熱電対計器

定義

熱電対計測器は、温度、電流、電圧を測定するために熱電対を使用する計測装置です。この多機能な計測器は交流（AC）回路と直流（DC）回路の両方で測定を行うことができ、幅広い用途に価値があります。

熱電対の基礎

熱電対は、異なる金属で作られた2本の線からなる電気装置です。その機能は基本的な原理に基づいています：これらの異なる金属が接合する点で熱エネルギーが電気エネルギーに変換されます。この現象はゼーベック効果と呼ばれ、熱電対計測器の動作の基礎となり、金属接合部で生成される電位を利用して温度や他の電気パラメータを正確に測定することができます。

動作メカニズム

電流の大きさを測定するには、測定したい電流を熱電対の接合部に通します。電流が流れると加熱要素内で熱が発生します。これに対応して、熱電対は出力端子で起電力（emf）を誘導します。この誘導されたemfは永磁体可動コイル（PMMC）計測器で測定されます。このemfの大きさは、熱電対接合部の温度と測定された電流の有効値（RMS値）に比例します。

主な利点

熱電対計測器の最も顕著な利点の一つは、高周波電流と電圧の測定に適していることです。これらの計測器は50Hz以上の周波数で精度が向上し、高周波電気パラメータを正確に決定する必要があるアプリケーションに理想的です。

熱電計測器の動作原理

熱起電力の生成は、2つの異なる金属で構成される回路内で起こります。これらの金属が接合する点での温度は全体の動作において重要な役割を果たし、計測器の動作を理解するための主要なパラメータです。

aとbを熱電対で使用される金属の特性によって決まる定数とします。通常、aの値は40〜50マイクロボルトの範囲であり、bの値は数十分の一から数百マイクロボルト毎度平方（μV/C°2）の範囲です。

Δθを熱電対の熱接合部と冷接合部の間の温度差とすると、関連する温度に関する式は以下のようになります。

ヒーターは熱を生成し、生成される熱量は電流（I）の有効値の二乗と加熱要素の抵抗（R）の積に比例します。これは公式I²Rで表現されます。したがって、温度上昇も加熱要素によって生成される熱に比例します。この関係は、ヒーターの動作とシステム内の温度への影響を理解する上で基本的であり、電気入力と熱出力との明確な関連性を確立します。

熱電対計測器には冷接合部と熱接合部があり、これら2つの接合部の差は以下の通りです。

bの値はaと比較して非常に小さいため無視されます。接合部の温度は以下の式で表されます。

永磁体可動コイル（PMMC）計測器の偏角は、その端子で誘導される起電力（emf）に直接比例します。この関係は、誘導されたemfが増減すると、計測器の可動コイルの偏角もそれに応じて変化することを意味します。数学的には、このような計測器の可動コイルの偏角は以下の式で表現され、電気入力に対する計測器の応答を支配する物理原理を包含しています。

ここで、K3 - aK1K2R)の式は一定の値になります。この特性により、計測器は平方則応答を示し、つまり出力は入力量（電流または電圧など）の二乗に比例します。

熱電計測器の構造

熱電計測器は主に2つの重要なコンポーネント、熱電要素と表示計測器で構成されています。これらの2つの部分は協調して、電気量と熱量の正確な測定を可能にします。

熱電要素

熱電対計測器では通常、4種類の異なる熱電要素が使用されます。各タイプには独自の特徴と動作原理があり、以下に詳細に記述します。

接触型

接触型熱電要素は別々のヒーターを使用します。下の図に示すように、熱電対の接合部はヒーターと直接物理的に接触します。この直接接触により、ヒーターから熱電対接合部への効率的な熱伝達が可能になり、ヒーターによって生成された熱エネルギーを電気信号（起電力またはemf）に正確に変換し、表示計測器で測定することが可能になります。

電気ヒータ要素の機能

電気ヒータ要素は熱電計測器内において以下の重要な目的を果たします：

• エネルギー変換：電気エネルギーを熱エネルギーに変換する主要なコンポーネントとして機能します。この変換は、熱効果を使用して電気量を測定するプロセスの最初のステップです。

• 熱電変換：ゼーベック効果を利用することで、ヒータ要素によって生成された熱エネルギーは電気エネルギーに変換されます。この変換は熱電対の接合部で起こり、熱接合部と冷接合部の間の温度差によって起電力（emf）が生成されます。

