KR20210002543A - 온도 교정 장치 및 온도 계측 장치 - Google Patents

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KR20210002543A
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요시하루 야마자키
쇼헤이 미야타케
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지오마텍 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 박막 열전대 소자를 범용적인 벌크의 열전대 소자용 온도 표시 장치에 접속할 수 있도록 열기전력의 변환을 행하는 온도 교정 장치, 및 온도 계측 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 온도 교정 장치는 이종 금속으로 이루어지고, 일단 측의 측온용 접점에서 상호 접속하는 동시에, 타단에 한쌍의 외부 접점을 갖는 한쌍의 박막을 하나 이상 구비한 박막 열전대 소자에 접속되는 온도 교정 장치로서, 도전성 재료로 이루어지고, 한쌍의 외부 접점에 접속 가능한 한쌍 이상의 입력 단자와, 입력된 전압을 사용하여 온도를 산출하고, 산출된 온도를 표시하는 온도 표시 장치에 연결된 한쌍의 도선에 접속 가능하며, 도전성 재료로 이루어지는 한쌍 이상의 출력 단자와, 입력 단자 간 전압의 검출값을 교정하여, 교정 후 전압을 연산하는 연산 수단과, 출력 단자 사이에, 교정 후 전압을 출력하는 전압 인가 수단을 구비하며, 입력 단자가 박막 열전대 소자의 외부 접점에 접속되고, 출력 단자가 온도 표시 장치에 접속되었을 때, 교정 후 전압을 온도 표시 장치에 대해 출력하는 것을 특징으로 한다.

Description

온도 교정 장치 및 온도 계측 장치
본 발명은 온도 교정 장치 및 온도 계측 장치에 관한 것이다.
온도 측정용으로 만들어진 2종류의 금속의 조합으로 이루어지는 소자는 열전대로 칭하여져, 제베크 효과를 이용한 온도 측정 소자로서 오래전부터 이용되어 온 기술이다.
종래 사용되어 온 범용적인 벌크의 열전대 소자(20')는 선 지름이 0.50∼3.20 ㎜ 정도인 금속선을 사용한 열전대로, 일본공업규격(JIS)의 규격(JIS C 1602－1995)에 따르는 K 열전대 등이 예시된다.
벌크의 열전대 소자(20')는 도 10에 나타내는 바와 같이, 금속선(22')와 금속선(23')를 갖고, 그 일단에 피대상물의 측온을 위한 측온용 접점(24')가 설치되고, 그 타단에 개방단이 되는 외부 접점(25' 및 26')가 설치되어 있다.
금속선(22' 및 23')는 각각 이종 재료로, 측온용 접점(24')에서 접합되어 있다.
한편, 박막 열전대 소자는 고분자 필름 등의 기판 상에 열전대 재료의 박막을 형성한 것으로, 미소하고 좁은 영역의 온도를 측정하기 위한 온도 센서로서 사용되고 있다.
박막 열전대 소자는 벌크의 열전대 소자와 비교하여 얇고 플렉시블하다고 하는 이점을 갖는데, 도 11에 온도－열기전력의 특성을 나타내는 바와 같이, 박막 열전대 소자에 있어서 발생하는 열기전력은, 일반적인 벌크의 열전대 소자에 있어서 발생하는 열기전력보다 몇 할 정도 떨어지는 것이다.
박막 열전대 소자의 온도－열기전력 특성을 벌크의 열전대 소자의 온도－열기전력 특성에 일치시키는 것은 어렵다. 또한, 박막 열전대 소자의 온도－열기전력 특성을 벌크의 열전대 소자의 온도－열기전력 특성에 한없이 근접시키는 것도 가능하지만, 생산성을 고려하면 현실적이지 않다.
또한, 박막 열전대 소자와 리드선(열전대 소선)의 접점에 있어서의 금속 세선과 박막의 상위 등에 의해, 박막 열전대 소자는 실제의 온도차에 유래하는 열기전력보다도 낮은 값을 나타내게 된다.
따라서, 박막 열전대 소자의 온도－열기전력 특성은 JIS 규격에 따르는 벌크의 열전대 소자의 온도－열기전력 특성과는 일치하지 않아, 정확한 온도 측정이 곤란해진다.
특허문헌 1에는 박막 열전대를 사용하여 정확한 온도 측정을 행하기 위한 기술로서, 2점 측정과 적절한 보정 처리에 의해 정확한 온도를 산출하는 기술이 기재되어 있다.
특허문헌 1의 측온 소자는, 박막 열전대 소자인 제1 열전대와, 제1 열전대의 외부 접점과 접속된 신호 취출용인 한쌍의 금속선을 구비하고, 제1 열전대와 한쌍의 금속선의 접속 부분 근방에 제1 열전대와 같은 구성 재료에 의해 구성되며, 또한 같은 길이의 한쌍의 외부 금속선인 제2 열전대를 구비하는 구성으로 하고 있다. 그리고, 박막 열전대 소자인 제1 열전대의 측온용 접점 및 제2 열전대의 접점의 2점의 출력 전압을 측정하고 있다.
측정된 제1 열전대의 측온용 접점 및 제2 열전대의 접점의 출력, 영점 보상에 의한 계측 장치의 온도를 사용하여 소정의 계산식으로 연산을 행함으로써, 박막 열전대 소자를 벌크 재료와 접속하는 것에 기인하는 온도 측정의 오차를 경감시키는 보정 처리를 행하여, 박막 열전대의 측온용 접점의 정확한 온도를 산출하고 있다.
일본국 특허공개 제2010－190735호 공보
특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 제1 열전대인 박막 열전대 소자 부분 외에, 커넥터 부분의 2점의 출력 전압을 측정할 필요가 있기 때문에, 2개의 입력 채널을 갖는 온도 표시 장치, 데이터 로거 등의 온도 계측기가 필수였다.
종래의 벌크의 열전대 소자를 사용한 온도 계측에 있어서는, 입력 채널을 하나만 갖는 온도 표시 장치 등의 온도 계측기에, 벌크의 열전대 소자를 1개 접속함으로써 온도 계측이나 온도 제어를 행하는 것이 대부분이었다.
