熱電対の種類(K・J・T型)と選び方｜補償導線と冷接点補償を図解

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熱電対の K 型・J 型・T 型、どれを選べばいいのか?

迷ったら K 型です。−200〜+1200℃ くらいまで使え、工業用で最も普及しています。0℃ 付近から 350℃ くらいまでを細かく測るなら T 型。どの型も、計器と同じ種類の補償導線で、+と−を合わせて延ばします。

この記事では、熱電対を山頂とふもとの「標高差」しかわからない高度計にたとえて説明します。冷接点補償の計算と、補償導線のつなぎ間違いで何℃ずれるかの計算もあります。

熱電対とは?2本の金属線でできた温度計

熱電対(ねつでんつい)の中身は、とても単純です。種類の違う2本の金属線を用意し、片方の端どうしをくっつけます。くっつけた先を測りたい所に入れ、反対の端を温度計(計器)の端子につなぎます。

すると、先が熱くなるほど、2本の線のあいだに小さな電圧が生まれます。計器はこの電圧を測って、温度に直して表示します。電池も電源もいらず、電線のような形のまま、数百℃から千℃を超える所まで測れるのが強みです。

この3つの言葉が、このあと何度も出てきます

言葉	意味	たとえでは
測温接点(温接点)	2本の線をくっつけた先。測りたい所に入れる	山頂
基準接点(冷接点)	計器の端子につながる根元の側	ふもとの基地
熱起電力	先と根元の温度の差で生まれる電圧。数 mV〜数十 mV	山頂とふもとの高さの差

どこで使われている?工場で見かける4つの場面

どれも、測った温度を温度調節器や PLC(機械の脳にあたる制御装置)へ送り、ヒーターを入り切りするのに使います

場面	知りたいこと	なぜ熱電対か
熱処理や乾燥の炉	炉の中が設定の温度になっているか	数百℃〜千℃を超える所でも測れる
樹脂の成形機のヒーター・金型	ヒーターの温度を一定に保ちたい	細い線にでき、狭い穴にも差しこめる
はんだや油の槽	液の温度が上がりすぎていないか	液に直接差しこめる形(保護管・シース)がある
配管・タンク	流れる液やガスの温度	長い線で盤の温度調節器や PLC まで送れる

なぜ電圧が出るの?温度の差で電子が「片寄る」

金属の中には、自由に動ける電子がたくさんあります。1本の金属線の片方の端だけを温めると、熱い側の電子は元気に動き回り、冷たい側へ広がっていきます。その結果、冷たい側に電子が少し多く集まり、線の両端に小さな電圧が生まれます。

ところが、1本の線だけでは、この電圧を取り出せません。計器をつなぐ線も同じように温度差の中を通るので、行きと帰りで電圧が打ち消し合ってしまうからです。

そこで、電子の片寄りやすさが違う2種類の金属を使います。同じ温度差でも、片方は大きく、片方は小さく片寄るので、2本の差が電圧として残ります。これを、1821年に見つけた人の名前からゼーベック効果と呼びます。キーエンスの解説にあるとおり、電圧の向きと大きさは2種類の金属の材質と、両端の温度差だけで決まります。

熱電対がわかるのは「差」だけ:山頂とふもとの標高差

K 型の熱電対を例に、根元を 0℃ に保ったとき、先の温度でどれくらいの電圧が出るかを見てみます。この値は規格の「規準熱起電力」として決められていて、ITS-90(国際的な温度の目盛り)にもとづく表があります。

値は NIST(アメリカ国立標準技術研究所)の ITS-90 熱電対データベースの表から。JIS C 1602 も同じ ITS-90 にもとづいています

先の温度(根元は 0℃)	K 型の熱起電力	ざっくり言うと
25℃	1.000 mV	部屋の温度でも 1 mV ほど出る
100℃	4.096 mV	1℃ あたり約 0.04 mV(40 µV)
200℃	8.138 mV
500℃	20.644 mV
1000℃	41.276 mV	千℃でも、乾電池(1.5 V)の 30 分の 1 ほど

1℃ あたりわずか 40 µV(マイクロボルト。1 mV の 1000 分の 1 の単位)ほどです。だから熱電対の信号は、ノイズ(よけいな電気の揺れ)の影響を受けやすく、配線のしかたに気をつけます。ノイズの通り道と対策はインバータのノイズ対策で説明しています。

冷接点補償:ふもとの標高を測って足し戻す

昔の測り方では、根元を氷水に入れて 0℃ に保っていました。根元が 0℃ なら、出た電圧を表で温度に直すだけで済みます。キーエンスの解説では、根元を 0℃ に保つ方法を冷接点補償と呼んでいますが、測っているあいだずっと 0℃ に保つのは大変です。

