原題は『Pyrometry: A Practical Treatise on the Measurement of High Temperatures』、著者は Charles R. Darling です。
　例によって、プロジェクト・グーテンベルグさまに御礼。
　図版は省略しました。索引が無い場合、それは私が省いたか、最初から無いかのどちらかです。
　以下、本篇。（ノー・チェックです）

*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「高温測定法：高温測定に関する実用的論文」の開始 ***
高温測定

同じ著者による

エンジニアのための熱

熱に関する論文、特に
その
実用的応用について

改訂第3版、図版110点、
xiv+430ページ。ドゥミ8vo。定価12シリング6ペンス。

液滴と球体

彼らの形成と運動聴衆に

向けた3つの講演

イラスト43点、x + 84ページ。クラウン8vo、
布装。定価3シリング。

E. & FN Spon, Ltd.、ヘイマーケット、ロンドン、SW 1

高温測定
高温
測定に関する実用論文

による

チャス・R・ダーリング

ダブリン王立科学カレッジ準会員、ホイットワース
博覧会出品者、化学協会フェロー、
物理学会フェローなど。

シティ・アンド・ギルズ・テクニカル・カレッジ（
フィンズベリー、EC）物理学講師
、『HEAT FOR ENGINEERS』著者

第2版​​、改訂増補版、
69点の図版

ロンドン
E. & FN SPON, Ltd.、57 HAYMARKET、SW 1

ニューヨーク
SPON & CHAMBERLAIN、120 LIBERTY STREET
1920

[動詞]

コンテンツ
ページ
第2版​​への序文 9
初版への序文 11
チャップ。
私。 導入 1
II. 温度の基準 9
絶対または熱力学スケール – 定積ガス温度計 – 校正用の固定点 – 国立物理学研究所スケール – ガス温度計の現在の限界を超える温度。
III. 熱電対高温計 20
一般原理—熱接点に使用される金属—常時使用時の熱接点の変化—典型的な接点によって発生する起電力—熱電対の実用的形態—液体熱電対—熱電対高温計の指示器—指示器の特殊性—温度を直接読み取るための指示器の標準化—固定点による標準化—起電力測定による標準化—冷接点補償器—定温冷接点—特殊範囲指示器—ポテンショメータ指示器—熱電対高温計の記録装置—スレッド記録装置—シーメンス記録装置—フォスター記録装置—ポール記録装置—リーズ・ノースラップ記録装置—炉の温度制御—接触ペン記録装置—熱電対高温計の設置—熱電対高温計の管理—実験室における温度の使用熱電対高温計—温度の測定熱電法 – 表面温度の測定 – 低温の測定 – 蒸気、排気ガスの温度 – 温度差の測定 – 熱電法による温度測定の利点。   [vi]
IV. 抵抗型高温計 101
一般原理 – 差動ガルバノメータによる抵抗の測定 – ホイートストン ブリッジによる抵抗の測定 – 白金の抵抗と温度の関係 – 継続的に加熱した場合の白金の抵抗の変化 – 抵抗高温測定法で使用される用語 – 抵抗高温計の実用的な形式 – 指示器 – ジーメンス指示器 – ウィップル指示器 – ハリス指示器 – リーズ – ノースラップ指示器 – ジーメンス差動指示器 – 抵抗高温計用記録装置 – リーズ – ノースラップ記録装置 – ポール記録装置 – 抵抗高温計の設置 – 抵抗高温計の管理 – 抵抗高温計の特殊な用途。
V. 放射温度計 134
一般原理 – 放射高温計の実用形式 – フェリーのミラー高温計 – フェリーのスパイラル放射高温計 – フォスターの固定焦点放射高温計 – ポールの放射高温計 – 放射高温計の表示器 – 表示器の校正 – 記録装置 – 放射高温計の管理 – 放射高温計の特殊な用途。   [vii]

6. 光学高温計 167
   一般原則、ウィーンの法則、光高温計の実用形式、フェリーの光高温計、ルシャトリエの光高温計、ワナーの高温計、ケンブリッジ光高温計、ホルボーン・クルルバウム高温計、ロビボンドの高温計、メスレとノエルの高温計、消色高温計、光高温計の管理、光高温計の特殊な用途。
   七。 熱量測定式高温計 195
   一般原則 – 実用形式 – シーメンスの熱量計または「水」高温計 – 特殊な用途。
   八。 核融合高温計 204
   一般原則 – シーガーピラミッドまたは「コーン」 – ワトキンスの熱記録計 – 「センチネル」高温計 – ストーンの高温計 – 可融金属 – 可融ペースト。
7. その他の家電製品 211
   膨張および収縮高温計、ウェッジウッド高温計、ダニエル高温計、ノースラップ溶融錫高温計、蒸気圧高温計、水ジェット高温計、空気圧高温計、伝導高温計、ガス高温計、ウィボルグのサーモフォン、ジョリーのメルドメーター、ブリアリーのカーブトレーサー。
   索引 222  [viii]
   [ix]

第2版​​への序文
1911年の初版刊行以来、工業プロセスや実験室における高温計の利用は大きく進展しており、著者は本書がこの発展に少しでも貢献できたことを願っている。戦争による緊張の中、高温計は多くのプロセスにおいて非常に貴重であることが証明され、英国のメーカーは戦前に築き上げてきた地位を活かして、その需要に十分に応えることができた。高温計の利用増加に伴い、ユーザーが機器を最大限に活用するための情報を提供する参考書の必要性が高まっており、本書がこのニーズに応えるものであることを願う。第2版の作成にあたり、現代の実務慣行に合わせて一部を改訂し、その後の開発も取り入れた。本書の目的は、前版と同じである。[x]

著者は英国の高温計メーカーから受けた援助に感謝の意を表したいと思います。彼らはすべて、非常に有用な情報を惜しみなく提供してくれ、著者はそれをこの版の制作に役立てました。

チャス・R・ダーリング 

ウーリッジ、1920年。

[xi]

初版への序文
本書は、著者が1910年秋に王立芸術協会で行った「工業用高温測定法」に関するカンター講義に基づいている。近年、高温測定法の実践は、それに関連する文献の進歩をはるかに上回る速さで進歩しており、著者は、この主題を機器の実際の日常使用の観点から扱った英語で書かれた他の書籍の存在を知らない。本書では、温度の正確な測定そのものは、様々な操作を制御するための高温計の実用性に従属するものとされている。そのため、関心の高い機器の説明は、理論的な部分のみにとどめられているか、せいぜい簡潔にしか述べられていない。しかしながら、本書で扱われる機器を賢明に使用するには、これらの原理を理解することが不可欠であるため、すべてのケースにおいて基本原理は十分に説明されている。必要に応じて、数値例を示し、その原理を具体的に説明している。 [12]原理の応用、そしてさまざまな説明を理解するのが難しい読者（必然的に熱の主題の多くの部分を理解する必要がある）は、本書の出版社が発行する著者の「技術者のための熱」の論文を参照してください。

温度のスケールに関しては、著者は主に摂氏を使用していますが、華氏も依然として広く使用されていることを認識しており、そのため、両方のスケールで温度を表現することがよくあります。

高温の測定と制御を職業として活かす人々の数は増加の一途を辿っており、高温測定機器の製造は現在、相当数の人々に雇用をもたらしています。著者は、本書がこうした分野に携わるすべての人々、そして純粋に科学的な観点から高温測定という魅力的な研究に取り組む人々にとって役立つことを確信しています。

最後に、本文中で言及されている、説明のためにブロックを貸与し、貴重な情報を多数提供してくれたさまざまな企業に著者は感謝の意を表します。

チャス・R・ダーリング 

ウーリッジ、1920年。

[1]

高温測定

第1章
はじめに
「高温計」という用語は、かつては固体の膨張を測定するための機器を指していましたが、現在では水銀温度計の上限を超える温度を測定するためのあらゆる装置を指すのに使用されています。この上限は、一般的には水銀の沸点である 357 ℃ または 672 ℉です。密閉する前に管の内腔を窒素または二酸化炭素で満たしておくと、水銀が膨張したときに封入ガスによって生じる圧力によって沸騰が防止されます。また、硬質ガラス製の丈夫な球を使用すると、測定値を 550 ℃ または 1020 ℉まで拡張できます。この温度を超えると、最も硬いガラスでも高い内部圧力によって変形しますが、ガラスの代わりにシリカを使用することで、700 ℃ または 1290 ℉までの測定値を確保できます。このような温度計は研究室のプロセスには便利ですが、工場で使用するには壊れすぎます。炉の温度を測る必要がある多くのケースで必要な長さで作れば、そのコストはより耐久性があり便利な器具と同じくらい高くなるだろう。しかし、他の器具は [2]温度計と同様に読み取りが非常に簡単なため、条件が良好な場合はいつでも使用されます。この方向における最新の提案はノースラップによるもので、彼はグラファイト製の容器に錫を封入した温度計を開発しました。この温度計は1500℃以上まで読み取ることができます。この装置については 216ページで説明されています。

高温測定法の起源と発展は、科学的原理を産業に応用することの価値を示す顕著な例である。アイザック・ニュートン卿は、火から引き抜いた鉄の棒が冷めるのにかかる時間を観察することによって火の温度を測定しようとした最初の人物である。しかし、ニュートンの研究成果は 1701 年に発表されたものの、高温を測定するための実用的な機器が設計されたのは 1782 年になってからであった。その年、有名な陶工ジョサイア・ウェッジウッドは、温度を上げながら焼いた粘土が次第に収縮することに基づいた機器を発表し、それを炉の制御に使用したところ、最も熟練した職人の目視よりもはるかに信頼できることを発見した。この装置 ( 211 ページで説明) は 40 年間にわたって強力なライバルが存在せず、現在でもその使用は完全には廃れていない。

次のステップは、1822年にジョン・ダニエルが膨張式高温計を導入したことでした。石墨で覆われた白金の棒を伸長させることで拡大装置を操作し、目盛りの上で指針を動かして温度を読み取ることができました。 [3]直接測定できます。現代の機器に比べると精度は劣りますが、この高温計は連続的な測定値を示し、人による操作を必要としない初めてのものでした。膨張型高温計は、様々な膨張物質を用いて測定され、現在でも限られた範囲で使用されています。

1822年は、ゼーベックによる熱電気の発見でも特筆すべき年でした。2つの金属を加熱接合することで発生する電流は温度とともに増加し、この現象は高温計の簡便かつ十分な基礎となると考えられ、ベクレルは1826年にこの原理に基づく装置を製作しました。プイエらも熱電気法による温度測定を試みました。しかし、不適切な接合部の使用や信頼性の高い検流計の不足などにより、研究者たちは一致した結果を得ることができませんでした。この方法は実質的に放棄されていましたが、1886年に信頼性の高い形で復活したことで、近年見られるように高温計の用途が大幅に拡大しました。

1828年、プリンセップはガス高温計の使用を開始し、金の球にガスを封入しました。その後、より不融性の磁器球が使用されるようになりましたが、現代の研究では、磁器は釉薬をかけていても高温下では特定のガスを透過するため、正確な測定には全く適さないことが示されています。ガス高温計は工業的にはあまり役に立ちませんが、現在では他の高温計の校正基準として利用されており、球は白金とロジウムの合金で作られています。[4]

ルグノーの「混合法」に基づく熱量測定式高温計は、1862年にバイストロームによって初めて工業用途で製造され、特許を取得しました。この方法は広く応用されており、シーメンス社製の簡易型「水」式高温計は現在、工業用途で日常的に使用されています。しかしながら、この高温計は、多くの現代プロセスで求められる精度の結果を提供することはできません。

抵抗型高温計は1871年にW・シーメンス卿によって初めて記述され、炉内での日常的な使用のために製作されました。この方法が満足のいく水準に達するまでには多くの困難がありましたが、シーメンス社による継続的な研究、そしてカレンダーとグリフィスによる貴重な研究により、信頼性の高い抵抗型高温計が開発され、現在では広く使用されています。

1872年、ウィリアム・バレット卿は、高温測定学の現在の発展に間接的につながる発見をしました。バレット卿は、鉄鋼が白熱状態から冷却されると、内部の分子変化により、ある特定の温度で急激に温度が上昇することを観察し、「再熱」と名付けました。その後、鉄鋼分野の研究者たちは、この特性が金属の硬化と密接に関連していることを発見しました。例えば、ハドフィールドは、炭素含有量が1.16%の鋼のサンプルを、変化点のすぐ下で急冷しても硬化しないのに対し、15℃で同様の処理をすると硬化しないことに気づきました。 [5]それ以上になると、完全に硬くなりました。これらの発見は、鉄鋼業界における高精度な高温計の需要を直ちに引き起こしました。なぜなら、最も熟練した職人でさえ、これほど小さな温度差が鋼の特性にこれほど大きな変化をもたらすことを目で確認することはできなかったからです。この場合も、他の多くの場合と同様に、これらの機器は需要を満たすためにすぐに登場しました。

1886年に発表されたル・シャトリエの研究は、高温測定法の進歩に大きな前進をもたらしました。彼は、純白金と10%のロジウムを含むロジウム白金合金の接合部を用いることで、あらゆる点で満足のいく熱電式高温計を作製できることを発見しました。指示計にはダルソンバル可動コイル型検流計を用いました。均等に分割された目盛りを可能にするこのタイプの検流計は、現在この目的に広く用いられており、熱電式高温計は実用的であるだけでなく、他のどのタイプのものよりも汎用性に優れています。その後もこの方法は継続的に進歩し、現在では他のどの方法よりも広く利用されています。

加熱された物体の光度から温度を推定する試みは、1863年にエド・ベクレルによって初めて行われましたが、この方法が実用化されたのは1892年、ル・シャトリエが光高温計を発表した時でした。この装置は高温源の外部に設置されていたため、温度をはるかに超える温度での測定が可能でした。[6] 白金の融点は、白金を用いた高温計の限界温度であることは明らかである。スペクトルにおけるエネルギーの量的分布はその後、ウィーンとプランクによって解明され、熱力学的推論に基づく公式が提示された。この公式を用いることで、光高温計を熱力学的温度尺度に基づいて校正することが可能となった。本文中で言及されている他の光高温計は、ワーナー、ホルボーン、クルバウム、フェリーらによって考案されており、現在では到達可能な最高温度を光学的手段によって十分に測定できる。

1902年、フェリーによる全放射高温計の発明は、既存の計測機器に新たな価値をもたらした。ステファンによって発見され、ボルツマンの数学的研究によって裏付けられた4乗放射の法則に基づくこの高温計は、完全に外部から測定でき、永久的な記録を残すことができるため、非常に高温の産業工程において非常に有用である。フォスターらによって改良が加えられ、現在では広く応用されている。

炉内の温度を常時記録するための記録装置は、ホールデンとロバーツ・オースティンによって熱電式高温計用に、またカレンダーによって抵抗式高温計用に初めて開発されました。現在では様々な形式の記録装置が使用されており、得られた記録の価値は十分に証明されています。[7]

科学的な目的のため、すべての高温計は摂氏度を表示するように作られており、その100は760mmの圧力における氷の融点と水の沸点の間の温度差を表し、氷点は0°、蒸気点は100°と記されています。しかし、産業界では、英語圏では華氏度がしばしば用いられ、この場合の氷点は32°、蒸気点は212°と記され、温度差は180°です。したがって、摂氏度1度は華氏度の1.8倍の大きさですが、それぞれの目盛りで特定の温度を表す数値を求める際には、2つの目盛りのゼロ点の位置の差を考慮する必要があります。一方の目盛りの測定値をもう一方の目盛りの対応する数値に変換する場合は、次の式を使用することができます。

（C. 読書） （F. 読書 – 32）
————— ＝ ——————
5 9
したがって、上記の式に代入すると、660° C は 1220° F に、1530° F は 832° C に相当することがわかります。

全ての高温計が摂氏表示に対応していないのは大変残念なことです。摂氏と華氏の両方の目盛りを使うことで混乱が生じることがしばしばあるからです。この点について機器メーカー間で合意が得られれば、すぐに問題は解決するでしょう。摂氏表示は現在広く普及しており、華氏表示を求める購入者はほとんどいないからです。[8]

ここで指摘しておきたいのは、あらゆる目的に適した単一の高温計は存在せず、測定機器の選択は作業の性質に応じて決定されなければならないということです。熟練した作業を必要とする高温計は、訓練を受けていない者に任せるべきではありません。また、最も有用な結果を得るには、賢明な監督が不可欠であることは言うまでもありません。以降のページでは、各タイプの長所と短所について検討しますが、いずれの場合も、高温計に多額の投資をする前に、制御対象のプロセスに最も適したタイプについて、有能で公平な意見を得ることが望ましいです。カタログの記載は必ずしも信頼できるものではなく、誤った選択のために多額の費用を費やした測定機器が実際には役に立たないことが判明した例も少なくありません。実験室での測定に適した測定機器が、現場では役に立たないことがよくあります。使用する高温計のタイプを決定する前に、こうしたあらゆる可能性を検討する必要があります。

[9]

第2章
温度の基準
温度の絶対尺度、あるいは熱力学的尺度。—温度を測定するための実用的な機器はすべて、物質の何らかの進行性物理的変化に基づいています。水銀温度計では、液体の体積変化が熱さの尺度として用いられます。同様に、気体の体積変化や圧力変化、金属の電気抵抗の変化など、その他多くの物理的変化も、この目的に利用できます。高温の測定においては、様々な機器において様々な物理的原理が利用されており、同一の条件下ですべての機器が同じ指示値を示すことが最も重要です。各機器をそれぞれの性能だけで判断したのでは、この結果は得られません。例えば水銀温度計の場合、76センチメートルの圧力下における氷と水蒸気の温度差（100℃）の膨張量をαで示し、 2αの膨張は200℃の温度を表すと仮定します。 [10]などなど、比例して増えていきます。同様に、同じ 2 つの固定点の間で白金によって示される抵抗の増加を見つけてrで示し、2 rの増加が 200° に対応すると仮定します。ここで 2 つの計器を比較すると、一致しないことがわかります。白金計器が 200° を示した空間に両方を置くと、水銀温度計は 203° を示します。他の物理的変化に依拠してこれらの線上の温度目盛りを提供すると、同様あるいはそれ以上の食い違いが見られるため、物質の物理的特性に依存しない標準を使用することが極めて望ましいです。このような標準は、もともとケルビン卿によって提案された熱力学的な温度目盛りに見られます。この目盛りは、熱機関における熱から仕事への変換に基づいており、このプロセスは使用される媒体の性質に依存しません。したがって、この変換に基づく温度スケールは、物質の物理的特性とは一切関係がなく、温度を測定するためのあらゆる実用的な機器を比較するための基準を提供します。[1] このスケールで数値を表すときは、数字と一緒に文字Kを使用するのが慣例です。つまり、850°Kは熱力学スケールで850度を意味します。

[11]

既存の計測機器をこの標準器と比較すると、自由膨張する気体の体積、あるいは封じ込められた気体の圧力が温度に比例して増加するという仮定に基づく目盛りは、熱力学的目盛りとほぼ一致することがわかります。もし使用する気体が「完全気体」であれば、ここで述べた標準器と完全に一致する目盛りが確保されることが証明されています。したがって、水素、窒素、空気など、完全気体に最も近い性質を持つ気体を用いて、その指示値が熱力学的目盛りとほぼ一致する実用的な標準器を作成することができます。固体の膨張や金属の抵抗の増加など、他の物理的変化を選択し、その変化が温度に比例するという仮定に基づいて温度目盛りを作成すると、得られる結果は絶対標準器とは大きく異なるでしょう。このため、現在広く採用されている実用的な温度標準器は、適切な気体の特性に基づく計測機器です。

定容気体温度計。—気体の特性を実際の温度測定に応用する場合、気体を膨張させたときの体積増加を測定する手段、あるいは封じ込められた気体の圧力増加を観測する手段を考案することができる。後者の方法は実用上より簡便であり、この目的で使用される機器は定容気体温度計として知られており、その一例を図1に示す。気体は球状容器Bに封入されている。 [12]平行分岐に曲げられたチューブに接続され、その曲げ部には乾燥カップを備えたタップCが密閉されている。平行分岐の先端はフレキシブルチューブTに接続され、 [13]水銀タンクと連通しており、タンクは目盛りの上を移動でき、ロッドGがガイドとして機能します。この機器を使用するには、球Bを氷に浸し、蛇口Cを開きます。温度が0℃まで下がったら、タンクを調整して水銀を目盛りAまで上げ、蛇口Cを閉じます。次に、球Bを温度を測定したい空間または媒体に配置し、タンクを上昇させて膨張を防ぎ、水銀を目盛りAに保ちます。安定したら、タンク内の水銀がAの水位からどれだけの高さにあるかを読み取ることで、Bの温度を推測できます。使用する気体（この場合は空気）の圧力係数が分かっている場合は、次の式から温度を計算できます。

P 1 = P 0 (1 + bt )、

ここで、P 1はt °における圧力、P 0 は0°における圧力、bは圧力係数、つまり温度が1°上昇した場合の0°における単位圧力の増加量である。したがって、P 0 = 76cm、b = 0.00367、貯水槽内の水銀柱の高さがA = 55.8cmの場合、

P 1 = (76 + 55·8) = 131·8 cm、

これらの値を上記の式に代入すると、tは200°となる。この装置では、圧力計の蛇口Cが開いている間、圧力計球が氷に浸されているため、P 0は気圧計の高さに等しい。圧力係数は、圧力計球を既知の温度の蒸気中に置き、圧力の上昇を記録することで決定できる。与えられた式において、P 1、P 0、およびtは既知であり、 bの値は計算できる。

[14]

図1.—定容空気温度計

この装置を用いて正確な温度測定を行うには、球の膨張を考慮する必要があります。球が膨張しない場合よりも低い圧力が記録されます。また、接続管内のガスの温度は球内のガスと同じではありません。この誤差は、球を大きくし、接続管の内径を小さくすることで実質的に排除できます。水銀柱の密度は温度によって変化するため、水銀柱の温度も考慮する必要があります。様々な補正を行うことで、非常に正確な測定値を得ることができます。

高温測定に使用する場合、球はガラスよりも融解しにくい材料で作られていなければなりません。様々な研究者によって金、磁器、白金、石英が使用されてきましたが、900℃を超える温度で最も信頼性の高い材料は、白金と20%のロジウムの合金であることが分かっています。球内部に使用するのに最適なガスは窒素です。窒素は球の材料に対して化学的に不活性であり、金属に機械的に吸収されません。この装置で高温を測定する場合、窒素の膨張を防ぐために、氷点から273℃上昇するごとに1気圧というかなりの圧力が必要です。この圧力は、 [15]球の周囲に別の大きな球を設け、その間の空間に空気または窒素を流し込み、温度計の球の外側の圧力と内側の圧力が等しくなるようにすることで、この問題はデイによって克服されました。それでも、材質の軟化により球が変形し始めたため、1550℃より高い温度の測定値を得ることはできませんでした。この温度は、気体スケールで測定された最高温度ですが、溶融ジルコニアなどのより耐火性の高い材質を使用することで、この範囲を2000℃以上に拡張できる可能性があります。この方向での実験は、高精度の測定が可能な高温計を気体スケールで直接チェックできるようにするために、非常に望ましいものです。

高温計の校正のための定点— 高温を迅速に測定する必要がある作業場や実験室では、気体温度計は全く不向きであることは明らかです。その役割は、定点または温度標準を確立することです。これにより、より使い勝手の良い他の計測機器を、互いに、そして気体温度計の目盛り自体と一致するように目盛り付けることができます。このように、現代の高温計の温度目盛りはすべて、直接的または間接的に気体温度計から得られています。次のページの表には、様々な観測者によって測定された定点がいくつか示されています。誤差は、最高温度においても、おそらく±2℃を超えないでしょう。[16]

高温計の温度目盛りを実用化する際には、まず表に示されている複数の温度に機器を連続的にさらし、目盛り上に複数の固定点を設定する。次に、これらの点間の空間を適切に分割し、中間温度を表す。

固定点の表。

物質。 体調。 度。 度。
セント。 ファール。
水（氷） 融点 0 32
水 「沸騰」 100 212
アニリン ” ” ” 184 363
ナフタレン ” ” ” 218 424
錫 「溶ける」 232 449
鉛 ” ” ” 327 620
亜鉛 ” ” ” 419 786
硫黄 「沸騰」 445 833
アンチモン 「溶ける」 631 1167
アルミニウム ” ” ” 657 1214
食塩 ” ” ” 800 1472
銀（空気中） ” ” ” 955 1751
銀（酸素を含まない） ” ” ” 962 1763
金 ” ” ” 1064 1947
銅（空気中） ” ” ” 1064 1947
銅（グラファイト被覆） ” ” ” 1084 1983
鉄（純粋） ” ” ” 1520 2768
パラジウム ” ” ” 1549 2820
白金 ” ” ” 1755 3190

表に示されている数値は純物質のみに関するものであり、比較的少量の不純物が重大な誤差を生じる可能性があることを指摘しておく必要がある。 [17]温度が示す物理的条件が実際にどのように実現されるかについては、次の章で説明します。

国立物理学研究所尺度。各国で定点に関する厳密な合意はまだ得られておらず、国際的な尺度策定を目指して国立物理学研究所、米国規格協会、およびドイツ帝国議会の作業を調整する努力は戦争によって中断された。1916年、国立物理学研究所は摂氏熱力学尺度上の定​​点を採用し、これに基づいて英国のすべての高温計が標準化された。これらの数値は、各国で個別に測定された平均値を示す前表の数値とわずかに異なることがわかる。

国立物理学実験室スケール （1916年）

物質。 体調。 度。 度。
セント。 ファール。
水（氷） 融点 0 32
水 「沸騰」（760mm） 100 212
ナフタレン ” ” ” ” 217·9 424
ベンゾフェノン ” ” ” ” 305·9 582
亜鉛 融点 419·4 787
アンチモン ” ” ” 630 1166
食塩 ” ” ” 801 1474
銀（還元雰囲気中） ” ” ” 961 1761
金 ” ” ” 1063 1945
銅（還元雰囲気中） ” ” ” 1083 1982

[18]

より高温の場合、ニッケル（1452℃）とパラジウム（1549℃）の融点が用いられますが、これらの融点は表に記載されている物質ほど正確ではありません。銅とニッケルの中間に位置する有用な融点は、E.グリフィスによって確立されており、ニッケルを過剰量のグラファイトと共に加熱することで得られます。このとき、明確な共晶が形成され、1330℃（華氏2426度）で凝固します。

ガス温度計の現在の限界を超える温度。1550 ℃を超える温度では、機器をガス温度計と直接比較することはまだ不可能であるため、それより高い温度はすべて外挿法によって算出する必要があります。1550℃の限界までの温度における物理的変化を注意深く観察することで、その変化を支配する法則を発見することができます。そして、その法則が無期限に成立すると仮定すれば、計算によってそれより高い温度を推定することができます。この手順には常に一定の不確実性が伴い、過去には不確定な外挿の結果として、滑稽な数値が示されました。例えば、ウェッジウッドは粘土の均一な収縮を仮定して、錬鉄の融点を12001℃（華氏21637度）としましたが、ガス温度計の正しい数値は1520℃です。近年でも、熱接合部の温度と起電力を結びつける法則の外挿法が開発され、1100°までのガススケールとの比較によって得られる。 [19]ハーカーは、白金の融点は1710℃であると結論づけました。これは現在受け入れられている値よりも45℃低い数値です。しかしながら、異なる温度におけるエネルギー放射を支配する法則は、熱力学的原理から数学的に証明できるようであり、これらの法則から導かれる温度は、実際には絶対値、つまり熱力学的尺度で表されます。これらの法則を放射高温計を用いて温度を推定する際に外挿することは正当化されるようですが、そのような機器を検証するためには、ガスの尺度を可能な限り拡張することが望ましいです。放射法則が成り立つと仮定すれば、電気アークのような発生可能な最高温度を、かなりの確実性で決定することが可能です。

[1]熱力学的スケールのより詳しい説明については、著者の論文 「Heat for Engineers」の 391-2 ページを参照してください。

[20]

第3章
熱電対高温計
一般原理— ゼーベックは1822年、2種類の異なる金属の接合部を加熱すると、接合部に起電力が生じ、加熱された接合部が閉回路の一部を形成すると電流が生じることを発見しました。ベクレルは1826年、この発見を高温測定に応用しようと試みました。接合部の温度が上昇すると、一般に起電力が増加することを観察していたからです。しかし、一致する結果は得られず、その後ゼーベック効果に基づく高温計の開発を試みた他の人々の研究にも同じ運命が降りかかりました。これらの失敗にはいくつかの原因がありましたが、主に、現在私たちが所有しているような信頼性の高い検流計が存在しなかったことに起因しています。この問題が満足のいく形で解決されたのは、1886年にパリのル・シャトリエによってようやくでした。

加熱された金属接合部は起電力を生じますが、ランダムに選んだ金属の組み合わせが高温計の用途に適しているとは限りません。例えば、鉄と銅の接合部は起電力を生じ、その値は温度が上昇するにつれて増大します。 [21]ある温度まで起電力は低下しますが、それを超えると温度は上昇し、最終的には方向が反転します。この現象は「熱電反転」と呼ばれています。この場合、発生する起電力の観測から温度を測定することは明らかに不可能であり、選択される金属の組み合わせは、この阻害特性を持たないものでなければなりません。さらに、使用される金属は、測定対象となる温度に長時間さらされても、劣化したり熱電特性が変化したりしてはなりません。これらおよびその他の考慮事項により、適切な金属の組み合わせの選択は大きく制限されます。満足のいく結果を得るには、以下の条件を満たす必要があります。

