温度計の種類と原理を比較｜熱電対・測温抵抗体・放射温度計の誤差

温度計は、熱膨張や電気抵抗、熱起電力、熱放射など、温度によって変わる性質を利用して温度を測る機器です。同じ温度を示す機器でも、測る原理と誤差の原因は異なります。

工場の温度計を選ぶときは、測定できる範囲に加え、対象への触れ方や取り付け方を確認します。高い精度のセンサを使っても、挿入が浅かったり配線が違ったりすると、目的の温度からずれます。

液体、熱電対、抵抗、放射、バイメタル、ガリレオの6方式を比較し、仕組みと誤差の読み方を整理します。後半では許容差の計算と、現場の指示が違うときの確認手順まで扱います。

動画の補足：温度計の誤差は一律に1～2℃ではなく、方式・クラス・使用条件によって異なります。光沢金属の放射温度測定も、放射率や反射を管理できる条件に合わせて判断します。

温度とは？

温度は、物体の熱い・冷たいという状態を表す物理量です。温度が異なる物体を接触させると、通常は高温の物体から低温の物体へ熱が移り、熱平衡へ向かいます。

温度と熱量は別の量であり、同じ温度でも物体の質量や材料によって、持つ熱の状態は異なります。小さな金属片と大きな水槽が同じ温度を示しても、加熱に必要な熱量は同じにはなりません。

熱力学温度の単位はケルビンで、記号はK、セルシウス温度の単位は℃です。セルシウス温度の数値は、ケルビンで表した数値から273.15を引く関係で定められています。

温度差10℃は10Kですが、20℃を10℃の2倍の熱力学温度とは扱いません。温度そのものを比で使う計算では、ケルビンによる温度にそろえる必要があります。

現在のケルビンは、ボルツマン定数の値を固定して定義されています。水の氷点と沸点による説明は目盛の歴史と区別し、校正は温度標準とつながる方法で行います。

センサは温度を直接数字として受け取るのではなく、温度で変わる物性を検出します。こうした変換の共通点は、センサーの仕組みと計測の基本原理で整理できます。

温度計の種類と原理

温度計は、対象へ接触させる方式と、熱放射を利用して離れた場所から測る方式に分けられます。接触式では感温部への熱の伝わり方、非接触式では視野へ入る放射の条件が重要です。

最初に測定対象の温度、必要な精度、応答の速さ、取り付け可能な位置を決めます。その条件に合う方式を選んでから、製品ごとの測定範囲と許容差、周囲環境の条件を確認します。

図1：温度計6方式は、利用する性質と誤差の入口が違う

使用温度や精度を方式名だけで決めず、実際の製品仕様まで確認します。

方式	温度へ変換する性質	主な確認点
液体温度計	感温液とガラスの膨張差	浸没条件、液切れ、視差
熱電対	異種金属の熱起電力	種類、基準接点、補償導線
抵抗温度計	金属などの電気抵抗の変化	導線抵抗、自己加熱、特性の設定
放射温度計	物体からの熱放射	放射率、反射、視野、光路
バイメタル式	2種類の金属の膨張差	感温部の挿入、指針、温度スパン
ガリレオ温度計	周囲の液の密度と浮力	浮子の表示間隔、液の温度の安定

液体温度計

液体温度計は、温度変化による感温液とガラス容器の膨張の差を、液柱の高さとして読み取ります。感温部の液の体積が変わり、その変化が細い毛細管の液面位置に現れます。

封入する液体やガラスの性質で使える範囲が変わるため、液体温度計に共通の実用温度を一つには決められません。目盛の範囲と、使用方法に指定された条件を組み合わせて選びます。

読み取るときは、指定された深さまで浸し、液柱の位置が落ち着いてから目の高さを合わせます。斜めから見ると液面と目盛がずれて見える視差が生じ、読み取りの誤差になります。

図2：液体温度計は、球部の体積変化を細い液柱で読む

温度上昇で感温液がガラスに対して膨張し、液面が上がる概念図です。

全浸没形は、測っている温度を示す液柱の位置まで浸す条件を基本とします。浸没線付は指定の線まで浸すため、球部だけを入れる使い方と、両者を混同しないことが大切です。

露出した液柱の温度が校正時の条件と違えば、指示値に影響する場合があります。必要な補正の有無は使用条件で確認し、精密測定でのずれを目盛の読み間違いだけで説明しないようにします。

液が途中で切れた状態や、破損した温度計は、そのまま正常な目盛として読み取りません。感温液の種類に応じた取扱いと廃棄方法を確認し、自己流の加熱で修復しないようにします。

