JP5292201B2 - 測温抵抗体 - Google Patents

Description

本発明は、温度による電気抵抗の変化を利用して温度測定を行う測温抵抗体に関するものである。

測温抵抗体に白金、ニッケル、銅などの金属を用いた抵抗温度計は従来から知られている。

抵抗温度計において、抵抗と温度との関係は金属素線によって異なるが、適当な金属を選択すれば、広い温度範囲に渡って、抵抗と温度の殆ど直線的な関係が得られる。特許文献１には、測温抵抗体の製造方法が開示されている。

特開２００１−３４３２９１号公報

通常では、測温抵抗体である測温用金属素線は保護管内に挿入して使用され、保護管内において、特許文献１でも使用されているアルミニウム等の電気絶縁性の薄板を十字状に組付けた巻枠構造の外側に、金属素線が巻回されている。しかし、この金属素線は保護管内において、空間内に張り巡らされており、熱伝導が主に空気を介してなされるので、温度応答性が良くない。従って、迅速な応答性を必要とする例えば熱式流量計等への適用は難しい。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、応答性が良好で正確な測温が可能な測温抵抗体を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る測温抵抗体は、熱伝導率が良好で電気絶縁性を有する素線保持体の周囲に螺旋溝を形成し、該螺旋溝は平行に２列に形成し、２列の前記螺旋溝にそれぞれ別の金属素線を埋設し、前記金属素線は前記素線保持体の先端の遠端において短絡させると共に、前記素線保持体を保護管中に間隙を設けずに挿入したことを特徴とする。

本発明に係る測温抵抗体によれば、測温用金属素線を保護管中の熱伝導性の良好な素線保持体の表面に密接して配置したので、温度応答性が良好となる。

実施例１の縦断面図である。 平面図である。 素線保持体に設けた螺旋溝と白金素線の拡大断面図である。 実施例２の縦断面図である。 平面図である。 模式構成回路図である。 熱式流量計に適用した応用例１のブロック回路構成図である。 熱式流量計に適用した応用例２のブロック回路構成図である。 熱式流量計に適用した応用例３のブロック回路構成図である。 熱式流量計に適用した応用例４のブロック回路構成図である。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は実施例１の測温抵抗体の縦断面図、図２は平面図である。例えば、長さ３０〜６０ｍｍ、外径３ｍｍの例えばＳＵＳから成る金属製の保護管１中には、例えば直径２．６ｍｍの円筒形の素線保持体２が保護管１の内面にほぼ密着して挿入されている。素線保持体２は良好な電気絶縁性、熱伝導率を有し、窒化アルミニウムやアルミナなどのセラミックス、セメント、ガラス、樹脂やこれらの複合材料が使用されている。

素線保持体２の周囲には、図３の拡大断面図にも示すように、円周方向に螺旋溝３ａ、３ｂが平行に２列に形成され、この螺旋溝３ａ、３ｂに測温用の金属素線として白金素線４ａ、４ｂがそれぞれ巻回され、埋め込まれている。白金素線４ａ、４ｂは例えば１０〜５０μｍの線径が使用されている。白金素線４ａ、４ｂを埋設した螺旋溝３ａ、３ｂは、セラミック、釉薬、ガラス等の絶縁材により封止されている。なお、螺旋溝３の列数は、白金素線４の数に合わせて設ければよい。

白金素線４ａ、４ｂにはリード線５ａ、５ｂ、５ｃが接続され、リード線５ａ〜５ｃは保護管１の外部に引き出され、測定回路との接続が可能とされている。リード線５ａ、５ｂは保護管１の入口側で素線保持体２の中心孔２ａ、素線保持体２に設けられた孔部２ｂ、２ｃを介して、素線保持体２の表面の白金素線４ａ、４ｂの近端にそれぞれ溶接等で接続されている。また、白金素線４ａ、４ｂの遠端同士はリード端６により短絡され、リード端６にはリード線５ｃが接続され、リード線５ｃは素線保持体２の中心孔２ａを通って引き出されている。

リード線５ｃを引き出した後の中心孔２ａ内にはセラミックボンド等の電気絶縁性を有する充填材７が詰められている。更に、３本のリード線５ａ〜５ｃは、保護管１の入口部に設けた多孔質絶縁セラミックスから成る通線孔を有する成型体８を挿通した後に、ガラス封止材９により封止されている。

このような構成の測温抵抗体では、螺旋溝３ａ、３ｂにより白金素線４ａ、４ｂを機械的に保護すると共に、電気的な絶縁を確実として、更には素線保持体２との熱伝導面積を大きくしている。熱伝導性の大きい素線保持体２が保護管１に間隙を設けずに挿入されていることから、素線保持体２は保護管１から伝熱が容易となり、白金素線４ａ、４ｂに迅速に伝熱することができる。

図４は実施例２の測温抵抗体の縦断面図、図５は平面図である。図１と同一の符号は同一の部材を示している。

白金素線４ａ、４ｂの近端には、それぞれ２本ずつのリード線５ａ、５ａ’及び５ｂ、５ｂ’が接続されて引き出されている。また、白金素線４ａ、４ｂの遠端同士を接続した先端のリード端６の２個所において、２本のリード線５ｃ、５ｃ’を接続し、素線保持体２の中心孔２ａを通してリード線５ｃ、５ｃ’が引き出され、計６本のリード線５ａ〜５ｃ’が用いられている。

