熱電対で高精度温度測定

おねがいします。
融点付近の地温を高精度（±0.05℃以下）で測ることは可能でしょうか？
測定範囲は－１０℃から１０℃くらいまででよいのですが。
どのロガー会社にきいても０．５℃までですといわれます。
しかし、冷接点の温度を測る温度計（サーミスタ）の精度がキャリブレーションで０．０２℃くらいまで出せるのであとは熱電対自体の安定性ですが、これもあるように思います。
そして、熱電対の出力電圧が小さいのでこれを増幅する過程で誤差がおおきいのかとも考えています。

No.9 ベストアンサー 回答者： vortexcore 回答日時： 2003/03/09 21:56

No.8のものですが、万が一誤解があるといけないので。

No.8の実験で確認できるのはシステムの再現性、安定度であって、絶対精度（国際温度目盛からのズレ）を問題にされるときは、別の温度（定められた温度定点ではありませんが、例えば標準大気圧での水の沸点、約99.974℃）で起電力の校正をしなければなりません。

お考えの実験では再現性や安定度の方が効くかな、と思い前回のアドバイスになりました。老婆心まで。

No.8 回答者： vortexcore 回答日時： 2003/03/07 22:03

たとえ±10℃でも国際温度目盛からのズレを0.15℃以内に押さえるのは、買ってきただけの素線では厳しい気がしますが・・・。

しかし、あとは実験してみて可否を判断するのが良いのでは無いでしょうか。
No.7の方のおっしゃるように「この精度だ」と言い切るためには、次のような実験をしてみれば良いと思います。

1. ロガーの入力を短絡して表示が0mV（0℃）であることを確認する。この時点でオフセット（入力端子の汚れ等で生じる浮遊起電力）があれば、許容範囲以内になるように入力端子のクリーニング等を行う。

2. 実際に零接点補償器、熱電対をロガーにつけて熱電対の接点を純水の氷水に漬け、表示が0mV（0℃）であることを確認する。もし、オフセットがあればやはりクリーニング等を行う。

3. 端子を何度か取り外して1. 2.の再現性を確かめる。

4. 2.の状態での長期安定度をチェックする。実際に測定に必要な時間だけ表示が0mV（0℃）ならOK。想定されるロガー等が置かれている環境の変化に対しても表示が変化しないことを確認する。

このうち、4が結構大変だと思います。かつて、実験室内の温度が空調によって周期的に数℃変化するのが浮遊起電力の変化を通してデータに乗ってしまい往生したことがあります。

この回答へのお礼

ありがとうございました．
そのようにやってみたいと思います．

お礼日時：2003/03/08 18:33

No.7 回答者： CAW 回答日時： 2003/03/07 12:14

やりたいことは大体わかりました。

それなりの、恒温槽での較正をしてやれば
測定温度近傍でなら、内ソウでも外ソウでも（すみません
字が出ないので）そこそこの
精度にはなるように思えます。ただこれこれの、補正をしたから
この精度になってますとどう、言い切れるかが問題になりそうですが。

この回答へのお礼

ありがとうございます．
たしかに，そのとおりで精度解析が大変そうです．

お礼日時：2003/03/08 18:32

No.6 回答者： CAW 回答日時： 2003/03/05 20:36

＃４ですが、実は私も似たようなことを、よくやってるんです。

零下に冷やした不凍液を地中のポリエチレン熱交換器に循環して
その表面温度を測るなんてことをよくやっています。
センサーの、寸法とか、熱容量から熱電対を使っていますが、
恒温槽で機差をとって、オフセットにする程度ですね。厳密には
オフセットだけでなく傾きもあわせこむのでしょうけど。しかしオフセットが１度程度も
ある、センサーで０．０５度の精度補正をしてもかなり困難な気がするのです。
また、そのあたりの測定では傾向の評価はしても、絶対値にいかほどの
必要性があるのかはやっぱり疑問です。

この回答への補足

皆さん，詳しくありがとうございます．
熱電対を使わなければ成らないのは，技術的な理由ではなく，頑固な教授が，勝手に大量の熱電対を購入してそれを使えと言っているからです．

さて，精度は０．０５℃ほしいところですが，絶対誤差で±０．１５程度までならなんとかごまかせるとしてそれを目標に測っていきたいと思います．
現有のロガーの測定精度は２マイクロＶで電圧測定に関する誤差は０．１℃以内に収まりそうです．多項式による誤差は無視できるとして，冷接点の温度誤差ですが，これも零度付近で高精度（±０．０２℃）で構成したサーミスタを用いて温度変化のほとんどない地中に冷接点とともに埋めて温度補償をします．あとは，熱電対自体（購入したのはＴ型）の安定性ですが，この部分がわかりません．接点２つの温度が同じならば，熱起電力も０です．したがって，オフセット誤差はないと物の本には書いてあります．すると，スロープのばらつきが問題になりますが，それなら，ＪＩＳ基準は冷接点を０℃に保っての起電力を示してますから，サンプル温度が±１０℃など０℃に近いところを測る分にはかなり精度が高いのではないかと期待しています．ＪＩＳ基準で述べられている誤差は０から３００℃くらいまでの範囲で１．０℃ということです．上記の解釈は正しいでしょうか？

