JP2013044710A - 温度測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】相転移物質を加熱部により加熱し、抵抗値検出部202で加熱部の抵抗値を算出し、レジスタに記憶する。また、算出した抵抗値と、これよりもひとつ前に算出した抵抗値とから差分値ΔRを算出する。算出した差分値ΔRが0のとき、熱起電力電圧検出部で、熱電対の熱起電力(電圧Vt)を検出し、熱起電力(電圧Vt)、ゼーベック係数S、冷接点の温度(相転移物質の相転移温度Mpa)に基づいて、温接点の温度である測定対象物の温度を算出して、出力する。
【選択図】図8
Description
また、相転移物質が相転移するまでの時間が変動しても、冷接点が既知の相転移温度状態のときの熱電対の出力値を得ることができ、経時にわたり精度の高い温度測定を維持することができる。
図1は、温度測定装置100のシース部101の概略構成図であり、図2は、温度測定装置100の温度計測部110の概略構成図であり、図3は、温度計測部110の基板1の概略構成図である。
温度測定装置100は、熱電対の温接点を備えたシース部101と、冷接点を備えた温度計測部110とを有している。図1に示すように、温度測定装置100のシース部101は、金属保護管102(シース管)内に第1熱電材料103aと第2熱電材料103bとが接合された温接点Wを備えた熱電対103を有しており、セラミックなどの無機物質104が高圧充填されている。熱電対103の第1熱電材料103aの端部113aと、第2熱電材料103bの端部113bは、金属保護管102から露出している。
信号処理回路部20は、熱電対103の熱起電力を検出して、測定対象物30の温度を計測する温度測定手段たる温度測定部20b、相転移物質6を加熱して、相転移物質6に相転移が起きたことを検知するための相転移検知手段たる相転移検知部20aとを有している。
図4に示すように、相転移検知部20aは、加熱部5に交流バイアスを印加するための加熱電源201と発振回路208を有している。また、加熱部5の抵抗値を検出する抵抗値検出部202、レジスタ203、アナログ信号をデジタル信号に変換するためのΔΣA/D変換器205などを有している。温度測定部20bは、測定対象物30の温度計測を行うための熱起電力電圧検出部204、ゼーベック係数S、冷接点Cの温度(相転移物質6の相転移温度)、熱起電力などに基づいて、測定対象物の温度を計測する温度変換部207を有している。また、信号処理回路部20は、各回路を制御する制御回路209などを有している。
図5は時間推移における相転移物質6の温度変化と、加熱部5の抵抗変化とを示す特性図である。図5に示すように、相転移物質6を加熱していき、相転移物質6が相転移温度(融点(凝固点):Mpa)になると吸熱反応が生じる。相転移物質6が固体であれば温度が上がっていくと相転移温度にて液体となりはじめ、全てが液体となる期間は相転移温度MPaを維持し、全てが液体となった以降は再び温度が上昇する。そのため、加熱部5の電気抵抗値が不連続な傾向となる部分が出現する。すなわち、図5に示すように、加熱部5の電気抵抗値R2のとき、相転移物質6が相転移したことを検知することができる。よって、温度依存性を有する抵抗体である加熱部5の抵抗値を測定しておき、測定抵抗値が抵抗値R2となったとき、熱電対の熱起電力を測定し、冷接点Cを既知の相転移温度として、測定対象物30の温度測定を行う。
制御回路209に測定対象物30の温度測定実行信号が入力されると、加熱電源201が起動し(S1)、相転移物質6を加熱するための加熱電流が印加される(S2)。この加熱電流により、加熱部5が、相転移物質6の相転移温度付近に加熱される。また、抵抗値検出部202で電圧値Vcを検出して、抵抗値が算出され、算出された抵抗値は、レジスタ203に記憶される。また、算出した抵抗値と、これよりもひとつ前に算出した抵抗値とから差分値ΔRを算出する(S3)。
t2=(Vt+Mpa×S)/S
図12は、変形例1の温度測定装置100Aの冷接点Cが設けられた基板1の概略平面図であり、図13は、変形例1の温度測定装置100Aの制御ブロック図である。
