JPS6312929A

JPS6312929A - 流体抵抗式温度計測装置

Info

Publication number: JPS6312929A
Application number: JP15769786A
Authority: JP
Inventors: Koji Murakami; 村上　弘二; Kazuya Higeta; 樋下田　和也
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 1986-07-03
Filing date: 1986-07-03
Publication date: 1988-01-20
Anticipated expiration: 2010-01-18
Also published as: JPH073369B2

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、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、熱雷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、Ａ
ｒ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１−て圧カ一定で供給し、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ΔＰｃ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
８弁２７．２８．２４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１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
、この差圧計からの信号に基づいて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１．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Ｉ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、−例として炉壁７に取付け、炉内温度を
計測するようにしである。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ＩＯ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
直列に設けである。

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ｌ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の人口部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に接続しである。また、この差圧計１
７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で
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Ａ
ｒ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！２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ｆｆ１Ｑでプロー
ブｌの作動流体供給流路５に供給される。

質量流ｆｆ１Ｑ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ΔＰが生じるので、この圧力損失ΔＰを差圧計１７
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ｌ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！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ｌの外筒
６を介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・ボアズイユ流れ
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、１２．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ｇ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１２．　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、Ｑ、　
ｄの温度依存性（すなわち、プローブｌ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ｌ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（ａｔＯ℃）、長さｅが１３　ａ＋ｎ＋（ａｔ
　０℃）でタングステン（熱膨張率２０ｘｌｏ−”／’
Ｃ）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ｆｆ１Ｑが大
きくなるほど、圧力損失へＰ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１１Ｑ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、プローブｌ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！４
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ｌ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ｌ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におけろ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ｌ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Ｉ９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１
９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を設けたらのである。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
動が激しい場合でら、計測装置の出力にハンチングが生
じにくいようにしたものである。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しので
あってしよい。

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
付しである。

（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、この差圧計からの信号に基づいて温度を求
める演算手段を設けて形成しである。

このため、単純な構成により環境温度１作動流体温度の
影響を受けることなく、高温（１５’ＯＯ〜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
ようにしであるので、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
ーブでの圧ノｊ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。ｌ・・・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。特　許　出　願　人　　中外炉工業株式会社代　理　人
　弁理士　　前出　葆　ほか２名第１　図第２図　　　　　　　　１゜ｆｉＬ度Ｔ　　　　　　　　　　　　　　過度Ｔ第４ｙ
Ｊ第５図３ＭＬ凄Ｔ（’Ｃ）第６図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（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、この差圧計とからの信号に基づ
いて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）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）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。