補足日時：2003/03/06 22:36

No.5 回答者： vortexcore 回答日時： 2003/03/05 19:05

>まず，話はふくざつですので詳しくは述べませんが，必ず熱電対を使う必要があり

>ます．また，０℃付近の土壌，つまり，融解・凍結の潜熱により，温度変化が，非
>常に細かいため，できれば，０．０２℃くらいの精度が必要です．
>確かに，白金やサーミスタで測れば何の問題もありません．

熱電対でなければならない理由で一般に思いつくのは、測定点の局所性や高速応答性ですが、例えば
http://www.kagaku.com/netsushin/pt100_01.html
のような極小白金抵抗測温体でもダメでしょうか。

同じ会社（ネツシン：http://www.kagaku.com/netsushin/index.html）では、似たような測温体で、0.5秒毎に3mKの安定度で80点の多点測定が可能なシステムを最近作ったようです。
http://www.kagaku.com/netsushin/new.html

もし、それ以外の理由で絶対に熱電対なのであれば、例えばK熱電対では0℃近傍の温度係数が40μV/Kくらいですから、0.02℃（=20mK）の安定度が必要であれば、0.8μVの精度で電圧計測ができれば良いことになります。この精度自体は、ロガーではなく、ナノボルトメータ、例えばケースレー社（http://www.keithley.com）の2182等を使えば可能ですが、接点以外の熱起電力を初めとする浮遊起電力を徹底的に除く必要がありますから、配線の取り回しには相当な注意を払わなければなりません。熱電対の素線を途中で繋がないのはもちろんのこと、素線の均一性にも気をつけなければならないでしょうし、恐らく非測定物以外を全て恒温槽に入れる位のつもりが必要だと思います。

また、「精度」とおっしゃるのが絶対精度（国際温度目盛からのずれ）の意味でしたら、20ｍKの精度はどんなにキャリブレーションしても実際に使うとなると熱電対では不可能だと思います。

No.4 回答者： CAW 回答日時： 2003/03/04 23:39

いやはや、何のためにそんな精度が必要なんでしょうか

いずれにしても、熱電対では精度でませんよね。
Ｐｔでもどの程度か、いずれにしても皆さんがおっしゃるように精度を上げるにはＰｔでしょうね

この回答への補足

皆さん，ご返答ありがとうございます．
まず，話はふくざつですので詳しくは述べませんが，必ず熱電対を使う必要があります．また，０℃付近の土壌，つまり，融解・凍結の潜熱により，温度変化が，非常に細かいため，できれば，０．０２℃くらいの精度が必要です．
確かに，白金やサーミスタで測れば何の問題もありません．
しかし，熱電対では不可能なのでしょうか？
たとえば，冷接点を氷水につけて常時０℃に保ったとして，あとは，熱電対自体が温度差に応じて出す微電圧がどの程度安定なのか？ということと，その微電圧を増幅して，Ａ／Ｄ変換するときにどのくらい誤差がでるのか？というところでしょうが，測定範囲を１０℃からー１０℃に限定してスパンを２０℃程度にすると，温度差－電圧変換の多項式による誤差はごくわずかに抑えることができると思います．
後は，熱電対自体の測定安定性と計測器の分解能などの問題と考えていますが，どうでしょうか？

補足日時：2003/03/05 10:31

No.3 回答者： hi_ymkw 回答日時： 2003/03/04 21:16

JISで規定されている誤差は

・白金測温抵抗体(JISF9703)
　クラスAで±0.15度　Bで±0.3度。
・熱電対(JISC1602)
　種類により違いがあるがクラス1で最低±1.5度
・サーミスタ(JISC1611)
　±0.3～±1.5度の4クラス。
ということで、一般工業用の測温体を使う場合はクラスAの白金測温抵抗体をお使いになるほうが良いでしょう。もちろん測定用となるともっと精度の良いものがあるのはご承知のとおりです。
　参考になるかどうか分かりませんがomronのページがあります。いろいろな種類がありますのでこのページからPDFファイル形式のカタログにリンクが張ってありますからそれを見てください。

参考URL：http://www.fa.omron.co.jp/lineup/control/66/163/ …

No.2 回答者： kikero 回答日時： 2003/03/04 20:13

　私も＃１の方の意見と同じです。

　熱電対で±0.05℃は無理です。
　白金測温抵抗体か、サーミスターが必要です。
　サーミスターなら、0.01℃の差も充分測定できる型もあります。

No.1 回答者： a0123456789 回答日時： 2003/03/04 19:43

熱電対での高精度（±0.05℃以下）測定は難しいのではないでしょうか？

因みに温度測定は、熱電対で行う必要性が有るのですか？
もし、単にロガーで記録できれば良いのであれば、白金抵抗型の測温素子を用いればより高精度にすることができるはずですが...