JPH01321328A - 熱電対による温度測定方法並びに該方法を用いた熱電対構造及び温度変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は例えばセラミックス熱電対のように、補償導線
が存在しなかったり、補償導線の製造が技術的或いは経
済的理由により困難であって、しかも再冷接点を同温に
維持できない熱電対を用いて行なう温度測定方法に関し
、加えて該方法を具体化する為の熱電対構造及び温度変
換器に関する。

〔従来の技術〕

熱電対の基本態様と、該熱電対によって測定される熱起
電力との関係は第１図で模式的に示される。

熱電対Ｘは、異なる二種類の金属Ａ、Ｂのそれぞれの一
端を接合して温接点Ｐを形成するとともに、Ａ金属及び
Ｂ金属のそれぞれの他端を摂氏０℃若しくは室温（国側
のものでは摂氏θ℃）に維持して、冷接点ｑ、ｒとなし
、温接点Ｐを測定部位に位置づけたときの、冷接点ｑｔ
　　ｒ間に発生する熱起電力を測定することで、温度測
定を行なうものである。

第１図のグラフは、このような構成の熱電対Ｘの冷接点
ｑｒ　　ｒ間に発生する熱起電力を模式的に示したもの
である。縦軸は熱電能、即ち１℃当りの熱起電力発生能
力（ｍν／”Ｃ）を示し、横軸は摂氏温度を示している
。尚、ＴＯは温接点Ｐの温度である。熱起電力はそれぞ
れの熱電対素線材料の熱電能の差と温度との積によって
表され、例えば７０℃に維持した温接点とＯ″Ｃに維持
した冷接点との間で発生する熱起電力は、グラフ上では
それぞれの熱電対素線材料の熱電能特性直線とで挟まれ
た部分であって、且つθ℃〜ＴＯ℃の温度区間で囲まれ
た部分の面積に相当する。そして熱起電力特性は熱電能
特性によって一義的に規定される。したがって、仮に熱
電能特性が等しい素材があったとすれば、その両者は熱
起電力特性も等しい関係にあるといえる。第１図におけ
る熱電対素線Ａ、　　Ｂのそれぞれの熱電能特性は、第
２図に示す如く白金（Ｐｔ）線を一方の熱電対素線とし
た検定用の熱電対を構成し、該熱電対によって測定され
たものである。

この図において、熱電対Ｘによって得られる熱起電力は
、前述したように熱電対素線Ａの熱電能特性直線と熱電
対素線Ｂの熱電能特性直線とで囲まれた長方形状の斜線
領域ｎ１−ｎ２−ｎ４−ｎ３で示される。

第３図として示したものは、温接点Ｐと計器間の距離が
長い場合や長尺の熱電対素線の製造が技術上、若しくは
経済上の理由から困難な場合に採用される手法であり、
熱電対Ｘの冷接点ｑ、ｒに補償導線Ａ’、Ｂ’を接続し
た場合である。それぞれ補償導線Ａ’、Ｂ’は熱電対素
線Ａ、Ｂの低温域領域における熱起電力特性と合致した
熱起電力特性を有する素材から形成されており、Ａ′と
Ｂ′とは異種材料で作られている。この場合の補償導線
Ａ’、Ｂ’の開放端ｑ′、ｒ′で測定される熱起電力は
、ｎｌ−ｎ２−ｎ４−ｎ３で囲まれた部分の面積に相当
する。本例では、熱電対Ｘの温接点Ｐの温度はＴＯであ
り、冷接点ｑ、ｒの温度は同温で共にＴｌである為、熱
電対Ｘによる直接の熱起電力は、Ｔｏ−Ｔｌの温度領域
において熱電対素線Ａと熱電対素線Ｂのそれぞれの熱電
能特性直線で囲まれる部分、即ちｎ５〜ｎ２−ｎ４−ｎ
６で囲まれた領域となり、残るｎｌ−ｎ５−ｎ６−ｎ３
で囲まれた部分の熱起電力は補償導線Ａ’、Ｂ’によっ
て補われる。そして補償導線Ａ’、Ｂ’のそれぞれの熱
電能特性は熱電対素線Ａ、Ｂの低温域における熱電能特
性と合致している為、補償導線Ａ′と熱電対素線Ａ、補
償導線Ｂ′と熱電対素線Ｂとを接合したことによる新た
な熱起電力の発生はなく、温接点温度は誤差なく測定で
きる。第４図として示すものは、熱電対Ｘの冷接点ｑ、
ｒに補償導線を接続する代りに、冷接点ｑ＋ｒのいずれ
か一方に金属熱電対等の補助熱電対Ｙを接続して冷接点
補償した場合である。

冷接点ｑ、ｒは同温である為、補助熱電対Ｙは冷接点ｑ
、ｒのいずれに接続してもよく、又冷接点ｑ、ｒと計器
とを接続する手段としては、熱起電力の発生がなく、共
に同一材料製のリード材Ｒ９Ｒを用いている。この場合
の測定されるべき熱起電力はｎｌ−ｎ２−ｎ４−ｎ３で
囲まれた部分であるが、この領域はＴｌを境にして熱電
対Ｘで直接測定されるｎ５−ｎ２−ｎ４−ｎ６の領域と
補助熱電対Ｙによって冷接点補償されるｎｌ−ｎ５−ｎ
６−ｎ３の領域に部分され、主熱電対Ｘの温接点温度は
主熱電対Ｘによって測定された温度に、補助熱電対Ｙに
よって測定された補助熱電対Ｙの温接点温度を加算して
求めるものである。

