JP5172858B2

JP5172858B2 - 熱電対回路並びにその形成のための方法及びシステム

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Publication number: JP5172858B2
Application number: JP2009542766A
Authority: JP
Inventors: エムエイデルスバーグ，リー; エムドロスダク，ジョン; アールグルゼシク，ポール; エイナットソン，トルーディー; エムラインマン，デイヴィッド; ビーレイマン，ケヴィン
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Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2013-03-27
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Description

本発明は全般的には熱電対に関し、さらに詳しくは、低減された熱電対ドリフトレベルを示す熱電対回路を形成するためのシステム及び方法に関する。

従来の熱電対は一般に組成の異なる２つの熱電素子を相互に物理的に結合することによって作製される。熱電素子は一般に異なる金属ワイヤであり、ワイヤの末端はねじり合わされるか、または別の方法で結合される。結合されたワイヤの接合部とワイヤの遠隔部分の間の温度差はそれぞれのワイヤの対向端間に電圧を発現させるであろう。次いで電圧を検出するために電圧測定装置（例えば電圧計）を回路に接続することができ、電圧は温度に相関される。熱電対の性能及び確度は回路の全長に沿う、特に熱電対素子（例えばワイヤ）の、物理的特性及び化学的特性のいずれの一様性にも依存する。熱電素子材料が作製されるときには、この一様性（または均一性）の達成を保証するために慎重な工程がとられる。しかし、使用において、熱電材料内の化学種の拡散または移動の結果、熱電素子の化学組成に変化が生じ、よって熱電対性能のドリフトまたは誤差が生じ得る。

例えば、図１に示されるような、一例としての従来のＢタイプ熱電対は、９４％の白金と６％のロジウムの合金である化学組成を有する第１のワイヤ１０を有する。熱接点３０で第１のワイヤに物理的に結合された第２のワイヤ２０は７０％の白金と３０％のロジウムの合金を含む。熱接点３０は８０％の白金と２０％のロジウムを含む導電性基板４０に結合されて示されている。周知のゼーベック効果の結果として、熱接点に対向するそれぞれのワイヤの末端にかけて電圧が発現し、この電圧は主としてワイヤの長さに沿う温度勾配の結果である。電圧は、電圧計のような、通常の電圧測定装置で読み取ることができ、電圧は基板の温度に相関される。

そのような従来のシステムからのデータの解析は、この例示熱電対構造が、ほぼ１６５０℃の温度のような、高温での動作においては、その大部分がワイヤと基板の間のロジウムの拡散による、３０日間でほぼ−２.７℃までの平均正味ドリフト率で、較正から外れることを示す。すなわち、共接合素子−ワイヤと基板−の間でロジウム濃度が平衡し始める。このため、プロセス及びシステムが温度制御の下にあり、温度制御を容易にするために用いられる熱電対構造が指示温度でドリフトを生じる場合、ドリフトにより認識される温度変化が、保証されない実温度の強制変化の原因となり得、これはプロセスまたはシステムの動作の劣化を招き得る。

本発明は使用期間にわたり低減された熱電対ドリフトレベルを示すことができる熱電対回路を提供する。本熱電対は、例えばガラス基板の製造に用いられる白金搬送システムのような、導電性材料において温度を測定するために用いることができる。本発明の様々な態様によって提供されるいくつかの利点の中でもとりわけ、時間の経過にわたる熱電対の確度の改善がある。

一態様において、本発明は、導電性基板の一部領域の温度を決定するための、
第１の熱電材料で形成され、第１の近端及び第１の遠端を有する、第１の熱電素子、及び、第２の熱電材料で形成され、第２の近端及び第２の遠端を有する、第２の熱電素子からなる熱電対を提供する工程、
第１及び第２の熱電素子のそれぞれの近端を、それぞれ第１の中間タブ素子及び第２の中間タブ素子を介して、基板の一部領域に結合することによって熱電対回路を形成する工程であって、第１のタブ素子及び第２のタブ素子は、それぞれ第１の熱電材料及び第２の熱電材料と実質的に同じ組成を有し、かつ第１の近端及び第２の近端が相互に物理的に結合しないように隔てられる工程、及び
形成された熱電対回路によって与えられる電圧を定量する工程であって、電圧は基板の一部領域内の温度を指示する工程、
を含む方法を提供する。

