JPH0815048A - 温度計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】超音速流体場を乱すことなく、また空間分解能
を高く、配管内の流速分布を計測する。 【構成】異種の熱電対素線15，16の両端を突合せ溶接し
た測温部14を有する直線状の熱電対９を構成する。熱電
対素線15，16は 0.1mm程度の極細線である。熱電対素線
15，16の両端に張力を加えて弓状プレート12の取付け治
具に取付ける。この弓状プレート12をスライド式テーブ
ル13に固定する。弓状プレート12をスライドさせて徐々
に熱電対９を左右に移動して測温部14の位置を変え配管
７内の温度を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば超音速流のような
流体の温度分布を熱電対温度センサ（熱電温度計）によ
り計測する温度計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体の温度を計測する方法としては熱電
温度計や放射温度計により行うことができ、気体の温度
を測定する方法には密度を計測することによるシュレー
リン法、マッハツェンダ干渉計などが用いられている。
これらのうち、熱電対を用いる方法は計測システムとし
て簡便で、なおかつ安価であることから最も一般的に用
いられている。

【０００３】異種類の金属線を接触させると、両者の有
する自由電子の差により、その両金属に電位差を生じ
る。これを接触起電力といい、この大きさは熱電対を構
成する金属の種類および、その接触部の温度によって異
なる。

【０００４】よって、あらかじめ一方の接触部を一定温
度に保ち、あらかじめ他の接触部における温度と回路に
生ずる起電力との関係を調べておけば、起電力を測定す
ることによって温度を知ることができる。以上が熱電温
度計の原理である。

【０００５】一般に市販され、使用されている熱電温度
計はシース熱電対と呼ばれるもので、その構造を図５に
示す。すなわち、異種の金属線（熱電対素線）１，２を
溶接して、その溶接部を測温部３としている。この金属
線１，２を酸化マグネシウム等の絶縁体４で覆い、それ
をさらに金属保護管５で囲み、両金属線１，２の端末部
を端子（図示せず）に固定している。金属保護管５の端
部は端栓６により気密に封止されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】流速の大きい流れ、例
えば超音速流のような流体の流れ場中に熱電対を挿入す
る場合、その流体から受ける力が大きい流れに対しては
通常の熱電対では強度を大きくとるためにかなり太いも
のを使用せざるを得ないが、反面流れ場を乱すという課
題がある。また、細い熱電対素線熱電対を使用した場
合、流体抵抗による応力が材質の許容応力を超え、破損
してしまう恐れがある。

【０００７】一方、流体抵抗に耐え得る強度を持たせる
ためには、ある程度太い熱電対を用いる必要があるが、
棒状の温度計を挿入することによる流れ場が変化し、本
来計測すべき流れ場と異なる条件で温度を測定したり、
温度計の軸方向に熱流が生じるために誤差が生じやすく
なる。また、温度差の大きい固体壁が近傍にある場合に
はふく射により、温度計と固体壁の間で熱量の受授が生
じ、測定値が真値から大きくはずれる可能性もある。

【０００８】前述したように熱電対は、通常、保護管５
内の壁面に片持ちはり式にとりつけるため、流体の抵抗
を受けて曲がり、あるいは損傷を生じ易い。また、流体
にさらされる面積が大きいほど流体抵抗は大きくなるた
め、被測定流体が流れる配管の中心付近での計測は困難
となる課題がある。

【０００９】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、スチームインジェクタやタービン等の流体機
器内の流れのように棒状の熱電対が流れに直接さらされ
ることによって受ける流体抵抗により荷重が大きく、ま
た流れ場の乱れが無視できなくなるような場合におい
て、その温度分布を空間分解能を高く、なおかつ流れ場
を乱すことなく、また破損することなく流速を計測する
ことができるとともにその分布を計測することができる
温度計測装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は異種の熱電対素
線を直線状または並列状に溶接した測温部を有する熱電
対と、前記熱電対素線の両端から張力を加えて取付け固
定する取付け治具とを具備したことを特徴とする。

【００１１】

【作用】0.1mm程度の極細異種金属の熱電対素線を直線
状に突合せ溶接して熱電対を構成し、この熱電対の測温
部を温度を計測する流れ場に挿入し、両端に所定の張力
を加えて弓状プレートからなる取付け治具に固定して計
測を行う。また、弓状プレートをスライド式テーブルに
固定し、測温部を移動させることによって移動方向の温
度分布を測定する。

