JPH023311B2 - - Google Patents
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- JPH023311B2 JPH023311B2 JP57021838A JP2183882A JPH023311B2 JP H023311 B2 JPH023311 B2 JP H023311B2 JP 57021838 A JP57021838 A JP 57021838A JP 2183882 A JP2183882 A JP 2183882A JP H023311 B2 JPH023311 B2 JP H023311B2
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- Japan
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- thermopile
- thermocouple
- thermocouples
- heat flow
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
- G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は熱流計の熱流センサなどに用いられ
るサーモパイルに関する。
るサーモパイルに関する。
熱流計の熱流センサの感度を温度依存性のない
ものとすることは、熱流計の指示計器、増幅器な
どの回路、装置等が簡略化され、熱流計全体とし
てのコストの低減化が計られ、種々のメリツトが
得られる。そこで、本発明者らは、鋭意研究を行
い、測温素子にサーミスタを用いる方法(登録特
許1020472号)サーモパイルの熱電能と熱抵抗板
の熱伝導率の温度依存性とを組み合せる方法(特
願昭55−72543号および特願昭55−153440号)を
開発した。本発明者らは、さらにサーモパイルの
電気回路の研究解析を進め、サーモパイル自体に
工夫を施すことにより、サーモパイルの熱電能お
よびその温度依存性を自由に設定することがで
き、その結果極めて容易に感度一定の熱流センサ
が得られることを知見し、この発明を得るに到つ
た。
ものとすることは、熱流計の指示計器、増幅器な
どの回路、装置等が簡略化され、熱流計全体とし
てのコストの低減化が計られ、種々のメリツトが
得られる。そこで、本発明者らは、鋭意研究を行
い、測温素子にサーミスタを用いる方法(登録特
許1020472号)サーモパイルの熱電能と熱抵抗板
の熱伝導率の温度依存性とを組み合せる方法(特
願昭55−72543号および特願昭55−153440号)を
開発した。本発明者らは、さらにサーモパイルの
電気回路の研究解析を進め、サーモパイル自体に
工夫を施すことにより、サーモパイルの熱電能お
よびその温度依存性を自由に設定することがで
き、その結果極めて容易に感度一定の熱流センサ
が得られることを知見し、この発明を得るに到つ
た。
すなわち、この発明は少なくとも2種以上の熱
電対によつてサーモパイルを構成することによ
り、サーモパイルの平均熱電能とその温度依存性
を自由に設定できるようにしたものである。した
がつて、このサーモパイルと熱抵抗体とを組み合
すことにより感度を自由に設定でき、しかもその
感度が温度変化に対して影響を受けない熱流セン
サを容易に得ることができる。
電対によつてサーモパイルを構成することによ
り、サーモパイルの平均熱電能とその温度依存性
を自由に設定できるようにしたものである。した
がつて、このサーモパイルと熱抵抗体とを組み合
すことにより感度を自由に設定でき、しかもその
感度が温度変化に対して影響を受けない熱流セン
サを容易に得ることができる。
以下、この発明を図面に基づいて説明する。
この発明のサーモパイルの一例として、第1図
に示したサーモパイルについて検討する。このサ
ーモパイルTPは、熱電対素線A,Bよりなる熱
電対AB2対と熱電対素線B,Cよりなる熱電対
BC3対とを直列に接続し、正、負のリード線をい
ずれも素線Aで構成したものである。
