JP4995113B2

JP4995113B2 - 熱電対基準接点補償装置

Info

Publication number: JP4995113B2
Application number: JP2008033314A
Authority: JP
Inventors: 宏吉谷; 智徳志田; 正文寺田; 隆三原; 英一瀬川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Okazaki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Okazaki Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2028-02-14
Also published as: JP2009192372A

Description

本発明は、熱電対の基準接点の温度を補償する熱電対基準接点補償装置に関するものである。

熱電対の熱起電力は、プラス側熱電対素線とマイナス側熱電対素線の接合点である測温接点の温度と、熱電対の素線または補償導線と銅などの通常の信号導線との接続部分である基準接点の温度との関数となっているので、熱電対による測温接点温度の測定においては、熱起電力の計測に加え、基準接点の温度も知っておく必要がある。

通常、熱電対用の受信計器には、前記基準接点の温度を測定する機能が組み込まれている。このような受信計器の使用においては、熱電対素線が直接前記受信計器に接続されるか、温度測定場所と受信計器が遠く離れている場合は、図１０に示すように補償導線１５により熱電対素線１１と受信計器１７とが結ばれることが多い。

ここで、温度測定場所と受信計器が遠くに離れている場合、銅などの信号導線に比べて高価な補償導線１５を長く必要とするという経済的な問題があり、また、補償導線１５を使用することによる測定精度の低下という問題もある。このため、図１１に示すように熱電対の基準接点１０ａ，１０ｂの温度を補償するための熱電対基準接点補償装置１９を温度測定場所の近くに設けて、この装置により基準接点１０ａ，１０ｂの温度が補償されることがある。この場合、基準接点１０ａ，１０ｂから受信計器１８の間は、補償導線１５を使用する必要がない。なお、図１０、１１において１４は測温接点を表している。

前記熱電対基準接点補償装置としては、氷水が収容された容器を備え、基準接点を氷水に浸すことで基準接点の温度を０℃とする装置がある。また、電気炉を備え、基準接点を電気炉内に収容した状態で電気炉内の温度を一定に保ち、電気炉内の温度を前記基準接点の温度とする装置がある。しかしながら、これらの装置では、氷の供給あるいは電気炉用の電源の準備が必要であり利便性が悪い。さらに、電気炉が高価であるという問題がある。

これに対して、特許文献１には、外気を遮断した中空箱状の筐体内に基準接点と測温抵抗体とを収容した状態で、前記測温抵抗体により筐体内の温度を測定し、この測定した温度を基準接点の温度とする装置が開示されている。また、特許文献２には、アルミニウム等の金属板の表面に基準接点と測温抵抗体とを固定した状態で前記測温抵抗体により金属板の表面の温度を測定し、この測定した温度を基準接点の温度とする装置が開示されている。これらの装置では、氷の供給や電気炉用の電源の準備が不要であり、利便性が向上するとともに、電気炉を備えるものに比べて装置を安価にすることができる。
特開２００２−３６５１４４号公報特開平７−２８６９０９号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示された装置および特許文献２に開示された装置では、外部の雰囲気温度の変化や偏りに伴い基準接点の温度補償精度が十分に確保されない場合がある。

すなわち、特許文献１に開示された装置では、単に筐体内に基準接点と測温抵抗体とが収容されているだけであるため、筐体内よりも外部の雰囲気温度が高い場合には、基準接点および測温抵抗体に、筐体内の空気を媒体とする筐体からの熱伝達入熱と、筐体からの輻射入熱と、筐体と物理的に繋がっている部分を伝わる筐体からの熱伝導入熱がある。また、筐体内よりも外部の温度が低い場合には、基準接点および測温抵抗体からそれぞれ伝達、輻射、伝導による外部への放熱がある。そのため、筐体外側の雰囲気温度の変動により筐体温度に時間変化や偏り、または、これらが組み合わさった変化が発生した場合、測温抵抗体と基準接点の熱の授受に差が生じ、測温抵抗体と基準接点に温度差が生じて、基準接点温度の誤差となる。

一方、特許文献２に開示された装置では、熱伝導率が大きく、また熱拡散率が大きい金属板の表面に基準接点と測温抵抗体とが固定されているため、雰囲気温度に時間変化や偏りがある場合でも、金属板の表面における熱拡散によって、基準接点の温度と測温抵抗体の温度との差はある程度小さく抑えられる。しかしながら、前記金属板の表面は周囲の空気等と接触しており、基準接点および測温抵抗体と外部との間には熱伝達および輻射による熱の授受があるため、周囲温度が与える影響による基準接点温度の誤差は十分に抑制されていない。

