放射温度計の原理と接触温度計との比較

はじめに

温度測定は、さまざまな産業や研究において重要な役割を果たしています。温度計には主に「接触温度計」と「放射温度計」の二つがあります。この記事では、放射温度計の基本原理や特性を説明し、接触温度計との比較を通じて、それぞれの利点や欠点を明らかにします。

温度計の基本概念

温度

温度は物質の熱エネルギーの指標であり、物質の状態を決定する重要な物理量です。温度が上昇すると、物質内の分子の運動エネルギーが増加します。この運動エネルギーは、物質の相変化や化学反応に影響を与えるため、温度測定は多くの分野で不可欠です。

温度計の種類

温度計は大きく分けて、接触温度計と放射温度計に分類されます。

接触温度計: 測定対象に直接触れて温度を測定します。例としては、サーミスタや白金測温抵抗体（RTD）があります。
放射温度計: 測定対象に触れず、放射される赤外線を利用して温度を測定します。

放射温度計の原理

放射温度計の基本概念

放射温度計は、対象物から放射される赤外線を検出して温度を測定します。物体はその温度に応じたエネルギーを電磁波として放射し、この放射エネルギーは物体の温度を反映しています。

ステファン＝ボルツマンの法則

放射温度計の基本的な原理の一つに、ステファン＝ボルツマンの法則があります。この法則によれば、黒体（理想的な放射体）が単位面積あたりに放射するエネルギー$E$は、温度$T$の4乗に比例します。

$$
E = \sigma T^4
$$

ここで、$\sigma$はステファン＝ボルツマン定数（約$5.67 \times 10^{-8} \, \text{W/m}^2 \cdot \text{K}^4$）です。この関係から、放射温度計は対象物の放射エネルギーを測定し、その値を基に温度を算出します。

感度と波長

放射温度計の感度は、測定する波長に依存します。一般的に、赤外線領域（約$0.7 \, \mu m$から$14 \, \mu m$）の放射を利用します。この波長範囲は、物体の温度と放射特性において重要な役割を果たします。

接触温度計の原理

接触温度計の基本概念

接触温度計は、測定対象に直接触れて温度を測定するデバイスです。主なタイプには、サーミスタ、RTD、熱電対があります。

サーミスタの原理

サーミスタは温度に応じて抵抗が変化する素子です。特にNTCサーミスタ（負の温度係数）では、温度が上昇すると抵抗値が減少します。この特性を利用して、抵抗値の変化を温度に換算します。

RTDの原理

RTDは、白金などの金属の抵抗値が温度に依存する特性を利用します。温度$T$における抵抗値$R(T)$は、次のように表されます。

$$
R(T) = R_0 (1 + \alpha (T – T_0))
$$

ここで、$R_0$は基準温度$T_0$での抵抗値、$\alpha$は材料の温度係数です。

放射温度計と接触温度計の比較

1. 測定方法

放射温度計: 接触せずに放射エネルギーを測定します。
接触温度計: 測定対象に直接触れて温度を測定します。

2. 測定範囲

放射温度計: 広範囲な温度範囲を持ち、高温や危険な物体の温度測定が可能です。
接触温度計: 一般に限られた温度範囲内で使用され、高温や極端な条件では制約があります。

3. 精度

放射温度計: 環境条件や物体の表面状態に影響を受けることがありますが、高精度なモデルも存在します。
接触温度計: 高い精度を持つが、接触による熱伝導の影響を受けるため、対象物の性質に依存します。

4. 応答速度

放射温度計: 非接触であるため、迅速な応答が可能です。
接触温度計: センサーの材質や設計によって応答速度が異なり、場合によっては遅くなることがあります。

5. 使用条件

放射温度計: 高温や危険な環境、動いている物体の測定に適しています。
接触温度計: 温度測定対象に直接触れられる場合に適しており、比較的安定した環境での使用が望ましいです。

物理現象に基づく特性の違い

放射温度計の物理現象

放射温度計は、物体から放射される電磁波のエネルギーを測定します。この放射エネルギーは、物体の温度と直接関連しており、物体の材料や表面状態、放射率にも影響を受けます。放射率は、物体が放射するエネルギーの割合を示し、$0 \leq \varepsilon \leq 1$の範囲で変化します。放射率が高いほど、温度測定の精度が向上します。