JP2000517421A - 自己検証温度センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 システムの熱力学的温度を測定し、検証するための自己検証温度センサー及び方法。このセンサーは温度依存性素子、例えば熱電素子、抵抗素子、コンデンサー素子及び他のインダクター素子などの種々の組合わせからなる。好ましい例として、このセンサーは４つの熱電ワイヤー間に接続された抵抗素子から作られ、第５の熱電素子が抵抗素子に接続される。このセンサーは電圧、抵抗、インダクタンス、キャパシタンスなどの種々の測定によるデータシグネチャを生成する。測定用エレクトロニクスがそのデータシグネチャを集め、調整する。コンピュータはそのデータシグネチャを分析し、オペレータに検証された温度を知らせる。これにより現場で再校正を行うことができ、再校正のためにセンサーを取り外す必要がなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】 自己検証温度センサー 発明の技術的分野 本発明は、或るシステムの熱力学的温度を測定するための装置及び方法に係わ り、特にシステムの真の熱力学的温度を測定するための自己検証装置に関する。 発明の背景 多くの最近の工業的プロセスにおいて、温度を正確に測定することは非常に重 要になってきた。従来の一般的な工業用温度制御システムは、与えられたシステ ムのための温度示度を与える或る種の温度センサーにより発生する信号出力に依 存するものであった。温度示度はエネルギー入力、物質入力、生産されている製 品の量、質、環境及び安全パラメーター、及び製造プロセスにとって重要な他の パラメーターを調整するのに利用される。最近の処理、製造及びエネルギー発生 施設を操作させる設定温度はしばしば測定された温度と照合される。従って、シ ステムの温度を正確に測定したり、検証する機能は、あらゆる温度依存プロセス の効率及び安全性を最適にするために重要となる。しかし、圧力、質量、時間、 温度などの基本的物理的量を正確に測定することは非常に困難であり、さらに、 或るセンサーから得られた温度示度が正確な熱力学的温度を表しているか否かを 判定することは極めて困難である。従来の技術においては、与えられた温度範囲 で温度の正確な読みを検証できる温度測定装置は知られていない。 従来の種々の温度測定装置における第２の問題は、或る使用期間後、校正オー ブン又は同様の校正装置において定期的に再校正を行う必要があったことである 。この校正のために、測定装置を利用されている当該システムから再校正の間、 取除く必要がある。このように当該システムから測定装置を取除くことは、安全 性及び環境の危険などの問題を生じさせるとともに、この校正に関連する休止時 間は生産性の損失というかなりのコスト損失を生じさせる。 センサーの多様な配列を介して種々の方法で温度を測定することができるため 、種々の公知の概念及びセンサーを利用した種々の温度測定方法が存在する。こ の種々の温度測定方法は幾つかの別々のカテゴリー又は装置の種類に区分するこ と ができ、そのそれぞれは異なる科学的原理に基づき、それを利用している。測定 装置の種類としては、抵抗検温装置（ＲＴＤｓ及びサーミスター）、熱電対、黒 体放射装置及び赤外線ラジエータなどの光学的高温計、バイメタル装置、液体膨 脹装置、状態変化装置などが含まれる。これらセンサーの別々の種類の間の基本 的関連性は、温度変化に応答して物理的特徴の或る変化を示すことによって各装 置が温度を推定するようにしたということである。例えば、ＲＴＤｓは、電気抵 抗が温度と共にほぼ直線状に上昇するという温度の変化に伴うセンサーの電気抵 抗の変化を測定するようにしている。種々のセラミック半導体物質から一般的に 構成されているサーミスターは、温度上昇と共に抵抗の非線形な低下を示す。熱 電対は一対の異なるワイヤー間の起電力（ＥＭＦ）を測定するものである。赤外 線センサーのような光学的装置は、物質により放射される熱線を測定することに より温度を推定するようにしている。他の光学的装置は、ホトルミネセンスの原 理を利用し温度を判定するものである。バイメタル装置は異なる金属間の熱膨脹 率の差を測定するものである。一般家庭用の温度計などの液体膨脹装置は、温度 の変化に応答して変化する流体の容積変化を単に測定するものである。最後に状 態変化センサーは、或る温度に達したとき、状態が変化するようにしている。こ れらの温度センサーの内、今日、工業で使用されている装置の殆どは、抵抗検温 装置、熱電対又は光学的装置である。 従来の抵抗検温装置として様々なものがある。例えば、１９９０年１１月２０ 日にFinneyに発行された米国特許第４，９７１，４５２号には熱交換器の熱受理 表面の温度を測定するためのＲＴＤが開示されている。このＲＴＤは熱交換機の 熱受理表面に直接、溶接されたＲＴＤアセンブリーを具備してなり、このＲＴＤ アセンブリーは抵抗素子が燃焼ガスから遮蔽され、ＲＴＤをその関連する回路へ 電気的に接続するシースケーブルのシースから抵抗素子が熱的に絶縁されている 。１９９１年１２月１７日にPostlewait等に対して発行された米国特許第５，０ ７３，７５８号には活性な高熱環境において抵抗を測定するための回路及び方法 が開示されている。 従来の熱電対及び熱電素子として様々なものがある。例えば、１９９３年５月 １１日にKendallに対して発行された米国特許第５，２０９，５７１号には溶融 金属の温度を測定するための装置が開示されている。この装置は熱電対と、熱抵 抗材料からなるハウジングと、この熱抵抗素子を受理するための保持部材とを具 備してなる。１９９３年８月３日にDubreuil等に対して発行された米国特許第５ ，２３２，２８６号には液状金属、マット、スラグの高温測定を行うための熱電 対が開示されている。