温度の計測

計測工学II
【第７回】温度の計測(1)
今日の内容
•  シラバスから
•  高温の計測、非接触式測定、接触式測定、熱電効果（ゼー
ベック効果）、補償導線、熱放射、プランクの黒体放射などに
ついて学ぶ。
•  教科書では、P127〜P141です。
温度とは？
•  「温度」って何？と聞かれたら、何と答えますか？
•  一般的には「熱い」/「冷たい」などの尺度
•  「熱力学」では、分子や原子の平均運動エネルギーに
比例した量
•  （「総」運動エネルギーではないことに注意)
•  【質問】
•  宇宙空間は、「超低温」でしょうか「超高温」でしょうか？
•  次回の最後までには、完全な回答ができるように・・・。
温度の単位
•  摂氏と華氏。(CelsiusとFahrenheit)
•  「体温は、36.5℃です。」
•  「明日は、70°Fの過ごしやすい一日でしょう。」 (!!)
•  熱力学温度。（Kelvin）
•  摂氏温度と、1°ごとの刻み間隔は同じ。
•  -273.15℃ = 0K　•  すべての分子運動が停止する温度
http://ja.wikipedia.org/wiki/セルシウス度
温度の定義
•  摂氏：Celsius温度
•  摂氏0度　（0℃）　----　水が氷になる温度　（凝固点）
•  摂氏100度　(100℃) --- 水が沸騰する温度　（沸点）
•  この二つの温度を基準にして、間を100等分したのが摂氏温度（歴史的
な定義）
•  技術の進歩によって、現在はケルビン温度からの換算になった。
•  華氏：Fahrenheit温度
•  水の凝固点を32度、沸点を212度として、その間を180等分した。
•  「華」の文字は、中国語で「ファ」と読む。なので、元々はカシではなく、
ファシ
冷凍怪獣ペギラ　– ウルトラQ
•  ウルトラQの初回放映時（40年以上
前）は、マイナス3000℃（三千度）
の冷凍光線を吐く、とされていたが、
最近はマイナス130℃になっている。
•  円谷プロダクションが、「設定」を変更し
た？
•  なぜだと思う？
http://www.b-boys.jp/ultraQ/kaijyu/peguila/index.html
温度の測定
•  高温を測る（教科書 P127）
•  1000℃〜3000℃の間の測定
•  接触式と、非接触式とがある。
•  溶けた金属の温度の測定などを測定
•  温度によって、鉄などの品質が変わる。
•  内燃機関の燃焼効率を調べる。
•  「内燃機関」には、具体的にどんなものがある？
熱電対
•  接触式の測定の代表格　（教科書P127,
P131）
•  ゼーベック効果と熱電対
•  2種類の金属からなるループの、それぞれの
金属の接合点に温度差を設けると、電流が流
れる。間に負荷を入れると負荷の両端に電圧
が発生する。（ゼーベック効果）
•  逆の現象は、ペルチェ効果。
•  2種類の異なる金属からなるループに、電流を
流すと、金属の接合点に温度差が生じる。
•  電圧を測定すると、温度がわかる。
溶鉱炉の温度を測る
•  測定対象の温度は、1000℃を超える。
•  基準とする接合点は0℃にする。　•  氷点式基準接点（教科書　P130）
•  溶鉱炉のすぐそばに、コンピュータやAD変換器、0℃の基準点を
置いておくことは、困難。
•  →　「基準点」と、「測定点」の間を、別の「導体」で延長する。
•  補償導線で延長する。
•  補償接点の温度を200℃以下とすると、別の種類の金属導線で延長が可能
となる。
熱電対は溶けないの？
•  金属は、高温で溶ける。
•  金属を溶かす「溶鉱炉」の温度を、金属でできた熱電対で測定
できるの？（熱電対は、溶けないの？）
•  融点の高い金属を使う必要がある。
•  Fe：1539℃、Pt: 1774℃、 Rh: 1967℃、 W: 3382℃
•  ちなみに、融点の低い金属は？
•  Cs: 29℃、 Hg: -38.,9℃、　Sn: 232℃、　Pb: 328℃
•  それぞれ、何と読み、我々とどんな関わりがある？
•  使われている金属は？　（教科書 P133）
非接触の温度測定
•  極端な「高温」のすぐそばで温度測定するのは、人間にとって
も、機械にとっても大変・・・。
•  接触せずに測定できれば、便利（教科書P133）
•  一般に、高温の物体はどうなる？
•  「白熱電球」は、電流を流すことによって電線の温度を上げている。
•  高温になると、電線はどうなる？