この実施例２においても、実施例１と同様に温度応答性が良好な測定が可能となる。

図６は実施例１、２の測温抵抗体の模式回路図である。実施例１においては、３本のリード線５ａ、５ｂ、５ｃを２線式、３線式に使い分けることにより、又は実施例２においては、６本のリード線５ａ、５ａ’、５ｂ、５ｂ’、５ｃ、５ｃ’を２線式、３線式、４線式等に使い分けることにより、白金素線４ａ、４ｂの抵抗値Ｒａ、Ｒｂの組合わせを変更して、各種の温度測定への応用が可能となる。

抵抗計測機器や流速変換器では所定の計測レンジが存在する。測温抵抗体１０、２０は温度により抵抗値は変化するものであり、抵抗計測或いは変換をする際に計測レンジに合わないと、計測精度は低下する。測温抵抗体１０、２０の使用する抵抗値を選択できれば、抵抗計測或いは変換の際に、最適な抵抗値範囲に結線することができ、計測レンジは広がり高精度の測定が可能となる。

例えば、０℃において、白金素線４ａの抵抗Ｒａを４０Ω、白金素線４ｂの抵抗Ｒｂを６０Ωとした場合の測温抵抗体２０に対し、５０〜１００Ωの計測レンジを有する抵抗計測器を組み合わせた場合について具体的に説明する。

白金素線４ａ、４ｂをリード線５ａ、５ｂにより直列に結線して抵抗をＲａ＋Ｒｂとすると、０℃において１００Ωになり、−１２５〜０℃において、その抵抗値は約５０〜１００Ωになる。従って、−１２５〜０℃に対して、精度良く計測ができることになる。

また、白金素線４ａのみを用いてリード線５ａ、５ｃ間の抵抗をＲａとすると、０℃において４０Ωになり、６５〜４００℃において、その抵抗値は約５０〜１００Ωになる。従って、６５〜４００℃に対して精度良く計測できる。

更には、白金素線４ｂのみを用いてリード線５ｃ、５ｂの抵抗Ｒｂとすると、０℃において６０Ωになり、−４２〜１７５℃において、その抵抗値は約５０〜１００Ωになる。従って、−４２〜１７５℃に対して精度良く計測できる。

また、一端をリード線５ａ、５ｂとし、他端をリード線５ｃによる白金素線４ａ、４ｂの並列回路とし、これらの抵抗をＲａＲｂ／（Ｒａ＋Ｒｂ）とすると、０℃において２４Ωになり、２９０〜８５０℃において、その抵抗値は約５０〜９３．７Ωになる。従って、２９０〜８５０℃に対して、精度良く計測できることになる。

図７は実施例１の測温抵抗体を用いて、リード線５ｃを使用せずに２線式として熱式流量計に適用した場合の応用例１のブロック回路構成図である。２つの測温抵抗体１０、２０が測定すべき流体Ｆが流れる配管Ｐ内の上流と下流に配置されている。一方の上流側の測温抵抗体１０は加熱ヒータ、他方の下流側の測温抵抗体２０は測温センサとして機能している。

測温抵抗体１０のリード線５ａ、５ｂは電位差測定回路１１、加熱電流発生回路１２に並列に接続されている。同様に、測温抵抗体２０のリード線５ａ、５ｂは、電位差測定回路２１、測温電流発生回路２２に並列に接続されている。また、電位差測定回路１１、２２の出力はマイクロコンピュータ３１に接続され、マイクロコンピュータ３１の出力は加熱電流発生回路１２、測温電流発生回路２２にそれぞれ接続されている。

流体測定において、上流側の測温抵抗体１０では加熱電流発生回路１２から、電流をリード線５ａ、白金素線４ａ、リード端６、白金素線４ｂ、リード線５ｂを経由して流し、白金素線４ａ、４ｂの直列抵抗（Ｒａ＋Ｒｂ）を加熱し、その発熱量を素線保持体２、保護管１を介して流体Ｆに加える。

下流側の測温抵抗体２０では、流体Ｆの温度を白金素線４ａ、４ｂの直列抵抗（Ｒａ＋Ｒｂ）の抵抗値の変化を電位差測定回路２１により測定する。

この場合に、測温抵抗体２０で得られる流体Ｆの測定温度が一定温度になるように、マイクロコンピュータ３１は測温抵抗体１０に供給する電流量をフィードバック制御し、この電流量の大きさにより、流体Ｆが持ち去る熱量を基にその流量を測定することが可能となる。

或いは、測温抵抗体１０の白金素線４ａ、４ｂに流す電流量を一定、つまり測温抵抗体１０の発熱量を一定とし、測温抵抗体２０において流体Ｆの温度変化を測定することにより、流体Ｆの流量を測定することもできる。

本発明に係る測温抵抗体を熱式流量計の測温センサとする場合に良好な応答性が得られるが、発熱ヒータとして使用する場合にも、白金素線４ａ、４ｂによる発熱による大量の熱量が、素線保持体２を介して保護管１に迅速に伝達される。