この熱電対は異なる金属の２つのサーメット素子を具備し てなり、それらの中に熱電回路が媒体により閉じられていて、その媒体の温度が 測定されるようになっている。１９９２年６月１６日にMolitorisに対して発行 された米国特許第５，１２１，９９４号にはオートクレーブに使用するための熱 電対プローブが示されている。 従来、一対の熱電対を利用した温度測定装置として様々な例がある。例えば、 １９９１年８月６日にKimuraに対して発行された米国特許第５，０３８，３０３ 号には、主熱電対と、この主熱電対の１つの脚部に接続された補助熱電対とを使 用し、冷接続補償を与えるようにした温度測定方法及び装置が開示されている。 １９９１年１０月２９日にGrimm等に対して発行された米国特許第５，０６１， ０８３号には、少なくとも第１の熱電対と、第２の熱電対とからなる温度モニタ ー装置が開示されている。 上記の従来の装置はそれぞれＲＴＤ又は熱電対を利用するもので、或る場合に は一対の熱電対が用いられている。しかし、これらの従来技術によれば、ＲＴＤ と熱電対とを組み合わせることについては全く開示されていない。さらに、これ らの従来技術には、他の型のインピーダンス素子（コンデンサー、インダクター 、クリスタル、半導体）を１又はそれ以上の熱電対と組み合わせることについて は全く開示されていない。最後に、これらの従来技術には、２以上の熱電素子ワ イヤーを任意の型のインピーダンス素子と組み合わせることについて全く開示さ れていない。 従来、２つの光学的温度測定装置を組合わせたものも知られている。例えば、 １９９２年５月１２日にWickersheim等に対して発行された米国特許第５，１１ ２，１３７号には、黒体技術を利用して高温範囲を測定し、ホトルミネセンス技 術を利用して低温範囲を測定するようにしたもの、つまり、双方とも光学的温度 測定技術を利用したものが開示されている。しかし、この米国特許には、異なる 種類のセンサーから２つのセンサーを組合わせること、例えば抵抗装置と熱電対 との組合わせ、抵抗装置と光学的装置との組合わせなどについては何ら開示され ていない。 従来の温度センサー装置における基本的制限は、既知の校正参照物と比較する ためセンサーを除去することなしに、その操作温度範囲についての校正を信頼性 を以てチェックすることができなかったことである。つまり、従来の全ての装置 の基本的制限は、それらが単一種類の温度測定装置、すなわち、ＲＴＤｓ、熱電 素子、光学的装置など、を用いて温度を測定していることにある。或る従来技術 においては、一対の熱電対、一対の光学的装置など２以上の温度測定装置が用い られているが、異なる２種類の装置の組合わせ、例えば抵抗ないし容量性素子を １以上の熱電素子と組合わせることについては全く開示されていない。 一般に、１つの種類の測定装置の主たる故障モードは他の型の測定装置の主た る故障モードと異なるものである。更に、同一種類であるが異なる型の装置間に おける主たる故障モードも一般に異なる。センサーは不利な使用条件での使用又 は主故障モードに沿って再校正を行うことなしに長時間、使用することなどが原 因で、劣化したり故障する傾向を示す。もし、これらが生じた場合、センサーか らの出力信号は最早、その測定位置での真の熱力学的温度との正確な関係を示さ なくなる。 真の熱力学的システム温度を継続的に与えているにも拘らず、種々の要因によ る劣化から生じるセンサーの出力のドリフトが生じた時、それをオペレータに警 告するようにした装置は従来、知られていない。Sasada等に対して発行された米 国特許第５，１７６，４５１号には、熱電対を利用した温度センサーであって、 熱電対に短絡が生じたとき、それを知らせる手段を備えたものが開示されている 。このSasadaの発明における大きな欠点は、センサーの完全な機能停止又は短絡 が生じた時のみに、その情報がオペレータに知らせるということである。従って 、センサーが正しくなくなり測定のずれを生じ始め、真の熱力学的温度を最早、 読めなくなり、誤ったシステム温度を与えているとしても、オペレータはその旨 の表示ないし警告を受けることができない。 センサーが正確な測定不能となった場合、オペレータは他の情報源を利用し、 センサーの誤り、“ドリフト”を修正せざるを得ない。センサーの誤り、“ドリ フト”の程度が最早、許容できる限度を超えたときは、そのセンサーは再校正し たり、交換する必要がある。更に、従来技術においては、オペレータが測定のド リフトの量を判定する装置又は方法がない。すなわち、現在は、オペレータは誤 測定の程度を経験に基づいて推測する以外にない。つまり、温度センサーの広範 囲の温度における正確性を検証する公知の信頼し得る唯一の方法は、温度センサ ーを取り外し、校正用炉で独自に再校正することである。最近の多くの用途にお いて、このような方法は費用がかかり、許容し難いシステム休止とメンテナンス 費用増大を招くものである。更に、システムを休止し校正を行うことは、当該シ ステムからセンサーを除去することに関連する作業員のかなりの危険性を伴うも のである。例えば、システムが継続して操業されなければならない多くの適用場 所において、センサー素子の除去は不可能でないとしても危険なものである。 このようなことから、正しく検証された熱力学的温度を与えることができる温 度測定装置及び方法についての開発の必要性が求められている。 さらに、現場で再校正を行うことができ、校正のためにセンサーをシステムか ら取り外す必要性を解消し得る装置の開発の必要性が求められている。 更に、装置が２又はそれ以上の異なる種類の温度センサーを含むことにより、 同一の悪使用環境又は使用寿命のほぼ同一の点においてセンサーの各々が誤動作 する可能性を著しく減少し得る装置の開発の必要性が求められている。 