そこで今の温度調節器や PLC の温度入力ユニットは、端子のそばに小さな温度センサを持っていて、端子の温度を測ります。そして「端子の温度を 0℃ から測ったら何 mV か」を計算し、測った電圧に足してから温度に直します。キーエンスの解説では、この方法を基準接点補償と呼んでいます。現場では、どちらもまとめて冷接点補償と呼ぶことが多いので、この記事でもそう呼びます。

動く図で確かめましょう。先の温度と、端子(ふもと)の温度を動かして、冷接点補償を入れたり切ったりしてください。

見てほしいのは2つです。1つは、補償を切ると、表示が端子の温度の分だけ低く出ること。もう1つは、補償を入れると、端子の温度を変えても表示が変わらないことです。計器は、端子の温度の変化を自分で打ち消しているのです。

ただし、この補償にも精度の限りがあります。たとえばキーエンスの PLC の温度入力ユニット KV-TP40 の仕様では、冷接点補償の精度は ±1℃(熱電対入力のとき)です。熱電対そのものの誤差に、計器のこの誤差が加わります。

計算してみよう:冷接点補償がないと何℃ずれる?

ここで計算するのは、「計器の端子の温度が、表示にどれくらい効くか」を知るためです。これがわかると、表示がずれたときに、熱電対の故障なのか、端子のまわりの温度の問題なのかを見分けられます。

式の出どころ:「山頂の高さ − ふもとの高さ」

表の熱起電力は「根元が 0℃ のとき」の値です。0℃ からの高さを E(温度) と書くことにします。先が T、根元が T₀ のとき、出てくる電圧は「0℃ から先までの高さ」から「0℃ から根元までの高さ」を引いた差です。標高差と同じ引き算です。

測れる電圧 V = E(T) − E(T₀)

計器はこの V に E(T₀) を足し戻して E(T) を出し、表で T に直します。式を並べかえると E(T) = V + E(T₀) になる、というだけのことです。

どの項も mV なので、そのまま足し引きできます

記号	意味	単位	どこから取るか
T	先(測りたい所)の温度	℃	知りたい答え
T₀	根元(計器の端子)の温度	℃	計器の中の温度センサが測る
E(温度)	根元を 0℃ にしたときの熱起電力	mV	規準熱起電力の表(⑤)
V	計器の端子で実際に測れる電圧	mV	計器が測る

つまり、補償がない計器では、表示は「先と端子の温度差」に近い値になる、ということです。答えが 400℃ のように大きくずれたら、足すべき所で引いていないかを見直します。

計算例2のようなことは、計器の端子のすぐそばに熱を出す機器があって、端子台の場所によって温度がまだらになっているときに起こりえます。キーエンスの解説でも、接続部に温度差があると誤差が生じると注意しています。取り付けの注意は⑭で説明します。

K・J・T 型の違い:金属の組み合わせで得意な温度が変わる

熱電対の K・J・T などの記号は、どの2種類の金属を組み合わせたかを表します。組み合わせによって、使える温度の範囲と、1℃ あたりの電圧の大きさが変わります。キーエンスの解説をもとにまとめます。

測定範囲はキーエンスの解説の値です。実際に使える上限は、線の太さや保護管によって変わります(規格の「常用限度」)

記号	+側の金属	−側の金属	測定範囲の目安	特徴
K	ニッケル・クロムが主の合金	ニッケル・アルミニウムが主の合金	−200〜+1200℃	工業用で最も普及。直線に近く、熱や腐食に強い
J	鉄	銅・ニッケルが主の合金	−40〜+750℃	1℃ あたりの電圧が K より大きく、安価
T	銅	銅・ニッケルが主の合金	−200〜+350℃	低い温度の特性がよい
E・N	(省略)	(省略)	E −200〜+900℃、N −200〜+1200℃	E は1℃あたりの電圧が大きい。N は安価に高温を測れる
R・S・B	白金とロジウムの合金	白金など	R 0〜+1100℃、S・B は +600℃ 以上	高い温度用の貴金属の熱電対

100℃ のときの熱起電力を比べると、K 型 4.096 mV、J 型 5.269 mV、T 型 4.279 mV です(NIST の表)。同じ温度でも金属の組み合わせで電圧が違うので、計器の設定の種類と、つないだ熱電対の種類を必ず合わせます。K 型の熱電対を J 型の設定で読むと、正しい温度は出ません。

