熱電対温度計
熱電対温度計（thermocouple thermometer）
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Contents
1. 熱電対温度計の基礎
1.1 熱電対とは
熱電対とは、二種類の異なる金属の両端を接合し、その両端の温度差に応じて、その接合部に生じる微弱な電圧（熱起電力）を利用して温度を測定するセンサのことです（図1）。二種類の金属線の組合せが同じならば、金属線の太さや形状などによる影響を受け無い特徴があります。また、金属線の組合せにより広範囲の温度の測定ができ、応答性も良好なので工業用温度計として広く使用されています。ため、工業用温度計として広く使用されています。
熱電対の原理は、1821年にドイツの物理学者ゼーベック（T.J. Seebeck）が発見しました。二種類の金属が接合された二つの接点（測温接点、規準接点）間に温度差が生じると、電圧が発生します。これを熱起電力といい、ゼーベック効果といいます。
ゼーベックがゼーベック効果を発見した以降、多くの科学者や技術者が熱電対の特性を研究し、工業用途に適した様々な種類の熱電対が開発されました。今日では、-200℃から1700℃までの広範囲の温度を測定できる熱電対が存在し、製造業、エネルギー分野、科学研究などで広く利用されています。
図1 熱電対の原理 ORIGINAL
1.2 熱電対の長所と短所
1.2.1 熱電対の長所
（１）温度を電気に変換することにより、デジタル的に測定、調整、制御、図複、変換などが、容易に行えます。（２）比較的安価で入手しやすく、測定方法が簡単な割には、測定精度が良好で、応答性についても比較的優れたデータが得られます。
（３）感度を必要とする場合や、長寿命が要求される場合でも、同じ種類の熱電対で必要に応じて線径など自由に選定出来ます。
（４）一種類の熱電対で、広い温度驚囲の測定が可能です。
（５）測定対象が小さくても、測温時に温度分布を乱さずに測温することが可能であり、特定の部分や狭い場所の測温が可能になります。
（６）測温対象と測定器との間の距離を大きく取ることができ、測定回路の途中に局部的な温度変化が発生しても測定にほとんど影響は与えません。
1.2.2 熱電対の長所
（１）測定する雰囲気により、使用可能な熱電対の種類に制限があります。
（２）測定温度の ±0.2%程度以上の精度を得ることは難しいです。
（３）基準接点を必要とし、これを一定温度に保持する必要があり、これ以外の場合、熱電対を延長して使用するか、補償導線を使用しなければなりません。
（４）比較的高温環境で使用する場合や長期間使用する場合、主として雰囲気により、酸化・還元などの劣化が進行します。そのため、定期的な点検や補正が必要になりますが、これを実施していても寿命に限界があります。
1.3 熱電対の三つの法則
熱電対は、次に示す三つの法則が適用されます。
（１）均質回路の法則：
二本の⾦属線が同材質で均質であれば、局部的に加熱をしても電流が流れることはなく、途中の温度分布に熱起電⼒は影響されません。
（２）中間⾦属の法則：
熱電対の間に異種金属が挿入されても、その両端の温度が同じ場合は、温度計測に影響を与えません。熱電対温度計で、異種⾦属である熱電対コネクターが使⽤できるのはこの法則によります。
（３）中間温度の法則：
回路中の中間温度が既知である場合、温接点（T1）、中間温度（T2）、基準接点（T3）それぞれの温度差から得た起電⼒を加えたものは、全体の起電⼒に等しくなります。熱電対の温度測定に 必要な冷接点補償回路は、この原理に基づいて設計されています。
図2 熱電対の三原則 出典：参考理化工業株式会社HP https://www.rkcinst.co.jp/technical_commentary/14552/
2. 熱電対の種類と特徴
熱電対には多くの種類があり、それぞれの特性や適用範囲が異なります。JISでは次に示す8種類が規定されています（JIS C1602:2015）。材質としては、貴金属熱電対と呼ばれるものが3種類（B、R、S）、卑金属熱電対と呼ばれるものが6種類（N、K、E、J、T、C）が規定されています。