に示したサーモパイルについて検討する。このサ
ーモパイルTPは、熱電対素線A,Bよりなる熱
電対AB2対と熱電対素線B,Cよりなる熱電対
BC3対とを直列に接続し、正、負のリード線をい
ずれも素線Aで構成したものである。
本発明者らは、このサーモパイルTPのそれぞ
れの温接点をtH(℃)とし、冷接点をtL(℃)とし
たとき、サーモパイルTPの出力は下式で表わさ
れることを見出し、この発明をなすに至つたもの
である。すなわち、 v=2(VtH(AB)−VtL(AB)) +3(VtH(BC)−VtL(BC)) ……(1) v:サーモパイルTPの出力電圧 VtH(AB):温度tHの時の熱電対ABの1対の出
力(0℃基準と考える) VtL(AB):温度tLの時の熱電対ABの1対の出
力(0℃を基準と考える) VtH(BC):温度tHの時の熱電対BCの1対の出
力(0℃を基準と考える) VtL(BC):温度tLの時の熱電対BCの1対の出
力(0℃を基準と考える) (1)式を一般化すれば、(2)式で表される。
れの温接点をtH(℃)とし、冷接点をtL(℃)とし
たとき、サーモパイルTPの出力は下式で表わさ
れることを見出し、この発明をなすに至つたもの
である。すなわち、 v=2(VtH(AB)−VtL(AB)) +3(VtH(BC)−VtL(BC)) ……(1) v:サーモパイルTPの出力電圧 VtH(AB):温度tHの時の熱電対ABの1対の出
力(0℃基準と考える) VtL(AB):温度tLの時の熱電対ABの1対の出
力(0℃を基準と考える) VtH(BC):温度tHの時の熱電対BCの1対の出
力(0℃を基準と考える) VtL(BC):温度tLの時の熱電対BCの1対の出
力(0℃を基準と考える) (1)式を一般化すれば、(2)式で表される。
v=n(VtH(AB)−VtL(AB)
+m(VtH(BC)−VtL(BC)) ……(2)
(2)式は熱電対ABがn対、熱電対BCがm対の
場合、個々の熱電対AB,BCの出力にn倍およ
びm倍したものの和で、このサーモパイルの出力
が表わされることを示しており、この解析結果
は、用いる熱電対の種類およびn:mの比及び
n,mの数を変えることにより、サーモパイル
TPの出力を自由に設定できることを示している。
場合、個々の熱電対AB,BCの出力にn倍およ
びm倍したものの和で、このサーモパイルの出力
が表わされることを示しており、この解析結果
は、用いる熱電対の種類およびn:mの比及び
n,mの数を変えることにより、サーモパイル
TPの出力を自由に設定できることを示している。
上記(1)式は、第1図のサーモパイルTPを電気
回路網とみなし、等価回路を求めることにより求
めうる。
回路網とみなし、等価回路を求めることにより求
めうる。
まずサーモパイルにおいては、当然出力電圧が
大きくなるように構成されるから、この場合にお
いては、熱電対素線の潜在的な基準熱電力の大き
さがA>B,C>Bとなるように素線が選択され
る。ついで熱電対の電気等価回路を得るために各
熱電対の接点の素材を任意に仮定してよいことが
知られているので、第2図のaにおける接点(〇
印)を図示のとおり仮定する。
大きくなるように構成されるから、この場合にお
いては、熱電対素線の潜在的な基準熱電力の大き
さがA>B,C>Bとなるように素線が選択され
る。ついで熱電対の電気等価回路を得るために各
熱電対の接点の素材を任意に仮定してよいことが
知られているので、第2図のaにおける接点(〇
印)を図示のとおり仮定する。
そうすると等価回路は第2図aとなりサーモパ
イルTPの出力電圧は、図中の熱電対の出力電圧
を例えば左から加減して、 v=VtH(AB)−VtL(AB)+VtH(AB)−VtL
(BC)+VtH(BC)−VtL(BC)+VtH(BC)−VtL
(BC)+VtH(BC)−VtL(AB)=2(VtH(AB)−VtL
(AB))+3(VtH(BC)−VtH(BC)) となり(1)式を得る。
イルTPの出力電圧は、図中の熱電対の出力電圧
を例えば左から加減して、 v=VtH(AB)−VtL(AB)+VtH(AB)−VtL
