JP2006220469A - Temperature measurement apparatus using thermocouple and method for manufacturing thermocouple - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電対を利用して温度測定を行う温度測定装置及びこの熱電対の製造法に関する。 The present invention relates to a temperature measuring device that measures temperature using a thermocouple and a method of manufacturing the thermocouple.
熱電対を用いて温度測定装置は古くから知られている。その1つに、特許文献1に記載されているような、先端測部温部を極細とした熱電対が知られている。 Temperature measuring devices using thermocouples have been known for a long time. As one of them, a thermocouple with a very thin tip measuring portion as described in Patent Document 1 is known.
この熱電対は、200μm径程度のクロメル線とアルメル線の一端に25μm程度のクロメル線とアルメル線を接合しこの細いクロメル線とアルメル線の端を重ねて接触部を融合し、あるいはこの接触する測温部を球状となるように溶融接合し、その後圧延して円盤状とした構造を有するものである。 In this thermocouple, a chromel wire of about 25 μm and an alumel wire are joined to one end of a chromel wire having a diameter of about 200 μm and the end of the alumel wire is overlapped, and the contact portion is fused or brought into contact with each other. It has a structure in which the temperature measuring part is melt-bonded so as to be spherical, and then rolled into a disk shape.
しかし、この熱電対は、クロメル線とアルメル線の先端を接合するほか、これらの200μm径の線に同じ材質の25μm径の細い線を接合しており、合計3箇所の接合が必要であり製造する工程が複雑となるという問題があった。またこれらクロメル線とアルメル線は太い径の線の部分に細い径の線の部分が接合されるから強度的に弱いという問題もあった。
本発明は上記のような従来の熱電対を用いた温度測定装置の問題点にかんがみてなされたもので、製造が簡単でしかも堅牢で廉価な熱電対を用いた温度測定装置、及びこの装置に用いる堅牢な熱電対を製造可能な製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the problems of the conventional temperature measuring device using a thermocouple as described above, and a temperature measuring device using a thermocouple that is easy to manufacture, robust, and inexpensive, and to this device. An object of the present invention is to provide a production method capable of producing a robust thermocouple to be used.
本発明の請求項1によれば、第1の導線の先端及びこの第1の導線と異なる材質の第2の導線の先端を接触、固定し、この部分の置かれる温度を電位差として検知する、熱電対を用いた温度測定装置であって、前記第1の導線の先端及び前記第2の導線の先端の所定の長さ部分を、先端に行くほど漸次、細くしたテーパ状としその先端で接続固定したことを特徴とする、熱電対を用いた温度測定装置を提供する。 According to claim 1 of the present invention, the tip of the first conductor and the tip of the second conductor made of a material different from the first conductor are contacted and fixed, and the temperature at which this part is placed is detected as a potential difference. A temperature measuring device using a thermocouple, wherein a predetermined length portion of the tip of the first conductor and the tip of the second conductor is tapered gradually toward the tip and connected at the tip. A temperature measuring device using a thermocouple, characterized by being fixed.
本発明の請求項5によれば、第1の導線及び第2の導線の先端を接触、固定してこの部分の置かれる温度を電位差として検知する温度測定装置の熱電対の製造方法であって、被覆された前記第1の導線及び前記第2の導線の先端部分を所定の長さだけ露出させ、その部分を電解研磨液に漬けて先端に行くほど細くなるように電解研磨を行う電解研磨ステップと、この電解研磨ステップにより細くされた先端において電気溶接することにより前記第1の導線と第2の導線の先端を接触固定する電気溶接ステップと、を有することを特徴とする温度測定装置の熱電対の製造方法を提供する。 According to claim 5 of the present invention, there is provided a method of manufacturing a thermocouple for a temperature measuring device that detects the temperature at which this portion is placed as a potential difference by contacting and fixing the tips of the first and second conducting wires. Electrolytic polishing in which the tip portions of the coated first and second conductive wires are exposed by a predetermined length, and the portions are immersed in an electrolytic polishing liquid and subjected to electrolytic polishing so as to become thinner toward the tip. A temperature measuring device comprising: a step; and an electric welding step for fixing the first and second conductive wires in contact with each other by performing electric welding at a tip thinned by the electrolytic polishing step. A method of manufacturing a thermocouple is provided.