따라서, 기존의 입력 채널을 하나만 갖는 온도 계측기에 대해, 벌크의 열전대 소자와 동일하게 박막 열전대 소자를 접속해서 사용하는 것은 어려워, 벌크의 열전대 소자를 사용하고 있는 사용자의 입장에서는, 박막 열전대 소자는 사용하는 것이 어렵다고 판단되어 버릴 가능성이 있었다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 박막 열전대 소자를 종래 사용되고 있던 범용적인 벌크의 열전대 소자용 온도 표시 장치에 접속할 수 있도록 열기전력의 변환을 행하는 온도 교정 장치, 및 온도 교정 장치를 사용한 온도 계측 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제는, 본 발명의 온도 계측 장치에 의하면, 이종 금속으로 이루어지고, 일단 측의 측온용 접점에서 상호 접속하는 동시에, 타단에 한쌍의 외부 접점을 갖는 한쌍의 박막을 하나 이상 구비한 박막 열전대 소자와, 입력된 전압을 사용하여 온도를 산출하고, 산출된 온도를 표시하는 온도 표시 장치와, 상기 박막 열전대 소자 및 상기 온도 표시 장치 사이에 접속된 온도 교정 장치를 구비하고, 상기 온도 교정 장치는, 도전성 재료로 이루어지고, 상기 한쌍의 외부 접점에 각각 접속된 한쌍 이상의 입력 단자와, 상기 온도 표시 장치에 연결된 한쌍의 도선에 각각 접속된 도전성 재료로 이루어지는 한쌍 이상의 출력 단자와, 상기 한쌍 이상의 입력 단자 간 전압의 검출값을 교정하여, 교정 후 전압을 연산하는 연산 수단과, 상기 한쌍 이상의 출력 단자 사이에, 상기 교정 후 전압을 출력하는 전압 인가 수단을 구비하며, 상기 온도 표시 장치는, 상기 한쌍 이상의 출력 단자 및 상기 한쌍의 도선을 매개로 입력된 상기 교정 후 전압을 사용하여 교정 온도를 산출하고, 산출된 교정 온도를 표시하는 것에 의해 해결된다.
상기 구성에 의해, 박막 열전대 소자 및 온도 교정 장치를 하나의 벌크의 열전대 소자로 보고 온도 표시 장치와 접속할 수 있기 때문에, 온도 환산 등의 보정을 별도로 행할 필요가 없어, 기존의 일반적인 온도 표시 장치를 사용한 온도 계측 장치를 제공할 수 있다.
이때, 상기 한쌍의 도선에 접속된 출력용 커넥터를 갖고, 그 출력용 커넥터의 수는 하나이도록 구성되어 있으면 적합하다.
이와 같이, 온도 교정 장치를 사용함으로써, 입력 채널이 하나뿐인 온도 표시 장치라도, 박막 열전대 소자를 적용한 온도 계측 장치를 제공할 수 있다.
상기 과제는, 본 발명의 온도 교정 장치에 의하면, 이종 금속으로 이루어지고, 일단 측의 측온용 접점에서 상호 접속하는 동시에, 타단에 한쌍의 외부 접점을 갖는 한쌍의 박막을 하나 이상 구비한 박막 열전대 소자에 접속되는 온도 교정 장치로서, 도전성 재료로 이루어지고, 상기 한쌍의 외부 접점에 각각 접속 가능한 한쌍 이상의 입력 단자와, 입력된 전압을 사용하여 온도를 산출하고, 산출된 온도를 표시하는 온도 표시 장치에 연결된 상기 한쌍의 도선에, 각각 접속 가능하고, 도전성 재료로 이루어지는 한쌍 이상의 출력 단자와, 상기 한쌍 이상의 입력 단자 간 전압의 검출값을 교정하여, 교정 후 전압을 연산하는 연산 수단과, 상기 한쌍 이상의 출력 단자 사이에, 상기 교정 후 전압을 출력하는 전압 인가 수단을 구비하며, 상기 한쌍 이상의 입력 단자가 상기 박막 열전대 소자의 상기 한쌍의 외부 접점에 접속되고, 상기 한쌍 이상의 출력 단자가 상기 온도 표시 장치에 접속되었을 때, 상기 교정 후 전압을 상기 온도 표시 장치에 대해 출력하는 것에 의해 해결된다.
상기 구성에 의해, 박막 열전대 소자 및 온도 교정 장치를 하나의 벌크의 열전대 소자로 보고 사용할 수 있기 때문에, 온도 환산 등의 보정을 별도로 행할 필요가 없어, 기존의 일반적인 온도 표시 장치 등의 설비를 변경하지 않고 필름 형상의 박막 열전대 소자를 사용할 수 있다.
이때, 상기 한쌍의 도선에 접속된 출력용 커넥터를 갖고, 그 출력용 커넥터의 수는 하나이도록 구성되어 있으면 적합하다.
이와 같이 구성함으로써, 온도 교정 장치는 배선의 수를 종래와 비교하여 적은 것으로 할 수 있는 동시에, 입력 채널이 하나뿐인 온도 표시 장치에도 박막 열전대 소자를 적용할 수 있다.
이때, 상기 연산 수단은 상기 한쌍의 입력 단자 간 전압의 검출값을 V 1으로 했을 때, 사전에 설정된 온도 상수 T 0 및 구배 상수 a를 사용하여, 식(1)에 의해, 상기 교정 온도 T를 산출하고,
Figure pct00001
그 교정 온도 T 를 사용하여, 식(2)에 의해, 상기 교정 후 전압 V 1’를 산출하도록 구성되어 있으면 적합하다.
Figure pct00002
(단, 파라미터 a는 박막 열전대 소자에 있어서의 측온용 접점과 외부 접점 사이의 온도차와, 박막 열전대 소자에서 발생하는 열기전력의 관계로부터 구해지는 근사곡선에 의해 산출되는 값이고, 파라미터 T 0는 박막 열전대 소자의 외부 접점에 있어서의 온도이며, 파라미터 b는 벌크의 열전대 소자에 있어서의 측온용 접점과 외부 접점 사이의 온도차와, 벌크의 열전대 소자에서 발생하는 열기전력의 관계로부터 구해지는 근사곡선에 의해 산출되는 상수이다.)
이와 같이 구성함으로써, 사전에 측정 가능한 상수를 사용한 관계식에 의해, 박막 열전대 소자에서 발생하는 열기전력으로부터 측온용 접점의 온도를 온도 표시기에 표시시키는 것에 대응하는 교정 후 전압을 구할 수 있다.
