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熱電対の原理について

温度計測をする測定機として産業界で、熱電対は広く利用されています。測定器として機能させるための熱電対の原理を見ていきます。2つの金属線の先端を繋いて温度センサとして構成します。2種類の異なる金属製を繋げることで、ゼーベック効果による熱起電力が発生することを利用しています。
ゼーベック効果とは、ドイツ人のゼーベックが発見し、熱電対の測定原理となっています。両端の接点に温度差がある場合に、金属線の中を電流が流れる現象のことです。このとき、金属線は異なる種類の金属であることが必要となります。耐久性があり、加工がしやすいことから工業用途で広く使われています。

熱源対の一方の温度が予め分かっていれば、起電力の大きさを測定することで他方の温度を知ることができます。すなわち、もう一方の温度を起電力表と照合することで、電圧値を特定することが可能となります。
これが熱電対の温度を測定する仕組みです。他の測定に比べて幾つかの特徴を持っています。例えば、応答速度が早く正確な測定値を得ることができるとともに、安価で加工しやすいといったメリットがあります。
また、シンプルで小さくできるために、省スペース環境での測定を可能にします。

測定器としての特性を持たせるために基本となる三法則があります。ゼーベック効果を利用した温度計測を実現する上で、前提条件として守らなければならない法則です。順に均質回路の法則、中間金属の法則、中間温度の法則を見ていきましょう。
均質回路の法則は、回路を構成する金属線が均質な材料で構成されているならば、一部に加熱部があったとしても、熱起電力が発生することはないということです。熱起電力を取り出すための、最も基本的な法則となります。同じ種類の金属をいた場合は、測定器として構成することはできない、均質な金属では温度差があっても、熱起電力は発生しないということになります。
つまり両端が均質であるならば、中間の温度分布は測定結果に影響を与えることはありません。中間金属の法則とは、中間に全く別の金属が挿入された場合においても、両端に温度差がなければ測定結果に影響を与えません。
センサーを構成する際に、別の金属で作られた端子台やコネクタを使うことができるのは、この法則があるからです。中間温度の法則は、回路の中間の温度が分かっている場合において、個々の温度差から算出した熱起電力の和と、全体の熱起電力は同じとなります。

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