•  電球のフィラメントには、なぜタングステンを使う？
•  最初は　＿＿　色、　さらに高温になると、　＿＿　色になる。
黒体放射（黒体輻射）
•  教科書 P136
•  すべての物体は、絶対零度を超えると「電磁波」を放射
する。
•  電磁波の波長によって、「光」になると、目に見える領域
の「エネルギーの放射」が起きる。
•  目に見えない領域でも、「赤外線」などの放射が起きている。
•  人体から放出される「赤外線」から「温度」を測定しているのが、
「サーモグラフィ」
画像引用元：Wikipedia
プランクの式
•  プランクの式
•  波長と温度を与えると、どの程度のエネルギー密度の放射が出ている
か、計算することができる。
•  h: プランク定数　= 6.626068 × 10-34 m2 kg / s
•  k: ボルツマン定数　= 1.3806503 × 10-23 m2 kg s-2 K-1
•  非接触で温度を測定するための、基本的な式として与えられ
る。
•  但し、波長ごとに「分布」があり、エネルギー密度のピークは温度で変化
しても、波長から温度は決定しない。
http://keisan.casio.jp/ より、プランクの式で検索
ステファンボルツマンのＴ4乗則
•  黒体の表面から単位面積、単位時間当たりに放出される電磁波のエネル
ギー Iが、その黒体の熱力学温度 Tの4乗に比例する。
•  IとTとの間には、
I = σT 4
という関係が成り立つ。ここで、
σ
≒ 5.67×10−8[W/m2/K4]
•  であり、このσをステファン-ボルツマンの定数という。
引用元：Wikipedia
ウィーンの変位則
•  シュテファンボルツマンのT4乗則は、全放射エネルギーを与
える式だった。
•  プランクの式を微分すると、温度Tの各値においてLが最大と
なる点の波長が求まり、
•  λmaxT = 2,897.6 µm・K
•  の関係式が得られる。 （教科書 P138）
•  この式がWien（ウィーン）の変位則である。
•  教科書は、変移則となっているが、どちらでも構わない。
•  但し、Wienはドイツ人なので、人名はヴィーンになる。
•  この式より、最もエネルギーの高い「放射光」の波長が求まると、温度を
簡便に求めることができる。
太陽の温度は、誰がどうやって測った？
•  太陽の色や星の色から温度がわかる！
•  白熱電球の発光の色
•  遠距離の星の色
•  赤外線のスペクトルを求めると、体表面温度などもわかる。
•  太陽の表面温度は、「全エネルギー放射」からシュテファンボルツマンの
法則を用いて、大気圏外の人工衛星で観測した結果、約5780K (約
5500℃）とされている。(Wikipedia; シュテファンボルツマンの法則）
•  よく言われる「宇宙の温度」のうち、「背景」となる黒体輻射から測定され
る「背景輻射」の温度は、2.73K (-270.42℃)と、「超低温」であることが、
「充満している」電磁波からわかる、とされている。
•  本当にこれだけ？　→　続きは次回！
過去問題から
•  【22A31】生体計測装置学 答(5)
• 
体温計測の組合せで誤っているのはどれか。
1. ゼーベック効果 ------------------------- 熱電対温度計
2. 熱流補償法 ----------------------------- 深部体温計
3. 焦電効果 -------------------------------- 鼓膜温度計
4. ステファン・ボルツマンの法則 ------- サーモグラフ
5. ペルチエ効果 --------------------------- サーミスタ温度計
過去問題から
•  【17A57】生体計測装置学 答(3)
体温計測について正しい組合せはどれか。
a. サーミスタ体温計 ----- 電気抵抗変化
b. 熱電対体温計 --------- 金属膨張変化
c. サーモグラフ ----------- マイクロ波放射
d. 深部体温計 ------------ 熱流補償
e. 鼓膜体温計 ------------ 赤外線放射
• 
1. a、b、c　2. a、b、e　3. a、d、e　4. b、c、d　5. c、d、e
次回予告　【第８回】温度の計測(2)
•  温度の計測(2)
•  接触式測温による様々な中温の測定、非接触式測温による
中温の測定、常温の測定、サーミスタ、ブルドン管、低温の測
定、温度の基準について学ぶ。
•  教科書では、P141〜P154です。