JPS58213242A - 熱物性値の測定法 - 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】 この発明は物質の熱伝導率、熱拡散率、比熱、熱容量な
どの熱物性値を非定常状態で計測し。

更にディジタル処理して演算、表示する測定法において
比較的低分解能のυコンバータをも高分解能化して使用
で精、精度の高い測定を可能にした熱物性値の測定法に
関する。

従来非定常状態で熱物性値を測定する方法が知られてお
り、その一方法として線状加熱源を用いである時点から
該線状加熱源に一定電力を与え、試料内の１点の温度変
化から試料の熱物性値である熱伝導率を求める方法につ
いて説明すると、第１図は、無限大の円柱状の試料ａの
中心に細い加熱線ｋを直線状に置いた状態を想定し是非
定常熱線法による熱伝導率測定の原理説明図である。

時間ｉ、−０（ｉｏ）から加熱線番に一定ζ力を供給し
続けると、加熱ａ４カ１ら距＠ｒだけ離れた位減の温度
Ｔは時間の経過とと−に指数−数的に上昇する。この様
子を第２図に示す。そして、これを数学的に解析すると
試料の熱伝導率Ａは次式が良い近似式として与えられる
ことがわかっている。

第３図ｉｔ、ｔｏ式、の内存を図式化し丸ものであり、
これによれば加熱開始時点から計測に必要な時点を経過
した後、温度上′昇とＪ？Ｌ（時間）とは直線関係とし
て得られ、その勾配の逆数が試料の熱伝導率４に比例す
ることを示している。

なおある時間を経過すると実際の試料では原理で説明し
たようにＳ限、の大きさが確保できなくなる。したかっ
【試料の外面を熱が突き抜けて試料の周囲にある物質（
例えば、机とか周囲の空気）へ熱が供給され始め、第３
図に示すように測定がで〜ない領域が生ずる。

以上の非定常熱線法は細い加熱線の周囲を全て試料で囲
み測定する方法であったが、次にこれを改良して加熱線
番の一方側（半分）に試料４を、他方側に断熱性が良く
１弾力性があって。

且つ熱伝導率が既知の試料６を配置して測定す、る方法
について説明すると、これは加熱線すに一定電力を与え
続ける手法、温度上昇と経過時間の関係等は上述の熱伝
導率測定の場合と全く同様であるが、試料の熱伝導率Ａ
は次式が良い近似式を与える点が異なる。

ここで、Ａ、Ｂは定数であって、別途熱伝導車が既知の
２ヶ以上の標準試料によって検定定数として定められる
。

更にもう−クの熱物性値の計測列として面状発熱源を用
いて熱拡散率、熱伝導率、熱容量及び比熱等を非定常的
に測定する方法を第５図にしたがって説明する。

これは平板状の被測定板、（試料）の両面にそれぞれ平
板状の熱伝導率が既知の標準板。。

。を密着させ、一方矢印方向から熱を入力して被測定板
。と標準板。、。の密着面及びそれぞれの標準板。、。

の内部又は表面の各１点宛、合計４点の温度応答を測定
し、更にこれらのラプラス積分値を求め、熱伝導の基礎
式のラプラス変換を利用して試料の熱物性値を同時に測
定可能とするものである。

この測定方法において加熱のための入熱方式はある時間
から平面状の発熱源ｄ（両面加熱しても良いが、第５図
では片面加熱による発熱源が示されている）によって標
準板。、。及び被測定板。へ１次元の熱の流れを与える
もので。

この場合平面状の発熱源はランプ照射によることも可能
であり一１加熱のだめの入熱方式は前述の非定常熱線法
及びその改良法とは異なり、一定である必要はないが、
適当な時間発熱源から熱を与え続け、このｉ　ＯＦＦす
ると第５図の４つの測温点の温度は例えば第６図に示す
ように変化する。

