18. 温度センサ
tctyam温度センサは、物体や環境の温度を測定し、電気信号に変換するセンサである。温度センサは、主に以下の種類に分類される。
＊接触式温度センサ
・測温抵抗体 ：白金等の金属または金属酸化物の電気抵抗値が温度によって変化する性質を利用したセンサ。高精度で安定性があるが、高価で、熱電対に比べて応答速度が遅い。
・サーミスタ（NTC,PTC,CTR)：温度変化に対して電気抵抗の変化の大きい抵抗体（主に半導体）を利用したセンサ。小型で安価、応答速度が速いが、精度が低く、温度範囲が狭い。
・熱電対： 異なる種類の金属線の先端を接触させることで回路を作り、その接合点の熱起電力（ゼーベック効果）により温度差を測定する温度センサ。広い温度範囲を測定でき、安価だが、精度が低い。
＊非接触式温度センサ
・赤外線放射温度計： 物体から放射される赤外線や可視光線の強度を測定し、温度を推定するセンサ。非接触で測定できるため、高温の物体や動いている物体の温度測定に適している。
・サーモグラフィー：物体から放射される赤外線を分析し、熱分布を画像にする装置。温度分布を可視化できるため、故障診断や熱効率の分析などに使用される。
温度センサの外観の例
図１に各温度センサの外観例を示す。各センサの下に製造会社名を挙げている。
図１ 各種温度センサの外観
測温抵抗体による温度測定
導体の抵抗値\(R\)は、式(1)で表せる。$$R = \rho \frac{l}{S} \;[\Omega]\;\cdots (1)$$ \(\rho \; [\Omega \cdot m]\)：抵抗率、\(l \;[m]\)：長さ、\(S \; [m^2]\)：断面積
\(\rho\)はおおよそ温度に比例して変化する。つまり、$$\rho = \rho_0 (1 + \alpha t)\;\cdots (2)$$ \(\rho_0 \; [\Omega \cdot m]\)は 0 ℃のときの抵抗率。\(\alpha\)：抵抗温度係数（金属固有の値）、\(t\) ℃：温度である。
図２は、白金測温抵抗体の抵抗値特性である。１次関数（直線）から僅かにずれて曲線になっているが、温度範囲を絞って見れば、１次関数に近似できることが分かる。
式(2)の両辺に\(l/s\)を掛けると、$$R = R_0( 1+ \alpha t) \; \cdots (3)$$ （\(R_0\)：\(t=0\) ℃ における抵抗値）となる。この式をもう少し厳密に考えると、線膨張係数を\(\beta\)として、$$R = \rho \frac{l}{S} = \rho_0 (1 + \alpha t) \frac{l_0 (1 + \beta t)}{S_0(1 + 2\beta t)} = \rho_0 \frac{l_0}{S_0} \frac{(1 + \alpha t)(1 + \beta t)}{1 + 2 \beta t} \approx \rho_0 \frac{ l_0}{S_0}\left\{1 + (\alpha - \beta)t \right\}$$となる。\(\alpha\)は\(10^{-3}\)程度、\(\beta\)は\(10^{-5}\)程度なので、上式が成立し、さらに\(\beta\)は、ほぼ無視できるので、式(2)及び、式(3)が成立する。
以上のように、測温抵抗体は、温度により抵抗値が変化するので、その抵抗値変化をブリッジ回路で測定することで、温度を計測できる。
※ブリッジ回路での測定は、17. 力 センサを参考にして下さい。
サーミスタによる温度測定
サーミスタは、「Thermal Sensitive Resistor」の略称で、温度変化によって電気抵抗値が大きく変化する半導体素子である。多くの半導体は基本的に温度が高いほど抵抗率が減少する、つまり、抵抗温度係数が「負」である。である。一方、金属は抵抗温度係数が「正」である。サーミスタでは、抵抗温度係数が「負」の材料を使うことが多い。サーミスタは、金属酸化物粉末を焼結成形（セラミック）して製作する。小形で、感度は白金抵抗体の10倍程度と良い。また、NTC, PTC, CTRの3種類がある。
NTC：負の温度特性をもつ（温度が上昇すると抵抗値が減少する）素子。単にサーミスタと呼ばれるもののほとんどは、NTCサーミスタである。
PTC：正の温度特性をもつ（温度が上昇すると抵抗値が増加する）素子。ある温度範囲で非常に感度が良く、温度測定にはこの範囲を利用する。
CTR：負の温度特性をもつところはNTCサーミスタと同じで、PTCと同様、ある温度範囲で感度が良い。常温域において手軽に使えるため、家電機器における温度計測に多く用いられている。使用温度範囲は−50～150℃程度である。
https://www.m-system.co.jp/mstoday/plan/mame/2006-2007/0611/index.html
https://www.koaglobal.com/product/library/sensor/basic
温度に対して抵抗値が変化するタイプの温度センサを大別すると、サーミスタ、リニア抵抗器及び白金測温抵抗体がある。それぞれの温度特性を図４に示す。サーミスタのNTC、PTCは温度に対して非線形な特性を示すが、特定の範囲において小さな温度変化に対して抵抗値が大きく変化する。つまり、感度特性に優れている。
熱電対による温度測定