以上述べたものが従来の熱電対の概要であり、主として
摂氏２０００℃以下のものを測温対象としている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで近年における産業界の測温要求は、旧Ｐやホン
トプレス等の熱処理を始めとして、高温化する傾向にあ
り、現在では２０００℃以上の高温測定が可能な熱電対
の提供が希求されている。従来、該温域の測定に使用す
る熱電対としては、タングステン（Ｗ）／タングステン
レニウム（ＷＲｅ）熱電対等の超高温用熱電対が存在す
るが、これらは機械的強度が弱い為、断線の問題があり
、又熱起電カドリフトもあって安定せず、更には冶金学
的諸問題から長期間安定して使用できないという根本的
な問題がある。これらを解決する方法として、１９５０
年代に、前記高温域において安定した材料、例えば炭化
ホウ素／炭素（８４Ｃ／Ｃ）、炭素／ホウ化ジルコニウ
ム（Ｃ／ＺｒＢｚ）、炭素／炭化チタン（Ｃ／ＴｉＣ）
等の半導体セラミックスを組合わせて熱電対を構成し、
該熱電対を用いて信頼性の高い温度測定を行おうとする
試みがなされ、この結果、現在では優れたセラミックス
熱電対が提供されだしている。

しかしながら、セラミックス熱電対を使用して高温測定
を行なおうとするときには、今尚、解決すべき種々の問
題が現存している。以下これらを列記すると、 ■セラミックス熱電対は、従来の金属製熱電対に比べて
熱起電力が大きい為、冷接点を補償する為の適切な補償
導線が存在しなかったり、存在しても技術上若しくは経
済上の理由から製造が困難であったりして、利用できる
補償導線がない。

■従って、熱起電力の引き出しリードの接続部（冷接点
）を空冷、水冷等の冷却設備を用いて強制冷却して該接
続部の均熱化を行い、その温度を冷接点温度として温度
補償を行なう必要がある。

■し力、）シなから、セラミックス熱電対は、製造上の
制約から長尺のものが製造できない為、短尺もののセラ
ミックス熱電対を用いる以外に方法はないが、短尺もの
のセラミックス熱電対を、その冷接点を強制冷却して用
いた場合は、熱電対素線が短い為に、水冷あるいは空冷
による冷却作用が温接点にまで及び、温接点温度の温度
を測温対象の温度よりも低下させることがあり、この結
果、測温誤差が発生する問題があった。

更に、冷接点部を強制冷却した場合においても、各熱電
対材料の熱容量及び熱伝導度の相違から、各熱電対の冷
接点間で温度差が発生し、この結果、測温値に温度誤差
が発生する問題があった。

又、セラミックス熱電対は、熱起電力特性のバラつきが
大きい為、得られた熱起電力を温度に変換する際には、
個々のセラミックス熱電対の特性を考慮して補正する必
要があるが、個々のセラミックス熱電対に対応した＜熱
起電力−温度変換テーブル〉を適宜設定できる温度変換
器は従来存在しない。

〔問題点を解決する為の手段〕

本発明はかかる現況に鑑みてなされたものであり、本発
明の第１の目的は、例えばセラミックス熱電対のように
補償導線が存在しなかったり、補償導線の製造が困難な
熱電対であっても、これを用いて、特に高温域の温度測
定を高精度に行なうことができる方法を提供することに
ある。

又、本発明の第２の目的は、前記方法を具体化したセラ
ミックス熱電対を提供することにある。

更に、本発明の第３の目的は、前記セラミックス熱電対
によって得られた熱起電力を温度に変換する為の温度変
換器を提供することにあり、加えて熱起電力特性にバラ
ツキを有する個々のセラミックス熱電対にも対応できる
温度変換器を提供することを目的とする。

先ず、本発明の詳細について説明する前に、混乱を避け
る為に各語を次のように定義してお（。

熱電能：ビＣ当たりの熱起電力であり、熱電能に温度を
乗じたものが熱起電力となる。したがって熱電能特性が
等しい素材同士は、熱起電力特性も必ず等しい。

主熱電対：温接点が測温対象に位置づけられた熱電対で
あり、以下本文ではセラミックス熱電対を指す。特に実
施例では［１４Ｃ／Ｃ熱電対を指す。

熱電対素線：主熱電対を構成するそれぞれの脚である。

第３図、第４図ではＡ及びＢがこれに該当する。特に実
施例ではＢ４Ｃ脚及び０脚がこれに該当する。

冷接点：主熱電対を構成する熱電対素線の低温側端部で
あり、主熱電対の熱起電力を引き出す為の接点である。

補償導線やリード材は、該接点から引き出される。第３
図及び第４図ではｑ及びｒが該当する。特にＢ４Ｃ／Ｃ
熱電対を用いた実施例では、ＢＣ脚端部４Ｃ脚端部がこ
れに該当する。

補助熱電対：主熱電対の冷接点補償を行う為に、主熱電
対の冷接点の一方に取付けられた熱電対である。熱起電
力特性は既知であり、以下本文では金属熱電対を指す。

複合型熱電対：主熱電対と該主熱電対の冷接点を補償す
る補助熱電対とから構成される熱電対。

補償導線：主熱電対の再冷接点と計器との間にそれぞれ
接続される導線であり、その材質は主熱電対を構成する
それぞれの熱電対素線の低温域における熱起電力特性と
合致させている。第３図ではＡ′、Ｂ′がこれに該当す
る。したがって補償導線Ａ′とＢ′は必ず異材質である
。

リート材：主熱電対の再冷接点と遠隔地に配置された計
器とを電気的に接続する目的で、主熱電対の再冷接点と
計器との間に配設されるもので、電気抵抗が小さく且つ
熱雑音の小さなものを基準にして選択される。第４図で
はＲ，Ｒが該当し、共に同一材質から構成されている。

本発明は、例えばセラミックス熱電対のように、■長尺
の熱電対の製造が困難であり、且つ■補償導線も存在せ
ず、■冷接点の強制冷却も通さない熱電対を対象として
いる。