【００１２】すなわち、極細の熱電対素線で構成した熱
電対の測温部を流れの中に挿入し、その熱電対素線の両
端に張力を加えることにより流体抵抗により応力に対す
る強度を大きくする。このようにして熱電対を破損する
ことなく、また、流れの乱れを極小にして真値に近い流
体温度を計測することができる。また、この熱電対を移
動させて配管内の各点での温度計測を行うことにより配
管内を流れる流体の温度分布を調べることができる。

【００１３】

【実施例】図１および図２を参照しながら本発明に係る
温度計測装置の一実施例を説明する。図１（ａ）は本実
施例に係る温度計測装置を被測定流体が流れる配管に設
置した計測状態を示し、同（ｂ）は（ａ）における取付
け治具とスライド式テーブルとの固定状態を示してい
る。

【００１４】すなわち、図１（ａ）において、符号７は
フランジ８に固定された被測定流体が流れる被測定流体
用配管で、この配管７にはあらかじめ熱電対９の熱電対
素線15，16を挿通させるための貫通孔10が設けられてい
る。この貫通孔10に熱電対９をスライド（移動）を可能
とするための熱電対用パイプ11を挿入する。このとき、
配管７と熱電対用パイプ11との間には流体漏洩防止のた
めにＯリングなどのシールを設ける。

【００１５】このパイプ11内に熱電対素線15，16が挿入
され、パイプ11の両端を弓形金属プレート12に取り付け
る。この金属プレート12は熱電対素線15，16の取付け治
具であり、ピニオン／ラックで平行移動できるようなテ
ーブル13に取り付ける。

【００１６】テーブル13にはスライド距離がわかるよう
にスケール（目盛）を設けている。このスケールから測
温部４の位置を読みながら、徐々に熱電対９を金属プレ
ート12により自由にスライドする。これによって熱電対
９の測温部14を正確に移動でき、配管７内の半径方向の
温度分布を調べることができる。

【００１７】熱電対９の配管７への挿入方法は、まず、
一方の熱電対素線15の端をパイプ11に挿入し、パイプ11
の後部をエポキシ樹脂等で接着する。このパイプ11の先
端から突出した熱電対素線15をそれ自身より若干内径の
大きい細長いパイプに通し、これを配管７を貫く２つの
貫通孔10に通す。

【００１８】このようにして配管７に熱電対素線15を渡
した後、もう片方の熱電対素線16にパイプ11を通し、張
力を加えた後、パイプ11の後部を同様にエポキシ樹脂で
接着する。このようにして極細の熱電対素線15，16を一
定の張力を加えて配管７に挿入することができる。

【００１９】図２は上記熱電対９の第１の例を部分的に
拡大したものである。すなわち、異なる種類の２本の熱
電対素線15，16を直線状に突合せ溶接して測温部14を形
成することにより熱電対９を作製する。熱電対素線15，
16の直径が、数百μｍ（ほぼ0.1mm) くらい細い場合に
は流れに及ぼす影響も小さく、また測温部14が小さくな
り、空間に対する分解能を大きくすることができる。

【００２０】熱電対素線15，16の種類は、その環境によ
って選定する必要があるが、クロメルーアルメル線が、
温度の計測範囲が−200 ℃以上1100℃以下と広く、なお
かつ安価であり、充分な強度を有するなどの利点を持っ
ており、また、起電力と温度との関係もほぼ直線的であ
る。

【００２１】この２本の熱電対素線15，16を直線状に溶
接するためには、熱電対素線15，16の両先端を突合せ、
突合せた部分をバーナー等によって加熱する。この溶接
部は、できるだけ熱電対素線15，16の直径よりあまり大
きくない方が、空間的な分解能を高くとれる。

【００２２】次に上記実施例の作用を従来例と比較しな
がら説明する。図５に示す従来の熱電対の先端を配管内
の温度計測する流体中に挿入して温度を計測する場合、
配管内を高速で流れる流体に円柱棒状の熱電対を挿入
し、片持ちはり式に配管に固定すると、流体抵抗による
荷重が熱電対に加わる。

【００２３】ここで、1ata、 100℃でＶ＝500m/sの超音
速蒸気に熱電対を片持ちはり式に挿入したとする。流体
から円柱棒状の熱電対に加わる力Ｄ［kgf ］は、次式で
表される。

【００２４】

【数１】

【００２５】この場合の密度はγ＝ 0.578［kg/m³ ］で
あるから、これらの値を（１）式に代入すると、単位面
積あたりにはたらく力は、8.84×10³ ［ kgf/m² ］とな
る。よって、はりにはたらく応力σは、