1. 接合部によって発生する EMF は、温度が上昇するにつれて均一に増加するはずです。
2. いずれかの成分の融点は、測定対象となる最高温度よりも十分に高くなければなりません。ただし、溶融材料の起電力を利用する場合は例外です。
3. 長時間の加熱によってカップルの熱電値は変化しないはずです。
4. 金属は均質なワイヤに引き伸ばすことができ、接合部がどこに形成されても、所定の条件下で常に同じ EMF を発生するようにする必要があります。

上記の条件を満たす金属が安価で耐久性があれば、さらに有利になります。[22]

これらの要件の厳しさゆえに、信頼性の高い熱電式高温計の開発は1886年まで遅れました。この年、ルシャトリエは、一方の金属として白金、もう一方の金属として白金90%とロジウム10%の合金を用いた接合部が、一致する結果をもたらすことを発見しました。発生する起電力の測定に、ルシャトリエは、均等に分割された目盛りとデッドビート動作という利点を持つ、ダルソンバルが開発した可動コイル型検流計を利用しました。適切な接合部とシンプルで優れた指示計というこの理想的な組み合わせは、熱電式温度測定法の信頼性を即座に確立しました。白金は1755℃で融解し、ロジウム合金はさらに高い温度で融解するため、こうして炉内で行われるほとんどの工業工程を制御する手段が提供されました。

これまで、接合部の加熱の影響は回路の残りの部分の温度とは無関係に考察されてきたが、実用的な機器の構造を説明する前に、熱電回路を支配する法則について考察する必要がある。その最も単純な形は図2に示されている。一方の電線の両端は、もう一方の電線の別々の部分に接続され、その自由端は検流計に接続されている。こうして2つの接合部AとBが形成され、明らかに反対方向に作用する。Aを加熱すると電流の方向がAからBに向かう場合、Bを加熱すると電流の方向はBからAに向かうからである。したがって、AとBが等しく加熱されると、電流は流れない。 [23]回路には電流が流れ、この配置は等しい起電力を持つ2つのセルが対向しているのと等価です。ガルバノメータの各端子には熱接合が形成されますが、温度変化時に発生する電流は逆方向となり、互いに打ち消し合います。この回路に成立する法則は次のように表すことができます。

「熱電回路に A と B の 2 つの接合部がある場合、発生する起電力はA と B 間の温度差に比例します。」

図2.—2接合熱電回路。

通常、この 2 つの接合部は「ホット」接合部と「コールド」接合部と呼ばれますが、どちらかの温度が変動すると、ガルバノメータまたはインジケータの読み取り値が変化することを覚えておくことが重要です。[24]

すべての熱電回路に適用される第二の法則は、「発生する起電力は電線の太さに依存しない」というものです。これは、接合部に細い電線が使用されても太い電線が使用されても検流計の変位が同じになるという意味ではありません。変位は回路を流れる電流に依存し、オームの法則によれば、これは回路の総抵抗に反比例して変化します。したがって、特定の種類の細い電線を使用すると、太い電線を使用した場合よりも変位が小さくなる傾向があります。これは、細い電線の抵抗が大きくなるためです。検流計の抵抗が接合部の抵抗に比べて大きくない限り、変位の差は顕著になります。ただし、起電力は、使用する電線の太さに関係なく、一定の条件下では同じです。

図2を参照すると、この回路を実際に実現するには、カップルを形成する電線の1本を検流計へのリード線として使用する必要があることがわかります。これは、電線の材質が安価であれば容易に行うことができます。しかし、プラチナなどの高価な金属を使用し、検流計が数メートル離れている場合は、コストの問題で妥協が必要となり、回路は図3のように配置されます。ホットジャンクションを形成する電線は真鍮端子T Tに接続され、そこから銅線が検流計Gに接続されます。この配置により、ホットジャンクションAとB、ジャンクションAと真鍮、ジャンクションBと真鍮の3つの有効なジャンクションが形成されます。 [25]銅と真鍮の2つの接合部は互いに反対方向にあり、互いに打ち消し合って均等に加熱されます。検流計の接続部も同様です。このように3つの独立した接合部で構成される回路では、温度変化に対する正味の起電力を単純な式で表すことはできません。また、測定値の誤差を避けるため、図のように配置した実際の計測器では​​、端子TTにおける温度変化が顕著にならないように注意する必要があります。

図3.—3接合熱電回路。

熱電能動素子の実用上の利点は、図3のCに示すように、導線が他の金属によって遮断されている場合、両方の接合部が均等に加熱されていれば、各接合部で発生する起電力が等しく、回路に電流が流れないという事実である。 [26]は反対方向です。したがって、接続部を含む領域の温度が常に均一であれば、プラグキーまたはスイッチで回路を遮断してもエラーは発生しません。

もう一つの有用な事実は、2本の電線を接触させる場合、まれなケースを除いて、熱電能を変化させることなく、はんだ付けまたは第三の金属を用いて接合部を固定できることです。例えば、銅-コンスタンタンまたは鉄-コンスタンタンの接合は、ホウ砂をフラックスとして用いた銀はんだで適切に接合できます。これにより、単に電線をねじり合わせただけでは必ず生じる接触の不確実性を回避できます。しかしながら、はんだ付けよりも溶接の方が好ましいです。

熱接合に使用される金属。近年まで、水銀温度計の測定範囲を超えるすべての温度には、白金-ロジオ白金または白金-イリジオ白金接合が慣例となっていました。これらの金属は価格が高騰しているため、より安価な代替品の発見を目的とした調査が行われ、1000℃（華氏1800度）まで良好な結果が得られ、多くの工業プロセスで使用される温度範囲が明らかになりました。この温度を超える温度では、白金系の金属が依然として精密測定に使用されていますが、安価な金属、すなわち「卑金属」で測定可能な温度範囲をさらに拡大できれば、大きなメリットとなります。この方向への期待は、熱接合に使用される溶融金属の特性によってもたらされます。著者の調査によると、一般にEMFは [27]接合部で発生する起電力は、一方または両方の金属が溶融しても急激な変化を起こさず、溶融が起こらなかったかのように継続します。溶融後も回路の導通を維持するように工夫することで、銅や錫などの金属の沸点（どちらも2000℃以上）に近い温度を読み取ることができる場合があります。卑金属は白金や類似金属ほど耐久性がありませんが、交換コストはごくわずかであるため、この欠点はそれほど重要ではありません。さらに、卑金属接合部は通常、白金金属よりもはるかに高い起電力を発生するため、より強力で安価な検流計を指示計として使用できます。

高温計で使用される熱接合部。

カップル。 上限
ジャンクションが使用される場合があります。
度。 度。
セント。 ファール。
プラチナおよびロジオプラチナ（10パーセントRh） 1400 2550
2 異なる組成のロジオプラチナ合金 1600 2900
プラチナおよびイリディオプラチナ (10%、Ir) 1100 2000
ニッケルとコンスタンタン 900 1650
ニッケルと銅 800 1475
ニッケルと炭素 1000 1850
ニッケルと鉄 1000 1850
鉄とコンスタンタン 900 1650
銅とコンスタンタン 800 1475
銀とコンスタンタン 800 1475
2 異なる組成のニッケルクロム合金
  （ホスキンの合金） 1100 2010
ニッケルクロム合金およびニッケルアルミニウム合金 1100 2010
2 異なる組成の鉄ニッケル合金 1000 1850

[28]

任意の金属ペアを所定の温度に加熱した際に、接合部から発生する起電力は、金属の産地によって異なります。例えば、異なる産地から採取された10%のロジオ白金の2つのサンプルを、同じ白金片と接合した場合に、この点で40%の差を示すことは珍しくありません。他の金属でも同等かそれ以上の差が見られる場合があります。したがって、接合部の交換は、接合部を構成するのと同じ長さの白金線を使用することによってのみ、正確に行うことができます。白金自体が均一ではないことを示す例として、白金線を2本、同じ長さでない場合、接合部として加熱すると、高感度の検流計に偏向が生じることが挙げられます。そのため、製造業者は、同一種類の、可能な限り均質な白金線を相当量入手するのが通例です。これは、同一の機器を多数製造し、必要に応じて指示計の目盛りを変えることなく接合部を交換するためです。

前述の表で多く使われている「コンスタンタン」と呼ばれる合金は、ニッケルと銅から成り、「ユーレカ」や「アドバンス」として販売されている合金と実質的に同一です。高い比抵抗と非常に小さい温度係数を持ち、巻線抵抗として広く用いられています。コンスタンタンと他の金属で形成されたコイルは、加熱時に、通常のコイルよりも数倍大きな起電力を発生します。 [29]ニッケルクロム合金製の熱電対は「ホスキン合金」として知られ、英国ではフォスター・インストゥルメント社によって導入されており、連続使用では 1100℃ まで、臨時使用では 1300℃ まで測定できる。アメリカでよく使われている別の熱電対は、ニッケル 90% とクロム 10% の合金とニッケル 98% とアルミニウム 2% の合金から成り、1100℃ まで使用できる。ニッケル、クロム、鉄、アルミニウムなどの合金でできた他の熱電対もさまざまなメーカーによって導入されているが、上記のものほど満足のいくものではない。

連続使用時の熱接合部の変化。金属は、何らかの物理的変化を起こさずに高温に連続的に耐えられるとは考えにくい。そのため、特定の接合部で発生する起電力は、一定期間の連続使用後に変化する傾向がある。例えば、白金は1100℃を超える温度では比較的短期間で顕著な変化を示すが、1000℃以下の温度では変化はごくわずかであり、この範囲を超えない限り、白金-ロジオ白金またはイリジオ白金接合部は、この原因による重大なエラーが発生することなく、何年も使用できる。この変化しやすさは、熱接合部の範囲を制限する要因の一つである。 [30]接合部は、変化が大きくなり始める温度を超えて連続的に使用してはいけません。 2 つ目の食い違いの原因は、成分の 1 つが蒸気の形で蒸発することによる合金の組成の変化の可能性です。これはイリジオ白金合金で見られます。イリジウムは 1100 ℃ を超えると目に見える量で揮発し、これらの合金と白金の接合部の熱電値が 10 パーセント以上低下します。 コンスタンタンは熱電特性が非常に安定しているようで、コンスタンタンが使用されるさまざまな接合部は、過熱されない限り高度な安定性を示します。ロジオ白金合金は非常に安定しており、1100 ℃ を超える温度では、異なる組成の 2 つのこれらの合金の接合部は、純粋な白金を使用した接合部よりも耐久性があります。コワルケ社製のアメリカ製卑金属接合部を対象とした一連の長期試験の結果、メーカーから受領した接合部を継続的に加熱すると起電力が大きく変化することが示され、場合によっては指示計で100℃を超える変化が見られました。最終的に、歪みの緩和やその他の変化により安定した状態が達成され、校正前に材料を徹底的に焼きなまし処理する必要があるという結論に至りました。いずれの場合も、接合部を定期的に何らかの標準温度で試験し、顕著な誤差が認められた場合は、古い接合部を新しい接合部に交換することが望ましいと考えられます。[31]

ゆっくりとした物理的変化による誤差に加え、接合部は、炉内ガスや接合部が接触する可能性のある固体の化学反応によって、保護が不十分な場合、著しく変化する可能性があります。鉛やアンチモンなどの金属の蒸気は非常に有害であり、特に白金は還元雰囲気下ではリンを含む蒸気によって深刻な影響を受けます。炉内ガスの腐食作用は非常に強いため、誤差や損傷を回避するには、接合部を適切に保護することが不可欠です。一度腐食した電線で接合すると、以前と同じ起電力は発生しません。

代表的な接合部によって発生する起電力。—以下の表は、100℃の範囲で動作範囲の中央値において測定された、いくつかの接合部によって発生する起電力を示しています。これらの数値は、金属の産地によって大きく変動します。

カップル。 EMF（ミリボルト）
中間地点で100°上昇
作業範囲の。
プラチナ – ロディオプラチナ (10% Rh) 1·1
プラチナ – イリディオプラチナ (10% Ir) 1·2
ニッケルコンスタンタン 2·3
銅コンスタンタン 5·8
ニッケル銅 6·1
鉄コンスタンタン 6·7
ホスキンの合金 7·4
[32]

卑金属接合は白金系よりもはるかに高い値を示すため、感度が低く、したがって安価な指示薬と併用できる点に留意してください。また、卑金属接合は供給される起電力が大きいため、特定の温度範囲においてより高感度な測定値を得ることができます。

図4.—熱電式高温計の実用形態。

熱電対の実用的形態。高価な接合部を使用する場合、強度と施工の容易さを考慮した最小の太さの電線が使用され、標準電線ゲージ25番が適しています。一般的な配置は図4に示されています。図4において、Jは熱接合部で、そこから電線は絶縁体として機能する薄い耐火粘土管（または2つの穴を持つ耐火粘土管）を通って高温計のヘッドにあるリールRRに通されます。リールRRには予備の電線が巻かれており、必要に応じて新しい接合部を作ることができます。2本の真鍮ストリップSは、一方の端で電線にねじ止めされ、もう一方の端にはネジ端子が取り付けられています。そこから電線は検流計または指示計に接続されます。保護管Tは、電線と熱接合部を囲んでいます。ヘッドHは、木材、繊維、または磁器で作ることができ、 [33]電気と熱の絶縁体。様々な改良が用いられていますが、ここで説明する一般的な方法はほとんどのメーカーが採用しています。高温計の端部にある冷接点の温度変化による誤差を防ぐため、一部のメーカーはヘッドに中空空間を設け、その中を冷水が常に循環するように設計しており（図5）、この構造は「水冷ヘッド」として知られています。予備電線は中空のヘッドに2本の螺旋バネとして組み込まれ、バネの上端は端子に接続されています。

図5.—水冷ヘッドを備えた高温計。

保護管の選択は極めて重要です。当然のことながら、保護管は最高到達温度でも軟化してはなりません。また、高価な金属を接合部に用いる場合は、シースがガスや蒸気を透過しないようにする必要があります。また、接合部が熱に反応できるよう、可能であれば熱伝導率の良いものも必要です。 [34]周囲の温度変化に素早く反応し、機械的強度も備えていなければならない。これらの特性をすべて単一の材料で実現することは困難であり、シースの選択は、カップルが使用される条件によって決定される。使用される材料、その特性、および特別な用途は、以下のように列挙できる。

1.鉄または軟鋼。1100 ℃以下の温度では、鉄または軟鋼製のカバーは導電性の観点から安価で効率的ですが、酸化による劣化が生じやすいです。ルーダー法によって外側を「加熱処理」することで、酸化の傾向は大幅に減少します。この方法では、鉄を金属アルミニウムとアルミニウム酸化物の混合物で加熱し、表面に耐酸化性合金を形成します。表面に微細なアルミニウム粉末を塗布し、白熱させることでも、ほぼ同様の効果が得られます。この処理により、鉄製のシースの寿命が大幅に延びます。一部のメーカーは、電線を内側の鋼管で包み、炉内ガスと接触する外側の管を使用しています。外側の管は、内側の管が破損して接合部が露出する前に腐食が検出されます。一部のメーカーは、加熱した白金を空気のみで鉄の表面にさらすことは安全ではないと考え、シリカまたは磁器製の内側カバーを使用し、外側の鉄管または鋼管で機械的損傷から保護しています。通常の作業では、継ぎ目のない蒸気管または油圧管で十分ですが、 [35]溶融鉛やその他の金属に浸漬する場合、チューブは固体から穴を開ける必要があります。鉄または鋼製のシースの大きな利点は、その機械的強度です。これにより、過酷な使用条件下においても、カップルを損傷から保護します。

2.ニクロム。ニッケルとクロムの合金、特にニクロムIIとして知られる合金は、1100℃でも顕著な酸化を示さずに保持できるため、この材料の被覆は上記の温度まで使用できます。ニクロムは鉄よりも耐久性が高いだけでなく、強度と優れた導電性という鉄と同様の利点を備えていますが、その一方で高価です。

3.モリブデン。融点が約2500℃のこの金属は、溶融した真鍮、青銅、銅などに浸しても腐食を受けません。溶融合金の温度を測定するための保護管の先端部に使用されています。モリブデンの細い管だけで覆われた接合部は、すぐに周囲の温度に達します。

4.黒鉛と黒鉛の組成。炭素は既知の物質の中で最も高い融点を持ち、人造黒鉛またはアチソン黒鉛の形態では、容易に任意の形状に機械加工することができます。黒鉛シースは溶融金属への浸漬に用いられることがありますが、1000℃以上ではアチソン黒鉛は容易に酸化され、脆くなります。熱伝導性は優れていますが、容易に破損します。黒鉛の組成 [36]天然黒鉛や、モルガン社の「サラマンダー」などの耐火土は、導電性においては純粋な黒鉛より劣りますが、より強く、容易に酸化されないため、接合部への炉ガスの浸透が重要でない場合は、1400°C まで、あるいはそれ以上の温度でシースを形成するために使用できます。

5.磁器。この素材は、最良の状態では1400℃まで使用できますが、接合部への炉内ガスの侵入を防ぐため、効果的に釉薬を塗布する必要があります。磁器は衝撃を与えると容易に破損するため、状況が許せば鉄製のカバーで保護する必要があります。「マルクアート」と呼ばれる種類は、高感度熱電対として非常に優れていることが分かっています。磁器は熱伝導率が低く、接合部を磁器で覆うと、外部からの温度変化に迅速に反応しません。

6.ガラス化シリカ。この物質は酸水素吹管で加工できるほか、主に保護管として使用されます。しかし、1100℃を超える温度での連続加工には適していません。この温度を超えると失透が起こり、管が多孔質になってしまうためです。熱伝導率は比較的良好で、急激な温度変化にも割れることなく耐えます。非常に脆いため、通常は鉄で覆われています。

7.アランダム。この材料は溶融ボーキサイトから作られ、融点は2050℃です。保護管に使用される特殊な形態のアランダムは、1300℃まで無孔性であり、良好な被覆を形成します。アランダムは熱伝導率が中程度ですが、壊れやすいという欠点があります。[37]

8.カーボランダム。これは電気炉で製造されるもので、2000℃以上に加熱しても損傷しません。高温計の管に加工するには、適切な材料と接着し、成形後に焼成します。カーボランダム、および「シルフラックス」として知られる非晶質のカーボランダムは、1600℃という高温でも接合部を保護するのに有効であることが証明されています。熱伝導率は比較的良好ですが、管は破損しやすいという欠点があります。

9.マグネシア。この物質は2000℃をはるかに超える温度で融解するため、特殊な用途にチューブ状に加工されて使用されてきました。マグネシアは熱伝導率が低く、機械的強度も低いです。

10.ジルコニア。これは非常に耐火性の高い材料で、融点は2500℃を超えます。ガラス質に加工することも可能です。ガラス質は多孔性がなく、急激な温度変化にも耐えます。現在入手可能なのは、ジルコニア粉末を成形した高温計用チューブのみです。この方法で加工された材料は「ジルカイト」と呼ばれています。ジルコニアは熱伝導率が低いものの、その他の特性により、熱接合部として考えられる最高温度での作業に最適な材料となります。ガラス質が利用可能になれば、より広範囲に利用できるようになるでしょう。[38]

図6.ヘッド内に特殊な冷接点を備えた
高温計。

以上のことから、理想的な保護管は未だ見つかっていないことが分かるでしょう。ユーザーは自身の要件に最も近いものを選択する必要があります。化学蒸気が存在する場合は特に考慮し、化学蒸気によって侵食されたり貫通したりしないシースを選択する必要があります。

接続部に戻ると、ワイヤーは常に溶接することが望ましい。撚り合わせによる接触に頼らないこと。プラチナおよびプラチナ合金は、接続部を空気ではなく酸素を供給する石炭ガス吹管内に置くことで容易に溶接できる。低温で作業する場合は、ブンゼンバーナーの炎の中で少量の金を用いてプラチナ金属をはんだ付けすることができる。

接合部に安価な金属を使用すると、構造を大幅に変更することができ、多くの場合、利点も得られます。例えば、図6はA. Gallenkamp & Co.製の熱電対を示していますが、使用されている金属は銅とコンスタンタンで、銀ろうで固定された熱接点は、ヘッド部に配置された同じ金属の冷接点によって補完されています。熱接点からの銅線は直接銅端子に接続され、そこから銅線リードが検流計へと導かれます。冷接点からの銅線についても同様の処理が行われ、回路が実現されます。 [39]図2 に示す。冷接点は油中に保持され、その温度は短い温度計で記録される。これにより（後述するように）、どのような状況下でも温接点の正確な温度を推定することができる。この装置では、電線の絶縁に2穴耐火粘土が使用され、保護管は鉄製である。これは、冷接点の使用上限（800℃）を満たすのに十分である。ガルバノメータに鉄のリード線を使用することで、鉄とコンスタンタンを同様に使用することができる。

安価な金属の使用によって実用化された別のタイプの計測機器は、「重量型」とも呼ばれ、ワイヤの代わりに厚い金属片を溶接して作られているため、強度と寿命が向上します。クロンプトン社は、この種の熱電対を初めて導入しました。この熱電対は、厚い鋼管の一端にニッケル棒が溶接され、他端は自由端になっています。棒の全長は鋼管から適切に絶縁されており、棒と管のリード線は検流計に引き出されています。 図7は、ポール社が製作したこの種の熱電対を示しています。鉄管の中央にコンスタンタン棒が通され、管とはマグネシアで絶縁されています。先細りの端で2つの金属が溶接され、自由端では管と棒に取り付けられた特殊なキャップが接触部を互いに絶縁し、検流計へのリード線を導出する役割を果たします。同様の熱電対はフォスター・インストゥルメント社（図8）によって製造されており、 [40]鉄-コンスタンタン対では900℃まで、ニクロム対では1100℃まで、シンプルで安価、そして信頼性の高い温度範囲で動作します。摩耗した場合は、わずかな費用で同じ金属バッチで作られた別の製品に交換できます。

図7.—重量型、安価な金属製高温計。

接合部の材料の一つとして炭素を用いる場合の欠点は、接合する金属との良好な接触を確保するのが難しいことです。ニッケル-炭素接合では、バネを用いて2つの材料を互いに押し付けることで接触を確保することがあります。しかし、このような接合方法は、材料を溶接する方法ほど信頼性が高くなく、何らかの原因で接触不良が生じれば、深刻なエラーにつながる可能性があります。より好ましい方法は、ニッケルと炭素の両方の棒を、どちらかの接合部のクロスピースにねじ込むことです。

図8.—フォスターの安価な金属製高温計。

蒸気管や炉の外部などの表面温度の測定に熱接合部を使用する場合、ワイヤを約¼インチの薄い金属円板に通すことができる。 [41]直径1.5mmの絶縁体で、背面にはんだ付けされています。適切な材料は銅とコンスタンタンで、銀ろうで薄い銅板にはんだ付けされ、 図6に示すように、機器ヘッドの冷接点に接続されています。絶縁体の端子部分は硬い木材で作られ、はんだを覆うように穴が皿穴に開けられており、木材が円板に接触します。円板を熱い表面に押し付けると、すぐに温度が上昇します。著者は、様々な状況下での試行により、この表面温度測定法が信頼性が高く、一貫性のある結果をもたらすことを発見しました。 [42]表面温度が高い場合、プラチナ製のディスクに、通常のプラチナ製金属片を純銀でディスクに半田付けし、さらに二孔耐火粘土片をディスクの裏側に配置すれば、実用上ほとんどの場合に十分であることがわかる。ワイヤをディスクに半田付けするには、小型の吹き管炎が最適であり、最初の場合はホウ砂をフラックスとして使用する。ただし、プラチナ製金属と純銀を半田付けする場合はフラックスは不要である。

熱電対の長さを決定する際には、記録される温度は温接点付近の温度であることを覚えておく必要があります。炉内の温度が均一な場合は、熱電対の先端を炉内に約12インチ突き出せば十分ですが、炉内の物体の温度変化を追跡する場合は、先端を物体の近くに配置する必要があります。炉の外部から物体までの距離が2フィートを超える場合は、熱電対を天井から垂直に吊り下げるように挿入する必要があります。側面から挿入した場合、高温になると熱電対は自重で垂れ下がってしまうためです。冷接点の加熱が自動的に補正されない場合は、必ず炉の外部と冷接点との距離を少なくとも15インチ離してください。熱電対を挿入した後、炉壁の開口部を適切な接着粘土で閉じてください。

煙道など、場合によっては長い器具を水平に設置する必要があります。その場合、適切な位置に煙道の横にレールを設置し、器具の垂れ下がりを防止して支えとすることができます。[43]

液体元素熱電対。—著者とAWグレースによる調査により、温度上昇によって発生する起電力の連続性は、融点において熱電特性が急激に変化するビスマスとアンチモンを除き、融解によって中断されないことが示された。したがって、融解後も回路を維持する熱電対を作製することで温度を測定することは可能と思われる。その利点は、測定範囲が融点ではなく金属の沸点によって制限されるため、より高い測定が可能になることである。一般的な金属の沸点を以下に記す。—

金属。 沸点。
摂氏度 華氏度
アルミニウム    1800 3270
銀 1955 3550
錫 2270 4120
銅 2310 4190
ニッケル 2330 4225
鉄 2450 4440

これらの図を見ると、適切な対が得られれば、一般的な金属を用いて白金族金属の線状接合部でカバーされる範囲の限界に等しい、あるいはそれを超える温度を測定できることがわかる。 [44]これら 2 つの金属のうち、グラファイトは、他の理由でその使用に反対されない限り、その 1 つとなる可能性があります。

図9.—液体要素熱電対。

溶融金属の使用を可能にするために著者が設計した熱電対の形状を図9に示す。耐火物Rの棒には縦方向に2つの穴が開けられており、その穴に熱電対AとBの棒が通される。AとBの下端はグラファイトブロックGに挿入され、ブロックGは上面でRに接合されている。全体は耐火カバーCで囲まれている。どちらか一方、あるいは両方の熱電対が溶融しても、回路はGを通じて維持される。Gは溶融時にAとBの混合を防ぐ役割も果たすが、発生する起電力には影響を与えない。溶融時の金属の膨張を許容するため、AとBはRに緩く嵌め込まれる。炉内にEFで示される深さまで挿入すると、金属の閉じた端に隣接する部分のみが溶融し、外側の部分は固体のままとなる。現時点では、耐火物Rの入手は不可能である。 [45]商業利用に適した形状の部品が不足していますが、この障害が克服されれば、このタイプの熱電対は、通常の卑金属接合部の範囲を超えた温度の測定に役立つはずです。

熱電式高温計の指示計。加熱時に単一の接合部で発生する起電力は小さいため、回路を流れる微小電流を示すには高感度の検流計が必要となる。可動コイル型の高感度ミリボルトメーターは、目盛りが均等に分割されており、必要な感度を備えているという利点があるため、広く用いられている。馬蹄形磁石の両極間に金属片で吊り下げられたコイルからなる最初のダルソンバル検流計は、ル・シャトリエによって使用され、彼はこの機器の助けを借りて高温測定法の基礎を築くことができた。現在、この機器には3つの形式、すなわち( a )吊り下げコイル「ミラー」型、( b )吊り下げコイル「ポインター」型、( c )ピボット型が使用されている。以下にそれぞれの例を説明する。

図10.—ホールデン・ダルソンバルミラーガルバノメータ。

図10は、ホールデン将軍（FRS）が設計したダルソンバル原理に基づくミラーガルバノメータを示している。馬蹄形磁石は積層されており、柱で支えられた鉄心が両極間に配置されています。鉄心と磁石の極間の空間を移動するコイルは、リン青銅の薄く平らなストリップによって吊り下げられており、このストリップには小さな円形のミラーが取り付けられています。同様の構造を持つ [46]リン青銅製のストリップがコイルの下部に固定され、ベースにある調整ネジに繋がれている。サスペンションストリップの両端は検流計の端子と接続されており、一方の端子から流入した電流は金属サスペンションとコイルを通り、もう一方の端子へと流れる。強力な磁場中にあるコイルに電流を流すと、サスペンションストリップをねじる軸方向の動きが生じ、この動きは鏡面反射光によって遠くの目盛りに大きく拡大される。電流を止めると、ストリップのねじれが解け、コイルは元の位置に戻る。このタイプの検流計は、コイルの動きと復元が振動なしに行われる、非常に「デッドビート」な動作をする。 [47]このガルバノメータには、1メートル間隔で設置された長さ50センチメートルの半透明スケールが適しています。工場で使用する場合、機械の振動によって光点が不安定になるため、ミラーガルバノメータを保護する必要があります。これを実現するための最良の方法は、図11に示すとおりです。これは、ウールウィッチ兵器廠の王立銃砲工場で使用するためにWJランバートが考案した吊り下げ方式です。ガルバノメータの通常の支持は廃止され、機器は鏡面から吊り下げられます 。[48] 真鍮製の三脚のリングに取り付け、3つのバネを部分的に圧縮した状態に保つ。このように吊り下げられたミラー式検流計は、商業用途に非常に適している。実験室のような静かな環境では、通常の支柱を使用できる。ミラー式検流計を使用する利点は、指針付きの計器よりもはるかに長い目盛りを使用できるため、温度測定の精度が向上することである。

