JP2012504750A - 温度平衡を用いる温度センサ用のシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試験中の物体の温度を測定するための温度検知装置を提供する。
【解決手段】温度検知装置は、試験中の物体に接触するプローブを含む。本装置は、熱エネルギ供給手段を使用してプローブへ又はプローブから熱エネルギを伝えることによって、試験中の物体への又は該物体からの熱伝達を防止する。熱エネルギ供給手段は、加熱／冷却源を含むことができる。温度検知装置はまた、熱流束センサを含む。プローブと加熱／冷却源との間の温度差により、熱流束を熱流束センサに通すように駆動する。試験中の物体の温度を決定するための方法も提供される。
【選択図】図１

Description

本書で記述される内容は、一般的に云えば、検知装置に関し、より具体的には、温度測定精度を高める装置及び方法に関するものである。

抵抗式温度検知装置（ＲＴＤ）のような温度を測定するための検知装置又はプローブが当該技術分野において一般に知られている。これらのプローブの殆どはかなりの熱容量を持っており、それらの構造を介してそれらの周囲へ熱を失う。これは、プローブが温度を測定している物体又は表面（以後、未知の物体、又は試験中の物体と呼ぶ）と接触したとき問題を生じさせることがある。

例えば、未知の物体の温度を測定しようとするプローブは、典型的には、未知の物体とは異なる温度、例えば、室温と同じ温度になっている。これは、プローブが試験中の物体に接触したとき熱伝達の問題を生じさせる。プローブが未知の物体とは異なる温度であるので、プローブは、未知の物体に接触したとき、実際に未知の物体の温度を変化させる。従って、プローブは、未知の物体の正確な温度を検出できないほどに未知の物体の温度に著しく干渉することがある。

温度を測定するために既知の装置又はプローブを使用するとき、それを試験中の物体と密に接触させなければ（すなわち、熱抵抗を低くしなければ）ならない。逆に云えば、試験中の物体はプローブと低い熱抵抗を持たなければならない。試験中の物体は、熱エネルギをプローブへ供給し又はプローブから取り去って、プローブの温度を試験中の物体と同じ温度にし、またこの温度にプローブからエネルギ損失を持続するために、熱源又は或る容量のヒートシンクを持っていなければならない。これらの条件が満たされない場合、プローブは試験中の物体を冷却又は加温して、試験中の物体の温度を変化させて、測定誤差を生じさせる。

熱抵抗を高くして未知の物体の温度を測定するため、典型的には、非接触式の方法が用いられている。一般に、非接触式の方法は、未知の物体からの赤外線（ＩＲ）放射を利用しており、これは、未知の物体から通常物理的に離隔されたＩＲセンサによって検出される。しかしながら、非接触式温度測定装置が使用される場合、ノイズ及び表面放射率の両方によりシステム精度が制限される。

従って、熱抵抗が高い場合に未知の物体の温度をより正確に測定する検知装置を提供することが望ましい。また、熱抵抗が低く且つ熱の供給が乏しい状態で未知の物体の温度をより正確に測定する検知装置を提供することも望ましい。更に、未知の物体と検知装置との間の熱接触が良好でない場合に温度をより正確に測定する検知装置を提供することも望ましい。

本発明の一実施形態によれば、試験中の物体の温度を測定するための温度検知装置が提供され、該温度検知装置は、試験中の物体に接触するプローブと、試験中の物体への又は該物体からの熱伝達を防止するための手段とを有する。試験中の物体への又は該物体からの熱伝達を防止するための手段は、プローブへ又はプローブから熱エネルギを伝える。

本発明の別の実施形態では、試験中の物体の温度を測定するための温度検知装置が提供され、該温度検知装置は、プローブと、試験中の物体への又は該物体からの熱伝達を防止するための加熱／冷却源とを有する。温度検知装置は更に、熱流束センサを有する。プローブと加熱／冷却源との間の温度差により、熱流束を熱流束センサに通すように駆動する。

本発明のまた別の実施形態では、試験中の物体の温度を決定するための方法が提供される。本方法は、プローブを試験中の物体に接触させる段階と、熱エネルギ供給手段を使用してプローブへ又はプローブから熱エネルギを伝えることによって、試験中の物体への又は該物体からの熱伝達を防止する段階とを有する。本方法は更に、プローブと熱エネルギ供給手段との間の熱流束に基づいてプローブの温度を試験中の物体の温度と平衡させる段階を有する。