(BC)+VtH(BC)−VtL(BC)+VtH(BC)−VtL
(BC)+VtH(BC)−VtL(AB)=2(VtH(AB)−VtL
(AB))+3(VtH(BC)−VtH(BC)) となり(1)式を得る。
熱電対接点の素材を第2図のbのように仮定
し、潜在的な基準熱電力の大きさに更にA>Cの
仮定を加えると、等価回路は同図のようになり、
同様に v=VtH(AB)−VtL(AB)+VtH(AB)−VtL
(AB)+VtL(AC)−VtH(BC)+VtL(BC)−VtH
(BC)+VtL(BC)−VtH(BC)−VtL(AB)=2VtH
(AB)−3VtL(AB))+3VtH(BC)−2VtL(BC)+
VtL(AC) となり、 VtL(AC)=VtL(AB)−VtL(BC) の加成性から(1)式が得られる。この場合において
A<Cの仮定をおいても第2図bの出力電圧VtL
(AC)の極性を逆にし、 VtL(AC)=VtL(BC)−VtL(AB) の加成性から同様にして(1)式が得られる。
し、潜在的な基準熱電力の大きさに更にA>Cの
仮定を加えると、等価回路は同図のようになり、
同様に v=VtH(AB)−VtL(AB)+VtH(AB)−VtL
(AB)+VtL(AC)−VtH(BC)+VtL(BC)−VtH
(BC)+VtL(BC)−VtH(BC)−VtL(AB)=2VtH
(AB)−3VtL(AB))+3VtH(BC)−2VtL(BC)+
VtL(AC) となり、 VtL(AC)=VtL(AB)−VtL(BC) の加成性から(1)式が得られる。この場合において
A<Cの仮定をおいても第2図bの出力電圧VtL
(AC)の極性を逆にし、 VtL(AC)=VtL(BC)−VtL(AB) の加成性から同様にして(1)式が得られる。
また、第3図の熱電対素線A,Bよりなる熱電
対ABと熱電対素線C,Dよりなる熱電対CDと
からなり、正負のリード線を素線Aで構成したサ
ーモパイルについても同様にその出力vは(3)式で
表わされる。
対ABと熱電対素線C,Dよりなる熱電対CDと
からなり、正負のリード線を素線Aで構成したサ
ーモパイルについても同様にその出力vは(3)式で
表わされる。
v=n(VtH(AB)−VtL(AB))
+m(VtH(CD)−VtL(CD)) ……(3)
したがつて、第1図のサーモパイルについて温
接点と冷接点との間の温度差1℃当りの出力電圧
をη0とすると、 η0=2ηAB+3ηBC ……(4) となり、(4)式を一般化すると、 η0=nηAB+mηBC ……(5) で表わされる。
接点と冷接点との間の温度差1℃当りの出力電圧
をη0とすると、 η0=2ηAB+3ηBC ……(4) となり、(4)式を一般化すると、 η0=nηAB+mηBC ……(5) で表わされる。
ηAB:熱電対ABの熱電能(μV/℃)
ηBC:熱電対BCの熱電能(μV/℃)
同様に、熱電対ABと熱電対CDとを組み合せ
れば、 η0=nηAB+mηCD ……(6) となる。
れば、 η0=nηAB+mηCD ……(6) となる。
実用上、η0を全熱電対数(n+m)で除した平
均熱電能を求めた方がセンサ感度等を設計する
場合に便利であるので、 =η0/(n+m)=n/(n+m)ηAB +m/(n+m)ηBC ……(7) によつてを求める。第1図に対応するサーモパ
イルTPにおいて、熱電対ABにCA(クロメル―
アルメル)熱電対を、熱電対BCにCRC(クロメ
ル―コンスタンタン)熱電対を用い、n:m=
1:2,1:1,2:1の場合についてを求
め、このと温度との関係を示したものが第4図
に示したグラフである。このグラフには同時に
CA熱電対およびCRC熱電対のみよりなる従来の
サーモパイルについてのそれぞれのも併せて示
してある。第4図から明らかなように、2種の熱
電対を組み合せたサーモパイルの平均熱電能
は、それぞれの熱電対のηの間に位置するととも
に、その温度依存性が変化することがわかる。こ
のように、熱電能の異なる2種以上の熱電対を適
当な比率で組み合せてサーモパイルを構成するこ
とにより、平均熱電能をある温度範囲において
