JP2004294433A - 抵抗温度計用のキャリブレーション装置、気体組成分析計および抵抗温度計のキャリブレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】いっそう迅速な２ポイントキャリブレーションプロシージャを用いた気体温度のモニタリングを行うことのできる抵抗温度計用のキャリブレーション装置および方法を提供する。
【解決手段】音響測定装置が気体に音響的に接触するように配置されており、この音響測定装置により音速に関する測定値が形成され、この測定値が第２の温度の気体に対する第２の基準温度値の形成に用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、抵抗温度計用のキャリブレーション装置、気体組成分析計および抵抗温度計のキャリブレーション方法に関する。

本発明の抵抗温度計は特に感熱抵抗素子とこれに操作結合されたブリッジ測定回路とを有し、気体組成分析計での気体温度を測定する。

抵抗温度計、例えば感熱抵抗素子として薄い白金線を用いた温度計が知られている。こうした素子ではブリッジ回路を操作結合するコンフィグレーションがしばしば用いられ、熱によって抵抗素子に誘導される電気抵抗の変化に線形に依存して回路の電気パラメータ（電圧または電流）に変化が現れる。こうしたパラメータは抵抗素子によってセンシングされる温度の尺度として用いられる。

抵抗温度計での測定温度の正確な指示を保証するには、温度計を少なくとも１度、有利には動作中複数回にわたって、キャリブレーションしなければならない。典型的なキャリブレーションプロシージャは既知の種々の基準温度でブリッジ回路からの出力が記録されるマルチポイントキャリブレーション（通常は２ポイントキャリブレーション）である。キャリブレーション済みの基準温度計はシステムに熱接触するように配置され、その温度が抵抗温度計によってモニタリングされ、抵抗温度計の温度に対する基準温度がキャリブレーションされる。

キャリブレーションプロシージャはたとえ２ポイントしか用いないものであっても決して単純ではない。なぜならシステム、すなわち抵抗素子および基準温度計はそれぞれのキャリブレーションポイントが記録される前に熱平衡にいたるようになっていなければならないからである。このためキャリブレーションプロシージャにかかる時間は長くなる。

本発明の課題は、いっそう迅速な２ポイントキャリブレーションプロシージャを用いた気体温度のモニタリングを行うことのできる抵抗温度計用のキャリブレーション装置および方法を提供することである。

この課題は、音響測定装置が気体に音響的に接触するように配置されており、音響測定装置により音速に関する測定値が形成され、この測定値が第２の温度の気体に対する第２の基準温度値の形成に用いられるキャリブレーション装置を構成して解決される。

課題はまた、内部で測定セルに熱結合された基準温度計が設けられており該基準温度計によりキャリブレーションプロシージャ中に第１の温度の気体に対する第１の基準温度値が形成され、音響測定装置によりキャリブレーションプロシージャ中に測定セル内の第２の温度の気体の音速に関する測定値が形成され、この測定値が第２の基準温度値の形成に用いられ、さらにキャリブレーションユニットが設けられており、キャリブレーションユニットにより第１の基準温度値および第２の基準温度値と抵抗温度計から得られた第１の温度の測定値および第２の温度の測定値とのキャリブレーション関係が求められる気体組成分析計を構成して解決される。

課題はまた、基準温度計を用いて得られた第１の基準温度値と抵抗温度計を用いて得られた第１の温度の気体の温度測定値とをキャリブレーションユニットへ供給し、音響測定装置を用いて音速に関する測定値を取得し、この測定値から第２の温度の気体に対する第２の基準温度値とを形成し、第２の基準温度値と抵抗温度計を用いて得られた第２の温度測定値とをキャリブレーションユニットへ供給し、キャリブレーションユニット内で第１の基準温度値および第２の基準温度値と第１の温度測定値および第２の温度測定値との関係を計算し、抵抗温度計をキャリブレーションすることにより解決される。