更に、センサーから得られる種々の電圧及びインピーダンス測定値を含むデー タシグネチャを生成することができる装置の開発の必要性が求められている。 更に、種々の電圧及びインピーダンス測定値を含むデータシグネチャを編集し 、そのデータシグネチャを分析し、検証された真のシステム温度を判定すること ができる方法の開発の必要性が求められている。 発明の概要 上記及び他の要望は、システムの真の熱力学的温度を測定し、検証し得る装置 及び方法を提供することにより満される。本発明の自己検証温度センサーは、セ ンサーと、測定用エレクトロニクス、及びコンピュータを具備してなる。 上記センサーの中に多配線センサー素子が含まれる。種々の態様において、こ のセンサー素子は、少なくとも１つの温度依存性インピーダンス装置に接続され た複数の温度依存性熱電素子を含む。好ましい態様において、この多配線センサ ーは２つの熱電対を有し、各熱電対は２つの異なる熱電素子から形成されている 。この熱電対の接合点は抵抗装置のいずれかの側に接続されている。第５の熱電 素子は抵抗装置の中央に接続されている。 これらの熱電素子は測定用エレクトロニクスに接続されている。測定用エレク トロニクスは信号を熱電素子に注入し、そこからデータシグネチャを収集する。 １つの熱電対が主温度センサーとして選ばれ、連続的にモニターされる。その他 の熱電素子は二次的センサーを形成し、種々の組合わせでモニターされる。 このデータシグネチャは、フィルターにかけられ、増幅され、デジタルデータ に変換される。このデジタルデータはコンピュータに送られ、そこで温度数値に 変換され、さらに分析される。コンピュータは主温度センサーから決定された温 度を表示画面上に表示する。このコンピュータは二次的センサーから集められた データを用いて主温度センサーで測定された温度を検証する。二次的センサーか らのデータは複数の温度依存素子から得られ、各素子は異なる故障モードを有す るものであるから、そのデータはセンサーの一部又はそれ以上が劣化したとき、 それを表示する。この検証から、コンピュータは主温度センサーの信頼レベルを 計算する。この信頼レベルもコンピュータの端末表示装置に表示される。 本発明の技術的利点は、それぞれ異なる種類のセンサーからなる少なくとも２ つの温度測定装置を利用してデータシグネチャを集め、それを分析して検証され たシステム温度を決定するようにした自己検証温度センサーを提供することによ り、従来技術の欠点を解決するようにしたことである。 本発明の他の技術的利点は、測定装置を現場で再校正することができることで あり、その結果、温度が測定されているシステムからセンサーを取り外す必要が なくなるということである。 本発明の更に他の技術的利点は、温度センサーが主データパッケージ及び1又 はそれ以上のバックアップデータパッケージを含むデータシグネチャを生成する ようになっていて、このバックアップデータパッケージを主データパッケージに 対し比較させることができ、これにより当該システムの温度を検証することがで きることである。 本発明の更に他の技術的利点は、温度センサーに発生した劣化の程度を測定し 、表示し得ることである。 以上、本発明の特徴及び利点の概略を説明したが、これにより以下の詳細な説 明についての理解が容易になるであろう。その他の特徴、利点について以下に説 明するが、それらも本発明の範囲の要旨となるものである。なお、ここに記載し た概念及び具体例をベースとして変更を加え本発明と同一の目的を達成すること は当業者にとって容易と思われるが、それらも本発明の請求の範囲に含まれる均 等概念であるとして理解されるべきである。 図面の簡単な説明 本発明及びその利点のより完全な理解のため、以下、添付図面を参照して更に 詳述する。 図１は本発明の自己検証温度センサーのブロック図； 図２は本発明のセンサーの分解斜視図； 図３は本発明のセンサー素子の好ましい具体例を模式図； 図４は測定用エレクトロニクスの機能を説明するブロック図： 図５は本発明を実施するのに適したコンピュータシステムにより行われる工程 を説明するブロック図である。 好ましい実施例の説明 本発明の説明において、“システム”とは検証された真の温度を得る対象物で ある熱力学的物体を意昧している。例えば、本発明は、正確な温度測定を必要と している全ての工業的プロセスについて、検証された真のシステム温度を得るの に利用することができる。例えば、金属、セラミック、ガラス、発電、石油化学 工業などに利用することができる。更に、本発明は現在利用されているあらゆる エンジン、発電源のために検証された真のシステム温度を提供するために利用す ることができる。さらに、本発明は極低温から極高温に至るあらゆる温度範囲に 亘る温度の測定に利用し得ることを理解されるべきである。 ここで、“インピーダンス素子”とはインピーダンスに基づく温度測定装置の 全てを意味するものであり、例えば、抵抗温度測定装置、インダクタンス測定装 置、キャパシタンス温度測定装置、半導体装置、クリスタル装置などが含まれる 。 また、ここで“温度依存素子”とは、温度変化に応答して１又はそれ以上の物 理的特性について特徴的、測定可能な変化を表す全ての型のセンサー素子を意味 するものである。このようなセンサー素子の例としては、（１）インピーダンス 素子を含めて、温度変化に応答して電圧又はインピーダンスに特徴的変化を示す 全ての装置；及び（２）熱電素子及び熱電対が含まれる。これら装置における温 度に応答する変化については周知であるから、それらの装置の温度はそれらの特 徴を検査することにより決定することができる。 次に、特に図１を参照すると、自己検証温度センサー（ＳＶＴＳ）１００の機 能ブロック図がここに示されている。