이때, 상기 한쌍 이상의 출력 단자 대신에, 상기 교정 후 전압을 상기 온도 표시 장치에 무선 송신하기 위한 무선 송신 수단을 구비하도록 구성되어 있으면 적합하다.
이와 같이 구성함으로써, 도선이나 출력용 커넥터 등의 배선이 불필요해지기 때문에, 박막 열전대 소자의 사용이 보다 용이해지는 동시에, 적용 가능한 범위가 넓어져, 온도 표시 장치로부터 떨어진 장소의 온도의 계측도 가능해진다.
이때, 상기 한쌍의 외부 접점을 상기 한쌍 이상의 입력 단자에 착탈 가능하게 접속하는 접속부를 갖도록 구성되어 있으면 적합하다.
이와 같이 구성함으로써, 박막 열전대 부분이 교정 가능해져, 온도 교정 장치를 반복해서 온도 측정에 사용할 수 있다.
본 발명의 온도 교정 장치를 사용하면, 박막 열전대 소자와 온도 교정 장치를 하나의 벌크의 열전대로 보고 사용할 수 있기 때문에, 기존의 일반적인 온도 표시 장치 등의 설비를 변경하지 않고 필름 형상의 박막 열전대 소자를 사용할 수 있다.
또한, 정확한 온도를 구하기 위해, 측정된 온도를 보정할 필요가 있다고 하는 번잡함을 해소할 수 있다.
또한, 본 발명의 온도 교정 장치에 대해, 박막 열전대 소자를 착탈 가능하게 하고 있기 때문에, 본 발명의 온도 교정 장치를 사용한 온도 계측 장치가 채용된 경우에, 박막 열전대 소자를 정기적으로 교환하여 계속적으로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 온도 교정 장치는 반복해서 사용 가능하기 때문에, 현행의 박막 열전대 소자가 분리 가능하게 커넥터와 결합된 제품보다도 반복해서 사용했을 때의 비용을 억제하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일실시형태의 온도 교정 장치를 사용한 온도 계측 장치의 구성을 나타내는 개략 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태의 온도 교정 장치에 접속되는 박막 열전대 소자를 나타내는 개략 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시형태의 온도 교정 장치의 전기적 구조를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시형태의 온도 교정 장치의 접속부를 나타내는 도 1의 I－I선에 있어서의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시형태의 온도 표시 장치의 전기적 구조를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일실시형태의 온도 교정 장치를 사용한 온도 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일실시형태의 박막 열전대에서 발생하는 열기전력의 변환 방법에 있어서의 CPU의 제어를 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태의 변형예의 온도 교정 장치의 전기적 구조를 나타내는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태의 변형예의 온도 표시 장치의 전기적 구조를 나타내는 블록도이다.
도 10은 벌크의 열전대 소자를 나타내는 개략 모식도이다.
도 11은 박막 열전대 소자 및 벌크의 열전대 소자의 온도－열기전력 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시형태의 온도 교정 장치를 사용하여 온도 표시 장치와 박막 열전대 소자를 접속하여 온도 측정을 행한 결과를 나타내는 그래프이다.
아래에 본 발명의 일실시형태의 온도 교정 장치, 온도 교정 장치를 사용한 온도 계측 장치, 온도 교정 장치를 사용한 박막 열전대 소자에서 발생하는 열기전력의 변환 방법, 및 온도 교정 장치를 사용한 온도 측정 방법에 대해서 도 1 내지 12를 참조하여 설명한다.
＜온도 계측 장치＞
도 1에 본 실시형태의 온도 교정 장치(10)을 사용한 온도 계측 장치(A)를 나타낸다.
온도 계측 장치(A)는 이종 금속으로 이루어지고, 일단 측의 측온용 접점에서 상호 접속하는 동시에, 타단에 한쌍의 외부 접점을 갖는 한쌍의 박막을 구비한 박막 열전대 소자(20)과, 입력된 전압을 사용하여 온도를 산출하고, 산출된 온도를 표시하는 온도 표시 장치(30)과, 박막 열전대 소자(20)과 온도 표시 장치(30) 사이에 접속되는 온도 교정 장치(10)을 주요 구성 요소로 하는 것이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 온도 교정 장치(10)의 접속부(11)에 측온 소자로서의 박막 열전대 소자(20)의 외부 접점(25 및 26)이 접속되고, 온도 교정 장치(10)의 출력용 커넥터(19)가 온도 표시 장치(30)의 접속 수단(31)에 접속됨으로써 온도 계측 장치(A)가 구성된다.
본 실시형태의 온도 교정 장치(10)은 박막 열전대 소자(20)에서 발생하는 열기전력을 교정하여, 측온용 접점(24)의 온도를 온도 표시 장치(30)에 표시시키는 것에 대응하는 교정 후 전압으로 변환하는 기능을 갖는다.
＜박막 열전대 소자＞
도 2는 본 실시형태의 온도 교정 장치(10)에 접속되는 박막 열전대 소자(20)의 개략 모식도이다.
박막 열전대 소자(20)은 길이가 긴 직사각형상의 필름 등의 기판(21) 상에 상이한 금속으로 이루어지는 한쌍의 박막에 의해 형성되어, 길이방향을 따라 평행하게 뻗는 한쌍의 도전성 박막(22 및 23)을 구비하고 있다. 한쌍의 도전성 박막(22 및 23)은 한쪽의 단부 측에서 교차하여, 교차된 개소는 접속하여 피대상물의 측온용인 측온용 접점(24)으로 되어 있다. 한쌍의 도전성 박막(22 및 23)의 타단에는 개방단이 되는 외부 접점(25 및 26)을 구비하고 있다.
박막 열전대 소자(20)은 외부 접점(25 및 26)에 있어서, 온도 교정 장치(10)의 접속부(11)에 설치된 한쌍의 입력 단자(12a 및 12b)와 각각 접속된다.
도전성 박막(22 및 23)은 각각 이종 재료로, 측온용 접점(24)에 있어서 도전성 박막(22 및 23)이 포개지도록 접합되어 있다.