本熱電対回路は一般に、
第１の熱電材料で形成され、第１の近端及び第１の遠端を有する、第１の熱電素子であって、第１の近端は、第１の結合位置において第１の熱電材料で形成された第１の中間タブ素子を介して導電性基板に結合される第１の熱電素子、及び
第２の熱電材料で形成され、第２の近端及び第２の遠端を有する、第２の熱電素子、第２の近端は、第２の結合位置において第２の熱電材料で形成された第２の中間タブ素子を介して導電性基板に結合される第２の熱電素子、
を有し、
第１の結合位置及び第２の結合位置は、第１の近端及び第２の近端が物理的に結合しないように隔てられ、第１の遠端及び第２の遠端は電圧測定装置に電気的に接続される。

本発明のさらなる態様は、ある程度は、以下の詳細な説明及び添付されるいずれかの特許請求項に述べられ、ある程度は詳細な説明から導かれるであろうし、本発明の実施によって習得され得る。上述の全般的説明及び以下の詳細な説明はいずれも例示及び説明であるに過ぎず、開示される、及び／または特許請求される本発明の限定ではないことは当然である。

図１は従来の熱電対回路を示す。図２は本発明の一態様にしたがう一例示熱電対回路を示す。図３は図２にしたがう例示熱電対回路の一部を示す斜視図である。図４は、一例示熱電対回路の一部を簡略に示し、基板との最小接触面積を有するタブ素子の一実施形態を示す。図５は本発明の一実施形態にしたがう別の熱電対回路である。図６は、使用後の、従来のＢタイプ熱電素子のロジウム含有量を熱電対と基板の間の接合部からの距離の関数として示すデータのグラフである。図７は、本発明の熱電対回路によって得られる低減されたドリフトを、２つの従来の熱電対が表すドリフトと比較して示すデータのグラフである。図８は、本発明の熱電対回路によって得られる低減されたドリフト及び改善された感度を、従来の熱電対回路と比較して示す例示的データのグラフ表示である。

本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす添付図面は本発明のいくつか態様を示し、記述とともに、本発明の原理を、限定なしに、説明するに役立つ。

本発明の以下の説明は、最善の、現在知られている態様において本発明の教示を可能にするように提供される。この目的に対し、当業者であれば、本明細書に説明される本発明の様々な態様に多くの変更がなされ得るがそれでも本発明の有益な結果を得られることを認識し、理解するであろう。本発明の望ましい恩恵の内のいくつかが本発明の特徴の内のいくつかを選択することにより、他の特徴は用いずに、得られることも明らかであろう。したがって、当業者であれば、本発明に多くの改変及び翻案が可能であり、いくつかの状況においては望ましくさえあり得るし、本発明の一部であることを認めるであろう。したがって、以下の説明は、本発明の限定ではなく、本発明の原理の説明として提供される。

本明細書に用いられるように、単数形は、そうではないことを文脈が別に明白に規定していない限り、複数の指示対象を含む。すなわち、例えば、熱電素子への言及は、そうではないことを文脈が明白に示していない限り、そのような熱電素子を２つ以上有する態様を含む。

本明細書において範囲は「約」１つの特定値から及び／または「約」別の特定値までのように表され得る。範囲がそのように表される場合、別の態様はその１つの特定値から及び／またはその別の特定値までを含む。同様に、先行詞「約」の使用により値が近似値として表されていれば、その特定の値が別の態様をなすことは理解されるであろう。さらに、範囲のそれぞれの端点が、他方の端点との関係でも、他方の端点とは独立にも、有意であることが理解されるであろう。

