JP6910471B2 - 熱電対装置および温度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱電対装置および温度測定方法に関する。さらに詳しくは本発明は、車両の排気ガスシステム内など特に自動車の用途において、高温を測定可能な熱電対装置、および排気ガス温度を測定する方法に関する。

数ある中で、タイプＲ（ロンジウム１３％を含む白金ロンジウム合金）およびタイプＳ（ロンジウム１０％を含む白金ロンジウム合金）の熱電対のような貴金属の熱電対を、たとえば１８００℃を超える高温のガス温度を測定するために使用することができる。タービンの用途のためには、熱電対プローブは典型的には長さ１０ｃｍ〜３０ｃｍのオーダにある。かかる熱電対の熱電素子に対し熱電気的に整合されたまたはタイプを補償する貴金属の延長ワイヤを用いて、熱電対の遠端と、この熱電対の出力を受信および処理するように構成された電気回路との間の距離を橋絡することができる。この回路延長部は、プローブの設置および保守を容易にするために端子接続部を含むこともできる。

ある特定の条件下では、著しく長い延長ワイヤが必要になる場合がある。このことが起こる可能性があるのはたとえば、測定すべき高温ガスを発生する物体およびそれらの高温ガスに接近可能な物体内のロケーションについて、電気回路を近くに配置することはできない、という幾何学的および物理的な制約がある場合である。貴金属熱電対の場合、延長ワイヤおよび端子部品は、必要とされる長さについて市販されていない可能性があるし、またはコストが非常に高額になる可能性がある。

米国特許第７１７５３４３号明細書には、２つの温度測定接合部を含む多素子熱電対が開示されている。

英国特許出願公開第１２５２７５４号明細書は、熱電デバイスに関する。

さらなる熱電デバイスは、たとえば米国特許出願公開第２０１６／０３４９１１７号明細書、米国特許出願公開第５０３８３０３号明細書、米国特許第８６０２６４３号明細書、および国際公開第２００９／０５３８１５号から公知である。

本発明の課題は、所望の温度を高い信頼性で測定することができ、かついっそうコスト効率のよい熱電対装置を提供することである。

この課題は、請求項１記載の熱電対装置および請求項１０記載の方法によって達成可能である。従属請求項には好ましい実施形態が示されている。

第１の態様によれば、たとえば内燃機関の排気ガスシステムを通過する排気ガスの、第１の温度を測定する熱電対装置が開示される。熱電対装置は第１の熱電対を有し、第１の熱電対は、第１の熱電素子と、第１の接合部において（または第１の接合部で交わる）第１の熱電素子と結合（または接合）された第２の熱電素子とを含む。第１の接合部は、第１の温度を有する第１の部分に配置されるように構成されている。第１の熱電素子は第１の材料から成り、第２の熱電素子は、第１の材料とは異なる第２の材料から成る。熱電対装置はさらに第２の熱電対を有し、第２の熱電対は、第３の熱電素子と、第１の熱電素子と接続された第２の接合部において（または第２の接合部で交わる）第３の熱電素子と結合（または接合）された第４の熱電素子とを含む。第２の接合部は、第２の温度を有する第２の部分に配置されるように構成されている。第３の熱電素子は第３の材料から成り、第４の熱電素子は、第３の材料とは異なる第４の材料から成る。熱電対装置はさらに第３の熱電対を有し、第３の熱電対は、第５の熱電素子と、第２の熱電素子と接続された第３の接合部において（または第３の接合部で交わる）第５の熱電素子と結合（または接合）された第６の熱電素子とを含む。第３の接合部は、第２の温度を有する第２の部分に配置されるように構成されている。第５の熱電素子は、第３および第４の材料とは異なる第５の材料から成り、第６の熱電素子は、第３、第４および第５の材料とは異なる第６の材料から成る。