主として、白金、ロジウムのような高融点金属が含まれる貴金属熱電対は1000℃以上の測定に使用され、卑金属熱電対は、C熱電対を除いて1000℃未満の測定に使用される傾向があります。
各熱電対の特徴について概要を示します。
（１）B熱電対：
他の貴金属熱電対と比較して、ロジウムの含有量が多く、融点及び機械的強度が高く長寿命です。起電力が極めて低いので、低温領域の測定は出来ません。基本的には、R/S熱電対で測定できない、さらに高温領域の温度測定が必要な場合に選定します。
（２）R熱電対：
＋脚についてはプラチナ-ロジウム合金、－脚についてはプラチナから構成されています。0℃から1600℃までの測定に適しています。高温環境での使用に優れており、安定性が高いです。貴金属熱電対の中では、R熱電対が最も使用されています。
（３）S熱電対：
R熱電対と同様に、＋脚；プラチナ-ロジウム合金、－脚；プラチナで構成されています。プラチナ-ロジウム合金で構成され、R熱電対と同様に0℃から1600℃までの測定に適しています。欧米で多く使用されています。
（４）N熱電対：
＋脚についてはニッケル・クロム・シリコンの合金、－脚についてはニッケルシリコン合金で構成されています。-200℃から1200℃までの広範囲の温度測定が可能です。K熱電対に比べ耐酸化性に優れており、温度と起電力の直線性も良好です。
（５）K熱電対：
＋脚についてはニッケルクロム合金、－脚についてはニッケルアルミニウム合金で構成されています。-200℃から1200℃までの測定が可能です。比較的コストが低く現在工業用として最も普及しています。1000℃以下の耐酸化性に優れていますが、還元的雰囲気に弱い欠点があります。
（６）E熱電対：
＋脚についてはニッケルクロム合金、－脚については銅ニッケル合金で構成されています。-200℃から900℃までの測定が可能です。1℃当たりの熱起電力が高く、分解能に優れており、精度よく温度を測定したい場合に選定されます。耐酸化性に優れていますが、還元的雰囲気での使用には適していません。
（７）J熱電対：
＋脚については純鉄、－脚については銅ニッケル合金（コンスタンタン）で構成されています。-40℃から750℃までの測定が可能です。E熱電対についで1℃当たりの熱起電力が高く、分解能に優れています。還元性雰囲気には優れていますが、+脚は酸化しやすく、酸化性雰囲気での使用には適していません。また、E熱電対よりも安価な特徴があります。
（８）T熱電対：
＋脚については銅、－脚については銅ニッケル合金（コンスタンタン）で構成されています。-200℃から350℃までの測定が可能です。還元性雰囲気に対して優れていますが、+脚に銅を使用していることから高温の酸化性雰囲気でに使用には適していません。低温領域での精度が高く、低温測定に適しています。
（９）C熱電対：＋脚、－脚とも、タングステン・レニウム合金（＋脚、－脚でレニウムの比率が異なる）で構成されています。は銅、－脚については銅ニッケル合金（コンスタンタン）で構成されています。0℃から2300℃程度までの測定が可能です。ただし、真空中もしくは不活性雰囲気でしか使用できないので、JISでは温度範囲を示していません。
3. 熱電対の選定方法
3.1 熱電対を選定するために考慮すべき項目
熱電対を選定するためには、タイプ（記号）や、クラス、線径、被覆、先端処理、末端処理、長さについて、考慮する必要があります。
表3 熱電対を選択する為に考慮すべき項目 出典参考：GRAPHTEC”熱電対を選択する為のガイド －基礎知識－
3.2熱電対の材質と測定範囲、適用例
JISに規定される熱電対の素線材質と測定範囲、及び適用例について概要を示します。
表4 熱電対の材質と測定範囲、適用例 ORIGINAL
3.3熱電対の精度
同じ種類の熱電対について、JIS規格で精度に応じた許容差を、クラス1～3の3段階に分類されます。一般的にはクラス2が用いられます。
表5 熱電対の精度 出典：JIS C1602:2015
3.4熱電対素線線径の影響
