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1 計測工学 II 第 8 回 温度の計測 (2)

2 今日の内容 シラバスから 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

3 温度範囲の分類 産業応用などの分類から 以下のように便宜的に分類 高温 : 1000 ~3000 (P127) 中温 : 350 ~1000 (P141) 常温 : 0 ~ 350 (P146) 低温 : -260 ~ 0 (P151) 最も高い温度を測定する : 非接触式 ( 光高温計 2 色温度計 ) 最も低い温度を測定する : 金属線抵抗温度計 今日は 中温から低温にかけての温度測定を見る

4 接触式の中温測定 中温測定の適用 教科書 P141 金属の熱間加工や熱処理 化学プラント中の反応過程など 材料の生産工程に関係している 接触式測温教科書 P142 熱電対 金属線抵抗値の温度依存性を利用する 最も低温まで測定できる素子だが 上限は1000 程度まで なぜ?

5 金属結合 + に帯電している金属イオンがーに帯電している電子と静電引力で引き合っている 静電引力 引力 自由電子 金属イオン ds.cc.yamaguchi-u.ac.jp/~nishiguc/down.../chap%204%20kinzoku.ppt

6 金属の電気伝導性 : 自由電子移動による 自由電子が動きやすいほど電気抵抗が小さい 金属イオンの熱運動が激しいと電子に衝突しやすい 金属は 高温ほど電気抵抗が大きい 電熱器具 ( 電熱器 白熱電燈など ) が安定して使える 超伝導 ds.cc.yamaguchi-u.ac.jp/~nishiguc/down.../chap%204%20kinzoku.ppt

7 金属と電気抵抗 温度 とは 電子や分子などの 運動エネルギー の指標 運動が激しいと 間を通り抜けにくくなる 温度が上昇すると 抵抗値が上昇する 教科書 P144 金属線抵抗温度計 抵抗値の変化で 温度を測定する

8 非接触式の中温測定 非接触式測温 赤外線放射温度計 光高温計 氷点下でも測定できるが 上限は 1000 程度まで教科書 P145 目に見えるか 見えないかで 可視光線 赤外線 という分類を行うが センサ特性と 波長 は 人間の目の感度 とは無関係なので 可視光線 ~ 赤外線にまたがっての測定ができる 教科書 P128: センサの種類によって 測定範囲は様々になる 700 あたりから 放射光の波長が赤外線から可視光線になる 温度の 4 乗に比例するので 温度が減少すると急激に放射エネルギーが減少する 温度が低下してくると 計測器自身からの放射エネルギーが 雑音 として混入してくる

9 常温の測定 0 ~350 の常温域は 日常的に関係の深い範囲になる この温度範囲で 最も一般的な素子がサーミスタ 経年変化と互換性の問題で 精密測温には向かないが 感度が高く安価であるため幅広く使われる バイメタルは 温度スイッチ などに使われていた ブルドン管は 圧力測定 にも用いられたが ボイルシャルルの法則で 温度変化 から 圧力変化 を得て 温度を測定する

10 サーミスタ サーミスタ :Thermistor (Thermal Registor) 温度抵抗素子 NTC(Negative Temperature Coefficient) 温度上昇に対して抵抗が減少する 負性温度抵抗の素子を用いる PTC(Positive Temperature Coefficient) 電流フューズなどに利用させる 教科書 P148

11 ヒューズ (Fuse) 過電流が流れた際に 溶けて電流を遮断する部品 家庭用の配電盤の回路ブレーカのそばなどに使われていた 自動車にも使われていて ヒューズ BOX がある 内部の金属が溶けることで 過電流から回路を保護する 漏電などの原因を取り除いてから 交換する 夜中に懐中電灯で照らしながら PTC のサーミスタは 大電流で発熱しプラスの温度抵抗特性によって抵抗値が急激に増大することで ヒューズのような働きができる 交換不要の電流ヒューズ (2012/09/24)

12 バイメタル 教科書 P150 2 種類の金属を貼り合わせる それぞれの金属の熱膨張率が異なるために 加熱されると曲がる 簡単な構造なので 電気コタツ などの温度スイッチに使われていた (ON/OFF による温度制御 )

13 ブルドン管 前々回に 圧力センサ として登場した 今回は 同じセンサが 温度センサ として登場している 教科書 P149 バイメタルも らせん構造で機械的な変化を大きく取り出す工夫をしていた 形で判断せずに 原理で判断

14 体温計と温度平衡 体温計は なぜしばらく腋窩 ( 脇の下 ) や舌下にはさんで 数分待つの? 温度計に熱を奪われて ( 温度計が体温と等しくなるまで ) しばらく時間がかかる 熱の移動 がなくなる ( 温度平衡に達する ) まで待つ必要がある 曲線の形から 最初の数十秒でその後の変化を予測して 完全な温度平衡に達する 前に 平衡点の温度 を表示する