熱電対

熱電対は、異なる2種類の金属を組み合わせ、温度の違いによって生じる熱起電力を利用します。測定した電圧と基準側の温度から、測温接点の温度を求めるセンサです。

この原理はゼーベック効果と熱電対の起電力で説明しています。熱起電力と温度の関係は種類ごとの規準表や関数で扱い、全温度域で単純な比例とはしません。

工業用にはK、J、T、Rなどの種類があり、構成材料や適する温度・雰囲気が異なります。同じ外見のプローブでも種類が違えば変換特性も違うため、計器の入力設定と銘板を照合します。

図3：熱電対は、電圧だけでなく端子の温度も使う

異種金属を測温接点で接続し、受信器側では基準接点の温度を補償します。

補償導線やコネクタは省略。実際は熱電対の種類に合うものを、指定された極性と接続方法で使います。

規準熱起電力表は、一般に基準接点を0℃とする関係を示します。実際の受信器の端子は室温などになるため、端子温度に相当する起電力を補う基準接点補償が必要です。

基準接点補償がある計器でも、端子付近に熱源や強い気流があると影響を受けます。端子間の温度をそろえ、受信器の周囲環境まで含めて点検すると、指示の変動を調べやすくなります。

配線を延長するときは、熱電対に適合する補償導線などの仕様を確認します。一般の銅線へ任意に替える、極性を逆にする、異なる種類の補償導線を混ぜる、といった接続は誤差の原因になります。

許容差は種類とクラス、温度区分の組合せで決まり、新しい素線の特性と使用後の変化も区別します。高温使用による劣化や熱履歴があるため、初期の許容差だけで永久に同じ精度とは扱いません。

規準表が定める温度の範囲は、プローブ一式をその範囲で連続使用できるという保証ではありません。素線径、保護管、絶縁材料、雰囲気などの条件を含む製品仕様で使用範囲を確認します。

抵抗温度計

抵抗温度計は、温度によって電気抵抗が変化する性質を利用して温度を求めます。工業用で使われる白金測温抵抗体では、温度と抵抗の規準関係に合わせて測定値を変換します。

Pt100は、0℃での公称抵抗が100Ωの白金測温抵抗体を示す記号です。Pt1000なら公称抵抗は1,000Ωとなり、名称が似ていても同じ入力設定へ接続できるわけではありません。

抵抗の測定には電流を流して生じる電圧を使うため、導線の抵抗も測定に入り込みます。2導線式では往復の導線抵抗が加わり、素子だけの抵抗より大きく見える原因になります。

図4：抵抗体は、素子の抵抗と導線の抵抗を分けて考える

2導線では往復分が加わります。3導線では、導線抵抗がそろう条件を利用してその影響を補償します。

3導線式では、導線抵抗が等しいことを前提として、その影響を補償する回路が使われます。3本あればどの接続でもよいのではなく、同じ側につながる導線と受信器の端子指定を合わせます。

導線の長さや太さ、接続部の抵抗が大きく違うと、補償後にも誤差が残る場合があります。さらに高い精度を求める測定では、電流を流す線と電圧を検出する線を分ける4導線式も使います。

測定電流を流すと素子自身も発熱するため、電流が大きければよいとはいえません。自己加熱の影響は周囲への放熱条件でも変わり、指定の測定電流と取り付け条件に合わせて使います。

測温抵抗体の抵抗が、そのまま4-20mAの電流になるわけではありません。温度伝送器を用いる構成では、抵抗を測って温度へ変換した後、4-20mAの信号として受信器へ送ります。

例えば適用範囲内のPt100クラスBで、許容差を±（0.3＋0.005|t|）℃とする仕様を考えます。100℃では0.3に0.5を加え、素子の許容差は±0.80℃となります。

±0.80℃は素子の許容差であり、配線と指示計器を含めた設備全体の精度とは異なります。用途で必要な許容範囲に対し、素子、変換器、表示、取り付けの影響を分けて評価します。

放射温度計

放射温度計は、物体から出る熱放射を受けて、温度へ換算する非接触式の温度計です。移動する物体や触れにくい高温部など、接触式のセンサを取り付けにくい対象に適しています。

検出する放射の強さは温度に加え、物体の放射率や測定する波長でも変わります。放射率は表面の状態でも変化するため、材質名だけでいつも同じ設定値を使えるとは限りません。

光沢のある金属は、自身の放射が弱く、周囲の熱源を反射した放射が測定に入りやすい対象です。「測れない」と一括りにせず、適した波長や表面条件、反射の影響を評価して測定方法を選びます。