図12に示すように、この変形例1の温度測定装置100Aは、加熱部5と、相転移物質6の温度変化を検知する温度変化検知部とを別々に設けたものである。図に示すように、温度変化検知部15は、加熱部5と相転移物質6との間に並列配置した。温度変化検知部15は、温度依存性を有する電気抵抗材料を用い、温度変化検知部15の抵抗変化に基づいて、相転移物質6の温度変化を検知する。
図14は、変形例2の温度測定装置100Bの冷接点Cが設けられた基板1の概略平面図であり、図15は、図14のA−A断面図である。
この変形例2の温度測定装置100Bは、相転移物質6を、加熱部5上に積層したものである。相転移物質6が導電性材料あれば図15に示すように、電気絶縁層3を加熱部5上に設けて、電気絶縁層3を介して相転移物質6を加熱部に積層させる。
図16、図17は、変形例3の温度測定装置100Cの冷接点Cが設けられた基板の概略平面図である。また、図18は、図17のB−B断面図である。
この変形例3の温度測定装置100Cは、相転移物質を加熱部5近傍に分散配置したものである。図16は、基板1に信号処理回路部20を設けており、相転移物質6を加熱部5近傍に並列に配置したものである。
図19は、変形例4の温度測定装置100Dの冷接点Cが設けられた基板の概略平面図であり、図20は、変形例4の温度測定装置の制御ブロック図である。
この変形例4の温度測定装置100Dは、相転移物質6を導電性とし、相転移したときの相転移物質6の抵抗値変化、電気容量変化などの電気的特性の変化を電気的に検知することで、相転移物質6の相転移を検知するものである。
相転移物質としては、V2O5など、相転移すると、電気伝導度(抵抗値)や電気容量が大きく変動する物質を用いる。
まず、加熱部5に加熱電流を印加して、相転移物質6を加熱する。また、これと同時に、検出リード線16に検出電流を印加し、検出部210で抵抗値を算出する。相転移物質6が相転移すると、相転移物質6の電気伝導度が急激に変化し、抵抗値の値が変化する。これにより、相転移物質6が、相転移したことを検知することができる。相転移物質6が、相転移したことを検知したら、熱起電力電圧検出部204で、熱電対の熱起電力を測定し、温度変換部206で、ゼーベック係数、熱起電力、相転移物質6の相転移温度Mpa(冷接点温度)に基づいて、測定対象物30の温度を算出する。
図21は、相転移したときの相転移物質6の流動(粘性)変化を電気的に検知するメカニズムについて説明する図である。同図では相転移物質6が固体から液体への相転移に伴う相転移物質6の流動(粘性)変化に伴う形状変化を説明している。
図22は、変形例5の温度測定装置100Eの冷接点Cが設けられた基板1の概略平面図であり、図23は、図22のD−D断面図であり、図24は、変形例5の温度測定装置100Eの制御ブロック図である。
この変形例5の温度測定装置100Eは、相転移物質6の下に圧電膜17を設けて、圧電膜17で、相転移物質6の相転移に伴う体積変化、剛性変化、固有振動数変化などを検出して、相転移物質6の相転移を検出するものである。
この図25、図26においては、相転移物質6の相転移に伴う剛性変化による圧電膜17の抵抗値変化(電圧変化)を検出することにより、相転移を検出するものである。
(1)
熱電対と、熱電対の冷接点近傍に既知の相転移温度を持つ相転移物質と、相転移物質を加熱する加熱部5などの加熱手段とを備え、加熱手段で相転移物質を加熱して、相転移物質が相転移したときの熱電対の出力値と、相転移物質の既知の相転移温度とに基づいて測定対象物の温度を測定する温度測定装置において、温度の変化に伴って相転移物質の相転移が起きたことを検出する相転移検出部20aなどの相転移検出手段を備え、相転移検出手段が、相転移物質の相転移が起きたことを検出したときの熱電対の出力値に基づいて測定対象物の温度を測定する。
かかる構成を備えることで、上述したように、冷接点を相転移物質の相転移温度にした状態で、測定対象物の温度測定を行うことができ、精度の高い測定対象物の温度測定を行うことができる。また、相転移物質が相転移を起こす相転移温度は、変動することはないので、経時にわたり高精度な温度測定を行うことができる。また、冷接点の温度を測定して冷接点の温度補償をする温度測定装置のように、精度の高い温度測定ができるよう、冷接点の温度を測定する温度センサの較正をする必要がないため、温度測定装置の製造コストを下げることができ、温度測定装置を安価に提供することができる。