任意に設定することができるとともに、その温度
依存性も自由に制御することができる。そして、
特にサーモパイルの熱電能の温度依存性を制御す
ることが各種センサの感度設計上重要である。
均熱電能を求めた方がセンサ感度等を設計する
場合に便利であるので、 =η0/(n+m)=n/(n+m)ηAB +m/(n+m)ηBC ……(7) によつてを求める。第1図に対応するサーモパ
イルTPにおいて、熱電対ABにCA(クロメル―
アルメル)熱電対を、熱電対BCにCRC(クロメ
ル―コンスタンタン)熱電対を用い、n:m=
1:2,1:1,2:1の場合についてを求
め、このと温度との関係を示したものが第4図
に示したグラフである。このグラフには同時に
CA熱電対およびCRC熱電対のみよりなる従来の
サーモパイルについてのそれぞれのも併せて示
してある。第4図から明らかなように、2種の熱
電対を組み合せたサーモパイルの平均熱電能
は、それぞれの熱電対のηの間に位置するととも
に、その温度依存性が変化することがわかる。こ
のように、熱電能の異なる2種以上の熱電対を適
当な比率で組み合せてサーモパイルを構成するこ
とにより、平均熱電能をある温度範囲において
任意に設定することができるとともに、その温度
依存性も自由に制御することができる。そして、
特にサーモパイルの熱電能の温度依存性を制御す
ることが各種センサの感度設計上重要である。
このため、このようなサーモパイルを熱抵抗体
と組み合せて熱流センサを作成した場合、得られ
る熱流センサの感度を自由に設定できるととも
に、感度の温度依存性をも自由に制御できること
になり、所望の感度でしかも感度一定の熱流セン
サを容易に得ることができる。とくに、従来のサ
ーモパイルの熱電能ηの温度依存性と熱抵抗体の
熱伝導率の温度依存性とを組み合せて感度一定の
熱流センサを製造する場合(特願昭55−72543号
および特願昭55−153440号)には、サーモパイル
の熱電能の温度依存性が限定されるため、サーモ
パイルに用いる熱電対のηの温度依存性に合致し
た熱伝導率の温度依存性を有する熱抵抗体を組み
合せねばならず、このような熱伝導率の温度依存
性を有する熱抵抗体をさがし出すことは極めて労
力を要するところであつたが、この発明のサーモ
パイルによれば、サーモパイルのの温度依存性
を自由に設定できるため、どのような熱抵抗体と
も組み合せることができる。
と組み合せて熱流センサを作成した場合、得られ
る熱流センサの感度を自由に設定できるととも
に、感度の温度依存性をも自由に制御できること
になり、所望の感度でしかも感度一定の熱流セン
サを容易に得ることができる。とくに、従来のサ
ーモパイルの熱電能ηの温度依存性と熱抵抗体の
熱伝導率の温度依存性とを組み合せて感度一定の
熱流センサを製造する場合(特願昭55−72543号
および特願昭55−153440号)には、サーモパイル
の熱電能の温度依存性が限定されるため、サーモ
パイルに用いる熱電対のηの温度依存性に合致し
た熱伝導率の温度依存性を有する熱抵抗体を組み
合せねばならず、このような熱伝導率の温度依存
性を有する熱抵抗体をさがし出すことは極めて労
力を要するところであつたが、この発明のサーモ
パイルによれば、サーモパイルのの温度依存性
を自由に設定できるため、どのような熱抵抗体と
も組み合せることができる。
次に、熱流センサの感度を一定とするための条
件を定性的に考察する。被測定面に貼着して測定
する方式で雰囲気が気体の場合の熱流センサの感
度の逆数Aは次式で与えられる。
件を定性的に考察する。被測定面に貼着して測定
する方式で雰囲気が気体の場合の熱流センサの感
度の逆数Aは次式で与えられる。
A={1+1/C(1−β)(h)}λ/nlη……(8)
C:熱流センサの全熱コンダクタンス
β:被測定面の面方向の熱伝導性によつて定ま
る定数(0〜1) 1/C(1−β)(h):熱ジヨウ乱の大きさを示 す量 λ:熱抵抗体の熱伝導率 l:熱抵抗体の厚さ n:熱電対の数 η:サーモパイルの熱電能 (8)式において、λとηとの関係について見てみ
る。λが正又は0の温度依存性を持つている場合