このＳＶＴＳ１００はセンサー１１０を含 み、このセンサー１１０は接続ケーブル１１２を介して測定用エレクトロニクス １１４に接続されている。測定用エレクトロニクス１１４はコンピュータ１１８ に接続されている。コンピュータ１１８はソフトウエア１２０を実行し、データ をディスプレイ１２２に出力し、センサー１１０により測定されたシステムの熱 力学的温度及び信頼度が表示されるようになっている。 センサー１１０の好ましい具体例が図２に示されている。このセンサー１１０ は保護チューブ（ＰＴ）２１０を含む。このＰＴ２１０内にはスペーサ２１２、 多配線センサー２１４、熱電素子絶縁体２１６及び電気的コネクター２１８が設 けられている。 ＰＴ２１０はセンサー１１０が設置されるところのシステムの要求に耐え得る 任意の材料から製造することができる。ＰＴ２１０は好ましい具体例としてステ ンレス鋼から製造することができるが、その他の耐熱性材料からなるものであっ てもよい。 セラミックスペーサ２１２はＰＴ２１０の内部に嵌挿され、多配線センサー１ ４を正しい位置に保持させる。このスペーサ２１２の主たる目的はＰＴ２１０内 部において多配線センサー２１４を他の導電性素子から絶縁することである。従 って、スペーサ２１２は任意の絶縁性材料から作ることができる。更に、ＰＴ２ １０及びスペーサ２１２の重要な機能は多配線センサー２１４を等温状態に維持 することである。 図３には多配線センサー２１４の好ましい具体例がより詳細に示されている。 このセンサー２１４には２つの別々の熱電対３１０、３１２が含まれ、そのそれ ぞれは２つの熱電素子３１４、３１６、３１８、３２０からなっている。熱電素 子３１４、３１６は接合点３２２で接合されており、同様に熱電素子３１８、３ ２０は接合点３２４で接合されている。これらの接合点３２２、３２４は温度依 存素子３２６の両側に接続されている。他の熱電素子３２８は温度依存素子３２ ６の中央部から延出している。 各熱電対の各熱電素子は異なる温度依存物質から作られている。例えば、熱電 素子３１４は熱電素子３１６とは異なる物質から作られている。更に、好ましい 具体例として、熱電対３１０、３１２は同じ物質から製造される。つまり、熱電 素子３１４、３１８は熱電素子３１６、３２０と同様に同一の物質から製造され ることが好ましい。 熱電素子３１４、３１６、３１８、３２０、３２８はシステムのパラメータに 応じて長さ、径が異なるワイヤーからなっている。好ましい例として、熱電素子 ３１４、３１８はクロメル（商標）から作られ、熱電素子３１６、３２０は好ま しくはアルメル（商標）から作られる。熱電素子３２８は任意の適当な材料から 作ることができ、他の熱電素子３１４、３１６、３１８、３２０と同じ材料であ る必要はない。勿論、熱電素子３１４、３１６、３１８、３２０、３２８はその 他の材料から製造することもできる。白金／ロジウム、タングステン／レニウム 、銅、鉄、コンスタンタンのような材料からなる熱電素子は周知であり、これら を以て置換してもよい。 好ましい例として、温度依存素子３２６は抵抗素子からなる。しかし、公知の 故障モードを有するインピーダンス素子を以て置換することもできる。すなわち 、温度依存素子３２６はインダクター、キャパシター、ダイオード、半導体装置 、クリスタル装置であってもよい。 更に、図３は単に多配線センサー２１４の１具体例を示しているに過ぎないと いうことは非常に重要である。可能な別の例としては、熱電素子ワイヤー３１４ 、３１６、３１８、３２０、３２８の任意のものの中に１又はそれ以上の温度依 存素子を有する多配線センサー、あるいはインピーダンス素子を有しない多配線 セ ンサーである。多配線センサー２１４が温度依存素子３２６を設けることなしに 作られた例では、熱電対３１０及び３１２は共通接合点を形成する接合点３２２ 及び３２４で接続され、熱電素子ワイヤー３２８も適宜、接合点３２２及び３２ ４に接続させることができる。更に、多配線センサー２１４は図３に示されたも のと異なる数の熱電素子ワイヤーを有することができる。そのような変形例は自 明であり、明らかに本発明の範囲に含まれるものである。 操作において、熱電素子３１４、３１６、３１８、３２０、３２８の各々が起 電力（ＥＭＦ）を発生し、その起電力は使用温度範囲に亘って温度と整合的に相 関関係にある。インピーダンス及び／又は電圧は、既知の電流を第１の熱電素子 対に注入し、第２の熱電素子対間で発生した電圧を測定することにより測定され る。各熱電素子対は他の熱電素子対とは異なるようにして熱電素子３１４、３１ ６、３１８、３２０、３２８から任意に２つの熱電素子が選択される。この測定 は“順”方向、“逆”方向の双方で行われ、その測定結果は平均化され、熱電素 子３１４、３１６、３１８、３２０、３２８により発生した電圧／インピーダン スについて補償が行われる。熱電素子３１４、３１６、３１８、３２０、３２８ 及び温度依存素子３２６の特定の温度における電気的特徴は公知であるから、当 該システムの温度は多配線センサー２１４からの測定された電気的信号から判定 することができる。 温度を測定するため、１組の熱電素子が主センサーとして選ばれ、残りの熱電 素子が二次的センサーを形成することになる。例えば、熱電対３１０が主センサ ーとして選ばれ、他の熱電素子３１８、３２０、３２８（及び熱電素子３１４、 ３１６の異なる組合わせ）から得られる測定が二次センサーを形成する。温度測 定及び検証プロセスの詳細について以下説明する。 図２に戻って説明すると、熱電素子絶縁体２１６が示されている。この熱電素 子絶縁体は、好ましくはセラミック又は他の誘電体物質から作られる。熱電素子 絶縁体２１６には５つの孔２２２が形成され、各孔は熱電素子３１４、３１６、 ３１８、３２０、３２８の収容部となっている。