JP6821338B2 - 標準用白金抵抗温度計の感温部における巻線構造及び標準用白金抵抗温度計 - Google Patents

Description

本発明は、国際温度目盛（以下、ＩＴＳ−９０という）の補間温度計として使用される標準用白金抵抗温度計における感温部の巻線構造及びこの巻線構造の感温部を備える標準用白金抵抗温度計に関するものである。

標準用白金抵抗温度計（以下、単に「標準用温度計」ともいう）は、０．００１℃以下の再現性や精度が要求される温度標準の研究又はＩＴＳ−９０において抵抗値から温度を定める補間温度計であり、約−１９０℃〜約９６２℃で使用される。

下記特許文献１に開示されるように、従来より知られている標準用温度計１０（０℃で約２５オーム）の基本構造は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように石英や単結晶サファイヤ製の十字巻枠１１に対し、白金線１２をコイル状に巻回した感温部１３を備えている。

巻枠１１の材料となる石英やサファイヤと白金線１２の白金の熱膨張率が大きく異なるため、白金線１２は、ストレインフリーの状態で無誘導巻きとなる二重コイル方式によって２ｍｍ以下程度の微細なコイル径を有する小径コイル状の白金抵抗線を十字巻枠１１に対して所定ピッチで巻き込まれている。これにより、巻線抵抗の寄生インダクタンスを打ち消す効果も奏することになる。

また、標準用温度計１０は４線式の抵抗測定を行うため、図示しない指示計などの外部機器と接続される２本で一組の白金製の外部リード線１４が二組（合計４本) で構成されており、白金線１２の終端部分に対して一組（計２本）ずつ溶着される。そして、図４に示すように、接続部分１５を境として、白金線１２は十字巻枠１１の周囲をコイル状に巻回され、外部リード線１４はそれぞれ略直線的に引き出されている。

さらに、感温部１３の汚染を防止するため、石英やサファイヤなどのガス不透過性の保護管（図示せず）で感温部１３を被覆し、この保護管の内部にはアルゴンに意図的に酸素を所定比率で添加した混合ガスが封入されている。

特許第３３８０５２３号

ところで、従来の標準用白金抵抗温度計１０で銀点測定を行った場合、水の三重点（０．０１℃）や銀点（９６１．７８℃）を測定するため、感温部１３が約１０００℃近い温度変化を受け、白金線１２が巻付径方向に膨張・収縮すると考えられている。また、銀点測定を複数回行うと、１０ｍＫ程度の温度ドリフトが生じてしまうものもある。

本願発明者は、この温度ドリフトの原因を解明するべく鋭意研究を重ねた結果、温度変化による白金線１２の形状変化によって接続部分１５が微動し、その結果、測定温度がドリフトすることを突き止めた。

そこで、本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、温度変化による白金線の膨張・収縮による影響を低減して高精度に温度測定を行うことのできる標準用白金抵抗温度計の感温部における巻線構造及びこの巻線構造を用いた標準用白金抵抗温度計を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するため、本発明に係る第１の態様は、巻枠に対してストレインフリーな状態でコイル状に無誘導巻きされる白金線と、
該白金線と接続され、温度測定時に変化する前記白金線の電気抵抗値を外部に出力する外部リード線と、
を備えた標準用白金抵抗温度計の感温部における巻線構造において、
前記外部リード線は、前記白金線の巻付径方向への膨張・収縮による形状変化に追従して変位するように、前記白金線の終端部と接続される接続部分からの一部が前記白金線の巻線方向と同方向に前記巻枠に巻回され引き出されることを特徴とする、標準用白金抵抗温度計の感温部における巻線構造である。

本発明に係る第２の態様は、温度検出を行う感温部を備えた標準用白金抵抗温度計において、
前記感温部は、
巻枠に対してストレインフリーな状態でコイル状に無誘導巻きされる白金線と、
該白金線と接続され、温度測定時に変化する前記白金線の電気抵抗値を外部に出力する外部リード線とを備え、
前記外部リード線は、前記白金線の巻付径方向への膨張・収縮による形状変化に追従して変位するように、前記白金線の終端部と接続される接続部分からの一部が前記白金線の巻線方向と同方向に前記巻枠に巻回され引き出されることを特徴とする、標準用白金抵抗温度計である。

本発明によれば、外部リード線を、白金線と接続される接続部分から白金線の巻き方向と同方向に所定巻き数分だけ巻枠に巻回することで、水の三重点や銀点測定を繰り返し測定したときの温度変化により白金線が巻付径方向に膨張・収縮して形状変化したとしても、接続部分の微動を極力抑制することができる。よって、従来品よりも高精度に温度測定を行うことができるため、ＩＴＳ−９０に基づいた標準温度計としての機能を十分に果たすことができる。