図11.—ランバートのガルバノメータ用防振スタンド。

図12.—シーメンスの熱電指示計。

指針を備えた吊り下げコイル計器の構造は、前述のものと細部のみが異なる。鏡の代わりに、コイルに接するように吊り下げ部に光指針が取り付けられ、指針が動く目盛りが設けられている。図12は、シーメンス社製のこのタイプの計器の例であり、吊り下げ部は本体から伸びる管内に収納されている。 [49]計器の指針の先端が移動できる目盛りの最大長さは約6インチです。指針が長くなり、重くなると、熱電能に必要な点以下の感度が低下します。

ダブルピボット型では、サスペンションが不要となり、可動コイルの両端にピボットが固定され、ベアリングに保持されます。コイルを回転させると、リン青銅製のヘアスプリングが圧縮されます。電流が止まると、このスプリングがほどけてコイルは元の位置に戻ります。コイルには目盛り上を移動する指針が付いています。これらの計器は、コイルが吊り下げられているものほど感度は高くありませんが、実用上はあらゆる種類の接合部で動作できるほど十分な感度を実現できます。ピボット型は吊り下げ型よりも安価で強度も高く、十分な感度が必要な場合に使用されます。

RWポール社製の「ユニピボット」検流計を 図13と17に示す。指針を支えるコイルは円形で、磁石の両極間に配置された球状の鉄芯の周りを回転する。鉄芯には穴が開けられており、コイルはこの穴の底にある単一のベアリングに支えられている。リン青銅製の制御バネがコイルをゼロ位置に戻す役割を果たしている。単一のピボットを使用することで摩擦が低減されるため、この計器は必要に応じて非常に高感度に制御することができ、接合部の温度が比較的わずかに上昇するだけで、指針が目盛りの全長を横切ることも可能である。[50]

図13.—ユニピボットガルバノメータの原理。

指示計の特殊性。吊り下げ式か旋回式かを問わず、すべての可動コイル式計器は、「クリープ」と呼ばれる現象によりゼロ点が変化する可能性があります。吊り下げストリップは、最初に所定の位置に固定された際に、通常、ある程度の初期ねじれを有しており、これが徐々に作用し始め、コイルをわずかに動かします。同様に、旋回式計器では、制御バネの強度または形状が最初に徐々に変化し、指針がゼロ点から離れてしまいます。このため、光点または指針をゼロ点に戻すための調整機構が備えられています。このクリープは、一定期間（多くの場合12ヶ月）後に止まり、何らかの負荷がかからない限り、この原因による誤差は顕著な程度には再発しません。 [51]ミラー式ガルバノメーターの場合、コイルをねじり直すよりも、スケールを移動したり、ガルバノメーターを軸を中心に回転させたりして正しいゼロ点に戻す方が効果的です。しかし、固定スケールと指針の場合、唯一の解決策はコイル全体を回転させることです。著者の研究室で常時使用しているシングルピボット式指示器では、最初の数か月で指針の先端が 2 度ずれましたが、数年経過してもそれ以上の変化は見られません。回路を切断して指示器のゼロ点を定期的にテストし、エラーが見つかった場合は指針をリセットするか、読み取り時に誤差を考慮することをお勧めします。

指示計の抵抗は、実際に回路抵抗が変動しても測定値が目に見えるほど変化しない程度に高く設定する必要がある。高温計と指示計を接続する導線がかなり長く、かつ温度変化がかなり大きい場合、抵抗値の低い指示計では、そのような導線の抵抗変化が顕著に現れる。同様に、高温計を炉内の異なる深さに別々に挿入し、接続線の長さが異なる場合、同じ理由で測定値に差が生じる。しかしながら、指示計の抵抗をある一定値以上に上げると、感度が要求される限界以下に低下してしまう。上述のタイプのミラーガルバノメータは、 [52]抵抗（コイルと直列抵抗の両方）が1000オーム以上であっても、十分な感度が得られます。指針を備えた最新型の計器では、抵抗は1000オームまで上げられますが、通常は400～500オームです。しかしながら、多くの指示計器では抵抗が100オーム以下のものも使用されています。オームの法則によれば、電流は回路全体の抵抗に反比例して変化するため、抵抗の変化は回路全体の抵抗に比べて小さく、誤差は無視できる程度に抑える必要があります。この点は次の例で明らかになります。

例：熱電対と導線の抵抗値は5オームで、1オームの変化を受ける可能性があります。抵抗値がそれぞれ800オーム、400オーム、50オームのインジケータを使用した場合に生じる誤差を求めます。

オームの法則、C = E/Rより、E を一定とした場合の C の変化は、それぞれ 1/805、1/405、1/55 となります。表示は電流値に比例するため、発生する変化は約 1/8%、1/4%、2% となります。最初の 2 つは無視できますが、最後の 1 つは非常に深刻で、動作の失敗につながる可能性があります。

以上のことから、低抵抗インジケータは、温度変化の影響を受けない固定熱電対と短いリード線、つまり固定抵抗の回路にのみ使用する必要があることがわかります。[53]

指示器の抵抗が不明な場合は、著者が提案する以下の方法で測定できます。抵抗ボックスの一端を指示器の一方の端子に接続します。もう一方の端子には、長さ18インチのかなり頑丈な鉄線を接続し、抵抗ボックスのもう一方の端には、同じ長さのコンスタンタン線を接続します。鉄線の自由端をねじって接合部とし、沸騰水に浸します。ボックス内に抵抗がない状態での変位（D 1 ）を記録し、次に、変位（D 2 ）がD 1の約半分になるまで抵抗（R）を抜き取ります。抵抗（G）は、抵抗線の抵抗を無視すると、以下の式で与えられます。

     D 2 R

G  ＝  ——————
D1 – D2​
これはオームの法則から容易に証明でき、Eは一定です。この方法は非常に単純で、かなり正確です。

信頼性の高い指示計は、現在では多くの計器メーカーから比較的低コストで入手可能であり、この分野での進歩は近年特に顕著であり、特にピボット式計器において顕著である。作業場での使用に最も便利なのは、エッジワイズスケール（図14）を備えたもので、ブラケットに固定して適切な位置に配置できる。実験台の上での使用や携帯用高温計には、フラットスケールパターンが適している。また、遠くからでも目盛りが見えるセクタースケールパターンも作業場での使用に適している。[54]

図14.—エッジワイズスケール付きインジケータ

温度を直接読み取るための指示計の標準化。特定の熱電対で使用する指示計の温度目盛りは、指針付きの計器の場合は常にメーカーによって表示されており、一般的に妥当な範囲内で正確です。指示計には、その目盛りが正しい冷接点温度（例えば20℃または60°F）を添付することが慣例であり、また必要です。ユーザーは、測定時に冷接点をこの指定温度に保つように努めるべきです。そうしないと、かなりの誤差が生じる可能性があります。しかし、たとえ確認目的であっても、ユーザー自身が標準化を行えることが非常に望ましいです。指示計としてミラーガルバノメータを使用する場合は、温度目盛りを標準化する必要があります。 [55]測定器が固定されている場所。温度目盛りを作成できる機能もさらに有用である。0～20ミリボルトの範囲で測定可能な優れたミリボルト計は、あらゆる種類の熱電能測定に使用でき、様々な接合部に合わせて校正できる。適切な直列抵抗を追加することで、20ミリボルトを超える起電力も測定可能となる。したがって、このような測定器は、作業場と実験室の両方で非常に有用となる。

標準化は、熱接点をいくつかの既知の温度にさらし、それに応じた温度変化を観察するか、または、熱接点で発生する起電力を測定し、計測器の測定範囲で成立することが分かっている式から対応する温度を計算することによって行うことができます。前者の方法はより単純であり、注意深く実施すれば非常に正確です。後者の方法には、特定の熱電対の定数が分かっている場合、ミリボルト単位の測定値を直接温度に変換できるという利点があります。現在では、指示計に二重目盛りを付け、一方にミリボルト、もう一方に温度を表示するのが一般的です。

固定点による標準化。—端子の最大電圧が20ミリボルトでフルスケールの振れ幅を示すミリボルトメーターの場合、最初のステップは、接合部が到達する最高温度において、指針（または光点）がちょうどスケール上に留まるように調整することです。これは、[56]熱接点を沸騰水中に浸し、得られた変位をミリボルト単位または任意の等分単位で記録し、さらに冷接点の温度も記録する。観測される変位は、温度差（100 – t）℃によるもので、t は冷接点の温度である。測定する最高温度が（100 – t ）の 10 倍である場合、変位は目盛りの1 ⁄ 10よりも小さくなるはずであり 、その他の必要な温度制限についても同様である。観測される変位がこの割合を超える場合、正しい値が得られるまで直列抵抗を追加する必要がある。この抵抗は、試験する接点で使用するために回路内に恒久的に設置される。

先に進む前に、高温計が温度を判定可能な単一の冷接点（図 6 参照）を備えるのか、それともヘッド内に 2 つの冷接点を備えるのか（図 4参照）を検討する必要があります。前者の場合は、「差」目盛り、つまり高温接点と冷接点の温度差を読み取る目盛りを用意する方が簡単です。この目盛りから、高温端の温度はその差に冷接点の温度を加算することで得られます。後者の場合は、冷接点を実際に到達する可能性のある温度（例えば 25 ℃）に人工的な手段で維持する必要があります。この目的には水槽が適しています。標準化を行う際には、高温接点を露出させるために高温計のシールドを取り外し、より精密な測定を行うことをお勧めします。[57]

次に、沸点または融点が既知の材料（できれば安価なもの）を、固定点表（16ページ）から選び、目盛り全体にほぼ均等に分布する約6点の点を作成します。例えば、0℃から1000℃までの温度目盛りを作成したい場合は、以下の材料を選択できます。

物質と状態。 温度。
沸点の水 100℃ 212°F。
融点のスズ 232 449
融点の亜鉛 419 786
融点におけるアンチモン 631 1167
融点の食塩 800 1472
融点の銅（グラファイトで覆われている） 1084 1983

測温接点をこれらの温度に連続的に到達させ、それぞれの場合の変位量を記録します。これにより、目盛り全体を分割して温度を直接読み取ることができます。

最初の読み取りは、接合部を沸騰水の入った容器に入れて行います。海面近くの地域では、通常の作業では気圧の変化による沸点の変動を考慮する必要はありません。他の読み取りは、物質が正確に融点にあるときに行うため、以下の手順で行います。約2～3ポンドの物質をサラマンダーるつぼで溶かし、片端を閉じた小さな耐火粘土管を溶融物の中に挿入します。温接点は、[58] 耐火粘土管と、その間の空間にアスベスト繊維を充填した構造です。接合部が溶融物質に触れないよう細心の注意を払わなければなりません。るつぼを冷却し、30秒ごとにたわみ量を測定し、物質が凝固点（一般的には融点と同じ）に達すると、放射による損失を相殺するのに十分な量の融解潜熱が放出されるため、たわみ量は連続して数回測定しても一定のままです。この一定値は各物質ごとに記録され、これは高温接合部が融点に対応する温度にあり、低温接合部（複数可）が測定時の温度にあるときのたわみ量を表します。材料を溶解するには、大型のTecluまたはMekerバーナーを備えたDavies炉が850℃まで使用できますが、銅を溶解するにはブラストランプが必要です。溶融物は炉内で冷却することができます。

これらの観察結果から、温接点と冷接点の差、または冷接点の一定温度に対する校正曲線を描くことができます。手順を説明するために、2組のデータを添付します。

ホット
ジャンクションの温度。 高温計 1. 鉄コンスタンタン。 高温計2。
（直列抵抗 プラチナ-イリジオプラチナ。
ガルバノメータ回路。
偏向。 冷接点。 違い。 偏向。 冷接点。
 100℃ 8·9   15℃   85℃。 5·5  ┐
 232 21.8   17  215 15.6  │ 定数
 419 40·6   19  400 29.4  ├ で
 631 63.8   19  612 45.5  │ 25℃
 800 83·0   20  780 59·0  │
 1084 . . .    . . .   . . . 82·0  ┘

[59]

図15.—2つの熱電対高温計の校正曲線。

図15のAは熱電対1の校正曲線であり、変位と温接点と冷接点の温度差を対応させて表している。この曲線から温接点の温度を読み取るには、観測された温度に対応する測定値が必要である。 [60]冷接点の既存の温度に、この偏差が加算されます。したがって、冷接点が25°の状態で56分割の偏差が得られた場合、温接点の温度は(540 + 25) = 565°Cとなります。この校正方法の利点は、冷接点を一定温度に保つための予防措置を講じる必要がないことです。図6のように単一の冷接点を使用する場合は、常にこの計画に従う必要があります。この曲線はゼロを通過しますが、これは偏差がないということは温度差がないことを表しているからです。

図 15、B は高温計 2 の校正曲線を示しており、冷接点温度が 25° の場合、任意の偏向に対応する直接読み取り値を取得できるようになっています。したがって、この曲線は、偏向が 25° でゼロの軸を切断します。これは、偏向がない状態は、温接点と冷接点の両方が 25° である状態に対応するためです。この校正方法は、図 4 に示すようなカップルに使用すると有利です。このカップルでは、​​ヘッドに 2 つの冷接点があり、冷接点温度を加算するという単純な規則は適用されません。このようなカップルの冷端の温度変化を補正するための提案は数多く行われてきましたが、どれも正確ではなく、正確な読み取り値を確保するためには、この部分を標準化の温度に保つ必要があります。上記の両方の校正で使用した検流計には、100 等分された任意の目盛りがありました。[61]

これらの曲線から既存の検流計スケールに取り付ける恒久的な温度目盛りを作成する場合、100°間隔で目盛りを取り、既存の目盛りの対応する目盛りの反対側に印を付けます。その後、各100°を目盛りの長さが許す限り均等に分割し、適切な間隔で番号を付けます。使用する接合部の較正曲線が直線から大きく外れている場合は、50°間隔、必要であれば25°間隔で目盛りを取ります。図示の例では、鉄-コンスタンタン接合部では400°から800°、白金-イリジウム白金接合部では500°から1100°の範囲で、両方の曲線はほぼ直線です。

この方法で指示薬を標準化する際に必要な注意点の一つは、使用する金属が純粋であることを確認することです。不純物は融点を下げるからです。評判の良い販売店から「純粋」として注文すれば、金属は概して問題ないでしょう。使用する食塩は、既製品の食塩ではなく、ブロックで販売されている通常の食塩を使用してください。融点を観察する際のもう一つの注意点は、物質が「融解」または「過冷却」することによる誤差を防ぐことです。この場合、凝固が始まる前に温度が通常の凝固点を下回ります。しかし、凝固が起こると、温度は真の融点まで上昇し、その温度を維持します。そして、徐々に温度が下がった後に偏差が増加することは、常に過冷却を示しています。その時に達した高い偏差が真の凝固点です。アンチモンは、凝固前にしばしば600°まで過冷却しますが、凝固す​​ると正しい値である631°まで上昇します。すべての金属と塩は、時折過冷却を起こす可能性があります。[62]

EMF測定による標準化- 実験の結果、冷接点の一定条件下での接点によって発生するEMFとその温度の関係は、おおよそ次の式で表せることが分かりました。

log E = A log t + B (ホルマンの式)

ここで、E = 起電力（マイクロボルト）、t = 温度（摂氏）、A および B は接合部に依存する定数です。接合部によっては、この式を目盛の動作領域全体に適用しても誤差は 2°C 以内ですが、他の接合部では誤差が大きくなります。定数 A および B を決定するには、動作領域内で可能な限り離れた 2 つの既知の温度で起電力を測定する必要があります。これらの定数が既知であれば、E を測定することで温度tを計算で求めることができます。

例：ルシャトリエは、溶融アルミニウムの温度（657℃）での接合部で6200マイクロボルトの電圧が得られたが、空気中の銅の融点（1062℃）ではその値は10580であったことを発見した。上記の式に当てはめると

  log 6200 = A log 657 + B
および
  log 10580 = A log 1062 + B、

A の値は 1·2196、B の値は 0·302 です。これは対数をとって A と B について解くことでわかります。

[63]

定数AとBの値は、接合部によって異なり、また同一材料とみなされるものの溶融物の種類によっても異なります。この式が十分な精度で適用できる均質な線材について一度決定すれば、ミリボルト目盛り付きの指示計を用いて、更なる実験を必要とせずに温度を直接読み取ることができることは明らかです。ただし、動作範囲内の固定点で温度を一度確認することを常に推奨します。

図16.—ポテンショメータによる起電力測定法

異なる温度における接合部の起電力を測定するために、ポテンショメータ法が用いられる。この方法では、試験対の起電力を、定電圧セルから供給される既知の起電力と釣り合わせる。回路は図16に示されており、Bは [64]抵抗R 1、R 2 、および較正済みの電線DE に電流を流す蓄電池。対の冷端はBと反対になるようにPに接続され、この回路の分岐には高感度検流計Gと電線DEの一部が含まれる。標準カドミウム電池Sは、一端でR 1とR 2の間に接続され、スイッチAを介して検流計と回路を組むことができる。まず、Sを検流計に接続し、R 1を調整してGの偏向がなくなるまで調整する。次に、スイッチAを対の回路に移動し、端子Fを電線に沿って移動させて、偏向が再びゼロになるまで調整する。対の起電力は、次の関係から求められる。

ジャンクションの東 DFの抵抗
———————— ＝ ————————
標準セルのE R2​
接合部のホットエンドを連続した標準温度にさらし、コールドエンドを既知の一定温度に維持することで、式に含めるために必要なデータを取得できます。

式から算出した恒久的な温度目盛りをミリボルトメーターに固定する際には、実験で得られる値は絶対値であり、熱電対と検流計で構成される回路の抵抗とは無関係であることを覚えておく必要があります。一方、ミリボルトメーターは端子間の電位差を読み取るように目盛りが付けられており、接続点や顕著な抵抗を持つ導線と直列に接続した場合、その指示は接続点の起電力とはなりません。この点は、例を挙げれば明らかです。[65]

例：ミリボルトメーターの抵抗は100Ωで、端子にはPDと表示されています。ミリボルトメーターに接続された熱電対とリード線の抵抗は5Ωです。接合部の真の起電力と指示計の指示値の関係を調べます。

E = 接合部で発生する起電力、V（ミリボルトメーターの読み取り値） = 端子間のPDとすると、回路の電流 = E ⁄ 105 = V ⁄ 100、V = ( 100 ⁄ 105 )E となります。つまり、読み取り値は接合部の真の起電力よりも5%低くなります。同様に、低抵抗の電圧計を高抵抗のセルに当てると、セルの起電力よりも低い読み取り値を示します。

この例は、対象となる抵抗値が既知である場合に、真の起電力とミリボルト単位の測定値を関連付ける表を作成する方法を示しています。この方法で秤を準備する場合、カップルの抵抗値は測定値に影響を与えるような変化を受けないことが前提となります。

この較正方法の利点は、多数の接合部が特定のワイヤのバッチから作られるときに明らかになります。これは、インジケーターのスケールをミリボルトを表すように分割し、温度スケールを取り付けるだけの簡単な操作だからです。 [66]この手順は、多数の指示薬を複数の固定点で標準化するよりもはるかに迅速ですが、単一の接点の場合は固定点法の方が簡単です。起電力を測定するポテンショメータ法は、指示薬の代わりに温度を測定するためにも使用できます。この方法は、指示薬よりも小さな温度差をはるかに繊細に検出できるため、特に正確な測定値が必要な場合に非常に役立ちます。熱電能測定用の特殊なポテンショメータは、ケンブリッジ・アンド・ポール・インストゥルメント社、シーメンス社などによって製造されており、正確な研究を行うには有用ですが、作業場や通常の実験室での使用には複雑すぎます。

冷接点補償器。冷接点に注意を払う必要性から、高温計のこの部分における温度変化を自動的に補償するための様々な試みがなされてきた。図6に示すように、冷接点付近に温度計を配置すれば、2接点回路の補正は完了する。しかし、3接点回路を使用する場合、校正温度を超える温度計の温度を指示計の指示値に加えるだけでは、正確な指示値は得られない。ブリストルの装置では、大きな球と太いステムを持つ水銀温度計が冷接点に配置され、温度変化に関与する。ステムには、高温計の一部を構成する細い白金線のループが配置されている。 [67]回路。水銀が加熱されると、ステムを上方に膨張し、ループの一部を短絡させます。これにより、高温計回路の抵抗が減少し、指示計の振れが大きくなる傾向があります。同時に冷接点が加熱され、電流が減少する傾向があり、その結果、振れが小さくなります。調整によって、これらの2つの傾向を相殺し、指示値に影響を与えないようにすることができますが、そのような調整は特定の起電力、つまり温接点の1つの温度にのみ適用されます。したがって、この方法は一般的な応用には適していません。

ピークの補償導線は、冷接点を実質的に検流計に移すことで、冷接点の誤差を修正することを目的としています。この導線は白金族金属を用いる高温計に使用され、冷接点と指示計を接続する銅とニッケルの2種類の合金からなる線で構成されています。これらの合金は、ヘッド内の接合部（PtとCu-Ni 1、およびPt-IrとCu-Ni 2）に発生する起電力が、あらゆる動作温度において等しく反対方向になるように設計されているため、冷接点の変化は指示値に影響を与えません。しかし、指示計では温度変化によって偏向が変化する可能性があります。しかし、指示計は通常、炉から十分に離れた場所に設置され、著しい加熱や冷却の影響を受けないため、この導線を使用することで誤差は大幅に低減されます。卑金属高温計では、この導線を指示計まで延長しても同様の結果が得られるため、この導線は明らかに役に立ちません。[68]

図17.—ガルバノメータに取り付けられたダーリング補償器。

著者は卑金属高温計用の自動補償装置を考案し、図17 および図18に示す。2種類の金属の複合ストリップで作られた螺旋が指示計の指針に取り付けられており、冷却または加熱されると巻き上がったりほどけたりして、指針が目盛り上で移動する。螺旋の長さは、温度が一定温度変化すると、目盛り上の指針が同じ温度だけ移動するような長さになっている。言い換えれば、高温計の温度目盛りは螺旋の温度目盛りと同じである。接合部を形成する金属は、導線として検流計の内部まで接続され、そこで冷接点が形成され、常に螺旋と同じ温度になる。目盛りは、 [69]熱電対は温接点と冷接点間の温度差を表し、高温計を接続する前は、指針はスパイラル、つまり冷接点の温度を示します。熱電対を接続すると、指針は指示器のコイルによって2つの接点間の温度差を表す量だけ移動し、最終的に温接点の温度を示します。

図18.—ダーリング補償器を取り付けた表示器。

例：冷接点が20°の場合、カップルを接続する前の指針は目盛り上で20°を示します。温接点が冷接点よりも580°高い場合、回路が完了すると指針は目盛りに沿ってさらに580°移動し、表示される数値は(20 + 580) = 600°となり、温接点の温度となります。ここで指示器が10°加熱されると、スパイラルは偏向を10°増加させようとしますが、同時に接合部による偏向は10°減少するため、指示値は依然として600°のままです。

[70]この補償方法により、指示値は冷接点に依存しなくなり、高温での使用に加えて、後述するように常温および低温も簡単かつ正確に読み取ることができます。スパイラルは、図18に示すように、指示計の上部から立ち上がるタワー内にあります。

ポールの補償法では、熱電対と指示計はホイートストンブリッジを挟んで配置されます。ホイートストンブリッジの2つのアームは銅の抵抗を持ち、他の2つのアームはマンガニンの抵抗を持ちます。冷接点における温度変化はこれら4つの抵抗によって分担され、銅部分の抵抗には影響を与えますが、マンガニン合金の温度係数は無視できるため、マンガニン部分には変化が生じません。したがって、ブリッジが最初に20℃でバランスが取れていて、温度が30℃に上昇した場合、銅の抵抗の増加によってバランスが崩れ、指示計にわずかな電流が流れます。温度が10℃に下がると、銅の抵抗が減少し、指示計に反対方向に同じ電流が流れます。この電流量は、一方のケースでは冷接点の温度上昇を指示計の指示値に加算し、もう一方のケースでは温度低下を減算するように調整されます。これにより、熱電対が標準化された冷接点温度の真の指示値が保持されます。[71]

定温冷接点。冷接点を一定温度に保つことができれば補償器は不要ですが、この目的を達成するための実用的な方法はまだ考案されていません。水冷ヘッドについては既に言及しましたが、多くの場合、接続パイプが問題となるため、この方法はあまり使用されていません。A. Zeleny教授が提案した代替方法は、冷接点を地中に埋め込むことです。ケンブリッジ大学でR.S. Whipple氏が行った最近の実験では、10フィートの深さに埋め込んだ冷接点の温度は、3年間で2℃以上変化しないことが示されました。この結果、特殊なケースでは地中に埋め込んだ冷接点が採用されるようになりましたが、大型炉の下の地中では温度変化がはるかに大きくなる可能性があり、その場合、この方法の利点は失われます。一般的な作業場では、油を満たした魔法瓶の中に冷接点を配置する方法がとられます。この方法では、周囲の気温の変化が 150 ℃ ほどになる場合でも、2 ℃ に一定に保たれます。特殊な作業では、魔法瓶の中に氷を入れて絶対的な一定性を確保できますが、この手順は通常の作業現場では実行できません。

特殊範囲指示計。高温計の動作範囲が600℃以上の場合、目盛りの部分が [72]最初の 600° で占められる範囲は無駄であり、より正確な読み取りを確保するために、目盛り全体を特定の動作範囲に利用できれば有利である。これは、熱電対によって引き起こされる指針の動きに対抗する「セットアップ」によって実現でき、指定された温度に達するまで目盛り上でのいかなる動きも防止できる。例えば、1000° C で 12 ミリボルトを発生する接合部を、指針の最大目盛りの振れが 6 ミリボルトである指示器に結合できる。接合部に 6 ミリボルトの起電力が作用すると、熱電対が 6 ミリボルトを発生する温度に達するまで、つまり反対の起電力が克服されるまで、指針の振れは発生しない。この温度は 500° C とすることができるので、目盛り全体を 500° と 1000° の間で分割できる。こうして指示器の目盛りの長さは実質的に 2 倍になる。設定値を変えることで、指示計の感度範囲内で任意の範囲の測定が可能であることはもちろんです。逆起電力の調達方法はメーカーによって異なります。ケンブリッジ・アンド・ポール・インストゥルメント社は、熱電対に対向するように接続された乾電池と直列抵抗を用いています。抵抗値を調整することで、任意の設定値を得ることができ、熱電対を回路から切り離した状態で乾電池と抵抗を指示計に接続することで、その値（度）を読み取ることができます。したがって、500°～1000°の範囲に調整するには、 [73]500°のフルスケール振れ幅を持つ指示計では、抵抗を調整することで、セルのみで指針が目盛りの端まで動くようにしています。ポールが採用した方法は、ホイートストンブリッジに適切な抵抗を挿入し、その抵抗がバランスを崩すことで、指示計の端子に適切な大きさの逆起電力を発生させるというものです。

ケンブリッジ・アンド・ポール・インストゥルメント社は、吊り下げコイルを備えた指示計を用いた機械式装置を導入した。ミル加工されたヘッドを回転させることにより、吊り下げコイルにねじりを加えることができ、もう一方のヘッドを回転させることにより、指針をゼロに戻すことができる。この際、最初のねじりは保持される。このねじりは、偶力による電流によって生じるねじりとは反対の方向である。したがって、もし加えられたねじりによって指針が目盛りの400°の目盛りまで動くとすれば、接合部が示す温度は、実測値に400°を加算した値となる。この方法により、指示計の許容範囲内で任意の温度範囲を得ることができる。「クリープ」による誤差が生じる危険性は無視できるほど小さいと言われている。

図19.—ノースラップの「パイロボルター」の回路。

ポテンショメータ指示計。ポテンショメータ法による起電力測定の利点は、測定結果が被測定回路の抵抗に依存しないことです。一方、指示計は挿入先の回路の抵抗変化の影響を受けます。長いリード線を使用してカップルを指示計に接続する場合、注目すべき点があります。 [74]温度変化によるリード線の抵抗変化によって誤差が生じる可能性があり、さらにカップル線の抵抗は温度と炉への挿入深さによって変化する。そのため、作業場使用に適したポテンショメータ原理に基づく指示計を製作する試みがなされており、その一つであるノースラップの「パイロボルター」は 図19のAに示すように構成されている。セルDは可変抵抗器R、銅コイルC、マンガニンコイルSに電流を流す。銅コイルの抵抗は指示計Gの銅巻線と同じである。カップル線はマンガニンコイルSの両端に接続され、この材料の抵抗は温度の影響を受けない。Rを調整して抵抗がなくなるまで調整することで、 [75]G に変位が表示され、S 両端の電圧降下が電流カップルの EMF と等しくなります。この降下を測定するには、キーを押して回路を B に示すように変更します。このとき、指示器は S と直列になり、カップルは切り離されます。指示器のコイルの抵抗は、C に代わる銅コイルと同じなので、S を流れる電流の値は変わりません。G の変位はこの電流の値を示し、S 両端の電圧降下は電流に比例するので、G に印を付けることで EMF とそれに対応する接合部の温度を読み取ることができます。この指示器の利点は、どのようなタイプの接合部にも使用でき、回路の温度変化の影響を受けないことです。同様の機器がフィラデルフィアのブラウン社によって製造されています。現在まで、ポテンショメータ指示器は英国ではほとんど採用されておらず、測定値を得るために必要な調整は、作業場の観点からは明らかな欠点とみなされなければなりません。