本発明は、このような事情に鑑み、安価で、利便性が確保されるとともに、基準接点の温度と測温抵抗体の温度との差を小さく抑えて基準接点の温度補償精度を向上することのできる熱電対基準接点補償装置の提供を目的とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、熱電対の基準接点の温度を補償する熱電対基準接点補償装置であって、熱電対の基準接点と、抵抗値の変化に基づき温度を測定する測温抵抗体と、略円柱状を有する中実の金属製の金属ブロックとを備え、前記金属ブロックは、当該金属ブロックの上面から当該金属ブロックの内部に延びて、前記基準接点と前記測温抵抗体とがそれぞれ底部に挿入されることで前記基準接点と測温抵抗体とを前記金属ブロックの内部に保持可能な収容孔を有し、前記収容孔は、３つ以上設けられており、前記収容孔に挿入された前記測温抵抗体により測定された温度を前記熱電対の基準接点の温度とすることを特徴とする熱電対基準接点補償装置を提供する（請求項１）。

このような装置によれば、氷の供給や電気炉用の電源の準備が不要であり、これらを必要とするものに比べて利便性が向上するとともに、基準接点の温度と測温抵抗体の温度の差が小さく抑えられて基準接点の温度補償精度が向上する。

すなわち、金属は、熱伝導率が大きく、また熱拡散率が大きいため、内部温度が均一になり易く、外部の雰囲気温度の時間変化や、一方向の雰囲気温度が高温または低温状態となる温度の偏り、または、これらが組み合わさった外乱に対して、金属内部に温度分布が生じ難い。そして、本装置では、前記金属ブロックに設けられた収容孔に前記基準接点と測温抵抗体とが収容されることで、これら基準接点と測温抵抗体とが温度分布の生じにくい金属ブロックの内側に保持されることになるので、この基準接点の温度と測温抵抗体の温度とをより均一に維持することが可能となる。

しかも、本装置は、高価な電気炉を使用していないことから経済的である。また、前記金属ブロックの形状を円柱状としており旋盤加工等が可能で製作性がよいことも安価にできる要因である。さらに、前記収容孔を３つ以上設けており、複数の基準接点を収容しつつ１つの測温抵抗体を収容することができる。すなわち、本装置によれば、複数の熱電対の温度補償を一度に行うことができ、熱電対毎に熱電対基準接点補償装置を設ける場合に比べて、設備全体のコストを低減することができる。

また、本発明において、前記収容孔の中心軸と前記金属ブロックの中心軸との距離が前記金属ブロックの外半径の８０％以内となる位置に、前記収容孔が設けられるのが好ましい（請求項２）。

前記金属ブロックでは、その表面に近づくほど外部の雰囲気温度の影響をより強く受けることで温度分布が生じやすくなる。すなわち、雰囲気温度が変化した場合には、金属ブロックの表面部の温度が先ず変化するために、金属ブロックの中心部と表面部との間に温度差が生じる。また、雰囲気温度の上下、左右方向の偏りは、同じ偏りを金属ブロックに生じさせるが、この偏りに伴う温度差は主として金属ブロックの表面において生じ、金属ブロックの中心部の温度はほぼ一様である。

従って、前記のように、収容孔の径方向位置を金属ブロックの外半径の８０％以内として、金属ブロックの側面からの距離を取れば、雰囲気温度の時間変化や、一方向の雰囲気温度が高温または低温状態となる温度の偏り、またはこれらが組み合わさった外乱が生じても、測温抵抗体および基準接点の置かれる位置の温度差が微小に保持される。

同様に、収容孔の深さを、金属ブロックの高さの５０％以上かつ８０％以内として、金属ブロックの上下面からの距離を取れば、測温抵抗体および基準接点の置かれる位置の温度差がより一層微小に保持される。ここで、収容孔がない金属製のブロック体においてはその中心部が最も温度分布が生じにくいが、収容孔が設けられている本金属ブロックでは、収容孔に収容される基準接点あるいは測温抵抗体に接続される導線や、前記基準接点あるいは前記測温抵抗体が保持される絶縁材等を伝わって外部の熱が収容孔の内部に侵入し、これが雰囲気温度に左右方向の偏りがある場合に誤差の原因となることから、この影響の軽減のために収容孔の深さは金属ブロックの中央より深くしている（請求項３）。

また、本発明において、前記複数の収容孔の底部の高さ方向の位置が互いに略同一であるのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、雰囲気温度が高さ方向に偏った場合に金属ブロックに生じる高さ方向の温度分布が、各収容孔ひいては各収容孔に収容される前記基準接点の温度と測温抵抗体の温度とに与える影響を小さく抑えることができる。

また、本発明において、前記金属ブロックの周囲に断熱材が設けられるのが好ましい（請求項５）。

このようにすれば、雰囲気温度が急激に変化した場合でも、断熱されているために金属ブロックの表面温度は断熱材のない場合に比べて緩やかに変化する。表面温度が急激に変化すると、表面と中心部に温度差が生じて誤差となる（基準接点の位置の温度と測温抵抗体の位置の温度に差ができる）が、断熱材があるとこの温度差が低く抑えられる。また、雰囲気温度に偏りがある場合でも、断熱材のある場合は、この偏りが断熱により、金属ブロック表面まで到達し難い。このため、雰囲気温度の偏りにより生じる金属ブロック内の温度分布は、断熱材のない場合に比べて低く抑えられる。

