JP5030816B2 - 温度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定環境に設けられた熱電対が接続される少なくとも一対の接続端子を備え、熱電対の出力を補償して前記測定環境の温度検出する温度検出装置に関する。

熱電対を用いた温度検出装置は、一般的には図４に例示するように、温度測定環境（温度検出対象）Ａに設けられる熱電対ＴＣが接続される一対の接続端子１ａ,１ｂを備えると共に、上記接続端子（基準接点、略してＲＪという。冷接点と呼ばれることもある）１ａ,１ｂの近傍の温度を検出する温度測定素子２を備える。そして前記接続端子１ａ,１ｂを介して検出される前記熱電対ＴＣの出力（起電力）を、前記温度測定素子２にて検出される温度（ＲＪの温度と看做される温度）に応じて基準接点補償して前記温度測定環境Ａの温度を求めるように構成される［例えば特許文献１を参照］。尚、ここでいう基準接点補償とは、熱起電力実測値と基準熱起電力（基準接点が０℃のときの熱起電力）との差異を補償することである。この差異は、温度測定装置の基準接点（接続端子）が０℃ではないことに起因して生じるものである[例えば非特許文献１参照]。

ちなみに前記温度測定素子２は、例えば温度検出装置の筐体３内に組み込まれる回路基板４に搭載されて前記接続端子１ａ,１ｂの近傍に位置付けられる。またこの回路基板４には、例えば前記熱電対ＴＣの出力（起電力）、および前記温度測定素子２の出力をそれぞれデジタル変換して取り込むＡ／Ｄ変換器５や、基準接点補償機能を備えて検出装置本体６を構成するマイクロプロセッサ等が搭載される。更にこの筐体３内には、例えば上記検出装置本体６を駆動する電源回路７等が組み込まれる。

尚、図中８は商用電源が接続される電源端子であり、また９は前記検出装置本体６にて検出された温度情報を出力する出力端子である。また複数の対象物体の温度を検出する複数チャンネル型の温度検出装置においては、対象物体の数に応じた数の熱電対を接続できるように、複数対の接続端子およびそれに対応した検出装置本体が設けられることは言うまでもない。
特開平５−５３６５７号公報 日本工業規格ＪＩＳＣ１６０２−１９９５

ところで前記温度測定素子２により検出される温度は、前記熱電対ＴＣにおける基準接点側の温度を規定するものであるから、検出対象Ａの周囲環境温度、若しくはこれに相当する温度を正確に検出し得ることが望ましい。しかしながら温度検出装置の筐体３内には、前述したマイクロプロセッサや電源回路７等を構築する半導体素子等の発熱部品も組み込まれるので、これらの発熱部品から発生した熱が温度測定素子２に伝導し、その検出に悪影響を与える。そこで従来一般的には、前記温度測定素子２を外気に露出させて設けたり、温度測定素子２が配置されている回路基板の一部にスリットを設けて回路基板を介した温度測定素子２への熱伝導を減じる等の工夫を施している。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、熱電対が接続される一対の接続端子の近傍に設けられた基準接点補償用の温度測定素子に対する内部発熱の影響を抑え、熱電対に対する基準接点補償の精度を高めて高精度な温度検出を行い得る簡易な構成の温度検出装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る温度検出装置は、温度測定環境に配置された熱電対が接続される少なくとも一対の接続端子を備えた筐体と、この筐体に設けられて前記接続端子の近傍の温度を検出する温度測定素子と、前記筐体に組み込まれて前記温度測定素子にて検出される温度を用いて前記熱電対を補償して前記温度測定環境の温度を検出する検出装置本体とを具備したものであって、
特に前記検出装置本体における発熱部品を搭載して前記筐体内部に組み込まれる第１の基板と、前記温度測定素子を搭載して該温度測定素子を前記接続端子の近傍に位置付ける第２の基板との間に、前記第２の基板を前記発熱部品から熱的に隔離し得る第３の基板を設けたことを特徴としている。

また本発明に係る別の温度検出装置は、熱電対が接続される少なくとも一対の接続端子を備えた筐体と、前記接続端子の近傍の温度を検出する温度測定素子と、前記温度測定素子にて検出される温度を用いて前記熱電対を補償する検出装置本体とを具備したものであって、
特に前記検出装置本体における電気回路を搭載して前記筐体内部に組み込まれる第１の基板と、前記温度測定素子を搭載して該温度測定素子を前記接続端子の近傍に位置付ける第２の基板との間に、通電状態において前記第１の基板よりも発熱量の小さい第３の基板、若しくは通電状態において前記第１の基板よりも最高表面温度の低い第３の基板を設けたことを特徴としている。