各孔は熱電素子とセンサーの内 径との間の比を満足するように、その直径が形成されている。 最後に、電気的コネクター２１８は、その複数の導電性プロング２２０がそれ ぞれ、各熱電素子３１４、３１６、３１８、３２０、３２８と電気的に導通する ようにして熱電素子絶縁体２１６に接続されている。電気的コネクター２１８は 接続ケーブル１１２と接続し、電気的信号をセンサー１１０から測定用エレクト ロニクス１１４に伝達させるようになっている。 測定用エレクトロニクス１１４は接続ケーブル１１２に接続され、センサー１ １０により得られたデータシグネチャを収集し、調整する。このデータシグネチ ャはセンサー１１０から受理した電気的信号からなる。測定用エレクトロニクス １１４は、ＡＣ及び／又はＤＣ技術を用いて種々のリードの組合わせを通して測 定されたインピーダンス及び電圧のリード対リード測定を用いてセンサー１１０ をモニターする。この技術は当業者に取って周知である。これらの測定値はつい で相互に関係づけられ、分析され温度及びセンサーの状態についての必要なデー タが抽出される。別の例として、測定用エレクトロニクス１１４を多重センサー １１０の接続させてもよい。そのような形態は当業者に自明な変形を要するに過 ぎない。 図４は測定用エレクトロニクス１１４と、それに関連する構成要素を示す機能 ブロック図である。この測定用エレクトロニクス１１４の中には、マルチプレク サー（ＭＵＸ）４１０、フィルター及びバッファー４１２、アナログ−デジタル （Ａ／Ｄ）コンバータ４１４が含まれている。 ＭＵＸ４１０はコンピュータ１１８の制御の下で操作され、熱電素子から特定 の信号が選択され、それらの信号がフィルター及びバッファー４１２へ送られる 。ＭＵＸ４１０は更に既知の電流をセンサー１１０へ注入させ、インピーダンス の測定が行われる。更に、ＭＵＸ４１０はセンサー１１０の順方向又は逆方向の 読みを選択させる。 フィルター及びバッファー４１２はＭＵＸ４１０からの選択された信号を受理 する。フィルターはエイリアシング除去（antialiasing）を行い、Ａ／Ｄコンバ ータ４１４のノイズ性能を向上させる。バッファー増幅器は高い入力インピーダ ンスを与え、ＭＵＸ４１０スイッチの抵抗の作用を減少させる。 Ａ／Ｄコンバータ４１４は高解像シグマーデルタＡ／Ｄコンバータである。Ａ ／Ｄコンバータ４１４はセンサー１１０から受理されたデータシグネチャを、そ のデータシグネチャを表す１以上のデジタル値に変換させる。これらのデジタル 値はついでさらに処理するためにコンピュータ１１８へ送られる。 Ａ／Ｄコンバータ４１４の好ましい例は、主Ａ／Ｄコンバータと二次Ａ／Ｄコ ンバータとからなるものである。主センサー素子からの信号はＭＵＸ４１０及び フィルター及びバッファー４１２をバイパスし、センサー１１０から直接、主Ａ ／Ｄコンバータへ送られる。主Ａ／Ｄコンバータはこれらのデータを連続的に読 み取る。二次Ａ／ＤコンバータはＭＵＸ４１０を介してセンサー１１０に接続し ていて主感応素子又は他の感応素子を任意の組合わせで読み取ることができる。 更に、温度センサーを二次Ａ／Ｄコンバータに接続し、冷接合計算を行うように してもよい。 コンピュータ１１８はＡ／Ｄコンバータ４１４からのデジタル信号出力を受理 する。このコンピュータ１１８は中央処理ユニット（ＣＰＵ）、ランダムアクセ スメモリー（ＲＡＭ）及びディスプレー１２２からなるスタンダードなマイクロ コンピュータであることが好ましい。本発明はしかしながら、コンピュータ１１ ８の構成様式により制限されるものではない。当業者にとって自明のように、コ ンピュータ１１８はＲＡＭ、ＣＰＵに記憶されているソフトウエア１２０が所望 の機能をなし得るようにするものである。更に、測定用エレクトロニクス１１４ をコンピュータ１１８と合体させ得ることも当業者にとって自明であろう。 図５はコンピュータ１１８により行われる主たる工程を説明するフロー図であ る。工程５１０でコンピュータ１１８は主センサーを読み取る。そのデジタル信 号はインピーダンス値から一次温度値に変換される。この一次温度値はディスプ レー１２２に表示される。 工程５１２において、コンピュータ１１８は残りのセンサー素子をを読み取る 。そのデジタルシグネチャは分析され、熱電素子３１４、３１６、３１８、３２ ０、３２８及び温度依存素子３２６における全てのインピーダンスが計算される 。そのデジタル信号はインピーダンス値から温度値に変換される。なお、所定の 範囲以外のデータは破棄される。種々の別の例として、センサー素子の定期的サ ンプリングにより、あるいはセンサー素子の連続的モニターにより、コンピュー タ１１８が主センサー及び残りのセンサー素子の双方からのデータを読み取るよ うに してもよい。更に、特定のシステムの要求に応じて、コンピュータ１１８が数個 のセンサーから同時にデータを読み取ったり、各センサーから順次にデータを読 み取るようにしてもよい。 工程５１４において、データはデータマトリックス中に置かれる。更に、この データはどのセンサー素子が各データを発生したかについて類別される。ついで 、各データはその所属する分類により定められているマトリックス中の位置に置 かれる。 工程５１６において、データマトリックス中のセンサーデータから校正基準が 形成される。この校正基準は主センサーの無欠状態を検証するために用いられる 。この校正基準は、少なくとも３つの異なるセンサーからのデータであって、少 なくとも２つの物理的に区別される温度依存素子から発生したデータを含むもの でなければならない。校正基準がこのようにして形成されなければならない理由 は、１つの型の感応素子に悪影響を与え劣化させる虞れのある故障モードが別の 型のセンサーに同様の作用を生じさせないようにするためである。