なおここで述べる熱電対は、異なる2種類の金属体の両端を電気的に接続して閉回路を作り、この一端を加熱することによって、温度差に応じて熱起電力を起こさせる現象(ゼーベック効果)を利用したもので、この熱起電力により温度を測定する構造の温度センサのことである。 The thermocouple described here is a phenomenon in which both ends of two different types of metal bodies are electrically connected to form a closed circuit, and this one end is heated to cause a thermoelectromotive force according to the temperature difference (Seebeck). This is a temperature sensor having a structure for measuring temperature by this thermoelectromotive force.
本発明によれば、製造が簡単でしかも堅牢で廉価な熱電対を用いた温度測定装置、及びこの装置に用いる堅牢な熱電対を製造可能な製造方法が得られる効果がある。 According to the present invention, it is possible to obtain a temperature measuring device using a thermocouple that is simple and robust and inexpensive, and a manufacturing method that can manufacture a robust thermocouple used in this device.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。本発明による装置は熱電対を用いて温度を測定する装置であり、第1の導線と第2の導線の先端部を接触固定してその部分の温度に対応して生ずる電位差を検知して温度を測定する。この場合の第1の導線と第2の導線を熱電対線という。以下に述べる実施形態は、熱電対線として、クロメル線とアルメル線を用いる場合の例である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The device according to the present invention is a device that measures temperature using a thermocouple, detects the potential difference generated in correspondence with the temperature of the first conductor and the tip of the second conductor, and detects the potential difference. Measure. The first conductor and the second conductor in this case are referred to as thermocouple wires. The embodiment described below is an example in the case of using a chromel wire and an alumel wire as a thermocouple wire.
図1に本発明一実施形態の構成例を示す。図1において、11はニッケル及びクロムを主成分とする合金、いわゆるクロメル線であり、12はニッケルを主成分とするいわゆるアルメル線である。これらのクロメル線11及びアルメル線12は、例えば0.2mmの断面、円形状の線である。 これらの熱電対のJISによる種類は、B,R,S,N,K,E,J,Tである。ここではK型の熱電対線の場合に本発明を適用した実施形態について述べるが、本発明はK型に限られるものではない。
FIG. 1 shows a configuration example of one embodiment of the present invention. In FIG. 1, 11 is an alloy mainly composed of nickel and chromium, so-called chromel wire, and 12 is a so-called alumel wire mainly composed of nickel. These
これらのクロメル線11とアルメル線12は、端部近くで絶縁部13において固定されている。
These
絶縁部13から、クロメル線11とアルメル線12は15mm程度、突出しているが、この部分は基が太く先端が細いテーパ状となっている。元の部分は直径200μm程度で先端の太さは20μm程度とする。このように、クロメル線11アルメル線12をテーパ形状にするには、後で詳しく述べるように電解研磨のエッチング法を用いて行う。
The
図1に示したように、先端部分でテーパ状のクロメル線11(クロメル線のテーパ状部11a)と先端部分でテーパ状のアルメル線12(アルメル線のテーパ状部12a)は、ほぼ平行になっている。このように平行となっているクロメル線のテーパ状部11aとアルメル線のテーパ状部12aを、図2(a)に示すように、互いに接近させ先端で接触させて、電気溶接して固定する。図2(b)に先端部の拡大図を示す。この図から明らかなようにクロメル線11とアルメル線12は先端で重ねられ、溶接される。この溶接された点線で示された部分、すなわち測温接点部21が測定したい部分に置かれて温度測定がなされる。
As shown in FIG. 1, the tapered chromel wire 11 (chromel wire
後述する図4に示すように、クロメル線の端部のプラス端子11b、アルメル線の端部のマイナス端子12bには、所定の直流電圧温度検知器が接続される。これらの端子は直流電圧温度検知器に接続される導線と一体とされてもよい。
As shown in FIG. 4 described later, a predetermined DC voltage temperature detector is connected to the plus
なお、絶縁部13はガラス繊維、フッソ樹脂絶縁体、テフロン(登録商標)樹脂絶縁体などにより作られる。絶縁部13にガラス繊維を用いた場合には、例えばクロメル線、アルメル線の導体それぞれにガラス繊維をスパイラル状に巻きつけ絶縁したものを平行に束にし、その外側にガラス繊維を編み付け固着した楕円形状とする。絶縁部13にテフロン(登録商標)樹脂絶縁体を用いる場合には、クロメル線、アルメル線の導体それぞれに、テフロン(登録商標)を被覆し絶縁したものを平行に束にし、その外側にテフロン(登録商標)を被覆し固着した楕円形状とする。なお、この絶縁部13は、特別、設けなくてもよい。
The insulating
ここで、クロメル線及びアルメル線をテーパ状にするための本発明の温度測定装置の製造方法について述べる。まず、クロメル線11とアルメル線12を必要な長さに切断する。次に、測温接点部21を非常に細くするために先端から15mm程度を絶縁被覆の部分を除去する。被覆を除去された導線部分を露出させ、互いに触れないように二股に分ける。また、測温接点部を極細にして電圧を印加するために、反対側の先端から15mm程度の絶縁被覆部分を除去し、導線を露出させる。
Here, the manufacturing method of the temperature measuring device of the present invention for tapering the chromel wire and the alumel wire will be described. First, the
熱電対線の電気抵抗は、実測で1mにつき、クロメル線で22Ω(オーム)、アルメル線で9Ω程度のものを用いた。 The electric resistance of the thermocouple wire was about 22 Ω (ohms) for the chromel wire and about 9 Ω for the alumel wire per 1 m actually measured.