ちなみに前記第１および第２の基板は、箱形の筐体における相対向する側壁面に沿ってそれぞれ縦置き配置されるものであって、前記第３の基板は、前記筐体の内部における前記第１および第２の基板の収納空間を熱的に区画して設けられるダミー基板からなる。

上記構成の温度検出装置によれば、前記筐体の内部における前記第１および第２の基板の収納空間を熱的に区画して第３の基板を設けると言う簡易な構成にて、第２の回路基板に搭載された温度測定素子への熱的な影響を効果的に抑えることができる。勿論、上記の従来技術と組み合わせて、更なる効果向上を期することも可能である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る温度検出装置について説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る温度検出装置の外観を示す背面側から見た斜視図である。図１に示すようにこの温度検出装置は、箱形の筐体１１の背面側に複数の端子を上下方向に２列に亘って配列した端子台１２を備えている。この端子台１２に設けられる端子は、後述する熱電対（ＴＣ）が接続される一対の接続端子（ＲＪ）１３ａ,１３ｂや、商用電源が接続される一対の電源端子１４ａ,１４ｂ、更には温度制御機器等が接続される一対の出力端子等からなる。尚、ここでは１個の熱電対を接続する一対の接続端子１３ａ,１３ｂを備える温度検出装置について説明するが、２個以上の熱電対をそれぞれ接続する複数対の接続端子１３ａ,１３ｂを備えた、いわゆる多チャネル型の温度検出装置であっても良い。

さて前記筐体１１の内部には、図２に筐体１１のカバーを外した状態を示すように、３枚の回路基板２１,２２,２３が縦向きに平行に並べて収容されるようになっている。これらの各回路基板２１,２２,２３は、筐体１１の前面パネル１１ａに設けられた基板ホルダ１１ｂにてその前端側両縁部を支持されて前記筐体１１に着脱自在に設けられたものであって、その後端側には前記端子台１２に突出する端子部を備えている。これらの各回路基板２１,２２,２３として同一の輪郭形状で、且つ同一の材質の基板を用いれば、量産上のコストを低減するために有効であるが、異なる輪郭形状・材質の基板を用いても構わない。

特に本発明に係る温度検出装置においては、上記３枚の回路基板２１,２２,２３の内、前記筐体１１の一側壁面（正面から見て右側面）に沿って位置付けられる第１の回路基板２１は、主として発熱部品３１を搭載する回路基板としてその役割が定められている。尚、ここでは室温環境において通電後、温度が上昇して平衡に達した状態において、その表面温度が周囲の温度よりも高い部品を「発熱部品」と呼ぶ。表面温度が周囲の温度よりも高い部品については、例えばサーモグラフィを用いて観察すれば容易に判断することができる。

また前記筐体１１の他側壁面（正面から見て左側面）に沿って位置付けられる第２の回路基板２２は、前記熱電対（ＴＣ）の基準接点補償用の温度測定素子（温度センサ）３２を搭載し、且つ発熱部品を搭載することのない回路基板としてその役割が定められている。そしてこれらの第１および第２の回路基板２１,２２の間に位置付けられる第３の回路基板２３は、前記第１の回路基板２１に搭載された発熱部品３１から発せられる熱の、前記温度測定素子（温度センサ）３２が搭載される第２の回路基板２２への伝達を遮断する為の回路基板としてその役割が定められている。

具体的には前記第１の回路基板２１には、電源回路を構築するトランジスタ等の発熱部品（発熱素子）や、マイクロプロセッサ等の発熱部品（発熱素子）３１が搭載され、温度検出装置の本体部が構築されている。またこの第１の回路基板２１の後端部には、前記電源端子１４ａ,１４ｂや出力端子等が前記端子台１２に突出して位置付けられるように設けられる。尚、図２は電源端子１４ａ,１４ｂと回路基板２１との位置関係を示すものであり、実際には金属製の電源端子１４ａ,１４ｂは、前記端子台１２を介して絶縁性を有する筐体１１に機械的に固定され、電源端子１４ａ,１４ｂから延びた接触子が回路基板２１上の回路パターンと接触して電気的に接続される。

