センサのお話

【センサのお話】温度センサ/温度測定・検出の技術

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温度センサーの技術(種類と概要)
 
エアコンのように温度そのものを制御するものもありますが、制御装置の作動のために昇温や冷却を行うために温度計測をしたり、制御変数を温度により補正するために温度情報を得るなど、温度を検出するニーズは多くあります。
測定可能な箇所の温度計測値と伝熱モデルを用いて、必要な領域の温度分布を求める場合もあります。
 

熱電対(サーモカップル)

温度調査計測用として熱電対(サーモカップル、thermocouple)が多く用いられます。
熱電対では、物体の温度差が電圧に直接変換される現象であるゼーベック効果(Seebeck effect)を利用しています。

異なる2種の金属線をつないで回路を作ると、二つの金属線の温度差により電圧が生じ、片方の金属線を基準温度とすると、発生電圧(起電力)は他方の金属線の温度に比例するという原理を用います。

熱電対は、金属線の組み合わせにより数10種類あると言われており、例えばクロメル・アルメル熱電対、鉄・コンスタンタン熱電対、銅・コンスタンタン熱電対などがあります。

※クロメル:NiとCrを主成分とする合金
 アルメル:Crを主成分とする合金
 コンスタンタン:CuとNiを主成分とする合金

 

サーミスタ方式温度センサ

コストパフォーマンスが高く、古くから温度センサとして使用されているのが、サーミスタ方式の温度センサです。温度変化に対する抵抗値の変化を利用します。
温度変化に対して抵抗値の変化の大きい抵抗体をサーミスタ(thermistor)と呼びます。

温度上昇に対して抵抗が減少するものをNTC(negative temperature coefficient)と呼び、逆に抵抗が増加するものをPTC(positive temperature coefficient)と呼びます。

NTCの材料としてよく用いられるのはニッケル、マンガン、コバルト、鉄などの酸化物の混合体で、PTCの材料としてよく用いられるは、セラミックスあるいはポリエチレンなどをベース材料とするものです。

 
[※関連コラム:電子回路部品「サーミスタ」の種類・原理・使い方 はこちら]

 

白金を用いた温度センサ

サーミスタ方式で上述の材料を用いた温度センサの例では測定温度範囲が-50~150℃程度ですが、さらなる高温の測定のために白金Ptを用いたものがあります。
白金の抵抗の温度特性はPTCで、測定範囲としては-200~1000°C程度のものがあります。

 

放射温度計

放射温度計は、物体から放射される赤外線や可視光線の強度を測定して、物体の温度を測定するものです。
パイロメータ(Pyrometer)と呼ばれる放射温度計では、白熱して可視光線を出している物体の表面温度を測定します。
作動発熱時に1000℃を越えるディーゼルエンジン用グロープラグの温度測定にも利用されています。

放射温度計の原理は、熱放射による温度と放出エネルギーとの関係におけるシュテファン=ボルツマンの法則式を用いて物体表面の温度を算出するというものです。
(物体からの熱放射jは、絶対温度Tの4乗と熱放射率εの積に比例して、比例係数はシュテファン=ボルツマン定数σ、j=σεT4)

放射温度計では非接触での測定が可能となります。

 

太陽の温度はどうやって測定するのか?

ちなみに太陽の表面温度は約6000℃と言われていますが、これは測定したものではなく、理論的推定値で、実際に測定しているのは、太陽が発する光の色です。
ガスの温度により出てくる光の色は異なり、青い光は、非常に高い温度のガスから出て、赤い光はあまり温度の高くないガスから出るということから、太陽の光の色を分析して太陽表面のガス温度を推測しています。

 
(日本アイアール株式会社 特許調査部 H・N)
 
☆各種センサ技術に関する特許調査・技術情報調査は日本アイアールまでお気軽にお問い合わせください。
 

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