JP6535367B2 - ひずみゲージを用いた温度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ひずみゲージを用いて金属対象物の温度を測定するための装置に関するものである。

従来、温度測定にはサーミスタ等の温度センサが用いられている。例えば、特許文献１には、測定対象物に装着されるサーミスタと、サーミスタにより測定対象物の温度を検出する測定温度検出回路と、サーミスタの基準熱時定数および基準熱抵抗を予め格納した記憶回路と、測定対象物の所定の発熱量に対し、測定温度と基準熱時定数および基準熱抵抗とに基づいてサーミスタの推定温度を算出する推定温度算出回路と、推定温度と測定温度との温度差の絶対値が所定の閾値以下か否かを判断する判断回路と、を備える温度測定装置が開示されている。

特開２００９−２１０２８２号公報

サーミスタは、測定対象物の周囲の温度（環境温度）に影響を受けやすい。それゆえ、環境温度が急激に上昇した場合、測定対象物の温度は緩慢に上昇するにもかかわらず、サーミスタを用いると、その緩慢な温度上昇を正確に測定できない場合がある。
そこで、本発明は、環境温度の影響を受けずに、金属対象物自体の温度を測定するための装置を提供することを目的とする。

一般的に、ひずみゲージは、測定対象物の環境温度による熱膨張を考慮して、温度補償が行われている。
ひずみゲージが測定対象物に貼り付けられているとき、ひずみゲージの金属抵抗体の線膨張係数（λｇ）と測定対象物の線膨張係数（λａ）との差により、以下の式で表される温度による見かけひずみεａが現れる。なお、αｇはひずみゲージを形成する金属抵抗体の温度抵抗係数であり、Ｋはゲージ率である。
εａ＝αｇ／Ｋ＋（λａ−λｇ）
上式において、見かけひずみεａ＝０になるようにひずみゲージが選択される。
例えば、測定対象物が銅の場合、銅の線膨張係数に合わせて温度補償が行われた銅用のひずみゲージが使用され、鉄の線膨張係数に合わせて温度補償が行われた鉄用のひずみゲージが使用されることはない。

第１の発明は、少なくとも１つのひずみゲージを用いて金属対象物の温度を測定するための装置であって、
前記少なくとも１つのひずみゲージは、前記金属対象物に貼り付けられ、
前記ひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数と異なる。

第１の発明では、２つのひずみゲージを用いてホイートストンブリッジ回路が構成され、
前記２つのひずみゲージのうちの第１のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より大きく、
前記２つのひずみゲージのうちの第２のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より小さい、
ことが好ましい。

第１の発明では、４つのひずみゲージを用いてホイートストンブリッジ回路が構成され、
前記４つのひずみゲージのうちの第１および第３のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より大きく、
前記４つのひずみゲージのうちの第２および第４のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より小さい、
ことが好ましい。

第２の発明は、２つのひずみゲージを用いて金属対象物の温度を測定するための装置であって、
前記２つのひずみゲージは、前記金属対象物に貼り付けられ、
前記２つのひずみゲージのグリッド方向は、互いに一致しており、
前記２つのひずみゲージを用いてホイートストンブリッジ回路が構成され、
前記２つのひずみゲージのうちの第１のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より大きく、
前記２つのひずみゲージのうちの第２のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より小さい。

第２の発明は、４つのひずみゲージを用いて金属対象物の温度を測定するための装置であって、
前記４つのひずみゲージは、前記金属対象物に貼り付けられ、
前記４つのひずみゲージのグリッド方向は、互いに一致しており、
前記４つのひずみゲージを用いてホイートストンブリッジ回路が構成され、
前記４つのひずみゲージのうちの第１および第３のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より大きく、
前記４つのひずみゲージのうちの第２および第４のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より小さい。

第１の発明の第１実施形態に係る装置の回路図である。 第１の発明の第２実施形態に係る装置の回路図である。 第１の発明の第３実施形態に係る装置の回路図である。 第２の発明の第１実施形態に係る装置の概略図である。 第２の発明の第２実施形態に係る装置の概略図である。 実施例を説明するための図である。 実施例の結果のグラフである。 実施例の温度−ひずみ（出力電圧）曲線のグラフである。