【数２】 で与えられる。

【００２６】ここで、片持ちばりの場合のＭは、等分布
荷重を仮定すると、

【数３】 であるため、（２）と（３）から、

【数４】 となる。

【００２７】ここで、ｚは中実軸を仮定して、

【数５】 （４），（５）式とｗ＝8.84×10³ ［ kgf/m² ］、ｄ＝
0.1［mm］、ｌ＝10［mm］とすると、応力σは4.50×10
² ［kgf/mm² ］となる。

【００２８】一方、熱電対に等分布荷重が加わるとし、
両端に加えた張力で受け持つとすれば、張力Ｔ（ｘ）
は、

【数６】

【００２９】ｘ＝０のときＴ（ｘ）は最大となるため、
Ｔｍａｘは、

【数７】

【００３０】安定限界がｆ／ｌ＞0.25であるため、４ｆ
＝ｌとおくと、（８）式は、

【数８】 となる。

【００３１】ここで、Ｐ₀ ＝8.84×10³ ×ｄ［ kgf/
m² ］であるから、

【数９】

【００３２】同様に熱電対の形状がｄ＝ 0.1［mm］、ｌ
＝10［mm］のとき、Ｔｍａｘは6.25×10^-3となり、この
とき加わる応力は、 0.795［kgf/mm² ］となる。したが
って、片持ちばり式に取り付けた場合に比べ、張力で受
け持つように取り付けた方が、熱電対に加わる応力は1/
1000のオーダーで小さくできる。

【００３３】しかして、本実施例のように、熱電対をワ
イヤ式にし、両側から張力を加えることによって、極細
の熱電対素線15，16を使用しても超音速流体が流れる流
れ場の流体の温度分布を計測することが可能である。ま
た、高速気流や水流の温度分布測定のキーテクノロジー
としてガスタービンや航空宇宙まで広範囲に使用できる
図３は第２の熱電対９ａを示したもので、この第２の熱
電対９ａはより大きな強度が要求され、なおかつ測温部
14を小さくとりたい場合に適したもので、補強金属線17
に熱電対素線15，16をら旋状に巻回してなるものであ
る。

【００３４】図４は第３の熱電対９ｂを示したもので、
この第３の熱電対９ｂは２種の熱電対素線15，16を突き
合わせ溶接でなく、並列状に重ね合わせてその先端部を
溶接し、その溶接部の根元を接着剤のようなもので固定
したのち、熱電対素線15，16を直角に折り曲げ張力を加
えたものである。これにより強度的に大きい熱電対９ｂ
が構成できる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、スチームインジェクタ
やタービン等の流体機器内の流れのように、棒状の熱電
対が流れに直接さらされることによって受ける流体抵抗
による荷重が大きく、また流れ場の乱れが無視できなく
なるような場合において、その温度分布を空間分解能を
高く、かつ、超音速のような流れの速い流体場を乱すこ
となく配管内の流速分布を計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係る温度計測装置の一実施例
を被測定流体用配管に設置した計測状態を示す平面図、
（ｂ）は（ａ）における取付け治具とスライド式テーブ
ルとの固定状態を示す側面図。

【図２】図１（ａ）における熱電対の第１の例の要部を
拡大して示す側面図。

【図３】図１（ａ）における熱電対の第２の例の要部を
拡大して示す側面図。

【図４】図１（ａ）における熱電対の第３の例の要部を
拡大して示す側面図。

【図５】従来の熱電対の要部を示す縦断面図。

【符号の説明】 １，２…金属線、３…測温部、４…絶縁体、５…金属保
護管、６…端栓、７…配管、８…フランジ、９，９ａ，
９ｂ…熱電対、10…貫通孔、11…熱電対用パイプ、12…
金属プレート、13…スライド式テーブル、14…測温部、
15，16…熱電対素線、17…補強金属線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上島 衛 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異種の熱電対素線を直線状または並列状
   に溶接した測温部を有する熱電対と、前記熱電対素線の
   両端から張力を加えて取付け固定する取付け治具とを具
   備したことを特徴とする温度計測装置。
2. 【請求項２】 前記熱電対素線はほぼ 0.1mmの極細線か
   らなるか、またはこの極細線に補強部材を設けることを
   特徴とする請求項１記載の温度計測装置。
3. 【請求項３】 前記取付け治具は弓状プレートからな
   り、このプレートはスライド式テーブルに前記熱電対の
   測温部が移動自在となるように固定されてなることを特
   徴とする請求項１記載の温度計測装置。