さらに別の態様によれば、たとえば内燃機関の排気ガスシステムを通過する排気ガスの、第１の温度を測定する方法が開示される。この方法は、第１の熱電対を含む熱電対装置を用意することを有する。第１の熱電対は、第１の熱電素子と、第１の接合部において（または第１の接合部で交わる）第１の熱電素子と結合（または接合）された第２の熱電素子とを含む。第１の接合部は、第１の温度を有する第１の部分に配置されるように構成されている。第１の熱電素子は第１の材料から成り、第２の熱電素子は、第１の材料とは異なる第２の材料から成る。熱電対装置はさらに第２の熱電対を含み、第２の熱電対は、第３の熱電素子と、第１の熱電素子と接続された第２の接合部において（または第２の接合部で交わる）第３の熱電素子と結合（または接合）された第４の熱電素子とを有する。第２の接合部は、第２の温度を有する第２の部分に配置されるように構成されている。第３の熱電素子は第３の材料から成り、第４の熱電素子は、第３の材料とは異なる第４の材料から成る。熱電対装置はさらに第３の熱電対を含み、第３の熱電対は、第５の熱電素子と、第２の熱電素子と接続された第３の接合部において（または第３の接合部で交わる）第５の熱電素子と結合（または接合）された第６の熱電素子とを有する。第３の接合部は、第２の温度を有する第２の部分に配置されるように構成されている。第５の熱電素子は、第３および第４の材料とは異なる第５の材料から成り、第６の熱電素子は、第３、第４および第５の材料とは異なる第６の材料から成る。この方法はさらに、第３の熱電素子と第４の熱電素子との間の第１の電圧差、第５の熱電素子と第６の熱電素子との間の第２の電圧差、第４の熱電素子と第６の熱電素子との間の第３の電圧差、第３の熱電素子と第６の熱電素子との間の第４の電圧差、第３の熱電素子と第５の熱電素子との間の第５の電圧差、および第４の熱電素子と第５の熱電素子との間の第６の電圧差のうち、少なくとも３つの電圧差を測定すること、および測定された少なくとも３つの電圧差に少なくとも部分的に基づき、第１の接合部における第１の温度を求めることを有する。

本開示によれば、第３および第４の熱電素子が第２の熱電対を形成し、第５および第６の熱電素子が第３の熱電対を形成することが述べられている。ただしここで述べておきたいのは、複数の熱電素子の信号を分析するという観点において、第３〜第６の熱電素子のいずれも、第３〜第６の熱電素子のうち他の１つの熱電素子と熱電対を形成することができる、ということである。かかるケースにおいてたとえば、第１および第２の熱電素子を介して第５の熱電素子と間接的に結合された第３の熱電素子が、第２の熱電対を形成することができ、この場合、やはり第１および第２の熱電素子を介して第６の熱電素子と間接的に結合された第４の熱電素子が、第３の熱電対を形成することができる。したがって本開示による熱電対を形成するために、この熱電対を形成する２つの熱電素子間において直接的な接続が行われていてもよいし、または間接的な接続が行われていてもよい。さらに、接合部において、または接合部で交わる、他の１つの熱電素子と結合または接合された２つの熱電素子が、１つの熱電対を形成することができる。

１つの好ましい実施形態によれば、第３の材料および／または第４の材料および／または第５の材料および／または第６の材料は、第１の材料および／または第２の材料とは異なる。

さらに別の好ましい実施形態によれば、第５の熱電素子および／または第６の熱電素子は、第３の熱電素子および／または第４の熱電素子と同じ長さである。

有利には、第１の熱電対はタイプＮの熱電対であり、第２の熱電対はタイプＫの熱電対であり、かつ／または第３の熱電対はタイプＪまたはタイプＴの熱電対である。

第２の接合部および第３の接合部とは反対側に位置する、第３、第４、第５および第６の熱電素子の遠端部がそれぞれ、第３の温度を有する第３の部分に配置されるように構成されていると、有利になり得る。かかる実施形態の場合、第３、第４、第５および第６の熱電素子の遠端部を、第１、第２、第３および第４の電気端子とそれぞれ接続することができる。さらに好ましくは、第１の電気端子と第２の電気端子との間の第１の電圧差、第３の電気端子と第４の電気端子との間の第２の電圧差、第２の電気端子と第４の電気端子との間の第３の電圧差、第１の電気端子と第４の電気端子との間の第４の電圧差、第１の電気端子と第３の電気端子との間の第５の電圧差、および第２の電気端子と第３の電気端子との間の第６の電圧差のうち、少なくとも３つの電圧差によって、第１の温度を推定可能である。

さらに１つの好ましい実施形態によれば、熱電対装置はさらに、第１〜第６の熱電素子を少なくとも部分的に受け入れる、かつ／または支持するように構成された嵌合アセンブリを有することができる。好ましくは、この嵌合アセンブリは非導電性のプラグを含み、第３の熱電素子、第４の熱電素子、第５の熱電素子および第６の熱電素子がこのプラグを通過する。

本発明のさらなる特徴および態様は、本開示の精査および実施によって、さらには本発明による熱電対装置を示す添付の図１の考察によって、明らかになるであろう。

本発明による熱電対装置を示す図である。

図１には、本発明による熱電対装置１０が示されている。熱電対装置１０は、第１の熱電対２０、第２の熱電対３０および第３の熱電対４０を含む熱電対アセンブリに相応する。第１の熱電対２０、第２の熱電対３０および第３の熱電対４０は各々、互いに部品を共有している。

第１の熱電対２０は主熱電対であって、これには第１の熱電素子２２と第２の熱電素子２４とが含まれる。好ましくは、第１の熱電素子２２および／または第２の熱電素子２４
各々は、貴金属または貴金属合金から成る。たとえば第１の熱電素子２２（負電圧）を、たとえばニッケル−ケイ素合金（ＮｉＳｉ）など、第１の材料から形成することができる。第２の熱電素子２４（正電圧）を、たとえばニッケル−クロム−ケイ素（ＮｉＣｒＳｉ）合金など、第１の材料とは異なる第２の材料から形成することができる。