図5：放射温度計へ入るのは、対象自身の放射だけとは限らない

対象からの放射と周囲の反射を区別し、測定視野が対象面に収まるようにします。

視野の広がりと測定径の定義は機種によって異なります。レーザーの点だけが測定面全体とは限りません。

測定対象が小さすぎると、対象の周囲からの放射まで一緒に受けてしまいます。測定距離と測定径の関係を仕様書で確認し、対象が必要な測定範囲を十分に満たす位置で使います。

照準用のレーザーが付いていても、その点の大きさと測定径が同じとは限りません。距離を離しても点が対象に当たっているから正しい、とはせず、光学的な視野を確認します。

透明なガラス越しでも、温度計の測定波長がそのガラスを通過するとは限りません。窓の透過特性に合わない機器ではガラス側の温度などが影響するため、波長と窓材を組み合わせて選びます。

黒体テープなどで表面条件をそろえる方法はありますが、対象とテープが熱的に安定する時間も必要です。耐熱温度や材質への影響を確認し、温度を測るための処置が対象の状態を変えないか評価します。

接触式との比較で放射率を調整するときも、両方が同じ場所の同じ温度を測っていることが前提です。表面と内部の温度差や時間のずれがあると、それを放射率の違いとして取り込む原因になります。

光路上の蒸気や粉じん、レンズの汚れも、受け取る放射を変える原因になります。指示が変わった際は対象の温度だけでなく、測定距離、表面、光路、レンズの状態を順に確認します。

バイメタル式温度計

バイメタル式温度計は、膨張係数の異なる2種類の金属を貼り合わせ、その曲がりを指針へ伝えます。工業用には感温部へらせん状などに収めたバイメタルを用い、温度変化を回転に変える構造があります。

加熱すると、よく伸びる金属が曲がりの外側になり、伸びの小さい金属が内側になります。その変位を機構で指針に伝えるため、外部電源なしで現場の温度を表示できる構成です。

現場表示に便利ですが、感温部の挿入長や配管からの熱の流出入によって指示は変わります。見やすい位置へ取り付けるだけでなく、感温する部分が対象の温度に十分なじむか確認します。

精度の表記には、温度スパンに対する百分率や、最小目盛に対する表記などがあります。例えば±2％スパンと指定された場合は、目盛上限と下限の差に0.02を掛けて、温度の許容幅を求めます。

マイナス側から始まる目盛では、上限の数字だけを掛けると計算が変わってしまいます。実際の製品では、％の基準がスパンか指示値か、目盛のどこまで適用されるかを仕様の定義で確認します。

指示に加えて接点を持つ機器を使う場合は、表示精度と接点の動作条件も別に確認します。接点付き温度計の使い方では、温度を読む機能に加えて、警報や制御へつなぐ条件が関係します。

ガリレオ温度計

ガリレオ温度計は、透明な液体の中へ密度を調整した複数の浮子を入れた温度計です。周囲の液体の密度が温度で変わり、浮子に働く浮力と重さの関係によって、浮く位置が変わります。

一般的な構造では、液体が温まると密度が下がり、浮子を押し上げる浮力が小さくなります。その結果、ある温度の境目を越えた浮子が沈み、温度に対応する表示を読み取れます。

図6：金属の膨張差と、液の密度変化による浮沈は別の仕組み

左はバイメタルを加熱したときの断面、右は同じ浮子を異なる液温へ置いた比較です。

浮子の中の色付き液体が膨張して、液柱のように目盛を動かすことが主な原理ではありません。周囲の液の密度と、浮子全体の密度を比べる仕組みとして考えると、液体温度計との違いが分かります。

表示の読み方は製品の構造によって指定され、浮いている群の一番下の札などを読みます。浮子の温度表示の間隔や、液体が周囲温度へなじむ時間もあるため、連続した細かな温度変化の把握には向きません。

温度の変化と浮力を目で確かめる教材や、室内の温度を示す装飾として利用できます。工場の管理用に使う場合は、必要な範囲と許容差、応答、校正の条件を満たすかを別に評価します。

現場での選び方と取り付け方

温度計を選ぶ最初の条件は、何の、どこの温度を知りたいかを決めることです。配管内の流体温度と配管外面の温度は同じとは限らず、放射温度計の値だけで内部温度を断定できません。