例えば、イン ピーダンス装置及び熱電装置は一般に、劣悪使用条件が原因して異なるメカニズ ム及び異なる速度で劣化を受ける。従って、この校正基準はセンサー１１０の故 障部分を検出し、これを補うことができる。 工程５１８において、コンピュータ１１８で校正基準温度が主センサー温度と 比較される。ついで、コンピュータ１１８は温度の一致レベルを判定する。この 一致レベルはセンサーが正しく機能している信頼レベルを表すものである。この 信頼レベルはディスプレイ１２２に表示される。主センサー及び残りのセンサー 素子の双方からのデータは更にデータマトリックス中に記憶させることもでき、 これらは後により最新のデータと比較され、センサーの老化、完全性並びに警報 状態がモニターされる。 前述のように、主センサー及び残りのセンサー素子は等温状態に維持されなけ ればならない。この等温状態の維持は主センサーの残りのセンサー素子に対する 校正のために必要である。さらに図３を参照して具体的に述べると、温度依存素 子３２６及び接合点３２２、３２４がＰＴ２１０により等温状態に維持されるこ とが重要である。なお、ＰＴ２１０内に設けられている熱電対３１０及び３１２ は、その長手方向に沿って温度勾配を形成することを理解されたい。 さらに、本発明の別の態様として、温度依存素子３２６が接合点３２２、３２ ４と等温関係に維持されているが、接合点３２２、３２４において熱電対３１０ 、３１２と物理的に接続されていないことを理解されたい。温度依存素子３２６ がＰＴ２１０及びスペーサー２１２を介して熱電対３１０、３１２と熱的に接続 されている限り、そのような態様は主センサー温度及び校正基準を発生させるた めの必要なデータを与えることができる。 センサー１１０が故障した場合、すなわち、信頼レベルが所定限度以下になっ た場合、センサー１１０を“再配列”させることができる。つまり、主センサー の選択及びデータマトッリクスを変えて、センサー１１０の異なる部分から温度 を測定することができる。従って、この選択を採用することによりＳＶＴＳ１０ ０を完全に機能するよう復活させ、再び検証された温度出力を与えるようにする ことができる。この再配列工程により事実上、現場におけるセンサーの再校正が 可能になる。もし、センサー１１０が検証された温度を得ることができない程度 にまで劣化した場合、そのことがＳＶＴＳ１００によりオペレータに知らされる 。 なお、本発明及びその利点について詳述したが、請求の範囲に記載された発明 の趣旨から逸脱しない範囲で、その他、種々の変化、置換、変更等が可能である ことが理解されるべきである。

【手続補正書】 【提出日】平成１１年７月５日（１９９９．７．５） 【補正内容】 請求の範囲 １．第１の熱電対と第２の熱電対とを有する自己検証センサーであって、さら に、 第１の端部及び第２の端部を有し、前記第１の端部が上記第１の熱電対に接続 され、前記第２の端部が上記第２の熱電対に接続された温度依存素子と、 前記第１の端部と前記第２の端部との間にて前記温度依存素子に接続された熱 電素子と、 を具備してなる自己検証センサー。 ２．前記温度依存素子と、前記第１及び第２の熱電対と、前記熱電素子を囲繞 する保護チューブと、 前記保護チューブ内に設けられ、前記温度依存素子、前記第１及び第２の熱電 対並びに前記熱電素子を固定位置に保持するスペーサーと、 を更に具備してなる請求項１に記載の自己検証センサー。 ３．前記温度依存素子がインピーダンス装置である請求項１に記載の自己検証 センサー。 ４．前記インピーダンス装置が、レジスター、キャパシター、インダクター、 ダイオード、クリスタル及び半導体からなる群から選ばれるものである請求項３ に記載の自己検証センサー。 ５．前記第１及び第２の熱電対のそれぞれが、 第１の熱依存物質からなる第１の熱電素子と、 第２の熱依存物質からなる第２の熱電素子と、 からなり、前記第２の熱依存物質が前記第ｌの熱依存物質とは異なる物質であ る請求項１に記載の自己検証センサー。 ６．前記第１の熱電素子がクロメルからなる請求項５に記載の自己検証センサ ー。 ７．前記第２の熱電素子がアルメルからなる請求項５に記載の自己検証センサ ー。 ８．前記第１及び第２の熱電素子が或る接合点で接合され、その接合点が前記 温度依存素子に接続されている請求項５に記載の自己検証センサー。 ９．第１の故障モードを有する温度測定用の第１のセンサーと、第２の故障モ ードを有する温度測定用の第２のセンサーとを具備する温度センサーであって、 前記第２の故障モードが前記第１の故障モードと異なり、前記第２のセンサー がインピーダンス素子を含むことを特徴とする温度センサー。 １０．前記第１のセンサーが、第１の物質からなる第１の温度依存素子と、前 記第１の物質とは異なる第２の物質からなる第２の温度依存素子とを有する第１ の熱電対を具備してなる請求項９に記載の温度センサー。 １１．温度測定用の第３のセンサーを更に具備し、前記第３のセンサーが第３ 及び第４の温度依存素子を有する第２の熱電対を含み、前記インピーダンス素子 が第１の熱電対と前記第２の熱電対との間に接続されている請求項１０に記載の 温度センサー。 １２．前記第２のセンサーが、前記第２の熱電対と前記第１の熱電対との間の 前記インピーダンス素子上の点から延出した熱電ワイヤーを更に具備してなる請 求項１１に記載の温度センサー。 １３．前記インピーダンス素子に接続された温度測定用温度依存素子を更に具 備し、前記第３の温度依存素子が第３の故障モードを有し、前記第３の故障モー ドが前記第１の故障モードまたは第２の故障モードとは異なる請求項９に記載の 温度センサー。 １４．前記第３の温度依存素子が、レジスター、キャパシター、インダクター 、ダイオード、クリスタル及び半導体からなる群から選ばれるものである請求項 １３に記載の温度センサー。 １５．