JP3549621B2

JP3549621B2 - 温度制限回路

Info

Publication number: JP3549621B2
Application number: JP14372895A
Authority: JP
Inventors: 政文高久
Original assignee: 株式会社アイ・エイチ・アイ・エアロスペース
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1995-06-09
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: JPH08334482A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、高温実験を行うための電気炉の温度上昇を制限するための温度制限回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、特殊環境下における化学、物理あるいは生物等各種の実験が、各方面において行われるようになった。これは、通常環境下では生成し得ない素材の開発や、通常環境下では証明し得ない理論や法則の実証を目的としていることは言うまでもない。
【０００３】
その中でも、長期間の無重量実験等にあっては地上での実現が困難であり、宇宙実験に頼らざるを得なかった。ただしこのように宇宙実験に供する場合、実験要員（作業員）は、特殊な環境に適合するための訓練を受けた者でなければならない。
このため宇宙実験用設備は、高度な専門的知識を有していない者でも容易に実験が遂行でき、且つ高い安全性が確保できるものでなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の要件を満足するために、例えば高温試験用電気炉は、各実験毎に温度設定をし直す必要が生じないように、実験種類毎に電気炉を用意し、予め温度設定を完了して、実験に供していた。
また、実験に供する試料カートリッジ等には、高温に耐え得るようにタンタル材が用いられているため極めて高価であった。
本発明は、上述のような背景の下になされたもので、高温実験設備の低コスト化を図り、且つ高い安全性を確保するための温度制限回路を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、第１の発明にあっては、試料カートリッジが取り付けられ、温度センサとヒータとを有する電気炉の温度上昇を制限する温度制限回路において、前記温度センサの出力信号を増幅する増幅手段と、複数の抵抗器から構成され前記増幅手段の増幅度を決定する負帰還回路と、前記複数の抵抗器の内１つ、あるいは複数をオン／オフして前記増幅度を可変するスイッチと、前記スイッチを制御するスイッチ制御手段と、前記増幅手段の出力値と基準電圧値とを比較する比較手段と、前記比較手段による比較結果に基づいて前記ヒータに供給される電力をオン／オフする熱電力制御手段とを具備し、前記試料カートリッジには電極間を電気的に接続することが可能なプラクが取り付けられ、前記プラグが嵌入されるレセプターの電極に前記スイッチ制御手段が接続されていることを特徴とする。
【０００６】
また、第２の発明にあっては、上記第１の発明において、前記スイッチ制御手段はリレーによって構成され、前記プラグならびに前記レセプターの電極および前記電極間を電気的に接続するジャンパ線を介して前記リレーに電流が流れることによって前記スイッチがオンになり、前記増幅度を変えることを特徴とする。
【０００７】
また、第３の発明にあっては、上記第２の発明において、前記熱電力制御手段は、前記増幅手段の出力値が前記基準電圧値を上回る場合に前記ヒータに供給される電力をオフにすることを特徴とする。
【０００８】
また、第４の発明にあっては、上記第３の発明において、前記試料カートリッジに耐用温度の高い材料を用いた場合には前記プラグの前記電極間を前記ジャンパ線で接続し、一方前記試料カートリッジに耐用温度の低い材料を用いた場合には前記電極間を電気的に開放とし、前記スイッチがオンになると前記増幅度が小さくなることを特徴とする。
【０００９】
【作用】
この発明によれば、試料カートリッジに耐用温度の高い材料を用いた場合には、試料カートリッジに取り付けられたプラグの電極間をジャンパ線で接続し、プラグをレセプターに嵌入すると、ジャンパ線を介してスイッチ制御手段に電流が流れてスイッチがオンとなって増幅手段の増幅度が小さくなり、従って増幅手段の出力値が基準電圧値を上回るための温度センサの出力信号が大きくなるために、電気炉内の制限温度が高くなる。
【００１０】
【実施例】
