JPH073369B2 - 流体抵抗式温度計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、流体の温度による状態変化を利用して、例え
ば炉内温度や溶湯温度などを計測する流体抵抗式温度計
測装置に関するものである。

（従来技術とその問題点） 従来、溶湯金属あるいは炉内などの高温部の温度計測に
は、熱電対あるいは抵抗温度計などが一般に使用されて
いる。しかし、これらの温度計は、高温にさらされる温
度感知部の材料が原理的に限定されてしまうため、酸化
その他寿命を縮めるような原因に対する対策が施しにく
く、長期間の使用には不適当であった。

このため、温度感知部であるセンサーの材料の選定が計
測の原理によって制約されることなく、寿命の観点から
自由に選定し得る利点を有する流体抵抗式温度計測装置
が開発されている。この流体抵抗式温度計測装置の原理
は、気体の粘性係数の温度依存性を利用し、気体が毛細
管を通過する際の圧力損失の変化から温度を知ろうとい
うもので、その基本的な構成は第９図に示すように、Ar
ガスなどの作動流体を作動流体供給源９より圧力制御装
置21を介して圧力一定で供給し、被計測雰囲気の温度に
対応して生じるプローブ22内の毛細管23の圧力損失ΔＰ
をトリム弁24の２次側と毛細管23の２次側との圧力差Δ
Pcとして、流体素子25により増幅し、圧力センサー26に
よって電気信号として検出するものである。

本方式の構成は、電気的に言えば一種のホイートストー
ンブリッジであり、感度調整弁27,供給弁28、あるいは
トリム弁24における圧力損失のわずかな変動が、流体素
子25からの圧力信号に大きな影響を及ぼす。したがっ
て、環境温度による作動流体の状態変化は、前記各弁2
7,28,24における圧力損失に変動を与え、見かけ上プロ
ーブ22の毛細管23の圧力損失ΔＰの変動、すなわちプロ
ーブ22による計測温度変化として認識されるので、本方
式の温度計は環境温度の影響を受けやすいという欠点を
有する。

（発明の目的） 本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなされたもので、
環境温度，作動流体温度に影響を受けない、高温計測の
可能な流体抵抗式温度計測装置を提供しようとするもの
である。

（発明の構成） 前記目的を達成するために、本発明は、作動流体供給源
と、一端が封じられた外筒内に、絞り部を先端に有する
内筒を挿入してなるプローブと、作動流体供給源からの
作動流体を前記外筒に導く配管とを備え、この配管に圧
力制御装置および質量流量制御装置を直列に設けるとと
もに、前記絞り部における圧力損失を検出する差圧計
と、この差圧計から前記絞り部の入口，出口間の差圧を
示す信号を受け、この信号に基づき、圧力と温度の関数
である動粘度との関係から前記絞り部における温度を求
める演算手段とを設けて形成した。

（実施例） 次に、本発明の一実施例を図面にしたがって説明する。

第１図は、本発明に係る流体抵抗式温度計測装置の第１
実施例を示し、感温センサーであるプローブ１は、内部
に絞り部の一形態である毛細管２および毛細管２を通過
した作動流体をプローブ１の外に排出するための作動流
体排出流路３を形成する内筒４と、作動流体を毛細管２
に導くための作動流体供給流路５を形成する外筒６とか
ら構成され、一例として炉壁７に取付け、炉内温度を計
測するようにしてある。また、プローブ１の作動流体供
給口８には高圧作動流体を供給する作動流体供給源９か
らの配管10を接続するとともに、配管10には減圧弁11、
圧力制御弁12および質量流量制御装置13が直列に設けて
ある。

この質量流量制御装置13は時々刻々と供給されて来る作
動流体の質量流量を質量流量計により検出し、設定質量
流量値との比較を行ない、その結果に基づいてバルブの
開度を制御して、一定の質量流量を維持するものであ
る。

さらに、プローブ１内の毛細管２における圧力損失ΔＰ
を検出するために、作動流体供給流路５の入口部14と、
作動流体排出流路３の出口部15に圧力検出管16を設けて
差圧計17に接続してある。また、この差圧計17には演算
器18が接続してあり、差圧計17からの信号に基づいて温
度を求め、温度表示するように形成してある。

そして、以下に詳述するように、前記圧力損失ΔＰを差
圧計17により検出することにより、炉内温度が計測でき
るようになっている。

次に、前記構成からなる装置による温度計測方法につい
て説明する。

まず、作動流体供給源９から高圧の作動流体、例えばAr
ガスを供給する。供給された作動流体は、減圧弁11,圧
力制御弁12により所定の圧力まで減圧され、さらにこの
圧力を保つように制御され、この状態で質量流量制御装
置13によって、一定の質量流量Ｑでプローブ１の作動流
体供給流路５に供給される。

質量流量Ｑ一定で作動流体供給流路５に供給された作動
流体は毛細管２を経て、出口部15から大気中に放出され
る。この際、前記毛細管２の部分において、圧力損失Δ
Ｐが生じるので、この圧力損失ΔＰを差圧計により検出
して、この検出結果に基づいて温度計測が行なわれる。