本明細書に用いられるように、正味電圧は２つ以上の電圧の、その２つ以上の電圧の極性に依存して、和または差を指す。

上に簡略にまとめたように、一実施形態において、本発明は熱電対回路を形成するためのシステム１００を提供する。図２を参照すれば、システム１００は一般に、第１の熱電材料で形成され、第１の近端１０２ａ及び第１の遠端１０２ｂを有する、第１の熱電素子１０２を有する。第１の近端１０２ａは第１の結合点２１０において基板２００に結合されるように構成される。システム１００はさらに、第２の熱電材料で形成され、第２の近端１０４ａ及び第１の遠端１０４ｂを有する、第２の熱電素子１０４を有する。図示されるように、第２の遠端１０４ｂ及び第１の遠端１０２ｂは基板からある距離で測定装置１１０に接続することができる。測定装置１１０は、例えば、第１の遠端と第２の遠端の間の電圧を測定するための装置とすることができ、データ処理コンポーネントを備えることができる。例えば、測定装置１１０はコンピュータを備えることができる。

第２の近端１０４ａは、第２の近端が第１の近端１０２ａと物理的に結合しないように、第１の結合点から距離‘Ｄ’をおいて隔てられた第２の結合点２１２で基板２００に結合されるように構成される。

さらに図示されるように、一態様において、システム１００の、熱電素子の近端と遠端の間に延びる部分は、熱電リードまたは延長ワイヤとして設けることができる。さらに、第１及び第２の熱電素子はそれぞれ、組み合せて、ゼーベック熱電効果を示すことができる熱電対回路を形成するに適する、異なる熱電材料で形成される。このため、一態様において、第１及び第２の熱電素子は、貴金属及び／または貴金属合金を含む、事実上いかなる異なる金属からも形成することができる。

第１及び第２の熱電素子のそれぞれを形成するための熱電材料の例には、白金、ロジウム、ニッケル、クロム、銅、鉄、アルミニウム、ケイ素、マグネシウム及びこれらの合金を含めることができる。上記熱電材料の組合せの例には、（Ｂタイプ熱電対として知られる）７０％白金−３０％ロジウム合金と９４％白金−６％ロジウム、（Ｅタイプ熱電対として知られる）ニッケル−クロム合金と銅−ニッケル合金、（Ｊタイプ熱電対として知られる）鉄と銅−ニッケル合金、（Ｋタイプ熱電対として知られる）ニッケル−クロム合金とニッケルーアルミニウム合金、（Ｎタイプ熱電対として知られる）ニッケル−クロム−ケイ素合金とニッケル−ケイ素−マグネシウム合金、（Ｒタイプ熱電対として知られる）１３％白金−ロジウムと白金−白金、（Ｓタイプ熱電対として知られる）１０％ロジウムと白金及び（Ｔタイプ熱電対として知られる）銅と銅−ニッケル合金を含めることができる。

熱電素子の第１及び第２の近端を導電性基板に結合させて、熱電対回路を形成することができる。詳しくは、第１の近端１０２ａを第１の結合位置２１０において導電性基板に結合させることができ、第２の近端１０４ａを第２の結合位置２１２において導電性基板に結合させることができる。第１及び第２の結合位置は、第１及び第２の近端が相互に物理的に結合しないように、距離‘Ｄ’をおいて隔てられる。第１及び第２の近端の導電性基板との結合は本明細書において「熱接点」と称される。

図２にさらに示されるように、第１の近端１０２ａ及び第２の近端１０４ｂのそれぞれは、それぞれの近端と導電性基板の中間に配置された、相互に隔てられている第１のタブ素子１０６及び第２のタブ素子１０８によって、基板２００に結合させることができる。一態様において、第１及び第２のタブ素子はそれぞれ第１及び第２の熱電素子のそれぞれと同じ熱電材料で形成される。例えば、形成される熱電対回路がタイプＢ熱電対である態様において、第１の熱電素子は７０％白金−３０％ロジウム合金からなることができ、第２の熱電素子は９４％白金−６％ロジウム合金で形成することができる。この例示態様にしたがえば、第１のタブ素子１０６も７０％白金−３０％ロジウム合金で形成されることになるであろうし、第２のタブ素子１０８は９４％白金−６％ロジウム合金で形成されることになるであろう。