また、本発明において、前記収容孔に収容される測温抵抗体を複数備えるとともに、当該複数の測温抵抗体によりそれぞれ測定された温度を平均処理する平均処理手段を有するのが好ましい（請求項６）。

すなわち、前記測温抵抗体自体の測定誤差を除くと、基準接点の温度の誤差は、基準接点の位置の温度と測温抵抗体の位置の温度との差であり、この誤差を小さくするには、金属ブロックに生じる温度分布を小さくすることに加え、測温抵抗体の測定値を、複数の基準接点の位置の温度の平均温度に近い値とすることが望ましい。そこで、前記のように、測温抵抗体をその各位置が径方向および周方向に異なる複数本とし、これら複数の測温抵抗体によりそれぞれ測定された温度を平均処理すれば、測温抵抗体１本の場合に比べ、複数個設けられている基準接点の各位置の温度の平均に近い温度をより正確に求めることが可能となる。

ここで、前記金属ブロックの材質としては、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレスが挙げられる（請求項７）。

銅やニッケルは比較的高価であるが熱伝導率が大きく、また熱拡散率が大きいので、これらを用いれば、金属ブロック内の温度分布をより確実に小さくすることができる。一方、アルミニウムやステンレスはその熱伝導率および熱拡散率は前記銅等よりも小さいが安価である。従って、これらを用いれば、特にコスト面で有利となる。

また、前記金属ブロックの材質を、銅またはアルミニウムまたはニッケルとした場合の、本発明に係る熱電対基準接点補償装置の具体的形状としては、前記金属ブロックの高さが１４０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下であり、前記金属ブロックの外径が８０ｍｍ以上であり、前記収容孔の孔径が８．０ｍｍ以下であり、前記収容孔の個数が２１個以下であるものが挙げられる（請求項８）。

前記収容孔の孔径としては、前記基準接点および測温抵抗体が収容可能な大きさが必要となるが、その径が大きくなると収容孔に収容される前記導線等を介して収容孔内と外部との間の熱の授受の量が大きくなり金属ブロック内の温度分布が大きくなるため、例えば８．０ｍｍ以下とするのが好ましい。また、前記収容孔の数についても同様に、この数が多くなると収容孔内と外部との間の熱の授受の量が大きくなり金属ブロック内の温度分布が大きくなるため、２１個以下に抑えるのが好ましい。そして、収容孔の孔径を８．０ｍｍとし収容孔の個数を２１個とした場合にも、前記金属ブロックの材質を熱伝導率および熱拡散率の比較的大きい銅、アルミニウム、ニッケルとし、この金属ブロックの高さ、外径を前記のような値とすれば、外部の温度が上下方向および左右方向に偏っており、かつ、外部の温度が時間的に変化するような所定の条件下でも、収容孔間の温度差を小さく抑えることができる。

以上のように、本発明によれば、利便性を確保するとともにコストを小さく抑えつつ、熱電対の基準接点の温度補償精度を向上することができる。

本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明に係る熱電対基準接点補償装置の概略断面図であり、図２は図１の概略上面図である。

図１に示すように、前記熱電対基準接点補償装置１は、金属ブロック３０を有している。金属ブロック３０は、中実のブロック体である。この金属ブロック３０は、高さ方向に延びる円柱状であって旋盤により容易に製造可能な形状を有している。金属ブロック３０の材質としては、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、ステンレス等が挙げられるが、いずれの材質を用いるかは必要精度やコストに応じて適宜決定されればよい。

前記金属ブロック３０には、その上面から内部に向けて金属ブロック３０の中心軸と平行に延びる複数の収容孔３２が形成されている。各収容孔３２の深さはほぼ同一であり、これら収容孔３２の各底部３２ａの高さ方向の位置はほぼ同一となっている。図２には、例として、収容孔３２が２１個設けられた金属ブロック３０を有する熱電対基準接点補償装置１を示している。

収容孔３２には、使用時に、熱電対の基準接点１０と測温抵抗体２０とが挿入される。具体的には、図３の模式断面図および図４の断面図に示すように、前記基準接点１０は、一対の熱電対素線１１ａ，１１ｂと、一対の銅などの通常の信号導線１２ａ，１２ｂとがそれぞれ接続されることで形成された一対の基準接点１０ａ，１０ｂからなる。そして、各基準接点１０ａ，１０ｂは、前記熱電対素線１１ａ，１１ｂの一部と信号導線１２ａ，１２ｂの一部とが無機絶縁材である絶縁碍子１３に設けられた碍子孔１３ａに挿入されることで互いに絶縁された状態で、かつ、基準接点１０ａ，１０ｂ自身がエポキシ樹脂等の合成樹脂で覆われた状態で、前記収容孔３２に挿入される。絶縁碍子１３は、前記エポキシ樹脂に連なっており収容孔３２に収容可能な略円柱状に形成されている。前記測温抵抗体２０についても同様に、当該測温抵抗体２０に接続される各信号導線２１が絶縁碍子２３により互いに絶縁された状態で、かつ、当該測温抵抗体２０自身がエポキシ樹脂等の合成樹脂で覆われた状態で、収容孔３２の底部３２ａに収容される。測温抵抗体２０は、４線式であってもよいし、精度の低下を許容できる場合は３線式であってもよい。