上記(1)に記載の態様の温度測定装置において、冷接点と、相転移物質と、加熱手段とを同じ基板に設けた。
かかる構成を有することで、上記相転移物質と上記冷接点とを、ほぼ同じ温度にすることができ、相転移物質の相転移が起きたとき、冷接点の温度を相転移物質が相転移する温度にすることができ、精度の高い温度測定を行うことができる。また、加熱手段で、冷接点および相転移物質を良好に加熱することもできる。
上記(1)または(2)に記載の態様の温度測定装置において、加熱手段を、温度依存性を有する抵抗体で構成し、相転移検出手段は、加熱手段の抵抗値変化に基づいて、相転移が起きたことを検出する。
上述したように、相転移物質の相転移が起こると、冷接点周辺の温度上昇が変化し、温度依存性の抵抗体の抵抗値も同様に変化する。よって、加熱手段の抵抗値変化に基づいて、相転移物質の相転移が起きたことを精度よく検知することができる。
また、上記(1)または(2)に記載の態様の温度測定装置において、上記相転移検出手段は、上記相転移物質に積層させた圧電膜17などの圧電体を有し、上記圧電体で上記相転移物質の体積、剛性および固有振動数のいずれかの変化を検出して、相転移が起きたことを検出する。変化物質が相転移して、体積や剛性が変化すると、相転移物質に積層の圧電体に対する応力が変化する。その結果、圧電体の抵抗が変化する。よって、圧電体の抵抗変化を検知することにより、上記圧電体で上記相転移物質の相転移に伴う体積や剛性の変化を検知することができ、精度よく相転移物質の相転移を検知することができる。また、圧電体を振動させて相転移物質を振動させることで、相転移物質が相転移して、固有振動数が変化し、圧電体の振幅が変化する。よって、圧電体の振幅変化を検知することにより、上記圧電体で、相転移物質の相転移に伴う固有振動数の変化を検知することができ、精度よく相転移物質の相転移を検知することができる。
また、上記(1)または(2)に記載の態様の温度測定装置において、上記相転移物質は、導電性であって、上記相転移検出手段は、上記相転移物質の電気特性の変化に基づいて、相転移が起きたことを検出する。相転移物質によっては、相転移に伴って抵抗値や電気容量などの電気特性が変化する。よって、上記相転移物質の相転移に伴う抵抗値や電気容量などの電気特性を検知することで、精度よく相転移物質の相転移を検知することができる。
また、上記(1)乃至(5)いずれかに記載の態様の温度測定装置において、冷接点が設けられた基板は、ベース材上に積層された絶縁層が設けられており、上記絶縁層に上記ベース材と接していない非接触領域を設け、上記非接触領域に、冷接点と、加熱手段と、相転移物質とを設けた。
かかる構成を備えることにより、基板の冷接点、加熱手段、相転移物質が配置された領域(計測領域)の熱容量を少なくなることがでる。これにより、迅速に冷接点と相転移物質とを相転移温度に加熱することができる。
また、上記(6)に記載の態様の温度測定装置において、絶縁層の非接触領域の近傍に貫通孔を設けた。
かかる構成を備えることで、非接触領域に設けられた加熱手段の熱が、基板の非接触領域以外の箇所に伝播するのを抑制することができ、効率よく冷接点、相転移物質を相転移温度にまで加熱することができる。
また、上記(1)乃至(7)いずれかに記載の態様の温度測定装置において、相転移物質を、国際温度目盛ITS−90に定義されている物質にした。
かかる構成を備えることで、ITS−90にトレーサブルナ冷接点温度設定が行え、精度の高い温度測定を行うことができる。
また、上記(1)乃至(8)いずれかに記載の態様の温度測定装置において、少なくとも相転移物質と加熱手段とを冷接点が設けられた基板に積層させた。これにより、相転移物質と加熱手段との伝熱効率が良くなり、迅速に相転移物質を相転移温度にまで加熱することができる。