熱電式高温計用記録装置。—炉内の温度だけでなく、炉が受ける変動も把握することがしばしば重要です。高温計を継続的に監視するには多大な労力が必要となるため、このような場合には自動記録装置が多くの利点を持つことは明らかです。継続的な記録は、作業員が規定の温度範囲内に維持できたかどうかを示し、特定の操作の履歴を永久に記録します。これは、多くの場合、将来の作業手順の指針となります。[76]

最初の成功した記録装置は、サー・W・ロバーツ＝オースティン卿の発案で、ホールデン将軍（FRS）が設計し、鏡式検流計と組み合わせて使用​​されました。当初の構造では、鏡からの光点を感光板に当て、暗板をチェーンと滑車を介して水フロートに接続することで、徐々に上下に動かすようにしました。フロートを水槽に入れ、蛇口から水を徐々に抜くと、フロートは沈み、検流計は上昇します。光点の偏向が一定であれば、検流計上に垂直な直線が描かれ、その変動によって曲線が描かれます。既知の温度で試験を行うことで、度数に分割された標準板を作成し、これを試験板に重ね合わせることで温度を測定することができました。ロバーツ＝オースティンは、この記録装置を用いて、機械学会合金研究委員会のために多くの貴重な研究を行いました。[77]

図20.—ロバーツ・オースティン・レコーダー。

[78]

現代の形態（図20）では、写真乾板の代わりに感光紙が巻かれ、ドラムに巻き付けられます。ドラムは、図の左側に示すように、内部の時計機構によって、例えば12時間に1回といった一定の速度で回転します。検流計は反対側の端に配置され、鏡は外部に設置された電球によって照らされます。電球からの光線は内部のプリズムで反射され、鏡に照射されます。鏡から出た光線は2つに分割され、一方は狭いスリットを通って感光紙に照射され、もう一方は蓋のすりガラス目盛りに反射されます。この目盛りは温度を読み取るために分割されています。このように、この装置は記録装置としてだけでなく、感光紙を検査することなく温度を表示することもできます。装置全体は遮光性を備えているため、日光の下でも使用できます。記録を固定するには暗室が必要です。必要に応じて、2 台以上の高温計の記録を同じシートに記録できます。時計仕掛けの装置を使用して、各計器を順番に一定期間ガルバノメーターに切り替え、外部ダイヤルでどの高温計が現在回路に接続されているかを示します。

この記録計を使用する場合、記録が目に見えないのが欠点ですが、ミラーガルバノメータを使用すると、この機器は高度な感度を持ちます。これは、後述の記録計には備わっていません。[79]

図21.—スレッドレコーダーの原理。

糸記録計。この装置は、断続的な記録をインクで記録する。記録中は可視性があり、チャートを後で処理する必要もなく、記録は永続的である。原理は図21に示されている。図中Aは、V字型の象牙で先端が覆われたブームで、検流計のサスペンションBに取り付けられている。時計仕掛けで回転するカムEによって、バーDが所定の間隔で下降し、Aの先端をインクの付いた糸Gに押し付け、糸をドラムCに巻かれた紙に接触させる。このドラムは、内部の時計仕掛けの作用により、25時間に1回転する。カムEの継続的な回転により、ブームAは上下に交互に動き、所定の位置に到達するのに十分な時間、自由になる。 [80]この機構がなければ、チャートは 1 つの領域を占めることになります。糸 G は滑車に渡され、インク壺に巻き取られるため、A の反対側の部分は常に湿っています。バー D は 2 分ごとに下降し、連続するドットはほぼ連続した線を形成します。C の紙は、水平方向に温度ごとに、垂直方向に時間単位で分割されているため、任意の時点での温度を容易に確認できます。バー D の前面、またはそれに平行な別のストリップは、チャートを参照せずに温度を読み取ることができるように分割されています。実際の機器は図 22に示されています。複数の同時記録が必要な場合は、ドラム C を延長して、別のガルバノメータを導入し、これに個別の高温計を接続します。各高温計を 1 つのガルバノメータに順番に結合するゼンマイ仕掛けの機構を導入することにより、1 つのチャートに複数の記録を行うことができます。

図22.—スレッドレコーダー。

[81]

図23.—ジーメンスのレコーダー。

シーメンス記録計。この装置（図23）では、検流計のブームはナイフエッジ状の先端を持ち、先端が丸みを帯びた薄い水平レール上を移動する。レールとブームの間にはインクリボンとチャート紙が置かれており、チャート紙は時計仕掛けで前進する。同じく時計仕掛けで作動するチョッパーバーが約30秒間隔で下降し、検流計のブームの先端を押し下げてチャート上に小さな点を刻む。チャート紙は [82]幅12cm、長さ40ヤードで、時間と温度の単位に分割され、1時間あたり2cmの速度で前進します。レコーダーの底部には水準器が固定されています。

図24.—フォスターのレコーダー。

フォスターの記録計。—フォスターの記録計（図24）は、ホスキン合金として知られるニッケル-クロム型の卑金属対で使用するように設計されており、白金-ロジオ白金対の約5倍の起電力を発生する。この場合に得られる力により、検流計のコイルを水平に回転させ、指針を垂直に保ちながら、十分な感度を得ることができる。チャートは、回転する垂直プレート上に設置されている。 [83]温度記録計は、その軸に沿って同心円状の時間軸を持ち、温度軸によって斜めに切断されています。指針の先端には、インクを含んだ芯が取り付けられた小さな毛細管が取り付けられており、これをチャートに押し当てると印が付きます。押さえ棒は指針と同じ半径に湾曲しており、インクで湿らせたパッドが付いています。押さえ棒を押すたびに、チャートに与えられた量と等しい量のインクが芯に補充されます。この記録計には特殊な接点が取り付けられていることもあり、適切な温度のときは白色電球が点灯し、温度が低すぎたり高すぎたりすると緑色または赤色のランプが点灯して警報が鳴ります。このような追加機能にはリレー回路が必要ですが、高価な品物が過熱によって損傷を受ける可能性がある場合には推奨されます。この記録計は、複数の記録を同時に行えるように改造することもでき、チャート全体をいつでも見ることができるという利点があります。一方、円座標は、直線のグラフのように読みにくいため、欠点と考える人もいるかもしれません。このレコーダーの特徴は、堅牢な構造です。[84]

図25. ポールの記録装置。

ポールの記録計。—前述の記録計では、動力は時計仕掛けで供給されていました。RWポールは、すべての可動部品が主電源から駆動されるモーターによって作動する装置を発表しました。この記録計は図25に示されています。モーターには一定速度を確保するための特殊な調速機が備えられており、チャート、押さえ棒、インキリボンを動かす機構に適切なギアで接続されています。ギアを変えることでこれらの動作の速度を変えることができます。検流計はユニピボット式で、指針はチャートの上にあるタイプライターのリボンに一定の間隔で押し付けられます。リボンのすぐ下には細い金属棒が置かれており、その上を紙が通過すると、接触の結果小さな点が生成されます。スレッド記録計と同様に、チャートは直線座標に分割され、リボンは [85]この場合、記録計の糸と同じ役割を果たします。記録計の下部は、ロール状のチャートをかなり長く表示できるように延長されており、この機構によって前方に引き出されます。2つの記録を同時に記録する場合、リボンは2つのストリップで構成され、一方は黒インクで湿らせ、もう一方は赤インクで湿らせます。そして、各ストリップが、ポインターを押し当てる細い棒の上に順番に配置されることにより、記録は別々の色で表示されます。この記録計は、複数の記録を記録できるようにしたり、スケール調整装置を取り付けたりすることもできます。作業場での使用を考慮して、すべてのカバーには面取りされた金属製のジョイントが取り付けられており、木製のものよりも防塵性に優れています。さらに便利な点は、記録計内の様々なユニット（検流計、モーター、送り機構および記録機構、減速機）がすべて独立しており、交換可能であることです。適切に分割されたチャートを使用することで、この記録計は放射高温計としても、あるいは後述するように抵抗高温計としても使用できます。[86]

図26.—リーズ・ノースラップ・レコーダー。

リーズ・ノースラップ式記録計。フィラデルフィアのリーズ・ノースラップ社は、米国で広く使用されている記録計を製造しています。ポールの記録計と同様に、機構全体はモーター駆動ですが、その他の構成は全く異なります。指針の振れを測定する代わりに、ゼロ振れ法が用いられています。高温計はポテンショメーター回路の一部であり、この機構の機能は、高温計の起電力に等しい起電力に抵抗することで、そこから温度を計測することです。この方法の利点は、測定がリード線の抵抗に依存せず、高い精度を実現できることです。抵抗となる起電力の調整方法は、図26から理解できます。図の上部には検流計コイルが示されています。モーターのシャフトには、カムB、C、D、Dの4つのカムが取り付けられており、カムBが回転するたびにバー(5)を上昇させ、検流計コイルに取り付けられたアームに押し付けます。同時にカムCがバーを押します 87 によって、クラッチ (2) が下のディスクから解放されます。図示のように、コイルからのブームは中央位置の右側にあり、バー (5) が上昇するとレバー (4) とブームの間に挟まれ、クラッチアーム (2) が角度運動します。回転が続くと、カム C がバー (3) から離れ、バー (3) が跳ね返ってディスク上のクラッチを噛み合わせます。次にカム D が下降し、クラッチアームの突起を左に押し付けてディスクを回転させます。ディスクの動きは、ポテンショメータのスライドワイヤ上を移動するアームに伝達されます。この動きは、ガルバノメータブームが中央位置、つまりゼロ位置に達するまで継続します。この位置では、レバー 4, 4 のどちらも掴まれておらず、ディスクはどちらの方向にも送られません。ブームが左に振れると、ディスクの動きは明らかに前述の方向とは逆方向になります。

この記録計は、印刷やその他の機構を駆動するためにかなりの電力を供給できます。ポテンショメータのワイヤ上を移動するアームには、移動するチャートに印をつけるペンが付いています。また、複数の記録を同時に行う場合は、スタンプ機を使用してチャートにパイロメーターの番号を刻印します。このガルバノメーター機構は、後述するように、抵抗式パイロメーターにも使用されます。

炉の温度制御。指示計や記録計で制御される機構によって炉の温度を自動制御するための多くの試みがなされてきた。 [88]フィラデルフィアのブラウン社が採用したこの装置では、可動式のストッパーが設けられており、スケールの任意の位置に調整できます。ストッパー間の目盛りは、維持したい温度を表します。指示計（または記録計）には、定期的に下降する押さえ棒が備えられています。温度が低すぎる場合は、押し下げられた指針が内側のストッパーを通り、高すぎる場合は外側のストッパーを通ります。どちらの回路にもリレーが組み込まれており、これが作動機構を作動させ、温度が低すぎる場合は電気またはガスの供給量を増加させ、高すぎる場合は供給量を減少させます。正しい温度であれば、指針を押し下げてもどちらの回路も完了せず、このようにして小さな限界値間の温度制御が保証されます。大型炉の場合、リレー回路は異なる色のランプを点灯させるために用いられ、調整は炉の管理者によって行われます。この種の配置は、不必要な加熱を防ぐことで燃料を大幅に節約し、特に過熱が炉内の製品に有害となる場合に有効です。将来はおそらくこの方向で大きな発展が見られることになるでしょう。

コンタクトペンレコーダー。指示計の針を目盛りに押し付ける力は比較的小さく、特に白金系の金属が使われている高温計の場合は、低い起電力しか発生しないため、もし指示計の針が目盛りに接触すると、 [89]記録紙と連続的に接触しているペンでは、摩擦によってポインターの自由な動きが著しく妨げられる。安価な金属製高温計を使用すると、はるかに高い起電力が得られるため、ポインターをコンタクトペンとして使用することがより現実的になり、紙のすべての部分で均一な摩擦が確保できれば、この方法で記録を取ることができる。このように構成された記録計は、間欠式のものよりも単純で安価である。コンタクトペン式記録計は、ブリストル社、ブラウン社などのメーカーによって製造されており、アメリカでもある程度使用されているが、これまでのところイギリスのメーカーはこうした機器の製造を開発していない。現時点では、コンタクトペン式記録計は、接触が間欠的な記録計よりも精度と信頼性に劣ると考えざるを得ない。

熱電対式高温計の設置。同じ施設内の複数の炉を制御する場合、すべての熱電対を1つの指示計で制御することで、かなりの経済効果が得られます。この場合、すべての熱電対は必ず同一の熱電対値を持つ導線で構成する必要があります。このような配置は 図27に示されており、H 1と H 2 は2つの熱電対を表し、それぞれの導線が検流計Gの端子の1つに接続されています。検流計のもう一方の端子はスイッチのアームDに接続され、残りの熱電対のリード線は [90]円周上の点1と点2にそれぞれ接続します。図に示すように、H 1 は検流計に接続され、アームDを点2に回すと、もう一方の点が接続されます。このように、1つの指示計で任意の数の接続点を配置できます。作業場でこの配置を採用する場合は、ほとんどの炉にとって便利な場所に小さな木造の建物を建て、そこに指示計と配電盤を置き、必要に応じて記録計も設置することをお勧めします。振動ができるだけ少ない場所が望ましいです。炉を特別な作業に使用する場合にのみ、個別の指示計が必要です。

図27.—高温計の設置のための接続。

場合によっては、工場事務所に2台目の指示計が設置され、すべての高温計が配線され、基準器として機能します。事務所の指示計の目盛りは毎日一箇所で点検されます。特定の温度計をまず工場の指示計に接続し、その後すぐに事務所の基準器に接続することで、誤差を検出できます。また、事務所内の任意の炉の温度をいつでも確認し、全体を制御することも可能です。 [91]このような配置を固定するには、各カップルとそのリード線（指示計まで）の抵抗値が同じであるか、または測定値に影響を与えるほどの差がないようにする必要があります。適切に管理された設備の一般的な経験では、燃料費だけでも数か月でコストが節約され、さらに、事務所からの完全な管理により、作業ははるかに効率的に行われます。

熱電式高温計の管理。一般的に、熱電式高温計は実用上ほとんど問題を引き起こしませんが、管理は常に熟練した技術者に委ねるべきです。57ページで説明されている方法を用いて、各機器を動作温度付近の固定点で定期的に試験することをお勧めします。2～3ポンドの材料を使用する場合は、保護シールドを取り外す必要はありません。鋼の臨界温度域付近で高温計を点検するのに役立つ材料は、銅60%、錫40%の合金です。この合金は738℃で明確な凝固点を示し、還元雰囲気中で無期限に使用できます。重大な誤差は、同じ動作条件下で一般的に得られる値と大きく異なる指示値を観察することで容易に検出できます。20℃以上の誤差が認められた場合は、高温接点の変化により誤差がさらに大きくなる可能性があるため、新しい接点を形成することをお勧めします。 5℃または10℃程度の小さな誤差は、 [92]指示薬の「クリープ」を防ぐために、指示薬の「クリープ」を適宜調整するか、読み取り時に数値修正を行うことができます。鉄製の保護シースは、黒鉛を週に 1 回塗布することで急速な酸化から保護でき、耐用年数が大幅に延びますが、いずれかの部分が危険なほど薄くなった場合はすぐに交換する必要があります。アルミニウム粉末でコーティングすると、鉄製シースの耐用年数も大幅に延びます。鉛浴槽で使用する場合、浸漬部分が鉄または鋼の場合は、固体からくり抜き、腐食が最も発生する鉛の表面と反対側の部分は厚く残しておく必要があります。グラファイト チューブ、またはグラファイトを含む組成物で作られたチューブは、鉄が容易に腐食される場合に便利なことが多く、はるかに高い温度で使用できます。

複数の計測機器を使用する場合は、チェック用に標準高温計を保管しておくことをお勧めします。できれば国立物理学研究所（National Physical Laboratory）の認定を受けたものが望ましいです。試験を行う際には、保護管を取り外した熱電対を、図29に示すタイプの電気炉の管内に、標準接合部に近接させて配置します。温度を徐々に上昇させながら、各計測機器の測定値を標準温度計と比較し、必要な補正値を見つけます。炉管との接触を防ぐため、電線を管端に取り付けたアスベストストッパーに通すなどの注意が必要です。[93]

記録装置を使用する場合、作業員は機構の詳細に精通し、軽微な不具合（通常は容易に治癒します）があればすぐに対処できるようにしておく必要があります。決して未熟な作業員に記録装置を任せてはいけません。記録装置は破損や改ざんの恐れのない事務所に保管するのが最善かつ安全です。すべての記録は将来の参照のために保管し、適切な日付を記入し、作業内容に応じてラベルを貼ってください。

熱電式高温計の実験室用途。マッフル炉内で規定の温度で行われる多くの作業には、前述のもの以外に特別な注意は必要ありません。しかし、金属または合金の融点を測定する場合、磁器製またはシリカ製のシースは腐食しやすいため、推奨されません。鉄製のシースは一部の金属に対しては耐性がありますが、他の金属に対しては耐性がありません。そのため、浸漬部を覆うように、先端が閉じられた薄い耐火粘土製のスリーブを取り付ける方が常に安全です。1100℃を超える温度では、グラファイトまたはグラファイト複合材製のシースを使用できます。また、厚いアークランプカーボンから穴を開け、加熱部の先にある鉄管に接続したシースが高温で有効な場合もあります。アランダムは1600℃まで使用可能で、この程度の温度では、シルフラックスやジルカイトなどのより耐火性の高い材料も効果的に使用できます。[94]

図28.—鋼の臨界点を決定するための微分法。

鋼の「臨界」点の決定については特に言及する必要がある。鋼塊を冷却すると、温度低下は1点または複数の点で停止するが、これらの点を観察することは、鋼のその後の処理を決定する際にしばしば役立つ。一般的に用いられる方法は「示差法」として知られており、図28に示されている。鋼サンプルAは、同じ寸法のニッケル片Bと並んで電気炉の管内に置かれる。裸の接合部Cは、Aに開けられた穴に配置され、温度を読み取るように校正された検流計Gに接続される。Aの穴に配置された接合部Dと、Bの穴に配置された別の接合部Eからなる2接合回路は、精密な検流計Hに接続される。検流計Gが900℃を示すまで炉を加熱した後、装置を冷却する。通常の状況では、AとBは同じ速度で冷却するため、接合部DとEは同じ温度になり、Hに歪みは観察されません。 [95]A の冷却が停止しますが、B は影響を受けず冷却を続け、その結果、D と E の温度に差が生じ、結果として H に偏向が生じます。この発生時の A の温度が G で読み取られます。

図29.—電気管炉。

図29に示す炉は、この測定に適しています。この炉は、長さ1フィートのシリカ管に特殊な抵抗線を巻き付け、効率的に保温した構造で、長時間であれば1000℃まで、短時間であれば1200℃まで安全に加熱できます。電源に直接接続でき、900℃未満で加熱できます。 [96]30分で完了します。最高温度で600～700ワットの電力を消費し、巻き直しにかかるコストもわずかです。この炉は一般的な実験器具として有用であり、外部抵抗を用いることで一定の温度に保つことができます。

この実験で使用する電線は、白金とイリジオ白金またはロジオ白金、あるいは良質な卑金属の組み合わせとし、Aの接合部はアスベストで互いに、また試料からも分離する。接合部EがBに接触しないように、同様の予防措置を講じる。AとBの下には薄い雲母層を設け、炉管との接触を避ける。炉管は高温になると加熱コイルから電流が漏れる可能性があるためである。AとBはどちらも長さ1.5インチ、直径3/4インチとし、直径1/4インチの穴を深さ3/4インチまで開ける。

別の方法としては、試料の穴に接合部を挿入し、温度がゆっくりと上昇または下降するにつれて、指示計の指針の動きが停止することで変化点に達したと判断する直接測定法があります。この目的のために特別なセットが作られています。

熱電法による低温測定。実際には、水銀温度計よりも熱接点と高感度検流計の方が適している場合が多く、水銀が凍結する-39℃以下の温度では、アルコールやペンタンよりも熱接点の方が適していることが多い。 [97]温度計。ここでは、常温および低温における熱接点の使用例をいくつか挙げて考察する。

表面温度の測定。水銀温度計を高温の表面に置いた場合、線に沿って接触しているだけであり、真の表面温度を示しません。この目的に適した熱接点の構造は41ページに記載されています。蒸気管の表面、ホットプレート、炉の外面には、フルスケールの偏差が20ミリボルトの、特別に校正されたミリボルトメーターを使用できます。温度目盛りを作成する際には、沸騰水（100℃）、沸騰アニリン（184℃）、溶融スズ（232℃）が便利な標準です。表面温度が100℃未満の場合は、鏡面検流計を使用し、接点はパラフィンワックス（凝固点は通常約50℃ですが、事前に正確な温度計で測定しておく必要があります）、沸点の無水アルコール（79℃）、および沸騰水で標準化する必要があります。著者は、この方法が蒸気パイプ、回転式セメント窯の外部、および一般的な高温表面の場合に優れた結果をもたらすことを発見しました。

低温の測定。鉄とコンスタンタン、ホスキン合金、銅と洋銀、あるいは銅とコンスタンタンの接点は、これらの測定に適しています。実験室では、冷接点をデュワー瓶に入れた氷の中に保管することができます。「サーモス」フラスコとして知られる機械的に保護された容器は、この測定に非常に便利です。 [98]目的。良質の鏡付きガルバノメーターを使用すれば、正確な測定値が得られ、1/10 度 C の精度も容易に検出できます。-40° ～ +40°C 間の校正は、標準水銀温度計と比較することで行えます。0° 以上ではウォーターバスを使用し、氷点下では氷と塩化カルシウム結晶の凍結混合物で囲まれたアルコールを使用します。非常に低い温度 (-200°C 以下) の場合、接点は固体二酸化炭素 (-78°C) と液体空気 (-184°C) で校正できます。デュワー社は、銅とドイツ銀が非常に低温で信頼性の高い接点を形成することを発見しました。また、著者は、ピボット式指示器を使用して、-200°C までの特殊な作業にホスキンの合金をいくつか使用して成功しました。テストしたどのカップルも、このような低い範囲で EMF と温度の間に直線関係を示しませんでした。

冷接点の変化によって生じる誤差の大きさのため、熱電式は大気温度の測定、爆発性弾薬庫や冷蔵倉庫の温度測定には適していません。このような場合には、後述する抵抗式計測器が使用されます。

蒸気、排ガス等の温度— 通常の蒸気、過熱蒸気、内燃機関の排ガス等の温度測定には、適切な指示計を備えた鉄コンスタンタン接合部が適しています。配管内に設置する場合は、壁面からの冷却効果を避けるため、接合部を可能な限り中央に配置する必要があります。複数の接合部を配管内に設置する場合、 [99]配管の異なる部分に設置されている場合でも、単一のインジケータと適切な配電盤があれば使用できます。上記の注意事項は、高炉の熱風、および温度が900℃を超えない同様のケースにも適用されます。

温度差の測定。実務上、2点間の温度差を測定する必要があるケースが頻繁に発生します。この温度差が急激に変化すると、水銀温度計は質量が大きいため、変化を示すのに十分な速さで反応しません。このような場合は、図2に示すように、各点に1つの接合部を設け、鉄とコンスタンタンの細い線を使用します。温度差が1℃以下の場合は、鏡面検流計を使用します。校正は、一方の接合部を温水に、もう一方の接合部を冷水に浸し、正確な温度計で水温を読み取ることで行います。

熱電式温度測定法の利点。他の方法と比較して、熱電式温度測定法には以下の優れた点がある。(1) 簡便性、測定に特別な実験は不要。(2) 装置が安価。(3) 様々な用途への適応性。(4) 損傷時の修理が容易。(5) 堅牢性、作業場の環境下でも故障しにくい。(6) 集中管理設備に適している。欠点は以下の通りである。(1) [100]冷接点の変動による誤差が生じやすいこと（これは注意すれば回避できる）。（2）抵抗法に比べて非常に高い温度では感度が不足している。精度の限界は通常、通常の炉が動作条件下で温度を変動する量の範囲内であるため、この点は実用上ほとんど重要ではない。

[101]

第4章
抵抗熱電対

一般原理— 純金属を加熱すると、その電気抵抗は温度の上昇とともに徐々に増加します。一方、コンスタンタン、マンガニン、プラチノイド合金など、特定の合金はあらゆる温度で実質的に一定の抵抗を示します。しかしながら、すべての元素金属は温度が上昇すると抵抗が顕著に上昇します。1871年、W・シーメンス卿は、この原理を高温測定に応用し、抵抗を測定し、既知の条件下で作成された表から対応する温度を推定することを提案しました。

この場合、金属の選択は熱接合部の材料選択よりも大幅に制限されます。ある程度の外部腐食は接合部の起電力を変化させませんが、サイズの変化は電線の抵抗に顕著な変化をもたらします。抵抗は長さに比例し、断面積に反比例します。したがって、抵抗に影響を与える内部の物理的変化がないという要件に加えて、さらに次のことが求められます。 [102]外部寸法の永続性の条件。赤熱以上の温度では、使用できる金属はプラチナまたはプラチナシリーズのより高価な金属のみであるため、この目的ではプラチナが広く使用されています。最初のシーメンス高温計は、磁器の棒に巻かれた直径1ミリメートルのプラチナ線1メートルで構成され、鉄のシースで炉のガスから保護されていました。酸性水の電気分解を含む複雑な抵抗測定方法が作業場用に採用されましたが、普及するには複雑すぎました。後に、シーメンスは差動検流計法を採用し、最終的にホイートストンブリッジを使用して抵抗を測定しました。両方の方法は現在でも抵抗高温計に関連して使用されており、ここでそれぞれの原理を説明します。

差動検流計による抵抗測定。差動検流計は2つの巻線を持ち、一方の巻線に流れる電流が指針を一方向に回転させ、もう一方の巻線に流れる電流が反対方向に回転させるように設計されています。各巻線に流れる電流が同時に等しい場合、指針は2つの等しく反対方向の力の作用下で静止したままになります。静止状態を実験的に達成することは、抵抗を測定する手段となります。回路は図30のように配置されています。電池Bからの電流は、 [103]分割された回路において、一方の分岐には調整可能な抵抗Rと検流計Gの一方のコイルが含まれ、もう一方の分岐には未知の抵抗Pと反対側のコイルが含まれます。抵抗Rは、キーKを押した際に検流計の振れが見られなくなるまで調整され、このとき回路の各分岐の電流は同じになります。検流計の各コイルの抵抗が等しいため、オームの法則から、振れが全くないときPはRと等しくなります。

図30.—差動ガルバノメータによる抵抗測定法。

この方法の精度は検流計の感度に依存し、また、測定が明らかに仮定しているように、2つのコイルが真に差動であるとみなせる程度にも依存する。 [104]抵抗と可動部への影響が完全に均一です。このタイプの現代のガルバノメータを使用すれば、高温測定に十分な精度の測定値を得ることができます。ただし、この方法は、後述するホイートストンブリッジ方式ほど感度が高くありません。

図31.—ホイートストンブリッジの原理。

ホイートストンブリッジによる抵抗測定。—この方法の原理は図31に示されている。ここで、 aと bは既知の値を持つ2つの固定抵抗、 dは調整可能な抵抗、 xは測定対象の抵抗、Bは電池、Gは高感度検流計である。この回路において、 dを調整して、偏向がなくなるまで調整すると、 [105]ガルバノメーターに が表示される場合、a ⁄ b = x ⁄ d、またはx = ( a × d ) ⁄ bとなります。したがって、a = bの場合、x はdと等しくなります。

作業場などでの使用に適した携帯型装置を製作することは難しくありません。これを用いてxの値を0.01オームまで測定できます。また、実験室では、非常に精密なガルバノメータを用いれば、0.001オームを容易に検出できます。ホイートストンブリッジ法は抵抗の正確な測定に最適ですが、抵抗高温計では、後述するように、他の利点を得るために、極度の精度を犠牲にすることが推奨される場合があります。

白金の抵抗と温度の関係。白金は抵抗高温計の製造に使用できる唯一の金属であるため、この金属の抵抗に対する温度の影響を知ることが不可欠です。抵抗高温計の開発初期には、純度の異なる白金線のサンプルによって、この関係において大きく異なる結果が得られるという困難がありました。そして、1886年にカレンダー教授がこのテーマを徹底的に研究し、特定の種類の白金の抵抗から温度を非常に正確に推定できる公式を導き出すまで、確実な結論は得られませんでした。この公式とその応用を理解するためには、その基礎となる原理を検討する必要があります。[106]