そして、本装置１では、測温抵抗体２０により収容孔３２の底部３２ａの温度が測定され、この温度が基準接点１０の温度として使用される。特に、本装置１では、前述のように収容孔３２が３個以上設けられており、１本または複数本の測温抵抗体２０が収容孔３２にそれぞれ挿入され、残りの収容孔３２に複数の熱電対の基準接点１０がそれぞれ挿入されることで、複数の熱電対の基準接点１０が同時に測定可能となっている。例えば、前述のように、２１個の収容孔３２を有する装置１では、測温抵抗体２０が２本の場合、１９本の熱電対の基準接点の補償装置となる。

ここで、収容孔３２の各底部３２ａは、それぞれ金属ブロック３０の内部に設けられている。この金属ブロック３０は、熱伝導率が大きく、また熱拡散率が大きいため、内部温度が均一になり易く、外部の雰囲気温度の時間変化や、一方向の雰囲気温度が高温または低温状態となる温度の偏り、またはこれらが組み合わさった外乱に対して、その内部に温度分布が生じ難いという特性を有している。そのため、測温抵抗体２０が収容された底部３２ａの温度と、基準接点１０が収容された底部３２ａの温度との差は非常に小さく、測温抵抗体２０により測定されたこの測温抵抗体２０が収容された底部３２ａの温度によって基準接点１０の温度が高精度で補償されることになる。

しかしながら、前記金属ブロック３０内部の温度分布を全くなくすることはできない。これに対して、図１に示す装置１では、前記金属ブロック３０の側面に断熱材４０が巻きつけられており、金属ブロック３０内の温度分布が最小に抑えられるよう構成されている。具体的には、断熱材４０は、断熱材４０の外側に設けられた金属板５０で覆われることにより金属ブロック３０の側面に固定されている。

このように、前記断熱材４０が設けられていれば、雰囲気温度が急激に変化した場合でも、断熱されているために金属ブロック３０の表面温度は断熱材４０のない場合に比べて緩やかに変化する。表面温度が急激に変化すると、表面と中心部に温度差が生じて誤差となる（基準接点１０の位置の温度と測温抵抗体２０の位置の温度に差ができる）が、断熱材４０があるとこの温度差が低く抑えられる。また、雰囲気温度に偏りがある場合でも、断熱材４０のある場合は、この偏りが断熱材４０により平均化されて、金属ブロック３０の表面では小さな偏りとなる。このため、雰囲気温度の偏りにより生じる金属ブロック３０内の温度分布は、断熱材４０のない場合に比べて低く抑えられ、前記測温抵抗体２０による測定温度と基準接点１０の温度との差はより一層小さく抑えられる。

なお、前記金属ブロック３０内に温度分布を生じさせる原因となるのは、雰囲気温度の時間変化と雰囲気温度の偏りであるが、前述のように、収容孔３２の底部３２ａの高さ方向の位置は全て同一である。そのため、特に、雰囲気温度がこの高さ方向に偏った場合に、この偏りが各底部３２ａに与える影響、ひいては、前記基準接点１０と測温抵抗体２０とに与える影響は小さいので、金属ブロック３０の上面および下面への断熱材４０の設置は必ずしも必要ではない。

さらに、本装置１には、平均処理手段６０が設けられている。この平均処理手段６０は、装置１に複数本の測温抵抗体２０が設けられた場合に、各測温抵抗体２０で測定された複数の温度の平均値を算出するものである。そして、本装置１では、この平均処理手段６０で算出された平均値を基準接点１０の温度とすることで、基準接点１０の誤差をより小さくする。すなわち、測温抵抗体２０自体の測定誤差を除くと、基準接点１０の温度の誤差は、基準接点１０の位置の温度と測温抵抗体２０の位置の温度との差であり、この誤差を小さくするには、金属ブロック３０に生じる温度分布を小さくすることに加え、測温抵抗体２０の測定値を、複数の基準接点１０の位置の温度の平均温度に近い値とすることが望ましい。測温抵抗体２０をその位置が径方向および周方向に異なる複数本とすることにより、１本の場合に比べ、より正確に、複数個設けられている基準接点１０の位置の平均に近い温度を求めることができる。例えば、測温抵抗体２０が１本の場合であって、その温度が複数の基準接点１０の最高温度または最低温度に近い値であった場合に比べ、前記のように複数の測温抵抗体２０で平均に近い温度を求める場合は、誤差が約半分に減少する。