そこで、この圧力損失ΔＰからプローブ１内の炉内温度
Ｔを求める方法について説明する。

作動流体供給口８からプローブ１に供給された作動流体
は、作動流体供給流路５を流れる間にプローブ１の外筒
６を会して炉内雰囲気より加熱され、炉内温度Ｔまで温
度上昇し、毛細管２に導かれる。

毛細管２内の流れは、一般にハーゲン・ポアズイユ流れ
が仮定できるので、毛細管２において生じる圧力損失
は、以下の式で表わされる。

ただし、l,dはそれぞれ毛細管の長さおよび内径を示
し、μ（Ｔ），ρ（Ｔ）は炉内温度Ｔにおける作動流体
の粘性係数と密度を示す。またＱは作動流体の質量流量
を示しており、ここでは質量流量制御装置13で一定に制
御されているので定数である。

厳密には毛細管２の長さｌあるいは内径ｄも温度の影響
を受ける。このことを考慮し、さらに作動流体の動粘度
をν（Ｔ）＝μ（Ｔ）/P（Ｔ）であるから（１）式は以
下のように書き直すことができる。

したがって、ΔＰは炉内温度Ｔの関数であることがわか
る。

一般的にはl,dの温度依存性はν（Ｔ）のそれに比べて
小さい場合が多いので、 と表わすことができる。この（３）式から毛細管２で生
じる圧力損失ΔＰは毛細管２を通過するときの作動流体
の動粘度ν（Ｔ）に比例すると言える。作動流体の動粘
度ν（Ｔ）は温度の関数であるので、圧力損失ΔＰは毛
細管２を通過するときの作動流体の温度、すなわち炉内
温度Ｔの関数である。

したがって、（２），（３）式いずれで表わされる場合
であっても、毛細管２で生じる圧力損失ΔＰを計測すれ
ば炉内温度Ｔを知ることができる。多くの場合、l,dの
温度依存性（すなわち、プローブ１の熱膨張）は、動粘
度ν（Ｔ）の温度依存性に比べて低いので、概ね（３）
式で表わされると考えてよい。

以上説明したように、毛細管２における圧力損失ΔＰは
そこを通過するときの作動流体の温度のみに依存する。
したがって、作動流体の毛細管２に入る以前の温度履
歴、プローブ１の材料環境温度、大気圧等の影響は受け
ない。

作動流体は気体であっても液体であっても差し支えな
い。しかし、一般に液体より気体の方が動粘度の温度依
存性が顕著であるので、気体を用いた方が温度分解能が
高くなる。なお、一般に液体の動粘度は温度上昇ととも
に小さくなり、逆に、気体の動粘度は温度の上昇ととも
に大きくなる。したがって、圧力損失ΔＰと温度Ｔとの
関係は、作動液体を液体とした場合には第２図、作動流
体を気体とした場合には第３図のようになる。次に、プ
ローブ１の具体例として、第４図に示すように毛細管２
の内径ｄが0.76mm（at0℃）、長さｌが13mm（at0℃）で
タングステン（熱膨張率20×10^-6／℃）製のものを用
い、作動流体をArガスとした場合について考える。この
ときの圧力損失ΔＰと温度Ｔとの関係をArガス（作動流
体）の流量をパラメータとして示すと第５図のようにな
る。毛細管２で生じる圧力損失ΔＰは温度の上昇に対し
て単調に増加している。

また、第５図から毛細管２を流れる質量流量Ｑが大きく
なるほど、圧力損失ΔＰの値が大きくなり、また、温度
依存性も強くなることがわかる。このことだけからすれ
ば、質量流量Ｑが大きいほど温度計の計測精度あるいは
温度分解能が向上するとも考えられる。しかし、流量が
多くなるほど以下の問題が顕著になる。

まず、第１の問題は、ブローブ１内での熱伝達が追随で
きなくなり作動流体と炉内温度との差が大きくなって炉
内温度を正確に表示しなくなる。特に炉内温度の変化が
速いほどその遅れが大きくなることである。

第２の問題は、毛細管２での圧力損失ΔＰに比べ、プロ
ーブ先端部あるいはプローブ１の作動流体の入口部14な
どの曲がり部，絞り部等での圧力損失の大きさの比率が
相対的に大きくなり、その結果、毛細管２での圧力損失
ΔＰの温度依存性が相対的に小さくなることである。

第３の問題は、プローブ１先端部、あるいはプローブ１
の作動流体の入口部14など曲がり部，絞り部で流れが不
安定になるため、圧力損失ΔＰが変動することである。

したがって、作動流体の流量には前記問題から制約され
た上限値が存在するものと考えられる。

作動流体の質量流量は前記の上限値を越えない適正流量
の範囲で計測温度範囲と差圧計17のレンジ、計測分解能
などから決定されるべきである。なお、作動流体の適正
流量は、作動流体の種類あるいはプローブの構造、形
状、寸法により大きく異なるため、実験的に決定すべき
である。