添付の図面を参照して実施形態の例について以下に詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施形態に従った、試験中の物体に接触した温度検知装置の概略図である。

本発明の一実施形態は、未知の物体又は試験中の物体の温度を測定するための装置及び方法に関する。エネルギ、すなわち、熱損失又は熱利得は、未知の物体によって温度検知装置に供給されない。むしろ、エネルギは熱エネルギ供給手段によって温度検知装置に供給され、その熱エネルギ供給手段は検知装置の温度を未知の物体の温度と平衡させるように作用する。熱エネルギ供給手段は、未知の物体へ又は該物体からの熱伝達を防止するための手段である。本発明の一実施形態では、熱エネルギ供給手段は加熱／冷却源である。本装置は更に、加熱／冷却源に結合された熱流束センサを有する。加熱／冷却源は、装置を未知の物体の温度まで加熱又は冷却し、これによって、熱流束センサによって検知される熱流束をゼロまで減少させる。

図１には、本発明の一実施形態による温度検知装置１０が例示されている。温度検知装置１０は温度計素子７を有し、温度計素子７は温度計表示装置１を含む。温度計素子７は、当該技術分野で知られているような抵抗式温度検知装置（ＲＴＤ）を有することができる。温度計７はまた、熱電対、サーミスタ、又は所望の精度で所望の温度範囲にわたって動作する他の温度センサであってよい。温度計７は、図１に加熱／冷却源３として示されている熱エネルギ供給手段の温度を測定するように構成される。従って、温度計７の任意の熱損失及び熱容量は、温度が未知である物体（本書では、未知の物体、又は試験中の物体とも呼ぶ）６によってではなく、加熱／冷却源３によって補われる。

本発明の一実施形態では、加熱／冷却源３は、熱電冷却器（ＴＥＣ）としても知られているペルチェ熱電装置を有する。加熱／冷却源３がＴＥＣを有しているとき、温度検知装置１０は、熱流束の方向に応じて加熱又は冷却されることができる。加熱又は冷却する能力を持つ他のシステムはまた、加熱／冷却源３を構成することができる。

代替実施形態では、加熱／冷却源３は加熱源のみを有する。温度検知装置１０において使用するのに適したヒータは、例えば、ニクロム線のような抵抗素子を含む。更に別の実施形態では、加熱／冷却源３は冷却源のみを有する。温度検知装置１０において使用するのに適した冷却器は、例えば、蒸発冷却器及び相変化冷却器を含む。

加熱／冷却源３には熱流束センサ４が接続される。加熱／冷却源３及び熱流束センサ４は、それらの接合部における熱抵抗を最小にし且つ熱流束センサ４の表面積にわたってエネルギを分布させるように接続される。熱流束センサ４は、それを通って流れる熱エネルギ又は「熱流束」に比例する電気出力を生じる任意の装置で構成することができる。

熱流束センサ４はまた、センサ・プローブ５に接続される。熱流束センサ４及びセンサ・プローブ５はまた、それらの接合部における熱抵抗を最小にし且つ熱流束センサ４の表面積にわたってエネルギを分布させるように接続される。本発明の一実施形態では、熱流束センサ４は加熱／冷却源３とプローブ５との間に配置される。プローブ５は、熱流束センサ４を未知の物体６に熱的に接続する手段を提供する。従って、プローブ５は、例えば、限定するものではないが、ダイアモンド又はセラミック材料を含む、高い伝導度及び低い熱質量を持つ材料で構成することができる。典型的には、プローブ５は、実用的な機械的構成を可能にし且つユーザーに適切な便宜を与えながら、その熱抵抗及び熱質量を最小にするように、出来る限り小さく作られる。

熱流束センサ４に戻って説明すると、熱流束センサ４は帰還制御回路２に電気信号を出力する。帰還制御回路２は増幅器を有する。電気信号は、熱流束センサ４を通る熱流束の大きさ及び方向に比例する。それらの電気信号に基づいて、制御回路２は、熱流束をゼロ又はほぼゼロにするように加熱／冷却源３に電力を供給する。表示器８は、この状態が達成された時を表示し、制御回路２は中立状態に入る。この時点で、未知の物体の温度を表示装置１から読み取ることができる。