（第１の発明）
図１は、第１の発明の第１実施形態に係る装置の回路図である。
第１実施形態に係る装置１０のひずみゲージＲ１は、金属対象物に貼り付けられ、固定抵抗Ｒ２〜Ｒ４とともにホイートストンブリッジ回路を構成する（１ゲージ法）。
上述したとおり、一般的なひずみゲージでは、ひずみゲージの線膨張係数が、測定対象物の線膨張係数に合わせられることにより、温度補償が行われている。
一方、第１の発明では、ひずみゲージの線膨張係数は、金属対象物の線膨張係数と異なる。例えば、金属対象物が銅の場合、鉄用のひずみゲージが用いられる。これにより、温度が変化した際に、ひずみゲージは、金属対象物と異なって変化（引張／圧縮）することから、金属対象物の温度変化を測定することができる。
代表的な金属の線膨張係数は、以下のとおりである。
鉄：１１ｐｐｍ／℃
銅：１６．８ｐｐｍ／℃
アルミニウム：２３ｐｐｍ／℃
第１の発明の装置１０により、環境温度の影響を受けずに、金属対象物自体の温度を測定することができる。また、装置１０のパターニングは任意の形状とすることができる。すなわち、装置１０は形状の自由度が高く、任意の形状の金属対象物に直接貼り付けることができるため、金属対象物の形状を問わず温度を測定できる。また、大きい金属対象物に対して、複数の装置１０を貼り付けることにより、金属対象物の全体の温度を測定することができる。
なお、第１の発明では、金属対象物の変化は、温度変化に起因するものであり、金属対象物に荷重等は与えられていないものとする。

図２は、第１の発明の第２実施形態に係る装置の回路図である。
第２実施形態に係る装置２０の第１のひずみゲージＲ１および第２のひずみゲージＲ２は、金属対象物に貼り付けられ、固定抵抗Ｒ３、Ｒ４とともに２ゲージ式（ホイートストンブリッジ）回路を構成する。
第１のひずみゲージＲ１の線膨張係数は、金属対象物の線膨張係数より大きく、第２のひずみゲージＲ２の線膨張係数は、金属対象物の線膨張係数より小さい。例えば、金属対象物が銅の場合、第１のひずみゲージＲ１にはアルミニウム用のひずみゲージが用いられ、第２のひずみゲージＲ２には鉄用のひずみゲージが用いられる。これにより、出力される熱ひずみが大きくなるため、第２実施形態に係る装置２０では、第１実施形態に係る装置１０と比較して、金属対象物の温度変化を高感度に測定することができる。

図３は、第１の発明の第３実施形態に係る装置の回路図である。
第３実施形態に係る装置３０の第１のひずみゲージＲ１、第２のひずみゲージＲ２、第３のひずみゲージＲ３および第４のひずみゲージＲ４は、金属対象物に貼り付けられ、４ゲージ式（ホイートストンブリッジ）回路を構成する。
第１および第３のひずみゲージＲ１、Ｒ３の線膨張係数は、金属対象物の線膨張係数より大きく、第２および第４のひずみゲージＲ２、Ｒ４の線膨張係数は、金属対象物の線膨張係数より小さい。例えば、金属対象物が銅の場合、第１および第３のひずみゲージＲ１、Ｒ３にはアルミニウム用のひずみゲージが用いられ、第２および第４のひずみゲージＲ２、Ｒ４には鉄用のひずみゲージが用いられる。これにより、出力される熱ひずみがさらに大きくなるため、第３実施形態に係る装置３０では、第１実施形態に係る装置１０および第２実施形態に係る装置２０と比較して、金属対象物の温度変化を高感度に測定することができる。
なお、第１のひずみゲージＲ１と第３のひずみゲージＲ３とが異なっていてもよいし、第２のひずみゲージＲ２と第４のひずみゲージＲ４とが異なっていてもよいが、第１および第３のひずみゲージＲ１、Ｒ３の線膨張係数と金属対象物の線膨張係数との差が大きく、第２および第４のひずみゲージＲ２、Ｒ４の線膨張係数と金属対象物の線膨張係数との差が大きいことが好ましい。