白金線の抵抗をいくつかの標準気体スケール温度で測定し、抵抗と温度の関係をグラフにプロットすると、得られる曲線は放物線の一部となり、温度上昇に伴い抵抗の増加率が減少することがわかる。起源と純度が異なり、最初の抵抗が前述の白金線と同じ2本目の白金線は、放物線ではあるものの、最初の白金線で得られた曲線とは重ならない曲線を示す。カレンダーの進歩は、既知の気体スケール温度で3回の測定を行った後、あらゆる種類の白金線の温度をその抵抗から推定できる式を導出したことである。これにより、抵抗型高温計の校正は、スケール全体に分散した多数の測定ではなく、正確な3回の測定に簡素化された。さらに、この式はあらゆる種類の白金線に対して、広い温度範囲にわたって非常に正確な結果を与えることがわかった。

カレンダーの公式を扱う前に、「白金抵抗度」という用語について説明します。この度数は、白金の抵抗の増加が全ての温度で均一であると仮定することによって得られます。つまり、温度-抵抗曲線は放物線ではなく直線です。例えば、0℃で2.6Ωの抵抗を持つ白金線は、0℃で3.6Ωに増加します。 [107]100° C では、100° ごとに 1 オームが追加されます。ここで、さらに 1 オーム増加して合計 4.6 オームになると、100° の増加、つまり温度は 200° になるものと想定します。同様に、合計抵抗が 5.6 オームの場合は 300° を示し、12.6 オームの場合は 1000° を示します。この外挿法で得られる温度目盛りは「白金目盛り」と呼ばれ、真の目盛りまたはガス目盛りとは大幅に異なり、温度が上昇するにつれてその差が大きくなります。これは図 32に示されており、A は抵抗と温度の真の放物線関係を表し、B は想定される直線関係を表しています。曲線 A から読み取ると、8 オームの抵抗に対応する温度は 600° C です。しかし、Bから見ると、同じ抵抗は545℃のみを表していることがわかります。これは、この抵抗が指す「白金目盛上の温度」です。図32を見ると、0℃から100℃を除くすべての温度において、白金目盛の抵抗値はガス目盛の抵抗値よりも低いことがわかります。

カレンダーの式は、ガススケールと白金スケールの測定値の差で表され、次の形をとる。

t – p = δ { ( t ⁄ 100 ) 2 – ( t ⁄ 100 ) }

ここで、 t = ガススケールの温度、
p = 白金スケールの温度。δ
= ワイヤの純度に依存する定数。[108]

図32.—白金の抵抗と温度の関係：
A、ガススケール上、B、白金スケール上。

δの値を決定するには、0°、100°、そして100°よりかなり高い3番目の温度で電線の抵抗を測定する必要があります。0°と100°での測定値は白金温度スケールを確立するために必要であり、3番目の測定値はpとtがδの値を計算するために必要です 。[109] 0°と100°は等しく、これらの点が両方のスケールの基準となります。この点を明確にするために例を示します。

例：白金線の抵抗は、氷中では2.6オーム、水蒸気中では3.6オーム、沸騰硫黄中では6.815オームです。硫黄の沸点は気体スケールで444.5オームなので、δの値を求めます。

100° で (3·6 – 2·6) = 1 オームの増加が生じるため、沸騰硫黄で観測される増加 (6·815 – 2·6) = 4·215 オームは、白金スケールで(4·215 × 100) ⁄ 1 = 421·5° pの温度を表します。

カレンダーの公式を適用すると、

(444・5 – 421・5) = δ { ( 444・5 ⁄ 100 ) 2 – ( 444・5 ⁄ 100 ) }

δの値は1·5であることがわかります。

カレンダーは実験において、3番目の点として硫黄の沸点を用い、この温度をガススケールで非常に正確に決定した。この式を適用する際には極めて高い精度が必要であることは、上記の例で選択された数値のわずかな違いがδの値に与える影響を見れば明らかである。例えば、硫黄のガススケールでの沸点を2°低く、つまり442.5°とした場合、δの値は1.37°となり、1200°Cにおける誤差は17°となる。 [110]沸騰硫黄の抵抗を 6.835 オームとした場合も、同じ食い違いが見られ、誤差は 0.02 オームになります。また、0° と 100° での抵抗の差が 1 オームではなく 0.99 オームと測定された場合は、さらに大きな誤差が生じます。 δ の値を正しく決定することの難しさに関する広範な経験から、著者は、最高精度の計測機器を使用し、大気圧の変化によって引き起こされる水と硫黄の沸点の変化を正確に補正するための入念な予防措置を講じない限り、信頼できる結果は得られないことを発見しました。必要な設備が手元にない場合は、熱電式高温計に推奨されている方法に従って、いくつかの固定点を取り、較正曲線を描くことによって、抵抗式高温計を標準化することをお勧めします。

抵抗型高温計を白金スケールで読み取れるように校正し、その線のδの値が分かっていれば、カレンダーの式から正しい気体スケール温度を計算できます。次のページの表は、この方法で行ったいくつかの計算結果を示しています。

白金の抵抗の変化（連続加熱時）。白金の抵抗は、線材を赤熱部より高温に長時間さらし続けると徐々に変化します。温度が1000℃を超えると、この変化は時間とともに顕著になり、高温計で温度表示に重大な誤差が生じる可能性があります。 [111]ウィリアム・クルックス卿が示したように、注目すべき現象は、白金が1000℃を超えると明らかに揮発性となり、そのため線径が減少するという事実によるものである。この変化は、1000℃を超える温度で抵抗型高温計を使用する際の重大な欠点となる。

ガススケールと白金スケールの比較。δ
= 1·5。

白金 空気温度計 違い
温度計 読む （t – Pt.）。
読書（パート）。 t（℃）。
-100 -97·1 + 2·9
0 0 0 
50 49.6 – 0·04
100 100 0 
200 203·1 3·1
300 309·8 9.8
400 420·2 20·2
500 534·9 34.9
600 654·4 54·4
700 779·4 79·4
800 910·7 110·7
900 1049·4 149·4
1000 1197·0 197·0
1100 1355·0 255·0
1200 1526年7月 326·7
1300 1716·0 416·0

抵抗高温測定法で使用される用語。 – Callendar らの研究に続いて、抵抗高温計に関連する特定の用語が使用されるようになったので、ここで定義します。[112]

(1)基本区間とは、0℃から100℃の間の抵抗の増加、すなわちR 100 -R 0 です。200℃から300℃、または800℃から900℃の間の抵抗の増加は、いずれも気体スケールで測定されるため、基本区間の増加とは異なることに留意する必要があります。

（２）基礎係数は、０℃における抵抗が０℃から１００℃の間で１℃あたりに平均して増加する割合、または

R 100 – R 0
—————
R 0 × 100
この数値は実際には0°から100°までの平均温度係数です。純白金の場合、この値は1 ⁄ 260 、つまり0.003846です。

（３）基礎零点は、白金スケール上で抵抗がゼロになる温度である。これは明らかに（２）の逆数であり、マイナス記号が前に付く。

R 0 × 100

• —————
  R 100 – R 0
  純白金の場合、この温度は-260 pとなります。これは、温度ごとの平均増加または減少が全体にわたって維持されると仮定しているためです。つまり、金属が1度冷却されるごとに、抵抗の損失は0°における抵抗の1/260 とみなされます。したがって、この仮定に基づくと、-260 pでは抵抗はゼロになります。[113]

（４）差分式は、ガススケール温度と白金スケール温度の関係を示す式である。

t – p = δ { ( t ⁄ 100 ) 2 – ( t ⁄ 100 ) }

この式はすでに十分に扱われています。

(5)上記の式における白金定数δは、純白金の場合約1.5ですが、微量の不純物によって数値が大きく変化する可能性があります。ただし、式(4)の真偽はδの変化によって影響を受けません。なぜなら、pは それに応じて変化するからです。

図33.—
白金
抵抗
高温計

実用的な抵抗型高温計の形態。ケンブリッジ・アンド・ポール・インストゥルメント社製の抵抗型高温計の典型的な形態を図33に示す。白金線のコイルは、断面が＋形になるように直角に固定された2枚の雲母片からなる雲母枠の縁に巻き付けられている。この巻き方は、雲母が化学的に [114]高温下でも白金に対して不活性である。同じく白金線製のリード線は、コイルからマイカワッシャーを経てツゲ材ヘッドに固定された端子に繋がれている。コイルには接続されていないが、通常のリード線と長さと直径が同じ2本目の線は、2本の平行な枝に曲げられ、リード線と並んでマイカワッシャーに通され、ヘッド内の2組目の端子に繋がれている。この線の役割は、加熱時にリード線の抵抗が変化することを補償することである。補償線を測定装置内の高温計に対向させることで、リード線と線の抵抗が等しい場合、補償線は打ち消され、実際に測定される抵抗はコイルの抵抗のみとなる。図34は、この補償方法を用いたホイートストンブリッジの接続を示している。aとbは2つの等しい固定抵抗、Pは高温計コイル、xはリード線、Lは補償線、dは可変抵抗を表す。検流計に偏向が見られない場合、

a ⁄ b = ( x + P) ⁄ ( L + d )

そしてa = b、x = Lなので、P = dとなります。

Cambridge and Paul Instrument Company が使用する保護管は磁器で作られており、プラチナを炉のガスから完全に保護することが分かっていますが、非常に壊れやすいため、作業場で使用する場合は外側の鉄製のシースで保護する必要があります。[115]

図34.—抵抗高温計で使用されるホイートストンブリッジ。

他社製の抵抗型高温計は、前述のものと細部において異なる。シーメンス社製の高温計では、コイルは特殊な耐火粘土に巻かれ、鉄製のシースで保護されている。コイルとシースの間はマグネシアで満たされており、白金の腐食を効果的に防ぐ。補償は、コイルの中心を通る一本のワイヤをコイルの一端に接続することで行われ、特殊なホイートストンブリッジを用いて測定が行われる。RWポール社製の機器では、コイルはワイヤから巻かれた平らな帯状のもので、雲母に巻かれ、シリカチューブと外側の鉄製のシースで保護されている。フィラデルフィアのリーズ・ノースラップ社は、コイルを巻くために黒曜石の棒を使用している。 [116]また、コイルを自立させて巻くことで支持部を不要にする形状も考えられます。いずれの場合も、コイルは非誘導的に巻かれ、つまり、コイルを螺旋状に巻く前にワイヤーを二重に巻きます。

特定の計測器の零抵抗は、使用する計測器の精度と、達成したい精度の程度に依存します。例えば、1/100オームまで測定可能な計測器を用いて1℃まで読み取る場合、便利な零抵抗は2.6オームです。純白金の場合、抵抗は0℃で2.6オーム、100℃で3.6オームに上昇することが分かっており、これは1℃につき1/100オームの増加に相当します。より粗い測定装置では、同じ精度を得るためには、それに応じて高い零抵抗が必要になります。例えば、計測器が検出できる最小値が1/25オームの場合、10.4オームの零抵抗があれば1℃を観測できます。計測器の限界値が既知であり、最小温度範囲が指定されていれば、あらゆるケースにおいて適切な零抵抗を同様に計算できることは明らかです。

赤熱以上の作業では、コイルのリード線は必ず白金製にする必要があります。銅製のリード線は加熱されると白金を侵すのに十分な量の蒸気を放出します。これはあらゆる種類のはんだにも当てはまります。しかし、低温作業では銅製のリード線を使用すれば、機器のコストを削減できます。雲母は1000℃を超えると崩壊しやすく、ほとんどの雲母は溶けてしまいます。 [117]1300℃以下では測定できません。したがって、雲母巻きの計器は1000℃を超える温度で連続使用しないでください。シーメンス社が使用している耐火粘土巻き線は、1400℃までの間であれば時折測定が可能です。これは、黒曜石（融点1550℃）に巻かれた線や、コイルが自立しているものにも当てはまります。しかし、前述のように、白金自体の変質により、1000℃を超える温度での連続測定は短時間で不正確になります。

高精度の測定装置を用いれば、1℃の変化に対応する抵抗を測定できることが指摘されており、一見すると、抵抗法の方が実際には熱電式よりもかなり精度が高いように思えるかもしれません。もし完全に一定の温度を測定するのであれば、抵抗式高温計の方が間違いなくより正確な指示値を示すでしょう。しかし、高温計が使用されるガス炉や石炭炉、その他の高温空間では、10℃までの一定温度を保つことはほとんど不可能です。したがって、作業場における高温計の精度は、温度変動に対する反応速度に依存し、この反応速度は明らかにシースの熱伝導率に影響されます。抵抗式高温計は、熱伝導率の低い磁器製またはシリカ製のシースで保護する必要があるため、結果としてこの計測器は急激な温度変化に対応できません。同じことは、シーメンス型に使用されているマグネシア製のパッキングにも当てはまります。 [118]一方、熱電式高温計は鉄管によって十分に遮蔽されていることが多く、熱伝導の自由度がかなり高い。そのため、抵抗法の優れた精度は、表示の鈍さによって相殺されてしまう。また、変化する温度を読み取る場合、熱電式高温計は少なくとも同等の精度を有する。しかし、融点の測定や、精密制御が可能な実験炉を使用する場合など、一定の温度が得られる場合は、抵抗式高温計を用いることで、より高精度な安定した温度測定が可能となる。

抵抗型高温計の指示計。—既存の抵抗型高温計の指示計はすべて、ホイートストンブリッジ、差動検流計、またはその他の方法を用いて抵抗を測定するための装置であり、指示計の抵抗値は対応する温度に変換されます。以下に代表的な例を挙げます。

図35.—シーメンスのダイヤルインジケータ。

シーメンス指示計。この計器はホイートストンブリッジの原理に基づいており、図35に示されている。検流計は目盛りの中央に設置され、その縁にはリングが固定されており、このリングに調整可能な抵抗が螺旋状に巻かれている。適切な端子が設けられ、適切なラベルが貼られており、電池、高温計のリード線、補償器が接続される。目盛りの中央を中心として動く真鍮のアームの先端には、調整可能な抵抗の上を移動するタッピングキーが付いており、このキーは電池回路に挿入されている。固定された既知の抵抗は目盛りの内部にある。 [119]指示計。調整は、キーを円周方向に動かし、軽く叩いたときに検流計の針が振れなくなるまで回す。可動アームの先端は、ダイヤル上の高温計の温度を示す。ダイヤルには、キーの位置によって高温計に作用する抵抗値に対応する温度が表示されている。温度を読み取る際、操作者は、指示された温度が高すぎる場合は検流計の針が一方向に動き、低すぎる場合は反対方向に振れるという事実を念頭に置く。振れがなくなる中間の位置を試行錯誤で見つけなければならない。 [120]観察者が測定対象の温度について大まかな知識を持っている場合、この手順は 2 分以上かかることはありません。

図36—ウィップル指標

ウィップル指示計。—この計器（図36）はケンブリッジ・アンド・ポール・インストゥルメント社で採用されており、これもホイートストンブリッジの一種である。高温計のリード線と補償器は [121]適切にラベル付けされた端子 T に接続し、電池を箱の反対側にある他の端子に接続します。検流計の指針は小さな窓 B から見ることができ、乾電池 2 個が入った電池が箱の側面に置かれています。固定抵抗は箱の中に収納されており、調整可能な抵抗はドラムに巻かれた連続ワイヤで構成されており、ハンドル H で回転させることができます。H とドラムを接続するシャフトはねじ込まれており、ナットで機能するため、H を回すとドラムがらせん状に動きます。調整は、キー F をタップしたときに検流計の指針の振れが見られなくなるまで H を回転させることで行います。高温計の温度は、ドラムに巻き付けられてドラムと一緒に回転する紙スケールから直接読み取ります。このスケールは窓 A から見ることができ、読み取り値は固定された指針によって示されます。この配置により、コンパクトで便利な表示器が構成されます。

図37.—ハリスインジケーター。

ハリス指示計。シーメンスやホイップルの指示計では、読み取りを行う前に、検流計の振れがなくなるまで抵抗を調整する必要があります。この作業には時間がかかり、かなりの熟練が必要です。RWポールが製作したハリス指示計（図37参照）では、この手間が省けます。この計器は特殊な抵抗計で、指針の動きによって高温計の抵抗値を自動的に示します。ただし、目盛りは対応する温度を読み取ることができるように分割されています。 [122]この指示計では、目盛りを所定の数値を超える温度（例えば100℃）で表示するように設計できるため、使用範囲全体にわたって正確な読み取りが可能です。また、目盛り全体が全範囲（例えば0℃～1000℃）または他の特定の間隔を表示するように接続することもできます。この計器の利点は、前述の指示計に比べて操作がはるかに簡単なことです。

リーズ・ノースラップ指示計。—この装置ではホイートストンブリッジの原理が採用されていますが、ガルバノメータには [123]温度計の目盛りを分割する。高温計側の抵抗が100℃上昇した場合に対応するコイルが設けられており、これらのコイルを回路に挿入することで、温度は100℃単位まで正確に測定される。温度がちょうど100℃、例えば700℃の場合、検流計の指針は目盛りのゼロを指す。しかし、温度が上昇すると、系のバランスは崩れ、検流計の指針は端子間の電位差に応じて目盛り上を移動する。非常に感度の高い検流計であれば、系の正しいバランスからわずかにずれただけで目盛りの端まで移動する。しかし、より感度の低い機器を使用すれば、指針は範囲内に留まり、抵抗の増加が大きいほど、変位も大きくなる。このような場合、検流計の目盛りを分割して、回路に配置されたコイルの温度上昇分に相当する温度を読み取ることが可能である。リーズ・ノースラップ式指示計のある形式では、目盛り全体が100°ごとに分割され、ガルバノメーターに表示された数値に挿入されたコイルの百の位を加算することで読み取り値が得られます。別の形式では、ガルバノメーターに中央のゼロがあり、目盛りが左右に分割され、片側には上側の度数、もう片側には下側の度数（最も近い百の位）が表示されます。そのため、偏向がない状態に調整する必要がある場合よりも、観察がはるかに簡単になります。[124]

シーメンス社の差動指示計。この形式の指示計は現在でも使用されており、差動検流計と抵抗コイルの箱で構成され、図30に示すように接続されています。コイルの偏向がなくなるまで調整することで、高温計の抵抗値が得られ、付属の表から対応する温度を読み取ることができます。この形式の指示計は一部のユーザーに好まれていますが、同社が製造した比較的新しいホイートストンブリッジ指示計（図35）よりも感度が低く、操作も同様に困難です。

抵抗型高温計用記録装置。高温作業における記録の重要性から、抵抗型高温計用の記録機構が発明されました。英国で一般的に使用されているのは、図38に示すカレンダーが考案したものであり、ホイートストンブリッジ回路の抵抗バランスを自動的に回復させ、チャート上に抵抗値を表示する機構を備えています。このため、ガルバノメーターの可動コイルにはブーム（接触アーム）が取り付けられており、これが右または左に振れると、2つの電気回路のうちの1つが閉じます。いずれかの回路が閉じると、ゼンマイ仕掛けの機構が作動し、ペンを取り付けたスライダーがブリッジワイヤ上を移動してバランスが回復するまで移動し、同時に、既知の速度で回転するドラムに巻かれた紙にインクで印を付けます。高温計の抵抗がバランスすると、ガルバノメーターのブームは中央の位置になります。 [125]位置、スライダーは静止している。一方、温度が上昇して高温計の抵抗が増加すると、ブームが振れて回路が完成し、高温計に抵抗する抵抗が増加する。温度が低下すると、同様にブームが反対方向に振れるため第2の機構が解放され、スライダーが移動して高温計への抵抗が減少する。チャートを水平に等間隔に分割し、抵抗の等しい増分または減少を表す場合、白金目盛の度数を表すようにマークを付けることができ、換算表を参照して通常の度数に変換できます。注意深く熟練した人の手によってこの記録計は優れた結果をもたらし、得られた記録の価値は、図39に示す例を調べれば明らかです。この図は、9時間にわたる焼鈍炉の変動を示しています。作業員Aが担当した期間中、炉は継続的に注意深い監視を受けていたことがわかります。しかし、作業員Bは明らかに2回にわたって職務を著しく怠っていた。

図38.—カレンダーの記録装置。

[126]

図39.—カレンダーのレコーダーで得られた記録。

[127]

リーズ・ノースラップ式記録計。カレンダー式記録計では、電気回路を完結するブームは、ガルバノメーターコイルの軸方向のねじれによるわずかな力によって接触面に押し付けられるため、動作の確実性を確保するには繊細な機構が必要となる。フィラデルフィアのリーズ・ノースラップ社製の機器では、添付の図（図40）からわかるように、断続的な動作によってより確実な接触が確保されている。ガルバノメーターのブームはプラチナ製の先端Pで終端し、2つのブロックの間を移動する。ブロックの上部は2つの銀片AとBで構成され、象牙の細片Iで区切られている。下部のブロックCは、同じく銀片で、 [128]検流計は、図示されていない電磁気装置によって周期的に上下に動かされる。検流計が平衡位置にあるとき、ブームの先端は象牙片Iの下にあり、Cが上昇すると先端Pが象牙に押し付けられ、電池から回路EとFのいずれにも電流が流れなくなる。しかし、高温計の温度変化によりブームの先端がAの下にある場合、Cが上昇すると回路Eが完成し、同様に、ブームの先端がBの下にある場合は回路Fが確立される。どちらの場合も、ペンを取り付けたスライダーを高温計に対向する抵抗線上で動かし、平衡を回復させる機構が作動する。こうして接触の確実性が確保され、すべての部品を強固に製造することができる。実際の記録計は図41に示されている。 [129]この記録計では、スライダーがチャートに接触する通常のスタイログラフィックペンを備えていることがわかります。この記録計は差動検流計方式で動作し、スライダーが移動する調整抵抗は、テーパー状の芯線に巻かれたマンガニン線で構成されており、水平方向の動きは抵抗ではなく温度変化を表すため、白金目盛の測定値を通常の温度に換算する必要がありません。メーカーは、この計器は堅牢な構造と相まって、一貫性のある正確な測定結果をもたらすと主張しています。このメーカーが製造するもう一つのタイプの記録計は、 [130]（図26）は、抵抗型高温計と組み合わせて使用​​することもできます。この場合、前述の動作により、ホイートストンブリッジ回路内の高温計に抵抗が加わったり切れたりし、平衡が回復するまで抵抗が制御されます。

図40.—リーズ・ノースラップ記録器の原理。

図41.—リーズ・ノースラップ・レコーダー。

ポールの記録計。—熱電式高温計に使用されるこの機器については既に説明しました。検流計をハリス指示計に置き換え、適切なチャートを使用することで、同じ機構で抵抗式高温計の指示値を記録できます。

抵抗式高温計の設置。抵抗法は、熱電式のように集中制御設備の目的には容易に適用できません。これは、抵抗値が正確に等しい高温計のセットを製造することが難しいためです。しかし、ハリス指示器（ 122ページ）に見られるような抵抗測定にオーム計法を導入することで、このプロジェクトは実現可能になりました。この方式では、温度係数が無視できる程度の導線を必要な抵抗値として追加することで、一連の高温計の抵抗値を共通化できるからです。このようにして抵抗値を例えば3オームにゼロにした複数の計器をハリス記録計に接続すれば、ほぼ同じ結果が得られます。しかしながら、さまざまな理由から、熱電式設備の方が好ましいと言えます。

抵抗型高温計の管理。抵抗型高温計は900℃（1650° F）以上で連続使用することは推奨されませんが、時折1200℃（2190° F）まで測定することは可能です。細心の注意を払ってください。 [131]金属蒸気や炉ガスが内部に侵入しないように注意する必要があります。そのため、ひび割れや欠陥のあるシースはすぐに交換する必要があります。抵抗は徐々に変化するため、900℃を超えていない場合でも動作温度付近の固定点で読み取り値を確認し、観測された誤差を考慮する必要があります。一部のメーカーが推奨する別の補正方法は、氷の中での抵抗を測定し、それが指示器にマークを付けたときに記録されたゼロ抵抗とどれだけ異なるかを記録し、単純な比率で補正することです。たとえば、氷の中で観測された抵抗が10.2オームで、元の抵抗が10.0オームの場合、指示器の読み取り値は10.0/10.2 = 0.98を掛けます。この補正は抵抗と温度の間に線形関係があると仮定しているため、概算値に過ぎません。一般的に、重大な欠陥がある場合は、必要な修理を行うために特別なスキルが必要となるため、機器をメーカーに送付する必要があります。

指示計は通常自動的に作動しないため、操作時には特に検流計を損傷しないよう注意が必要です。また、熟練していない観察者に機器を任せることは避けてください。熱電式高温計の記録計と保護シースに関する注意事項（92ページ）は、この場合にも同様に当てはまります。[132]

抵抗型高温計の特殊用途— 正確な読み取りが必要であり、かつ安定した温度が確保できるあらゆる場合において、抵抗型高温計は有利に活用できます。例えば、融点や沸点の正確な測定、あるいは実験炉内の温度の正確な測定においては、抵抗型高温計は他の種類の機器よりも優れています。しかし、熱接点ほどの速さで変化に反応することができないため、再熱点の測定や内燃機関の排気ガス温度の測定といった用途には適していません。抵抗法は、大気中や極低温（液化ガスなど）に適用でき、安定した状態を正確に測定できます。400℃未満では、白金の代わりにニッケル線が使用されることもあります。多くの冷蔵倉庫には抵抗型温度計が設置されており、ホイートストンブリッジを挟んで設置された検流計で温度を直接読み取ります。検流計の変位量は、ホイートストンブリッジの平衡度に依存します。抵抗素子の温度変化を正確に読み取ることができます。抵抗法が特定の目的に適しているかどうかは、次の3つの要素によって判断されます。(1) 測定温度（連続して1000℃を超えてはならない）、(2) 必要な精度（熱電式高温計は10℃までの測定結果を示す）、(3) 測定温度の安定性（急激な変化は抵抗式高温計では容易に検出できない）。[133]

抵抗式高温計の利点の一つは、高温計と指示器を接続する配線の抵抗が測定値に影響しないことである。これらの配線は測定装置内で二重化され、互いに対向しているため、抵抗が打ち消される。したがって、どんな距離でも同じ測定値が得られ、さらに、高温計のヘッドの温度がいくら変化しても測定値は変わらない。これらは熱電式に比べて優れている点であるが、一方で、抵抗式高温計と指示器は、より高価で、壊れやすく、修理が難しく、より熟練した作業が必要であり、工業用途で使用すると故障しやすくなる。これらの欠点により、抵抗式高温計の使用は特殊な目的に限定され、一般的な観測は熱電式高温計によって行われている。

[134]

第5章
放射温度計
一般原則— 物質から放射される熱は温度上昇とともに増加するという経験則は周知の事実である。高温物体の温度を放射強度から推定できれば、高温物質に高温計を接触させることなく、離れた場所から測定できるため、明らかに有利となる。1000℃を超える温度では、熱電式または抵抗式高温計の金属や保護シースに問題が生じるため、温度上昇に伴いこの利点はより顕著になる。放射エネルギーと温度の関係に関する我々の知識を簡単に概観すれば、この目的をどのように達成できるかが分かるだろう。

絶対零度（-273℃）を超える温度にある物質は、エーテル波によって周囲にエネルギーを放射します。400℃以下では、これらの波は目の網膜に影響を与えないため、放射体は暗い部屋では見えません。しかし、400℃を超えると、可視光線の一部が放射され、温度が上昇するにつれて、 [135]網膜への影響が強まり、物体の明るさが増します。非発光波と発光波の違いは波長のみで、短い波長の方が目に見えるため、どちらも放射エネルギーを表します。物質は放射エネルギーを放出するだけでなく、周囲から放射を受け取ります。放射エネルギーは多かれ少なかれ吸収され、吸収されると、受け取る物質の温度が上昇する傾向があります。したがって、部屋にある同じ温度の物体は互いにエネルギーを放射しており、各物体が周囲から放射するエネルギーと等しい量のエネルギーを受け取ると、温度が等しくなります。熱い物質は冷たい物質よりも多くのエネルギーを放射します。したがって、熱い鉄球を部屋に吊るすと、周囲から受け取るエネルギーよりも多くのエネルギーが周囲に放射されるため、放出するエネルギーと入射するエネルギーが釣り合うまで冷却され、その温度は部屋の他の物体の温度と等しくなります。

物質が放射エネルギーを放出したり吸収したりする速度は、その表面の性質によって異なります。例えば、燃焼した樟脳の煙の中に物体を置いたときに得られるような、粗く黒い表面は、他のどの表面よりも自由に熱を放射・吸収します。一方、反射板として機能する磨かれた金属表面は、これらの点で最も劣悪です。しかし、細かく砕かれた煤の表面でさえ、そこに降り注ぐすべての放射を完全に吸収するわけではありません。 [136]わずかに反射する。もし「完全な黒面」が存在するとすれば、それは反射力が全くなく、入射する放射エネルギーをすべて吸収するだろう。逆に、下側から到達するエネルギーはすべて放射し、反射したり透過したりしない。これは光波が透明な物質を透過するのと同じ原理である。このような完全な表面は知られていないが、キルヒホッフが示したように、放射エネルギーに関して、同じ温度の完全な表面から得られるのと同じ数値結果を与える放射配置を作ることは可能である。このような配置は「黒体」と呼ばれ、そこからの放射は「黒体放射」と呼ばれる。