したがって第１の熱電対２０は好ましくは、既製のタイプＮ熱電対プローブによって構成されている。択一的な実施形態によれば、第１の熱電対２０を既製のタイプＲ熱電対プローブによって構成することができる。さらに別の実施形態によれば、第１および第２の熱電素子２２、２４は、英字で指定されていない熱電対に属する。そのような熱電対の一例を、白金から成る第１の熱電素子２２とパラジウムから成る第２の熱電素子２４とを有するものとすることができる。さらに別の実施形態によれば、第１および第２の熱電素子は、熱伝導性でありかつ非導電性の基板上に少なくとも部分的に堆積されており、かつ／またはそのような基板によって少なくとも部分的に支持されている。

第１および第２の熱電素子２２、２４の長さは、好ましくは３０ｃｍよりも短い。さらに好ましくは、第１および第２の熱電素子２２、２４の長さは２０ｃｍよりも短い。

第１の熱電素子２２は、第１の近端部２２Ａと、第１の近端部２２Ａとは反対側に位置する第１の遠端部２２Ｂとを含む。第２の熱電素子２４は、第２の近端部２４Ａと、第２の近端部２４Ａとは反対側に位置する第２の遠端部２４Ｂとを含む。第１の近端部２２Ａと第２の近端部２４Ａとは、第１の接合部２６において互いに接続または結合されている。好ましくは第１の接合部２６は、第１の温度Ｔ２を有する第１の部分２に配置されている。第１の部分２をたとえば、排気ガスダクトの一部分とすることができ、この部分を内燃機関（図示せず）の排気ガスが通過する。図１の熱電対装置１０によって、使用中、排気ガスの温度Ｔ２を求めることができる。第１の温度Ｔ２を、たとえば２１００℃を超える高温とすることができる。

第１および第２の熱電素子２２、２４の遠端部２２Ｂ、２４Ｂは、それぞれ互いに離間されており、好ましくは双方共に、第１の温度Ｔ２とは異なる第２の温度Ｔ１を有する第２の部分４のところにある。

第２の熱電対３０は補助熱電対であって、これには第３の熱電素子３２と第４の熱電素子３４とが含まれる。好ましくは、第３の熱電素子３２および／または第４の熱電素子３４は各々、卑金属または卑金属合金から成る。たとえば第３の熱電素子３２（正）を、たとえば銅−ニッケル（ＣｕＮｉ）合金など、第３の材料から形成することができる。第４の熱電素子３４（負）を、たとえば鉄（Ｆｅ）合金など、第３の材料とは異なる第４の材料から形成することができる。

したがってここで述べておくと、第３の熱電素子３２も第４の熱電素子３４も、第１の熱電素子２２と同じ材料からは形成されていない。同様に好ましくは、第３の熱電素子３２も第４の熱電素子３４も、第２の熱電素子２４と同じ材料からは形成されていない。たとえば第２の熱電対は、タイプＫの熱電対によって構成されている。

第３の熱電素子３２は、第３の近端部３２Ａと、第３の近端部３２Ａとは反対側に位置する第３の遠端部３２Ｂとを含む。第４の熱電素子３４は、第４の近端部３４Ａと、第４の近端部３４Ａとは反対側に位置する第４の遠端部３４Ｂとを含む。第３の近端部３２Ａと第４の近端部３４Ａとは、第２の接合部３６において互いに接続されている。好ましくは第２の接合部３６は、第２の温度Ｔ１を有する第２の部分４に配置されている。第２の温度Ｔ１を中温または高温とすることができ、たとえば約１５０℃〜約８００℃の温度とすることができる。

第３および第４の熱電素子３２、３４の遠端部３２Ｂ、３４Ｂは個々に、第１および第２の電気端子５２、５４とそれぞれ接続されている。第１および第２の電気端子５２、５４は互いに離間されており、かつ双方共に好ましくは、既知の第３の（基準）温度Ｔ０を有する第３の部分６にポジショニングされている。いっそう好ましくは、第１および第２の電気端子５２、５４を、制御ユニット５０の個々の部分とすることができる。たとえばＡ／Ｄ変換器を含む制御ユニット５０は、熱電対装置１０から電圧の形態の何らかの信号を受け取り、第１の温度Ｔ２を計算および／または推定するように構成されている。