박막 열전대 소자(20)을 형성하는 기판(21)로서, 유리, 필름, 금속 등을 사용할 수 있다. 단, 기판(21)을 금속 등의 도전성이 있는 재료로 하는 경우에는, 사전에 금속 표면에 SiO2, Al2O3 등의 절연막을 형성한 후에 박막 열전대 소자를 형성할 필요가 있다.
따라서, 바람직하게는 필름을 사용하는 것이 좋다. 유리, 필름은 금속 등의 도전성이 있는 기판과 같이, 전처리를 필요로 하는 경우가 없기 때문에, 조작이 번잡해지는 경우가 없어 적합하다. 또한, 필름은 그 가요성에 의해, 박막 열전대 소자의 강도를 높일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 폴리이미드 필름을 사용하는 것이 좋다. 폴리이미드 필름은 절곡하는 것이 가능하여 기판을 수십 미크론의 두께로 해도 파손되기 어려워 취급이 용이한 점과, 200℃를 초과하는 온도에서도 비교적 안정한 점에 있어서, 박막 열전대 소자의 기판으로서 적합한 재료이다.
기판(21)의 두께는 1 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하, 특히 바람직하게는 1 ㎛ 이상 18 ㎛ 이하면 좋다.
박막 열전대 소자(20)의 도전성 박막을 구성하는 이종 금속의 조합으로서는, 크로멜－알루멜, PtRh－Pt, 크로멜－콘스탄탄, 나이크로실－나이실, Cu－콘스탄탄, Fe－콘스탄탄, Ir－IrRh, W－Re, Au－Pt, Pt－Pd, Bi－Sb 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 사용 온도 범위가 넓고, 온도와 열기전력의 관계가 직선적인, 크로멜－알루멜의 조합을 사용하는 것이 좋다.
도전성 박막을 형성하기 위한 방법으로서는, 스퍼터링법, 전자 빔 증착법, 가열 증착법 등의 진공 성막법이나, 도포법 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 보다 얇고 균일하게 박막을 형성할 수 있는 진공 성막법을 사용하는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는, 증착물질과의 원료 조성의 어긋남이 적어, 균일하게 성막할 수 있는 스퍼터링법을 사용하는 것이 좋다.
박막 열전대 소자(20)은 보호막에 의해 덮여 있는 것이 바람직하다. 보호막은 박막 열전대 소자의 내환경성을 높이는 동시에, 박막 열전대 소자가 외력에 의해 변형되었을 때 우려되는 크랙의 발생을 방지하는 효과도 있기 때문이다. 적용 가능한 보호막은 SiO2, Al2O3 등을 증착법, 스퍼터링법, 디핑법 등에 의해 형성한 절연막, 스크린 인쇄법에 의한 폴리이미드 필름 등이다. 바람직하게는, 내열성 및 내약품성이 높고, 접착성이 높은 폴리이미드 필름을 사용하는 것이 좋다.
도전성 박막(22 및 23)의 두께는 50 ㎚ 이상 1 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 300 ㎚ 이상 500 ㎚ 이하, 더욱 바람직하게는 100 ㎚ 이상 250 ㎚ 이하면 좋다.
＜온도 교정 장치＞
본 실시형태의 온도 교정 장치(10)은 박막 열전대 소자(20)에서 발생하는 열기전력을 사용해서 연산하여, 측온용 접점(24)의 온도를 온도 표시 장치(30)에 표시시키는 것에 대응하는 교정 후 전압으로 변환하는 기능을 가지고 있다.
본 실시형태의 온도 교정 장치(10)은 도 3에 나타내는 바와 같이, 박막 열전대 소자(20)을 접속하기 위한 접속부(11)에 설치된 한쌍의 입력 단자(12)와, 박막 열전대 소자(20)에서 발생하는 열기전력이 입력되는 전압 입력 수단(13)과, 입력된 열기전력의 검출값으로부터 교정 후 전압을 산출하는 연산 수단(14)와, 연산 수단(14)가 각종 제어를 행하는 데 필요한 제어 프로그램이나 각종 관계식 등이 기억되어 있는 기억 수단(15)와, 산출된 교정 후 전압을 출력하는 전압 인가 수단(16)과, 출력 단자(17)과, 도선(18a，18b)와, 출력용 커넥터(19)를 포함한다.
아래에 온도 교정 장치(10)을 구성하는 각 구성 요소에 대해서 상세하게 기술한다.
(접속부 및 입력 단자)
접속부(11)은 박막 열전대 소자(20)의 외부 접점(25 및 26)을 전압 입력 수단(13)과 전기적으로 접속하기 위한 것이다. 접속부(11)은 박막 열전대 소자(20)의기판(21)의 도전성 박막(22 및 23)을 갖지 않는 쪽에 압착용 탄성물을 구비하고 있는 공지의 착탈 가능한 접속 구조를 가지고 있다.
구체적으로는, 도 4에 나타내는 단면도와 같이, 접속부(11)은 케이스(덮개 측)(11a) 및 케이스(본체 측)(11b)로 이루어지고, 도전성 박막(22)를 입력 단자(12a)에, 도전성 박막(23)을 입력 단자(12b)에 압착하기 위해, 기판(21)의 도전성 박막을 갖지 않는 쪽에 압착용 탄성물(11c)를 구비하고 있다.
따라서, 박막 열전대 소자(20)을 접속부(11)에 대해 착탈 가능하게 접속할 수 있기 때문에, 박막 열전대 소자(20)이 소모된 경우에, 새로운 박막 열전대 소자(20)과 교환하는 것이 가능해진다.
(전압 입력 수단)
전압 입력 수단(13)에는, 도전성 박막(22)의 외부 접점(25)에 접속된 접속부(11)의 입력 단자(12a)와, 도전성 박막(23)의 외부 접점(26)에 접속된 접속부(11)의 입력 단자(12b) 사이에 발생하는 열기전력이 입력된다.
전압 입력 수단(13)은 입력된 열기전력을 디지털 신호로 A／D 변환하는 A／D 변환부를 포함하여, A／D 변환된 열기전력의 검출값을 연산 수단(14)로 입력한다.
(연산 수단)
연산 수단(14)는 CPU로 이루어지고, 기억 수단(15)에 기억된 프로그램에 기초하여 온도 교정 장치(10)에 있어서의 각종 제어를 행하기 위한 지시 신호를 출력하는 제어부로서의 기능, 및 기억 수단(15)에 기억된 관계식에 따라 각종 연산을 행하는 기능을 가지고 있다.