ところで、クロメル線とアルメル線は、材質の違いから、電気抵抗が異なる特性を有する。クロメル線はアルメル線より、抵抗値が高い。したがって、各線に流れる電流値が異なり、エッチング速度のバラツキが生じ太さや長さに不揃いが発生し易い。このような不揃いをなくするために、クロメル線の電気抵抗に見合うだけの抵抗値を有する抵抗器30をアルメル線に直列に接続、クロメル線とアルメル線の加工精度を維持する。この例では1mにつき13Ω程度の値を有する抵抗器30をアルメル線に直列に接続している。勿論この抵抗器は、用いるアルメル線、クロメル線などに応じて上記不揃いが生じないように、適切な値のものを用いることが望ましい。
By the way, the chromel wire and the alumel wire have different electric resistances due to the difference in material. Chromel wire has higher resistance than alumel wire. Therefore, the current value flowing through each line is different, and the etching rate varies, and unevenness in thickness and length tends to occur. In order to eliminate such irregularities, a
クロメル線とアルメル線の先端をテーパ状にするための電解研磨及びエッチングは、次のようにして行う。電解研磨液31として、塩化第二鉄液「ボーメ40度」1に対して蒸留水1の混合液を用意し、電解槽32に入れる。この電解槽32は30°前後の液温を保持しておく。電解研磨を行うための陰極33a,33bとしてはチタン合金を用いる。安定した電圧、電流を確保するために、電解研磨電源34には12ボルトの蓄電池を用いる。電解研磨電源34のマイナス端子には、陰極33a,33b、即ちチタン合金が接続される。
Electropolishing and etching for tapering the tips of the chromel wire and the alumel wire are performed as follows. As the
電解研磨電源34のプラス端子には、クロメル線のプラス端子と、抵抗器30を介してアルメル線のマイナス端子が接続される。また、エッチング状況を常時監視するために、電圧計、電流計を備える(図示せず)。
The plus terminal of the
電解槽32の真上に、保持具に吊り下げられる物を昇降させることが可能な自動昇降装置35を設置する。クロメル線とアルメル線の測温接点部を極細にする部位を、下にして熱電対線を自動昇降装置の上記保持具に吊り下げる。これを、およそ5秒で1cm程度の比較的速いスピードで下降させ、所定の長さまで電解研磨液の中に入ったら、常時、上下に動かし、電解研磨液の中で停止しないほうが好ましい。
An automatic elevating
電解研磨電源のスイッチ(図示せず)をオンすると共に、自動昇降装置35の電源(図示せず)をオンにすると、熱電対線が電解研磨液31の中を上下し、電解研磨が開始する。電解研磨が開始してから適切な時間を見はかり、およそ5秒で1cm程度の速さで引き上げ、熱電対線の直径をマイクロメータで計測し、クロメル線とアルメル線の先端部が20μm程度になったら、電解研磨を終了する。先端に行くほど電解研磨により溶けるスピードが速く、クロメル線とアルメル線は先端部においてテーパ形状となる。
When a switch (not shown) of the electropolishing power supply is turned on and a power supply (not shown) of the
このようにして熱電対線の線径が決定したら、電解研磨液に触れた部位を中和し乾燥させる。このように乾燥させた熱電対線に絶縁部を設けて、先端部位を電気溶接して固定し、性能検査を経て本発明の測定装置に用いる熱電対測定部が得られる。 When the wire diameter of the thermocouple wire is determined in this way, the portion touched by the electrolytic polishing liquid is neutralized and dried. An insulating part is provided on the thermocouple wire thus dried, and the tip portion is electrically welded and fixed, and a thermocouple measuring part used in the measuring apparatus of the present invention is obtained through performance inspection.