以下では、第１の温度Ｔ２を求めるために３つの電圧差Ｖ１、Ｖ２およびＶ３を測定する１つの例示的な実施形態について、さらに詳しく記述して説明する。ただしここで述べておくと、第１の温度Ｔ２を求めるために、第１〜第６の電圧差Ｖ１〜Ｖ６（図１参照）のうち、任意の３つの電圧差を測定して分析することができる。特に、第１〜第６の電圧差Ｖ１〜Ｖ６のうち少なくとも３つの電圧差を測定することによって、測定されたこれらの電圧差から他の電圧差を計算および／または導出することができる。たとえば、第４の電圧差Ｖ４を次式によって計算することができる。
Ｖ４＝Ｖ２＋Ｖ６＋Ｖ１
Ｖ４＝Ｖ２＋Ｖ５
Ｖ４＝Ｖ１＋Ｖ３

動作中、第１および第２の電気端子５２、５４によってこれらの端子間において、第２の温度Ｔ１と第３の温度Ｔ０との間の温度差（Ｔ１−Ｔ０）を表す第１の電圧差Ｖ１が規定される。したがって第２の熱電対３０は、第３の温度Ｔ０（これを基準温度と称することもできる）が既知であるという条件で、第２の温度Ｔ１（これを遷移温度と称することもできる）を次式すなわち
Ｖ１＝Ｓ_３４・（Ｔ１−Ｔ０）
から求めるための情報を供給するように構成されている。ただしＳ_３４は、温度Ｔ０とＴ１との間の材料”３”および”４”の平均相対ゼーベック係数であり、これらの材料はこの例では第３の熱電素子３２と第４の熱電素子３４とにそれぞれ相応する。

たとえば第３の温度Ｔ０を、公知のＮＴＣ温度センサなど別個の温度センサによって測定してもよい。第３の温度Ｔ０を、実質的に周囲温度に相応させることができる。

第３の熱電対４０も補助熱電対であって、これには第５の熱電素子４２と第６の熱電素子４４とが含まれる。好ましくは、第５の熱電素子４２および／または第６の熱電素子４４は各々、卑金属または卑金属合金から成る。たとえば第５の熱電素子４２（正）を、たとえばニッケル−クロム合金など、第３および第４の材料とは異なる第５の材料から形成することができる。第６の熱電素子４４（負）を、たとえばニッケル−アルミニウム合金など、第３、第４および第５の材料とは異なる第６の材料から形成することができる。

したがってここで述べておくと、第５の熱電素子４２も第６の熱電素子４４も、第１の熱電素子２２と同じ材料からは形成されていない。同様に好ましくは、第５の熱電素子４２も第６の熱電素子４４も、第２の熱電素子２４と同じ材料からは形成されていない。これに加え、第５の熱電素子４２も第６の熱電素子４４も、第３および／または第４の熱電素子３２、３４と同じ材料からは形成されていない。たとえば第３の熱電対４０は、タイプＫの熱電対によって構成されている。

第５の熱電素子４２は、第５の近端部４２Ａと、第５の近端部４２Ａとは反対側に位置する第５の遠端部４２Ｂとを含む。第６の熱電素子４４は、第６の近端部４４Ａと、第６の近端部４４Ａとは反対側に位置する第６の遠端部４４Ｂとを含む。第５の近端部４２Ａと第６の近端部４４Ａとは、第３の接合部４６において互いに接続されている。好ましくは第３の接合部４６は、第２の温度Ｔ１を有する第２の部分４に配置されている。

第５および第６の熱電素子４２、４４の遠端部４２Ｂ、４４Ｂは個々に、第３および第４の電気端子５６、５８とそれぞれ接続されている。第３および第４の電気端子５６、５８は互いに離間されており、かつ双方共に好ましくは、既知の第３の（基準）温度Ｔ０を有する第３の部分６にポジショニングされている。いっそう好ましくは、第３および第４の電気端子５６、５８を、制御ユニット５０の個々の部分とすることができる。

動作中、第３および第４の電気端子５６、５８によってこれらの端子間において、やはり第２の温度Ｔ１と第３の温度Ｔ０との間の温度差（Ｔ１−Ｔ０）を表す第２の電圧差Ｖ２が規定される。したがって第３の熱電対４０も、第３の温度Ｔ０（これを基準温度と称することもできる）が既知であるという条件で、第２の温度Ｔ１（これを遷移温度と称することもできる）を次式すなわち
Ｖ２＝Ｓ_５６・（Ｔ１−Ｔ０）
から求めるための情報を供給するように構成されている。ただしＳ_５６は、温度Ｔ０とＴ１との間の材料”５”および”６”の平均相対ゼーベック係数であり、これらの材料はこの例では第５の熱電素子４２と第６の熱電素子４４とにそれぞれ相応する。