そこでこの温度変化をもとにして各々についてラプラス
積分値を求めて計算式から熱物性値を算出する。

以上のように線状加熱源を用いた非定常法により熱伝導
率を求める方法においては（１）式、（２）式で示され
るように過渡的温度変化から試料の熱伝導率を求めるも
のであり、いずれも２つの相異なる時間に対する温度差
ΔＴが精度良く計測されれば試料の熱伝導率４を正確に
求めることができる。

更に上述の面状発熱源を用いて非定常法により熱物性値
を求める方法においても、算出式は（１）式、（２）式
と異なるが１例えば第５図の測温点４点の温度変化を加
熱開始点をＯとして求め。

被測定板の熱物性値を求める点は基準時点（熱線法は差
８１本法ではえ＝０）からの温度変化計測が重要な点で
あることで同様となる。

しかし、上述の２つの相異なる時間における温度差や加
熱開始時点からの温度変化分の高精度測定は従来使用さ
れている比較的分解能の低いディジタル計測回路によっ
ては極めて困難である。

即ち、試料の成力・れている雰囲気の温度、７ｏの温度
と加熱による温度変化分ΔＴの全温度（，７゜＋ΔＴ）
を計測しようとすれば、ダイナミックレンジが広く、且
つ分解能の高いディジタル計測回路が必要となる。

これを前述の非定常熱線法の測定について説明すると、
加熱開始時点から時間差、までにおける温度上昇度は数
℃〜高々ｌＯ数℃であり１通常計測に必要とされる温度
差ΔＴは０３〜２℃程度である。これに対し【雰囲気温
鹿島は所望の測定温度まで試料を加熱して温度島に維持
されたまま測定されるため、測定時に８００℃とか１０
００℃、更には１５００℃とかなることが屡々起る。即
ち、必要とされる温度変化ΔＴは加熱開始からの温度変
化に対して略々１／１０　、雰囲気の温度に対して略々
ｌ／１００の量である。

そして従来使用されている比較的分解能°の低いディジ
タル計測器を用いてこれら雰囲気温度ｙ、を含めた計測
値から十分な精度を有する熱物性値を得るには、美大な
コストと技術力を必要とし、これは極めて困難である。

この発明は上記実情に鑑み、比較的低分解能で、安価且
つ実用的なＡ／１）変換器を使用しても精度の良い熱物
性値を得ることができるような測定法を開発する目的で
鋭意研究した。

その結果、上述のように熱源を被測定物質に与えてその
時の温度変化を温度センサー上す検出し、更に演算器を
用いて熱物性値を算出するに際して被測定物質の周囲温
度島は演算中には含まれず不要となることに着目して被
測定物質の周囲温度なプリカットできる回路を用いれば
。

上述の温度変化ΔＴの高々の量を最大レンジとするの変
換器でも計測可能となり、更に電気計測回路に付酋もの
の零ンベル４の変動、即ちオフセットドリフトをΔＬの
計測中に補正で色る回路を用いることにより精度の良い
測定が可能となることを見出したものである。

これを（１）式、（２）式の非定常熱線法による熱伝導
率測定法について説明すると、アナログ計測回路とディ
ジタル計測回路とからなる回路において、＠度入力を零
とするとともに、アナログ計測回路においてプリカット
処理し、この信号量を次に続くディジタル計測回路へ送
り込むようにすればよい。またオフセットドリフトの補
正についてはΔＴの計測中にオフセットドリフト量を測
定してΔＴの計測値よりこれによる変動分を補正すれば
よい。

また上述の面状発熱源を用いた非定常法による熱物性値
の測定法においても被測定物質の周囲温度が演算中不要
となる実情は前記と同様であり、したがって前記同様被
測定物質の周囲温度をグリカットし、加熱開始時点の温
度を零とすることにより比較的低分解能のＡ／ｉ）変換
器を使用しても、これを高分解能化して高精度の測定が
可能となる。