熱電対の素線の線径について、熱電対の種類によっては何種類かあるものもあります。表6に代表的な素線径を示します。
一般的に、
・線径が太い場合：
測定対象から、熱電対を伝って熱が逃げたり、あるいは流入したりして、測定対象の温度が正確に測定できない場合があります。また、熱電対が測定対象の温度を正確に反映するまでの時間が長くなります。
一方、太いため切断しにくく、耐久性は高くなります。
・線径が細い場合：
熱電対が正しい温度になるまでの時間は短くなるので、応答性に優れています。
一方、細いため切断しやすく、耐久性の面で注意が必要です。
表6 熱電対の素線線径 出典：代表的な温度測定 黒木勝一 熱物性 Vol.3 No.2 1989年
3.5熱電対の被覆
熱電対の被覆とは、導体である素線を覆い絶縁するための保護材をいいます。いろいろな素材があります。選定には耐久性や耐熱性などの耐環境性を考慮します。
以下に代表的な被覆材の特徴を示します。
図7 被覆材とは 出典：GRAPHTEC”熱電対を選択する為のガイド －基礎知識－
表8 熱電対の被覆素材の特徴 出典：代表的な温度測定 黒木勝一 熱物性 Vol.3 No.2 1989年
3.6熱電対の測温接点
熱電対の測温接点は、形状から大きく分けると、熱電対素線をを保護管に入れたシース熱電対と、先端部がむき出しで露出されており、絶縁管や絶縁被覆を施したものがあります。
（１）シース熱電対：
シースとは、無機絶縁ケーブルと呼ばれ、金属管内に熱電対素線を挿入して、絶縁物（酸化マグネシウムやシリカ粉末）を固く密に充填したものです。シース外径はφ0.5～φ8 mmと細く、シース材質は、オーステナイト系ステンレス（主としてSUS316）や耐食耐熱超合金（NCT600）などが用いられます。
シース熱電対は、直線性、ホールド性、頑丈さに優れています。
熱電対先端部の形状は、以下の3種類に分類されます。
・接地型：熱電対素線をシースの先端部に直接溶接して測温接点を作ったシース熱電対です。応答性が早い特長があります。一方、素線がシースに接地していますのでノイズのある場所、危険な場所では使用できません。
・非接地型：熱電対素線をシース部と絶縁して、測温接点を作ったシース熱電対です。応答性は接地型には劣ります。一方、長時間の使用に耐え、また、ノイズのある場所、危険な場所でも影響されずに使用可能です。
・露出型：熱電対素線をシースから露出させて測温接点を作ったシース熱電対です。応答性はこれら3種類の中では最も良好で、わずかな温度変化にも追随できます。エンジンテストなど、応答性の速さを求められる場合に使用されます。一方、強度は著しく低く基本的には使い捨てです。
図9 シース熱電対の測温接点の種類 ORIGINAL
（２）絶縁管付熱電対、被覆熱電対
・絶縁管付熱電対：熱電対素線に絶縁管を取付けたものです。
・被覆熱電対：熱電対素線に絶縁被覆を施したものです。一方は測温接点を形成し、他方は計測器に直接接続して使用します。
図10 絶縁管付熱電対、被覆熱電対 出典：センサーカタログ 林電工株式会社カタログ
4. 環境条件や応答性による選定
熱電対の選定には、使用する環境条件や応答性も考慮する必要があります。
（１）耐食性：
腐食性環境の場合、耐食性の高い材料を使用する熱電対を選択します。例えば、K熱電対やN熱電対は耐酸化性に優れており、腐食性雰囲気での使用に適しています。
（２）耐圧性：
高圧環境で使用する場合、耐圧性のあるシース型熱電対を選定します。シース型熱電対は、外部からの圧力や物理的衝撃に耐えられる構造を持っています。
（３）応答性：
温度変化に迅速に対応する必要がある場合、応答性の高い熱電対を選びます。露出型のシース熱電対や測温接点がむき出しの熱電対では応答性が高く、エンジンテストや急速な温度変化を測定する場合に適しています。
（４）ノイズ環境：
ノイズの多い環境で使用する場合、ノイズ耐性の高い非接地型のシース熱電対を選びます。非接地型はノイズの影響を受けにくく、正確な測定が可能です。
適切な熱電対を選定することにより、測定環境や測定対象に最適な温度測定が可能になります。