前記第１のセンサーが主信号を発生させ、前記第２のセンサーが二次信 号を発生させ、前記温度センサーが更に、前記主信号及び二次信号から検証温度 を判定するプロセッサーを具備してなる請求項９に記載の温度センサー。 １６．前記プロセッサーが、 前記主信号を主温度値に変換し、 前記二次信号を校正基準に変換し、 前記主温度値を前記校正基準と比較し信頼値を生じさせるように構成されてい る請求項１５に記載の温度センサー。 １７．前記プロセッサーが更に、前記信頼値が所定レベル以下の場合、前記セ ンサーを再校正するように構成されている請求項１６に記載の温度センサー。 １８．前記インピーダンス素子が、レジスター、キャパシター、インダクター 、ダイオード、クリスタル及び半導体からなる群から選ばれるものである請求項 ９に記載の温度センサー。 １９．自己検証温度センサーを利用してシステムの温度を測定する方法であっ て、 第１の故障モードを有する主センサーから主データシグネチャを得る工程と、 前記第１の故障モードと異なる第２の故障モードを有する二次センサーから二 次データシグネチャを得る工程と、 前記主データシグネチャから主システム温度を判定する工程と、 前記二次データシグネチャから校正基準を判定する工程と、 前記主システム温度を前記校正基準を比較し、検証されたシステム温度を得る 工程と、 を具備してなる方法。 ２０．前記主データシグネチャ及び前記二次データシグネチャから自己検証温 度センサーの劣化レベルを判定する工程と、 新たな主センサー及び新たな二次センサーを選択することにより、前記自己検 証温度センサーを再校正して前記劣化レベルを補償する工程とを更に具備してな る請求項１９に記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ブラノン，シー，トム アメリカ合衆国 77088 テキサス州，ヒ ューストン，バーチツリー フォレスト ドライブ 7306 (72)発明者 コナー，バーナード，エル アメリカ合衆国 77339 テキサス州，キ ングウッド，グレンバーン 2310 (72)発明者 トランジアー，リー アメリカ合衆国 77339 テキサス州，キ ングウッド，ファウン クリーク ドライ ブ 3603 (72)発明者 キャノン，コリンズ，ピー アメリカ合衆国 64068 ミズーリ州，リ バティー，ビクトリー レーン ６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１の端部及び第２の端部とを有する温度依存素子と、 前記第１の端部に接続された第１の熱電対と、 前記第２の端部に接続された第２の熱電対と、 前記第１の端部と前記第２の端部との間にて前記温度依存素子に接続された熱 電素子と、 を具備してなる自己検証温度センサー。 ２．前記温度依存素子と、前記第１及び第２の熱電対と、前記熱電素子を囲繞 する保護チューブと、 前記保護チューブ内に設けられ、前記温度依存素子、前記第１及び第２の熱電 対並びに前記熱電素子を固定位置に保持するスペーサーと、 を更に具備してなる請求項１記載の自己検証温度センサー。 ３．前記温度依存素子がインピーダンス装置である請求項１記載の自己検証温 度センサー。 ４．前記インピーダンス装置が、レジスター、キャパシター、インダクター、 ダイオード、クリスタル及び半導体からなる群から選ばれるものである請求項３ 記載の自己検証温度センサー。 ５．前記第１及び第２の熱電対のそれぞれが、 第１の温度依存物質からなる第１の熱電素子と、 第２の温度依存物質からなる第２の熱電素子と、 からなり、前記第２の温度依存物質が前記第１の温度依存物質とは異なる物質 からなる請求項１記載の自己検証温度センサー。 ６．前記第１の熱電素子がクロメルからなる請求項５記載の自己検証温度セン サー。 ７．前記第２の熱電素子がアルメルからなる請求項５記載の自己検証温度セン サー。 ８．前記第１及び第２の熱電素子が或る接合点で接合され、その接合点が前記 温度依存素子に接続されている請求項５記載の自己検証温度センサー。 ９．自己検証温度センサーにおけるセンサー素子であって、該センサー素子が 、 第１の故障モードを有する温度測定用の第１の手段と、 第２の故障モードを有する温度測定用の第２の手段と、 を具備し、前記第２の故障モードが前記第１の故障モードと異なるセンサー素 子。 １０．前記第１の手段が第１の熱電対を具備してなる請求項９記載のセンサー 素子。 １１．前記第１の熱電対が、第１の物質からなる第１の温度依存素子と、前記 第１の物質とは異なる第２の物質からなる第２の温度依存素子とを具備する請求 項１０記載のセンサー素子。 １２．前記第２の手段が第２の熱電対を具備してなる請求項１１記載のセンサ ー素子。 １３．前記第２の熱電対が、第１の物質からなる第１の温度依存素子と、前記 第１の物質とは異なる第２の物質からなる第２の温度依存素子とを具備する請求 項１２記載のセンサー素子。 １４．温度測定用の前記第１及び第２の手段間に接続された温度測定用の第３ の手段を更に具備し、前記第３の手段が第３の故障モードを有し、前記第３の故 障モードが前記第１及び第２の故障モードとは異なる請求項１３記載のセンサー 素子。 １５．前記第３の手段が、レジスター、キャパシター、インダクター、ダイオ ード、クリスタル及び半導体からなる群から選ばれる温度依存素子を具備してな る請求項１４記載のセンサー素子。 １６．主信号を発生させるための主センサー手段と、 二次信号を発生させるための二次センサー手段と、 前記主信号及び二次信号から、検証温度を判定するコンピュータと、 を具備してなる自己検証温度センサー。 １７．前記主センサー手段が熱電対を具備してなる請求項１６記載の自己検証 温度センサー。 １８．