연산 수단(14)는 전압 입력 수단(13)으로부터 입력되는 A／D 변환된 열기전력의 검출값으로부터, 기억 수단(15)에 기억된 관계식(예를 들면, 식(1))을 참조해서 사용하여, 박막 열전대 소자(20)의 측온용 접점(24)에 있어서의 온도(교정 온도)를 산출한다.
계속해서, 연산 수단(14)는 기억 수단(15)에 기억된 온도 표시 장치(30)의 온도 산출 수단(33)에 있어서 입력되는 전압과 표시 온도의 관계식(예를 들면, 식(2))에 기초하여, 박막 열전대 소자(20)의 측온용 접점(24)에 있어서의 온도(교정 온도)를 온도 표시 장치(30)의 온도 표시 수단(32)에 표시시키는 것에 대응하는 교정 후 전압을 산출한다.
그리고, 연산 수단(14)는 산출된 교정 후 전압을 전압 인가 수단(16)에 출력한다.
(기억부)
기억 수단(15)는 RAM 등의 기억 매체로 이루어지고, 본 실시형태의 박막 열전대에서 발생하는 열기전력의 변환 방법을 실행하기 위한 제어 프로그램 등의 연산 수단(14)가 각종 제어를 행하는 데 필요한 제어 프로그램이나 각종 관계식 등이 사전에 기억되어 있다.
기억 수단(15)는 박막 열전대 소자(20)의 외부 접점(25)와 외부 접점(26) 사이에 발생하여, 한쌍의 입력 단자(12a 및 12b) 간 전압의 검출값으로부터 측온용 접점(24)의 온도를 산출하는 관계식(아래 식(1))과, 온도 표시 장치(30)의 온도 산출 수단(33)에 있어서 입력되는 전압과 표시 온도의 관계식(아래 식(2))이 기억되어 있다.
기억 수단(15)에 기억되어 있는 한쌍의 입력 단자(12a 및 12b) 간 전압의 검출값 V 1으로부터 측온용 접점(24)의 온도(교정 온도) T를 산출하는 관계식은, 아래의 식(1)로 표시된다.
Figure pct00003
여기서, 파라미터 a는 박막 열전대 소자에 있어서의 측온용 접점과 외부 접점 사이의 온도차와, 박막 열전대 소자에서 발생하는 열기전력의 관계로부터 구해지는 근사곡선에 의해 산출되는 구배 상수로, 사용하는 박막 열전대 소자(20)의 도전성 박막을 구성하는 이종 금속의 조합이나 도전성 박막(22 및 23)의 두께 및 길이 등에 의해 결정되는 값이다.
파라미터 T 0는 벌크의 열전대 소자를 사용하여 측정된 도전성 박막(22)의 외부 접점(25 및 26)에 있어서의 온도(온도 상수)이다.
기억 수단(15)에 기억되어 있는 온도 표시 장치(30)의 온도 산출 수단(33)에 있어서 입력되는 전압 V 1’와 표시 온도 T의 관계식은, 아래의 식(2)로 표시된다.
Figure pct00004
여기서, 파라미터 b는 벌크의 열전대 소자(20')에 있어서의 측온용 접점과 외부 접점 사이의 온도차와, 벌크의 열전대 소자에서 발생하는 열기전력의 관계로부터 구해지는 근사곡선에 의해 산출되는 상수이다.
기억 수단(15)에 기억되어 있는 제어 프로그램이나 전술한 관계식 등의 정보는 수정 가능하다. 기억 수단(15)에 기억되는 정보의 수정은 온도 교정 장치(10)에 설치된 미도시의 외부 통신부(USB 단자)를 매개로, 퍼스널 컴퓨터(PC) 등의 외부 장치와 접속하여, 외부 장치에 의해 정보를 수정함으로써 행하여진다.
(전압 인가 수단)
전압 인가 수단(16)은 연산 수단(14)로부터 입력되는 교정 후 전압을 발생하는 기능을 가지고 있다. 전압 인가 수단(16)은 연산 수단(14)로부터 입력되는 교정 후 전압을 아날로그 신호로 변환하는 D／A 변환부를 포함하여, D／A 변환된 교정 후 전압을 한쌍의 출력 단자(17), 한쌍의 도선(18) 및 출력용 커넥터(19)를 매개로 온도 표시 장치(30)으로 출력한다.
(출력 단자)
출력 단자(17a 및 17b)는 한쌍의 도선(18a 및 18b)에 각각 접속된 도전성 재료로 이루어지는 한쌍의 출력 단자(17)이다. 출력 단자(17a 및 17b) 사이에는 전압 인가 수단(16)에 의해 교정 후 전압이 출력된다.
(도선 및 출력용 커넥터)
한쌍의 도선(18) 및 출력용 커넥터(19)는 전압 인가 수단(16)에 의해 한쌍의출력 단자(17) 사이에 출력되는 교정 후 전압을 온도 표시 장치(30) 등의 외부 장치에 입력하기 위한 기능을 가지고 있다.
한쌍의 도선(18)은 단부에 출력용 커넥터(19)를 하나 가지고 있고, 그 출력용 커넥터(19)가 온도 표시 장치(30)의 접속 수단(31)에 접속된다.
한쌍의 도선(18)의 도선(18a)는 한쌍의 출력 단자(17)의 출력 단자(17a)에 접속되어 있고, 한쌍의 도선(18)의 도선(18b)는 한쌍의 출력 단자(17)의 출력 단자(17b)에 접속되어 있다.
전압 인가 수단(16)에 의해 출력 단자(17a 및 17b) 사이에 출력된 교정 후 전압이, 온도 표시 장치(30)의 접속 수단(31)을 매개로 온도 산출 수단(33)에 입력된다.
본 실시형태의 온도 교정 장치(10)은 한쌍의 도선(18)에 접속된 출력용 커넥터(19)를 하나 가지고 있을 뿐으로, 커넥터를 하나 접속 가능한 1 채널식 온도 표시 장치(30)에 대해서도 사용할 수 있다.