を考えると、被測定面の周りの空気が自然対流の
条件下では(1−β)(h)は正の大きな温度依存
性を示す値であつて、センサの全熱コンダクタン
スCを加味した1/C(1−β)(h)も正又は0の 温度依存性を示す。したがつて(1+1/C(1− β)(h))も若干正又は0の温度依存性を示す。
それ故、サーモパイルの熱電能ηがλ(1+1/C (1−β)(h))の正の温度依存性に見合つた程
度に正の温度依存性を有すれば、結果としてセン
サの感度の逆数Aは温度依存性がなくなることに
なる。要は熱抵抗体との組合せの上で感度の温度
依存性を無くすることができる。
る定数(0〜1) 1/C(1−β)(h):熱ジヨウ乱の大きさを示 す量 λ:熱抵抗体の熱伝導率 l:熱抵抗体の厚さ n:熱電対の数 η:サーモパイルの熱電能 (8)式において、λとηとの関係について見てみ
る。λが正又は0の温度依存性を持つている場合
を考えると、被測定面の周りの空気が自然対流の
条件下では(1−β)(h)は正の大きな温度依存
性を示す値であつて、センサの全熱コンダクタン
スCを加味した1/C(1−β)(h)も正又は0の 温度依存性を示す。したがつて(1+1/C(1− β)(h))も若干正又は0の温度依存性を示す。
それ故、サーモパイルの熱電能ηがλ(1+1/C (1−β)(h))の正の温度依存性に見合つた程
度に正の温度依存性を有すれば、結果としてセン
サの感度の逆数Aは温度依存性がなくなることに
なる。要は熱抵抗体との組合せの上で感度の温度
依存性を無くすることができる。
第5図は、CA熱電対48対よりなる従来のサー
モパイル1、CRC熱電対48対よりなる同じく従
来のサーモパイル2、CRC熱電対24対とCA熱電
対24対よりなる本発明のサーモパイル3および
CRC熱電対32対とCA熱電対16対よりなる同じく
本発明のサーモパイル4を、それぞれ厚さ2mmの
熱抵抗体(黒色シリコーンゴム)と組み合わせ、
100×50×3.2mm(全厚さ)の熱流センサに仕上げ
たときの4種の熱流センサの感度の温度依存性を
表わしたグラフであり、第6図にこの発明の熱流
センサの外観を示す。第5図のグラフより明らか
なように、この熱抵抗体ではCRC熱電対24対と
CA熱電対24対よりなるサーモパイルを有する熱
流センサが、温度依存性を示さず、実用的に優れ
た感度特性の熱流センサであると判定される。
モパイル1、CRC熱電対48対よりなる同じく従
来のサーモパイル2、CRC熱電対24対とCA熱電
対24対よりなる本発明のサーモパイル3および
CRC熱電対32対とCA熱電対16対よりなる同じく
本発明のサーモパイル4を、それぞれ厚さ2mmの
熱抵抗体(黒色シリコーンゴム)と組み合わせ、
100×50×3.2mm(全厚さ)の熱流センサに仕上げ
たときの4種の熱流センサの感度の温度依存性を
表わしたグラフであり、第6図にこの発明の熱流
センサの外観を示す。第5図のグラフより明らか
なように、この熱抵抗体ではCRC熱電対24対と
CA熱電対24対よりなるサーモパイルを有する熱
流センサが、温度依存性を示さず、実用的に優れ
た感度特性の熱流センサであると判定される。
なお、第6図中1は熱流センサ、2は熱抵抗
体、3はスタンタン素線である。また、接点を示
す黒丸は熱抵抗体2の上面に、白丸は熱抵抗体2
の下面にあることを示す。
体、3はスタンタン素線である。また、接点を示
す黒丸は熱抵抗体2の上面に、白丸は熱抵抗体2
の下面にあることを示す。
また、この発明のサーモパイルに用いられる熱
電対には、板状熱電対からフオトエツチングして
製作したものやメツキ、蒸着などによつて製作し
たものなども同様に使用される。
電対には、板状熱電対からフオトエツチングして
製作したものやメツキ、蒸着などによつて製作し
たものなども同様に使用される。
以上説明したように、この発明のサーモパイル
は少なくとも2種以上の熱電対よりなるものであ
る。よつて、このサーモパイルは、これを構成す
る熱電対の種類およびその組み合わせ比率によつ
て種々の平均熱電能を持つものとなり、しかもこ
の平均熱電能の温度依存性をも自由に設定できる