従来周知の熱電対のうちで、このような条件下でも用い
ることができる熱電対としては、第４図として開示する
如く、主熱電対Ｘの冷接点ｑ、　　ｒのいずれか一方に
冷接点補償用の金属熱電対Ｙ（補助熱電対）を接続して
構成した熱電対が存在する。本発明者は、従来周知の該
方法に基づいて高温測定域における高精度な測温が可能
か否かを確かめる為に実験を行った。該実験は第５図（
ｉ）に示す如く、炭素（Ｃ）！！の円筒部材１に炭化ホ
ウ素（８４Ｃ）　製の棒状部材２を内挿するとともに先
端で両部材を接合して温接点Ｐを形成した全［５００ｎ
＋ｍのセラミックス熱電対（主熱電対）を構成し、該主
熱電対のＢ４Ｃ脚に補助熱電対Ｙを接続して複合型熱電
対を構成し、該複合型熱電対を第５図（ｉｉ　）に示す
如く、加熱炉３に３５Ｏｎ＋ｍ挿入して加熱炉内の温度
測定を同一条件下で数回行った。加熱炉の温度は２００
０℃迄上昇させた。その結果、同一条件下で測定を行っ
たにもかかわらず、測定結果には顕著な誤差とバラつき
が発生することが判明した。発明者は、この原因を究明
すべく鋭意努力を重ねた結果、次の原因を究明した。

即ち、例えば第４図の説明で開示したように、補助熱電
対により冷接点補償する方法では、再冷接点ｑ、ｒＯ）
温度は共に同温であることが前提である。しかしながら
、Ｂ４ＣとＣとでは熱容量及び熱伝導率に差がある為、
実際には第６図で示すようにＯ脚端部の方がＢ４Ｃ脚端
部よりも必ず高温となる現象が生じ、この結果、再冷接
点ｑ、ｒ間には温度差が発生し、この温度差が誤差の原
因となっていたことを究明した。そしてこの温度差が変
動する為、測定値のバラつきが発生し、測定値の再現性
が得られなかった。

このようにＢ、０脚と０脚のそれぞれの冷接点間に温度
差が生じる状態で再冷接点にリード材を接続したときの
様子は第７図（１）で模式的に表される。即ち、温接点
温度ＴＯから０脚の冷接点温度Ｔ２までは１１４ｃ／Ｃ
熱電対（主熱電対）による熱起電力が発生し、Ｔ２〜Ｔ
１までの間ではリード材ＲとＢ、０脚との間でも熱起電
力が発生する。そして計器が接続されるリードＲ，Ｒ終
端部間では前記再熱起電力の合計熱起電力が発生する。

これは前述したようにＢ４ＣとＣの両端末ｑ、ｒ温度が
同一でないことから起きる現象であり、再冷接点温度が
測定環境によって異なると、先端の温接点温度が同一で
あっても発生する熱起電力Ｅは変動し、測定値に再現性
がないという問題が生じる。又、冷接点補償温度として
Ｂ、０脚の冷接点温度を採用するか０脚の冷接点温度を
採用するかによっても、得られる熱起電力が相違すると
いう問題もある。

上記現象を更に詳細に検討するとミこの状態は□冷接点
補償する位置の相違及びリード材Ｒの種類によって、様
々な態様があり、例えばこれら態様゛は第７図（ｉ）〜
（ｉｖ　）で模式的に示きれる。第゛７図（ｉ）（ｉｉ
）はＢ、Ｏ脚端部を補助熱電対Ｙで冷接点補償した場合
であり、又、第７図（ｉｉｉ）（ｊｖ）は４Ｃｒａ端部
を冷接点補償した場合である。各グラフ中の各直線は、
熱電対Ｘを構成するＢ、０脚及び０脚の熱電能特性を示
しており、その基準材料としてはプラチナ（Ｐｔ）を用
いている。８４Ｃ脚及び０脚の冷接点ｑ、ｒにリード材
Ｒ，Ｒを接続し、温接点温度を１０１０脚の冷接点ｒの
温度を１２、Ｂ。

°Ｃ脚の冷接点ｑの温度をＴ１とした。０脚の冷接点は
ｎ、ｃ脚の冷接点より常に高温となる為に、Ｔ２＞Ｔｌ
である。

第７図（ｉ）〜（ｉｖ）において、温接点温度ＴＯに対
応する正しい熱起電力は、Ｂ、０脚の熱電能特性直線と
０脚の熱電能特性直線とで挟まれた領域であって、且つ
横軸の０−ＴＯで区画された領域の面積（ｎｌ−ｎ２−
ｎ４−ｎ３）に相当する。第７図（ｉ）〜（ｉｖ）のい
ずれの場合についても、１２以上の温度領域で発生する
熱起電力はＢ、０脚と０脚とで発生する熱起電力１　（
ｎ８−ｎ２−ｎ４−ｎｌ’ｏ）によって担わ゛れるので
問題はない。

問題となるのは、１２以下の温度領域における熱起電力
である。例えば冷接点補償をＢ４Ｃ脚端部で行った場合
、８４Ｃ脚端部温度（Ｔ１）より低い温度領域の測温は
、補助熱電対Ｙの熱起電力（ＩＩＩ）（ｎｌ−ｎ７−ｎ
９−ｎ３）によって正確に補償されるが、Ｔ１以上であ
って１２以下の温度領域の測温は、Ｂ、０脚とリード材
Ｒとの間で発生する熱起電力（Ｉｆ　）　（ｎ７−ｎ８
−ｎ１２−ｎｉｌ）によって担われることになる。そし
て、該熱起電力（ＩＩ）の大きさは、リード材Ｒの熱電
能特性に依存することから、この大きさは図中ではＴ１
からＴ２までの温度区間において８４０脚の熱電能特性
直線とリード材Ｒの熱電能特性直線とに挟まれた領域の
面積となる。したがって図から明らかなように、リード
材Ｒの熱電能特性直線が８４Ｃ脚の熱電能特性直線と０
脚の熱電能特性直線の間に存在するときには＜第７図（
ｉ））、Ｂ４Ｃｌ１［ｌト１７−ド材Ｒとの間に発生す
る熱起電力（Ｉｔ）はｎ７−ｎ８−ｎ１２−ｎ１ｌで囲
まれる領域となり、本来この温度区間において測定され
るべき熱起電力ｎ？−ｎ８−ｎｌＯ−０９よりも小さな
値で測定され、測定値にはｎ１ｌ−ｎ１２−ｎｌＯ−ｎ
９として示された部分に相当する不足分が生じることに
なる。そして、この不足分の領域ｎ１ｌ−ｎ１２−ｎｌ
Ｏ−ｎ９はＴ１及びＴ２が変動すればそれに伴って増減
するので、Ｔ１及びＴ２の温度変化が予測されない限り
補正することはできない。そして図から明らかなように
、前記不足分は、リード材Ｒの熱電能特性直線と０脚の
熱電能特性直線が垂離しているほど大きい。　　　□ 一方、リード材Ｒの熱電能特性直線が０脚の熱電能特性
直線よりもグラフ上で下方にある場合（第７図（ｉｉ）
）は、Ｔ１〜Ｔ２の間で・Ｂ、０脚とリード材Ｒによっ
て発生する熱起電力（ＩＩ）はｎ７−ｎ８−ｎ１２−ｎ
１ｌとなり、本来この温度区間で測定されるべき熱起電
力ｎ７−ｎ８−ｎ１Ｏ−ｎ９よりも大きく　、ｎ９−ｎ
１ｏ−ｎ１２−ｎｌｌとして示した部分だけ大きめの指
示値を示すことになる。このように８．Ｃ脚端部を金属
熱電対Ｙで冷接点補償している複合型熱電対ではＴ２〜
Ｔ１の温度領域においてリード材Ｒの熱起電力特性直線
とＣの熱電能特性直線とで囲まれた部分の面積が測定誤
差の大きさに相当し、この大きさは、Ｔｌ及びＴ２の変
動に伴って増減する。