以下に図面を参照して、本発明の一実施例にかかる温度制限回路について説明する。図１は本発明の温度制限回路の構成の一例を示す接続図である。なお本実施例では、耐用温度の異なる２種類の試料カートリッジに対応するための温度制限回路を例に挙げて説明する。
【００１１】
Ａ．構成
図１において１は電気炉であり、この電気炉１の内部には各々後述する温度センサ２とヒータ３とが取り付けられており、また試料カートリッジ４が挿入される。
一点鎖線で囲まれた５が温度制限回路であり、以下にその内部構成を詳しく説明する。
【００１２】
図１において温度制限回路５内に示す６は、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等から構成されたセンサアンプであり、温度センサ２が出力する温度信号Ｖｔ（−Ｖｔ）を高抵抗で入力し、増幅度が１のバッファアンプ（緩衝増幅器）である。なお本実施例に用いた温度センサ２は、一例として周囲の温度に応じた起電力を生じる熱電対等から構成され、その感度は一例として１７００℃／Ｖであるものとする。
センサアンプ６が出力する信号は、抵抗値Ｒ１の抵抗器７の一端と、数値等により温度を表示する表示装置２１と、磁気ディスク等に温度を記録する記録装置２２とに供給される。
【００１３】
抵抗器７の他端は、抵抗値Ｒ２の抵抗器８および抵抗値Ｒ３の抵抗器９の各々一端と、オペアンプ１０（差動増幅器：増幅手段）の反転入力端子とに接続されている。なお、このオペアンプ１０は理想オペアンプ（開放利得および入力抵抗が無限大、且つ出力抵抗が０）であるものとし、オフセット等は無視できるものとする。
また、抵抗値Ｒ１、抵抗値Ｒ２および抵抗値Ｒ３の比率、Ｒ１：Ｒ２：Ｒ３＝１：２５：１７であるものとする。
【００１４】
抵抗器８の他端は、後述するリレー１１（スイッチ制御手段）によって駆動されるリレーＳＷ（スイッチ）１２の接点１２ａに接続されている。
一方の接点１２ｂは抵抗器９の他端とともに、オペアンプ１０の出力端子と、後述するコンパレータ（比較器）１４の入力端子１４ａとに接続されている。またオペアンプ１０の非反転入力端子は、補償抵抗Ｒｃを介して接地されている。
なお抵抗器８と抵抗器９と（リレーＳＷ１２と）は、図１に示す合成抵抗７ａを構成しているが、これについては後述する。
【００１５】
リレー１１は、一端に電源電圧が接続され、他端は試料カートリッジ４の一端部に取り付けられたコネクタ１３の一端に接続されている。一方、コネクタ１３の他端は接地されている。
リレー１１は、電流を流すことにより電磁力によりリレーＳＷ１２の接点１２ａと１２ｂの間がオンになり、電流が遮断されるとリレーＳＷ１２の接点１２ａと１２ｂの間がオフになる。
【００１６】
コンパレータ１４（比較手段）は、オペアンプやスイッチングトランジスタ等から構成されており、入力端子１４ｂには基準電圧Ｅが入力されている。本実施例の基準電圧Ｅは、１０Ｖであるものとする。
このコンパレータ１４にあっては、入力端子１４ａの電位が入力端子１４ｂの電位、即ち基準電圧Ｅを上回ると、出力端子１４ｃが接地され、これ以外の場合には出力端子１４ｃはオープン（開放）となる。
【００１７】
温度制限回路５には、端子５ａを介して別途設けられた制御装置（図示省略）が出力する出力許可信号Ｓが供給される。この端子５ａは、コンパレータ１４の出力端子１４ｃと、パワーアンプ１５（熱電力制御手段）の入力端子とに接続されている。
パワーアンプ１５の出力端子にはヒータ３が接続されており、パワーアンプ１５が出力する電力によりヒータ３が発熱し、電気炉１内部を所定の温度まで加熱する。
【００１８】
図２は、試料カートリッジ４の内部構成の詳細を示す構成図であり、図２（ａ））は第１の構成例、図２（ｂ）は第２の構成例を示している。
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、試料カートリッジ４は一端側に試料室４ａを有し、また他端部には２極のコネクタ１３を構成するプラグ１３ａが取り付けられている。このプラグ１３ａの導体ピン部が、レセプター１３ｂに嵌入されて電気的に接続される。
【００１９】
図２（ａ）においては、試料カートリッジ４は耐用温度が比較的高いタンタル材が用いられており、プラグ１３ａの２つの導体ピン部の間は、ジャンパ線１６によって電気的に接続されている。
一方、図２（ｂ）において試料カートリッジ４は、タンタル材と比較して耐用温度の低いステンレス材が用いられており、プラグ１３ａの２つの導体ピン部の間にジャンパ線１６等による接続はない。
【００２０】
Ｂ．動作
（ａ）第１の例
第１の例では、図２（ａ）に示したタンタル材を用いた試料カートリッジ４を用いる。このタンタル材試料カートリッジ４の耐用温度は、一例として１７００℃である。
