熱電対

ゼーベック効果

計装の分野で適用される興味深い現象は、ゼーベック効果です。これは、ワイヤに沿った温度差により、ワイヤの長さ全体に小さな電圧が発生することです。この効果は、2つの異なる金属が接触している接合部で最も簡単に観察および適用され、各金属はその長さに沿って異なるゼーベック電圧を生成します。これは、2つの（結合されていない）ワイヤ端の間の電圧に変換されます。異種金属のほとんどのペアは、接合部が加熱されたときに測定可能な電圧を生成します。金属の組み合わせによっては、温度ごとに他の組み合わせよりも高い電圧を生成します。

ゼーベック効果はかなり線形です。つまり、2本のワイヤの加熱された接合部によって生成される電圧は、温度に正比例します。これは、生成された電圧を測定することにより、金属ワイヤ接合部の温度を決定できることを意味します。したがって、ゼーベック効果は、温度測定の電気的方法を提供します。

熱電対

温度を測定する目的で異種金属のペアが結合される場合、形成されるデバイスは熱電対と呼ばれます。 。計装用に作られた熱電対は、正確な温度/電圧関係（可能な限り線形で予測可能な）のために高純度の金属を使用しています。

シーベック電圧は非常に小さく、ほとんどの温度範囲で数十ミリボルトです。これにより、正確に測定することがやや困難になります。また、 any 異種金属間の接合により、温度に依存する電圧が発生し、熱電対を電圧計に接続して回路を完成させようとすると問題が発生します。

測定ジャンクション

熱電対と上部ワイヤのメーターとの間の接続によって形成される2番目の鉄/銅接合部は、測定接合部で生成される電圧とは極性が反対の温度依存電圧を生成します。これは、電圧計の銅線間の電圧が差の関数になることを意味します 2つの接合部間の温度であり、測定接合部のみの温度ではありません。銅が異種金属の1つではない熱電対タイプの場合でも、測定器の銅リードを結合する2つの金属の組み合わせは、測定接合部と同等の接合部を形成します。

リファレンスジャンクション

この2番目のジャンクションは参照と呼ばれます または cold 接合部、測定端の接合部と区別するため、熱電対回路に接合部があることを回避する方法はありません。一部のアプリケーションでは、2点間の温度差測定が必要であり、熱電対のこの固有の特性を利用して、非常に単純な測定システムを作成できます。

ただし、ほとんどのアプリケーションでは、目的は一点でのみ温度を測定することであり、これらの場合、2番目の接合部が機能する責任になります。

基準接点によって生成される電圧の補償は、通常、そこで温度を測定し、基準接点の影響に対抗するための対応する電圧を生成するように設計された特別な回路によって実行されます。この時点で、「熱電対の特異性を克服するためだけに他の形式の温度測定に頼らなければならないのなら、なぜ熱電対を使用して温度を測定する必要があるのでしょうか。この他の形式の温度測定を、それが何であれ、仕事をするために使用しないのはなぜですか？」答えはこれです。基準接合部の補償に使用される他の形式の温度測定は、熱電対接合部ほど堅牢でも用途も広いわけではありませんが、基準接合部サイトの室温を非常にうまく測定できるためです。たとえば、熱電対測定ジャンクションは、ファウンドリ保持炉の1800度（F）の煙道に挿入できますが、参照ジャンクションは、周囲温度で金属キャビネット内に100フィート離れた場所にあり、その温度は、炉の熱や腐食性の雰囲気に耐えることはできません。

熱電対接合部によって生成される電圧は、温度に厳密に依存します。熱電対回路の電流は、この電圧（I =E / R）に対する回路抵抗の関数です。つまり、温度とゼーベック電圧の関係は固定されていますが、温度と電流の関係は回路の全抵抗に応じて変化します。十分に重い熱電対導体を使用すると、1対の熱電対接合から数百アンペア以上の電流を生成できます。 （これは実験室での実験で実際に見られました。銅と銅/ニッケル合金の重い棒を使用して接合部と回路導体を形成しています。）

測定の目的で、熱電対回路で使用される電圧計は、熱電対ワイヤに沿ったエラーを誘発する電圧降下を回避するために、非常に高い抵抗を持つように設計されています。ここでは、接合部によって生成される電圧が数ミリボルトしかないため、導体の長さに沿った電圧降下の問題は、前述のDC電圧信号よりもさらに深刻です。重大な温度測定エラーを発生させることなく、導体の長さに沿って1ミリボルトの降下を発生させる余裕はありません。

したがって、理想的には、熱電対回路の電流はゼロです。初期の熱電対表示計器は、接合部電圧を測定するためにヌルバランス電位差電圧測定回路を利用していました。初期のLeeds＆Northrupの「Speedomax」ラインの温度インジケーター/レコーダーは、このテクノロジーの良い例でした。最近の機器では、半導体増幅器回路を使用して、熱電対の電圧信号が回路に電流をほとんどまたはまったく流さずに表示デバイスを駆動できるようにしています。