次に、第７図（ｉｉｉ　）　（ｉｖ　）で示す如く、主
熱電対ＸのＣ脚端部に金属熱電対Ｙを接続してＯ脚端部
を冷接点補償した場合について考える。リード材Ｒの熱
電能特性直線が０脚の熱電能特性直線と８４０脚の熱電
能特性直線との間にある場合（第７図（ｉｉｉ））も、
リード材Ｒの熱電能特性直線がＣの熱電能特性直線より
もグラフの上で、下方に存在する場合（第７図（ｉｖ）
）も、共にＴｏ　−Ｔ２の温度領域における熱起電力は
主熱電対の８４０脚とＣ脚間で発生する熱起電力（１）
　　（ｎ８−ｎ２−ｎ４−ｎｌｏ）として測定される。

ところが、１２以下の温度領域については図中ｎ１−ｎ
８−ｎ１ｏ−ｎ３として示された補助熱電対Ｙの熱起電
力（ＩＩＩ）で補償されているにもがかわらずＴ１〜Ｔ
２の温度領域においてはＢ４Ｃ脚とリード材Ｒとの間で
も熱起電力が発生し、この熱起電力が前記熱起電力（Ｉ
ｌｌ）の上に重畳することになる。そして、重畳される
熱起電力の大きさは第７図（ｉｉｉ　）ではｎ７−ｎ８
−ｎ１２−ｒ＋１１となり、他方第７図（ｉｖ）ではｎ
７−ｎ８−ｎ１２−ｎ１ｌ　となり、この熱起電力が原
因となって計器には実際の熱起電力値ｎ１−ｎ２−ｎ４
−ｎ３よりも大きめの熱起電力が測定されることになる
。

以上の検討結果を整理すると、複合型熱電対において、
ｎ４Ｏ脚端部の温度Ｔ１及びｃｌｌｌｌＩＩ端部の温度
Ｔ２が変動した場合の測温誤差の要因としては、以下の
事が考えられる。

（１）冷接点補償をＢ４Ｃ脚端部で行なった場合は、Ｔ
１〜Ｔ２の温度領域において、リード材Ｒの熱電能特性
直線と０脚の熱電能特性直線とで囲まれる領域の面積に
相当する熱起電力が誤差原因となる。

（２）冷接点補償をＯ脚端部で行なった場合は、Ｔｌ〜
Ｔ２の温度領域において、リード材の熱電能特性直線と
Ｂ４Ｃ脚の熱電能特性直線とで囲まれた領域の面積に相
当する熱起電力が誤差原因となる。

これら（１）　（２）の考察を更に進めれば、次の結論
が導出される。

（３）　Ｔｌ〜Ｔ２の温度領域において冷接点補償した
側とは反対側の熱電対素線の熱電能特性直線と、リード
材の熱電能特性直線とで囲まれた領域の面積に相当する
熱起電力が誤差原因となる。

以上の誤差要因の検討結果から逆に、主熱電対の冷接点
温度Ｔｌ、　Ｔ２が変動した場合でも、根本的に測定誤
差を生じない本発明の測定方法が導出される。

その方法とは、リード材の熱起電力特性を、冷接点補償
した側とは反対側の熱電対素線の熱起電力特性と一致さ
せることにより、リード材と前記熱電対素線との間で発
生する熱起電力誤差をなくす方法である。

即ち、補償導線が存在せず、且つ再冷接点を同温に維持
できない熱電対であって、冷接点の一方を補助熱電対で
冷接点補償した複合型熱電対において、熱起電力引き出
し用のリード材を、補助熱電対を接続していない側の熱
電対素線の低温域における熱起電力特性と合致する熱起
電力特性を有する素材から形成することを要旨とする。

即ち、このとを別の表現でいえば、熱電対のそれぞれの
熱電対素線の熱起電力特性に合致した補償導線を両方共
に用意することができない熱電対であっても、一方の熱
電対素線の熱起電力特性に近似した熱起電力特性を有す
るリード材が存在する場合は、このリード材を熱電対の
熱起電力引き出し線として用いるとともに、該リード材
と熱起電力特性が近似している熱電対素線とは反対側の
熱電対素線の冷接点に補助熱電対を取付けて冷接点補償
すれば、誤差の混入しない高精度な測温が可能となる。

前記第１及び第２の目的を達成するために、本発明では
その温接点が測温部位に位置づけられる熱電対（以下、
主熱電対と称す）の冷接点の一方に、冷接点補償用の金
属熱電対（以下、補助熱電対と称す）を取付けるととも
に、前記主熱電対の冷接点に接続する熱起電力引き出し
リード材として、前記補助熱電対が取付けられた側とは
反対側の熱電対材料の低温域における熱起電力特性と合
致した熱起電力特性を有する素材を選択した。