【００２１】
まず試料室４ａに所定の試料を封入し、コネクタ１３を接続して試料カートリッジ４を電気炉１に取り付ける。この後、図示しない制御装置から出力許可信号Ｓを、温度制限回路５の端子５ａに供給する。なお、この時点ではコンパレータ１４の入力端子１４ａの電位は入力端子１４ｂの電位より低く、即ち出力端子１４ｃはオープンであるものとする。
【００２２】
端子５ａに出力許可信号Ｓが入力され、コンパレータ１４の出力端子がオープンである場合、出力許可信号Ｓはパワーアンプ１５によって電力増幅され、電気炉１内のヒータ３に供給される。即ちヒータ３は発熱し、従って電気炉１内の温度は徐々に上昇する。
温度センサ２は、電気炉１内の温度に応じた値の温度信号Ｖｔを出力し、この温度信号Ｖｔはセンサアンプ６によって増幅された後、逐次表示装置２１によって表示されるとともに記録装置２２によって記録される。
またセンサアンプ６が出力する信号は、抵抗器７を介してオペアンプ１０の反転入力端子にも入力される。
【００２３】
抵抗器７、抵抗器８ならびに抵抗器９は、オペアンプ１０の負帰還回路を形成しており、オペアンプ１０の増幅度を決定する。ここで、オペアンプ１０は前述の通り理想オペアンプであるので、その増幅度Ａは
Ａ＝Ｒｎ／Ｒ１・・・（１）
として計算される。ここでＲｎ（図１参照）は合成抵抗７ａの抵抗値（合成値）であり、リレーＳＷ１２の各接点１２ａ、１２ｂ間の状態によって決まる。
【００２４】
本例に用いた試料カートリッジ４は、プラグ１３ａの２つの導体ピン部の間は、ジャンパ線１６によって電気的に接続されている（図２（ａ）参照）。従ってリレー１１に電流が流れ、電磁力によってリレーＳＷ１２の接点１２ａと１２ｂの間がオンになっている。
即ち合成抵抗７ａは抵抗器８と抵抗器９との並列接続により構成されるので、その抵抗値である合成抵抗値Ｒｎは、
Ｒｎ＝Ｒ２・Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）・・・（２）
と計算される。
【００２５】
また、（１）式および（２）式より、本例におけるオペアンプ１０の増幅度Ａａは、
Ａａ＝Ｒ２・Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ１・・・（１ａ）
となる。ここで、Ｒ１：Ｒ２：Ｒ３＝１：２５：１７であるので、
Ａａ＝２５・１７／（２５＋１７）／１≒１０
である。
【００２６】
コンパレータ１４は、入力端子１４ａの電位が１０Ｖを上回ると出力端子１４ｃが接地される。従って、本例では温度信号Ｖｔが概ね１Ｖ、即ち電気炉１内の温度が１７００℃に達すると出力許可信号Ｓが接地され、ヒータ３に供給される電力が停止する。
この結果、電気炉１内部の温度は１７００℃に制限される。
【００２７】
（ｂ）第２の例
第２の例では、図２（ｂ）に示したステンレス材を用いた試料カートリッジ４を用いる。このステンレス材試料カートリッジ４の耐用温度は、一例として１０００℃であり、タンタル材の耐用温度より低い。
まず試料室４ａに所定の試料を封入し、コネクタ１３を接続して試料カートリッジ４を電気炉１に取り付け、出力許可信号Ｓを端子５ａに供給する。なお、この時点では出力端子１４ｃはオープンであるものとする。
【００２８】
端子５ａに出力許可信号Ｓが入力されると、これがパワーアンプ１５によって電力増幅され、電気炉１内のヒータ３に供給されて発熱し、電気炉１内の温度は徐々に上昇する。
このとき温度センサ２が出力する温度信号Ｖｔは、センサアンプ６によって増幅された後、逐次表示装置２１によって表示されるとともに記録装置２２によって記録される。
また、センサアンプ６の出力信号は抵抗器７にも入力される。
【００２９】
前述の通り抵抗器７、８ならびに９は、オペアンプ１０の負帰還回路を形成し、その増幅度Ａは（１）式より、
Ａ＝Ｒｎ／Ｒ１
として計算される。
【００３０】
ところで本例に用いた試料カートリッジ４は、プラグ１３ａの２つの導体ピン部の間は、何等接続されていない（図２（ｂ）参照）。従ってリレーＳＷ１２の接点１２ａと１２ｂの間はオフになっている。即ち合成抵抗値Ｒｎは抵抗値Ｒ３と等しいので、
Ａｂ＝Ｒ３／Ｒ１・・・（１ｂ）
となる。ここで、Ｒ１：Ｒ２：Ｒ３＝１：２５：１７であるので、
Ａｂ＝１７／１＝１７
である。
【００３１】
コンパレータ１４は、入力端子１４ａの電位が１０Ｖを上回ると出力端子１４ｃが接地される。従って、本例では温度信号Ｖｔが概ね０．５８８Ｖ、即ち電気炉１内の温度が１０００℃に達すると出力許可信号Ｓが接地され、ヒータ３に供給される電力が停止する。
この結果、電気炉１内部の温度は１０００℃に制限される。
【００３２】