また、上記(1)乃至(8)いずれかに記載の態様の温度測定装置において、少なくとも相転移物質と加熱手段とを冷接点が設けられた基板に並列に配置した。上記相転移物質と上記加熱手段とを上記冷接点が設けられた基板に積層させる場合は、加熱手段を基板に形成した後、加熱手段の上に絶縁層を積層させ、その上に相転移物質を設ける必要がある。一方、上記相転移物質と上記加熱手段とを上記冷接点が設けられた基板に並列に配置することにより、基板に加熱手段と相転移物質とを形成することができ、上記相転移物質と上記加熱手段とを上記冷接点が設けられた基板に積層させる場合に比べて、製造工程を減らすことができ、その結果、製造コストを抑えることができる。
また、上記(1)乃至(10)いずれかに記載の態様の温度測定装置において、冷接点が設けられた基板に、相転移物質と、加熱手段とが設けられており、相転移物質を、加熱手段に隣接する箇所に分散配置した。これにより、各相転移物質の熱容量を少なくすることができ、迅速に相転移物質を相転移温度にまで加熱することができる。
また、上記(1)乃至(11)いずれかに記載の態様の温度測定装置において、少なくとも相転移物質と加熱手段とを、一対の冷接点の間に形状と配置が対称となるように冷接点が設けられた基板に設けた。これにより、一対の冷接点と、相転移物質とを加熱手段で均一に加熱することができ、冷接点の温度と相転移物質との温度をほぼ同じにすることができる。
また、上記(1)乃至(12)いずれかに記載の態様の温度測定装置において、上記相転移物質、上記加熱手段のいずれかが導電性部材で構成されており、導電性部材で構成された部材を電気絶縁材で他の部材間で電気的に絶縁した。これにより、電気的な短絡によるノイズを抑制することができる。
また、上記(1)乃至(13)いずれかに記載の態様の温度測定装置において、上記相転移物質を相転移させるときの上記加熱手段の加熱温度を、上記相転移物質の相転移温度付近にした。これにより、相転移物質の相転移の際の無駄な電力消費を抑えることができる。
また、上記(1)乃至(14)いずれかに記載の態様の温度測定装置において、少なくとも上記相転移物質の周囲を絶縁材で覆う表面保護膜を形成する。これにより、相転移物質の化学的変化などを抑制することができ、相転移温度が変化してしまうのを抑制することができる。また、圧力変化に伴う相転移温度の変動を防ぐこともできる。これにより、長期にわたり精度の高い温度測定を行うことができる。
また、上記(1)乃至(15)いずれかに記載の態様の温度測定装置において、冷接点、相転移物質、加熱手段、相転移検出手段および熱電対の出力値と相転移物質の既知の相転移温度とに基づいて測定対象物の温度を計測する温度測定部とを同じ基板に設けた。かかる構成を備えることにより、冷接点、相転移物質、加熱手段とを備えた基板と、相転移検出手段および熱電対の出力値と相転移物質の既知の相転移温度とに基づいて測定対象物の温度を計測する温度測定部とを別々な基板に設ける場合に比べて、製造コストを抑えることができる。また、ひとつの基板に集積することで、各回路に接続するための配線を短くできノイズを受け難く高精度に相転移物質の相転移の検出や、測定対象物の温度測定を行うことができる。
また、上記(16)に記載の態様の温度測定装置において、上記基板に設けられた記憶部を、上記相転移物質と同一の材料で構成された相転移記憶メモリとした。かかる構成とすることで、相転移物質と記憶部とをスクリーン印刷法などで基板1に同時に形成することができ、製造工程を削減でき、製造コストの増加を抑えることができる。
2:ベース材
3:電気絶縁層
5:加熱部
6:相変化物質
7:回路接続電極
9:貫通孔
10:第1接続電極
11:第2接続電極
15:温度変化検出部
16:検出リード線
17:圧電膜
20:信号処理回路部
20a:相変化検出部
20b:温度測定部
21:空洞部
22:計測領域
30:測定対象物
100:温度測定装置
101:シース部
102:金属保護管
103:熱電対
103a:第1熱電材料
103b:第2熱電材料
104:無機物質
110:温度計測部
111:ケース
111a:接続口
112:加圧板バネ
114:スライドノブ
201:電源
202:抵抗値検出部
203:レジスタ
204:熱起電力電圧検出部
206:ゼーベック係数算出回路
207:温度変換部
209:制御回路
C:冷接点
W:温接点
Claims (17)
- 熱電対と、
上記熱電対の冷接点近傍に既知の相転移温度を持つ相転移物質と、