又、前記第３の目的を達成するために、熱起電力を温度
に変換する補間式として、補助熱電対によって得られた
熱起電力を、主熱電対の熱起電力に換算する為の補間式
（１）　と、主熱電対で得られた熱起電力を温度に換算
する補間式（２）　とを別々に設定できるとともに、こ
れら補間式（１）及び補間式（２）をそれぞれ規定する
定数を主熱電対の相違に従って適宜設定できるようにし
た温度変換器を開発した。

〔作用〕

このような方法の温度測定方法によれば、再冷接点間に
温度差が生じたとしても、測定結果に誤差が混入するお
それはないので、高温測定が高精度に可能となる。又、
補間式（１）　、　（２）を別々に設定できる温度変換
器は、補間式を実質的に規定している定数値を適宜入力
することにより、あらゆるタイプの熱電対にも対応でき
るようになり、規格の標準化が困難な特殊な熱電対等を
も温度測定に用いることが可能となる。

〔実施例〕

本発明者は、上記方法を具体化すべく、８４Ｃ／Ｃ熱電
対のリード材となりそうな素材を探す為に、各種材料の
熱起電力特性をｐｔ線を基準にして測定を行い、これら
を炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）及び炭素（Ｃ）の熱起電力特性
と比較した。その結果を第８図に示す。尚、試験した各
材料は全て金属素材である。これは、リード材を形成す
るには、可撓層及び他の素材との接合性が要求されるが
、これらを満足するものとしては金属製素材が最適と考
えられる為である。

図かられかるようにＢ４Ｃの熱起電力は、非常に太き（
、このような大きな熱起電力を有するものは金属素材に
は存在しないことがわかる。

図示しないがＢ４Ｃに近い熱起電力を有するものとしで
は、例えば熱電対材料として用いられるＦｅ−５ｔ合金
が存在する。しかしながら、Ｆｅ−５ｔ合金は可撓性が
低い上に、焼結材料が主である為、細い線材には加工し
難い問題がある。

これに比べて炭素（Ｃ）の熱起電力は比較的小さく、好
都合にも５００℃辺りまではもっともポピユラーなリー
ド材である純銅（Ｃｕ）の熱起電力特性とほぼ一致し、
又その他、金（＾ｕ）　、ＩＩ（Ａｇ）などの熱起電力
特性ともほとんど一致している。これら素材のうち純銅
は比較的安価な上に、加工性にも優れておりリード材と
しては最適である。

以上の結果を総合すると、８４Ｃ／Ｃ熱電対を用いて測
温を行なう際には、Ｂ４Ｃ脚端末を冷接点補償するとと
もに、リード材として純銅を用いれば、Ｂ４Ｃ脚端部或
いはＯ脚端部の温度がいかに変動したとしても、温接点
温度を正確に測定できることになる。本実施例では８４
Ｃ／Ｃ熱電対を対象としているが、上記方法は他のセラ
ミックス熱電対にも通用可能であり、しかも多（のセラ
ミックス熱電対では熱電対の一脚として炭素（Ｃ）を用
いる場合が多い為、純銅のリード材を適用できるセラミ
ックス熱電対は極めて多い、 発明者は、上記方法の作用効果を確認する為に、第９図
として示すＢ４Ｃ／Ｃ熱電対を構成し、温接点及びｎ４
ｃ脚端部を一定温度に維持した状態でＯ脚端床温度を変
動させ、Ｂ４Ｃ脚と０脚の両端末ｑ、ｒ間に強制的に温
度差を生じさせて、このとき、リード材Ｒ，Ｈの終端間
で検出される熱起電力Ｅを測定することで出力熱起電力
の安定性を評価してみた。第１０図（ｉ）（ｉｉ）がそ
の結果であり、第１Ｏ図（ｉ）がリード材として鉄（Ｐ
ｅ）を用いた場合であり、第１９図（ｉｊ　）が純銅（
Ｃｕ）を用いた場合である。尚、この試験では温接点温
度ＴＯは２０００℃に維持するとともに、Ｂ４Ｃ端部は
冷水により゛冷却して一定温度に維持した。縦軸には、
摂氏温度と起電力値を同時に記載した。第１０図（ｉ）
（ｉｉ）より明らかなようにリード材として純銅（Ｃｕ
）を用いた場合（第１θ図（ｉｉ））は、Ｏ脚端床温度
が変動しているにもかかわらず出力熱起電力Ｅは、はぼ
−定値を維持しており、極めて安定していることがわか
る。即ちこの実験結果から、８４Ｃ／Ｃ熱電対を用い、
リード材として純銅（Ｃｕ）を用いるとともに８４Ｃ１
ａ端部を補助熱電対で冷接点補償すれば、Ｂ４Ｃ脚端部
及びＣ脚端部の温度が如何に変動しようとも、常に正確
で再現性のある温接点温度の測定が可能となることが確
認できた。

次に、本発明にかかる複合型熱電対を工業的に利用する
場合の具体的実施例を第１１図に示す。本複合型熱電対
は、セラミックス熱電対本体１１とＢ４Ｃ脚端部に取付
けた補助熱電対としての金属熱電対１２とから構成され
る。セラミックス熱電対１１は炭素（Ｃ）製の円筒体１
３に炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）製の棒体１４を円筒体１３先
端まで内挿して先端で炭化ホウ素製棒体１４と炭素製円
筒体１３を電気的に接触させて（図示せず）温接点を形
成し、他方、棒体１４の基端は、円筒体１３の基端から
露出させるとともにそれぞれの基端には環状の純銅電極
１５．１６を嵌着させ、それぞれの純銅電極１５．１６
からは純銅（Ｃｕ）リード１７．１８を導出している。