＜온도 표시 장치＞
본 실시형태의 온도 계측 장치(A)에서 사용되는 온도 표시 장치(30)은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 커넥터가 하나 접속 가능한 1 채널식의 접속 수단(31)과, 접속 수단(31)을 매개로 입력되는 전압을 사용하여 온도를 산출하는 온도 산출 수단(33)과, 온도 산출 수단(33)에서 산출된 온도를 표시하는 온도 표시 수단(32)를 구비하는 일반적인 온도 표시 장치 또는 온도 계측 장치이다.
온도 표시 장치(30)의 접속 수단(31)에는, 온도 교정 장치(10)의 한쌍의 도선(18)의 단부에 설치된 출력용 커넥터(19)가 접속된다.
도 1 및 도 5에 있어서의 온도 표시 수단(32)는 온도 표시 장치(30)에 설치된 표시부인데, 이것에 한정되는 것은 아니고, 온도 표시 장치(30)에 표시화면을 구비한 PC 등의 외부 장치를 접속하여, 그 외부 장치의 표시화면을 온도 표시 수단(32)로 하는 것도 가능하다.
온도 산출 수단(33)은 입력되는 전압을 대응하는 온도로 환산하는 기능을 구비하고 있다.
온도 표시 장치(30)으로서는, 입력되는 전압을 사용하여, 대응하는 온도를 산출하고, 그 산출된 온도를 표시하는 것이 가능한 것이라면, 일반적인 온도 표시 장치를 사용할 수 있는데, 이것에 한정되는 것은 아니며, 다양한 연산 기능을 구비한 온도 표시 장치 등의 특수한 온도 표시 장치를 사용하는 것도 가능하다.
온도 교정 장치(10)의 연산 수단(14)에서 연산된 교정 후 전압이 온도 산출 수단(33)에 입력된다. 온도 산출 수단(33)은 입력된 교정 후 전압을 사용하여 대응하는 온도를 산출하고, 산출된 온도를 온도 표시 수단(32)에 표시한다.
온도 교정 장치(10)은 박막 열전대 소자(20)의 측온용 접점(24)에 있어서의 온도가 바르게 표시되도록, 교정 후 전압을 연산하여 출력하기 때문에, 온도 표시 장치(30)의 온도 표시 수단(32)에 측온용 접점(24)의 정확한 온도를 표시할 수 있다.
＜온도 교정 장치가 행하는 열기전력의 교정＞
온도 교정 장치(10)에 있어서의 박막 열전대 소자(20)에서 발생하는 열기전력의 교정 후 전압으로의 변환(교정)에 대해서, A. 박막 열전대 소자 및 벌크의 열전대 소자에 있어서의 온도차와 열기전력의 관계, B. 온도 표시 장치에 있어서의 온도 표시, C. 온도 교정 장치에 있어서의 연산과 함께 설명한다.
(A. 박막 열전대 소자 및 벌크의 열전대 소자에 있어서의 온도차와 열기전력의 관계)
박막 열전대 소자(20)에 있어서의 온도차와 열기전력의 관계는, 아래의 식(3)으로 규정된다.
Figure pct00005
여기서, t는 측온용 접점(24)와 외부 접점(25，26) 사이의 온도차이고, v는 외부 접점(25)와 외부 접점(26) 사이에 발생하는 열기전력(박막 열전대 소자(20)에서 발생하는 열기전력이라고도 함)이며, a는 온도차 t와 발생하는 열기전력 v의 관계로부터 구해지는 근사곡선에 의해 산출되는 구배 상수이다.
벌크의 열전대 소자(20')(K형 열전대 소자)에 있어서의 온도차와 열기전력의 관계는, 아래의 식(4)로 규정된다.
Figure pct00006
여기서, T는 측온용 접점(24')와 외부 접점(25'，26') 사이의 온도차이고, V는 외부 접점(25')와 외부 접점(26') 사이에 발생하는 열기전력(벌크의 열전대 소자(20')에서 발생하는 열기전력이라고도 함)이며, b는 온도차 T와 발생하는 열기전력 V의 관계로부터 구해지는 근사곡선에 의해 산출되는 구배 상수이다.
박막 열전대 소자(20)과 벌크의 열전대 소자(20')에서는 같은 온도차에 대해 발생하는 열기전력이 상이하다. 즉, T＝t일 때, a×V＝b×v인데, V≠v이다.
도 11은 박막 열전대 소자(20) 및 벌크의 열전대 소자(20')의 온도－열기전력 특성을 나타내는 그래프이다. 박막 열전대 소자(20)에서 발생하는 열기전력은 벌크의 열전대 소자(20')(K형 열전대 소자)에서 발생하는 열기전력과 비교하여 7할 정도의 크기이다.
(B. 온도 표시 장치에 있어서의 온도 표시)
온도 표시 장치(30)은 벌크의 열전대 소자(20')의 온도－열기전력 특성인 식(4)에 기초하여 온도를 표시한다.
구체적으로는, 온도 표시 장치(30)의 온도 산출 수단(33)에 있어서, 벌크의 열전대 소자(20')의 외부 접점(25')와 외부 접점(26') 사이에 발생하는 열기전력 V에, 사전에 설정되어 있는 상수 b를 곱함으로써 온도 T를 산출하고, 온도 표시 수단(32)에 온도 T를 표시한다.
따라서, 온도 표시 장치(30)에 박막 열전대 소자(20)을 직접 접속한 경우, 실제의 온도와 온도 표시 수단(32)에 표시되는 표시 온도가 상이해진다.
표시 온도가 상이해지는 원인은, 일반적인 온도 표시 장치(30)이 벌크의 열전대 소자(20')의 온도－열기전력 특성인 식(4)에 기초하여 온도를 산출하는 것에 대해, 박막 열전대 소자(20)의 온도－열기전력의 관계가 식(3)에 따르기 때문이다.
본 실시형태의 온도 교정 장치(10)에서는, 이 어긋남량을 보정값으로서 사용하여, 벌크의 열전대 소자(20')의 온도－열기전력 특성의 식에 맞추는 보정을 행한다.
(C. 온도 교정 장치에 있어서의 연산)
도 2 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 각 열전대(박막 열전대 소자(20), 벌크의 열전대 소자(20'))의 측온용 접점(24 및 24')의 온도를 T, 각 열전대의 외부 접점(25，26，25'，26')의 온도를 T 0로 하면, 측온용 접점과 외부 접점 사이에 발생하는 온도차는 T －T 0가 된다.