本発明に係る標準用白金抵抗温度計の感温部の構成を示す概略斜視図である。 （ａ）は同感温部を矢印Ａ方向から側面視したときの概略側面図であり、（ｂ）は同感温部を矢印Ｂ方向から側面視したときの概略側面図である。 本発明に係る標準用白金抵抗温度計と従来の標準用白金抵抗温度計とでそれぞれ銀点測定を行ったときの温度変化を示すグラフである。 （ａ）は従来の標準用白金抵抗温度計の感温部の構成を示す概略斜視図であり、（ｂ）は従来の感温部を側面視したときの概略側面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、この形態に基づいて当業者などによりなされる実施可能な他の形態、実施例及び運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。

なお、本発明に係る標準用白金抵抗温度計１の感温部４における巻線構造以外の各構成要素については、特許文献１に開示されるような従来の標準用温度計と同様であるため、その説明を省略し、本明細書では、標準用温度計１の感温部４の構成及び本発明の特徴要件となる白金線３の巻線構造に関する説明のみ記載する。

図１、２に示すように、本発明に係る標準用温度計１は、巻枠２と、白金線３とで構成される感温部４を備えている。

巻枠２は、例えば石英や単結晶サファイヤのような使用温度域において白金線３を汚染することのない安定した素材特性を示す材料で構成される長物部材である。

本実施形態の巻枠２は、本体中心部分（軸部）を中心として４つの立片２ａが放射状に等角度間隔（９０°間隔）で配置されている。すなわち、巻枠２を先端側から見たときに、該枠２の４つの立片２ａの各端部を結んだ仮想円の円周に沿って各立片２ａが９０°間隔で配置されるため、巻枠２の長手方向と直交する短手方向の切断面が略十字形状となる。

また、４つの立片２ａの外側端縁には、巻回される白金線３を嵌合する嵌合溝２ｂ（深さ０．５〜１ｍｍ程度）が所定ピッチで形成され、隣り合う立片２ａ相互の関係においては、嵌合溝２ｂが１／２ピッチずつずれるように形成位置が設定されている。これにより、一定の傾斜角度をもって白金線３を円滑に巻回することができる。

さらに、巻枠２の先端側には、白金線３を通して該線３の巻回開始位置となる折り返し部分を形成する通し孔２ｃが形成されるとともに、巻枠２の後端側には、接続部分６から引き出された外部リード線５を通して位置固定させるための貫通孔２ｄが複数形成されている。

なお、本実施形態における巻枠２の形状は、短手方向の切断面の形状が略十字形状であるが、例えば本体中心部分を中心として３つの立片２ａを１２０°の等角度間隔で配置するなど、白金線３が無誘導巻きで巻回可能であって標準用温度計１の感温部４として機能する形状であれば特に限定されない。

白金線３は、高純度（純度が９９．９９９％以上）の白金（Ｐｔ）からなる抵抗線である。白金線３は、巻線抵抗の寄生インダクタンスを打ち消すため、ストレインフリーの状態で無誘導巻きとなる単コイル方式によって巻枠２の外周に沿って嵌合溝２ｂに巻回されている。また、白金線３の終端部３ａのそれぞれには、一対の外部リード線５が溶着されている。なお、白金線３の径や長さについては、作製する標準用温度計１の仕様に基づき適宜規定される。

外部リード線５は、白金線３よりも純度が低い純度（純度９９．９９％以上）の白金からなり、白金線３の電気抵抗値を外部機器（ディジタル指示計など）に出力する導線である。本実施形態の標準用温度計１は、４線式の抵抗測定を行うため、図示しない外部機器と接続される２本で一組の白金製の外部リード線５が二組（合計４本) で構成されている。
本実施形態では、白金線３の終端部３ａに対し、一組の外部リード線５の先端部５ａが溶着されて接続部分６を構成している。

ここで、本発明の特徴要件となる、白金線３と外部リード線５との接続部分６周辺における巻線構造について説明する。

従来の標準用温度計１０における感温部１３は、白金線１２の各端部１２ａにそれぞれ一組２本の外部リード線１４が溶着された接続部分１５を有し、例えば図４（ｂ）に示すように接続部分１５を境として、白金線１２は十字巻枠１１の周囲をコイル状に巻回され、外部リード線１４は略直線的に引き出されている。

これに対し、本発明に係る白金線３の終端部３ａと外部リード線５の先端部５ａとが接続される接続部分６に周辺における巻線構造は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、巻枠２に巻回された白金線３の終端部３ａと、２本一組の外部リード線５とが接続部分６で接続され、この接続部分６から先の外部リード線５の一部が白金線３の巻線方向と同方向で巻枠２に所定巻き数分だけ巻回された後に引き出されている。そして、外部リード線５は、巻枠２の後端側の形成された貫通孔２ｄに通して外部に導出させている。なお、図２（ａ）、（ｂ）では、白金線３のそれぞれの終端部３ａと接続される一組の外部リード線５との接続部分６の周辺を示している。