なお、ラプラス積分値を応用した熱物性値の測定法にお
いては例えば４つの測温点の温度が必ずしも同一温度を
示した時点から加熱を開始する必要はなく、シたがって
この場合は各々の測温点における各々の加熱開始時の温
度（初期温度）を零とした変化分を計測すればよい。

以上のように、非定常法による熱物性値の測定法におい
ては加熱開始時点の雰囲気温度を零としてその温度変化
を継続的に計測することが必要となるが、ただ単に手動
調整によって初期温度分を零に調整することは面倒であ
シ、特に上記ラグラス積分値を応用した熱物性値の測定
の如く１例えば４つの測温点の初期温度分を同時に零に
調整する操作は殆んど不可能に近い。

そこで初期の各測定点の温度条件が満足されると同時に
、自動的に加熱開始ＯＫのランプが点燈し、測定者がス
タートボタンを押すと、自動的に各点の初期温度なプリ
カットしてその後の温度変化分のみを計測する回路が必
要となる。

また計測回路のオフセットドリフトの補正も自動的に行
うことが必要となる。この必要性は温度変化の計測時間
が長くなればなる程増大する。

そこでこの発明は、必要とされる信号針変化分のみをア
ナログ計測回路を通してディジタル計測回路へ送るだめ
のプリカット処理とオフセットドリフトの検出と補正処
理を自動的に行うことができる回路を用いて熱物性値を
測定する方法な提案するものである。

具体的には平面状発熱源、線状発熱源、或いは点状発熱
源等の発熱源を用いて試料に、ある時間九から熱な与え
、試料の内部或いは表面の１点或いは複数点の過渡的温
度変化を検出してその温度変化なアナログ計測回路に導
びき、更にディジタル処理して演算し、表示する熱伝導
率：熱拡散率、比熱、熱容量などの熱物性値の測定法に
おいて、必要とされる時点の温度Ｔに対応する入力量Ｘ
をアナログ計測回路へ導びき。

更にディジタル処理部に、ある記憶装置に記憶し。

次にこの記憶量をディジタル量からアナログ量へ変換し
て前述のアナログ計測回路に設けた加算器に、必要とさ
れる時点以後の温度（Ｔ＋ΔＴ）に対応する入力量（Ｘ
＋ΔＸ）とともに加え、ここでＸをプリカットし、ｌＸ
のみを自動的にアナログ計測回路を経てディジタル処理
部に導びき、演算処理さするようにするとともに、上記
のアナログ計測回路を通す演算過程においてアナログ計
測回路の入力線を間欠的に短絡させてアナログ計測回路
のオフセットドリフトをディジタル処理部で読み取り、
そのドリフト分を計測された入力変化分から差し引いて
上記プリカットによる演算処理を行うものである。

したがってこの発明によればアナログ計測回路に由来す
るドリフト分を補正するとともに。

ディジタル処理部の前段階において信号量Ｘをプリカッ
トしてダイナミックレンジ幅を小としであるため、高分
解能ディジタル回路として使用することができ、測定精
度を著しく向上させることができる。

以下図示の実施例に基いてこの発明を説明する。

第７図はこの発明を実施するために使用する回路図であ
り、第８図はそのタイミングチャートを示すものである
。

第７図の回路において、ｌはアカログ計測回路、コはデ
ィジタル処理部であって、アナログ計測回路ｌは初段増
幅器Ｊ１次段増幅器す、加算器Ｓ、プリカット増幅器６
．アナログマルチプレクサークから構成される。

一方デイジタル処理部コはディジタル人力マルチプレク
サ−ざ、μ−ＣＰＵ　９　、メモリー装置／θ、ディジ
タル出力回路ｌ／、表示装置７．２等から構成され、上
記アナログマルチルチプレクサー７とディジタル人カマ
ルチプレクナーｔとの間にはＡ／Ｄコ／パータ／３が設
けられ、更にディジタル出力回路／／と加算器ｊを結ぶ
帰還回路／ｌＩにはＤ／Ａコンバータｉｓが設けられる
。