第１の温度キャリブレーションポイントで直接に測定された第１の基準温度値と第２のキャリブレーションポイントで音速に関連する測定から形成された第２の基準温度値とを組み合わせて使用することにより、システムは第１のキャリブレーションポイントが設定されるときに熱平衡となっていればよい。したがってキャリブレーションプロシージャにかかる時間は短縮される。

有利には、音速に関連する測定が第１の基準温度値を形成した気体内で行われ、その測定値が別の音速に関連する測定値と組み合わされて、第２の基準温度値の形成に用いられる。これによりキャリブレーションプロシージャで用いられる未知の音波路の長さおよび／または未知の気体組成が求められる。なぜならこうした未知の値または未知の値どうしの関係が第１の基準温度値が形成された気体内での音速に関連する測定から得られるからである。

有利には、気体組成に関する情報を求めるために抵抗温度計および音響測定装置を備えており、また本発明の第１の特徴のキャリブレーション装置を有する気体組成分析計が実現される。この本発明のキャリブレーション装置の利点は気体組成分析内部に組み込み可能であるということである。また音響測定装置などの構成要素は気体分析機能と温度計キャリブレーション機能との双方を実施できるように設計されており、コンポーネントコストも低減される。

本発明の第２の特徴によれば、本発明の第１の特徴に示された装置により、抵抗温度計のキャリブレーション方法が提供される。

本発明の実施例を添付図を参照しながら以下に説明する。

図１の装置では測定セル２に気体の流れる内部導管４が設けられており、ここを通る気体の温度が白金線抵抗素子６によって測定される。測定セル２は図示されているように気圧回路８の一部であるか、または電気回路との気体接触可能な分離型ユニットである。

白金線抵抗素子６は内部導管４内に配置され、周知の構成のブリッジ回路１０に電気的に接続されている。抵抗素子６およびブリッジ回路１０は共働して周知の白金抵抗温度計をなしており、その出力が本発明の装置によってキャリブレーションされる。

本発明の装置の構成要素として基準温度計１２、例えば周知の温度計またはＰＴ１００ベースの測定器が設けられている。この実施例ではこの基準温度計は外部からアクセス可能な気密封止部材１４を介して内部導管４内へ案内され、測定室に配置される。また相補的な音波送信器１６および音波受信器１８と測定制御電子回路２０とが共働して周知の構成の音響測定装置をなしている。この実施例では音波送信器１６および音波受信器１８は測定セル２をはさんで直接に相互に向き合った分離型のデバイスとして示されているが、本発明の範囲内で測定セル２内の音波路２２を制限しないかぎり、これらの分離型デバイスの他のコンフィグレーションを採用してもよいし、これらを一体型のデバイスとしてもよい。さらにこの実施例では分離型のキャリブレーションユニット２４が本発明の装置の１つの部材として設けられている。キャリブレーションユニット２４は適切にプログラミングされたマイクロコンピュータとして実現することができる。このユニットは信号の入出力を適切に調整する周知のインタフェースデバイスに接続される。

キャリブレーションプロシージャの第１のフェーズにおいて、キャリブレーションユニット２４は抵抗温度計１２から第１の基準温度値としての信号を受け取る。この信号は測定セルの内部導管４内を流れる気体の平衡温度を表す。測定される温度が平衡温度であることから比較的長い時定数を有する基準温度計１２を使用することができる。キャリブレーションユニット２４は第１のフェーズ中に抵抗温度計６，１０からの出力信号を第１の温度測定値として受け取り、２つの第１の値を相互に関連するかたちで例えば付属のディジタルメモリに記憶するようにコンフィグレーションされている。