• 計測器の動作：熱電対の出力端子は永磁体可動コイル（PMMC）計測器に接続されます。生成された電気エネルギーの一部がPMMC計測器の針を偏角させるために使用されます。このエネルギーは計測器のバネに蓄えられ、針の位置を維持し測定値を表示するのに役立ちます。

熱電要素の種類

非接触型計測器

非接触型熱電計測器では、ヒータ要素と熱電対の間に直接的な電気接続はありません。代わりに、2つのコンポーネントは電気絶縁層で分離されています。この絶縁は電気的な絶縁を提供しますが、同時に計測器の性能にも大きな影響を与えます。接触型計測器と比較して、非接触設計は測定量の変化に対して敏感度が低く、応答時間が遅くなります。これは、絶縁障壁の存在によりヒータ要素から熱電対への熱伝達が効率的ではないためです。

真空熱電要素

真空管ベースの熱電計測器では、ヒータと熱電対の両方が真空ガラス管内に封入されています。この真空環境は計測器の効率を大幅に向上させます。空気の存在を排除することで、対流と伝導による熱損失が最小限に抑えられます。その結果、ヒータは長時間熱を保持でき、熱電対にとってより安定かつ一貫した熱源を確保します。この熱生成の安定性により、時間とともにより正確で信頼性の高い測定が可能になります。

ブリッジ型

ブリッジ型熱電計測器では、電流が直接熱電対を通過します。電流が通過すると、熱電対の温度が上昇します。この温度上昇の大きさは電流の有効値（RMS値）に直接比例します。電流、温度変化、および熱電対からの結果の電気出力の間のこの直接的な関係は、これらの計測器が電気量を正確に測定する方法の基礎であり、様々な測定アプリケーションに信頼性と効率性を提供します。

熱電計測器の利点

熱電計測器はいくつかの顕著な利点を持ち、電気測定と分析において貴重なツールとなっています：

• 直接的なRMS表示：主要な利点の一つは、波形の電圧と電流の有効値（RMS値）を直接表示できる能力です。この機能により、追加の計算や複雑な変換方法なしでユーザーがこれらの重要な電気パラメータを迅速かつ正確に決定できます。

• 迷走磁場への耐性：これらの計測器は、迷走磁場の影響に本来的に耐性があります。この耐性により、外部磁界の干渉が計測器の動作や結果に影響を与えないため、より正確で信頼性の高い測定が可能です。電気機械や送電線などの近くで磁気干渉が一般的な環境では、この利点は特に重要となります。

• 広い電流測定範囲：これらの計測器で使用される熱電要素は、広い範囲の電流測定を可能にします。低電流または高電流のアプリケーションに関わらず、熱電計測器は関連する値を正確にキャプチャして表示できるため、様々な電気システムや実験セットアップに適しています。

• 高い感度：熱電計測器は高い感度を持ち、電気量の微小な変化を検出できます。この感度は、研究室や他の電気装置の校正など、電圧や電流の小さな変化が重要な意味を持つアプリケーションにおける精密な測定に不可欠です。

• ポテンショメータの校正ユーティリティ：標準セルの精度を活用することで、ポテンショメータの校正に非常に有用です。ポテンショメータは多くの電気回路で電圧調整と測定に必要な重要なコンポーネントであり、熱電計測器はその正確な動作と精度を確保するのに役立ちます。

• 周波数依存性のない動作：熱電要素は周波数誤差がないため、これらの計測器は広い周波数範囲で使用できます。この特性により、低周波数の電力システムから高周波数の電子回路まで、様々な周波数の交流（AC）信号に対応できます。

熱電計測器の欠点

多くの強みにもかかわらず、熱電計測器には次の顕著な制限があります：

• 過負荷容量が低い：他の種類の電気測定要素と比較して、熱電計測器は相対的に低い過負荷容量を持っています。これは、定格値を超える電流や電圧にさらされると、計測器が損傷したり不正確な読み取りをしたりする脆弱性が高いことを意味します。そのため、過負荷状態が発生する可能性のあるアプリケーションでは、計測器の故障や測定精度の低下を避けるために慎重な考慮と適切な保護措置が必要です。