図42.—黒体放射。  

いかなる囲いも、放射エネルギーを透過せず、一定温度に保たれていれば黒体を構成し、側面の小さな開口部を通して内部から受ける放射は黒体放射である。 図42はそのような囲いを表している。高温測定への応用を示すため、物体Aは側面の開口部の反対側に示されており、この開口部を通してAの表面から放射が放出される。もしこの表面が「完全」であれば、そこに入射するすべての波は完全に吸収され、完全に放射される。しかし、温度変化を防ぐには、放射されるエネルギーと受信されるエネルギーが釣り合う必要がある。一方、Aの表面が磨かれた金属であれば、囲いの側面から入射する波は主に反射されるが、 [137]ここでも、温度が一定であれば、表面から放出されるエネルギーは、受けるエネルギー量と等しくなければなりません。したがって、温度変化がない場合、Aの表面から放出されるエネルギーはその表面の性質とは無関係であり、開口部から放出されるエネルギー量は、開口部の反対側の表面の性質に関わらず、同じになります。放射特性の良好な表面の場合、筐体からの放射線はまず吸収され、その後開口部から放射されます。放射特性の悪い表面の場合、放射線は開口部から直接反射されます。どちらの場合も、放出されるエネルギーの総量は同じです。放射高温計は黒体放射に基づいていることは後述しますが、ここで議論されている構成は一定温度の炉内で実現されており、Aは鋼鉄の塊などの物体を表す可能性があります。したがって、 [138]日常的に使用される機器によって完全な放射状態が達成され、さらに、加熱空間に片端を閉じた管を置き、開放端から放射を受けることで、黒体放射を常に確保できます。これもまた、一定温度の密閉空間を表すからです。同様に、図29に示す電気炉の管内部の固体からの放射も同様の性質を持ちます。したがって、黒体放射に基づくあらゆる機器を、実際に容易に実現できることを前提として、正確に適用することができます。

物質が与えられた条件下で放射するエネルギーと温度を結びつける法則は、様々な観察者によって様々に述べられていましたが、1879年にステファンがティンダルの実験データから真の関係を導き出しました。ステファンは、ティンダルが示した数値は、与えられた固体が放射するエネルギーがその絶対温度の4乗に比例して変化することを示しています。様々な条件下で行われた数多くの実験から、この4乗の法則はあらゆる種類の表面や状況に当てはまるわけではないことが示されました。しかし、黒体放射に適用した場合のこの法則の真実性は、1884年にボルツマンが熱力学的な考察から、完全放射体から与えられた時間に放射されるエネルギー量は、その絶対熱力学的温度の4乗に比例して変化しなければならないことを示したことで、確固たる確証を得ました。ボルツマンが行ったいくつかの仮定は、 [139]この研究はその後、実験によって正当化され、黒体条件下での数多くの実験によってこの法則は十分に検証されました。放射高温計はシュテファン・ボルツマンの法則に基づいています。黒体条件下で加熱された物質から放射によって受けたエネルギーが測定器によって測定され、その目盛り上の対応する温度に変換されます。

記号で表現すると、4乗法則は次のようになります。

E = K(T 1 4 – T 2 4 ) 、

ここで、E は放射される全エネルギー、T 1 は黒体の絶対温度、T 2 は 受容物質の絶対温度、K は選択した単位によって決まる定数です。E をワット/平方センチメートルで表すと、K の値は 5.6 × 10 -12です。カロリー/平方センチメートル/秒で表すと、値は 1.34 × 10 -12です。受容物質の温度 T 2の導入は、前述のとおり、エネルギーが高温の物体に放射されて戻り、エネルギーの正味損失が受容物質から放出されるエネルギーと受容物質から戻ってくるエネルギーの差になることから必要になります。T 2 が絶対零度であれば、黒体から放出されるエネルギーは K(T 1 ) 4になります。一方、T 2 がT 1と等しい場合は、物質が放射によって周囲よりも低い温度に冷却できないため、エネルギー損失はゼロになります。   [140]温度T 1とT 2は熱力学スケール（9ページ）に基づいていますが、気体スケールは実質的に同じであるため、絶対零度（-273°）を基準とした摂氏温度を用いることもできます。この法則の適用例を以下に示します。

例:それぞれ 527°、727°、927° C の温度にある炉の側面の開口部から放射されるエネルギーを、27° C の周囲温度と比較します。

数量は以下のとおりです

K (800 4 – 300 4 ): K (1000 4 – 300 4 ): K (1200 4 – 300 4 )。

絶対温度に変換するには、それぞれの温度に273を加算する必要がある。それぞれの温度をKで割り、展開すると、比率は次のようになる。

(4096 – 81) × 10 8 : (10000 – 81) × 10 8 : (20736 – 81) × 10 8 .

それぞれを10 8で割って引き算すると、結果は

4015 : 9919 : 20655、または 1 : 2·47 : 5·12。

上記の例では、周囲温度（27℃）の影響は小さく、炉の温度が上昇するにつれて比例して小さくなることがわかります。もしT 2 を計算で無視した場合、放射されるエネルギー量は次のように表されます。

1 : 2·44 : 5·06.

後述するように、放射高温計の温度目盛りを計算する際には、周囲の温度は考慮されません。図43は4乗則のグラフです。[141]

図43.—
異なる温度における黒体から放射されるエネルギー。

温度と放射エネルギー量の関係が分かっていれば、受ける放射エネルギーの量を示す機器であれば温度測定に使用できる。例えば、放射エネルギーを熱接点に集束させると、熱接点は入射エネルギー量に比例して加熱される。 [142]ミリボルトメーターに接続すると、受信エネルギーに比例した偏向が生じます。接合部の代わりに薄い金属片を使用し、その抵抗を測定することで、放射の加熱効果、ひいては放射量を推定することができます。3つ目の方法は、2種類の金属の複合片に放射を集束させることです。複合片の形状を変化させることで、放射が受信エネルギー量を知る手がかりを得ることができます。理論上は、低温を測定する機器の動作部に放射を当てるだけで、発生する温度上昇は受信エネルギーに比例し、放射体の熱状態は4乗則から推定できます。しかし実際には、受信温度計は小型で、熱容量が低く応答が速く、高感度な指示を示すことが望ましく、通常の水銀温度計はこの目的には適していません。一定の距離に設置されたサーモパイルは、パイルを介した伝導によって冷接点が徐々に温まるため故障する。放射を受ける部分はランプブラックでコーティングする必要がある。こうすることで、放射の有無にかかわらず、入射するほぼすべての波が吸収され、そのエネルギーが温度上昇に利用される。[143]

放射高温計の実用形態：フェリーの機器— 1902年、フェリーは、太陽光線を燃焼レンズで集光するのと同様に、レンズを用いて小さな黒色の熱接合部に光線を集光する高温計を考案しました。この接合部は特殊なダルソンバル検流計に接続され、発生した起電力を記録しました。検流計の測定値を接合部の温度、つまりそこに入射する放射エネルギーに比例するものとみなすことで、放射源の温度を4乗則から計算することができました。この機器の欠点は、放射線の一部がガラスに吸収され、しかもその割合が温度によって変化するため、4乗則を正確に適用できないことでした。ガラスの代わりに蛍石レンズを使用することで、この誤差は克服されましたが、この素材の良質なレンズは高価であったため、通常の作業場での使用は価格的に困難でした。ガラスレンズを備え、蛍石レンズを備えた標準器との比較によって校正されたこれらの高温計が多数市場に投入されましたが、1904年にフェリーが凹面鏡を用いて光線を集束させるという方法を思いつき、ガラスレンズによる吸収による誤差を克服したことで、これらの高温計は廃止されました。この方法は見事に機能し、それ以来、ほとんどの放射高温計に採用されています。[144]

フェリーのミラー式高温計。この機器の縦断面と断面図は図44に示されている。金メッキの反射面を持つ凹面鏡Mが金属管の一端に配置され、ラックに固定されている。ラックは、フライス加工されたヘッドPによって動かされるピニオンと噛み合っており、Pを回転させると、鏡に縦方向の動きが与えられる。断面の中央に示されている小さな黒色の熱接合部は、銅または鉄とコンスタンタンの線が固定された銅の円板で構成されており、反射後の光線を受け取り、鏡を適切に動かすことで焦点を合わせることができる。

図44.—フェリーの鏡式高温計。断面図。

図45.—フェリーの鏡面高温計。端面図。

導線は管の外側にある端子bとb’に通され、そこから指示計へと導かれる。接合部が鏡の焦点に入っているかどうかを確認するために、管の端に接眼レンズOが取り付けられており、これにより接合部を観察することができる。 [145]接合部付近に設置された光学装置によって、Mで撮影された視準物体の像は、接眼レンズOに向けて2つの部分に反射される。接合部がMの焦点と正確に重なると、接合部の周りに円形の像が見える。焦点が合っていない場合は、横方向に一致しない2つの半円のように見える。調整は、別々の半円が連続した円を形成するまで鏡を動かすことで、簡単かつ確実な方法である。高温計の先端部は図45に示されており、必要に応じて入口を絞りで部分的に閉じることも、完全に開いたままにすることもできる。絞りは、一定の割合の光を遮断するために使用される。 [146]この高温計は放射を制御し、非常に高い温度で使用されます。この温度では、全開にすると、指示計の針は目盛りの限界を超えて押し上げられます。指示計には 2 つの異なる温度目盛りがあり、1 つは全開、もう 1 つは部分開を示します。指示計と直列に適切な抵抗を挿入することで同じ目的を達成できますが、この場合は接合部が過度に加熱され、損傷する可能性があります。この高温計の寸法は、測定される最高温度でも、接合部に入射する熱によって接合部が 110° C を超えることがないようになっています。放射の強度は距離の 2 乗に比例して減少しますが、接合部に当たる量は、限度内で距離とは無関係です。これは、像の大きさとそれを生成する物体までの距離との関係に関する凹面鏡の特性から生じます。rを鏡の半径、uを 物体までの距離、vを鏡の中心から測った像までの距離とすると、凹面鏡の場合、1 ⁄ u + 1 ⁄ v = 2 ⁄ rという関係 が成り立ちます。このうち2つが 分かれば、 3つ目は計算できます。さらに、dを物体の寸法、d 1をその像の寸法とすると、 d ⁄ d 1 = u ⁄ vという関係 も成り立ちます。これら2つの式から、フェリー式高温計に関連するすべての事項を決定できます。これは、例を挙げて説明するとよく分かります。[147]

例 I.半径6インチの鏡で形成される物体の像の位置を求める。物体までの距離は( a )10フィート、(b)20フィートである。

インチに縮小し、式に適用する

1 ⁄ u + 1 ⁄ v = 2 ⁄ r、  1 ⁄ 120 + 1 ⁄ v = 1 ⁄ 3

そして

1 ⁄ 240 + 1 ⁄ v = 1 ⁄ 3

ここから、 v の値はそれぞれ3- 1 ⁄ 13 インチと 3- 1 ⁄ 26 インチとなり、その差はわずか1 ⁄ 26インチです。

もしuが6インチなら、vも6インチです。もしuが無限大なら、 vは3インチです。物体を遠くから近づけたときの像の動きは、観察対象の鏡の中では3インチから6インチまで変化し、10フィート以上の距離では、わずか数インチの位置の違いしか生じません。

例 II.直径1フィートの円形の開口部から半径6インチの鏡を( a )10フィート、( b )20フィートの距離に置いたときの開口部の像の面積を求める。

d ⁄ d 1 = u ⁄ vなので ;

例Iの結果から、

10フィートの距離では12 ⁄ d 1 = 120 ⁄ (3- 1 ⁄ 13 )   、

  20フィートでは12 ⁄ d 1 = 240 ⁄ (3- 1 ⁄ 26 )となります。

したがって、直線寸法、つまり円形画像の直径はそれぞれ0.308インチと0.152インチとなり、面積はそれぞれ0.074平方インチと0.0182平方インチとなります。これらの面積は実質的に4：1の比となります。  [148]

つまり、像の面積は 物体までの距離の二乗に比例して減少します。距離の二乗は 100 と 400、つまり 1 : 4 ですが、像の面積は 4 : 1 です。

例 III.直径6 インチの鏡と、直径1/10インチの接合部について、接合部以上の像を映すために、直径 1 フィートの開口部から鏡を配置できる最大距離を求めます。

例 I から、距離が 20 フィートを超えると、像の位置は 3 インチを超えるとごくわずかで無視できる程度になることがわかります。したがって、v は 3 と見なすことができます。

式  d ⁄ d 1 = u ⁄ vの値を適用し、d 1を接合部の直径 = 0·1インチとすると、

12 ⁄ 0·1 = u ⁄ 3、 u = 360 インチ、つまり 30 フィート。

この距離を超えると、像は接合部よりも小さくなる。前述の例から導かれる結論は、(1) 像が接合部と重なる限り、接合部が受け取るエネルギー量は変化しないということ、(2) 接合部が受けるエネルギーの限界距離は、 [149]正しい読み取りが確実に行えるのは、像の大きさが接合部の大きさと等しくなる場合です。したがって、例IIのように距離が10フィートと20フィートの場合、前者では鏡に当たるエネルギーは後者の4倍になりますが、一方で、10フィートの距離での像の面積は20フィートで得られる面積の4倍になります。したがって、距離が長いほど、接合部に当たる像の割合は4倍になり、鏡に当たるエネルギーが4分の1しかないという事実が相殺されます。接合部に当たらなかった反射光線はすべて無効となり、管の入口から出ていきます。

図46.—フェリーの螺旋。

上述の2目盛り型の計​​器は一般的な用途には非常に有用ですが、制御対象の温度がすべて1つの目盛りの範囲内に収まる場合は、ダイヤフラムを省略し、1つの目盛りのみを備えた指示計を使用する方が簡単で安価です。このため、単目盛りミラー式高温計が採用されています。 [150]工業用途ではより一般的に使用されています。ケンブリッジ・アンド・ポール・インストゥルメント社は現在、全開状態で使用するためのピボット式インジケーターを製造しており、これは吊り下げコイルを備えたものよりも損傷しにくいものです。

図47.—フェリーの螺旋型高温計。断面図。

フェリーの「スパイラル」放射高温計。この装置は、2 種類の金属の複合ストリップで形成された小さなスパイラルに放射線が焦点を絞られるという点のみが、前の装置と異なります。このスパイラルは、一端が固定され、自由端に指針が付いています (図 46)。温度変化がこのスパイラルに及ぼす影響は、温度が上昇するか下降するかに応じて、らせんが巻き上がったり、ほどけたりすることです。この動きは指針によって拡大され、指針の先端は目盛り付きのダイヤル上を動き、温度を直接読み取ります。この配置は、図 47 に断面図で示されています。ここで、C はミラー、E は接眼レンズ、S はスパイラル、P は指針、D は窓 W から見たダイヤルです。 [151]装置の正面から見た外観を図48に示す。スパイラル型温度計を使用する利点は、機器が自己完結型で、検流計が不要になることである。しかし、その一方で、表示はそれほど正確ではなく、1000℃を超える温度では20℃の誤差が生じる可能性がある。この高温計を使用すると、高温物質に焦点を合わせた後、指針がしばらく急速に動いてから停止し、その後再び目盛りに沿ってゆっくりと動き始めることが観察される。停止した瞬間に示された温度が通常、測定値として採用されるが、これは必ずしも正確ではない。

図48.—フェリーの螺旋型高温計。正面図。

[152]

このクリープ運動は、おそらく装置全体と内部の空気が、入射する熱線と高温源に近接していることによって加熱されることに起因すると考えられる。筆者が行ったいくつかの試験において、使用前に装置を炉の近くにしばらく置いて周囲の温度に達すると、「クリープ」はほぼ完全に消失することが確認された。総合的に判断すると、フェリーの高温計の螺旋型は、熱接合部で熱線を受光する方式よりも携帯性に優れているものの、精度は劣ると考えられる。

フォスターの固定焦点放射高温計。—フェリーの放射高温計に共通する焦点合わせの必要性は、フォスターの高温計では不要であるが、それほど遠くから使用できない。固定焦点放射高温計の原理は、凹面鏡が受けて熱接点に焦点を合わせるエネルギー量は、固定された開口部を通して鏡に光線を送る面の面積が距離の2乗に比例して増加する限り変化しないというものである。これは図49から理解できる。図49において、Cは鏡、Dは開口部EFの焦点内に固定された熱接点、ABは加熱面である。EとFを鏡の縁に結ぶ線は点Gで交差し、もしGEとGFの線が加熱面AB内を通るならば、Dに降り注ぐエネルギー量は常に一定である。十字形 [153]円錐 GAB の断面は円であり、AB が G から EF の 2 倍離れている場合、AB と EF を直径とする円の面積の比率は 4:1 になります。しかし、AB は G から EF の 2 倍離れているため、その放射の強度は 1:4 になり、したがって放射パワーの損失は面積の増加によってちょうどバランスが取れます。

図49.—フォスター固定焦点高温計の原理。

実際の装置では、鏡が配置されている管の内側が黒く塗られているため、光線は鏡からの反射によって鏡に到達しません。開口部 EF と鏡 C の直径は、点 G から点 AB への垂線が点 A B の長さの 10 倍になるようになっています。したがって、加熱された物体の直径が 6 インチの場合、点 G の限界距離は 10 × 6 = 60 インチです。点 G の位置は管の外側のリングで示され、測定時には管を規定の距離内に十分に収めます。この距離は、すべての場合において加熱された物体の直径の 10 倍です。温度は、熱接合部に接続された検流計から読み取られます。装置全体は持ち運び可能で、 図 50と51に使用中の装置が示されています。[154]

図50.—スタンドに取り付けられたフォスターの高温計。

固定焦点式測定器の利点は、簡便性と安価さである。しかし、実際には物体に焦点を合わせる必要のある場面が多々あるため、フォスターの高温計は、フェリーの測定器ほどの幅広い応用はできないものの、多くの場合非常に役立つ簡略化された装置とみなすべきである。ウィップルは最近、フェリーのスパイラル高温計を改良し、固定焦点式測定器を製作した。これは、測定器を固定焦点式測定器に固定する方式である。 [155]高温計の焦点が固定された耐火粘土管。この形状は、耐火粘土管の先端を溶融金属に差し込むことで真の黒体状態を実現し、その温度測定に特に有用である。

図51.—フォスター高温計の使用例。

ポールの放射高温計。—アメリカのスウィングは、炉からの放射が円錐の広い端から入り、内部反射によって熱接合部のある頂点に導かれる放射高温計を開発した。米国ではポールが同様の機器を販売しており、その動作は図52に示されている。ここでEは、研磨された円錐Cを内蔵した管であり、その頂点には [156]熱接点Tが固定されています。高温源AA´からの光線はDから管に入り、円錐部を通過し、最終的にTで反射されます。Tは指示計に接続されています。円錐部の外側と入口Dの両端を結ぶ線がOで交差し、高温源AA´の範囲内にある限り、読み取り値はどの距離でも同じになります。図53は、三脚に設置された実際の高温計を示しています。

図52.—ポール放射高温計の原理。

放射高温計用指示計。放射が熱接合部に集中し、その結果温度が上昇すると、発生する起電力は第2章で論じた法則に従う。十分な感度を持つ熱電指示計であれば、放射高温計として使用できる。検流計への影響は、(1)接合部の性質、(2)ミラーまたはコーンのサイズ、(3)接合部が到達する最高温度によって左右される。放射高温計に使用される指示計はピボット型で、接合部の温度が100℃上昇した場合でもフルスケールの振れ幅が得られるほどの感度を持つように設計できる。接合部自体には、ハイル合金（原子比で亜鉛とアンチモン）が使用される。 [157]高い起電力を得るために、コンスタンタンと組み合わせた接合が用いられてきましたが、この合金の劣化事例が報告されており、一部のメーカーでは鉄に置き換えています。鉄または銅のコンスタンタン接合を2つ直列に接続すると、100℃の起電力を発生し、ピボット式指示計を作動させるのに十分なため、放射温度計としてはハイル接合よりも優れています。

図53.—ポールの放射高温計。

放射温度計用指示計の校正。指示計の振れは発生する起電力によるもので、これは温接点と冷接点の温度差に比例します。もし両接点の温度が同じ場合（例えば20℃）、振れはゼロです。そして、放射が温接点に当たると、 [158]熱接点の温度は、放射の強度に応じて一定量上昇し、例えば 90° C になります。この場合、発生する偏向は (90 – 20) = 70° の差によるもので、放射によって熱接点の温度が周囲より 70° 上昇していることになります。周囲 (冷接点を含む) が最初から 15° だったとしたら、同じ条件下の熱接点は 85° まで上昇し、やはり 70° の差が生じて、以前と同じ偏向が生じます。放射がない場合に熱接点と冷接点の両方が同じ大気温度に達するように配置されている場合、熱接点に当たる一定量のエネルギーは常に同じ過剰温度をそこに生じさせ、したがってすべての通常の大気温度で同じ偏向が生じます。放射高温計では接合部がこの条件を満たすように配置されているため、冷接点の変動に対する補正は必要ありません。したがって、この変位は熱接点の過剰温度に対応し、これは熱接点が受け取るエネルギーに正比例します。したがって、インジケータのミリボルト単位の指示値は、熱接点が受け取るエネルギーの割合を直接表します。4ミリボルトはエネルギーの2倍に相当し、2ミリボルトを生成します。このように、ミリボルトの目盛りはエネルギーの目盛りになります。

エネルギーを対応する温度に変換するには、4乗則を適用する必要がある。E 1 が絶対温度に対応する 場合、[159]黒体の放射を受ける部分の 温度をT 1とし、E 2を別の温度T 2に対応するものとすれば、次の関係が成り立ちます。

E 1 = K (T 1 4 – x 4 )、E 2 = K(T 2 4 – x 4 )、

ここで、xは放射線を受ける周囲の温度です。前述のように（140ページの例を参照）、放射高温計で測定される高温域ではx 4の項は無視できます。したがって、E 1 = KT 1 4、E 2 = KT 2 4となり、E 1 / E 2 = T 1 4 / T 2 4となります。しかし、前述のように、インジケータのミリボルト単位の測定値は受信エネルギーに正比例するため、R 1とR 2がE 1 とE 2によるミリボルトである場合、R 1 /R 2 = T 1 4 /T 2 4という関係 が得られます。

この関係から温度目盛りを作成するには、既知の温度で1回の正しい読み取りを行う必要があり、その後、目盛りの残りの部分は、添付の例に示すように計算によってマークすることができます。

例：片端が閉じられた管の温度が927℃（絶対温度1200℃）で、指示計に2ミリボルトに相当する変位を与えるとします。1、3、4、5ミリボルトの変位が生じる温度を求めます。  [160]

1ミリボルトの場合を例にとり、式に当てはめると

R 1 ⁄ R 2 = T 1 4 ⁄ T 2 4  ;  2 ⁄ 1 = 1200 4 ⁄ T 2 4

ここから、T 2 4 = 1200 4 ⁄ 2および T 2 = 1009° abs. = 736° C となります。同様に、3 ミリボルトは 1055° C、4 ミリボルトは 1154° C、5 ミリボルトは 1236° C を表します。これらの値は、4 桁の対数を使用することで簡単に得られます。

各ミリボルトに対応する温度を計算したら、対応する温度に対するミリボルトを表す曲線を描き、そこから中間値を推定することができます。明らかに、標準値は、全体の目盛りがそれに依存するため、非常に正確に測定する必要があります。そのためには、正確な抵抗式または熱電式高温計を電気炉の管内に配置し、放射高温計を裸接点の直前に置いた薄い鉄板に照準を合わせます。4乗則の正確な実現は実際にはほとんど得られないため、目盛りのより高い目盛りでの確認が必要です。これも、熱電対を1550℃までのガス目盛りに対して直接校正できるのと同様に、同様の方法で行うことができます。これにより、ガス目盛りの読み取り値を放射高温計に転送できます。特定の範囲における精密な読み取りには、鏡の目盛りが適しています。 [161]ガルバノメーターは、最初に十分な抵抗を直列に追加して、使用される最高温度でも光点がスケール上に留まるようにして、この方法で較正することができます。

図54.—放射高温計で得られた記録。

放射高温計用記録計。第2章で説明した熱電式記録計はいずれも放射高温計に適用でき、記録目盛は4乗則に従って適切に分割される。記録を行う際は、高温計をスタンドまたはブラケットに固定し、目的の点に焦点を合わせる。図54 は、スレッド記録計とフェリー高温計を用いて記録した例であり、温度目盛が4乗則に従って分割されていることがわかる。校正前に検流計の感度を調整することにより、動作温度が目盛の開いた部分に位置するように設定することができる。

放射高温計の管理。 — 良好な結果を確保するには賢明な監視が必要であるため、熟練していない観察者に放射高温計を渡すことはお勧めできません。 [162]ガルバノメーターの針は、測定前に必ずゼロ調整し、移動中は常にロックしてください。炉内の物体に焦点を合わせる際は、赤い像が実際に物体の像であることを確認する必要があります。これは、物体の側面または特定の特徴が接眼レンズに見えるまで高温計を移動させることで行えます。その後、像が接合部を囲むまで高温計を移動させます。回転式セメント窯などの炉の様々なゾーンの温度を測定する場合など、鏡を特定の距離に焦点を合わせる必要がある場合があります。このような場合、著者は、鏡を制御するミルヘッド（P、図44）の反対側に固定ポインターを配置し、測定距離に窓のバーを焦点合わせし、ポインターの反対側のミルヘッドに同じ距離をマークするという方法を採用しました。すべての放射高温計に最初からこのようにマークを付けておくと便利です。加熱された物体の場合に焦点を修正するための良いチェックは、両方向に焦点を変え、最終的に実際の焦点に対応する最大の読み取り値に調整することです。

鏡を傷つけないよう細心の注意を払ってください。作業場で鏡の表面に汚れが付着した場合は、ラクダの毛のブラシで優しくブラッシングするか、鏡に空気を吹き付けて取り除いてください。焦点調節装置は、動作限界を超えて力を加えてはいけません。限界に達した場合は、高温計を手で動かして、鏡が [163]対象物は、ミルヘッドの通常の可動範囲内で正しく視認できる必要があります。炉と高温計の間に金属蒸気や濃い煙が介在すると、放射が妨げられ、記録される温度が低くなります。このような場合は、高温計を管の開口端に設置し、観測対象地点に終端する閉端に視認させる必要があります。

いずれの場合も、指示値は黒体条件にのみ適用されることを念頭に置く必要があります。鋼鉄塊を炉内で視認し、その後炉外に出して再び視認した場合、炉からの放射能が失われ、表面の放射能が劣るため、外部での測定値は内部での測定値よりもはるかに低くなります。したがって、すべての測定値は、物体がまだ炉内にある間に取得するか、（鍋で溶融金属の温度を測定する場合のように）端が閉じた耐火粘土管を物体に挿入し、開口端から測定値を取得する必要があります。外部測定値と黒体測定値の差は特定の表面では一定であり、一方を他方に変換できるという意見もありますが、これはプラチナなどの変化しない表面にのみ当てはまり、通常の作業面にはほとんど当てはまりません。黒体条件は簡単に保証できるため、実際にはめったに一定ではない関係を信頼するよりも、常にそのような条件下で観測を行うように手配する方が簡単で安全です。[164]

複数の炉に放射高温計を使用する場合、一端が閉じられた耐火粘土管を各炉に挿入し、閉じた端を作業箇所に、開いた端を炉の外部と面一にしておきます。このような管の直径は、長さと高温計のメーカーによって異なりますが、いずれの場合も、閉じた端の像は、受信接合部または螺旋と重なるのに十分な大きさでなければなりません。この点に関する情報は、メーカーからいつでも入手できます。また、既知の直径の開口部で試すことによっても得られます。図29に示すように、高温計を使用して電気炉の管内部の温度を測定する場合は、短い耐火粘土製の円筒やグラファイト片などの固体を管の中央に置き、接合部に焦点を合わせます。

放射高温計の特殊用途。1000 ℃（1850℉）を超える温度で通常使用する場合は、熱電式や抵抗式の計測器よりも放射高温計の方が有用であることがわかる。後者は炉内ガスの継続的な作用により劣化し、温度が上昇するにつれて劣化が顕著になるからである。1000℃を大幅に超える工業プロセスの例としては、ガラス、陶器、セメントの製造、特殊鋼の処理、金属や合金の鋳造などが挙げられる。750℃から1000℃の温度でも放射高温計は使用可能であるが、この範囲では熱電式計測器ほど便利ではない。放射高温計の上限はない。 [165]この装置は、4乗の法則によって到達可能な最高温度、すなわち電弧の温度まで較正することができ、フェリー放射高温計を用いることで、その最高温度は3720℃であることが分かっています。したがって、電気炉の温度、鋳型内のテルミットの温度、注湯前の溶鋼の温度など、熱接点の限界を超えた温度の測定が可能になり、極めて高い温度でも正確な制御が可能になります。しかしながら、非常に高温の大きな物体の近くにあると、冷接点が過度に加熱される危険が常に存在し、この原因から重大な誤差が生じる可能性があります。放射高温計の実際の有用性を示す例として、(1)鋼鉄発射体の硬化、(2)回転式セメント窯のクリンカーゾーンの温度測定の2つを挙げることができます。 （1）では、発射体は炉縁近くの所定の地点に運ばれ、放射高温計の焦点に収まります。所定の温度に達したら、炉から掻き出され、油槽に落とされます。発射体が急冷されるべき標準温度から10℃の差があると、完成した発射体の貫通力が著しく低下する可能性があることが分かっています。そのため、個々の砲弾に容易に照準できる放射高温計が、この目的に最適です。（2）では、窯の異なる距離に高温計を焦点に当て、温度の低下を記録することで、最も高温の地点を見つけることができます。 [166]石炭や空気の供給不足、あるいは原料の過剰供給による温度の上昇を検出し、その情報に基づいてプロセスを最適に制御することができます。このような窯内の温度（窯の性質に応じて 1300 ～ 1450 ℃、または 2370 ～ 2640 ℉）では、フェリー放射高温計は 10 ℃ または 18 ℉の変化に非常に敏感であり、この点に関しては著者は十分に満足できるものであると感じています。放射高温計は赤熱以上のあらゆる温度に適応でき、劣化もないため、非常に価値の高い機器となっています。さらに、記録を取得できることも推奨されます。ただし、放射法は設備の目的には適していません。たとえ鏡と接合部を同一に構築できたとしても、その構成は非常に高価になってしまうからです。放射原理を安価に応用し、セメント窯などの多数の炉を中央から制御できれば大きな利点となり、このクラスの高温計の一般的な有用性がさらに高まるでしょう。