キャリブレーションプロシージャの第２のフェーズは当該の気体の非平衡の第２の温度で行われる。そのあいだ、キャリブレーションユニット２４は音響測定装置１６，１８，２０から気体中の音速に関する信号を受け取る。この信号は例えば実際の音速であってもよいし、また音波送信器１６から送信された音響エネルギが音波路２２を伝搬して音波受信器１８に達するまでの伝搬時間値であってもよい。後者の手法は特に音波路２２の長さＬが未知であるときに行われる。キャリブレーションユニット２４は例えば測定制御電子回路２０に対するトリガ信号を形成するようにコンフィグレーションされている。これにより音波送信器１６から音響エネルギの送信が開始され、タイマがスタートされる。タイマは送信された音響エネルギが音波受信器１８で受信されたことが報知されると停止される。こうしたタイマのインタロゲーションは周知の形式の伝搬時間ｔの尺度となる。もちろん選択的に他の音速測定技術を使用して適切な音速関連信号を供給することもできる。

気体中の音速Ｖは周知の式
Ｖ＝Ｋ√Ｔ （１）
によって記述される。ここでＫは気体の組成に依存する定数であり、Ｔは気体の絶対温度であり、Ｖは気体中の音速である。また
Ｖ＝Ｌ／ｔ （２）
である。ここでｔは音響エネルギが音波路２２に沿って伝搬するときの伝搬時間であり、Ｌは音波路の長さである。したがって式（１）（２）から気体の温度Ｔは
Ｔ＝Ｃ／ｔ^２ （３）
で記述される。ここでＣは気体の組成および音波路２２の長さＬに基づく定数である。

音波路の長さＬが既知であるか、またはキャリブレーションユニット２４への入力として得られる場合には、これはキャリブレーションユニット２４内で既知の（または入力による）気体組成定数Ｋとともに音響測定装置１６，１８，２０から得られた信号に基づいて式（３）にしたがって用いられ、第２の基準温度値が求められる。第２のフェーズ中、キャリブレーションユニット２４は抵抗温度計６，１０からの出力信号を第２の温度測定値として受け取り、２つの第２の値を関連したかたちで記憶するようにコンフィグレーションされている。

本発明のキャリブレーション装置のユーティリティを増大するために、音波路Ｌおよび気体組成定数Ｋの一方または双方が未知であると仮定する。このとき音響測定装置１６，１８，２０はまず第１のフェーズ中に音速に関連する測定を行い、関連する出力信号をキャリブレーションユニット２４へ供給する。キャリブレーションユニット２４はさらにこの信号を第１の基準温度値とともに用い、式（１）（２）に則して未知の値またはその比を求める。このようにして求められたパラメータがキャリブレーションユニット２４で第２の基準温度値の形成に用いられる。これはキャリブレーションプロシージャの２つのフェーズを通しても気体組成は変化せずにとどまるからである。

音速に関連する測定が第２の温度の気体を測定セル２へ案内した後できるだけ早く行われると特に有利である。なぜならシステム平衡としての測定セル２の熱膨張または熱収縮により音波路２２の長さＬが変化して生じる誤差が回避されるからである。

キャリブレーションユニット２４はさらに第１の基準温度値、第２の基準温度値、第１の温度測定値および第２の温度測定値を呼び出し、周知の手法で２ポイントキャリブレーションを行うことができるようにコンフィグレーションされている。例えばキャリブレーションポイントの直線適応調整を行い、基準温度値と温度測定値とのあいだのキャリブレーション関係を設定することができる。こうして抵抗温度計６，１０の使用中、その出力はキャリブレーションユニット２４内で上述のキャリブレーション関係を用いて温度値へ変換される。

前述したように、本発明ではキャリブレーションプロシージャ中、気体組成についての知識は必ずしも要さない。ただし抵抗温度計６，１０からの出力を上述の装置およびプロセスを用いてキャリブレーションし、例えば同時に音響測定装置１６，１８，２０から出力された音速に関連する信号とともに用いて、式（１）（２）（３）に則して測定セル２内の気体の組成についての情報を導出すると有利である。このためにキャリブレーションユニット２４は付加的にこうした導出を実行するようにプログラミングされる。このようにすれば正確かつ比較的低コストな一体型抵抗温度計用のキャリブレーション装置を備えた気体組成分析計２６が実現される。このキャリブレーション装置は２つのデバイスに同じコンポーネントを使用している。