박막 열전대 소자(20)에 대해서 식(3)으로부터, 아래의 식(5)가 도출된다.
Figure pct00007
여기서, V 1은 박막 열전대 소자(20)의 외부 접점(25)와 외부 접점(26) 사이에 발생하는 열기전력이다.
벌크의 열전대 소자(20')에 대해서 식(4)로부터 아래의 식(6)이 도출된다.
Figure pct00008
여기서, V 2는 벌크의 열전대 소자(20')의 외부 접점(25')와 외부 접점(26') 사이에 발생하는 열기전력이다.
박막 열전대 소자(20)을 온도 표시 장치(30)에 접속한 경우의 온도 표시를 T 1으로 하면, 아래의 식(7)이 성립한다.
Figure pct00009
식(7)을 변형하고, 식(5)를 변형하여 얻어지는 V 1을 대입하면, 아래의 식(8)이 얻어진다.
Figure pct00010
여기서, T 1은 박막 열전대 소자(20)을 온도 표시 장치(30)에 접속하여 계측 가능하고, T 및 T 0는 벌크의 열전대 소자(20')를 사용하여 계측 가능하기 때문에, 상기 식(8)에 T 1，T ，T 0의 실측값을 대입함으로써, (b／a)를 구할 수 있다.
(1／α)＝(b／a)로 하면, 상기 식(8)은 아래의 식(9)로 변형할 수 있다.
Figure pct00011
또한, 이 식(9)에 식(7)의 T 1을 대입하면, 아래의 식(1)로 변형할 수 있다.
Figure pct00012
여기서, T 0는 벌크의 열전대 소자(20')에 의해 실측하는 것이 가능하고, 식(4)를 사용하면 아래의 식(10)으로 변환할 수 있다.
Figure pct00013
따라서, 식(10)은 일본국 특허공개 제2010－190735호 공보의 식(T ＝a V 1＋b V 2＋T c)에 있어서 V 2를 V 0로 하고, T c＝0으로 한 경우에 대응하는 것이다.
(D. 박막 열전대 소자에서 발생하는 열기전력의 교정 후 전압으로의 변환)
전술한 식(1)에 있어서, 구배 상수 a는 박막 열전대 소자(20)에 있어서의 온도차와 발생하는 열기전력의 관계로부터 구해지는 근사곡선에 의해 산출하는 것이 가능하고, T 0(＝b×V 0)는 벌크의 열전대 소자(20')에 의해 실측하는 것이 가능하기 때문에, 박막 열전대 소자(20)의 외부 접점(25)와 외부 접점(26) 사이에 발생하는 열기전력 V 1의 값으로부터, 측온용 접점(24)의 온도 T를 산출할 수 있다.
온도 교정 장치(10)의 연산 수단(14)는 기억 수단(15)에 기억되어 있는 전술한 식(1)을 사용하여, 박막 열전대 소자(20)의 외부 접점(25)와 외부 접점(26) 사이에 발생하는 열기전력 V 1으로부터 박막 열전대의 측온용 접점(24)에 있어서의 온도 T를 교정 온도로서 산출한다.
그리고, 연산 수단(14)는 기억 수단(15)에 기억된 온도 표시 장치(30)의 온도 산출 수단(33)에 있어서 입력되는 전압과 온도의 관계식인 전술한 식(2)에 기초하여, 교정 온도 T를 온도 표시 수단(32)에 표시시키는 것에 대응하는 교정 후 전압 V 1’를 전압 인가 수단(16)에 발생시킨다.
따라서, 박막 열전대 소자(20)과 온도 표시 장치(30) 사이에, 본 실시형태의 온도 교정 장치(10)을 접속함으로써, 측온용 접점에 있어서의 온도 T를 온도 표시 장치(30)의 온도 표시 수단(32)에 표시시킬 수 있다.
＜온도 교정 장치를 사용한 온도 측정 방법＞
본 실시형태의 온도 교정 장치(10)을 사용한 온도 측정 방법은, 도 6에 나타내는 바와 같이, 온도 교정 장치를 사용한 온도 계측 장치를 준비하는 준비 공정(스텝 S10)과, 상기 준비 공정에서 준비한 온도 계측 장치를 사용하여 온도의 측정을 행하는 온도 측정 공정(스텝 S20)과, 상기 온도 측정 공정에서 측정한 온도를 온도 표시 장치에 표시하는 온도 표시 공정(스텝 S30)을 행하는 것을 특징으로 한다.
(A. 준비 공정)
준비 공정(스텝 S10)에서는, 먼저 온도 교정 장치(10)의 기억 수단(15)에, 박막 열전대 소자(20)에서 발생하여, 한쌍의 입력 단자(12) 사이에서 검출되는 검출값으로서의 열기전력 V 1으로부터 교정 온도로서의 측온용 접점의 온도 T를 산출하기 위한 관계식(예를 들면, 식(1))과, 산출된 측온용 접점의 온도 T를 온도 표시 장치(30)에 표시시키는 것에 대응하는 교정 후 전압 V 1’를 산출하기 위한 관계식(예를 들면, 식(2))을 기억시키는 기억 공정을 행한다.
구체적으로는, 사전에 측정한 상수 a 및 T 0(＝b×V 0)를 대입한 식(1)을 기억 수단(15)에 기억시킨다. 동일하게, 온도 교정 장치(10)과 함께 사용하는 온도 표시 장치(30)의 온도 산출 수단(33)에 있어서 입력되는 전압과 표시 온도의 관계식인 식(2)를 기억 수단(15)에 기억시킨다.
기억 수단(15)에 기억시키는 정보의 기억은, 온도 교정 장치(10)에 설치된 미도시의 외부 입력부(USB 단자)를 매개로, 퍼스널 컴퓨터(PC) 등의 외부 장치와 접속함으로써 행하여진다.
이 기억 공정은 온도 교정 장치(10)을 사용하여 온도 측정을 행하는 유저가 행할 수 있는데, 온도 교정 장치(10)을 제조하는 단계에 있어서 제조자가 행해도 되고, 온도 교정 장치(10)을 판매하는 단계에 있어서 판매자가 행해도 된다.