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5. 熱電対の設置と使用方法
5.1 基準接点の補償方法
熱電対センサを接続する計測器のほとんどには、冷接点の温度を補償する回路が内蔵されています。測定点と計測器の基準接点との温度差により発⽣する熱起電⼒から温度を知るためには、計測器の基準接点の温度を正確に把握しなければ、正確な温度測定ができません。
基準接点の補償方法は、主として2つの方法があります。
（１）冷接点補償（0℃）：
基準接点を氷水中に置き、常に0℃に保つ方法です。これにより、測温接点の温度差のみを計測できるので、温度を直読できます。ただし、実際には氷水を常に維持するのは難しいため、実用的ではありません。
（２）基準接点補償：
基準接点の温度を計測し、0℃を基準とする熱起電力を加算する方法です。この方法は基準接点補償回路を内蔵した計測器を使用することで実現できます。
図11 冷接点補償と基準接点補償 出典：AS_114807_TG_117169_KJ_JP_2100_1.pdf （株）キーエンスリポート
5.2 補償導線
熱電対を用いた温度測定では、熱電対素線をそのまま計測器迄延長して接続するのが理想です。熱電対の全長は1km程度まで可能です。
しかし、特に貴金属熱電対の場合は、非常に高価になること、また熱電対の材質と異なる金属を用いた場合、補償接点において熱起電力が発生して正確な温度測定ができません。そのため、常温を含む一定の温度範囲において、使用する熱電対の種類に応じて、熱起電力特性が同じか或いは極めて類似した導線を使用します。この導線を補償導線といいます。これを使用することにより、測温部と計測器との距離が長くなっても正確な温度測定が可能です。
ただし、補償導線の接続には注意が必要です。接続部分で温度勾配が発生すると、測定誤差が生じるため、接続部分の温度を一定に保つ工夫が求められます。使用する熱電対と同等の起電力を有する専用のコネクターを使用することで、接続部分での温度勾配の影響を最小限に抑えることができます。
なお、温度勾配が無い部分の延長については、銅の導線を使用しても問題ありません。
5.3 校正方法（定点法と比較法）
熱電対の正確な温度測定には、定期的な校正が必要です。校正は定期的に行う必要があります。校正方法は大きく分けて、定点法と比較法とがあります。
（１）定点法：
固定された温度定点（例：水の沸点や氷点）を利用して校正する方法です。温度定点は物質の相平衡状態であり、再現性が高いため、非常に精度の高い校正が可能です。定点セルと呼ばれる装置を使用して、正確な温度を基準に熱電対を校正します。
表12に一般的によく使用される温度定点を示します。また校正方法の模式図を図13 に示します。
表12 一般的によく使用される温度定点 出典：AS_114807_TG_117169_KJ_JP_2100_1.pdf （株）キーエンスリポート
図13 定点法の概念 ORIGINAL
（２）比較法：
任意の温度を保持した恒温槽を使用し、標準熱電対と比較する方法です。この方法は、特定の温度点ではなく、広範囲の温度で校正できるため、実用的です。標準熱電対と被校正熱電対を同じ環境で測定し、誤差を求めて校正します。
図14 比較法の概念 ORIGINAL
校正を定期的に行うことで、熱電対の測定精度を維持し、信頼性の高い温度測定が可能になります。
6. 熱電対の応用例
6.1 工業用熱電対の利用例
熱電対は工業分野で広く利用されています。特に、以下のような用途で効果を発揮します。
（１）製造業：
熱電対は金属加工、セラミックス製造、ガラス製造などの高温プロセスで使用されます。例えば、製鋼所では、炉内の温度をリアルタイムで監視し、適切な温度制御を行うためにB熱電対やR熱電対が利用されます。
（２）発電所：
発電所では、ボイラーやタービンの温度監視に熱電対が使用されます。高温環境での耐久性が求められるため、K熱電対やN熱電対が一般的に使用されます。
（３）石油化学プラント：
石油化学プラントでは、反応器や蒸留塔の温度を正確に測定するために熱電対が使用されます。耐酸化性と耐食性が求められるため、N熱電対がよく利用されます。