本発明の装置の実施例は２ポイントキャリブレーションにとどまらず、本発明の範囲内で別の数のキャリブレーションポイントを使用することもできる。また音響測定装置１６，１８，２０を使用する際にさらに別の基準温度値を本発明のキャリブレーションプロシージャの第２のフェーズに則して説明したのと類似の手法で形成することもできる。

本発明の装置および分析計を示す図である。

符号の説明

２ 測定セル
４ 内部導管
６ 抵抗素子
８ 気圧回路
１０ ブリッジ回路
１２ 抵抗温度計
１４ 気密封止部材
１６ 音波送信器
１８ 音波受信器
２０ 測定制御電子回路
２２ 音波路
２４ キャリブレーションユニット
２６ 気体組成分析計

Claims (6)

1. 第１の温度の気体に対する第１の基準温度値を形成するために、気体に熱接触するように配置された基準温度計（１２）を有している
   抵抗温度計（６，１０）用のキャリブレーション装置において、
   音響測定装置（１６，１８，２０）が気体に音響的に接触するように配置されており、
   該音響測定装置により音速に関する測定値が形成され、該測定値が第２の温度の気体に対する第２の基準温度値の形成に用いられる
   ことを特徴とする抵抗温度計用のキャリブレーション装置。
2. 音響測定装置（１６，１８，２０）によりさらに第１の温度の気体の音速に関する測定値が形成され、該測定値が第２の基準温度値の形成に用いられる、請求項１記載の装置。
3. 測定セル（２）と、測定セルに熱結合された抵抗温度計（６，１０）と、内部で測定セルに音響的に結合された音響測定装置（１６，１８，２０）とを有しており、
   音響測定装置により測定セル（２）内の音波路（２２）に沿って伝達される音響エネルギの速度がモニタリングされる
   気体組成分析計（２６）において、
   内部で測定セル（１２）に熱結合された基準温度計（１２）が設けられており、該基準温度計によりキャリブレーションプロシージャ中に第１の温度の気体に対する第１の基準温度値が形成され、
   音響測定装置（１６，１８，２０）によりキャリブレーションプロシージャ中に測定セル（２）内の第２の温度の気体の音速に関する測定値が形成され、該測定値が第２の基準温度値の形成に用いられ、
   さらにキャリブレーションユニット（２４）が設けられており、該キャリブレーションユニットにより第１の基準温度値および第２の基準温度値と抵抗温度計（６，１０）から得られた第１の温度の測定値および第２の温度の測定値とのキャリブレーション関係が求められる
   ことを特徴とする気体組成分析計。
4. 音響測定装置（１６，１８，２０）によりキャリブレーションプロシージャ中に測定セル（２）内の第１の温度の気体の音速に関連する測定値が形成され、キャリブレーションユニット（２４）により当該の測定値を用いて第２の基準温度値が形成される、請求項３記載の気体組成分析計。
5. 基準温度計を用いて得られた第１の基準温度値と抵抗温度計を用いて得られた第１の温度の気体の温度測定値とをキャリブレーションユニットへ供給するステップと、
   音響測定装置を用いて音速に関する測定値を取得し、該測定値から第２の温度の気体のに対する第２の基準温度値とを形成し、該第２の基準温度値と抵抗温度計を用いて得られた第２の温度測定値とをキャリブレーションユニットへ供給するステップと、
   キャリブレーションユニット内で第１の基準温度値および第２の基準温度値と第１の温度測定値および第２の温度測定値との関係を計算し、抵抗温度計をキャリブレーションするステップとを有する
   ことを特徴とする抵抗温度計のキャリブレーション方法。
6. さらに音響測定装置を用いて第１の温度の気体の音速に関する測定値を形成してキャリブレーションユニットへ供給し、第２の基準温度値を求めるステップを有する、請求項５記載の方法。

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