JP2015135316A

JP2015135316A - 温度測定装置

Info

Publication number: JP2015135316A
Application number: JP2014199370A
Authority: JP
Inventors: 宇崎　吉彦; Yoshihiko Uzaki; 吉彦宇崎
Original assignee: TLV Co Ltd
Current assignee: TLV Co Ltd
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2015-07-27

Abstract

【課題】測定精度に優れた温度測定装置を提供する。
【解決手段】黒色セラミック３が放射する赤外線を検出するサーモパイル７と、前記サーモパイル７を収容する保護管２とを備えた温度測定装置であって、被測定物に当接する当接面３ａと、前記当接面３ａを介して前記被測定物から吸収した熱を赤外線として放射する放射面３ｂとを有する黒色セラミック３を、前記保護管２の先端部に収容するとともに、前記黒色セラミック３が放射した赤外線を前記サーモパイル７に向けて集光する凸レンズ６を、前記保護管２内において前記黒色セラミック３と前記サーモパイル７との間に収容したことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本願は、被測定物の表面温度を検出する温度測定装置に関し、特にサーモパイルを用いた温度測定装置に関する。

工場やプラントにおいては、例えばスチームトラップや配管に対して、各種の機械や弁が数多く取り付けられている。これらの機械や弁は、例えば温度測定装置を用いて、絶えず又は定期的にその温度状態等が計測され、チェックされている。

従来の温度測定装置としては、例えば特許文献１に示されたものがある。これは、ケーシングとの間に配置したスプリングで検出針の先端をケーシングよりも突出せしめ、検出針の外周に断熱部材を配置し、検出針の先端が入る孔を中心に開けた温度センサを断熱部材の上面に載せて配置し、ケーシングと断熱部材の間にスプリングを配置して温度センサの先端をケーシングよりも突出せしめたものである。このような温度測定装置によれば、温度センサの中心に開けた孔から検出針の先端をケーシングの先端まで押し込んだ位置で被測定物の振動を検出できるとともに、前記温度センサにより被測定物の温度も同時に検出することができる。

上記温度測定装置は被測定物に直接押し当てる接触型のものであるが、近年、熱型赤外線センサの一つである、サーモパイルを用いた非接触型の温度測定装置が提案されている。サーモパイルは、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する変換器であり、熱電対を直列に多数接続することにより、熱に対する感度の向上を図ったものである。サーモパイルは、入射した赤外線を赤外線吸収膜において熱に変換し、この熱により生じる熱電対の熱起電力を出力する。サーモパイルは絶対温度を測定するものではなく、局所的な温度差あるいは温度勾配に比例した電圧を出力するものである。サーモパイルは、感熱部分に熱放射を吸収させ、その吸収部分が周囲よりも高温になり、そのときの周囲と感熱部分との温度差を利用して熱放射を測定する。

このようにサーモパイルの感度は、感熱部分が吸収した熱放射の量によって決定されるが、被測定物（例えばスチームトラップや配管）の表面が汚れていた場合は熱放射が十分に行われない。また、被測定物の表面が反射しやすい状態の場合は熱が散乱する。このような場合、熱放射の量が減少するために、温度測定装置の測定精度が低下するおそれがある。

実開平３−９３７４３号公報

本願は、このような事情に鑑みなされたもので、測定精度に優れた温度測定装置の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、以下に開示する温度測定装置は、熱伝導部材が放射する赤外線を検出するサーモパイルと、前記サーモパイルを収容する保護管とを備えた温度測定装置であって、被測定物に当接する当接面と、前記当接面を介して前記被測定物から吸収した熱を赤外線として放射する放射面とを有する熱伝導部材を、前記保護管の先端部に収容するとともに、前記熱伝導部材が放射した赤外線を前記サーモパイルに向けて集光する集光部材を、前記保護管内において前記熱伝導部材と前記サーモパイルとの間に収容している。

以下に開示する温度測定装置によれば、被測定物（例えばスチームトラップや配管）の表面に汚れや反射等があったとしても、被測定物の温度を高精度で測定することができる。

温度測定装置の正面図である。図１の温度測定装置における保護管の断面図である。図１の温度測定装置におけるサーモパイルの断面図である。図３のサーモパイルの一部を示す平面図である。

以下、本願の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

本実施形態の温度測定装置は、図１に示すように、プロ―ブ１の上端からビス８ａ，８ｂによって固定された保護管２が突出し、保護管２の先端部（上部）に熱伝導部材である黒色セラミック３が収容されている。プロ―ブ１のほぼ中央部には、温度の測定値をデジタル表示又はバ―グラフ表示する表示部９が設けられている。表示部９の下方には、電源のオンオフ操作又は所望の測定結果表示をシフト操作等するためのキ―１０が設けられている。保護管２は、例えば、ステンレス鋼で形成されている。黒色セラミック３は、セラミックの主成分であるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に、炭化チタン（ＴｉＣ）粒子や酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）粒子を分散させたものであり、熱伝導率が高く熱伝導性に優れている。

図２は保護管２の断面図であり、保護管２の先端部に黒色セラミック３が収容され、保護管２の上端２ａから黒色セラミック３の当接面３ａが僅かに突出している。黒色セラミックは凸形状を成し、当接面３ａに対向する位置に放射面３ｂを有する。また、保護管２の内部には、黒色セラミック３の放射面３ｂを前記当接面３ａの側に付勢し、黒色セラミック３を可動可能とする、押えばね４が収容されている。押えばね４は固定部材５により保護管２の内壁に固定されている。保護管２は、黒色セラミック３が保護管２の外部へ飛び出すことを抑止する、断面Ｌ字状の抑止部２ｂを有する。抑止部２ｂは、黒色セラミック３の肩部３ｃと係合することで、黒色セラミック３を抑止することができる。押さえばね４の下方には、所定の距離をあけて、集光部材である凸レンズ６が保護管２内において黒色セラミック３とサーモパイル７との間のほぼ中央部に収容されている。凸レンズ６は、レンズ固定リング６１により、保護管２の内壁に固定されている。