上述した第１の発明では、金属対象物に荷重等は与えられていないものと想定していたが、以下では、金属対象物に荷重等が与えられる場合を想定する。

（第２の発明）
図４は、第２の発明の第１実施形態に係る装置の概略図である。
第１実施形態に係る装置４０の第１のひずみゲージＲ１および第２のひずみゲージＲ２は、ｘｙ平面において、板状の金属対象物１００に貼り付けられ、図示しない固定抵抗Ｒ３、Ｒ４とともに２ゲージ式（ホイートストンブリッジ）回路を構成する。第１および第２のひずみゲージＲ１、Ｒ２のグリッド方向は、ｘ方向であり、互いに一致している。
第１および第２のひずみゲージＲ１、Ｒ２の検出するひずみ（総ひずみ＝加重等によるひずみ＋温度変化による熱ひずみ）をそれぞれε１、ε２とすると、２ゲージ式（ホイートストンブリッジ）回路により検出される総ひずみεは、以下の式１で表される。
ε＝ε１−ε２ （式１）
ここで、金属対象物１００に荷重等および温度変化が与えられると、第１および第２のひずみゲージＲ１、Ｒ２の検出する荷重等によるひずみがε１＿ｓ、ε２＿ｓであり、温度変化による熱ひずみがε１＿ｔ、ε２＿ｔであるとき、以下の式２が成立する。
ε＝（ε１＿ｓ＋ε１＿ｔ）−（ε２＿ｓ＋ε２＿ｔ） （式２）
ここで、第１および第２のひずみゲージＲ１、Ｒ２のグリッド方向が一致しているため、ε１＿ｓ＝ε２＿ｓであるので、これを式２に代入すると、以下の式３が成立する。
ε＝ε１＿ｔ−ε２＿ｔ （式３）
式３より明らかなように、金属対象物１００に荷重等が与えられても相殺（キャンセル）され、金属対象物１００の温度変化のみを検出することができる。

また、第１および第２のひずみゲージＲ１、Ｒ２の線膨張係数は、金属対象物の線膨張係数と異なり、第１のひずみゲージＲ１の線膨張係数は、金属対象物の線膨張係数より大きく、第２のひずみゲージＲ２の線膨張係数が、金属対象物の線膨張係数より小さい。これにより、ε１＿ｔ＞０、ε２＿ｔ＜０となるので、式３において、総ひずみεが大きくなり、高感度な測定が可能になる。

なお、一般的に、２ゲージ式（ホイートストンブリッジ）回路を構成する場合、第１のひずみゲージＲ１のグリッド方向は、第２のひずみゲージＲ２のグリッド方向に垂直であり、一方のひずみゲージにより引張ひずみを検出し、他方のひずみゲージにより圧縮ひずみを検出する。

図５は、第２の発明の第２実施形態に係る装置の概略図である。
第２実施形態に係る装置５０の第１のひずみゲージＲ１、第２のひずみゲージＲ２、第３のひずみゲージＲ３および第４のひずみゲージＲ４は、円柱状の金属対象物２００の側面に貼り付けられ、４ゲージ式（ホイートストンブリッジ）回路を構成する。第１〜第４のひずみゲージＲ１〜Ｒ４のグリッド方向は、ｘ方向であり、互いに一致している。
第１〜第４のひずみゲージＲ１〜Ｒ４の検出するひずみ（総ひずみ＝加重等によるひずみ＋温度変化による熱ひずみ）をそれぞれε１〜ε４とすると、４ゲージ式（ホイートストンブリッジ）回路により検出される総ひずみεは、以下の式４で表される。
ε＝ε１−ε２＋ε３−ε４ （式４）
上述した２ゲージ式（ホイートストンブリッジ）回路の場合と同様に、金属対象物２００に与えられる荷重は相殺されるので、第１〜第４のひずみゲージＲ１〜Ｒ４の検出する温度変化による熱ひずみがε１＿ｔ〜ε４＿ｔであるとき、以下の式５が成立する。
ε＝ε１＿ｔ−ε２＿ｔ＋ε３＿ｔ−ε４＿ｔ （式５）
また、第１〜第４のひずみゲージＲ１〜Ｒ４の線膨張係数は、金属対象物の線膨張係数と異なり、第１および第３のひずみゲージＲ１、Ｒ３の線膨張係数は、金属対象物の線膨張係数より大きく、第２および第４のひずみゲージＲ２、Ｒ４の線膨張係数は、金属対象物の線膨張係数より小さい。これにより、ε１＿ｔ、ε３＿ｔ＞０およびε２＿ｔ、ε４＿ｔ＜０となるので、式５において、総ひずみεが大きくなる。
第２実施形態に係る装置５０では、金属対象物２００に荷重等が与えられても相殺され、金属対象物２００の温度変化のみを、第１実施形態に係る装置４０より高感度に検出することができる。

なお、上述した実施形態では、ひずみゲージのグリッド方向は、ｘ方向であるが、複数のひずみゲージのグリッド方向が一致していれば、どの方向でもよい。

以下、実施例を用いて本発明を説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
図６に示すように、長さ１００ｍｍ×幅１００ｍｍ×厚み（ｔ）５ｍｍの銅板（線膨張係数：１６．８ｐｐｍ／℃）を用意し、任意の位置に、第１および第２のサンプルの合計６つのひずみゲージを貼り付けた。ひずみゲージは、グリッド長０．８ｍｍ×グリッド幅１．４ｍｍであり、ベース長３．１ｍｍ×ベース幅２．５ｍｍであった。
第１のサンプルは、３つのＦｅ用のひずみゲージＲ＿Ｆｅ１、Ｒ＿Ｆｅ２、Ｒ＿Ｆｅ３であり、線膨張係数が１１ｐｐｍ／℃に設定されていた。
第２のサンプルは、３つのＡｌ用のひずみゲージＲ＿Ａｌ１、Ｒ＿Ａｌ２、Ｒ＿Ａｌ３であり、線膨張係数が２３ｐｐｍ／℃に設定されていた。
図７に一点鎖線で示すように、３０→６０→９０→１２０→９０→６０→３０℃の温度サイクル（各温度ステップ３時間）にて熱ひずみを測定した。