表示器８は制御回路２からの出力信号を受け取り、また表示装置１上の測定値が有効であるときターンオンする光源を有する。表示器８はまた、測定値が有効であるとき音を発する警報器を有することができる。表示装置１に関して、表示される温度値自体は、有効になるまで空白にするか、又は有効になるまで点滅させるか、又は有効になるまで「待機」のような言葉で置き換えることができる。表示器８は、温度平衡が安定したこと、従って表示装置１上の表示された測定値が有効であることを、ユーザーに対して任意の形態で表示する。

未知の物体６の温度を決定するための上述した温度検知装置１０の使用法に関して説明すると、先ずプローブ５を試験中の物体又は未知の物体６に接触させる。温度検知装置１０と未知の物体６との間に熱抵抗がある場合、プローブ５に入るか又それから出て行く熱流束が存在する。いずれの場合でも、プローブ５の温度が加熱／冷却源３の温度とは異なる。センサ・プローブ５と加熱／冷却源３との間の温度差により、熱流束が熱流束センサ４を通るように駆動される。

熱流束センサ４は制御回路２に信号を出力し、制御回路２は対応する電流を加熱／冷却源３に供給する。制御回路２から供給された電流は、熱流束センサ４によって検知された熱流束がゼロにもたらされるように、加熱／冷却源３への電力を調節する。供給された電流は、検知された熱流束の大きさ及び方向に比例することができる。制御回路２の出力はまた、表示器８にも接続される。表示器８を構成する表示器の種類に基づいて、表示器８は、熱流束がゼロ又はほぼゼロになったときを指示又は表示するように構成される。

最初にプローブ５を未知の物体６に接触させたとき、温度検知装置１０及び未知の物体６は通常相異なる温度である。装置１０が未知の物体６に比べて冷たいとき、プローブ５へ向かう熱流束が存在する。この代わりに、装置１０が未知の物体６に比べて熱いとき、プローブ５から出て行く熱流束が存在する。装置１０と未知の物体６との間の温度平衡に関する以下の説明は、装置１０が未知の物体６に比べて冷たい場合について行う。しかし、上記の別の場合についての方法も理解されよう。

前に述べたように、装置１０が未知の物体６に比べて冷たいとき、プローブ５への熱流束が存在する。その熱流束に応答して、プローブ５の温度が加熱／冷却源３よりも高くなる。センサ・プローブ５と加熱／冷却源３とのこの温度差は熱流束を駆動して熱流束センサ４に通す。熱流束センサ４は電気信号を制御回路２へ出力し、制御回路は加熱／冷却源３の電源へ電気信号を通す。この場合、熱電冷却器及び通常のヒータが共に、前に述べたように、加熱／冷却源３を構成する適切な熱源である。

センサ・プローブ５が未知の物体６の温度へ向かって加熱されるにつれて、熱流束が減少し、そして、伝統的な制御システムの態様で、センサ・プローブ５の温度は未知の物体６の温度に等しくなる。制御回路２における大きい利得値により、熱流束センサ４の両側の間には温度差は存在しない。従って、未知の物体６には何ら熱的負荷が課せられず、これにより、一層正確な温度測定が可能になる。

温度検知装置１０は、熱流束がゼロに等しくなるように、下記の要素の温度を平衡させるように作用する。センサ・プローブ５、加熱／冷却源３及び温度計素子７が同じ温度であるとき、熱流束はゼロに等しく、またプローブ５を介して未知の物体６へ入る又は該物体から出て行く熱流束もゼロである。従って、熱流束がゼロに等しいとき、センサ・プローブ５は未知の物体６と同じ温度にある。この点で、温度計素子７の表示装置１は未知の物体６の温度を正確に反映するはずである。

表示装置１上の表示された温度値、表示器８からの測定有効表示、及び任意の他のデータを、代わりに又は追加として、アナログ信号又はディジタル・インターフェースのようなデータ・インターフェースを使用して、検知装置１０から遠隔の表示コンピュータへ転送することができる。