[167]

第6章
光熱計

一般原則。固体を450℃に加熱すると、発光が始まり、暗い部屋では鈍い赤色に見えます。温度が上昇するにつれて、発光は強くなり、色はより明るい赤、オレンジ、黄色、白、そして最後にまばゆいばかりの白へと変化します。特定の色に温度を割り当てようとする試みはこれまで行われており、1836年にプイエは色と温度の関係を示す表を発表しました。1900年にハウが発表した以下の表は、プイエが色に割り当てた温度を正確に測定する手段がなかったため、プイエの表とは大きく異なります。

説明。 温度（℃） 温度（度）
暗闇で見える最も低い赤 470 878
 ” ” ” 日光 475 887
鈍い赤 550から625 1022年から1157年
フルチェリー 700 1292
ライトレッド 850 1562
完全な黄色 950から1000 1742年から1832年
淡黄色 1050 1922
白 1150 2108

[168]

もしすべての観察者がこれらの温度が示す色を正確に判別できれば、この表は非常に役立つでしょう。しかし実際には、黄色より 50 ℃ 低い温度でも、2 人の観察者の間で判断力に差が出る可能性があります。また、白色に達して眩しくなると、正確な判別は不可能になります。一方、一定温度、例えば 850 ℃ で鋼を焼き入れすることに慣れた熟練の作業員は、絶え間ない訓練によって高度な判断力を身につけ、淡黄色より低い温度では 20 ℃ 以上の違いは生じないかもしれません。しかし、肉眼による色の判断は個人の特性が大きく影響するため、正確な温度の指標とすることはできません。しかし、後述するように、用意した標準色と色を照合することで、かなり近い値を推定することができます。

加熱された物質の固有輝度を測光法で測定することは、光学的手段で温度を測定する方法として当然考えられる。そして、工業用途で用いられるすべての光高温計はこの方法に基づいていることがわかるだろう。ある固体について、放射される光波全体の強度と温度を結びつける法則は、おおよそラッシュの式で与えられる。

     ┌       ┐  ×

私1 │ T 1 │
—— ＝ │ —— │
私2 │ T 2 │
└ ┘
[169]

ここで、I 1とI 2は絶対温度T 1とT 2に対応する強度であり、指数は

     25000

× ＝ ——
T1​
したがって、絶対温度 1250 度では明るさは温度の 20 乗に比例して増加し、絶対温度 2500 度では温度の 10 乗に比例して増加します。温度がわずかに上昇すると明るさが急激に増加するため、わずかな変化は容易に観察できますが、実際には同じ温度でも物質によって明るさが大きく異なるため、困難が生じます。たとえば、酸化トリウムからなる白熱ガス マントルから放射される光は、同じ温度でプラチナなどの金属から放射される光よりもはるかに大きくなります。したがって、物質の明るさは温度だけでなく、その性質にも依存することは明らかです。ただし、黒体を用いてあらゆる物質の状態を示すことは可能です。したがって、加熱された固体が温度 T の黒体と同じ固有の輝度を持つ場合、固体の「見かけの」または「黒体」温度も T と呼ばれます。これが意味するのは、固体の状態では放射される光の強度が、温度 T の黒体から放射される光の強度に等しいということです。固体の真の温度を取得するには、T に、その固体の放射パワーと黒体の放射パワーの比率を表す係数を掛ける必要があります。[170]

あらゆる測光法において、明るさが変化しない標準光が用いられ、光源からの光と比較されます。光高温計では、照度を燭光で測定することはありません。必要なのは、適切な調整によって標準光と光源の明るさを同じにすることだけです。用いられる標準光としては、炭素フィラメント電球、酢酸アミルランプ、そして高温の場合はアセチレンガス炎の中心などが挙げられます。これらはいずれも、特定の条件下で使用すれば一定の明るさを生み出すことができます。既知の温度の黒体を、使用した標準光と比較することで、「黒体」温度の尺度が得られ、前項で説明したように、特定の光源の指示値を参照することができます。しかし、1000℃を超えると、光は眩しすぎて標準光と光源を適切に比較することができなくなります。そのため、明るさを下げるために吸収ガラスを使用する必要があります。無作為に選んだ色ガラスは、標準光と光源の明るさを均等に下げない可能性があります。しかし、単色ガラス、つまり1つの波長の光のみを透過するガラスを使用すると、透過光の強度と光源の温度との間に明確な関係が存在することがわかります。光高温計はほとんどの場合1000℃以上の温度で使用され、このようなガラスが使用されるため、光の波長と放射物質（いずれの場合も黒体と仮定）の温度の関係について簡単に考察する必要があります。[171]

ウィーンの法則。物質の温度が上昇すると、その輝度はスペクトルのあらゆる部分に分配されます。もしその物質をガラスのプリズムを通して見ると、どの部分も以前よりも明るくなっていることが分かります。波長λの光線を例にとると、その強度と（黒体）光源の温度の関係は、ウィーンの式で与えられます。

J = c 1 λ -5 × e -( c 2 /λT)   (1)

ここで、J = 波長λに対応するエネルギー、e = 自然対数系の底、T = 黒体光源の絶対温度（熱力学的）   [172]c 1とc 2は定数であり、既知の波長の光について、2つの既知の温度でJを測定することでその値を求めることができます。実験により、この式は可視スペクトル内の波長に対しては正しいものの、より長い波長には当てはまらないことが示されています。また、プランクらは、より広範囲に適用できるウィーンの式の修正版を提示しています。しかしながら、波長が約6500万分の1センチメートルの赤色光を用いる光高温測定においては、ウィーンの法則を非常に高い精度で適用できます。この法則に基づく較正は、他の高温測定法によって得られる値とほぼ一致します。

ウィーンの式は次の形式で表されます。

log 10 J = K 1 + K 2 ( 1 ⁄ T ) (2)

ここで、K 1 = (log c 1 ) – (5 log λ)、K 2 = c 2 ( log e ⁄ λ ) である。この簡略化された式は、log J と1 ⁄ Tの間に直線関係があることを示す。したがって、2つの強度に対応する温度が既知であれば、その結果を方眼紙にTとJを結ぶ直線としてプロットすることができ、この直線から任意の強度における温度の中間値または外部値を得ることができる。ウィーンの式のもう一つの有用な形は、2つの強度 J 1と J 2の比に関するもので、以下の通りである。

         c 2 log e    

ログ （J 1 ⁄ J 2） ＝ ─── （1 ⁄ T 2 – 1 ⁄ T 1）（3）
λ
[173]

ここで、T 2と T 1はそれぞれ J 2と J 1に対応する絶対温度です。λが100万分の1センチメートル単位で表される場合、 c 2の値は1450000です。明らかに、J 1 / J 2の比とc 2、λ、およびT 2の値がわかれば、T 1を計算できます。λ が不明な場合、例えば値が未測定の赤いガラスの場合のように、既知の温度で2回測定することで ( c 2 log e ) / λ の値が確定し、他のすべての結果を計算できます。次に、この式の適用例を示します。

例I.絶対温度T 1の黒体は、1200° abs. で観測される強度の2倍の強度を示すことが分かりました。これは、波長65 × 10 -6 cmを透過する赤色ガラスとの比較です。T 1の値を求めます。

式（3）に値を適用する

log 2 = ( 1450000 ⁄ 65 ) log 2·7183 × ( 1 ⁄ 1200 – 1 ⁄ T 1 )

そして

0·3010 = ( 1450000 × 0·4343 ⁄ 65 ) × ( 1 ⁄ 1200 – T 1 ⁄ 1 )

ここから T 1 = 1237° abs. となります。

例II.絶対温度2000°における黒体からの放射強度は、与えられた標準放射強度を1とした場合の強度と等しいことが分かる。絶対温度3000°における強度を、同じ標準放射強度と比較する。λ = 65 × 10 -6 cm/s。

（３）を前述と同様に適用すると、

log ( J 1 ⁄ 1 ) = ( 1450000 × 0・43435 ⁄ 65 ) × ( 1 ⁄ 2000 – 1 ⁄ 3000 )

ここからlog J 1 = 1·615、J 1 = 14·5となる。

光源の強度を標準光源の強度と比較して測光的に測定する機器の校正にウィーンの法則を適用する場合、中央に酸化物でコーティングされた鉄片を配置した電気炉（図29）が用いられる。この酸化物に接触する熱電式高温計を用いて標準温​​度を測定し、輝度を求めることができる。 [174]アミル酢酸ランプなどの一定の輝度の炎を発するランプと比較することができます。他の強度に対応する温度は、前述のように計算によって推定できます。

光学高温計の実用形態。実際に使用される計測器は以下の項目に分類されます。

1. 標準光は一定であり、光源からの光の強度は標準光と等しくなるまで機器内で変化します。(フェリー、ルシャトリエ、ワナー、ケンブリッジ)
2. 標準光の強度は、光源の強度と等しくなるまで変化させられます。光源の強度が標準光の強度を超える場合は、光源の強度を低下させる場合があります。(Holborn-Kurlbaum、シーメンス社製)
3. 光源の色を標準色と比較し、所定の操作で得られた色と一致させる（ロビボンド法）、または光源が偏光装置によって標準色を生成するようにする（メスレ法とヌーエル法）、あるいは光源の色が適切な吸収剤によって消光される（さまざまな形式）。

各タイプの例を次に説明します。[175]

図55.—フェリーの光高温計。断面図。

[176]

図56.—フェリーの光高温計。外観図。

フェリーの光高温計。この装置（図55および56参照 ）は、側枝を備えた望遠鏡で構成され、その中に標準ランプEが取り付けられている。Eからの光は、望遠鏡の軸に対して45°傾斜した透明ガラスFに集光され、そこから接眼レンズに反射される。ランプからの光は単色光になるため、Eと鏡の間に赤いガラスが挿入されている。望遠鏡は高温の物体に照準を合わせ、そこからの光線は赤いガラスDを通過し、さらに2つのくさび状の暗色ガラスを通過する。くさび状の暗色ガラスは、挿入された吸収ガラスの厚さに応じて強度を増減させる。くさびをスライドさせることで吸収ガラスの厚さは減少し、反対にスライドさせることで強度は増加する。くさびを通過した後、光は傾斜鏡を通って接眼レンズへと進む。その結果、目に映る光は、 [177]視野の半分を標準ランプで、もう半分を熱源で照らす。調整は、くさびをねじでスライドさせ、視野の両方の部分が均等に照らされるようにする。くさびを動かす可動片に温度目盛りが付いており、温度が等しくなったときに挟むくさびの厚さからウィーンの法則によって温度目盛りが導かれる。較正は、2つの既知の温度に対応するくさびの厚さを記録することによって行われる。そこから厚さと絶対温度の逆数を結ぶ直線を引くことができ、くさびの厚さを基準としたTの値を示す表を作成することができる。較正は無制限に延長することができ、測定値の精度はウィーンの法則の真偽に依存する。フェリーの光高温計は、簡便さと携帯性を兼ね備えており、高温を時々測定するのに便利な機器である。

ルシャトリエの光学的高温計。この高温計は、光源の温度を標準光との光度比較によって測定する機器の原型であり、上述のフェリーの装置は、単に原型を都合よく改良したものに過ぎない。ルシャトリエは、吸収ガラスのくさびの代わりに、虹彩絞りを用いて望遠鏡に入る光の量を減らした。調整は、光源の明るさが標準光の明るさと一致するまで、絞りの開口部の大きさを変えることで行われた。望遠鏡で受けた光の強度は、 [178]望遠鏡の温度は開口部の直径の2乗に比例して変化します。また、特定の単色ガラスを用いて2つの既知の温度で校正を行うことで、ウィーンの法則を用いて開口部の直径に対応する温度スケールを計算することができます。ルシャトリエの高温計は実験室での研究には有用な器具ですが、ワークショップでの使用にはフェリーの改良型ほど便利ではありません。

図57.—ワナー高温計。断面図。

ワナー高温計。この高温計の原理は、標準光源からの赤色光線の輝度と、光源から得られるある波長の光線の輝度を比較することである。どちらの光線も分光的に生成されるため、真に単色である。輝度の比較は偏光装置を用いて行われるため、図57に示すようなやや複雑な光学構成となる。標準電球からの光はスリットS 1を通過し、高温光源からの光はスリットS 2を通過する。両光線は、スリットから焦点距離に等しい距離に配置された色消しレンズO 1によって平行光となる。平行光は直視分光器Pによって分散され、偏光プリズムRを通過して2つの光に分割される。 [179]直交する平面内で偏光した２つの赤色光のフィールド（１つは光源から、もう１つは標準光源から）がスリットＤ上に焦点を結ばれるような角度で配置されている。これらのフィールドは検光子Ａを通して観察され、目盛りの付いた検光子を回転させることにより、同じ明るさにされる。検光子を回転させる角度から温度が推定される。較正はウィーンの法則（式（３）１７２ページ）により行われ、標準光源と光源の強度は、次式に示すように回転角と関係がある。 J 2 ⁄ J 1 = tan 2 Θ ここで、 J 2と J 1はそれぞれ光源と標準光源の強度、 Θ = 回転角。この値をウィーンの式（172ページ）に導入すると、ΘとTの関係はlog tan Θ = a + b ⁄ T（aとbは定数）の形をとることが示されます。したがって、log tan Θを 1 ⁄ Tに対してプロットすると直線が得られ、既知の温度で数回の観測を行うことで較正曲線を描くことができ、そこから中間値や外部測定値を得ることができます。ハドフィールド氏は、角度Θを観測することで摂氏での実際の測定値を直接取得できるように分割された特別なチャートを導入しました。使用のために出荷される際には、温度目盛りがあらかじめ用意されているため、直接測定値を取得できます。[180]

標準電球は繰り返し使用すると明るさが変化するため、適切な値に戻す手段が必要です。これは、電球の回路に可変抵抗器を設置し、電流値を調整することで実現できます。この調整は、高温計を通して見た明るさが、標準酢酸アミルランプで照らされたすりガラス面の明るさと正確に一致するように行います。このランプの炎が真の標準となりますが、作業場で使用すると空気流によって吹き飛ばされてしまうため、携帯用バッテリーで点灯した電球を均一に調整し、一般的な測定に使用します。

ケンブリッジ光高温計。—近時の戦争中、この種の高温計の製造はケンブリッジ・アンド・ポール・インストゥルメント社によって行われました。ケンブリッジ光高温計の外観を図58に示します。図では、観測者がこの機器を使用している様子が示されています。付属品は、4ボルト蓄電池、電流計、比較用の電球を流れる電流を調整するための可変抵抗器、そして電球を適切な明るさに調整するための標準アミルアセテートランプです。目盛りは円板に刻まれており、検光子と共に回転する指針の位置から直接読み取ることができます。光源を減光するために単色ガラスを介在させることで、高温計の温度範囲を調整できます。700～1400℃、900～2000℃、1200～2500℃、1400～4000℃の4つの範囲の機器が用意されています。[181]

ケンブリッジ光高温計は熟練した測定者によって有用な機器であることが証明されており、鉄鋼、ガラス、陶器業界で大きな役割を果たしてきました。訓練を受けた観測者は、1900℃付近で10℃の差を検出できることを発見しました。しかし、2つの磁場を等しくするには、観測者によって判断が異なるため、実際には1人の観測者にすべての測定を委託するのが賢明です。

図58.—ケンブリッジ光高温計。

ホルボーン・クルルバウム高温計。—前述の光高温計では、一定の基準が使用され、光源からの光の明るさが、温度が一定になるまで変化させられます。電球のフィラメントの明るさを、温度が一定になるまで変化させるという考え方です。 [182]光源の色と一致するようにランプの電流値から温度を推定する手法は、モースによるものです。彼は平らな螺旋状のフィラメントを使用し、40ボルトの起電力電池で加熱しました。この螺旋状のフィラメントは金属管に入れられ、目と加熱対象物の間に設置されました。シーメンス社製のホルボーン・クルルバウム高温計は、モースの高温計を改良したもので、より広い範囲の測定が可能です。図1は、この高温計の原理を示しています。 59、 L は A で示すようなヘアピン フィラメントを備えた小型電球です。このランプは望遠鏡内に配置され、フィラメントが接眼レンズの焦点に位置し、4 ボルトの蓄電池によって照らされます。蓄電池と直列に接続された可変抵抗器 R およびミリアンペア計 M によってランプが照らされます。加熱された光源は望遠鏡の対物ガラスを動かして焦点を合わせ、ランプと光源の両方を接眼レンズ D の前にある赤いガラスを通して見ます。次に、フィラメントの先端が光源によって照らされている背景と区別がつかなくなるまで、可変抵抗器 R を調整します。ランプが明るすぎると、フィラメントは明るい線として現れ、光源よりも暗い場合は暗い線として現れ、光源と等しい場合は背景に溶け込みます。等しくなると、ミリアンペア計を読み取り、ランプに消費された電流から温度を推定します。[183]

図59.—ホルボーン・クルルバウム高温計。断面図。

電流とフィラメント温度の関係はランプごとに異なりますが、いずれの場合も次のような式で表されます。

C = a + bt + ct 2

ここで、C = 電流、t = 温度（℃）、a、b、cは使用するランプによって異なる定数で、既知の温度で複数回の観測を行うことで決定できます。機器はメーカーによってこのように校正され、観測された電流に対応する温度を読み取るための目盛りが取り付けられています。

最大電流時に光源の温度が標準温度を超える場合、反射面が平行な2つの暗色ガラスプリズムからなる吸収装置Eを望遠鏡の先端に取り付け、光源の強度をランプの強度以下に下げます。吸収装置を設置した状態で別途校正を行い、吸収装置使用時に読み取るための第2の温度目盛りも用意します。図60は 、固定位置で使用するシーメンス社製の装置を示しています。望遠鏡、ミリアンペアメータ、可変抵抗器は三脚で支えられた支柱に取り付けられ、電流はポータブルな [184]蓄電池。2番目の形式（図61）は、複数の異なる場所での観測が必要な場合に使用するために設計されており、レオスタットは望遠鏡に取り付けられ、ミリアンペアメータはショルダーストラップ付きの革製ケースに収納されています。

図60.—スタンド上のシーメンス社製光高温計。

図61.—シーメンスの光高温計、ポータブル型。

この高温計の調整は簡単で、等価条件は明確に定義されています。一方、隣接する2つの視野の色を一致させる場合、別々の観測者間である程度の意見の相違が生じる可能性があります。 [185]40℃以上を示す場合、異なる測定者がフィラメントの先端を消灯位置まで調整しても、10℃の差が超えることは稀である。この点を判断するための特別な試験において、著者は、訓練を受けた者と訓練を受けていない者を含む5人の観察結果を比較した。その結果、定常温度において全員が10℃以内で一致した。 [186]1200℃付近の温度で測定が可能であり、この点においてホルボーン・クルルバウム高温計は他の光学式高温計よりも優れています。測定値の連続精度は標準ランプの耐久性に依存しており、これは20時間の過点灯によって保証されます。その後は、適切な電圧でランプを交換することなく長期間使用できます。作業場での臨時の測定に使用する場合、このようなランプは1800℃の温度で10℃の変化を示す明るさの変化なしに、1年以上使用できます。新しいランプを使用する場合は、新たな校正が必要ですが、その場合、メーカーはランプと一緒に新しい温度目盛りを同梱しています。

ロビボンドの高温計。色ガラスを重ね合わせることで、任意の色を正確に一致させることができます。この目的のための色度計で有名なロビボンドは、この方法を温度測定に応用しました。炉内の鋼塊を例にとると、標準光で照射されたときに、任意の特定の温度における鋼と同じ色を示すガラスの組み合わせを配置することができます。例えば、鋼を850℃で加工したい場合、定電流を用いた4ボルトの白熱灯から透過した光で観察すると、それぞれ840℃、850℃、860℃における鋼の色合いを再現するガラスが用意されます。鋼の像は、木箱の端にある真鍮板の1つの穴を通して鏡に反射されます。この真鍮板は、木箱の反対側の端にあります。 [187]そこに接眼レンズが取り付けられる。真鍮板のもう一つの穴は、標準ランプからの光を受け取り、その光はガラスを透過する。そして、二つの光の外観を比較する。熟練した目であれば、10℃に相当する二つの視野の不一致を容易に検出できる。そして、ガラスを交互に挿入することで、鋼の温度が要求温度から10℃以内にあるかどうかを観察することができる。この器具は安価で簡便だが、明らかに、予め定められた温度を決定する場合にのみ有用である。なぜなら、定義されていない温度で測定を行うには、扱いにくい数のガラスが必要となり、かなりの時間がかかるからである。所定の作業に使用する適切なガラスは、標準高温計で測定された温度における作業条件下で決定される。その後、校正に使用されたものと同じ色と吸収能を持つガラスから、任意の数の器具を製作することができる。700℃未満では、正確な調整は困難である。

メスレとノエルの高温計。図62に示すこの装置は 、2つのニコルプリズムから構成され、その間に軸に垂直に切断された石英片が配置されている。光源から発せられた光は、最初のニコルプリズムを通過する際にはすべて同じ平面で偏光するが、石英を通過する際には波長に応じて異なる平面で偏光する。検光子として使用される2番目のプリズムを通過した後に見える色は、このプリズムと石英板との間の角度に依存する。 [188]第一または偏光プリズム。分析計は回転ディスクに接続され、角度ごとに分割されています。加熱源を観察すると、分析計を一方向に回転させると赤色に、反対方向に回転させると緑色に見えます。中間色はレモンイエローです。調整は、この色合いになるまで分析計を回転させることです。次に角度を読み取り、既知の温度での観測によって作成された表から温度を読み取ります。この高温計を使用する場合、視力とレモンイエローの色合いの判断の違いにより、観察者によって最大100℃の誤差が生じる可能性があります。しかし、この機器の使用を訓練した操作者であれば、練習を重ねることにより、はるかに正確な結果を得ることができます。この装置の主な用途は、炉が指定された温度を超えているか下回っているかを、せいぜい±25℃の範囲内で判断できるようにすることです。そのため、他の高温計を使用していないときに、監督者や冶金技術者がこの目的のために持ち運ぶのに便利です。この機器の大きな利点は、いつでも使用できる状態にあり、付属品がないことです。

図 62.—メスレとヌエルの高温計。

[189]

消色型高温計。加熱源の色を消す効果を持つ、重ね合わせたガラスや着色液体のセルを製造する様々な試みがなされてきた。例えば、様々な染料を溶液に溶かした3つのセルを用意し、それぞれ840℃、850℃、860℃で透過すると色が消えるようにする。850℃で動作させたい場合、熟練した目であれば左右10℃の差は検出できるだろうが、温度変化を追跡するには明らかに多数のセルが必要となる。ヒースコートの消光型高温計は、初期の形態では、着色液体が入った2対のセルを前面に取り付けたアイシェードで構成されていた。炉を指定温度まで加熱する間、1対のセルを通してかすかな赤色の像が見えるまで時々観察を行い、その時点で熱供給を調整して所定の温度を維持するようにした。わずかに暗い液体が入った2組目のセルを通して見ると、正しい温度で赤い像は見えなかった。訓練を受ければ、作業員はこの方法で炉をかなり正確に制御できるようになったが、操作は面倒で、特定の温度を達成するのにしか役に立たなかった。後代の「パイロマイク」（図63）として知られる装置では、ヒースコートは柔軟な壁を持つ単一のセルを採用し、ねじの先端を回すことで、目と炉の間にある液体の柱の長さを測定できる。 [190]温度を測定する際は、炉を照準し、ネジを回して着色液の柱の長さを長くし、像が見えなくなるまで回します。その後、計器の円筒形本体に刻まれた螺旋状の目盛りに沿ってネジ部分が回転し、温度を直接読み取ることができます。これにより、作業場での使用に適したシンプルで便利な温度計が完成します。

図63.—ヒースコートの消光高温計、または「パイロマイク」。

図64.—「ウェッジ」型高温計。

アルダーとコクランが設計した「ウェッジ」高温計（図64）は、小さな望遠鏡から構成されており、この望遠鏡を通して暗色ガラスのプリズムを動かし、加熱対象物に焦点を合わせます。ヘッドを回すと、くさびが動き、目と炉の間に厚い暗色ガラスの層が挟まれます。同じ操作で、温度目盛りが固定された指針の前を通過します。高温源の像がちょうど消えた瞬間、固定された指針の反対側の目盛りから温度を読み取ります。この温度計を操作できるようになるには訓練が必要です。 [191]1300℃付近で20℃程度の結果が得られるようになれば、観測者は正確な消光点を判断することができる。一方、機器に慣れていない人が使用すると、50℃以上の誤差が生じる可能性がある。 [192]消光点に達したら、望遠鏡と炉の間に手を入れても構いません。消光が完全に行われていれば、視野に変化は見られません。この高温計は構造がシンプルで、付属品が不要なため、上記の注意事項を守れば、多くのプロセスにおいて十分近い測定値を容易に得ることができます。

光高温計の管理。光高温計は乱暴に扱うと調整が狂いやすいため、慎重な使用が不可欠です。そのため、訓練を受けた観察者がこのような機器を管理する必要があります。測定値の取得にも同様に熟練した注意が必要です。色合いの正確な調整は高度な判断力を必要とする作業だからです。標準灯にも細心の注意を払う必要があります。炎の場合は標準高さへの調整が不可欠です。電球の場合は、耐用年数を延ばすために、必要以上に長時間使用しないように注意する必要があります。蓄電池は、良好な状態を保つために、例えば2週間に1回など、定期的に充電する必要があります。吸収ガラスなどの部品は、破損すると再校正が必要になる可能性があるため、安全な場所に保管してください。光高温計が示す温度は「黒」温度、つまり同じ明るさの黒体で示される温度に対応することを念頭に置いてください。したがって、測定値は常に… [193]黒体条件下で測定された温度で、この点に関する注意事項は、163 ページに記載されている全放射高温計に必要な注意事項と同一です。特殊なケースでは、特定のタイプの高温計について見かけの温度と真の温度の関係が解明されていますが、物質によって放射能が異なるため、一般的な関係を示すことはできません。

光高温計の特殊用途。光高温計の有効な用途は、炉内に作動部を持つ機器の測定範囲を超える温度での観測、または温度の臨時測定で十分な場合に限られます。温度変化に追従するには継続的な調整が必要であり、労力とコストがかかります。作業場での用途としては、(1) 陶器窯、ガラス窯、鋼鉄窯の温度確認、(2) 高温下での鋼鉄処理（この目的で高温計を所定の温度に設定し、鋼鉄が所定の温度に達した時点で処理を実行する）、(3) 複数の炉が使用されている場合、または大型レンガ製造炉のように複数の照準孔が設けられている場合に、臨時測定を行う、(4) 回転式セメント窯の焼成端を臨時に観察する、などが挙げられます。実験室での研究機器として、優れた光学高温計は、例えば電球の動作温度を調べる場合など、非常に有用である。 [194]電気炉内での観測。光高温計では記録が取れないことが大きな欠点です。ほとんどの操作において、温度変動を正確に把握することで多くの貴重な情報が得られるからです。この欠点は、これらの機器の一般的な使用を妨げる要因となります。

[195]

第7章
熱量測定式高温計
一般原則。—重量と比熱が既知の熱い金属片を、温度t 1の既知の重量の水に落とし、その結果、温度がt 2に上昇した場合、熱い金属の温度t 0は、次の例に示すように計算によって求めることができます。—

例：重さ100グラム、比熱0.1の金属片を炉で加熱し、25グラムの水に相当する熱容量を持つ容器に入れた475グラムの水に落とします。水温は5℃から25℃に上昇します。炉の温度を求めます。

金属が失う熱は、
水と容器が得る熱と等しい。これらを等しくすると、

100 × 0·1 × ( t 0 – 25) = (475 + 25) × (25 – 5)

ここからt 0 = 1025° Cとなる。

この方法に一般的に適用される上記の計算の正確さは、 [196]使用される金属。この値は一定ではなく、温度が上昇するにつれて増加するため、特定の範囲における平均値がわかっている場合にのみ正しい結果が得られます。