熱電対の選び方:温度の範囲 → 精度 → 形の順で決める

上から当てはまる行を探します。最後に、つなぐ計器がその種類に対応しているかを確かめます

測りたい温度・条件	向いている種類	理由
0〜1000℃ くらいの炉・ヒーター(ふつうの工業用)	K 型	範囲が広く、最も普及していて、計器もほぼ必ず対応している
750℃ までで、1℃ あたりの電圧を大きくしたい	J 型	K より電圧が大きい。ただし範囲が狭い
0℃ 付近〜350℃ を細かく測りたい	T 型	低い温度の特性がよく、許容差の小さいクラスがある(⑩)
1000℃ を大きく超える	R・S・B 型(貴金属)	高い温度でも使える
0〜数百℃ を、もっと細かく	測温抵抗体も候補	熱電対とは別の原理の温度センサ(別の記事で比べます)
迷ったら	K 型	つなぐ計器と補償導線を手に入れやすい

形を選ぶ:細いほど速く、太いほど丈夫

熱電対には、むき出しの線のもの、金属の細い管に線を入れて粉で固めたもの(シース熱電対)、さらに太い保護管に入れたものがあります。細いものほど温度の変化にすばやく追いつきますが、折れやすく、高い温度では寿命が短くなります。太い保護管は丈夫なかわりに、温度が伝わるまで時間がかかります。

精度の決まり:許容差のクラスで「何℃までずれてよいか」が決まる

熱電対は、作るときの金属のわずかな違いで、同じ温度でも少しずつ電圧が違います。そこで規格では、表の電圧からどれくらいずれてよいかを許容差のクラスで決めています。JIS C 1602:2015 は、国際規格 IEC 60584-1:2013 を取り入れて作られた規格です。

|t| は測る温度(℃)の符号を取った値です。クラスごとに使える温度の範囲も決まっているので、使う温度がその範囲に入るかは、規格の本文とメーカーのカタログで確かめてください

種類	クラス1	クラス2
K・J	±1.5℃ か ±0.004×|t| の大きいほう	±2.5℃ か ±0.0075×|t| の大きいほう
T	±0.5℃ か ±0.004×|t| の大きいほう	±1.0℃ か ±0.0075×|t| の大きいほう

ここで計算するのは、「この熱電対で、この温度を測ると、最大で何℃ずれる可能性があるか」を知るためです。温度の管理の幅(例:±3℃ 以内に保ちたい)より誤差が大きいと、熱電対を変えるか、管理のしかたを見直す必要があります。

式の出どころ:「決まった幅」と「温度に比例する幅」の大きいほう

低い温度では「±2.5℃」のような決まった幅が、高い温度では「温度の 0.75%」のような温度に比例する幅が効くようにした決まりです。物理の法則ではなく、規格で決められた式です。

許容差 = 「決まった幅」と「係数 × |t|」の大きいほう

つまり、100℃ くらいを ±1℃ で管理したいなら、K 型クラス2では足りず、T 型クラス1を選ぶ理由になる、ということです。さらに計器そのものの誤差(冷接点補償の誤差など、⑥)も加わるので、管理の幅には余裕を見ます。

補償導線:ふもとまで「同じ地図」でつなぐ線

炉の熱電対から盤の中の計器までは、数メートルから数十メートル離れていることがよくあります。熱電対の線をそのまま長く延ばすと高くつくので、途中から補償導線に切り替えます。キーエンスの解説では、補償導線は 0〜60℃ の範囲で熱電対とほぼ同じ熱起電力の性質を持つ線とされています。

なぜ、ふつうの銅の電線ではいけないのでしょうか。炉のそばの端子箱(熱電対と線をつなぐ箱)は温かく、盤の中は室温です。この温度の差がある区間を銅線でつなぐと、その区間では電圧が生まれず、熱電対の「根元」が端子箱にあることになってしまいます。計器は盤の端子の温度で補償するので、端子箱と盤の温度の差の分だけ、表示がずれます。

JIS C 1610:2012(熱電対用補償導線)は、国際規格 IEC 60584-3:2007 を取り入れた規格で、種類・許容差・使用区分・色の決まりがあります

気をつけること	なぜか
熱電対と同じ種類の補償導線を使う	種類が違うと、温度差の区間で出る電圧が合わない
+と−を合わせてつなぐ	逆にすると、温度差の区間の電圧が逆向きに入る(⑫)
色だけで判断しない	被覆の色の決まりは規格の版で2つの系統が使われてきた。記号と+−の表示で確かめる
つなぎ目どうしを同じ温度にする	つなぎ目に温度差があると誤差になる(キーエンス)

計算してみよう:補償導線を銅線にしたら?+と−を逆にしたら?