なお、電解研磨液の温度、濃度の誤差の関係でエッチングに要する時間により少なからず熱電対線の太さの誤差が出るので、初期段階で仕上がり精度を確認し自動昇降機のエッチング時間を確定し設定した後に量産に入るのがよい。 In addition, since the error in the thickness of the thermocouple wire appears depending on the time required for etching due to the error in the temperature and concentration of the electropolishing liquid, the finish accuracy is confirmed at the initial stage, and the etching time of the automatic elevator is determined and set. After that, it is better to go into mass production.
上述の製造方法によれば、電解研磨により熱電対線の所定長さの先端部分をテーパ形状にし、電気溶接により先端部分の接触固定を行っているので、簡単にしかも堅牢な熱電対を製造できる利点がある。 According to the above manufacturing method, the tip portion of the thermocouple wire having a predetermined length is tapered by electropolishing, and the tip portion is contact-fixed by electric welding, so that a simple and robust thermocouple can be manufactured. There are advantages.
図4に本発明による温度測定装置による温度測定の状態を示す。クロメル線とアルメル線は、導線41a,41bで直流電圧温度検知器42に接続される。測温接点部21は測定したい部位に置かれ、この測温接点部21から導かれたクロメル線とアルメル線、導線41a,41bを介して得られる電位差が、直流電圧温度検知器42により電位差として検知され、温度として測定されることになる。クロメル線やアルメル線には、直流電圧温度検知器42にmV程度の直流電圧(電位差)として検知され、その電圧が温度に変換される。
FIG. 4 shows a state of temperature measurement by the temperature measuring device according to the present invention. The chromel wire and the alumel wire are connected to the DC
上述の温度測定装置によれば、測温接点部のみ溶接(接触固定)されており他の部分で溶接されていないから、堅牢でありしかも工程的にも他の部分を固定する工程が不要であるから、堅牢でしかも廉価な熱電対が得られ、温度測定装置としても廉価なものが得られる利点がある。 According to the above-described temperature measuring device, only the temperature measuring contact portion is welded (contact fixed) and not welded at other portions, so that it is robust and does not require a step of fixing other portions in terms of process. Therefore, there is an advantage that a robust and inexpensive thermocouple can be obtained and an inexpensive temperature measuring device can be obtained.
上記実施形態では、アルメル線、クロメル線の太さは200μmとしたが、100μm〜350μm程度の太さであればよい。また熱電対を形成する線の先端部の太さは上記実施形態では20μmとしたが、あまり細いと機械的に弱くなってしまうので、この程度以上で50μm程度以下の太さであることが好ましい。 In the said embodiment, although the thickness of the alumel wire and the chromel wire was 200 μm, the thickness may be about 100 μm to 350 μm. The thickness of the tip of the wire forming the thermocouple is 20 μm in the above embodiment, but if it is too thin, it becomes mechanically weak. Therefore, it is preferable that the thickness is not less than about 50 μm. .
更に詳細に述べると、一般市販品の熱電対線は、各絶縁材共通で、直径0.1mm(断面積0.003mm2)、直径0.2mm(断面積0.03mm2)、直径0.32mm(断面積0.08mm2)のものがあるが、直径0.1mmあるいは直径0.2mmのものを使用した場合には、先端部の太さが20〜50μm、直径0.32mmのものを使用した場合には、先端部の太さが30〜50μm程度が好ましい。 In more detail, generally commercially available thermocouple wire, in common to each insulating material, diameter 0.1 mm (cross sectional area 0.003 mm 2), the diameter 0.2 mm (cross sectional area 0.03 mm 2), the diameter 0. 32 mm (cross-sectional area 0.08 mm 2 ) is available, but when a diameter of 0.1 mm or 0.2 mm is used, the tip has a thickness of 20 to 50 μm and a diameter of 0.32 mm. When used, the thickness of the tip is preferably about 30 to 50 μm.
また熱電対線のテーパ状部の長さは15mmに限られず、10〜30mm程度の範囲内にあることが好ましい。 Further, the length of the tapered portion of the thermocouple wire is not limited to 15 mm, and is preferably in the range of about 10 to 30 mm.