他の利点に加えて、隔てられた結合点により、第１の組成の第１の熱電素子からの揮発した金属種の第２の組成の第２の熱電素子上への凝縮が低減または排除されることがわかった。そのような揮発は、ガラス作製プロセスにおいて見られるであろう１５００℃をこえる温度のような、非常に高い温度に熱電素子がさらされると、おこり得る。例えばロジウムのような、揮発種は熱電素子の低温部分上に凝縮し、熱電素子中に拡散することができ、よって熱電素子の電気的挙動、したがって熱電対回路で検出される温度を変化させることができる（すなわち、熱電対温度ドリフトとしで観察され得る）。

タブ素子１０６及び１０８は、基板に直に接し、基板と熱電素子の間に配されるかなり大きな質量を提供することによって熱電素子と基板の間の拡散の効果を軽減するように機能し、よって拡散によって生じるこれらの様々な素子の組成の変化が低減される。タブ素子１０６及び１０８は熱電素子の近端の基板表面への電気的接続に適する所望のいかなる形状及び厚さも有することができる。しかし、タブ素子１０６及び１０８のそれぞれの質量は基板に隣接する熱電素子のそれぞれの質量よりかなり大きい。

それぞれのタブ素子は、（図示されるような）長方形状、円形状または楕円形状をとることができる。一態様において、タブ素子は実質的に、ほぼ０.１〜０.５インチ（２.５４〜１２.７ｍｍ）の範囲の、導電性基板に結合される表面領域を有する、長方形である。限定ではなく、例として、一態様において、タブ素子はほぼ０.２５インチ（６.３５ｍｍ）の結合表面領域を有することができる。一例示態様において、タブ素子は約１０ミル〜約５０ミル（０.２５４ｍｍ〜１.２７ｍｍ）の範囲とすることができる、実質的に一様な厚さを有することもできる。限定ではなく、例として、一態様において、タブ素子は約３０ミル（０.７６２ｍｍ）の実質的に一様な厚さを有することができる。実際上、それぞれのタブ素子はそれぞれの熱電素子の等価寸法よりかなり大きい公称の、（長方形として）長さ−幅測定値または（円形として）直径を有する。一例として、図３に示されるように、ワイヤの軸線Ａを有するワイヤである熱電素子１０２及びワイヤと基板２００の中間のタブ素子１０６を考えれば、ワイヤのタブ素子に隣接してタブ素子の厚さに等しい長さを有する部分の体積はタブ素子の体積よりかなり小さいことが好ましい。タブ素子の体積は、それぞれのワイヤのタブ素子に隣接してタブ素子に結合される部分の体積よりかなり大きいことが好ましい。ワイヤは与えられた厚さを有するタブ素子に取り付けられた直円柱として見ることができる。タブ素子は、タブ素子の厚さを含む、タブ素子の寸法に基づくある体積Ｖ_ｔを有する。ワイヤ（すなわち直円柱）のタブ素子の厚さｔに等しい長さＬを有する部分の体積Ｖ_Ｗはタブ素子の体積よりかなり小さい。逆に言えば、タブ素子はタブ素子に隣接するワイヤの長さＬを有する部分の体積よりかなり大きい体積を有する。図３で示されるように、タブ素子１０６の体積はワイヤ部分１０７の体積よりかなり大きい。「かなり大きい」とは、タブ素子の体積が、好ましくはワイヤの隣接部分の体積の少なくとも約２倍であり、さらに好ましくはワイヤの隣接部分の体積の少なくとも約４倍であり、さらに一層好ましくはワイヤの隣接部分の体積の少なくとも約８倍であることを意味する。もちろん、一般的状況において、ワイヤは公称上円柱形であり、したがってその軸線Ａに直交する円形の断面を有する。しかし、上述したような体積を有する部分をもつためには、熱電素子（例えばワイヤ）が円形である必要はない。