ところで、本実施例では、作動流体は第１図に示すよう
にプローブ１の外筒６に沿った作動流体供給流路５を通
って毛細管２に供給され、内筒４内の作動流体排出流路
３を通ってプローブ１から排出される。流体抵抗式温度
計測装置の出力である毛細管２における圧力損失ΔＰは
毛細管２における作動流体の温度によって決定される。
このことだけを考えると、プローブ内部の熱抵抗が小さ
くなれば、定常温度あるいはゆっくりとした温度変化を
計測する限り、第１図とは逆に内筒４から外筒６の方へ
作動流体を流した場合でも第１図の場合と同様に温度計
測が可能である。しかし、このように逆に流した場合に
は、作動流体供給流路５とプローブの外筒６との間に、
作動流体排出流路３が存在しているため応答性が低下し
てしまう。そのため、炉内温度の急激な変化には追随し
にくい。以上のことから作動流体は第１図のように流す
ことが望ましい。

また、本温度計測装置によれば、高温部にさらされるの
はプローブ１の先端のみである。計測からすると、プロ
ーブ１の材質は計測精度に影響がないので、計測温度範
囲に耐え得る材質であればよい。この点が、例えば計測
温度範囲に耐え得て、かつ、起電力を発生し得るような
金属の組み合わせを必要とする熱電対に比べて優れた点
の一つである。

第６図は、本発明の第２実施例を示し、差圧計17の低圧
側の配管17aを簡略化して大気に開放させたものであ
る。大気圧の変動（音に起因するものも含む、以下同
様）が小さい場合、あるいはその変動が極めて遅い場合
には、このように形成することができる。

第７図は、本発明の第３実施例を示し、出口部15の部分
に、例えばサイレンサーのような大きな流動抵抗を生じ
る抵抗手段19を接続したものである。また、第８図は本
発明の第４実施例を示し、第３実施例の抵抗手段19の代
わりに、排出する作動流体を一旦ためておくアキュムレ
ータ20を設けたものである。この第3,第４実施例は、い
ずれも第２実施例の場合とは逆に大気圧の変動が激しい
場合でも、計測装置の出力にハンチングが生じにくいよ
うにしたのである。このハンチングに関しては、第3,第
４実施例のように、物理的に抑制する以外に、差圧計17
から電気信号を取り出し、これをフィルター回路に通し
て電気的に取り除くようにしたものであってもよい。

なお、第６図〜第８図の前記以外の部分は、第１図と実
質的に同一であり、互いに対応する部分には同一番号を
付してある。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明によれば、作動
流体供給源と、一端が封じられた外筒内に、絞り部を先
端に有する内筒を挿入してなるプローブと、作動流体供
給源からの作動流体を前記外筒に導く配管とを備え、こ
の配管に圧力制御装置および質量流量制御装置を直列に
設けるとともに、前記絞り部における圧力損失を検出す
る差圧計と、この差圧計から前記絞り部の入口，出口間
の差圧を示す信号を受け、この信号に基づき、圧力と温
度の関数である動粘度との関係から前記絞り部における
温度を求める演算手段とを設けて形成してある。

このため、単純な構成により環境温度，作動流体温度の
影響を受けることなく、高温（1500〜3000℃）でも信頼
性の高い温度計測ができる。

特に、作動流体を外筒から絞り部を有する内筒内へ流す
ようにしてあるので、前述のように計測精度を良好なも
のにすることができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る流体抵抗式温度計測
装置の機器構成図、第２図は流体抵抗式温度計測装置の
作動流体として液体を用いた場合のプローブでの圧力損
失と温度との一般的関係を示す図、第３図は流体抵抗式
温度計測装置の作動流体として気体を用いた場合のプロ
ーブでの圧力損失と温度との一般的関係を示す図、第４
図は第１図中のプローブの拡大断面図、第５図は作動流
体をArガスとし、かつ第４図に示すプローブを用いたと
きの圧力損失と温度との関係を示す図、第６図，第７
図，第８図は本発明の第2,第3,第４実施例に係る流体抵
抗式温度計測装置の機器構成図、第９図は従来の温度計
測装置の機器構成図である。 １…プローブ、２…毛細管、４…内筒、６…外筒、９…
作動流体供給源、10…配管、11…減圧弁、12…圧力制御
弁、13…質量流量制御装置、17…差圧計、18…演算器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】作動流体供給源と、一端が封じられた外筒
   内に、絞り部を先端に有する内筒を挿入してなるプロー
   ブと、作動流体供給源からの作動流体を前記外筒に導く
   配管とを備え、この配管に圧力制御装置および質量流量
   制御装置を直列に設けるとともに、前記絞り部における
   圧力損失を検出する差圧計と、この差圧計から前記絞り
   部の入口，出口間の差圧を示す信号を受け、この信号に
   基づき、圧力と温度の関数である動粘度との関係から前
   記絞り部における温度を求める演算手段とを設けたこと
   を特徴とする流体抵抗式温度計測装置。
2. 【請求項２】前記作動流体が不活性ガスであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の流体抵抗式温度
   計測装置。
3. 【請求項３】前記絞り部が毛細管であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項または第２項のいずれかに記載
   の流体抵抗式温度計測装置。