円筒体１１への純銅電極１５の取付けは、基端に外ネジ
加工を施した円筒体１３に内ネジを螺設した純銅電極１
５を螺着することで行っている。又、棒体１４への純銅
電極１６の取付けは、板バネを介して固定している（図
示せず）。そして金属熱電対１２は、先端を純銅電極１
６内に埋めごんでＢ４Ｃ脚と純銅との接続部の温度が測
定できる構成とされている。Ｂ、ｃ／ｃ７ｇ電対の熱起
電力は両線銅電極１．５．１６から導出された純銅リー
ド１７．１８間によって測定される。又、本発明の８４
Ｃ／Ｃ熱電対は、主として真空中や不活性ガスが充満し
た保護雰囲気中で使用されることから本然電対の測温対
象への取付けにあたっては、測定環境の気密性を維持す
る必要があり、そのため被測定対象への取付けが容易と
なるように取付は方法に合わせた取付は金具が提供され
ている。純銅取付は金具からは、ハーメチック端子を介
して、Ｂ４Ｃ／Ｃ熱起電カケ−プル、冷接点補償用金属
熱電対ケーブルが引き出されている。尚、この取付は金
具の形状はフランジ型取付は形式をとる場合もある。

次に前記複合型Ｂ４Ｃ／Ｃ熱電対の出力起電力及び補助
熱電対の熱起電力に基づいて、温接点温度を算出する際
に用いる温度変換器について述べる。

前述の複合型８４Ｃ／Ｃ熱電対においては、８４Ｃ／Ｃ
熱電対の正味の熱起電力と、補助熱電対の熱起電力の信
号が別々に取り出される。補償導線を用いた従来の熱電
対の場合、補償導線が発生する熱起電力は、主熱電対本
体の熱起電力と一致するため、熱電対端末°に補償導線
を接続して補償導線の終端部間に発生する熱起電力を測
定すれば、該熱起電力には熱電対本体の熱起電力に補償
導線の熱起電力が自動的に加算されることになる。した
がって、この場合、該熱起電力を温度に変換するには、
補償導線の終端部間で検出される熱起電力を主熱電対本
体の＜熱起電力−温度変換テーブル〉に従ってそのまま
温度変換するだけでよかった。しかしながら、本発明の
複合型熱電対の場合、冷接点部を補償している金属熱電
対は主熱電対とは熱起電力特性が異なる為、従来方法の
ように単純に主熱電対の熱起電力値に金属熱電対の熱起
電力を加算するわけにはいかない。即ち、加算する場合
は金属熱電対の熱起電力を一旦、主熱電対（Ｂ４Ｃ／Ｃ
）の熱起電力に換算した後、加算しなければならない。

この為、本発明の複合型熱電対の熱起電力値から温接点
温度を得るには次の３つの演算過程が必要となる。その
３つの演算過程とは、■金属熱電対の熱起電力を主熱電
対（Ｂ４Ｃ／Ｃ）の熱起電力に変換する演算過程。

■変換後の金属熱電対の熱起電力を主熱電対（８４Ｃ／
Ｃ）の熱起電力に加算する演算過程。

■加算後の合計熱起電力を主熱電対の〈熱起電カー温度
変換テーブル〉に準じて温度に変換する演算過程。

前記■及び■の演算過程には、それぞれの演算過程に対
応する次の２つの補間式が必要となる。

補間式（１）：冷接点補償用全屈熱電対の熱起電力を主
熱電対（Ｂ４Ｃ／Ｃ）の熱起電力に変換する補間式。

補間式（２）：主熱電対の冷接点補償後の熱起電力（金
属熱電対の変換後の熱起電力を加算した熱起電力）を温
度に変換する補間式。

次に補間式（１）、補間式（２）を求める方法について
述べる。補間式（１）は次の方法により求める。

補助熱電対としては＜熱起電力−温度変換テーブル〉が
既知のものを用いるので、主熱電対の約３００°Ｃ以下
の低温域（冷接点補償領域）における起電力と温度との
相関関係が解明できれば、補助熱電対の熱起電力を主熱
電対の熱起電力に換算する補間式（１）は求めることが
できる。主熱電対の低温域における起電力と温度の相関
関係は、次の手段により求める。即ち、Ｂ４Ｃ／Ｃ熱電
対の再冷接点から純銅リード材を引き出すとともに、該
純銅リード材端部間に計器を接続し、この熱電対の温接
点とＬＣＣ脚端湯温度基準熱電対で測定し、温接点とＢ
４Ｃ脚端床の温度差をＢ４Ｃ／Ｃ熱電対の測定温度とみ
なす。そしてＢ４Ｃ脚端床温度を一定に維持した状態で
上記温度差を０℃から１０００℃ぐらいまで５０℃ステ
ップで変化させて、ステップ毎の８４Ｃ８４Ｃ／Ｃ熱電
対の熱起電力を測定すれば、Ｂ４Ｃ／Ｃ熱電対の０℃〜
１０００℃までの温度と熱起電力の相関データは求まる
。冷接点補償する温度域はせいぜい３００°Ｃ程度まで
であるから、前記ｏ℃〜ｔｏｏｏ’ｃまでの温度領域の
データのうち０℃〜３００℃の範囲内にあるデータを抽
出し、各データー間の未知のデータを最小自乗法で補間
すれば低温域におけろ＜熱起電力−温度変換テーブル〉
は求められる。

次ぎに補間式（２）の決定方法について述べる。

８４Ｃ／Ｃ熱電対の最高使用温度は摂氏２２００℃であ
るから、補間式（２）の決定に際しては、少なくとも温
接点温度を２２００℃まで昇温しで、温度と熱起電力と
の相関関係を示すデーターを採取する必要がある。従っ
て、８４Ｃ／Ｃ熱電対の温接点温度を測定する検定用熱
電対も２２００℃まで測温可能なものである必要がある
が、この温度域まで測定可能な熱電対としては、Ｗ／Ｗ
Ｒｅ系の熱電対がもっともポピユラーである。しかしな
がら−／ＷＲｅ系の熱電対には、熱起電力特性のバラツ
キが約１％ある上に、検定中にドリフトしてしまう恐れ
もあるので、検定の再現性を維持する為には、例えば国
立計量研究所のような公的機関で校正を受けた放射温度
計を用いて検定するのが好ましい。本実施例では、この
検定方法を実施する為に、放射率の明らかな黒体炉を加
熱媒体として校正を施した放射温度計の指示温度を基準
温度として採用した。

尚、この黒体炉検定においても冷接点温度の補償はＢ４
Ｃ端末に取付けた金属熱電対で行ない、実際に使用する
構成で検定しておくことが再現性をもたせる目的からは
好ましい。