一方、前記第２の回路基板２２の後端部には、前記端子台１２に突出して位置付けられるように前記熱電対（ＴＣ）を接続する為の一対の接続端子（ＲＪ）１３ａ,１３ｂが並べて設けられる。尚、図２は接続端子１３ａ,１３ｂと回路基板２２との位置関係を示すものであり、実際には金属製の接続端子１３ａ,１３ｂは、前記端子台１２を介して絶縁性を有する筐体１１に機械的に固定され、接続端子１３ａ,１３ｂから延びた接触子が回路基板２２上の回路パターンと接触して電気的に接続される。

更にこの第２の回路基板２２には、上記接続端子１３ａ,１３ｂに近接させて前記温度測定素子（温度センサ）３２が設けられている。そして前記接続端子１３ａ,１３ｂを介して検出される熱電対（ＴＣ）の出力、および前記温度測定素子（温度センサ）３２の出力は、第２の回路基板２２から図示しない信号線を介して前述したマイクロプロセッサ等により構築される温度検出装置の本体部に導かれるようになっている。

尚、熱電対（ＴＣ）や温度測定素子（温度センサ）３２の出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器等の発熱が問題とならないような場合には、これらの電子回路素子（電子部品）を前記温度測定素子（温度センサ）３２と共に第２の回路基板２２に搭載しても良いことは言うまでもない。また前記第３の回路基板２３については、第１の回路基板に比べて発熱部品の搭載量の少ない基板を用いるようにすれば良い。これにより、通電状態において前記第１の基板よりも発熱量の小さい基板、あるいは通電状態において前記第１の基板よりも最高表面温度の低い基板を実現することが可能である。尚、通電状態とは、温度検出装置を機能させるために外部から給電を行っている状態をいう。

仮に２種類（或いはそれ以上）の回路基板があり、どちらを第１の基板とし、第３の基板とするかが不明な場合には、次の試験によって決定することができる。
(１) 基板どうしの発熱量の比較は、次の簡易な方法で行うことができる。即ち、容積や断熱条件が同一の２つの密閉箱を準備し、それぞれに基板を１枚ずつ入れて通電し、密閉箱内の温度を測定する。そして所定時間内の温度上昇の大きい方、或いは安定に達した温度が高い方を発熱量の大きい基板と認定する。このようにすれば２種類の基板のうちのどちらを第１の基板とし、第３の基板として用いるかを容易に決定することができる。
(２) 基板どうしの最高表面温度の比較は、次の簡易な方法で行うことができる。即ち、無風の室内において、２種類の基板を互いに熱的影響を与えない程度に離して並置し、基板の表面温度が十分に安定するまで通電を継続し、それぞれの基板全体の表面温度をサーモグラフィで測定する。そして各基板の面積の中に現れる最も高い温度をその基板の最高表面温度として認定する。このようにすれば２種類の基板のうちのどちらを第１の基板とし、第３の基板として用いるかを容易に決定することができる。

通常は上記(１)または(２)の試験のいずれかによって基板の認定を行えば良いが、仮に(１)および(２)の両方の試験を行った結果、両者に矛盾が生じた場合には、温度測定素子３２への影響を検討して基板の認定を行う必要がある。即ち、基板上の最高表面温度を示す部分が筐体１１中において温度測定素子３２の近傍に位置する場合、その最高表面温度を示す部分からの熱輻射によって温度測定素子３２が影響を受けるので、その基板を第１の基板として用いる。逆に基板上の最高表面温度を示す部分が筐体１１中において温度測定素子３２から離れた位置にある場合には、熱輻射の影響は小さくなるので、その基板を第３の基板として用いれば良い。若しくは、第３の基板としては部品そのものを搭載することのない、つまり自ら通電発熱することのない、いわゆるダミー基板を用いても十分である。このような第３の回路基板２３によって前記筐体１１の内部における前記第１および第２の回路基板２１,２２の収納空間が熱的に区画されている。

かくしてこのように構成した温度検出装置によれば、図３(ａ)に示すように第１の回路基板２１に搭載した発熱部品３１から発せられる熱を、第３の回路基板２３によって遮断し、温度測定素子（温度センサ）３２を搭載した第２の回路基板２２への熱伝達を効果的に阻止することができる。ちなみに第１および第２の回路基板２１,２２の間に第３の回路基板２３を設けることのない従来の装置においては、図３(ｂ)に示すように発熱部品３１から発せられる熱が主に輻射および伝達・対流によって第２の回路基板２２に伝わり、更にその熱が第２の回路基板２２をを介して温度測定素子（温度センサ）３２に伝導することが否めない。