実験に使用する金属は、容易に酸化せず、高い融点を持つ必要があります。白金は最も適していますが、十分な大きさの金属片を作るには、熱電対などの機器のコストを大幅に上回ります。この点ではニッケルが次に適しており、現在では熱量測定法で1000℃までの使用が一般的です。比熱は試料によって多少異なりますが、実用範囲の温度範囲で測定可能です。これは、所定の重量物を既知の温度まで加熱し、水に浸すことで行えます。結果は前述の例と同様に得られます。この場合、 t 0は既知であり、比熱が計算されます。このような測定を繰り返すことで、比熱と温度範囲を結んだ曲線を描くことができ、そこから中間値を読み取ることができます。

図65.—0°Cからの範囲におけるニッケルの比熱。

高温測定のための熱量測定法を初めて提案したルグノーは、鉄をそのプロセスに用いることを目的として、様々な温度範囲における鉄の比熱の測定を試みた。しかし、実験温度を決定する信頼できる手段がなかったため、ルグノーの値には大きな誤差があった。0～1000℃の範囲において、彼は鉄の平均比熱を次のように示した。 [197]0.126という値は、真実よりはるかに低い数値です。例えば、熱電対法で測定した鉄片を970℃に加熱し、水に落とした場合、0.126という比熱を仮定して計算した温度は1210℃、つまり240℃も高すぎることがわかります。ここで用いた値は熱電対高温計を用いた実験によって得られたもので、熱量測定法で推定された温度は、操作誤差の範囲内で標準尺度の温度と一致するようになっています。添付の​​曲線（図65）は、0℃から1000℃までの全範囲におけるニッケルの平均比熱を示しており、この曲線から、あらゆる計算に用いる正しい数値が得られます。 [198]範囲を決定することができます。例えば、800℃から900℃の炉では、比熱は0.136となります。この値の選択には100℃以内の温度に関する知識が必要ですが、1000℃以下の温度では経験的にこの限界を容易に判断できるため、実際には困難はありません。工業用途で最も広く認められている熱量測定式高温計では、様々な範囲における比熱に適用される値に従って作成された目盛りから、高温金属の温度を直接読み取ることができます。

銅と鉄は、これらの高温計に現在でも限定的に使用されていますが、酸化によって継続的に重量が減少し、急冷すると酸化物層が剥がれ落ちるため、精度を保証するために毎回の試験前に計量を行う必要があります。ニッケルは1000℃以下ではほとんど酸化せず、形成された酸化物の薄い膜は容易に剥がれないため、重量がわずかに増加する可能性があります。石英は加熱や急冷によって変化しないため、金属よりも適していると考えられますが、この目的では試されていないようです。他に考えられる材料としては、1000℃以下でも酸化されないニクロムがあります。温度上昇を確実にするためには、固体の重量は水の重量の少なくとも1/20である必要があり、温度計は1/20℃を検出できる必要があります。温度上昇は、水が大気温度より4℃または5℃以上高い温度にならないようにする必要があります。さもないと、放射損失の影響が顕著になります。この方法の精度の限界は、例を参照して示されます。[199]

例I. 100グラムのニッケル片を炉に入れ、加熱後、10℃の水2000グラムを水50グラム相当の容器に入れ、そこに落とす。温度は16.25℃に上昇する。この温度範囲におけるニッケルの比熱は0.137である。炉の温度と精度の限界を求める。温度計の読み取り精度は1/20℃である。ニッケルの失熱量と水および容器の受熱量を等しくすると、以下の式が成り立つ。

100 × 0·137 × ( x – 16·25) = 2050 × (16·25 – 10·0)

ここからx = 952° Cとなる。

各温度計の読み取り値の誤差が 1 ⁄ 40 °に達した場合、上記の計算における最大差は、以下のように変更された値を導入することによって得られます。

100 × 0·137 × ( x – 16·225) = 2050 × (16·225 – 10·025)

x = 944° Cの場合。

したがって、 1 ⁄ 40 °の誤った読み取りによる最大誤差は 1 パーセント未満になります。

例II — 927℃、表面積30平方センチメートル、黒体放射能0.7のニッケル100グラムを輸送する際の放射による熱損失は、4乗則により1秒あたり50カロリーと示される（139ページ参照）。輸送に2秒かかったとすると、この原因による誤差は1/130となる。これに温度測定誤差を加えると、合計は2%未満となる。

[200]

熱量測定式高温計の実用的形態。マッフル炉やその他の実験器具の温度を推定する必要がある場合、容量約1500ccの銅板容器を使用することができる。この容器は、約2インチ幅の2つ目の同様の容器内の木製の支柱の上に置く。この容器は放射遮蔽として機能する。長さ約1.5インチ、直径1.25インチで、中央に直径1.25インチの穴が開いたニッケル製の円筒は、試験に適している。この円筒はニッケル製のるつぼで加熱するのが便利であり、水に移す際には、るつぼをトングで掴み、円筒が水中に落ちるように傾ける。管状炉で使用する場合は、加熱されたニッケル線の重量を考慮して、円筒に細いニッケル線を取り付けることで、素早く引き出すことができる。放射による誤差を避けるため、移し替えは可能な限り迅速に行うべきである。ニッケルの比熱を表すのに使用する数値は、測定範囲がおおよそ分かっている場合、曲線（図65）から得ることができます。容器と温度計の水当量は、次のように決定します。実験で使用した冷水の半分の量（例えば750cc）を容器に入れ、温度計でかき混ぜた後の温度（ t 1 ）を記録します。次に、 t 1より約10°高い温度（ t 2）の同量の水を加えます。 [201]温度計で測定し、混合物の温度（t 3）を記録する。冷水と温水の割合を変えることで結果を確認することができる。ただし、総量は常に高温のニッケルの急冷に使用した量と同じである。W 1を冷水の重量、W 2を温水の重量とすると、水当量（x）は次の式から得られる。

     W 2 ( t 2 - t 3 ) - W 1 ( t 3 - t 1 )

× ＝ ———————————— .
t 3 – t 1
この数値は、容器の熱容量と等しい水の重量を表し、高温測定では採取した水の重量に加算されます。

工業的な実務においては、可能な限り計算を不要にし、熟練していない観察者でも測定値を得られることが望ましい。1862年にビストロムが特許を取得した熱量測定式高温計の最も初期の形態は、保温された亜鉛容器に白金片を落とし、水温の上昇を観察することで炉内の温度を読み取ることができる台を備えていた。以下では、シーメンス社が製造した現代の工業用高温計について説明する。

図66.—シーメンスの
熱量計または
「水」高温計。

シーメンス社製熱量計、あるいは「水」高温計。図66は、 この機器の縦断面と横断面を示している。この機器は二重の銅製容器で構成され、内側の容器には水が入り、外側の容器にはハンドルが付いている。容器と容器の間の空間はフェルトで覆われており、水からの熱の逃げを防いでいる。温度計（ b ）は、中空のニッケル製シリンダー（d）に落としても損傷しないよう、穴あき真鍮管で保護されている。ステムの反対側には、 [202]温度計の内側には、温度目盛りが刻まれた摺動片cが取り付けられている。本装置を使用する際は、規定量の水を内部容器に入れ、cの指針 を温度計内の水銀柱の先端に対向させる。次に、炉内のるつぼまたはマッフルで加熱されたニッケル製の円筒を容器に落とし、容器を振って水全体の温度を均一にする。温度計が静止しているとき、水銀柱の先端に対向するcの目盛りは炉内の温度を示す。c の目盛りは、50度ごとに計算された値に基づいて予め刻まれている。指示値の正確さは、明らかにcの校正精度に依存する。校正には、容器の水当量と、異なる温度におけるニッケルの比熱の変化が考慮される。この方法に付随する誤差要因を考慮すると、この高温計による結果は保証できない。 [203]900℃または1000℃では、2～3%以上の誤差が生じる可能性がありますが、この程度の誤差が重要でない場合は、この機器を有利に活用できます。計算は不要であるため、作業員であれば、作業場において注意深く作業すれば、誰でも測定を行うことができます。ニッケルの代わりに銅や鉄のシリンダーが使用される場合もありますが、これらは試験のたびに重量が減少するため、cの測定値を真の温度に変換するには乗数が必要となるため、推奨されません。

熱量測定式高温計の特殊な用途― 熱量測定法の大きな欠点は、観察ごとに別々の実験が必要となり、時間と労力がかかることです。さらに、その精度は熱電式高温計や抵抗式高温計に匹敵するものではありません。事実上、唯一の利点は、初期費用の安さです。3%の誤差で時々温度を測定できれば十分な場合は、熱量測定式高温計を使用できます。また、特殊な実験室測定においては、この方法がしばしば有用であることが証明されます。現在、熱電式高温計が低価格であることを考えると、熱量測定法は産業界で完全に置き換えられる可能性があります。なぜなら、従来の方法は連続的かつ自動的に測定を行い、記録も作成できるからです。多くの企業では、すでに「水」式高温計を、現在入手可能なより正確で有用な機器に置き換えています。

[204]

第8章
核融合高温計
一般原則— 融点が徐々に変化する複数の固体を炉に入れ、その後取り出すと、一部は溶融し、他の固体は溶融しないことがわかる。この場合、炉の温度は最後に溶融した固体の融点よりも高く、最初に溶融せずに残っ​​た固体の融点よりも低いことがわかる。例えば、一連の塩を例に挙げると、次のようなことが当てはまる。

塩。 融点。
度セント 華氏度
1分子の食塩+ 650  1202
 1分子の塩化カリウム
食塩 800  1472
無水炭酸ナトリウム 850  1562
   ” ” 硫酸塩 900  1652
鉛酸ナトリウム 1000  1832
無水硫酸カリウム 1070  1958
   硫酸マグネシウム 1150  2102

[205]検査の結果、硫酸ナトリウムが融解し、鉛酸ナトリウムが残存していた場合、炉の温度は900℃から1000℃の間であることがわかります。融点が900℃から1000℃の範囲にある塩やその他の固体が複数見つかった場合、より狭い範囲で測定値を得ることができます。いずれの場合も、この方法の精度は、連続する試験物質の融点の間隔によって決まります。

有名な陶工ウェッジウッドは、特殊な粘土組成の試験片を用いて、この炉の状態を判定する手法を初めて用いた人物のようです。彼は試験片に炉内温度が及ぼす影響を観察し、その観察結果から作品に適した温度を推測しました。ウェッジウッドはこのようにして、焼成窯内の様々な温度における温度変化を調査し、様々な陶器を最適な位置に配置することで、焼成を成功させることができました。現代の陶工もこのような試験片を使用しています。得られる情報は単に温度の高低だけでなく、焼成中の製品に及ぼす熱の影響も理解できるからです。しかしながら、現在ではあらゆる種類の炉の温度判定にこの溶融法が用いられており、その主な改良点について以下に説明します。

図67.—シーガーピラミッドまたは「コーン」。

ゼーガー・ピラミッド、あるいは「円錐」。—ベルリンのゼーガーは1886年に、段階的に融点を変化させるケイ酸塩の製造に関する研究論文を発表しました。組成を変化させることで、彼は [206]1890℃から590℃の融点を持つ一連の材料を生産する。連続する組成間の間隔は、1890℃から950℃の間では20°、950℃から590℃の間では30°である。このシリーズの最高成分はAl 2 O 3、SiO 2の組成を持ち、最低成分は2SiO 2、B 2 O 3である。使用上の便宜上、材料は高さ5cm、底面の各辺が1.5cmの長さの三角錐の形に作られる。各ピラミッドには識別番号が刻印されており、1890℃から590℃の範囲をカバーするように全部で60個作られる。テストを行うときは、以前の試行で発見されたように、融点が炉の温度に近いことがわかっているピラミッドをいくつか選択する。これらは図67に示すように、耐火物の板の上に立てて炉内に挿入され、覗き窓から観察したり、所定の温度に達した後に炉から取り出して検査したりすることができます。適切なピラミッドが選択された場合、図67に示すような外観になります。Dは完全に崩壊し、Cは曲がっており、Bは上部が丸くなっていますが、Aはそのままです。 [207]次に、炉の温度を C の融点に対応させます。融点は、異なる識別番号に対応する融点が記載されている表を参照して求めます。ピラミッドは非常に安価であり、使用温度に近い融点を持つものだけを購入すれば済みます。特定の温度まで加熱してから炉を冷却する必要がある場合、これらのピラミッドはすべての要件を満たしています。暗いガラスで閉じられたのぞき穴を通して検査することで、炉の管理者が必要な温度に達したことを発見できます。一定の温度を維持する必要がある場合、手順はより困難になります。これは、すでに溶けたピラミッドを頻繁に交換する必要があるためです。これらの器具は、Seger「コーン」という名前で販売されていますが、後者の単語は明らかに誤った名称です。

ワトキンの熱記録計。この装置は、上面に多数の円筒形の穴が開けられた小さな耐火粘土のブロックから構成されています。融点が段階的に変化する物質のペレットを、緩く穴の中に入れます。ブロックを炉に入れ、その後取り出して検査します。完全に溶けた物質は沈み込み、凹面になっているのがわかります。表面が溶けた物質は角が丸くなっていますが、それ以外は無傷です。角が丸くなっている物質の融点が最も高い物質の融点を測定します。 [208]炉の温度と同じである。ペレットの製造に使用される材料は、シーガーが使用したものとほぼ同じであり、数も同じ（60）で、同様の間隔で徐々に変化している。観察方法がピラミッドの使用よりも優れているとは明らかではないが、一部の研究者はピラミッドを好むかもしれない。この配置は、シーガーの組成物を使用する代替案に過ぎない。ワトキンはまた、粘土組成物の直線状の棒の端を支え、どの番号が溶けるか、垂れ下がるか、あるいはそのまま残るかを観察することで温度を推定するという改良法も導入している。

「センチネル」高温計。シェフィールドのブレアリーは、この名称で、主に塩を主成分とする、明確な融点を持つ数種類の組成物を開発した。これらは長さ約1インチ、直径約3/4インチの円筒形で作られており、融点に達すると完全に崩壊する。様々な種類の鋼の処理において最良の結果をもたらすことが知られている特定の温度で融解する組成物が見つかっており、適切な融点の円筒を鋼の近くの小皿に載せて炉内に置くと、目標温度に達したことを示す簡単かつ正確な手がかりが得られる。炉の状態は、融点が徐々に変化する複数の円筒を用意し、シーガーピラミッドの項で説明した方法で観察を行うことで知ることができる。「センチネル」円筒は、作業場や実験室で他の用途に頻繁に使用される。 [209]指示高温計の指示値を確認するために所定の温度を迅速にチェックしたり、特定のケースで特定の温度を超えたかどうかを調べるなどの目的に使用できます。「センチネル」シリンダーは、シリンダー上に置かれた金属棒によって所定の温度に達したことを音で知らせる方法で使用されています。シリンダーが溶けると金属棒が落下し、電気ベルの回路が完成します。通常の金属塩の使用で達成できる上限範囲は、ケイ酸塩の場合ほど広くはありませんが、1100°C まで、金属硫酸塩、塩化物など、またはこれらの混合物は、ゼーガーピラミッドで得られるものとほぼ同等の結果をもたらします。

ストーン高温計。この計器は、金属または合金を注入する正しい温度を示すことを目的としており、シリカ管の底部に、対象材料を注入する温度で融解する合金を配置する構造となっている。この合金の上にシリカ棒が置かれ、その上端は鉄製の延長部に接続されている。延長部の先端は、目盛り上を移動する指針と連動する。シリカ管内の合金が融解すると、棒は溶融塊の中を落下し、指針を目盛り上で移動させることで、所定の温度に達したことを明確に示す。試験開始時に指針をゼロに調整する機構も備えている。[210]

溶融金属。粘土や塩の代わりに、様々な金属や合金が使用されることがあります。これらは短い棒状の形で耐火レンガの番号付き穴に挿入され、炉内に挿入されます。炉から引き出すと、溶融した金属は、挿入された穴の形状をとっていることがわかります。炉の温度は、一連の金属の中で最後に溶融した金属の融点と、最初に溶融しなかった金属の融点の間に位置すると考えられます。このような一連の金属は粘土や塩よりも高価ですが、金属の優れた導電性により、反応速度が速くなります。

溶融ペースト。ワセリンなどの適切な油脂に塩を混ぜたもので、金属片が規定の温度に達したかどうかを検知するために使用されます。例えば、鋼鉄片を800℃まで加熱したい場合、炉に入れる前に、食塩を含んだペーストを表面に塗布します。加熱するとワセリンは燃え尽き、食塩の白い跡が残ります。この白い跡は、食塩が溶融するまで目視可能です。したがって、白い跡が消えれば、必要な温度に達したことが分かります。この方法は簡単で、複数の製品を均一な温度で加工する必要がある場合に便利です。

[211]

第9章
その他の器具
膨張型および収縮型高温計。ほとんどの物質は加熱すると大きさが増加し、冷却すると元の大きさに戻ります。しかし、加熱中に化学変化が起こると、加熱後の物質の大きさが永久的に変化し、冷却すると物質の大きさが以前より小さくなったり大きくなったりすることがあります。これらの現象はどちらも高温の測定に応用されてきました。粘土の永久収縮はウェッジウッドによって最初の実用的な高温計として利用されました。固体の膨張はダニエルによって、液体の膨張はノースラップによって利用されました。どちらの形式も現在でも限られた範囲で使用されており、以下に説明します。

図68.—ウェッジウッドの高温計。

ウェッジウッドの高温計。— 1782年、ウェッジウッドは特殊な粘土から作られた円筒の収縮を観察することで炉の状態を判定する方法を発表しました。この計測装置は、先細りの溝（図68）の形をしており、それぞれ6インチの長さの2つの部分から成り、一方は他方の延長線上にありました。溝の1インチは20の均等な部分に分割され、 [212]全部で240の目盛りがあり、各目盛りは1度と呼ばれていました。ゼロマークの反対側の溝の幅は0.5インチ、240の反対側の溝の幅は0.3インチでした。焼成前に、シリンダーは溝に差し込まれ、下端がゼロマークの反対側かそれに近い位置まで差し込まれます。そして、炉に挿入され、冷却された後、シリンダーは溝のできるだけ奥まで押し込まれます。その時、下端の反対側の目盛りは、ウェッジウッドの目盛りで炉の状態を示します。もちろん、度数は任意ですが、均一な作りのシリンダーの場合、加熱後の溝の特定の位置は常に同じ炉の温度を示し、作業員の目盛りよりも信頼性の高い指標となります。ウェッジウッドは、目盛りの目盛りを華氏で表そうとしました。 [213]華氏130度上昇で1度の収縮が起こるという水銀温度計の最高限界で得られた結果を外挿することによって、今では滑稽に見える数値に達したが、40年間受け入れられていた。例えば、銀の融点は4717度、鋳鉄は17977度、錬鉄は21637度とされており、最後の数値は現在受け入れられている2770度よりも19000度近くも高かった。この誤差は温度上昇で均一に収縮するという仮定から生じたもので、乏しいデータから不明確な外挿を行う危険性を示す顕著な例となっている。しかし、結果を華氏で表すのは非常に間違っていたが、観測された収縮は常に炉の特定の状態に対応しており、作業に最も適した状態になるまで焼成が続けられた。

ここで言及されている永久収縮は粘土の脱水によって引き起こされるため、この方法では試験片に全く同じ種類の粘土を用いた場合にのみ均一な結果が得られます。ある製造業者は、この目的のために特別に一定量の粘土を製造し保管することで、一貫した指示値を確保できるかもしれません。しかし、別の観測者が同じ量の粘土を準備しても、同じ温度で同じ収縮率が得られるとは限りません。なぜなら、わずかな組成の違いが観測される収縮率に大きなばらつきをもたらすからです。したがって、実際には、この種の高温計は使用されていません。 [214]互換性はなく、各ユーザーは自身の特殊な状況に合わせて標準化する必要があります。ウェッジウッドの高温計は現在でもわずかに使用されていますが、現在入手可能なより便利で正確な機器に置き換えられるのは時間の問題です。

ダニエルの高温計。 1822年、ダニエルは、石墨管に封入された白金棒の膨張を利用した高温計に関する論文を発表しました。棒の一端は管の端に押し付けられ、もう一端は自由に動くようになっており、膨張を拡大する増幅装置に接続されていました。その動きは、目盛り上を動く指針によって示されました。目盛りの目盛りは、黒鉛と白金の膨張差があらゆる温度において一定であると仮定し、適切な数の部分に均等に分割されていました。目盛りは、可能な限り水銀温度計との比較によって校正され、残りは外挿されました。この高温計を用いて、ダニエルは銀の融点を華氏2233度、鋳鉄の融点を華氏3479度としました。これは現在認められている値よりもかなり高い値ですが、ウェッジウッドの融点には非常に近い値です。ダニエルの高温計は広く使用され、現代版もかなり普及しています。プラチナは高価なため、これらの計器にはもはや使用されていません。現在では、図69に示すように、一般的に鉄管に黒鉛棒を封入した構造になっており、その先端に目盛り付きの目盛りが取り付けられています。また、パン屋のオーブンでよく使用される別の形状の計器は、鉄棒を磁器または耐火粘土の管で囲んだ構造になっています。[215]

図69.—膨張型高温計。

このタイプの高温計の欠点は、長時間の加熱により材料の膨張係数が変化し、測定値に誤差が生じることです。沸騰水やその他の温度条件での再調整は、 [216]物質は、この変化を適切に補正できません。なぜなら、両方の物質が同じように影響を受けるわけではないからです。また、膨張部分全体が炉内に入っていないと、測定値は低すぎます。この点において、この高温計は熱電式計測器に劣ります。熱電式計測器は任意の深さに挿入できるため、より多様な用途に使用できます。最も重要なのは安価であることです。しかし、膨張式高温計は精密作業には決して使用すべきではありません。鉄製の容器に入れられたグラファイト棒は、他の材料よりも安定した結果をもたらします。

ノースラップの溶融錫高温計。錫は232℃で融解し、2270℃で沸騰する。1700℃まで蒸気をほとんど放出せず、非常に均一に膨張する。そのため、通常の温度計と同じ原理で高温測定に適しており、デュフォーは1900年に錫をシリカ球に封入することで高精度温度計の開発を試みた。ノースラップは、球と軸が黒鉛製の装置を製作した。溶融錫の高さは、ニッケル線をグランドを通して錫に接触するまで下げることで測定する。これにより電気回路が完成し、ベルが鳴るか、検流計に偏向が生じる。ニッケル線の上端は目盛り上を移動する。目盛りは適切な2点に目盛りを付けることができ、通常の温度計と同様に目盛りを分割することができる。グラファイトカバーの耐久性がこの高温計の有用性を決定する。 [217]酸化を防ぐには、良質の耐火物による保護が不可欠です。このような高温計は温度変化に迅速に反応しませんが、現在の熱電式高温計の測定範囲を超える温度範囲での温度測定に役立つ可能性があります。ノースラップ氏は、この装置が1800℃まで使用できると予想しています。

蒸気圧高温計。この機器では、水銀を頑丈な鋼管に入れ、そこに圧力計を取り付けて水銀の蒸気圧を測定します。圧力の測定値は、標準高温計で校正することで温度に変換できます。この機器の測定範囲は600℃または700℃と限られており、現在ではほとんど使用されていません。より近代的な機器に取って代わられたためです。

水噴射式高温計。この装置では、炉内または高温空間に設置されたパイプに一定速度で水を流し、その水温上昇から炉内の温度を求めることができます。この種の装置には安定した水圧源が必要であり、指示値はパイプの内径が均一である限り正確さを保ちます。校正は標準高温計との比較によって行われます。この方法の欠点は、不便であることと、熟練した監視が常に必要となることです。そのため、この装置はほとんど使用されていません。[218]

空気式高温計。高温空間に設置されたパイプに均一な圧力の空気を吹き込み、その温度上昇を観測することで炉内の温度を推定する試みがなされてきた。ユーリング高温計では、高温空間から一定の大きさの開口部を通して蒸気ジェットが吸引器として働き、空気が吸い込まれる。この開口部はチャンバーの一端に設置され、蒸気ジェット吸引器は他端に設置される。中央に穴のある隔壁がチャンバーを2つの部分に分割する。チャンバーの2つの部分に存在する圧力は、吸い込まれる空気の温度に応じて変化し、水位計によって測定される。水位計の測定値は、熱電式高温計などの高温計を用いて校正することで温度に変換できる。この方法は独創的であるが、複雑で費用がかかるため、あまり用いられていない。

伝導型高温計。金属棒の一端を炉内に挿入すると、熱は棒に沿って炉の外側へと伝導され、対流と放射によって棒の外側から逃げる熱量が棒に沿って伝導される量と等しくなると定常状態が得られます。炉内の部分が高温になるほど、外側の長さ全体にわたって温度が高くなります。外側部分に一定間隔で設置された一連の温度計は、棒に沿って温度が徐々に低下することを示します。炉が高温になるほど、各温度計の指示値は高くなります。この原理を高温の測定に適用するには、銅または鉄の棒を炉の外側に通します。 [219]炉の壁を貫通し、長さ 2 フィート以上が外部に突き出るようにします。外側部分の端近くに、温度計の球部が隠れる深さの穴をドリルで開けます。穴に温度計を挿入し、一定量の水銀を注ぎ、球部と棒の間に金属接触を作ります。温度計の読みは、高温空間の変化に応じて上昇または下降する炉内のおおよその温度の手がかりとなります。標準との比較によって較正を行うこともできますが、この方法は、温度計の読みが特定の値 (たとえば 120 ℃) を示すときに達成されることが経験的にわかっている規定の状態を作り出すためにのみ適用されます。気温の変化や気流は読みに重大な影響を与えるため、この方法はせいぜい近似値にすぎません。

ガス高温計。ウィボルグ、ブリストルらは、封入されたガスの圧力をブルドン圧力計で記録する高温計を製作した。圧力計の目盛りは温度を読み取るように校正されている。磁器製の球状部は、圧力計に接続された毛細管で終端されており、空気やその他のガスを封入するために使用される。しかし、赤熱以上の温度では、漏れや球状部の歪みにより、測定値が不確かになる。球状部に最適な材料（白金80%、ロジウム20%の合金）は、工業的に使用するには高価すぎる上、炉ガスの影響で劣化する。ブリストルの記録計では、 [220]この計器は、圧力計の可動指標の先端がペン状になっており、これが時計仕掛けで回転するチャート紙に接触します。400℃までは良好な結果が得られますが、それを超えると指示が不正確になるため、より正確には記録温度計と表現されます。

ウィボルグのサーモフォン。これは、長さ2.5cm、直径2cmの不融粘土製の円筒で、内部に爆薬が入っています。高温の場所に置くと、一定時間後に爆発が起こります。固体を伝わる熱の速度は、外部と内部の温度差に比例して変化するため、高温の場合には爆発間隔は低温の時よりも短くなります。炉に入れてから爆発までの時間は、ストップウォッチで1/5秒単位まで記録し、その時間から、既知の条件下での実験結果から作成された表から温度を求めます。円筒を乾燥した状態に保っておけば、サーモフォンの使用に慣れた観測者であれば、40℃以内の温度差を正確に測定することができます。

ジョリーの融点計。—ジョリー博士が考案したこの装置は、実験室で融点を測定するためのものです。白金片を電気加熱し、その上に白金の微小片を置き、顕微鏡で観察します。白金の温度は回路内の可変抵抗器によって調節され、試験を行う際には、温度を徐々に上げていき、最終的に融点が0.5℃に達するまで加熱します。 [221]物質が球状になるか、白金板上を流れ落ちるのを観察する。この現象が起こる温度は、白金板の線膨張から推定される。線膨張は、装置に取り付けられたマイクロメーターで測定される。メルドメーターを慎重に使用すれば、非常に正確な測定が可能であり、しかも最小限の材料で迅速に結果が得られる。

ブレアリーのカーブトレーサー。ケンブリッジ・アンド・ポール・インストゥルメント社製のこの装置は、短時間で行われる作業の詳細な記録を取るために設計されています。記録紙が巻き取られたドラムで構成され、時計仕掛けによって10分または30分ごとに軸を中心に回転します。ペンのアームには指針が取り付けられており、熱電対が接続された高感度ミラーガルバノメーターの目盛りに沿って移動します。操作者はハンドルを回してドラムを縦方向に動かし、指針が光点の中心と対向するようにします。この動きは、回転運動と連動してペンによってチャート上にトレースされます。このようにして、数度の温度上昇または下降による大きなたわみの変化をインクで記録することができます。この装置は、鋼鉄の臨界点の記録や、限られた温度範囲における繊細な読み取りを必要とするあらゆる作業に特に役立ちます。

英国エディンバラのNEILL AND CO., LTD.により印刷されました
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転写者のメモ:

表紙画像は転写者によって作成されたもので、パブリック ドメインです。

不確かな綴りや古い綴り、あるいは古い単語は修正されませんでした。

図は、段落を分割せず、説明しているテキストの隣に表示されるように移動されています。

印刷上の誤りは黙って修正されましたが、その他のスペルや句読点のバリエーションは変更されていません。

*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「高温測定法：高温測定に関する実用的論文」の終了 ***
《完》