アナログ計測回路ｌにおいて次段増幅器ｌとプリカット
増幅器６はψコンバータ７３′で必要とされる敵にそれ
ぞれの入力を増幅するために使用されるノーマライズ増
幅器であり、またアナログマルチプレクサークは初段増
幅器３０入カスイツチＳＷ／　、初段増幅器−の入力側
とアースとの間に設けられたスイッチＳＷ２　、次段増
幅器３とＡ／１）コンバータ１３との間に設けられたス
イッチＳＷ３　、プリカット増幅器６とのコンバータ１
３との間に設けられたスイッチＳＷｔとを一定間隔を置
いて自動的に切替えるための切替器を構成する。

また初段増幅器３の前ξには外部入力信号中にきまれる
雑音成分をカントするだめの入力フィルター７６が設け
られるが、この発明のように入力信号が温度変化による
場合は信号の周波数特性が可成り低周波数となるので、
入力フィルタープ６としては通常の計測回路において屡
々使用されるローパスフィルターが使用される。

一方試料中には通常の熱電対或いは測温抵抗体、サーミ
スタ等で構成される温度計７７が使用され、！度計１７
からはｍｖオーダーの入力信号がフィルター／６を介し
て初段増幅器３に加えられ、更に次段増幅器ダにより必
要１だけ増幅されてのコンバータ／３に加えられ、ここ
で入力信号をディジタル量に変換してディジタル入力マ
ルチブレフサ−７に加える。ディジタル入力マルチプレ
ク？−７には、熱物性値測定のために必要な定数値（例
えば前述の（１）式、（２）式の、。

Ａ、Ｂに相当する定数ｆｔｆｔ　）が挿入され、スター
トボタン／ざによりディジタル化された入力信号及び定
数値をμ−ＣＰＵ　９に送り込み、ここで熱物性値の演
算が行われる。なおディジタル入力マルチプレクサ−ｔ
からは試料の加熱回路への指示も行われる。メモリー装
置１０には時々刻々入力する龜度変化扉が記憶される。

以上はＳＷ／　、　ＳＷ３閉、　ｓｗ２．５ＷＩＩ開の
動作であるが、　ＳＷ／　、　ＳＷダ閉、ＳＷコ、　Ｓ
ＷＪ開にした場合は、加算器りでプリカット処理が行わ
れる。

次にこれを説明すると、非定常熱線法の場合は、前述の
ようにしてメモリー装＠１０に記憶された時間石におけ
る温度Ｔまた。ラプラス積分法の場合は加熱開始時点２
＝００．７ｏに対応する信号量をＸとすると、この記憶
量はＤ／ＡコンバータｌＳによりアナログ量に変換され
て帰還回路／４１を通して加算器３に加えられる。さら
に、非定常熱線法について、時間差、以降の時間（ｉ、
十Δ崩）に対応する説明を行なうと、時間（ｉ、＋Δ石
）に対する入力量（Ｘ＋ΔＸ）は初段増幅器３を通って
加算器ｊに加えられ、ここでＸ量がプリカットされて変
化量ΔＸのみがプリカット増幅器６で増幅され、更にｈ
１０コ／バータ／３でディジタル量に変換され、前記同
様にディジタル入カマルチプＶクナーＳを通り、ｐ−Ｃ
ＰＵ９に加えられ１時間差、における変化量ΔＸを用い
て熱物性値の演算処理が行われ、この随を表示装置／２
にディジタル表示する。

なお以上のような演算処理では入力信号Ｘ及び（Ｘ＋Δ
Ｘ）は増幅器３．’Ｉ、Ａを通るため。

これらの入力量は各増幅器のオフセットドリフトの影響
を受けるが、これを補正するためにはＳＷ／　Ｑ閉じて
外部信号入力量Ｘ及び（Ｘ＋ΔＸ）を初段増幅器３に通
して前記の如く演算処理を行った後、　ＳＷ／を開、Ｓ
Ｗコな閉にしてこのときの回路系のオフセットドリフト
を読み取り、この差を取ればオフセットドリフトの影響
を受けない信号量によって演算処理を行うことができる
。