なお図4に示した温度測定装置によって、ガラス繊維被覆の熱電対線を用いた場合には、測定精度±2.5℃程度で、測温接点部では常温から300℃、測定温度としては、常温から250℃の範囲で測定可能である。また、テフロン(登録商標)樹脂被覆の熱電対線を使用した場合には測定精度±2.5℃程度で、測温接点部で−250℃〜+300℃、測定温度としては−250℃〜+200℃の範囲で測定可能である。またフッソ樹脂被覆の熱電対線を用いた場合には上記測定精度で、測温接点部で−200℃〜300℃、測定温度として−200℃〜260℃の範囲で測定可能である。 In the case of using a glass fiber-coated thermocouple wire by the temperature measuring device shown in FIG. 4, the measurement accuracy is about ± 2.5 ° C., the temperature measuring contact portion is from room temperature to 300 ° C., and the measurement temperature is as follows: It can be measured in the range from room temperature to 250 ° C. Further, when using a Teflon (registered trademark) resin-coated thermocouple wire, the measurement accuracy is about ± 2.5 ° C., the temperature measuring contact portion is −250 ° C. to + 300 ° C., and the measurement temperature is −250 ° C. to + 200 ° C. It can be measured in the range of ° C. In addition, when a fluororesin-coated thermocouple wire is used, the measurement accuracy can be measured in the range of −200 ° C. to 300 ° C. at the temperature measuring contact portion and the measurement temperature in the range of −200 ° C. to 260 ° C.
また、上記実施形態では、熱電対線としてクロメル線とアルメル線を用いた場合について述べた。しかし、本発明に用いる熱電対線はクロメル線とアルメル線に限られず、2種の材質の導線を接触させることにより熱電対として機能し、その接点部の温度に応じて電位差を発生するものであればどのような導線であってもよい。 Moreover, in the said embodiment, the case where a chromel wire and an alumel wire were used as a thermocouple wire was described. However, the thermocouple wire used in the present invention is not limited to the chromel wire and the alumel wire, but functions as a thermocouple by bringing two kinds of conductive wires into contact with each other, and generates a potential difference according to the temperature of the contact portion. Any conductive wire may be used.
11・・・クロメル線、
12・・・アルメル線、
11a,12a・・・テーパ状部、
11b・・・プラス端子、
12b・・・マイナス端子、
13・・・絶縁部、
31・・・電解研磨液、
32・・・電解槽、
33a,33b・・・陰極、
34・・・電解研磨電源、
35・・・自動昇降装置、
41a,41b・・・導線、
42・・・直流電圧温度検知器。
11 ... chromel wire,
12 ... Alumel wire,
11a, 12a ... tapered portion,
11b: Positive terminal,
12b ... negative terminal,
13: Insulating part,
31 ... Electropolishing liquid,
32 ... electrolytic cell,
33a, 33b ... cathode,
34 ... Electropolishing power source,
35 ... Automatic lifting device,
41a, 41b ... conducting wire,
42: DC voltage temperature detector.
Claims (6)
前記第1の導線の先端及び前記第2の導線の先端の所定の長さ部分を、先端に行くほど漸次、細くしたテーパ状としその先端で接続固定したことを特徴とする、熱電対を用いた温度測定装置。 A temperature measuring device using a thermocouple that detects and detects the temperature at which this portion is placed as a potential difference by contacting and fixing the tip of the first conductor and the tip of a second conductor made of a material different from that of the first conductor. And
A thermocouple is used, characterized in that a predetermined length portion of the tip of the first conductor and the tip of the second conductor is tapered and gradually tapered toward the tip. A temperature measuring device.
被覆された前記第1の導線及び前記第2の導線の先端部分を所定の長さだけ露出させ、その部分を電解研磨液に漬けて先端に行くほど細くなるように電解研磨を行う電解研磨ステップと、
この電解研磨ステップにより細くされた先端において電気溶接することにより前記第1の導線と第2の導線の先端を接触固定する電気溶接ステップと、
を有することを特徴とする温度測定装置の熱電対の製造方法。 A method of manufacturing a thermocouple of a temperature measuring device that detects and detects a temperature at which this portion is placed as a potential difference by contacting and fixing the tips of a first conductor and a second conductor,
An electropolishing step of exposing the tip portions of the first conductor and the second conductor covered by a predetermined length and soaking the portions in an electropolishing liquid so as to become thinner toward the tip. When,
An electric welding step in which the tip of the first conductor and the second conductor are contact-fixed by electrical welding at the tip thinned by the electrolytic polishing step;
A method of manufacturing a thermocouple for a temperature measuring device.
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