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。
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