次に、以上のように構成された本発明に係る熱電対基準接点補償装置１の効果について定量的に説明する。ここでは、雰囲気温度の時間変化および偏りに対する前記金属ブロック３０の収容孔３２の底部３２ａでの最大温度差、つまり、底部３２ａの温度が最大となる収容孔３２と最小となる収容孔３２の底部の３２ａの温度の差を有限要素計算により解析することで、本装置１の効果を確認した。

まず、解析に用いた前記金属ブロック３０の形状について説明する。本解析に用いた金属ブロック３０の各パラメータは以下の通りである。

金属ブロック３０の材質：銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス。
金属ブロック３０の外径Ａ：８０ｍｍ、１００ｍｍ、１４０ｍｍ。
金属ブロック３０の高さＥ：１５０ｍｍ。
断熱材４０の厚さＣ：０ｍｍ、３０ｍｍｍ、５０ｍｍ（なお、いずれも金属ブロック３０の上下面には断熱材は設けない）。
収容孔３２の孔径Ｂ：４．８ｍｍ、８ｍｍ。
収容孔３２の深さＤ：１００ｍｍ。
収容孔３２の孔数：２１個。
金属ブロック３０の中心から最も外側の収容孔３２の中心までの距離（図２のＦ）：３２ｍｍ。

金属ブロック３０では、その表面に近づくほど外部の雰囲気温度の影響をより強く受ける。そのため、金属ブロック３０内の温度分布はその表面（側面および上下面）ほど単位長さあたりの温度変化が大きい。

そこで、本解析では、収容孔３２間の温度差が小さくなるように、最も外側の収容孔３２の径方向の位置を金属ブロック３０の外半径の８０％として、各収容孔３２の位置を金属ブロック３０の側面からある程度離間させた。具体的には、前記のように、金属ブロック３０の中心から最も外側の収容孔３２の中心までの距離Ｆを、金属ブロック３０の外径のうち最も小さい８０ｍｍを基準として４０ｍｍ×０．８＝３２ｍｍとした。

同様に、収容孔３２の深さＤを金属ブロック３０の高さＥの５０％から８０％として、各収容孔３２の位置を金属ブロック３０の上下面からある程度離間させた。

ここで、収容孔３２がない場合の金属製のブロック体においては、その中心部が最も温度変化が小さくなるが、本装置１のように収容孔３２が設けられている金属ブロック３０では、収容孔３２に挿入される基準接点１０および測温抵抗体２０に接続される熱電対素線１１、信号導線１２，２１や絶縁碍子１３，２３を伝わって外部の熱が収容孔３２の内部に侵入する。そのため、雰囲気温度に左右方向の偏りがあると、基準接点１０の温度と測温抵抗体２０の温度との差が大きくなるので、前記外部からの熱の侵入を小さくすべく、前記収容孔３２の深さＤを金属ブロック３０の高さＥの１／２より深くすることが望ましい。そこで、本解析では、前記収容孔３２の深さＤを金属ブロック３０の高さＥの２／３（１５０ｍｍ×２／３＝１００ｍｍ）とした。

収容孔３２の孔径Ｂについては、基準接点１０および測温抵抗体２０とともに、これらに接続される熱電対素線１１あるいは信号導線１２，２１といった４本の線を互いに絶縁した状態で挿入可能な大きさが必要である。そこで、本解析では、前記収容孔３２の孔径Ｂを、前記熱電対素線等が前記状態で挿入可能な４．８あるいは８．０ｍｍとした。前者は、外径が約０．８ｍｍの細径の熱電対素線、信号導線および外径が約２．８ｍｍの測温抵抗体を用いる場合の孔径であり、後者は、外径が約１．３ｍｍの熱電対素線、信号導線および外径が２．８〜６．０ｍｍの測温抵抗体を用いる場合の孔径である。

前記金属ブロック３０の外径Ａについては、その値を大きくするほど精度は向上するが、コストが上昇する。そこで、本解析では、製造コストを抑えつつ精度を確保できる大きさとして１４０ｍｍを上限とした。

次に、雰囲気温度の変化および偏りの与え方について説明する。

ケース１として、雰囲気温度を時間的に変化させた。具体的には、雰囲気温度を１５分間で全体に１０℃から６５℃まで上昇させた。また、ケース２およびケース３として、雰囲気温度に偏りを与えた。具体的には、ケース２では、一方向（左右または前後方向）の側面の雰囲気温度を他の面の雰囲気温度よりも１０℃高くし、ケース３では、上面の雰囲気温度を底面の雰囲気温度よりも１０℃高くした。これらの条件は、雰囲気温度の変化および偏りとしては、最も厳しい部類に属するケースである。