熱電対は、2種類の異なる金属線を接合した温度センサである。2つの金属線の接点に温度差が生じると、ゼーベック効果と呼ばれる現象により、接点に電圧が発生する。この電圧を熱起電力と呼び、熱起電力の大きさは温度差に比例する。熱電対の基本構造は、以下である。
１）2種類の異なる金属線：一般的に、K熱電対（ニッケルクロムとアルミ）、R熱電対（白金と白金13％ロジウム）などが使用される。
２）保護管：熱電対を保護するために、金属管やセラミック管などで覆う。
３）絶縁体：2つの金属線が接触しないように、絶縁体で覆う。
熱電対は、広い温度範囲の測定が可能（-200℃～2300℃までの温度範囲）、応答速度が速い、構造が単純で安価、という利点があるが、精度が低い、
基準接点の温度補償が必要（熱起電力は、測定端子（基準接点）の温度によっても変化するため、補償が必要）、酸化や腐食に弱い、特に高温で使用する場合、酸化や腐食により劣化することがある、などの欠点がある。
図５に熱電対での温度測定の基本構成を示す。基準接点を\(0\) ℃の冷水中に置き、Tで示す測定点における熱起電力を電圧計で測定し、T接点の温度を計測する。図６は、計測器に基準温度補償電圧回路を内蔵した構成である。熱電対と計測器を接続する配線を補償導線と呼ぶ。補償導線には熱電対とほぼ同等の熱起電力特性の金属を使用する。つまり、補償導線には普通の電線は使えない。また、熱電対の＋－、補償導線の＋－を間違わないよう注意が必要である。この誤配線により、正しい温度計測ができないトラブルが多い。
ゼーベック効果
金属の熱伝導の大半は自由電子による。そこで、金属の端を一方は加熱、他方は冷却と温度勾配を持たせると、自由電子密度が両端で異なることになる。つまり、温度が低い端の自由電子密度が高温度端より大きくなる。熱運動による拡散と電子密度差による電場が釣り合うことで自由電子密度が定常状態となり、両端に電位差が生じる。この電位差は温度差に比例する。温度に対する電位差の比例係数がゼーベック係数である。ゼーベック係数は物質により異なる。従って、2種類の異なる金属を接触させループを作り一端を加熱・他端を冷却するとゼーベック効果による起電力が金属間で異なり、このループに電流が流れる。一端を切り離し、電圧計を接続すると温度差による起電力が測定できる。起電力はゼーベック効果による起電力の差で、測定される起電力は温度に比例することになる。
接触式温度センサの比較
各種センサにはそれぞれ長所と短所がある。温度計測では、精度、分解能、安定性、互換性、使用環境等を明確にすることが重要である。表１に各センサの長所、短所をまとめて示す。
https://www.koaglobal.com/product/library/sensor/basic
放射温度計による温度測定
熱放射は高温物体から低温物体への電磁波の移動で、その熱放射を利用した、非接触式の温度計測が放射温度計である。つまり、物体が放射する赤外線エネルギーを検知して温度を測定する。物体は、その温度に応じて赤外線を放射する。放射温度計は、レンズで物体の放射する赤外線を集光する。集光された赤外線は、検出素子によって電気信号に変換され、その電気信号は増幅され、温度に変換されて表示される。放射温度計の利点は、非接触で測定できるため、物体に触れることがなく、壊れやすい物や高温の物体の温度測定に適している。また、応答速度が速く、広い温度範囲（-50℃～3000℃程度まで）を測定できる。しかし、他の温度センサーと比べて精度が低い、物体の放射率によって測定誤差が生じる、周囲温度の影響を受ける、などの欠点がある。放射温度計は、検出素子の種類によって、光電式、熱電式、サーモパイル式などに分類される。
熱放射は紫外線（100 nm～400 nm)ー可視光線（400 nm ～800 nm程度）ー赤外線（800 nm～100 μm 以上）の領域にまたがっている。熱放射の法則性については、プランクによって定式化（プランクの放射則）されている。図７から、物体の温度が高くなると、物体から発散する熱放射エネルギーが強くなること、物体の温度が高くなると、熱放射エネルギーの波長分布が短波長側にずれていくことがわかる。
温度が高くなると放射エネルギーが強くなる点に着目し、エネルギーの強さを計測することで温度を求めるタイプを「エネルギー強度形」、温度が高くなると波長分布が短波長側にずれていくことに着目して、波長分布の変化を計測することで温度を求めるタイプを｢波長分布形｣と呼ぶ。
https://www.fintech.co.jp/hikaributuri.htm
放射温度計では、集光系（レンズ、ミラー、光ファイバ）で捕捉された光を光電変換系で、電気信号に変換する。光電変換系のデバイスを検出素子と呼ぶ。検出素子には光の信号により直接エレメントの電気的な性質が変化することを利用する光電型と、光の信号をいったん熱として受け止め、その熱的な変化を利用する熱電型がある。表２に放射温度計の検出素子の分類を示す。
| タイプ | 変換過程 | 波長特性 | 応答性 | 検出素子の例 |
| 熱電型 | 光→熱→電気 | 平坦形 | 遅い | 焦電素子（PE）、サーモパイル |
| 光電型 | 光→電気 | 山形 | 速い | PbSe、PbS、Ge、MCT、InGaAs、Si |
https://www.chino.co.jp/support/technique/thermometers_index/about/