ものとなる。したがつて、この発明のサーモパイ
ルによれば容易に感度一定の熱流センサを作成し
うる。また、このサーモパイルは、熱流センサに
限られず、これを利用する放射計、放射温度計、
放射率計、対流熱伝達率計などの各種計器に広く
利用でき、しかもこれらの計器の感度を容易に一
定化することができるなどのすぐれた利点を有す
るものである。
は少なくとも2種以上の熱電対よりなるものであ
る。よつて、このサーモパイルは、これを構成す
る熱電対の種類およびその組み合わせ比率によつ
て種々の平均熱電能を持つものとなり、しかもこ
の平均熱電能の温度依存性をも自由に設定できる
ものとなる。したがつて、この発明のサーモパイ
ルによれば容易に感度一定の熱流センサを作成し
うる。また、このサーモパイルは、熱流センサに
限られず、これを利用する放射計、放射温度計、
放射率計、対流熱伝達率計などの各種計器に広く
利用でき、しかもこれらの計器の感度を容易に一
定化することができるなどのすぐれた利点を有す
るものである。
第1図はこの発明のサーモパイルの例を示し、
その作用を説明する概略構成図、第2図a,bは
第1図の等価回路図、第3図はこの発明のサーモ
パイルの他の例を示す概略構成図、第4図はこの
発明のサーモパイルの平均熱電能と従来のサーモ
パイルの平均熱電能との温度依存性を示すグラ
フ、第5図はこの発明のサーモパイルと従来のサ
ーモパイルとを用いて作成した熱流センサの感度
の温度依存性を示すグラフ、第6図はこの発明の
サーモパイルを用いた熱流センサの概略斜視図で
ある。
その作用を説明する概略構成図、第2図a,bは
第1図の等価回路図、第3図はこの発明のサーモ
パイルの他の例を示す概略構成図、第4図はこの
発明のサーモパイルの平均熱電能と従来のサーモ
パイルの平均熱電能との温度依存性を示すグラ
フ、第5図はこの発明のサーモパイルと従来のサ
ーモパイルとを用いて作成した熱流センサの感度
の温度依存性を示すグラフ、第6図はこの発明の
サーモパイルを用いた熱流センサの概略斜視図で
ある。
Claims (1)
- 1 少なくとも2種以上の熱電対よりなるサーモ
パイル。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP57021838A JPS58139481A (ja) | 1982-02-13 | 1982-02-13 | サ−モパイル |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP57021838A JPS58139481A (ja) | 1982-02-13 | 1982-02-13 | サ−モパイル |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS58139481A JPS58139481A (ja) | 1983-08-18 |
JPH023311B2 true JPH023311B2 (ja) | 1990-01-23 |
Family
ID=12066213
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP57021838A Granted JPS58139481A (ja) | 1982-02-13 | 1982-02-13 | サ−モパイル |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS58139481A (ja) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
1982
- 1982-02-13 JP JP57021838A patent/JPS58139481A/ja active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS58139481A (ja) | 1983-08-18 |
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