計に関してはこの後の記事でまた詳しくご紹介しましょう。

もう一つの応用が発電鍋です。

とっても面白い会社さんがこのブログのために転載やＨＰの紹介の許可を頂きましたので、

そちらから引用させていただきます。

株式会社ＴＥＳニューエナジーさんは(独)産業技術総合研究所の技術移転ベンチャーさんです。

 

ちょっと画像が小さいのはごめんなさい・・・<m(__)m>

熱電にはP型とN型材料の二種類があり、

それらを接続することで電力を得ることが出来るそうです。

その酸化物熱電モジュールをお鍋の底に設置したのが発電鍋なのですね。

 

これアウトドアでスマホを充電するのにぴったり。

アウトドア好きの温湿度マイスター　武田の食指が動いてしまいそうです。

 

あの未曾有の東北地方太平洋沖地震でも携帯の充電が問題になりましたね。

先日もテレビでこの発電鍋を使っているアフリカのウガンダの小学校が紹介されました。

夜しか学習する時間がない子供も多くいて、

そのときに必要な明かりを発電鍋とLED照明で作ることが出来たのです。

 

なんとも偉大なゼーベック効果ではないでしょうか？

昨今、パソコンとデーターロガの発達により誰もが気軽に温度計測が行えるようになりました。

でも、温度センサの種類を間違えたり誤差要因(計測ノウハウ)を知らないと、

全く違う結論に結びついたりもするのです。

 

その為に温度センサの種類を解説する事は比較的簡単なのですが、

少し掘り下げてその原理から紐解きたいと思います。

それにより温度計測がより正確により効率的になるのは間違いありません。

 

これは僕がキャンプで愛用している温度計。

センサが２本あって外とテントの中の温度を比較する重宝な道具であります。

このセンサがサーミスタなんですね。

サーミスタ
金属酸化物を主原料とし高温にて焼結されるセラミック半導体で、
その製造方法、構造によって各種の形状・特性があり、
温度センサとして各種温度測定、温度補償用など幅広い用途に対応できます。

 

防爆用のケースに収まっているのでちょっとごついです。

普段はもっと細く短いタイプを愛用しています。

白金測温抵抗体
検出部に用いる金属材料には、温度と抵抗の関係が一定であること、
耐食性に優れ経年変化が少ないこと等の理由から白金(Pt)が多く用いられています。
温度に対する抵抗値変化（感度）が小さく、熱電対に必要な基準温接点が
不要なため常温付近の温度測定に有利です。

 

熱電対は先端を圧着溶接してあります。

半田で付けては誤差になるので使ってはダメですよ。

熱電対
熱電対の温度センサは「２種類の異なる金属で閉回路を形成した時、
２箇所の接合点に温度差が生じると起電力(電圧)が生じる」という原理を利用したものです。

 

熱電対は次回に解説することにして、

温度に対し電気抵抗値が変化するサーミスタと白金測温抵抗体の原理から入りましょう。

サーミスタはこれも２種類に分かれます。(計測に使われるタイプ)

・ＮＴＣサーミスタ
ＮＴＣサーミスタは温度の上昇に対して抵抗が減少するサーミスタです。
・ＰＴＣサーミスタ
ＰＴＣサーミスタはＮＴＣサーミスタとは逆に温度の上昇に対して抵抗が増大するサーミスタであす。

今回はＮＴＣサーミスタと白金測温抵抗体の温度－抵抗特性を同じグラフ上で表してみました。

 

左の抵抗値のグラフは縦軸が片対数になっています。

すなわち下から１０Ω・１００Ω・１０００Ω・１００００Ω・１０００００Ωの目盛りですね。

これは１０Ω・１００Ω・１kΩ・１０kΩ・１００kΩと表せます。

サーミスタに対し白金測温抵抗体の電気抵抗値の変化が小さいですね。

計測器を設計する方から言えば電気回路的に直進性に優れているので、

より精度を出すことが出来るです。

 

サーミスタは桁が１０のｎ乗で変化するので、デジタル回路による処理が必要になります。

安価な温度計に採用される理由はこの原理から来るのですね。

もちろん精度を出すことも出来ます。

身近なところでは体温計ですかね・・・

３６℃で値付け(校正)すればその前後では０．１℃程度の精度が可能なのです。

 

そうそう、昔・・・こんなユニークな方に会いました。

貴金属会社から白金を数１０㎝購入しその両端の抵抗を１００Ωに合わせます。

それを素線のまま綱渡り状態に空中で張っていました。

何の目的かというと・・・空気温度の超高応答性のセンサを自作していたのです。

普通はセラミックの板に巻き付けたりするので、

セラミック部分の熱容量をキャンセルできるんですね。

 

原理を知り尽くせばこんな事も実行できるのが素晴らしいのです。

最近、テレビで有機物と無機物の違いについて放送されました。

ごく普通に聞いた言葉なのですがちゃんとに文字すると答えられませんよね。

超簡単に言えば燃やせば水(水蒸気)と二酸化炭素ができるものです。

専門的に言うと炭素を含む化合物の大部分となるのですが、

一般の方からすると何のこっちゃ？となるわけであります。（写真:プロパンの分子モデル）

 

さらに無機物になると有機物を除いたすべての物質だそうです。

同じ炭素を含んでも二酸化炭素は無機質なので・・・

意外に曖昧なカテゴリー分けのような気がしました。

 

さて、温度も同じようなことが言えます。

｢今、３０℃だから暑いね｣と普段使いしているものですが、

これも学術的に表現するとビックリするものなのですね。

温度とは物質を構成する分子運動のエネルギーの統計学的な値。

温度には下限が存在し、

分子運動が止まっている状態が温度 −273.15 ℃（絶対零度）です。

 

そうなのです・・・

温度は分子運動がふなっしーのシャカシャカ状態だと高く。

動いていないときは低いというイメージですね。

 

そこで温度という分子運動のエネルギーを伝える方法として、

大まかに図のような物になります。

物から物へと熱が伝わる熱伝導という現象がそのひとつ。

空気などの気体から物へと伝わる方法もありますね。

この地球でありがたく感じるのが太陽光という光エネルギー波による伝達。

遠赤外でおなじみの赤外光や輻射熱による伝達。

電子レンジなどは温度伝達のイリュージョン。

直接、分子を揺すって発熱するエネルギー波による伝達などたくさんあります。

 

 

温度を極めるシリーズではこのように熱を計る＆環境を作り出すをテーマに進めていきます。

手法が多いだけに色々な切り口でご紹介できると思いますのでお楽しみに！

温度を極めることでほんと・・・

古典的な技術から最新のテクノロジーまでがつながりますよ。