凸レンズ６としては、例えば、レンズ両面の中央部の厚みが厚い両面凸レンズが使用される。凸レンズ６は、例えば、石英ガラスで形成されている。石英ガラス製の凸レンズ６は、赤外域波長においての透過率が高く、熱膨張にも優れている。

凸レンズ６の下方には、所定の距離をあけて、サーモパイル７が保護管２に収容されている。図３はサーモパイル７の断面図、図４はサーモパイル７の一部を示す平面図である。サーモパイル７は、図３及び図４に示すように、ブリッジ型の基板７１上に、熱電対をなす２種類の材料７２、７３が基板７１の薄膜部７４に温接点部７６、ヒートシンク部７５に冷接点部７７が配置されるように直列に交互に形成され、更に薄膜部７４の一部を覆って赤外線の吸収効率を上げるための赤外線吸収膜７８が形成されている。熱電対をなす２種類の材料７２、７３としては、例えば、ビスマス（Ｂｉ）やアンチモン（Ｓｂ）等の異種金属が使用される。

図２において、黒色セラミック３から凸レンズ６までの距離や、凸レンズ６からサーモパイル７までの距離は、被測定物の温度、黒色セラミック３の性能、凸レンズ６の設計波長（大きさ、焦点距離等）、サーモパイル７の性能等により適宜設定される。

次に、本実施形態の温度測定装置の動作について説明する。プロ―ブ１を手で握って、黒色セラミック３の当接面３ａを被測定物（例えばスチームトラップや配管）の表面に押し当て、キ―１０の電源を押してオン状態にする。押えばね４の弾性力に抗して黒色セラミック３の当接面３ａが保護管２の上端２ａとほぼ面一になるまで押し込まれる。被測定物の熱が当接面３ａを介して黒色セラミック３内部に吸収され、吸収した熱が赤外線として黒色セラミック３の放射面３ｂから放射される。黒色セラミック３の放射面３ｂから放射された赤外線（図２の破線Ｘで示す）は、凸レンズ６によってサーモパイル７の赤外線吸収膜７８に向けて集光される。

サーモパイル７の赤外線検知のメカニズムを、以下に示す。初期状態はサーモパイル７に赤外線が入射しておらず、温接点部７６と冷接点部７７が同じ温度である。次に、被測定物からの赤外線が凸レンズ６に入射すると、入射した赤外線がサーモパイル７の赤外線吸収膜７８に集光される。赤外線吸収膜７８上で赤外線が熱に変換され、温接点部７６と冷接点部７７との間に温度差ができ、温接点部７６の熱が冷接点部７７へと流れ出す。更に、この冷接点部７７に流れてきた熱はヒートシンク部７５に吸収されていく。このような熱の流れは、温接点部７６と冷接点部７７の温度差がある値になると平衡状態に達する。このときサーモパイルは、この温接点部７６と冷接点部７７の温度差に応じた熱起電力を発揮する。この熱起電力による電位差が電気信号として検出され、信号処理回路（図示せず）に送られ、増幅部（図示せず）で増幅され、中央演算処理部（ＣＰＵ）（図示せず）で処理されて表示部９にデジタル表示又はバーグラフ表示される。

以上説明した通り、本実施形態に示した温度測定装置を用いると、被測定物に黒色セラミック３を当接することによって吸収した熱によって放射される赤外線を集光してサーモパイル７に入射させることができるため、被測定物の表面が汚れた状態や、被測定物の表面が反射しやすい状態の場合であっても、被測定物の温度を精度よく測定することが可能になる。

〔別実施形態〕
なお、サーモパイル７は図３及び図４に示す構成のものに限定されず、熱電対を放射線状もしくはマトリクス状に配置することもできる。

また、集光部材は凸レンズ６に限定されず、集光ミラー等を使用することもできる。

また、熱伝導部材は黒色セラミック３に限定されず、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を使用することもできる。

本願は、被測定物（例えばスチームトラップや配管）の温度を極めて高精度で測定できる非接触型の温度測定装置として有用である。

２保護管
３黒色セラミック
３ａ当接面
３ｂ放射面
４押えばね
６凸レンズ
７サーモパイル

Claims

熱伝導部材が放射する赤外線を検出するサーモパイルと、前記サーモパイルを収容する保護管とを備えた温度測定装置であって、
被測定物に当接する当接面と、前記当接面を介して前記被測定物から吸収した熱を赤外線として放射する放射面とを有する熱伝導部材を、前記保護管の先端部に収容するとともに、
前記熱伝導部材が放射した赤外線を前記サーモパイルに向けて集光する集光部材を、前記保護管内において前記熱伝導部材と前記サーモパイルとの間に収容したことを特徴とする温度測定装置。
前記熱伝導部材において前記当接面と前記放射面とが対向しており、
前記当接面が前記保護管から突出しており、
前記放射面を前記当接面の側に付勢し、前記熱伝導部材を可動可能とする、押えばねを保護管に収容してなる、請求項１に記載の温度測定装置。
熱伝導部材は黒色セラミックである請求項１又は２に記載の温度測定装置。
集光部材は凸レンズである請求項１〜３のいずれか一項に記載の温度測定装置。