特に第１および第２の電圧差Ｖ１およびＶ２（これら双方共に第２の温度Ｔ１を表す）を、第２の温度Ｔ１を冗長的に求めるために用いることができる。これによって、第１および第２の電圧差Ｖ１、Ｖ２に基づき同じものを求めることによって、第２の温度Ｔ１の妥当性チェックが可能になる。たとえば第１および第２の電圧差Ｖ１、Ｖ２が、予め定められた電圧閾値よりも大きく互いに隔たっているならば、第２および／または第３の熱電対３０、４０を、正確に動作していないものとして検出することができる。かかるケースであれば、熱電対装置１０のメンテナンスが、特に第２および／または第３の熱電対３０、４０のメンテナンスが必要であるかもしれない。さらに、熱電対装置１０は経年変化または化学的汚染によって生じる不均衡に敏感であるので、熱電対装置１０の経年変化および／または化学的な汚染を監視することができる。

動作中、第２の電気端子５４と第４の電気端子５８とによってこれらの端子間において、第１の温度Ｔ２と第２の温度Ｔ１との間の温度差（Ｔ２−Ｔ１）を表す第３の電圧差Ｖ３が規定される。したがって第１の熱電対２０は、関連する第１の温度Ｔ２を次式すなわち
Ｖ３＝Ｓ_１２・（Ｔ２−Ｔ１）＋Ｓ_４５・（Ｔ１−Ｔ０）
に従い求めるために役立つ情報を供給するように構成されている。ただしＳ_１２は、この例では第１の熱電素子２２と第２の熱電素子２４とにそれぞれ対応する、温度Ｔ１とＴ２との間の材料”１”および”２”の平均相対ゼーベック係数であり、Ｓ_４５は、この例では第４の熱電素子３４と第５の熱電素子４２とにそれぞれ対応する、温度Ｔ０とＴ１との間の材料”４”および”５”の平均相対ゼーベック係数である。第２の温度Ｔ１は、第２および／または第３の熱電対３０、４０によって計算される。たとえば第２の温度Ｔ１を、第１および第２の電圧差Ｖ１、Ｖ２が予め定められた電圧閾値よりも大きく互いに隔たっていないという条件で、第１の電圧差Ｖ１に基づき求められた第１の「第２の温度Ｔ１」と、第２の電圧差Ｖ２に基づき求められた第２の「第２の温度Ｔ１」との平均値として求めることができる。

上述の式を用い適切な変換を適用すれば、
Ｔ２＝Ｔ１＋（Ｖ３−Ｓ_４５（Ｔ１−Ｔ０））／Ｓ_１２
によって、第１の温度Ｔ２を計算することができる。

第４の熱電素子３４および第５の熱電素子４２の材料は、第１および第２の熱電素子２２、２４の材料とは各々異なるので、第１の温度Ｔ２が第２温度Ｔ１と等しいという条件で、第３の電圧差Ｖ３はゼロとは等しくない。第４および第５の熱電素子３４、４２に対しそれぞれ異なる材料を用いたこのような配線を、通常のエンジン動作条件であれば、特にＴ２＞Ｔ１＞Ｔ０であれば、第４および第５の熱電素子３４、４２が同じ材料から成る状況に比べて、出力側においていっそう高い出力電圧を有するように構成することができる。ただし、たとえば制御ユニット５０内において、いっそう多くの後処理が必要とされるかもしれない。

相対ゼーベック係数は温度の関数であるため、実際の運用では計算は上述のものよりももっと複雑である。ただし、ＡＳＴＭ Ｅ２３０に記載されているような標準熱電対材料を用いて熱電対装置を構成すれば、業界で認められたＥ（Ｔ）式および関連する許容範囲を使用することができる。

したがって第１〜第６の電圧差Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６のうち少なくとも３つの電圧差の検出に基づき、確立された式および／または表を用いて、第１および第２の温度Ｔ２およびＴ１をそれぞれ計算および／または補間することができ、必要に応じて推定することができる。さらに述べておきたいのは、上述の式を測定された少なくとも３つの電圧差に適応させることができる、ということである。

図１に示されているように、第３の熱電素子３２および第４の熱電素子３４は、第１の電圧差Ｖ１を生成する第１の電圧差分岐回路に属している。同様に第５の熱電素子４２および第６の熱電素子４４は、第２の電圧差Ｖ２を生成する第２の電圧差分岐回路に属している。さらに第１の熱電素子２２、第２の熱電素子２４、第４の熱電素子３４、および第６の熱電素子４４は、第３の電圧差Ｖ３を生成する第３の電圧差分岐回路に属している。さらに第１の熱電素子２２、第２の熱電素子２４、第３の熱電素子３２、および第６の熱電素子４４は、第４の電圧差Ｖ４を生成する第４の電圧差分岐回路に属している。さらに第１の熱電素子２２、第２の熱電素子２４、第３の熱電素子３２、および第５の熱電素子４２は、第５の電圧差Ｖ５を生成する第５の電圧差分岐回路に属している。さらに第１の熱電素子２２、第２の熱電素子２４、第４の熱電素子３４、および第５の熱電素子４２は、第６の電圧差Ｖ６を生成する第６の電圧差分岐回路に属している。