図８は実施例２の測温抵抗体を用いた応用例２の熱式流量計のブロック回路構成図である。測温抵抗体１０のリード線５ａ、５ｂ間に加熱電流発生回路１２が接続され、リード線５ａ’、５ｂ’間に電位差測定回路１１が接続されている。また、測温抵抗体２０においても同様に、リード線５ａ、５ｂ間に測温電流発生回路２２に接続され、リード線５ａ’、５ｂ’間に電位差測定回路２１が接続されている。

また、２つの電位差測定回路１１、２２の出力はマイクロコンピュータ３１に接続され、マイクロコンピュータ３１の出力は加熱電流発生回路１２、測温電流発生回路２２に接続されていることは、図７の場合と同様であり、以下の応用例においても同様である。測温抵抗体１０は加熱ヒータとして、測温抵抗体２０は測温センサとして機能することも図７の回路の場合と同様である。

各測温抵抗体１０、２０に対する接続は４線式であり、リード線５ａ、５ａ’、５ｂ、５ｂ’の抵抗を相殺できるので、応用例１で説明した測定原理によりも高精度な温度測定が可能で、流体Ｆの流速を精度良く測定できる。しかし、コストは高くなる。

図９は実施例２の測温抵抗体を用いた応用例３の熱式流量計のブロック回路構成図である。測温抵抗体１０においては、リード線５ａ、５ｃ間に加熱電流発生回路１２が接続され、リード線５ａ’、５ｃ’間に電位差測定回路１１が接続されている。また、測温抵抗体２０の接続は図８と同様である。

測温抵抗体１０、２０に対する接続は４線式であり、測温抵抗体１０、２０の抵抗を計測する際に、リード線５ａ〜５ｃ’の抵抗を無視できるので、高精度な温度測定が可能で、流速を精度良く測定できる。

図８と比較して、ヒータとして測温抵抗体１０を使用する場合に、白金線４ａのみを発熱抵抗として用いており、発熱量に合わせてレンジを調整している。

図１０は実施例２の測温抵抗体を用いた応用例４の熱式流量計のブロック回路構成図である。測温抵抗体１０においてリード線５ａ、５ｃ間に加熱電流発生回路１２が接続され、リード線５ａ’、５ｃ’間に電位差測定回路１１が接続され、更にリード線５ｂがリード線５ａに接続され、リード線５ｂ’がリード線５ａ’に接続されている。また、測温抵抗体２０においては、図８と同様である。

各測温抵抗体１０、２０に対する接続は４線式であり、応用例１、２はヒータとして使用する白金線４ａ、４ｂを直列に接続していたが、本応用例４の測温抵抗体１０においては、白金線４ａ、４ｂを並列接続してレンジに適応したヒータとして使用している。

前述したように、測温抵抗体１０、２０の選択した抵抗値と抵抗計測器との組合わせにより、温度の計測レンジを適切に拡張できる利点がある。なお、他の金属素線で作製した測温抵抗体においても、同様に結線により抵抗値を選択でき、計測レンジを広げることができる。

本実施例の測温抵抗体は、温度センサとして使用するだけでなく、熱式流量計で用いたように迅速な発熱が得られる加熱ヒータとして使用することもできる。

１ 保護管
２ 素線保持体
３ａ、３ｂ 螺旋溝
４ａ、４ｂ 白金素線
５ａ、５ａ’、５ｂ、５ｂ’、５ｃ、５ｃ’ リード線
６ リード端
７ 充填材
８ 成型体
９ ガラス封止剤
１０、２０ 測温抵抗体
１１、２１ 電位差測定回路
１２ 加熱電流発生回路
２２ 測温電流発生回路

Claims (6)

1. 熱伝導率が良好で電気絶縁性を有する素線保持体の周囲に螺旋溝を形成し、該螺旋溝は平行に２列に形成し、２列の前記螺旋溝にそれぞれ別の金属素線を埋設し、前記金属素線は前記素線保持体の先端の遠端において短絡させると共に、前記素線保持体を保護管中に間隙を設けずに挿入したことを特徴とする測温抵抗体。
2. 前記金属素線を埋設した螺旋溝を絶縁材により封止したことを特徴とする請求項１に記載の測温抵抗体。
3. 前記金属素線の２つの近端及び前記遠端同士の短絡部から各１本ずつ計３本の前記リード線を引き出したことを特徴とする請求項１又は２に記載の測温抵抗体。
4. 前記金属素線の２つの近端及び前記遠端同士の短絡部から各２本ずつ計６本の前記リード線を引き出したことを特徴とする請求項１又は２に記載の測温抵抗体。
5. 前記遠端に接続した前記リード線は、前記素線保持体の中心に設けた中心孔を通して引き出したことを特徴とする請求項３又は４に記載の測温抵抗体。
6. 請求項１〜５の何れか１つの請求項に記載の２つの測温抵抗体を用い、一方の測温抵抗体を加熱ヒータとして、他方の測温抵抗体を測温センサとして使用した熱式流量計。

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