図４に示される、また別の態様において、基板とタブ素子の材料の間の接触領域を最小限に抑える態様でタブ素子が基板２００に接続されることが望ましい。この態様にしたがえば、タブ素子と基板の間の接触領域を最小限に抑えることで２つの熱電材料の間の化学種の拡散（例えばロジウムの拡散）を有効に低減することができ、したがって熱電対ドリフトをさらに低減することができる。このため、電気絶縁性でありながら高い熱伝導度を有する絶縁部材１０９をタブ素子と基板２００の間に配置することができる。タブ素子と基板２００の間の結合は、その後に、溶接ビード１１１で示されるように、タブ素子の周縁に沿ってだけタブ素子を基板に溶接することで行うことができる。もちろん、タブ素子を基板に結合する他の方法を用いることができる。例えば、タブ素子のコーナーだけを基板に溶接することによるような、それぞれのタブ素子において、離れ離れの、隔てられた場所だけでタブ素子を基板に結合することができる。

本発明にしたがって形成された熱電対回路は、従来の熱電対素子で観測される一般的な熱電対ドリフトと比較した場合、熱電対ドリフトの低減を示すことができる。詳しくは、従来の熱電対素子及び回路は動作中に時間の経過とともに較正から外れる。較正からの外れは、ある程度は、熱電対回路の「熱接点」において相互に物理的に接続された２つの異なる熱電素子間でおこる拡散の結果である。この較正からの外れは本明細書において熱電ドリフトと称され、熱電対素子の誤差の増大に寄与する。上述したように、本発明の熱電素子の近端は、本発明の熱電素子の近端が相互に物理的に結合しないように、距離‘Ｄ’をおいて隔てられた結合点において基板に結合される。それでも、基板と個々の熱電素子の間の拡散がまだ熱電ドリフトを生じさせ得る。例えば、溶融ガラスの保持／処理のためにガラス作製プロセスで用いられ得るような白金／ロジウム合金容器を考える。そのような容器は１５００℃をこえる温度で動作し得る。従来は、それぞれが異なるロジウム含有量を有する、個々の白金−ロジウム合金熱電対ワイヤが容器壁に直接に溶接されていた。そのような高い動作温度において、ワイヤと容器壁の間の接合にかけてのロジウムの拡散は平衡濃度に達するようにはたらくから、基板と熱電対ワイヤの間のロジウムの拡散は比較的速かった。この結果、測定装置によって測定されるような温度は連続的に低下することになった。

タブ素子またはパッド素子１０６及び１０８は２つの異なる熱電材料間におこり得る拡散を低減するかまたは排除することさえでき、よって、時間の経過とともにおこり得る熱電ドリフト（例えば電圧または温度のドリフト）を実質的にゼロのドリフトまで低減できる。例えば、一態様において、本発明の実施形態にしたがう熱電対回路は約１５００℃以上の温度において３０日間でほぼ２.５℃より小さいドリフト率を示すことができる。さらにまた、本熱電対回路は、約１５００℃以上の温度において３０日間で約２.０℃、１.５℃または１.０℃より小さく、さらには約０.５℃よりも小さい、ドリフト率を示すことができる。さらにまた、第１の結合位置と第２の結合位置の間隔‘Ｄ’が、いかなる２つの異なる熱電材料が基板材料の結合点において相互に物理的に結合されない限り、いかなる望ましい距離もとり得ることも当然である。

本発明の熱電対回路によって形成される「熱接点」が、第１及び第２の熱電素子の、好ましくはタブ素子１０６，１０８を介する、導電性基板との結合によって形成され、２つの異なる熱電素子自体の物理的接合によって形成されるのではないことも、当然である。したがって、得られる熱電対回路は基板自体内の温度変化に一層敏感である。さらに、基板が回路の実熱接点の一部であるから、報告される温度もより良く基板温度を表すであろう。