6.2 研究分野での利用例
研究分野でも熱電対は重要な役割を果たしています。以下のような例があります。
（１）材料科学：
新素材の特性評価や熱特性の研究において、正確な温度測定のための熱電対は必須の測定器です。例えば、高温での材料の膨張や収縮を正確に測定するために、S熱電対が利用されます。
（２）医療機器：
医療用の高精度な温度管理が必要な機器では、熱電対が使用されます。MRIやCTスキャナーなどの精密機器では、S熱電対やT熱電対が適しています。
（３）環境モニタリング：
気象観測や環境研究において、熱電対は気温の変動を高精度で監視するために利用されます。特に、低温環境での測定にはT熱電対が適しています。
6.3 特殊な応用例
熱電対は特定の条件下での特殊な応用例も存在します。
（１）航空宇宙産業：
航空機や宇宙船のエンジン、モータ内部の温度測定に熱電対が使用されます。過酷な環境下での耐久性が求められるため、N熱電対やK熱電対が利用されます。
（２）エンジンテスト：
自動車や航空機のエンジンテストにおいて、熱電対は急速な温度変化を高精度で測定するために使用されます。露出型のシース熱電対が応答性の高さから選ばれます。
（３）電子冷却装置：
熱電対はペルチェ素子を用いた電子冷却装置にも利用されます。温度の微細な変化を正確に検出するために、E熱電対やT熱電対が使用されます。
これらの応用例からも分かるように、熱電対は多様な分野で重要な役割を果たしており、その選定と利用方法が適切であれば、高精度な温度測定が可能です。
7. 熱電対のメンテナンスとトラブルシューティング
7.1 熱電対の寿命と交換時期
熱電対の寿命は、使用環境や温度条件によって大きく左右されます。一般的に、高温で使用される熱電対は劣化が早く、低温で使用されるものは長寿命です。例えば、貴金属熱電対（R, S熱電対）は通常2000時間程度の寿命があり、卑金属熱電対（K, J熱電対）は10000時間程度の寿命があります。しかし、上限温度で使用すると寿命は50～250時間と大幅に短縮されます。
熱電対が寿命に近づくと、測定値が不安定になり、最終的には断線します。正確な温度測定を行うためには、定期的なメンテナンスと交換が必要です。特に、高温環境で使用する場合や重要なプロセスで使用する場合は、予防的な交換を行うことが推奨されます。
7.2よくあるトラブルとその解決方法
熱電対の使用においては、いくつかの一般的なトラブルが発生することがあります。以下は、よくあるトラブルとその解決方法です。
（１）熱電対の極性間違い：
・ 発生現象：測定値が大きくずれる、または全く測定できない。
・ 解決方法：熱電対の接続極性を確認し、正しい接続に修正します。一般に、熱電対の正極と負極を間違えないように、接続前に色コードやラベルを確認してから接続します。
（２）補償導線に銅導線を使用：
・ 発生現象：測定値が不正確になる。
・ 解決方法：中間領域に温度勾配が無い部分以外は、必ず補償導線を使用し、銅導線を使用しないようにします。補償導線は、熱電対とほぼ同じ特性を持つため、正確な温度測定が可能です。温度勾配が無ければ、銅の導線でも使用可能です。
（３）異なる種類の熱電対や補償導線を使用：
・ 発生現象：測定値が不正確になる。
・ 解決方法：使用する熱電対と補償導線が同じ種類であることを確認します。異なる種類の熱電対や補償導線を混用すると、正確な測定ができません。
（４）熱電対が汚れているまたは酸化している：
・ 発生現象：測定値が不安定になる。
・ 解決方法: 定期的に熱電対を清掃し、必要に応じて酸化防止のためのコーティングを行います。特に高温環境で使用する場合は、酸化防止が重要です。
（５）接続部の温度勾配が大きい：
・ 発生現象：測定値が不正確になる。
・ 解決方法：接続部の温度を一定に保つために、適切な絶縁材を使用します。また、温度勾配が発生しないように、専用コネクターを用いて接続を行うようにします。
定期的なメンテナンスとトラブルシューティングを行うことで、熱電対の性能を維持し、正確な温度測定が可能になります。