本発明の巻線構造は、温度測定時における白金線３の形状変化を起因とする接続部分６の微動を抑制することが目的であるため、接続部分６を境としたときに、少なくとも接続部分６の直前の白金線３が巻回された立片２ａの次の立片２ａに対して外部リード線５が巻回された構造となればよい。
よって、立片２ａの立設間隔が巻線方向に対して９０°間隔であれば、外部リード線５の巻き数は、接続部分６を起点として約１／４巻き以上となり、１２０°間隔であれば接続部分６を起点として約１／３巻き以上となる。

このように、本発明の巻線構造では、外部リード線５を、白金線３と接続される接続部分６から白金線３の巻き方向と同方向に所定巻き数分だけ巻枠２に巻回することで接続部分６の位置が固定されるため、水の三重点や銀点を繰り返し測定したときの約１０００℃近い温度変化によって白金線３が巻付径方向への膨張・収縮して形状変化が生じたとしても、この形状変化の影響による接続部分６の微動を抑制することができる。

［実施例］
次に、上述した巻線構造を採用した標準用温度計１の性能評価について説明する。
なお、下記実施例は一例であって本発明を限定するものではなく、前・後記の趣旨に照らし合わせて適宜設計変更することは、何れも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。

図３は、本発明の巻線構造を採用した標準用温度計１と、本発明の巻線構造を採用していない従来の標準用温度計との銀点測定時における評価結果を示している。なお、感温部４の構成としては下記の通りである。
・白金線３の線径：０．３５ｍｍ
・白金線３の長さ：２６０ｍｍ
・白金線３の巻き数：２０回巻き

また、銀点測定の工程は、水の三重点（０．０１℃）の測定→５００℃の電気炉に挿入して６℃／分で９９０℃まで昇温→銀点装置に移動し、銀点測定（約９６２℃）→９９０℃の電気炉に戻す→１℃／分で５００℃まで降温→室温に引き抜き、再び水の三重点（０．０１℃）を測定し、この工程を４回繰り返し行った。

図３に示すように、従来の標準用温度計１（図中△）における１回目〜４回目までの銀点比の平均変化（ｍＫ）が１５．２ｍＫであるのに対し、本発明の巻線構造（図中●）を採用した標準用温度計１における１回目〜４回目までの銀点比の平均変化（ｍＫ）は２．３ｍＫであった。
これは、本発明の巻線構造を採用することで、上記銀点測定による約１０００℃の温度変化を受け白金線３の膨張・収縮による形状変化の影響が低減され、より高精度な温度測定が実現可能であることが証明された。

以上説明したように、上述した標準用温度計１は、感温部４を構成する白金線３の終端部３ａと外部リード線５の先端部５ａとが接続される接続部分６から先の外部リード線５を白金線３の巻線方向と同方向で巻枠２に巻回した後に引き出された巻線構造を有している。

これにより、水の三重点や銀点測定を繰り返し測定したときの温度変化により白金線３が巻付径方向に膨張・収縮して形状変化したとしても、接続部分６から引き出された外部リード線５も白金線３の形状変化に追従して変位するため、結果として接続部分６の微動を極力抑制することができる。

ところで、上述した実施形態では、巻線２に対し白金線３がストレインフリーな状態で無誘導巻きとなる単コイル方式で巻回された構成で説明したが、これに限定されることはない。本発明の巻線構造では、少なくとも巻き枠２に対し白金線３がストレインフリーな状態でコイル状に無誘導巻きで巻回されていればよいため、本実施形態の単コイル方式の他に二重コイル方式などで巻回してもよい。

１…標準用白金抵抗温度計（標準用温度計）
２…巻枠（２ａ…立片、２ｂ…嵌合溝、２ｃ…通し孔、２ｄ…貫通孔）
３…白金線（３ａ…終端部）
４…感温部
５…外部リード線（５ａ…先端部）
６…白金線の終端部と外部リード線の先端部との接続部分

Claims (2)

1. 巻枠に対してストレインフリーな状態でコイル状に無誘導巻きされる白金線と、
   該白金線と接続され、温度測定時に変化する前記白金線の電気抵抗値を外部に出力する外部リード線と、
   を備えた標準用白金抵抗温度計の感温部における巻線構造において、
   前記外部リード線は、前記白金線の巻付径方向への膨張・収縮による形状変化に追従して変位するように、前記白金線の終端部と接続される接続部分からの一部が前記白金線の巻線方向と同方向に前記巻枠に巻回され引き出されることを特徴とする標準用白金抵抗温度計の感温部における巻線構造。
2. 温度検出を行う感温部を備えた標準用白金抵抗温度計において、
   前記感温部は、
   巻枠に対してストレインフリーな状態でコイル状に無誘導巻きされる白金線と、
   該白金線と接続され、温度測定時に変化する前記白金線の電気抵抗値を外部に出力する外部リード線とを備え、
   前記外部リード線は、前記白金線の巻付径方向への膨張・収縮による形状変化に追従して変位するように、前記白金線の終端部と接続される接続部分からの一部が前記白金線の巻線方向と同方向に前記巻枠に巻回され引き出されることを特徴とする標準用白金抵抗温度計。

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