以上のようにして、補間式（１）と補間式（２）が決定
される。本発明にかかる複合型セラミックス熱電対にお
いて、主熱電対Ｘと補助熱電対Ｙとから得られるそれぞ
れの熱起電力から、前記補間式（１）及び補間式（２）
を使って温接点温度を決定するには第１２図の演算フロ
ーシートに従うことで行われる。主熱電対Ｘの熱起電力
をＥｌ、補助熱電対Ｙの熱起電力をＢ２としたとき、フ
ローシートで記載された演算式（１）’、　（２）　、
　（３）　、　（４）中、演算式（１）はＪ例えばにタ
イプの金属熱電対を用いたときには、 演算式（１）　：Ｔ１・Ｆ　（Ｂ２）・−０，０３４２
５・Ｂ２２＋２４．９９　　・Ｂ２−０．７６７０で与
えられ、演算式２，３．４は一般的には次式で与えられ
る 演算式（２）：Ｂ３・Ｇ（Ｔｌ）　＝Ｂ１・Ｔ１２＋　
Ｂ２・ＴＩ＋８３演算式（３）　　：ｆ！０・Ｈ１＋Ｅ
３演算式（４）　　：　ＴＯ＝ｌｌ（ＥＯ）＝ＡＩ　　
・ＥＯ’　＋Ａ２　・ＥＯ’十八３へ・　ＥＯ２＋Ａ４
　　・　ＥＯ＋　Ａ５尚、上記演算式（１）　、　（２
）が前述の補間式（１）に、演算式（４）が補間式（２
）に対応している。

従来・の汎用金属熱電対では、補償導線を熱電対本体に
接続すれば、必然的に冷接点部の温度に相当する熱起電
力が加算され、又、熱電対の熱起電力を温度−換算する
為の＜熱起電力−温度変換テーブル〉も既知である為、
温度変換器の製作に際しても、既知の単一の補間式を設
定するだけで行なうことができた。しかしながら、本発
明の複合型８４Ｃ／Ｃ熱電対や他のセラミックス熱電対
の様に熱起電力特性が規格化されておらず、製作ロフト
に応じて、温度と熱起電力との相関関係が変化する可能
性をはらんでいる場合には、従来型の温度変換器のよう
に一元的な補間式を温度変換器内に固定的に設定してし
まうと、熱起電力特性の異なる熱電対を用いた場合は、
該熱電対によって得られた測温値には誤差が含まれるこ
ととなり、測温結果に対する信頼性は極めて低くなる。

従って、本発明の複合型セラミックス熱電対において使
用する温度変換器としては各製作口・ノドの特性バラツ
キに対応する為、上記補間式（１）及び補間式（２）を
実質的に決定する各定数（Ｂ１）〜（Ｂ３）　、　（Ａ
ｔ）〜（Ａ５）を適宜設定できる機能を有する温度変換
器を用いることとした。このような機能を有する温度変
換器は従来皆無であり、本発明者はこれをも新たに開発
した。かかる機能を実現した温度変換器の一実施例を第
１３図に開示する。図中２１が温度変換器であり、２２
は複合型Ｂ４Ｃ／Ｃ熱電対である。温度変換器２Ｉには
、複合型８４Ｃ／Ｃ熱電対における主熱電対２３の熱起
電力と、冷接点補償用の金属熱電対２４の熱起電力がそ
れぞれ純銅リードによって引き出されている。図中２５
は測温値をデジタル表示す温度度表示部であり、図中２
６は補間式（１）　、　（２）を規定する定数（Ａ１）
〜（Ａ３）　、　（１３１）〜（Ｂ３）を入力する為の
テンキー、２７は入力した定数値を表示する定数表示部
、２８は電源スィッチである。

尚、本温度変換器外部には適宜記録計を接続したり、測
温結果を測温対象にフィードバックして測温対象の温度
制御を行なうことができる温度コントローラを設ける等
、任意である。

本装置に補間式の定数値を入力するには、フロントパネ
ルのテンキー２６を押すことで行い、又、人力した定数
の変更、消去を行う場合はテンキー２６と並んで配置さ
れたＣＬＲキー２９を押すことで行なう。入力された各
定数は温度変換器内のメモリーＩＣに記憶され、該メモ
リーＩＣはバッテリーでバンクアップされているので、
電源を叶Ｆにしても定数値は記憶され続けている。この
ような温度変換器は、補間式（１）及び（２）を規定す
る定数値を個別に入力することができるので、製造ロッ
トが相違して複合型セラミックス熱電対の熱起電力特性
が相違したときでも、熱電対を提供する際にそれぞれの
熱電対に固有の定数群（Ｂｌ）〜（Ｂ３）、（Ａ１）〜
（Ａ５）をデーター表等の形で添付しておけば、ユーザ
ーは、この定数を温度変換器に入力することで、常に正
確な測温が可能となるのである。

以上、複合型セラミックス熱電対、特にＢ４Ｃ／Ｃ熱電
対を用いた温度測定方法と、該方法を具体化した複合型
セラミックス熱電対及び該熱電対に用いる温度変換器に
ついて述べたが、本発明は８４ｃＺＣ熱電対以外のセラ
ミンクス熱電対にも適用可能であるばかりか、補償導線
が存在せず、且つ画然電対素線の冷接点温度が同温とな
らない特殊な熱？ｌについても全て適用できる。

〔発明の効果〕

本発明の温度測定方法によれば、補償導線が存在せず、
且つ再冷接点の温度を同温に維持することができない熱
電対であっても、これを用いて高精度な測温が可能とな
る。したがって、従来の標準化された金属熱電対等では
測定不能であった高温域についても測温が可能となるう
えに、測定に際して冷接点を強制冷却する必要もな（、
測温設備も簡略化できる。