第３、第４、第５および第６の熱電素子３２、３４、４２、４４の遠端部３２Ｂ、３４Ｂ、４２Ｂ、４４Ｂはそれぞれ、互いに十分に電気的に絶縁されており、これによって第３の熱電素子３２と第４の熱電素子３４との間の第１の開路電圧差Ｖ１の測定が可能になり、第５の熱電素子４２と第６の熱電素子４４との間の第２の開路電圧差Ｖ２の測定が可能になり、第４の熱電素子３４と第６の熱電素子４４との間の第３の開路電圧差Ｖ３の測定が可能になり、第３の熱電素子３２と第６の熱電素子４４との間の第４の開路電圧差Ｖ４の測定が可能になり、第３の熱電素子３２と第５の熱電素子４２との間の第５の開路電圧差Ｖ５の測定が可能になり、さらに第４の熱電素子３４と第５の熱電素子４２との間の第６の開路電圧差Ｖ６の測定が可能になる。

重要なことに、第３〜第６の熱電素子３２、３４、４２、４４、５２、５４の各々は、３つの電圧差分岐回路に共通のものである。特に第３の熱電素子３２は、第１、第５および第４の電圧差分岐回路に共通のものである。第４の熱電素子３４は、第１、第３および第６の電圧差分岐回路に共通のものである。同様に第５の熱電素子４２は、第２、第５および第６の電圧差分岐回路に共通のものであり、さらに第６の熱電素子４４は、第２、第３および第４の電圧差分岐回路に共通のものである。

第３、第４、第５および第６の熱電素子３２、３４、４２、４４は、好ましくは２０ＡＷＧワイヤのような導体を有しており、それらは個々に絶縁され、マルチワイヤフレキシブルケーブルとしていっしょに束ねられており、各熱電素子の近端部３２Ａ、３４Ａ、４２Ａ、４４Ａと遠端部３２Ｂ、３４Ｂ、４２Ｂ、４４Ｂとの間にそれぞれ延在している。

実質的に延長ワイヤとして用いられる第３、第４、第５および第６の熱電素子３２、３４、４２、４４の長さは、好ましくは２０ｃｍ未満〜数ｍの範囲にある。結果として得られる熱電対装置１０は、第１の熱電対２０を用いて少なくとも２つの、好ましくは３つの電圧測定を行うことにより、高温の未知の第１の温度Ｔ２を測定するのに適しており、第１の熱電対２０はその第１の熱電素子２２を介して、第２の（遷移）温度Ｔ１を測定するように各々構成された第２の熱電対３０および第３の熱電対４０と、カスケード接続されている。

適切な較正プロセスを用いることによって、それぞれ異なる材料から成る第３〜第６の熱電素子３２、３４、４２、４４を備えた、図１に示されている構造を有する任意の熱電対装置に、本発明を適用することができる。

熱電対装置１０を用いて、厳しい環境のすぐ近くにある第１の熱電対２０と、第１の（主）熱電対２０の脚部から電気コネクタ５２、５４、５６、５８がポジショニングされている遠隔ロケーションまで延在する、第２の（補助）熱電対３０および／または第３の熱電対４０とにより、温度を測定することができる。このようにすることで、たやすく入手可能な卑金属の延長ワイヤおよびコネクタ（第２の熱電対３０および第３の熱電対４０）を用いることができ、これによって、貴金属の第１の（主）熱電対２０を用いたときにコスト上の利点がもたらされる。かかる卑金属延長部によって、マッチしたリードワイヤおよびコネクタが市販されていない状況で、英字で指定されていない貴金属の第１の熱電対を用いることもできる。

１つの好ましい実施形態によれば、図１に示されているように、第２の接合部３６および第３の接合部４６は好ましくは、双方共に同じ温度のところにあり、つまり第２の温度Ｔ１のところにある。１つの実施形態によれば、第２および第３の接合部３６、４６を単純に互いに近づけてポジショニングすることができ、このことは同じ（遷移）温度Ｔ１に確実に晒されるようにするのに役立つ。別の実施形態によれば、単純に互いに近接させることに加えて、嵌合アセンブリ６０が設けられており、これによって第１〜第６の熱電素子２２、２４、３２、３４、４２、４４のうち少なくとも１つの熱電素子の一部分が支持される。いっそう好ましくは嵌合アセンブリ６０は、第２および第３の接合部３６、４６が互いに電気的に絶縁されているが、これらの接合部を共通の温度Ｔ１に晒すことができるよう、それでもなお熱的には互いに連通状態にあるようにしたものである。嵌合アセンブリ６０は好ましくは非導電性のプラグを含むことができ、第３の熱電素子３２、第４の熱電素子３４、第５の熱電素子４２、および第６の熱電素子４４がこのプラグを通過する。