15 このグラフの形は ステップ応答に対する一次遅延系の応答 t T x( t) = A(1 e コンデンサの充放電の電位変化の形 姿勢が変化した後の 血圧応答波形の時間変化 異物と接触した後の体温変化 ( 熱の移動 ) 透析などの 物質移動モデル での 二次側の濃度変化 ) など 積分要素 を持つ制御系の形として 一般的によく出現するほか 生体計測の実験データの近似としてもよく出現する 臨床工学 医学などで 研究 を行う際に 実際の測定データを処理する際 この遅延応答系のグラフの処理は頻繁に必要となる それなのに 数学 が苦手で適当に聞き流して いざ必要になっても習ったことを忘れる人がほとんど という数式です

16 測定器の熱容量 接触式の温度計測では 測定系 の熱容量が関係してくる 連続的に測定している ( ずっと 温度計を接触させている ) 被測定系の熱容量がはるかに大きく 測定系の影響が小さい などの場合以外は 計測による影響 ( 負荷効果教科書 P16) も無視できない オペ中の温度計測などの場合 直腸プローブなどはずっと挿入されているため 温度平衡 が常に保たれている 連続的に数値を得られる 舌下温や腋下温では 温度平衡 を待つか 予測する 非接触の場合 ( 鼓膜音 ) は 瞬時 に数値が得られるが 鼓膜の場合には 放射エネルギー が耳道でさえぎられて 測定誤差が大きく 正しい数値を得るにはかなりコツが必要

17 低温の測定 低温の測定では 一般的にはトランジスタの V BE の温度依存性を利用する コレクタ電流を一定にしたときの ベース エミッタ間電圧が 温度によって変化する 教科書 P151 温度の変化で抵抗が変化する ここでも 温度の変化による電気抵抗の変化が関係する トランジスタ回路は温度によって 特性 が変化するため 温度補償回路 を作るのが難しいが 逆に ここではその温度による特性変化をセンサとして利用している

18 三重点 温度と圧力の関係で 固体 液体 気体の三つの状態が混在する点 1 気圧の場合 温度を上げて行くと 固体 液体 気体 と変化する 圧力を下げると 液体 の水の状態が存在できず 固体 ( 氷 ) から直接蒸発する 水の三重点 温度 : 0.01 (273.16K) 圧力 : Pa(0.006 気圧 )

19 超低温とはどんな状態? ほとんどの物質の 分子運動 が停止しているか ほとんど動かない状態 動きがないため すべてが凍っている ただ単に凍っているだけではなく 結晶格子でつながった原子や電子なども ほとんど運動エネルギーを持たない 一度 物理学の専門家に聞きたい私の疑問は 絶対零度 で電子の運動エネルギーがゼロになると 陽子 に 墜落 して 核反応か何か起きてしまうんじゃないかと 物質間に働く力 には 何種類かあって そうはならないらしい 理論物理学 をきちんと勉強すると この答えがでるはずです

20 宇宙空間の物質の温度 宇宙空間の 背景放射 の温度は 3K (3 ケルビン ) で ビッグバンで 宇宙ができたとき から一貫して冷えてきているらしい 黒体放射 の電磁波の周波数から計算した温度 このスライドの見出しは宇宙空間の 物質の温度 で 宇宙空間の温度 ではありません 完全な真空 では 温度は定義できない また 存在している物質の温度は その物質の温度で 宇宙空間の温度 ではない ただ 宇宙空間を飛び回っている 高エネルギー粒子 は とんでもない運動エネルギーを持っているため こうした 高エネルギー粒子 の運動エネルギーを温度に換算すると 数千度 数万度に換算できる 地表の 気温 のグラフで 高度 100km あたりから 気温 は急激に増加するが 物質の密度はどんどん低下しながら 1 個の粒子の持つ 温度 は増加していく

21 今日のまとめ 接触式の温度計として 中温以下では金属線抵抗温度計がよく用いられる 常温では サーミスタなどの負性抵抗の温度センサがよく用いられる 低温の接触式温度計としては トランジスタの特性を利用した測定回路が利用されている いずれも 金属や半導体の抵抗の温度依存性を利用している 機械的な測定器として バイメタルやブルドン管などがある 非接触の温度測定では ウィーンの変移則により 放射エネルギーの周波数で温度測定ができるが 常温以下では放射エネルギーが著しく減少する

22 次回予告 第 9 回 光測定 量子型光センサ 固体型 光起電センサ 熱型光センサ イメージセンサ 固体での電子のエネルギー準位などについて学ぶ 教科書では P178 P192 です