上記相転移物質を加熱する加熱手段とを備え、
上記加熱手段で上記相転移物質を加熱して、上記相転移物質が相転移したときの上記熱電対の出力値と、上記相転移物質の既知の相転移温度とに基づいて測定対象物の温度を測定する温度測定装置において、
温度の変化に伴って上記相転移物質の相転移が起きたことを検出する相転移検出手段を備え、
上記相転移検出手段が、上記相転移物質の相転移が起きたことを検出したときの上記熱電対の出力値に基づいて測定対象物の温度を測定することを特徴とする温度測定装置。 - 請求項1の温度測定装置において、
上記冷接点と、上記相転移物質と、上記加熱手段とを同じ基板に設けたことを特徴とする温度測定装置。 - 請求項1または2の温度測定装置において、
上記加熱手段を、温度依存性を有する抵抗体で構成し、
上記相転移検出手段は、上記加熱手段の抵抗値変化に基づいて、相転移が起きたことを検出することを特徴とする温度測定装置。 - 請求項1または2の温度測定装置において、
上記相転移検出手段は、上記相転移物質に積層させた圧電体を有し、上記圧電体で上記相転移物質の体積、剛性および固有振動数のいずれかの変化を検出して、相転移が起きたことを検出することを特徴とする温度測定装置。 - 請求項1または2の温度測定装置において、
上記相転移物質は、導電性であって、
上記相転移検出手段は、上記相転移物質の電気特性の変化に基づいて、相転移が起きたことを検出することを特徴とする温度測定装置。 - 請求項1乃至5いずれかの温度測定装置において、
上記冷接点が設けられた基板は、ベース材上に積層された絶縁層が設けられており、
上記絶縁層に上記ベース材と接していない非接触領域を設け、上記非接触領域に、上記冷接点と、上記加熱手段と、上記相転移物質とを設けたことを特徴とする温度測定装置。 - 請求項6の温度測定装置において、
上記絶縁層の上記非接触領域の近傍に貫通孔を設けたことを特徴とする温度測定装置。 - 請求項1乃至7いずれかの温度測定装置において、
上記相転移物質は、国際温度目盛ITS−90に定義されている物質であることを特徴する温度測定装置。 - 請求項1乃至8いずれかの温度測定装置において、
少なくとも上記相転移物質と上記加熱手段とを上記冷接点が設けられた基板に積層させたことを特徴とする温度測定装置。 - 請求項1乃至8いずれかの温度測定装置において、
少なくとも上記相転移物質と上記加熱手段とを上記冷接点が設けられた基板に並列に配置したことを特徴とする温度測定装置。 - 請求項1乃至10いずれかの温度測定装置において、
上記冷接点が設けられた基板に、上記相転移物質と、上記加熱手段とが設けられており、
上記相転移物質を、上記加熱手段に隣接する箇所に分散配置したことを特徴とする温度測定装置。 - 請求項1乃至11いずれかの温度測定装置において、
少なくとも上記相転移物質と上記加熱手段とを、一対の冷接点の間に形状と配置が対称となるように上記冷接点が設けられた基板に設けたことを特徴とする冷却点温度測定装置。 - 請求項1乃至12いずれかの温度測定装置において、
上記相転移物質および上記加熱手段のいずれかが導電性部材で構成されており、導電性部材で構成された部材を電気絶縁材で他の部材間で電気的に絶縁したことを特徴とする温度測定装置。 - 請求項1乃至13いずれかの温度測定装置において、
上記相転移物質を相転移させるときの上記加熱手段の加熱温度を、上記相転移物質の相転移温度付近にしたことを特徴とする温度測定装置。 - 請求項1乃至14いずれかの温度測定装置において、
少なくとも上記相転移物質の周囲を絶縁材で覆う表面保護膜を形成することを特徴とする
温度測定装置。 - 請求項1乃至15いずれかの温度測定装置において、
上記冷接点、上記相転移物質、上記加熱手段、上記相転移検出手段および上記熱電対の出力値と上記相転移物質の既知の相転移温度とに基づいて測定対象物の温度を計測する温度測定部とを同じ基板に設けたことを特徴とする温度測定装置。 - 請求項16の温度測定装置において、
上記基板に設けられた記憶部を、上記相転移物質と同一の材料で構成された相転移記憶メモリとしたことを特徴とする温度測定装置。
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