熱電素子の分離の結果が第１の結合点２１０及び第２の結合点２１２において結合された２つの異なる熱電素子の間の基板の平均温度の決定になることも当然である。したがって、別の態様において、本発明の熱電対システムは与えられた基板の３次元温度モデルを実時間で決定できる複数の熱電対回路を提供するために用いることができる。例えば、図５に示されるように、システム２０２はシステム１００と同様であるが、第３の熱電材料で形成され、第３の近端１２０ａ及び第３の遠端１２０ｂを有する、第３の熱電素子１２０を備える。第３の遠端１２０ｂはやはり適する測定装置に接続することができる。第３の近端は、第３の近端が第１及び第２の近端のいずれとも結合しないように、第１及び第２の結合点から隔てられた第３の結合点２１４において基板に結合させることができる。さらにまた、第３の熱電素子も、第３の近端に結合された、第３のタブ素子１１２を有することが好ましい。第３のタブ素子１１２はやはり、第３の熱電素子と同じ熱電材料で形成することができ、第１，第２及び第３のタブ素子が相互に物理的に結合しないように、第１及び第２のタブ素子のいずれからも距離Ｄをおいて隔てることができる。

使用において、本発明の熱電対システム、したがって熱電対回路は導電性基板の一部領域の温度を決定する方法を提供する。本方法は上述したような熱電対回路を形成する工程を含む。詳しくは、第１の熱電材料で形成された第１の熱電素子の近端が第１の結合位置において、好ましくは第１のタブ素子を介して、導電性基板に結合される。第２の熱電材料で形成された第２の熱電素子の近端が第２の結合位置において、好ましくは、第１及び第２の熱電対素子並びにそれぞれのタブ素子が物理的に結合しないように第１の結合位置から隔てられた、第２のタブ素子を介して、導電性基板に結合される。

本発明の方法が、いかなる特定の基板材料との使用にも限定されず、いかなる所望の導電性基板の温度を決定するためにも用いられ得ることは当然である。しかし、一例示態様において、基板は、例えばガラス（例えばシリカベースガラス）の作製に用いられる白金及び／またはロジウムベース搬送システムのような、導電性基板である。

形成されると、次いで、形成された回路内の、熱電対素子に沿う温度勾配から生じる、電圧を熱電対回路から得ることができる。得られた電圧は熱電対回路と通じている従来の測定装置で定量することができる。したがって、定量された電圧は第１と第２の結合位置の間の基板の領域内の平均温度を示す。

本発明の方法例は図２を用いて説明される。図示されるように、熱電対回路１００は、第１の熱電素子１０２，第２の熱電素子１０４及び導電性基板２００によって形成される。第１及び第２の熱電素子の近端は結合位置２１０及び２１２において基板に結合される。さらに、近端１０２ａ及び１０４ａは、図示されるように、それぞれのタブ素子またはパッド素子１０６及び１０８によって基板に結合される。熱電素子の遠端も基板から距離をおいて隔てられた測定装置１１０に接続される。使用において、熱電素子に沿う温度勾配が熱電素子１０２に沿う電圧Ｖ_１及び熱電素子１０４に沿う同様の電圧Ｖ_２を生じさせる。

遠端１０２ｂと１０４ｂの間で熱電対回路１００に確立される正味電圧Ｖ_１２を検出及び定量するために従来の電圧検出システム１１０を用いることができる。このため、検出システムが電圧Ｖ_１及びＶ_２を検出し、正味電圧を決定し、正味電圧を導電性基板２００の推定温度と相関させることができる。２つの異なるタブ素子は距離‘Ｄ’をおいて隔てられているから、推定温度は結合位置２１０と２１２の間の基板の平均温度を表す。例示的検出システムは一般に熱電対用標準Ｉ/Ｏカードを装備するコンピュータモニタリングシステムを備えることができる。検出システムは熱電対の２本の脚またはリード間のＤＣ電圧を読み取ることができる。当業者には既知の標準ＡＳＴＭ試験方法を用いれば、コンピュータが信号を温度出力に変換することができる。

最後に、本発明のいくつかの、例証のための、特定の態様に関して本発明を詳細に説明したが、添付される特許請求の範囲で定められるような本発明の広汎な精神及び範囲を逸脱することなく数多くの改変が可能であるから、本発明がそのような態様に限定されると見なされるべきではないことは当然である。