8. 最新の技術動向と今後の展望
8.1 新素材と技術の導入
熱電対技術は、素材科学の進展とともに進化しています。従来の貴金属や卑金属に加え、新しい合金や複合材料が開発され、高温での耐久性や耐食性が向上しています。例えば、ナノテクノロジーを応用した熱電材料は、従来の材料よりも高い感度と耐久性を持ち、特に過酷な環境での温度測定に適しています。また、シース熱電対の内部構造も改良され、より高い信頼性と応答性が実現されています。
8.2 センサ技術の統合
最近の技術動向として、熱電対と他のセンサ技術の統合が進んでいます。例えば、熱電対とRTD（抵抗温度計）を組み合わせたハイブリッドセンサは、広範囲の温度測定を一つのセンサで実現できます。さらに、熱電対にMEMS（微小電気機械システム）技術を導入することで、より小型で高精度な温度センサが開発されています。これにより、微細な構造や狭い空間での温度測定が可能になります。
8.3 デジタル技術とIoTの活用
デジタル技術とIoT（モノのインターネット）の進展により、熱電対のデータ管理と解析が大幅に向上しています。デジタル温度計やデータロガーを使用することで、リアルタイムで温度データを収集し、クラウド上で管理することが可能です。これにより、遠隔地からの監視やデータの長期保存、解析が容易になり、プロセスの効率化と品質管理が向上します。
8.4 エネルギーハーベスティングの可能性
熱電対の応用は、エネルギーハーベスティング（環境中のエネルギーを収集して利用する技術）にも広がっています。熱電対の発電機能を利用して、温度差から電力を生成し、バッテリーレスのセンサやデバイスに電力を供給する試みが進行中です。これにより、持続可能なエネルギー利用が実現し、特にリモート環境やアクセスが難しいエリアでのセンサ設置が容易になります。
8.5 将来の応用可能性
今後、熱電対技術はさらに多様な分野での応用が期待されています。例えば、バイオセンサとしての応用や、スマートファブリック（機能性繊維）に組み込まれたウェアラブル温度センサなど、新しい用途が見込まれます。また、人工知能（AI）と連携した温度データの解析や予測技術の導入により、より高度な温度管理と制御が可能になります。
これらの最新技術と将来の展望により、熱電対はさらに進化し、多くの分野での温度測定の精度と効率を高める役割を果たすことでしょう。
参考文献
GRAPHTEC”熱電対を選択する為のガイド －基礎知識－
わかる。温度計測 熱電対編 AS_114807_TG_117169_KJ_JP_2100_1.pdf （株）キーエンスリポート
代表的な温度測定 黒木健一 熱物性 Vol.3 No.2 1989年
引用図表
図1 熱電対の原理 ORIGINAL
図2 熱電対の三原則 出典：参考理化工業株式会社HP https://www.rkcinst.co.jp/technical_commentary/14552/
表3 熱電対を選択する為に考慮すべき項目 出典参考：GRAPHTEC”熱電対を選択する為のガイド －基礎知識－
表4 熱電対の材質と測定範囲、適用例 ORIGINAL
表5 熱電対の精度 出典：JIS C1602:2015
表6 熱電対の素線線径 出典：代表的な温度測定 黒木勝一 熱物性 Vol.3 No.2 1989年
図7 被覆材とは 出典：GRAPHTEC”熱電対を選択する為のガイド －基礎知識－
表8 熱電対の被覆素材の特徴 出典：代表的な温度測定 黒木勝一 熱物性 Vol.3 No.2 1989年
図9 シース熱電対の測温接点の種類 ORIGINAL
図10 絶縁管付熱電対、被覆熱電対 出典：センサーカタログ 林電工株式会社カタログ
図11 冷接点補償と基準接点補償 出典：AS_114807_TG_117169_KJ_JP_2100_1.pdf （株）キーエンスリポート
表12 一般的によく使用される温度定点 出典：AS_114807_TG_117169_KJ_JP_2100_1.pdf （株）キーエンスリポート
図13 定点法の概念 ORIGINAL
図14 比較法の概念 ORIGINAL
ORG:2024/05/28