サーモパイル

ただし、熱電対は、抵抗を低くするために太いワイヤで構成し、温度測定以外の目的で非常に高い電流を生成するように接続することができます。そのような目的の1つが発電です。多くの熱電対を直列に接続し、各接合部で高温/低温を交互に繰り返すことにより、サーモパイルと呼ばれるデバイス かなりの量の電圧と電流を生成するように構築できます：

ペルティエ効果

接合部の左右のセットが同じ温度である場合、各接合部の電圧は等しくなり、反対の極性はゼロの最終電圧にキャンセルされます。ただし、左側のジャンクションセットが加熱され、右側のジャンクションが冷却された場合、各左側のジャンクションの電圧は各右側のジャンクションよりも高くなり、合計出力電圧はすべてのジャンクションペアの差の合計に等しくなります。サーモパイルでは、これがまさに物事の設定方法です。熱源（燃焼、強放射性物質、太陽熱など）は、一方の接合部セットに適用され、もう一方のセットは、ある種のヒートシンク（空冷または水冷）に結合されます。興味深いことに、サーモパイルに接続された外部負荷回路に電流が流れると、熱エネルギーが高温接合部から低温接合部に伝達され、別の熱電現象、いわゆるペルティエ効果が示されます。 （熱エネルギーを伝達する電流）。

熱電対のもう1つの用途は、平均の測定です。 いくつかの場所の間の温度。これを行う最も簡単な方法は、複数の熱電対を互いに並列に接続することです。各熱電対によって生成されるミリボルト信号は、並列接合点で平均化されます。接合部間の電圧差は、熱電対ワイヤの抵抗とともに低下します：

ただし、残念ながら、これらのゼーベック電位の正確な平均化は、各熱電対のワイヤ抵抗が等しいことに依存しています。熱電対が異なる場所に配置され、それらのワイヤが1つの場所で並列に結合している場合、ワイヤの長さが等しくなる可能性は低くなります。測定点から並列接続点までのワイヤ長が最大の熱電対は、抵抗が最大になる傾向があるため、生成される平均電圧への影響が最小になります。

複数の熱電対接合部

これを補うために、並列熱電対回路の各分岐に追加の抵抗を追加して、それぞれの抵抗をより等しくすることができます。各分岐にカスタムサイズの抵抗を使用しない場合（すべての熱電対間で抵抗を正確に等しくするため）、熱電対ワイヤの抵抗よりも大幅に高い値の抵抗を単純に設置して、これらのワイヤの抵抗による影響を大幅に小さくすることができます。総分岐抵抗について。これらの抵抗器はスワンピングと呼ばれます 抵抗器は、比較的高い値が熱電対ワイヤ自体の抵抗を覆い隠す、つまり「湿らせる」ためです。

熱電対の接合部はこのような低電圧を生成するため、正確で信頼性の高い動作を実現するには、ワイヤ接続が非常にクリーンでタイトであることが不可欠です。また、基準接合部の位置（異種金属熱電対ワイヤが標準銅に接続する場所）は、測定器が基準接合部温度を正確に補正できるように、測定器の近くに保つ必要があります。これらの一見制限的な要件にもかかわらず、熱電対は、現代の使用において最も堅牢で人気のある工業用温度測定方法の1つです。

レビュー：

• ゼーベック効果 は、その接合部の温度に比例する、2つの異なる接合された金属間の電圧の生成です。
• どの熱電対回路でも、異種金属間に2つの同等の接合が形成されます。意図した測定の場所に配置された接合部は、測定と呼ばれます。 ジャンクション、もう一方の（単一または同等の）ジャンクションは参照と呼ばれます ジャンクション。
• 2つの熱電対接合部を互いに反対方向に接続して、2つの接合部間の温度差に比例した電圧信号を生成できます。発電を目的としてそのように接続された接合部の集まりは、サーモパイルと呼ばれます。 。
• サーモパイルの接合部に電流が流れると、熱エネルギーが接合部の1つのセットから別のセットに伝達されます。これはペルティエ効果として知られています 。
• 複数の熱電対接合部を互いに並列に接続して、接合部間の平均温度を表す電圧信号を生成できます。 「スワンピング」抵抗器を各熱電対と直列に接続して、接合部間の均一性を維持できるようにすることで、結果として生じる電圧が真の平均温度をよりよく表すようになります。
• 良好な測定精度を得るには、熱電対回路の電流を可能な限り低く保つことが不可欠です。また、関連するすべての配線接続は、清潔でしっかりしている必要があります。回路内の任意の場所でのわずかミリボルトの降下は、かなりの測定誤差を引き起こします。