本発明の原理をさらに深く説明するため、本出願で特許請求されるシステム、回路及び方法がどのようになされ、評価されるかの完全な開示及び説明を当業者に提供するため、以下の実施例が提示される。これらの実施例は純粋に本発明の説明が目的とされ、発明者等が自らの発明と見なしている範囲を限定することは目的とされていない。数値（例えば、量、温度、等）に関して確度を保証するように努力はしているが、いくらかの誤差及び偏差が生じていることはあり得る。そうではないことが別に示されていない限り、分率は重量分率であり、温度は℃単位であるかまたは室温であり、圧力は大気圧またはその近傍である。

一実験において、図１に示される熱電対と同様の、例示的な従来のＢタイプ熱電対における熱電対ドリフトの存在を従来のＢタイプ熱電対におけるロジウム拡散をモニタすることによって検証した。この評価によるデータを図６に示す。

溶接装置で２つの金属を合せて溶融させてワイヤの末端にビードを形成することで、熱電対の３０％ロジウム脚（曲線３００）を６％ロジウム脚（曲線３０２）に直接に接続する、従来の態様で熱電対を作製した。次いでこの熱電対を温度が１３５０℃〜１６５０℃の範囲にある炉内で数カ月間使用に供した。炉を停止させ、熱電対を取り出して、熱電対のそれぞれの脚に沿い、溶接ビードすなわち２つの材料の間の熱接点から始めて、長軸に直角に切断した。次いで、それぞれの脚と基板の熱接点から始めて、マイクロプローブを用いて熱電対のそれぞれの脚のロジウム含有量を分析した。この熱接点は図６の横軸上の０として示される。

図６に報告されるデータは、数ヶ月の供用にかけて、熱電対の３０％ロジウム脚から６％ロジウム脚にロジウムが拡散していたことを示す。これは、熱電対の高ロジウム脚の３０％未満ロジウムレベル（曲線３０４）及び熱電対の低Ｒｈ脚の６％超ロジウムレベル（曲線３０６）によって示される。いかなる特定の理論にも束縛されずに、Ｒｈ含有量の変化は２つの熱電材料の拡散の結果であると考えられる。さらに、この拡散により、熱電対によって測定される起電力は、拡散がないときの標準Ｂタイプ熱電対表に示されているであろう起電力よりも低くなると考えられる。

別の実験において、本発明にしたがい、また図２の略図にしたがう構成の、Ｂタイプ熱電対回路を、ほぼ８０日間にわたるいかなる熱電対ドリフトの存在を決定するために形成して評価した。さらに、本発明の熱電対を図１の略図にしたがって作製した２つの従来のＢタイプ熱電対と比較した。８０日間の評価から得られたデータを図７に示す。図示されるように、本発明の熱電対（曲線３０８）は評価期間にわたっていかなる有意なドリフトも示さなかった。しかし、対照的に、隣の２つの従来の熱電対（曲線３１０，３１２）はドリフトを示した。

また別の実験において、本発明にしたがい、また図２の略図にしたがう構成の、Ｂタイプ熱電対回路を、ほぼ５２日間にわたるいかなる熱電対ドリフトの存在を決定するために形成して評価した。さらに、本発明の熱電対を、図１の略図にしたがって作製した従来のＢタイプ熱電対と比較した。５２日間の評価から得られたデータを図８に示す。図示されるように、本発明の熱電対（曲線３１４）は、本発明の熱電対に対応する傾きのないデータ線によって明らかなように、評価期間にわたっていかなる有意なドリフトも示さなかった。しかし、対照的に、隣の従来の熱電対（曲線３１６）は、従来の熱電対に対応するデータ線の下方への傾きによって明らかにされるように、５２日間にわたるドリフトを示した。

さらにまた、評価期間のほぼ３２日目に、熱電対が結合されている基板の温度を意図的にほぼ１℃下げた。この制御された温度低下は図８に示されているデータにおける、矢印によって示されるような、階段状変化によって明らかにされるように、本発明の熱電対によって検出された。対照的に、従来の熱電対は、評価期間のほぼ３２日目の制御された温度低下に対応する階段状変化を示さなかった。すなわち、一態様において、本発明にしたがう熱電対は従来の熱電対構造の感度に対して改善された感度も示すことができる。