又、Ｂ４Ｃ／Ｃ熱電対のＢ４Ｃ脚冷端部を金属熱電対で
冷接点補償し、Ｂ４Ｃ／Ｃ熱電対の熱起電力引出しリー
ド材に純銅を用いたときには、高温域まで高精度にＩ１
１温でき、且つ長時間継続測温したときも安定したデー
タが得られる熱電対を得ることができる。そして、純銅
はリード材として一般的であるうえに経済性にも優れ、
冷接点から計器までの距離か長い場合も製造原価が上昇
することもない。

又、復命型熱電対の熱起電力を温度に換算する温度変換
器として、二つの補間式を別々に独立して設定できる温
度変換器を構成したから、規格が標準化されていない熱
電対を使用することが可能となり、今後開発されるであ
ろう新しいタイプの熱電対も簡易に使用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な熱電対の構造と該構造に対応して発生
する熱起電力との対応関係を模式的に表した説明図、第
２図は熱電能特性の測定方法を示す簡略説明図、第３図
は補償導線を用いた熱電対の構造と該構造に対応して発
生する熱起電力との対応関係を模式的に表した説明図、
第４図は冷接点の一方を補助熱電対で冷接点補償した複
合型熱電対の構造と該構造に対応して発生する熱起電力
との対応関係を模式的に表した説明図、第５図（ｉ）は
８４Ｃ／Ｃ熱電対の具体的構造を示す説明図、第５図（
ｉｉ）はＢ４Ｃ／Ｃ熱電対の測定精度を検討する為に８
４Ｃ／Ｃ熱電対を加熱炉に挿入した状態を示す説明図、
第５図（ｉｉｉ　）はＢ４Ｃ７Ｃ熟電対の構造を模式的
に示す説ＢＡ図、第６図は８４Ｃ／Ｃ熱電対における温
接点Ｐの温度と再冷接点の温度変化を示すグラフ、第７
図（ｉ）〜（ｉｖ）は本発明の原理を示した説明図、第
８図はリード材の素材を選定する為に行った各種金属材
料の熱起電力特性の測定結果を示したグラフ、第９図は
本発明にがかる熱電対の作用効果を確認する為に試作し
た複合型８４Ｃ７Ｃ熱電対の説明図、第１０図（ｉ）（
ｉｉ）は、第９図で開示した複合型Ｂ４Ｃ／Ｃ熱電対の
Ｃ脚端床温度を変動させたときの熱起電力の安定性を測
定した結果を示すグラフ、第１１図は本発明にかかる複
合型８４Ｃ／Ｃ熱電対の具体例を示す要部説明図、第１
２図は本発明にかかる複合型Ｂ４Ｃ／Ｃ熱電対から得ら
れる熱起電力から温接点温度を算出する為の演算フロー
シート、第１３図は本発明にかかる温度変換器の概略を
示す説明図。 １：円筒部材、　　　２：棒状部材、 ３：加熱炉、 ｌｌ：セラミソクス熱電対、 １２：金属熱電対、 １３：円筒体、　　　　１４：棒体、 １５．１６　：純銅電極、　１７．１８　　：純銅リー
ド、２１：温度変換器、　　２２：複合型Ｂ４Ｃ／Ｃ熱
電対、２３：主熱電対、　　　２４：金属熱電対、２５
：温度表示部、　　２６：テンキー、２７：定数表示部
、　　２８：電源スィッチ、２９　：　ＣＬＲキー。 第６図 第５　図（ｉ） 第　５　図（ｉｉ） 第　５　図＜　ｉｉｉ　＞ 第７　図（ｉｉ） 第７図（１） 第１１図 １？ 第１２図 ■０ ′ＪＪ　９　図 第１ｏ　図（ｉ） 第１０図（ｉｉ） ＩＡ’７一

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）補償導線が存在せず、両冷接点間に温度差が存在す
   る熱電対において、冷接点のいずれか一方に補助熱電対
   を接続して冷接点補償を行なうとともに、熱起電力引き
   出し用リード材に、冷接点補償した側とは反対側の熱電
   対素線の低温域における熱起電力特性と合致する熱起電
   力特性を有する素材を選択してなる温度測定方法。 ２）Ｂ＿４Ｃ／Ｃ熱電対のＢ＿４Ｃ脚冷端部を金属熱電
   対で冷接点補償するとともに、Ｂ＿４Ｃ／Ｃ熱電対の熱
   起電力引き出しリード材に、Ｃ脚の低温域における熱起
   電力特性と合致した素材を選択してなる熱電対構造。 ３）リード材としては純銅を用いてなる前記特許請求の
   範囲第２項記載の熱電対構造。 ４）リード材としては金を用いてなる前記特許請求の範
   囲第２項記載の熱電対構造。 ５）リード材としては銀を用いてなる前記特許請求の範
   囲第２項記載の熱電対構造。 ６）主熱電対の冷接点の一方に熱起電力特性が既知であ
   る冷接点補償用熱電対を接続して構成した複合型熱電対
   の温接点温度演算方法において、先ず補助熱電対の熱起
   電力を温度に変換して冷接点温度を求め、該冷接点温度
   に相当する主熱電対の熱起電力値を主熱電対の＜熱起電
   力−温度変換テーブル＞に従って算出し、次いで、該冷
   接点補償による熱起電力を主熱電対の熱起電力に加算し
   て合計熱起電力を算出し、最後に該合計熱起電力を主熱
   電対の＜熱起電力−温度変換テーブル＞に従って、温度
   に変換して主熱電対の温接点温度を算出してなる温度測
   定方法。 ７）主熱電対の＜熱起電力−温度変換テーブル＞は、主
   熱電対の測温対象温度の全温度領域と、補助熱電対で冷
   接点補償される低温度領域とに分けて別々に導出してな
   る前記特許請求の範囲第６項記載の温度測定方法。 ８）主熱電対の冷端部の一方を熱起電力特性が既知であ
   る補助熱電対で冷接点補償してなる複合型熱電対の熱起
   電力を測温対象の温度に変換する温度変換器において、
   補助熱電対の熱起電力を主熱電対の熱起電力に変換する
   際に用いる補間式と、主熱電対の熱起電力に変換後の冷
   接点補償熱起電力を加えた合計熱起電力を温度に変換す
   る際に用いる補間式をそれぞれ独立して適宜設定できる
   温度変換器。