本書で説明し且つ添付の図面に示したような、温度センサについてのシステム及び方法の構成及び配置は、例として示したものに過ぎない。本発明の僅かな数の実施形態について詳しく説明したが、本書を読んだ当業者には、「特許請求の範囲］に記載された内容の新規な教示及び利点から実質的に逸脱することなく、多くの変更（例えば、様々な要素の大きさ、寸法、構造、形状及び割合、並びにパラメータの値、取付け装置、材料の使用法、配置方向などの変更）が可能であることが容易に理解されよう。従って、全てのこのような変更は、「特許請求の範囲］に規定されているような本発明の範囲内に含まれるものとする。プロセス又は方法の任意の段階の順序は別の実施形態に従って変更し又は別の順序にすることができる。「特許請求の範囲」の記載において、「手段＋機能」形式の請求項は、記載の機能を遂行するものとして説明した構造、並びに構造的な等価物ばかりでなく等価な構造を包含しようとするものである。その他の置換、修正、変更及び省略を、「特許請求の範囲」に表されているような本発明の実施形態の精神から逸脱することなく、好ましい他の模範的な実施形態の設計、動作条件及び配置構成について行うことができる。従って、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態ばかりでなく、「特許請求の範囲」に記載の範囲内に入るものも包含する。

１０ 温度検知装置

Claims (17)

1. 試験中の物体の温度を測定するための温度検知装置であって、
   試験中の物体に接触するプローブと、
   前記試験中の物体への又は該物体からの熱伝達を防止するように構成された熱エネルギ供給手段と、を有し、
   前記熱エネルギ供給手段が、前記プローブへ又は前記プローブから熱エネルギを伝えることによって熱伝達を防止すること、
   を特徴とする温度検知装置。
2. 試験中の物体の温度を測定するための温度検知装置であって、
   プローブと、
   試験中の物体への又は該物体からの熱伝達を防止するための加熱／冷却源と、
   熱流束センサと、を有し、
   前記プローブと前記加熱／冷却源との間の温度差により、熱流束を前記熱流束センサに通すように駆動すること、
   を特徴とする温度検知装置。
3. 前記温度検知装置が更に帰還制御回路を有していて、前記熱流束センサが前記帰還制御回路に信号を出力し、前記帰還制御回路が前記加熱／冷却源に電流を供給する、請求項２記載の温度検知装置。
4. 前記信号は、前記熱流束センサによって検知された熱流束の大きさ及び方向に比例する電気出力を有する、請求項３記載の温度検知装置。
5. 請求項３記載の温度検知装置。
   前記供給される電流は、前記熱流束センサによって検知された熱流束の大きさ及び方向に比例する、請求項３記載の温度検知装置。
6. 前記帰還制御回路は増幅器を有している、請求項３記載の温度検知装置。
7. 更に、前記熱流束センサによって検知された熱流束がゼロになったときを表示する表示器を有している請求項２記載の温度検知装置。
8. 更に、前記加熱／冷却源の温度を測定するように構成されている温度計を有している請求項２記載の温度検知装置。
9. 前記加熱／冷却源は熱電冷却器を有している、請求項２又は請求項２に従属するいずれかの項に記載の温度検知装置。
10. 前記加熱／冷却源は加熱源及び冷却源の一方を有している、請求項２又は請求項２に従属するいずれかの項に記載の温度検知装置。
11. 試験中の物体の温度を決定するための方法であって、
    プローブを試験中の物体に接触させる段階と、
    熱エネルギ供給手段を使用して前記プローブへ又は前記プローブから熱エネルギを伝えることによって、前記試験中の物体への又は該物体からの熱伝達を防止する段階と、
    前記プローブと前記熱エネルギ供給手段との間の熱流束に基づいて前記プローブの温度を前記試験中の物体の温度と平衡させる段階と、
    を有する方法。
12. 前記プローブの温度を前記試験中の物体の温度と平衡させる前記段階は、熱流束センサによって検知される熱流束をゼロに減少させることを含んでおり、前記プローブと前記熱エネルギ供給手段との間の温度差により熱流束が前記熱流束センサを通るようように駆動される、請求項１１記載の方法。
13. 前記熱エネルギ供給手段で前記センサ・プローブを加熱又は冷却することにより、前記熱流束センサによって検知される熱流束を減少させる、請求項１２記載の方法。
14. 前記プローブの温度を前記試験中の物体の温度と平衡させる前記段階は、前記プローブの温度を前記熱エネルギ供給手段の温度と平衡させることを含んでいる、請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記熱エネルギ供給手段は加熱／冷却源を有している、請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 実質的に添付の図面に関して本書で述べたとおりの、試験中の物体の温度を測定するための温度検知装置。
17. 実質的に添付の図面に関して本書で述べたとおりの、試験中の物体の温度を決定するための方法。