接触式で流体温度を測る場合は、感温部へ流体の熱が十分に伝わる位置を選びます。挿入が浅いと外気や取付部へ熱が逃げ、流体が高温でも低い温度を示す原因になります。

保護管を使うと機械的な保護や交換のしやすさを得られますが、温度の伝わりに遅れが生じます。サーモウェルの挿入長・応答・強度を合わせて確認し、深くすれば必ず良いとは判断しません。

必要なのが温度の微小な変化なら、素子の安定性に加えて計器の分解能やノイズも確認します。水晶の周波数変化を利用する水晶温度計もありますが、細かい表示と絶対的な正確さは区別します。

測定値を制御へ使う場合は、静止したときの精度だけでなく、温度が変わる速さも重要になります。加熱と停止を切り替える二位置制御の動作では、測定の遅れが温度の行き過ぎに関係します。

指示が細かく揺れるときは、実際の温度変動と電気的なノイズを切り分けます。ノイズフィルタと信号の応答の関係を踏まえ、平均化を強めて必要な変化まで見えなくしないようにします。

指示が違うときの確認手順

二つの温度計の値が違うときは、同じ場所と時刻、同じ測定対象を比べているか確認します。片方が表面、片方が内部、または応答の速さが違う場合、差があるだけでどちらかの故障とはいえません。

次にセンサの種類と受信器の設定、配線方式、レンジと単位を照合します。センサの断線や接触不良だけでなく、交換前の入力設定が残っていないかも確認すると、誤差の入口を絞れます。

測定が安定しても差が残る場合は、基準となる温度計と比較して指示の偏りを調べます。計測器の校正と記録管理では、基準、測定条件、結果を対応させて残すことが重要です。

センサを含めて温度を与える校正と、受信器へ電気信号だけを入れる確認では、調べられる範囲が異なります。電気的な入力で表示が合っても、感温部や現場の取り付けが正しいことまで確認したわけではありません。

誤差の見積もりでは、各機器の最大許容差と、測定の不確かさを同じ意味で混ぜないようにします。単純に足した値が必要なのか、個別の要因を評価して合成するのかは、用途の判定基準に合わせます。

温度計を交換した際は、型式、クラス、入力設定、校正結果と設置条件を一緒に記録します。交換後に値が変わったときも、工程の変化と測定系の変化を分けて説明できるようになります。

温度計のよくある質問

温度計の誤差は、どれも1～2℃ですか？

誤差は方式や製品、クラス、測定する温度、設置条件によって変わります。素子の許容差だけを温度計一式の誤差とせず、受信器や配線、取り付けによる影響を合わせて確認します。

熱電対と測温抵抗体は交換できますか？

異なる物理量を測るセンサなので、そのまま付け替えることはできません。受信器が対応する入力と設定、配線方式に加え、使用範囲や応答、保護管などの機械的な条件も確認します。

放射温度計で光沢のある金属は測れますか？

測定できる条件はありますが、放射率と周囲の反射が指示へ大きく影響する場合があります。対象の材質と表面、温度、波長、測定径に合う機器と方法を選び、必要な精度を確認します。

デジタル表示が細かければ高精度ですか？

表示の分解能は、小さな差を表示できる幅を示すもので、真の温度との近さを保証しません。センサと計器の許容差、校正の結果、設置による影響まで合わせて判断します。

0℃で合えば、ほかの温度も正しいですか？

一つの温度で合っていても、ほかの温度での偏りや感度の変化は確認できません。実際に使用する温度域の必要な点で比較し、校正結果の適用範囲を確認して使います。

まとめ

温度計の比較は、測れる温度の広さだけでなく、何を測り、どの条件で使うかから始めると整理できます。原理に応じた誤差の入口を押さえ、設定と取り付け、校正の記録を組み合わせて管理します。

出典

出典・参考資料（14件）を開く出典・参考資料を閉じる

• 産総研NMIJ：国際単位系（SI）とセルシウス温度
• 日本計器：ガラス製温度計による温度測定方法
• JEMIMA：熱電対の原理と誤差要因
• JEMIMA：測温抵抗体の原理と誤差要因
• 安立計器：熱電対と基準接点補償
• KOA：白金薄膜測温抵抗体の概要と許容差
• チノー：放射温度計の原理と放射率
• 長野計器：バイメタル式温度計の構造
• Western Washington University：ガリレオ温度計の密度と読み方
• 日本規格協会：JIS C 1602:2015 熱電対
• 日本規格協会：JIS C 1604:2013 測温抵抗体
• Analog Devices：測温抵抗体の2・3・4導線式と測定回路
• ジャパンセンサー：ガラスの透過と測定波長
• Arizona State University：バイメタルの膨張と曲がる方向