前述のようなパラメータを有する金属ブロック３０について、前記ケース１、２、３のような雰囲気温度の変化および偏りを与えたときの本解析結果、すなわち、有限要素計算により解析した、底部３２ａの温度が最大となる収容孔３２と最小となる収容孔３２の底部３２ａの温度の差を表１に示す。この表１に示す温度差は、小数点以下第３位を四捨五入したものである。後述する測温抵抗体自身の誤差や工業的なニーズの面から、０．０１℃以下の誤差評価は意味が薄いので、表１において、０．０１℃以下となった結果については０．０１℃と記載している。これは、他の表も同じである。

さらに、表２に、表１のケース１〜３の解析結果の２乗和の平方根を示す。前述のように、ケース１は雰囲気温度の時間変化、ケース２は雰囲気温度の前後左右方向の偏り、ケース３は雰囲気温度の高さ方向の偏りに対する温度差を表すものであるので、表２の各値には雰囲気温度に起因する誤差が全て含まれており、雰囲気温度の変化に対する基準接点１０の温度の総合誤差が表されているといえる。

前記基準接点１０の温度の誤差としては、前記算出された誤差の他に測温抵抗体２０自身の測定誤差があり、ＪＩＳ規定では最小の誤差として０．１５℃の測温抵抗体（ＪＩＳＣ１６０４）が規定されている。

表２から、この測温抵抗体２０自身の誤差を十分に下回る誤差約０．１℃程度を実現するパラメータを抽出すると、次のようになる。なお、金属ブロック３０の高さＥは１５０ｍ、収容孔３２の深さＤは１００ｍｍ、金属ブロック３０の中心から最も外側の収容孔３２の中心までの距離Ｆは３２ｍｍ、収容孔３２の数は２１個である。

金属ブロック３０の材質が銅、アルミニウム、ニッケルの場合には、金属ブロック３０の外径Ａを８０ｍｍ以上、収容孔３２の孔径Ｂを８ｍｍ以下とすれば、断熱材４０を設けずとも、誤差０．１℃以下を実現することができる。

一方、金属ブロック３０の材質がステンレスの場合には、金属ブロック３０の外径Ａを８０ｍｍ以上、収容孔３２の孔径Ｂを８ｍｍ以下とし、断熱材４０を３０ｍｍ以上設ければ、誤差約０．１℃を実現することができる。

さらに、前記測温抵抗体としては、前記ＪＩＳ規定よりもさらに高精度のものとして誤差が０．０５℃程度のものもあるが、本装置１では、以下のようなパラメータを抽出すれば、この０．０５℃の誤差を十分に下回る誤差約０．０２℃程度を実現することができる。なお、前記と同様に、金属ブロック３０の高さＥは１５０ｍ、収容孔３２の深さＤは１００ｍｍ、金属ブロック３０の中心から最も外側の収容孔３２の中心までの距離Ｆは３２ｍｍ、収容孔３２の数は２１個である。

金属ブロック３０の材質が銅、アルミニウムの場合には、金属ブロック３０の外径Ａを８０ｍｍ以上、収容孔３２の孔径Ｂを８ｍｍ以下とすれば、断熱材４０を設けずとも、誤差０．０２℃以下を実現することができる。

一方、金属ブロック３０の材質がニッケルの場合には、金属ブロック３０の外径Ａを８０ｍｍ以上、収容孔３２の孔径Ｂを８ｍｍ以下とし、断熱材４０を５０ｍｍ設ければ、誤差０．０２℃以下を実現することができる。

なお、表１において、ケース３における温度差は特に小さいが、これは、前述のように、前記収容孔３２の底部３２ａの高さ方向の位置が同一であり、この高さ方向の温度の偏りの影響が小さく抑えられるためと考えられる。

表３に、外径Ａが８０ｍｍ、高さＥが１５０ｍｍ、収容孔３２の孔径Ｂが４．８ｍｍ、収容孔３２の深さＤが１００ｍｍ、収容孔３２の孔数が２１個の金属ブロック３０であって、金属ブロック３０の中心から最も外側の収容孔３２の中心までの距離Ｆを３６ｍｍとし、収容孔３２の位置を前記のよりも金属ブロック３０の表面に近づけた装置１について解析した結果を示す。この表３に示す温度差と、表１に示す温度差のうち、金属ブロック３０の中心から最も外側の収容孔３２の中心までの距離Ｆ以外のパラメータが全て同じものの結果とを比較すると、表１の温度差の方が小さいことがわかる。これは、金属ブロック３０の内側の方が、より温度分布が生じにくいことを表している。

また、表４に、外径Ａが８０ｍｍ、高さＥが１５０ｍｍ、収容孔３２の孔径Ｂが４．８ｍｍ、収容孔３２の深さＤが１００ｍｍ、収容孔３２の孔数が２１個であるステンレス製の金属ブロック３０において、上面の雰囲気温度を底面の雰囲気温度よりも１０℃および２５℃高くした場合の、収容孔３２の底部３２ａにおける解析結果と、金属ブロック３０の上面における解析結果とを示す。この表４には、金属ブロック３０の上面における温度差よりも収容孔３２の底部３２ａの温度差のほうが小さいことが示されており、この結果からも、金属ブロック３０の内側の方がより温度分布が生じにくいことがわかる。