前記熱電対が、第１の物質からなる第１の温度依存素子と、前記第１の 物質とは異なる第２の物質からなる第２の温度依存素子とを具備してなる請求項 １７記載の自己検証温度センサー。 １９．前記二次センサー手段が第１の温度依存素子を具備してなる請求項１６ 記載の自己検証温度センサー。 ２０．前記第１の温度依存素子が、レジスター、キャパシター、インダクター 、ダイオード、クリスタル及び半導体からなる群から選ばれるものである請求項 １９記載の自己検証温度センサー。 ２１．前記二次センサー手段が、異なる物質から作られると共に或る接合点で 接合する第２及び第３の温度依存素子を有する熱電対を具備してなり、前記第１ の温度依存素子が前記接合点に接続した第１の端部と、前記主センサー手段に接 続した第２の端部とを有する請求項１９記載の自己検証温度センサー。 ２２．前記二次センサー手段が、前記熱電対と前記主センサー手段との間の第 １の温度依存素子上の点から延出した熱電ワイヤーを更に具備してなる請求項２ １記載の自己検証温度センサー。 ２３．前記コンピュータ手段が、 前記主信号を主温度値に変換する手段と、 前記二次信号を校正基準に変換する手段と、 前記主温度値を前記校正基準と比較し信頼値を生じさせる手段と、 を具備してなる請求項１６記載の自己検証温度センサー。 ２４．前記コンピュータ手段が、前記信頼値が所定レベル以下の場合、前記セ ンサーを再校正させる再校正手段を更に具備してなる請求項２３記載の自己検証 温度センサー。 ２５．前記コンピュータ手段が、前記主温度値と前記信頼値とを表示する表示 手段を更に具備してなる請求項２３記載の自己検証温度センサー。 ２６．自己検証温度センサーにおけるセンサー素子であって、前記センサー素 子が、 第１の故障モードを有する第１の温度依存素子と、 第２の故障モードを有する第２の温度依存素子と、 第３の故障モードを有する第３の温度依存素子と、 を具備し、前記第１、２、３の温度依存素子が電気的に接続されていて、検証 可能な温度を画定するデータシグネチャをまとめて生成するものであるセンサー 素子。 ２７．前記第１及び第２の故障モードが前記第３の故障モードとは異なる請求 項２６記載のセンサー素子。 ２８．前記第１及び第２の温度依存素子の各々が、 第１の組成からなる第１の熱電ワイヤーと、 第２の組成からなる第２の熱電ワイヤーと、 を具備してなり、前記第１及び第２の熱電ワイヤーが或る接合点で接合してい る請求項２７記載のセンサー素子。 ２９．前記第３の温度依存素子が、前記第１及び第２の温度依存素子の各接合 点に接続されているインピーダンス装置である請求項２８記載のセンサー素子。 ３０．前記インピーダンス装置が、レジスター、キャパシター、インダクター 、ダイオード、クリスタル及び半導体からなる群から選ばれるものである請求項 ２９記載の自己検証温度センサー。 ３１．前記第３の温度依存素子に電気的に接続され、第４の故障モードを有す る第４の温度依存素子を更に具備してなり、前記第４の温度依存素子もデータシ グネチャを生成するものである請求項２６記載のセンサー素子。 ３２．自己検証温度センサーを利用してシステムの温度を測定する方法であっ て、 主センサーから主データシグネチャを得る工程と、 二次センサーから二次データシグネチャを得る工程と、 前記主データシグネチャから主システム温度を判定する工程と、 前記二次データシグネチャから校正基準を判定する工程と、 前記主システム温度を前記校正基準と比較し、検証されたシステム温度を得る 工程と、 を具備してなる方法。 ３３．前記主データシグネチャ及び該二次データシグネチャから自己検証温度 センサーの劣化レベルを判定する工程を更に具備してなる請求項３２記載の方法 。 ３４．前記自己検証温度センサーを再校正して前記劣化レベルを補償する工程 を更に具備してなる請求項３３記載の方法。 ３５．二次データシグネチャを得る工程が、複数の二次センサーにより発生し た信号を選択する工程からなる請求項３２記載の方法。 ３６．前記再校正工程が、 新規な主センサーを選択する工程と、 新規な二次センサーを選択する工程と、 からなる請求項３４記載の方法。 ３７．温度依存素子と、 第１の熱電対であって、第１の温度依存物質からなる第１の熱電素子と、第２ の温度依存物質からなり第１の接合点で前記第１の熱電素子と接合する第２の熱 電素子とからなるものと、 第２の熱電対であって、第１の温度依存物質からなる第３の熱電素子と、第２ の温度依存物質からなり第２の接合点で前記第３の熱電素子と接合する第４の熱 電素子とからなるものと、 前記温度依存素子、前記第１及び第２の接合点を囲繞する保護チューブであっ て、前記温度依存素子、前記第１及び第２の接合点を等温関係に維持するものと 、 前記温度依存素子、前記第１の熱電素子及び前記第２の熱電対に接続し、これ らからデータシグネチャを得るようにした測定用エレクトロニクスと、 前記測定用エレクトロニクスに接続し、そこからデータシグネチャを受理し、 前記データシグネチャを温度値及び信頼値に変換するコンピュータと、 を具備してなる自己検証温度センサー。 ３８．前記データシグネチャが、温度値を示す主データシグネチャと、信頼値 を示す二次データシグネチャと、からなる請求項３７記載の自己検証温度センサ ー。 ３９．前記測定用エレクトロニクスが、 主データシグネチャを受理し、デジタル主信号を前記コンピュータへ出力する 主Ａ／Ｄコンバータ４１４と、 二次データシグネチャを受理し、そこから選択された信号を出力するＭＵＸと 、 ＭＵＸからの選択された信号を受理し、デジタル二次信号を前記コンピュータ へ出力する二次Ａ／Ｄコンバータと、 を更に具備してなる請求項３８記載の自己検証温度センサー。 ４０．前記温度依存素子が、レジスター、キャパシター、インダクター、ダイ オード、クリスタル及び半導体からなる群から選ばれるものである請求項３７記 載の自己検証温度センサー。