しかも前述した３枚の回路基板２１,２２,２３が縦向きに並べて配置されているので、発熱部品３１の発熱により温められた第１の回路基板２１の周囲の空気が、該第１の回路基板２１に沿って上下方向に流れるだけであり、その空気流自体も第３の回路基板２３によって第２の回路基板２２側への廻り込みが阻止される。従って発熱部品３１が搭載される第１の回路基板２１と、温度測定素子（温度センサ）３２が搭載される第２の回路基板２２との間に、第３の回路基板２３を設けると言う簡易に構成により、装置本体の内部発熱から前記温度測定素子（温度センサ）３２を熱的に効果的に遮断することができる。この結果、温度測定素子（温度センサ）３２による温度（熱電対の基準接点温度と看做される温度）の検出精度を高めることができ、熱電対（ＴＣ）の出力に対する基準接点補償を高精度に行うことが可能となる。

ちなみに昼夜に亘ってその周囲温度が変化する環境において、予め設定した基準温度に対する熱電対（ＴＣ）の出力に基づく温度検出値の変動について調べたところ、第３の回路基板２３を備えることのない温度測定装置であって最大［１.７４℃］の温度差が検出された従来の温度測定装置に第３の回路基板２３を設けたとき、その温度差を最大［１.１５℃］に抑え得ることが確認できた。また同様に最大［２.８６℃］の温度差が検出された従来の温度測定装置に第３の回路基板２３を設けたとき、その温度差を最大［２.０６℃］に抑え得ることが確認できた。この実験結果から、第３の回路基板２３を設けることによって、第１の回路基板２１に搭載された発熱部品３１による温度測定素子（温度センサ）３２への熱的影響を軽減し、熱電対（ＴＣ）の出力に対する基準接点補償の精度を高め得ることが確認できた。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。実施形態では温度検出装置の筐体１１が備える回路基板の空きスロットを利用して第３の回路基板２３を設けたが、筐体１１自体に第１および第２の回路基板２１,２２の収納空間を熱的に区画する隔壁を設けることも可能である。しかしこの場合にも上記隔壁を筐体１１に対して着脱自在に設けることか望ましく、従ってこの種の隔壁も本願における第３の回路基板に相当すると看做し得る。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。当然のことながら、本発明の温度検出装置を利用して検出対象Ａの温度制御を行う温度制御装置を構成することも可能である。

本発明の一実施形態に係る温度検出装置の外観を示す背面側から見た斜視図。 図１に示す温度検出装置のカバーを外した状態での筐体の内部構造を示す図。 図１に示す温度検出装置における回路基板間での熱の伝達経路を模式的に示す図。 熱電対を用いた温度検出装置の概略構成図。

符号の説明

１１ 筐体
１１ｂ 基板ホルダ
１２ 端子台
１３ａ,１３ｂ 接続端子
１４ａ,１４ｂ 電源端子
２１ 第１の回路基板
２２ 第２の回路基板
２３ 第３の回路基板（ダミー基板）
３１ 発熱部品
３２ 温度測定素子（温度センサ）
ＴＣ 熱電対
ＲＪ 温度測定素子（温度センサ）

Claims (1)

1. 温度測定環境に配置された熱電対が接続される少なくとも一対の接続端子を備えた箱形の筐体と、この筐体に設けられて前記接続端子の近傍の温度を検出する温度測定素子と、前記筐体に組み込まれて前記温度測定素子にて検出される温度を用いて前記熱電対を補償して前記温度測定環境の温度を検出する検出装置本体と、を具備した温度検出装置において、
   前記筐体の一方の側壁面に沿って縦置き配置され、前記検出装置本体における発熱部品を搭載し、前記筐体内部に着脱自在に設けられた第１の基板と、
   前記筐体の一方の壁面に相対向する前記筐体の他方の側壁面に沿って縦置き配置され、前記第１の基板と同一の輪郭形状で且つ同一の材質であり、前記温度測定素子を搭載して該温度測定素子を前記接続端子の近傍に位置付け、前記筐体内部に着脱自在に設けられた第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置され、前記第１の基板及び前記第２の基板と同一の輪郭形状で且つ同一の材質であり、前記筐体の内部における前記第１の基板および前記第２の基板の収納空間を熱的に区画して前記第２の基板を前記発熱部品から熱的に隔離し得るように、前記筐体内部に着脱自在に設けられた第３の基板と、を備える、ことを特徴とする温度検出装置。
   

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