前記表１と表３との比較および表４の解析結果は、本装置１の方が、従来の金属ブロックの表面に測温抵抗体と基準接点とを配置する装置よりも高精度に前記基準接点１０を測定、補償できることを示している。ここで、表３の解析結果は、収容孔３２が金属ブロック３０の内側に設けられた場合のものであり、基準接点１０および測温抵抗体２０が直接金属ブロック３０の表面に配置される場合には、前記温度差はさらに大きくなると考えられる。また、表４は、雰囲気温度に高さ方向の偏りを与えた場合についてのみの解析結果であり、雰囲気温度が時間変化する場合には金属ブロック３０の上面における温度差はさらに大きくなると考えられる。

以上のように、本熱電対基準接点補償装置１によれば、金属ブロック１０に設けられた収容部３２の底部３２ａに基準接点１０と測温抵抗体２０とが収容されることで、前記基準接点１０の温度が高精度に補償される。また、氷の供給や電気炉用の電源の準備が不要であり利便性が向上する。さらに、高価な電気炉が不要であり、前記金属ブロック１０が製作性のよい円柱状であるとともに、２本の熱電対の温度補償を一度に行うことができるよう３つ以上の収容孔３２が設けられていることで、熱電対１本あたりの装置のコストが低減する。

図５および図６に、前記熱電対基準接点補償装置１を筐体１０１内に収容した熱電対温度補償装置１００を示す。図５は、この熱電対温度補償装置１００を上下方向に切断した概略断面図であり、図６は前記熱電対温度補償装置１００を水平方向に切断した概略断面図である。図５は、縦断面の左半分を示しているが、右側は左側と同様の構造を有している。

前記金属ブロック３０には、図１に示したものと異なり、その下端部分に外側に広がる鍔部１３０が設けられている。

前記筐体１０１は、円筒形を有する筐体本体部１０２と、この筐体本体部１０２の上面に蓋をするフランジ１０４とを有している。前記金属ブロック３０、断熱材４０および金属板５０は、前記金属ブロック３０の鍔部１３０に取り付けられた吊下用丸棒１０６により、前記フランジ１０４に吊り下げられており、補修が必要になった場合等に、フランジ１０４とともに筐体本体部１０２外に取り出すことができる構造となっている。前記吊下用丸棒１０６は、９０°間隔で４本設けられている。また、前記フランジ１０４は、複数のボルトおよびナットによって前記筐体本体部１０２のフランジ部１０２ａに取り付けられている。この筐体本体部１０２およびフランジ１０４は、例えば、ステンレス製である。

前記フランジ１０４には、上下に貫通する熱電対素線貫通部１０４ａおよび信号導線貫通部１０４ｂが設けられている。そして、前記金属ブロック３０の収容孔３２に収容された前記基準接点１０に接続される熱電対素線１１は、１本毎に絶縁被覆され前記熱電対素線貫通部１０４ａに接続される。また、前記基準接点１０に接続される信号導線１２、および、前記収容孔３２に収容された前記測温抵抗体２０に接続される信号導線２１も、１本毎に絶縁被覆され前記信号導線貫通部１０４ｂに接続される。

前記熱電対素線貫通部１０４ａおよび信号導線貫通部１０４ｂは、ハーチメックシール型の貫通部で、各貫通部の外側には各１本のケーブルが接続されている。前記熱電対素線貫通部１０４ａに接続されるケーブルは、中に熱電対素線１１が通っており先端が測温接点となっている。また、前記信号導線貫通部１０４ｂに接続される２芯のケーブル２は、図示しない熱電対受信計器に接続され、４芯のケーブル４は、図示しない測温抵抗体受信計器に接続されている。

そして、この熱電対温度補償装置１００では、前記金属ブロック３０を筐体１０１内に収容した状態で、前記熱電対の基準接点１０の温度を前記測温抵抗体２０によって測定することで、基準接点１０をより高精度に補償する。すなわち、この熱電対温度補償装置１００では、外部の雰囲気温度の過酷な変化、偏りが緩和されて筐体１０１内の雰囲気温度となるので、前記金属ブロック３０内の温度差をより一層小さく抑えることが可能となる。

ここで、本発明において、前記基準接点１０は、熱電対に接続される補償導線と信号導線１２との接続部分で構成されている場合もある。

また、前記基準接点１０と前記測温抵抗体２０およびこれらに接続される各線の前記収容孔３２への挿入方法は前記に限らない。例えば、図７および図８に示すように、無機絶縁材の粉末２１３が充填された金属シース２１４内に基準接点１０や測温抵抗体２０や各線１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂが、それぞれ絶縁された状態で挿入され、内部に湿分が侵入しないように両端がエポキシ等でシールされていてもよいし、図８のように、収容孔３２に直接無機絶縁材の粉末２１３が充填されており、この無機絶縁材の粉末２１３内に基準接点１０等が挿入されていてもよい。