第３、第４、第５および第６の熱電素子３２、３４、４２、４４の遠端部３２Ｂ、３４Ｂ、４２Ｂ、４４Ｂがそれぞれ終端している電気端子５２、５４、５６、５８は、好ましくはすべてが同じ既知の第３の（基準）温度Ｔ０のところにある。１つの実施形態によれば、電気端子５２、５４、５６、５８は終端ストリップ５９に取り付けられており、これも制御ユニット５０の一部分とすることができる。終端ストリップ５９の温度を、予め定められた基準温度Ｔ０に終端ストリップ５９を維持するように制御される温度とすることができる。択一的に、またはこれに加えて、補助温度計を使用して端子５２、５４、５６、５８における温度を計測することができ、第１の接合部２６における第１の温度Ｔ２を求めるために、この温度計の出力が基準温度Ｔ０として上述の式中で用いられる。

使用中、電気端子５２、５４、５６、５８は、第１〜第６の電圧差Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を、制御ユニット５０の一部分とすることができる当業者に周知の付加的な電気回路に供給する。付加的な回路は、他にもいろいろある中で、第１〜第６の電圧差Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を検知し、それらをアナログ信号および／またはディジタル信号に変換し、これらの信号のうちの少なくとも１つは好ましくは、さらなる処理のために第１の温度Ｔ２に比例する情報を担っている。よって、この回路に対応づけられたプロセッサを、第１〜第６の電圧差Ｖ１〜Ｖ６のうち少なくとも３つの電圧差を用いて、第２の温度Ｔ１を求め、さらにこの温度から第１の温度Ｔ２を求めるように、構成することができる。この場合、第１の温度Ｔ２は時間の関数として求められ、次いでこの第１の温度Ｔ２を用いて、たとえば自動車、商用車、トラック、農業用車両等といった車両と組み合わせて使用されるたとえば内燃機関のような、温度を発生させる装備のリアルタイム制御を提供することができる。

本発明の１つの特有の実施形態について、本明細書で具体的に例示し、かつ／または説明してきた。ただし自明のとおり、本発明の変更および変形は上述の教示によってカバーされるものであり、それらは本発明の着想および意図する範囲から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲内にある。

Claims (10)