このように、予め試料カートリッジ４に、リレーＳＷ１２をオンにするか否かを決定するためのジャンパ線１６を内蔵することにより、コネクタ１３を接続するだけて、試料カートリッジ４の材質に応じた制限温度が設定されるので、安価だが耐用温度の低い素材の試料カートリッジ４を用いることができる。
また、試料カートリッジ４が電気炉１に取り付けられていない場合や、コネクタ１３が接続されていない場合には、制限温度が低く設定されるので、安全性が高い。
【００３３】
なお、本実施例に示した温度センサの感度、抵抗値の比率、基準電圧の値、ならびにコネクタの電極数等は一例にすぎず、本発明はこれらの値に制限されるものではない。
【００３４】
また、例えばオペアンプ１０の増幅度を変える手段として、抵抗器８をオン／オフするスイッチ（１２）を有するリレー１１を用いたが、この他アナログスイッチやフォトカプラ等によって増幅度を変える構成や、基準電圧Ｅを値を変える構成であってもよい。パワーアンプ１５に供給される出力許可信号Ｓを接地してヒータ３に供給される電力を制限するコンパレータ１４についても、例えばリレーやフォトカプラを有するものであってもよく、本実施例に用いたものに限らない。
【００３５】
さらに、オペアンプ１０も増幅手段の一例であって、この他の素子にあっても本発明に適用可能であることは、言うまでもない。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、試料カートリッジに耐用温度の高い材料を用いた場合には、試料カートリッジに取り付けられたプラグの電極間をジャンパ線で接続し、プラグをレセプターに嵌入すると、ジャンパ線を介してスイッチ制御手段に電流が流れてスイッチがオンとなって増幅手段の増幅度が小さくなり、従って増幅手段の出力値が基準電圧値を上回るための温度センサの出力信号が大きくなるために、電気炉内の制限温度が高くなる。このため、その材質に合わせてジャンパ線の取り付けられた試料カートリッジのプラグをレセプターを接続するだけで電気炉等の制限温度が変えられ、高温実験設備の低コスト化を図ることが可能で、プラグとレセプターとが接続されていない場合等には電気炉の温度が低く制限されるので、高い安全性が確保できる温度制限回路が実現可能であるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかる温度制限回路の構成を示す接続図である。
【図２】図１における試料カートリッジ４の詳細な構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１電気炉
２温度センサ
３ヒータ
４試料カートリッジ
５温度制限回路
７、８、９抵抗器
７ａ合成抵抗
１０オペアンプ
１１リレー
１２リレーＳＷ
１２ａ、１２ｂ接点
１３コネクタ
１３ａプラグ
１３ｂレセプター
１４コンパレータ
１５パワーアンプ
１６ジャンパ線
Ｅ基準電圧
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３抵抗値
Ｒｎ合成抵抗値
Ｖｔ温度信号

Claims

試料カートリッジ(4)が取り付けられ、温度センサ(2)とヒータ(3)とを有する電気炉(1)の温度上昇を制限する温度制限回路において、
前記温度センサの出力信号を増幅する増幅手段(10)と、
複数の抵抗器から構成され前記増幅手段の増幅度を決定する負帰還回路(7,7a)と、
前記複数の抵抗器の内１つ、あるいは複数をオン／オフして前記増幅度を可変するスイッチ(12)と、
前記スイッチを制御するスイッチ制御手段(11)と、
前記増幅手段の出力値と基準電圧値とを比較する比較手段(14)と、
前記比較手段による比較結果に基づいて前記ヒータに供給される電力をオン／オフする熱電力制御手段(15)とを具備し、
前記試料カートリッジ (4) は、コネクタ (13) を介して前記スイッチ制御手段に電気的に接続されると共に、その種類に応じて前記コネクタ (13) の電極を短絡させるジャンパ線 (16) を備え、
前記スイッチ制御手段は、試料カートリッジ (4) の種類に応じて前記ジャンパ線 (16) を介して電流が流れることにより前記増幅度を可変する
ことを特徴とする温度制限回路。
前記熱電力制御手段は、
前記増幅手段の出力値が前記基準電圧値を上回る場合に前記ヒータに供給される電力をオフにする
ことを特徴とする請求項１に記載の温度制御回路。
試料カートリッジ (4) の種類として、耐用温度の高い材料を用いた試料カートリッジの場合はジャンパ線を設けることにより増幅度を小さく設定し、耐用温度の低い材料を用いた試料カートリッジの場合にはジャンパ線を設けないことにより増幅度を大きく設定する
ことを特徴とする請求項２記載の温度制限回路。