以上の演算処理を円滑に行わせるためのタイミングチャ
ートに基いてこれを説明すると、先ずＡ区間で外部入力
信号をＳＷ／とＳＷ、？を閉じることによりＶｏコンバ
ータ１３によりて読み取り。

Ｂ区間でＳＷ／を開けてＳＷ２とＳＷ、７を閉じること
によりＡ／ｌ）コンバータ１３によって増幅器３．ダの
オスセットドリフトを読み取る。Ｃ区間ではＳＷ２を閉
じた状態でＳＷ、？を開け、５ＷＩＩは閉として且つＤ
／Ａコノパータ／ｋｆ零電圧となるようにして（、点）
、Ａ／ｉ）コンバータ１３より読み取る。

Ｄ区間ではＳＷ２を開け、逆に８Ｗ／と・ＳＷ＜＜を閉
じてＤ／Ａコンバータ／ＳにＡ区間で読み取った値をセ
ットして（ｋ点）、Ａ／１）コンバータ／３により読み
取る。

上記の動作を行なった後、Ａ区間で読み取ったデータか
らＢ区間で読み取ったデータを減じ。

更に入力換算をして測定温度の表示用データとして用い
る。

次にＤ区間で読み取ったデータからＣ区間で読み取った
データを引いて入力量し、熱物性値演算で用いる真値を
得る。

以上のようにこの発明によれば分解能の低いＡ／Ｄコン
バータな高分解能化して用いることができ、しかもアナ
ログ計測回路のオフセットドリフトを検出、補正してい
るため、ディジタル処理部のノンドリフト性を生かすこ
とができ。

これらが相俟って精度の良い・熱物性値の測定な簡尋な
回路を用いて行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ｄ非定常熱線法の原理を説明するだめの図、第２
図は同上の方法における温度と時間の関係曲線、第３図
はム（時間）と温度上昇の関係曲線、第４図は改良され
た非定常熱線法の原理を説明するだめの図、第５図はラ
プラス変換法を用いた非定常測定法の原理を説明するた
めの図、第６図は同上の方法における温度と時間の関係
曲線、第７図はこの発明の測定に用いる回路の一例を示
す図、第８図はこの発明の測定におけるタイミノグチヤ
ードの一例を示す図である。 藷出願人　昭和覗工株式会社 同　出願人　　東洋エレクトロニクス株式会社同　代理
人　弁理士　侑　　１）　武　通　、゛゛；；１１１．
．．：、；； １１１ ．．． ： 、二、５２− １１６図 節６図 Ｎ歴時間仇

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 発熱源から試料に熱を与え、その熱によって試料中に生
   ずる過渡的温度変化を検出し、その温度変化をアナログ
   計測回路へ導びき、更にディジタル処理して演算し１表
   示する熱物性値の測定法において、必要とされる時点の
   温度ＴＫ対応する入力量Ｘをアナログ計測回路へ導びき
   。 更にディジタル処理部にある記憶装置に記憶し。 次にこの記憶欧をディジタル量からアナログ量へ変換し
   て前述のアナログ計測回路に設けた加算器に、必要とさ
   れる時点以後の温度（Ｔ＋ΔＴ）に対応する入力量（Ｘ
   ＋ΔＸ）とともに加え、ここでＸをプリカットし、ΔＸ
   のみを自動的にアナログ計測回路を経てディジタル処理
   部に導びき、演算処理させるようＫするとともに、上記
   アナログ計測回路を通す演算過程においてアナログ計測
   回路の入力線を間欠的ｆ短絡させてアナログ計測回路の
   オフセットドリフトをディジタル処理部で続み取り、そ
   のドリフト分を計測された入力変化分から差し引いて上
   記プリカットによる演算処理を行うようにしたことを特
   徴とする熱物性値の測定法。