1. 第１の温度（Ｔ２）を測定する熱電対装置（１０）であって、
   当該熱電対装置（１０）は、第１の熱電対（２０）と第２の熱電対（３０）と第３の熱電対（４０）とを有し、
   前記第１の熱電対（２０）は、第１の熱電素子（２２）と、第１の接合部（２６）において前記第１の熱電素子（２２）と結合された第２の熱電素子（２４）とを含み、前記第１の接合部（２６）は、第１の温度（Ｔ２）を有する第１の部分（２）に配置されるように構成されており、前記第１の熱電素子（２２）は第１の材料から成り、前記第２の熱電素子（２４）は、前記第１の材料とは異なる第２の材料から成り、
   前記第２の熱電対（３０）は、第３の熱電素子（３２）と、前記第１の熱電素子（２２）と接続された第２の接合部（３６）において前記第３の熱電素子（３２）と結合された第４の熱電素子（３４）とを含み、前記第２の接合部（３６）は、第２の温度（Ｔ１）を有する第２の部分（４）に配置されるように構成されており、前記第３の熱電素子（３２）は第３の材料から成り、前記第４の熱電素子（３４）は、前記第３の材料とは異なる第４の材料から成り、
   前記第３の熱電対（４０）は、第５の熱電素子（４２）と、前記第２の熱電素子（２４）と接続された第３の接合部（４６）において前記第５の熱電素子（４２）と結合された第６の熱電素子（４４）とを含み、前記第３の接合部（４６）は、前記第２の温度（Ｔ１）を有する前記第２の部分（４）に配置されるように構成されており、前記第５の熱電素子（４２）は、前記第３および前記第４の材料とは異なる第５の材料から成り、前記第６の熱電素子（４４）は、前記第３、前記第４および前記第５の材料とは異なる第６の材料から成る、
   第１の温度（Ｔ２）を測定する熱電対装置（１０）。
2. 前記第３の材料および／または前記第４の材料および／または前記第５の材料および／または前記第６の材料は、前記第１の材料および／または前記第２の材料とは異なる、請求項１記載の熱電対装置（１０）。
3. 前記第５の熱電素子（４２）および／または前記第６の熱電素子（４４）は、前記第３の熱電素子（３２）および／または前記第４の熱電素子（３４）と同じ長さである、請求項１または２記載の熱電対装置（１０）。
4. 前記第１の熱電対（２０）はタイプＮの熱電対である、
   前記第２の熱電対（３０）はタイプＫの熱電対である、かつ／または
   前記第３の熱電対（４０）はタイプＴまたはタイプＪの熱電対である、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の熱電対装置（１０）。
5. 前記第２の接合部（３６）および前記第３の接合部（４６）とは反対側に位置する、前記第３、前記第４、前記第５および前記第６の熱電素子（３２、３４、４２、４４）の遠端部（３２Ｂ、３４Ｂ、４２Ｂ、４４Ｂ）はそれぞれ、第３の温度（Ｔ０）を有する第３の部分（６）に配置されるように構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の熱電対装置（１０）。
6. 前記第３、前記第４、前記第５および前記第６の熱電素子（３２、３４、４２、４４）の前記遠端部（３２Ｂ、３４Ｂ、４２Ｂ、４４Ｂ）は、第１、第２、第３および第４の電気端子（５２、５４、５６、５８）とそれぞれ接続されている、請求項５記載の熱電対装置（１０）。
7. 前記第１の電気端子（５２）と前記第２の電気端子（５４）との間の第１の電圧差（Ｖ１）、前記第３の電気端子（５６）と前記第４の電気端子（５８）との間の第２の電圧差（Ｖ２）、前記第２の電気端子（５４）と前記第４の電気端子（５８）との間の第３の電圧差（Ｖ３）、前記第１の電気端子（５２）と前記第４の電気端子（５８）との間の第４の電圧差（Ｖ４）、前記第１の電気端子（５２）と前記第３の電気端子（５６）との間の第５の電圧差（Ｖ５）、および前記第２の電気端子（５４）と前記第３の電気端子（５６）との間の第６の電圧差（Ｖ６）のうち、少なくとも３つの電圧差に少なくとも部分的に基づき、前記第１の温度（Ｔ２）を推定可能である、請求項６記載の熱電対装置（１０）。
8. 当該熱電対装置（１０）はさらに、前記第１〜前記第６の熱電素子（２２、２４、３２３４、４２、４４）を少なくとも部分的に受け入れる、かつ／または支持するように構成された嵌合アセンブリ（６０）を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の熱電対装置（１０）。
9. 前記嵌合アセンブリ（６０）は非導電性のプラグを含み、前記第３の熱電素子（３２）、前記第４の熱電素子（３４）、前記第５の熱電素子（４２）、および前記第６の熱電素子（４４）が前記プラグを通過する、請求項８記載の熱電対装置（１０）。
10. 第１の温度（Ｔ２）を測定する方法であって、
    第１の熱電対（２０）と第２の熱電対（３０）と第３の熱電対（４０）とを含む熱電対装置（１０）を用意するステップであって、
    前記第１の熱電対（２０）は、第１の熱電素子（２２）と、第１の接合部（２６）において前記第１の熱電素子（２２）と結合された第２の熱電素子（２４）とを含み、前記第１の接合部（２６）は、第１の温度（Ｔ２）を有する第１の部分（２）に配置されるように構成されており、前記第１の熱電素子（２２）は第１の材料から成り、前記第２の熱電素子（２４）は、前記第１の材料とは異なる第２の材料から成り、
    前記第２の熱電対（３０）は、第３の熱電素子（３２）と、前記第１の熱電素子（２２）と接続された第２の接合部（３６）において前記第３の熱電素子（３２）と結合された第４の熱電素子（３４）とを含み、前記第２の接合部（３６）は、第２の温度（Ｔ１）を有する第２の部分（４）に配置されるように構成されており、前記第３の熱電素子（３２）は第３の材料から成り、前記第４の熱電素子（３４）は、前記第３の材料とは異なる第４の材料から成り、
    前記第３の熱電対（４０）は、第５の熱電素子（４２）と、前記第２の熱電素子（２４）と接続された第３の接合部（４６）において前記第５の熱電素子（４２）と結合された第６の熱電素子（４４）とを含み、前記第３の接合部（４６）は、前記第２の温度（Ｔ１）を有する前記第２の部分（４）に配置されるように構成されており、前記第５の熱電素子（４２）は、前記第３および前記第４の材料とは異なる第５の材料から成り、前記第６の熱電素子（４４）は、前記第３、前記第４および前記第５の材料とは異なる第６の材料から成り、
    前記第３の熱電素子（３２）と前記第４の熱電素子（３４）との間の第１の電圧差（Ｖ１）、前記第５の熱電素子（４２）と前記第６の熱電素子（４４）との間の第２の電圧差（Ｖ２）、前記第４の熱電素子（３４）と前記第６の熱電素子（４４）との間の第３の電圧差（Ｖ３）、前記第３の熱電素子（３２）と前記第６の熱電素子（４４）との間の第４の電圧差（Ｖ４）、前記第３の熱電素子（３２）と前記第５の熱電素子（４２）との間の第５の電圧差（Ｖ５）、および前記第４の熱電素子（３４）と前記第５の熱電素子（４２）との間の第６の電圧差（Ｖ６）のうち、少なくとも３つの電圧差を測定する、
    ステップと、
    測定された前記少なくとも３つの電圧差（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６）に少なくとも部分的に基づき、前記第１の接合部（２６）における前記第１の温度（Ｔ２）を求めるステップと、
    を有する、第１の温度（Ｔ２）を測定する方法。

Images