ここで計算するのは、つなぎ間違いが「どれくらいのずれ」になって表れるかを知るためです。ずれの大きさの見当がつくと、表示を見て原因を当てやすくなります。

式の出どころ:区間ごとの「高さの差」を足し合わせる

熱電対の電圧は、温度差のある区間ごとに生まれ、それを足し合わせたものが計器に届きます。正しい補償導線なら、熱電対の区間(200℃→60℃)と補償導線の区間(60℃→25℃)が同じ向きにつながり、合計は 200℃→25℃ の差になります。

届く電圧 = 熱電対の区間 + 補償導線の区間

熱電対の区間は、どの場合も E(200℃) − E(60℃) です

つなぎ方	補償導線の区間の電圧	たとえでは
正しい補償導線	+(E(60℃) − E(25℃))	峠から基地まで同じ地図
ふつうの銅線	0(電圧が生まれない)	峠から先は高さのない地図
補償導線の+と−が逆	−(E(60℃) − E(25℃))	峠から先で、上りと下りを逆に読む

つまり、表示のずれが「端子箱と盤の温度差」の1倍か2倍くらいなら、途中の配線を疑う手がかりになる、ということです。ここはざっくり言うと、の目安で、熱起電力は温度に正確に比例するわけではないので、ぴったり1倍・2倍にはなりません。

動く図で、つなぎ方を選んで端子箱の温度を動かしてみてください。

見てほしいのは、正しいつなぎ方なら端子箱の温度を変えても表示が 200℃ のままなのに、銅線や逆のつなぎ方では、端子箱が温まるほど表示がずれていくことです。炉の扉を開けた・季節が変わったなど、端子箱の温度が変わるときだけ表示が動くなら、このつなぎ間違いを疑います。

表示がおかしいときの切り分け:どこから疑う?

上の行から順に確かめます。端子に触る作業は、計器と盤の電源を切ってから行います

症状・いつ出るか	まず疑う原因	確かめる場所・測るもの	直し方
表示が室温に近いまま、炉を温めても上がらない	計器の種類の設定違い、熱電対の先が測りたい所に届いていない	計器の熱電対の種類の設定、差しこみの深さ	設定を合わせる。差しこみを直す
表示が最大や「断線」になる	熱電対や補償導線が切れている、端子がゆるんでいる	電源を切って端子を外し、テスターで線がつながっているか	切れた所を直す・交換
いつも一定の量だけ低い(高い)	計器の種類の設定違い、補償導線の種類違い、銅線の混入	設定と補償導線の記号。途中の中継端子	種類をそろえる
端子箱が温まるほど低く出る	補償導線の+−が逆、途中が銅線	途中のつなぎ目ごとに+−と線の種類	+−を合わせる・補償導線にする(⑫)
温度を上げると、表示が逆に下がる	熱電対そのものの+−が逆	計器の端子の+−	+−を合わせる
表示がふらつく・跳ぶ	ノイズ、端子のゆるみ	動力線との並び、端子の締め付け	線を離す・締め直す
盤の扉を開けると表示が変わる	計器の端子のまわりの温度のむら	端子のそばの熱源、風の当たり方	端子台を熱源から離す(⑭)

PLC の温度入力ユニットで読んでいて、入力そのものが入らない・エラーになる場合は、PLCのエラーで止まったときの切り分けの「入力」の段の考え方も使えます。

取り付けの注意:深く差す・熱源から端子を離す

キーエンスの解説の注意と、ここまでの計算をまとめました

注意すること	なぜか	どうするか
差しこみが浅い	保護管を伝って熱が逃げ、先の温度が測りたい所より低くなる	測りたい所まで深く差す。差しこみの長さはメーカーの資料で確かめる
計器の端子のそばに熱源	端子の温度がまだらになり、補償がずれる(⑦の計算例2)	ヒーターの電源や大きな電源装置から端子台を離す
熱電対の線と動力線を並べる	mV の小さな信号にノイズが乗る	別のダクトや配管に分ける
線が長すぎる	計器の入力が許す線の抵抗を超えると、正しく測れない	計器の仕様の上限を確かめる(キーエンス)

仕事で使うとき:熱電対の選定と配線のチェックリスト

よくある質問

まとめ:熱電対は「標高差」を測る。ふもとの温度と、途中の道に気をつける

熱電対の信号は、温度調節器や PLC が受け取ります。受け取る側の切り分けや、ノイズの対策もあわせて確かめておきましょう。