また、前記収容孔の配置や数は、前記に限らない。例えば、収容孔を、図９に示すように、金属ブロック３３０の中心軸を中心とする同心円周上に配置して（図では２つの同心円周上に配置）、各円周上の収容孔３３２の１つに測温抵抗体２０を収容し、残りに基準接点１０を収容し、前記測温抵抗体２０により測定された値を同一円周上の基準接点１０の温度とすれば、表１のケース１のような雰囲気温度の時間変化に対する基準接点１０の誤差を大きく軽減することができる。すなわち、ケース１のように雰囲気温度が時間変化した場合には、主に金属ブロック３３０内に径方向の温度分布が生じることにより誤差が発生する。従って、前記のように同心円周上に配置された収容孔３３２間には、この温度分布の影響が生じないので、誤差を大幅に低減することが可能となる。

また、前記金属ブロック３０、断熱材４０の具体的な材質および形状、前記収容孔３２の形状等は前記に限らない。例えば、断熱材４０は前記金属ブロック３０の側面に加えて金属ブロック３０の上面および下面に設けられていてもよい。

さらに、前記断熱材４０および金属板５０は省略可能である。

本発明に係る熱電対基準接点補償装置の概略断面図である。図１の概略上面図である。基準接点および測温抵抗体の挿入方法を説明するための模式図である。図３の部分断面図である。本発明に係る熱電対基準接点補償装置が収容された熱電対温度補償装置の上下方向の概略断面図である。図５に示す熱電対温度補償装置の水平方向の概略断面図である。基準接点および測温抵抗体の他の挿入方法を説明するための説明図である。基準接点および測温抵抗体の他の挿入方法を説明するための説明図である。図１に示す熱電対基準接点補償装置の他の実施形態を示す概略上面図である。熱電対の測定構成の例を示す模式図である。熱電対の測定構成の他の例を示す模式図である。

符号の説明

１熱電対基準接点補償装置
１０基準接点
２０測温抵抗体
３０金属ブロック
３２収容孔
３２ａ底部
４０断熱材
５０金属板
６０平均処理手段
１００熱電対温度補償装置
１０１筐体

Claims

熱電対の基準接点の温度を補償する熱電対基準接点補償装置であって、
熱電対の基準接点と、
抵抗値の変化に基づき温度を測定する測温抵抗体と、
略円柱状を有する中実の金属製の金属ブロックとを備え、
前記金属ブロックは、当該金属ブロックの上面から当該金属ブロックの内部に延びて、前記基準接点と前記測温抵抗体とがそれぞれ底部に挿入されることで前記基準接点と測温抵抗体とを前記金属ブロックの内部に保持可能な収容孔を有し、
前記収容孔は、３つ以上設けられており、
前記収容孔に挿入された前記測温抵抗体により測定された温度を前記熱電対の基準接点の温度とすることを特徴とする熱電対基準接点補償装置。
請求項１に記載の熱電対基準接点補償装置であって、
前記収容孔は、当該収容孔の中心軸と前記金属ブロックの中心軸との距離が前記金属ブロックの外半径の８０％以内となる位置に設けられることを特徴とする熱電対基準接点補償装置。
請求項１または２に記載の熱電対基準接点補償装置であって、
前記収容孔の深さが前記金属ブロックの高さの５０％以上かつ８０％以下であることを特徴とする熱電対基準接点補償装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の熱電対基準接点補償装置であって、
前記複数の収容孔の底部の高さ方向の位置が互いに略同一であることを特徴とする熱電対基準接点補償装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の熱電対基準接点補償装置であって、
前記金属ブロックの周囲に断熱材が設けられることを特徴とする熱電対基準接点補償装置。
請求項１〜５のいずれかに記載の熱電対基準接点補償装置であって、
前記収容孔に収容される測温抵抗体を複数備えるとともに、
当該複数の測温抵抗体によりそれぞれ測定された温度の平均値を算出する平均処理手段を有し、
当該平均処理手段で算出された各温度の平均値を前記基準接点の温度とすることを特徴とする熱電対基準接点補償装置。
請求項１〜６のいずれかに記載の熱電対基準接点補償装置であって、
前記金属ブロックの材質が、銅またはアルミニウムまたはニッケルまたはステンレスのいずれかであることを特徴とする熱電対基準接点補償装置。
請求項１〜６のいずれかに記載の熱電対基準接点補償装置であって、
前記金属ブロックの材質が、銅またはアルミニウムまたはニッケルであり、
前記金属ブロックの高さが１４０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下であり、
前記金属ブロックの外径が８０ｍｍ以上であり、
前記収容孔の孔径が８．０ｍｍ以下であり、
前記収容孔の個数が２１個以下であることを特徴とする熱電対基準接点補償装置。