１００システム
１０２，１０４，１２０熱電素子
１０２ａ，１０４ａ，１２０ａ熱電素子近端
１０２ｂ，１０４ｂ，１２０ｂ熱電素子遠端
１０６，１０８，１１２タブ素子
１０９絶縁部材
１１０測定装置
１１１溶接ビード
２００基板
２１０，２１２，２１４熱電素子結合点

Claims

導電性基板の部分領域の温度を決定する方法において、
第１の熱電材料で形成され、第１の近端及び第１の遠端を有する第１の熱電素子、並びに、第２の熱電材料で形成され、第２の近端及び第２の遠端を有する第２の熱電素子を有する、熱電対を提供する工程、
前記第１の熱電素子の前記第１の近端及び前記第２の熱電素子の前記第２の近端をそれぞれ第１の中間タブ素子及び第２の中間タブ素子を介して前記導電性基板の部分領域に結合することによって熱電対回路を形成する工程であって、前記第１の中間タブ素子及び前記第２の中間タブ素子は、それぞれ前記第１の熱電材料及び前記第２の熱電材料と実質的に同じ組成を有し、前記第１の近端と前記第２の近端が相互に物理的に結合しないように隔てられ、絶縁部材が、前記第１の中間タブ素子及び前記第２の中間タブ素子の各々と前記導電性基板の部分領域との間に配置されている、工程、及び
前記形成された熱電対回路によって与えられる電圧を定量する工程であって、前記電圧は前記基板の前記部分領域内の温度を示すものである工程、
を含むことを特徴とする方法。
前記第１の熱電材料及び前記第２の熱電材料が貴金属または貴金属合金から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記導電性基板が白金を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記熱電対がＢタイプ熱電対であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記定量される電圧が、前記第１の近端と前記第２の近端の間の前記基板の前記部分領域内の平均温度を示すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記導電性基板、前記第１の熱電素子及び前記第２の熱電素子並びに前記第１のタブ素子及び前記第２のタブ素子が、白金−ロジウム合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第１のタブ素子が厚さｔ_１及び体積Ｖ_ｔ１を有し、前記第１の熱電素子が軸線を有する第１のワイヤであり、前記Ｖ_ｔ１が、前記第１のワイヤの、前記ｔ _１に等しい長さＬを有する部分であって、前記第１のタブ素子に接して配置された部分の体積Ｖ_Ｗよりもかなり大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
熱電対回路において、
第１の熱電材料で形成され、第１の近端及び第１の遠端を有する第１の熱電素子であって、前記第１の近端は第１の結合位置において前記第１の熱電材料で形成された第１の中間タブ素子を介して導電性基板に結合され、絶縁部材が、前記第１の中間タブ素子と前記導電性基板との間に配置される第１の熱電素子、及び
第２の熱電材料で形成され、第２の近端及び第２の遠端を有する第２の熱電素子であって、前記第２の近端は第２の結合位置において前記第２の熱電材料で形成された第２の中間タブ素子を介して前記導電性基板に結合され、絶縁部材が、前記第２の中間タブ素子と前記導電性基板との間に配置される第２の熱電素子、
を有し、
前記第１の結合位置と前記第２の結合位置が、前記第１の近端と前記第２の近端が物理的に結合されないように、隔てられ、前記第１の遠端及び前記第２の遠端が電圧測定装置に電気的に接続されることを特徴とする熱電対回路。
前記回路が、約１５００℃以上の温度において３０日間でほぼ２.５℃より小さい熱電対温度ドリフト率を示すことを特徴とする請求項８に記載の熱電対回路。
前記第１のタブ素子が厚さｔ_１及び体積Ｖ_ｔ１を有し、前記第１の熱電素子が軸線を有する第１のワイヤであり、前記Ｖ_ｔ１が、前記第１のワイヤの、前記ｔ _１に等しい長さＬを有する部分であって、前記第１のタブ素子に接して配置された部分の体積Ｖ_Ｗよりもかなり大きいことを特徴とする請求項８に記載の熱電対回路。