図７に、温度変化に伴う各ひずみゲージの熱ひずみの測定結果を併せて示す。
図７において、３つのＦｅ用のひずみゲージＲ＿Ｆｅ１、Ｒ＿Ｆｅ２、Ｒ＿Ｆｅ３の測定結果は重なって実線で示され、引張側のひずみが得られ、３つのＡｌ用のひずみゲージＲ＿Ａｌ１、Ｒ＿Ａｌ２、Ｒ＿Ａｌ３の測定結果は重なって破線で示され、圧縮側のひずみが得られた。いずれのひずみも温度変化に追従していることがわかる。
表１に、上述した測定結果と、２つのＦｅ用のひずみゲージおよび２つのＡｌ用のひずみゲージにより４ゲージ式（ホイートストンブリッジ）回路を構成した場合の計算出力と、を示す。

図８には、横軸に温度を示し、左側の縦軸にひずみを示し、右側の縦軸に電圧出力を示した温度−ひずみ（出力電圧）曲線を示す。ひずみから電圧出力の換算は、２０００μεを１ｍＶとして行った。
１２０℃での値（温度差９０℃）を定格（基準）としたとき、非直線性は、約４％Ｒ．Ｏ．であり、ヒステリシス・零戻りは、０．５％Ｒ．Ｏ．未満であった。
銅の線膨張係数に合わせて温度補償が行われた銅用のひずみゲージではなく、銅の線膨張係数より大きい線膨張係数を有するＡｌ用のひずみゲージと、銅の線膨張係数より小さい線膨張係数を有するＦｅ用のひずみゲージと、を組み合わせることにより、温度に対し測定可能といえるレベルの出力を得ることができた（２２５με／１０℃＝０．１１ｍＶ／Ｖ／１０℃）。
銅とアルミニウムとの線膨脹係数差を＋６ｐｐｍ／℃、銅と鉄との線膨脹係数差を−６ｐｐｍ／℃とすると、フルブリッジ構成では、理論値は、２４０με／１０℃であり、実測値（２２５με／１０℃）と近い結果が得られた（差異が約７％）。
以上より実施例からも、ひずみゲージを用いて金属対象物の温度測定が可能であることがわかった。

Claims (4)

1. ２つのひずみゲージを用いて金属対象物の温度を測定するための装置であって、
   前記２つのひずみゲージは、前記金属対象物に貼り付けられ、
   前記２つのひずみゲージを用いてホイートストンブリッジ回路が構成され、
   前記２つのひずみゲージのうちの第１のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より大きく、
   前記２つのひずみゲージのうちの第２のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より小さい、
   装置。
2. ４つのひずみゲージを用いて金属対象物の温度を測定するための装置であって、
   前記４つのひずみゲージは、前記金属対象物に貼り付けられ、
   前記４つのひずみゲージを用いてホイートストンブリッジ回路が構成され、
   前記４つのひずみゲージのうちの第１および第３のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より大きく、
   前記４つのひずみゲージのうちの第２および第４のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より小さい、
   装置。
3. ２つのひずみゲージを用いて金属対象物の温度を測定するための装置であって、
   前記２つのひずみゲージは、前記金属対象物に貼り付けられ、
   前記２つのひずみゲージのグリッド方向は、互いに一致しており、
   前記２つのひずみゲージを用いてホイートストンブリッジ回路が構成され、
   前記２つのひずみゲージのうちの第１のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より大きく、
   前記２つのひずみゲージのうちの第２のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より小さい、
   装置。
4. ４つのひずみゲージを用いて金属対象物の温度を測定するための装置であって、
   前記４つのひずみゲージは、前記金属対象物に貼り付けられ、
   前記４つのひずみゲージのグリッド方向は、互いに一致しており、
   前記４つのひずみゲージを用いてホイートストンブリッジ回路が構成され、
   前記４つのひずみゲージのうちの第１および第３のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より大きく、
   前記４つのひずみゲージのうちの第２および第４のひずみゲージの線膨張係数は、前記金属対象物の線膨張係数より小さい、
   装置。

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