다음으로, 전술한 기억 공정에서 기억 수단(15)에 관계식을 기억시킨 온도 교정 장치(10)과, 박막 열전대 소자(20)과, 온도 표시 장치(30)을 사용하여, 온도 계측 장치(A)를 조립하는 조립 공정을 행한다.
조립 공정에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 온도 교정 장치(10)의 접속부(11)에 측온 소자로서의 박막 열전대 소자(20)의 외부 접점(25 및 26)을 접속하고, 온도 교정 장치(10)의 출력용 커넥터(19)를 온도 표시 장치(30)의 접속 수단(31)에 접속함으로써, 온도 계측 장치(A)를 조립한다.
(B. 온도 측정 공정)
전술한 준비 공정에 이어서, 온도 교정 장치(10)을 사용한 온도 계측 장치(A)를 사용한 온도 측정 공정(스텝 S20)에서는, 본 실시형태의 박막 열전대 소자에서 발생하는 열기전력의 변환 방법이 실행된다.
본 실시형태의 박막 열전대에서 발생하는 열기전력의 변환 방법은, 도 7에 나타내는 바와 같이, 기판 상에 상이한 금속으로 이루어지는 한쌍의 박막에 의해 형성되어, 일단 측에 측온용 접점을 갖고, 타단 측에 각 박막의 외부 접점을 구비한 박막 열전대에서 발생하는 열기전력을 검출하는 열기전력 검출 공정(스텝 S1)과, 검출된 상기 열기전력을 사용해서 연산하여 교정 후 전압을 변환하는 연산 공정(스텝 S2 및 스텝 S3)과, 연산된 상기 교정 후 전압을 출력하는 교정 후 전압 출력 공정(스텝 S4)을 행하고, 상기 연산 공정에서는 상기 열기전력 검출 공정에서 검출된 열기전력을 연산하여, 상기 측온용 접점의 온도를 산출하고(스텝 S2), 상기 산출된 온도를 온도 표시 장치에 표시하는 것에 대응하는 교정 후 전압을 산출하는(스텝 S3) 것을 특징으로 한다.
아래에 각 공정에 대해서 도 7을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 7의 프로그램 처리에 관한 제어 프로그램은 기억 수단(15)에 기억되어 있고, 연산 수단(14)를 구성하는 CPU(14)가 기억 수단(15)에 기억된 제어 프로그램에 기초하여 프로그램 처리를 제어한다.
온도 교정 장치(10)의 접속부(11)에 박막 열전대 소자(20)이 접속되고, 온도 교정 장치(10)의 출력용 커넥터(19)가 온도 표시 장치(30)의 접속 수단(31)에 접속되면, 도 7의 프로그램 처리가 시작된다.
(열기전력 검출 공정)
도 7의 프로그램 처리가 시작되면, 먼저, 스텝 S1(열기전력 검출 공정)에서, 기판(21) 상에 상이한 금속으로 이루어지는 한쌍의 도전성 박막(22，23)에 의해 형성되어, 일단 측에 측온용 접점(24)을 갖고, 타단 측에 각 박막의 외부 접점(25，26)을 구비한 박막 열전대 소자(20)에서 발생하는 열기전력 V 1을 취득한다.
구체적으로는, CPU(14)가, 한쌍의 입력 단자(12)에 입력되어, 전압 입력 수단(13)에서 디지털 신호로 A／D 변환된 박막 열전대 소자(20)의 외부 접점 사이에 발생하는 열기전력 V 1을 검출한다.
(연산 공정)
연산 공정(스텝 S2 및 스텝 S3)에서는, 열기전력 검출 공정에서 검출된 열기전력 V 1을 사용해서 연산하여 교정 후 전압 V 1’를 산출한다.
구체적으로는, CPU(14)가, 기억 수단(15)에 기억된 관계식(예를 들면, 식(1))을 참조하여, 전압 입력 수단(13)에서 A／D 변환된 열기전력 V 1으로부터, 박막 열전대 소자(20)의 측온용 접점(24)에 있어서의 온도 T를 산출한다(스텝 S2).
다음으로, CPU(14)가, 기억 수단(15)에 기억된, 온도 표시 장치(30)의 온도 산출 수단(33)에 있어서 입력되는 전압 신호와 표시 온도의 관계식(예를 들면, 식(2))을 참조하여, 박막 열전대 소자(20)의 측온용 접점(24)에 있어서의 온도 T(교정 온도)를 온도 표시 수단(32)에 표시시키는 것에 대응하는 교정 후 전압 V 1’를 산출한다(스텝 S3).
(교정 후 전압 출력 공정)
교정 후 전압 출력 공정(스텝 S4)에서는, 연산 공정에서 산출된 교정 후 전압 V 1’를 출력한다.
구체적으로는, CPU(14)는, 산출된 교정 후 전압 V 1’를 전압 인가 수단(16)에 있어서 아날로그 신호로 D／A 변환시켜서, D／A 변환된 교정 후 전압 V 1’를 한쌍의 출력 단자(17) 사이에 출력하고, 한쌍의 도선(18) 및 출력용 커넥터(19)를 매개로 온도 표시 장치(30)으로 출력시킨다.
교정 후 전압 출력 공정(스텝 S4)에서 교정 후 전압 V 1’를 출력한 후, 프로그램 처리가 종료한다.
도 5의 프로그램 처리는 박막 열전대 소자(20)을 사용하여 온도를 측정할 때 목적에 따라, 소정의 간격 및 횟수로 단속적으로 반복되는 것이어도, 소정 기간 연속해서 반복되는 것이어도 된다.
본 실시형태의 박막 열전대에서 발생하는 열기전력의 변환 방법에 의해, 박막 열전대 소자(20)에서 발생하는 열기전력 V 1이, 측온용 접점(24)에 있어서의 온도 T를 온도 표시 장치(30)의 온도 표시 수단(32)에 표시시키는 것에 대응하는 교정 후 전압 V 1’로 변환되어, 변환된 교정 후 전압 V 1’가 출력된다.
(C. 온도 표시 공정)
전술한 온도 측정 공정에 이어서, 교정 온도 T에 대응하는 교정 후 전압 V 1’에 기초하여 온도 표시 장치(30)에 교정 온도 T를 표시하는 온도 표시 공정(스텝 S30)이 행하여진다.
온도 표시 공정에서는 전술한 박막 열전대에서 발생하는 열기전력의 변환 방법에 의해 변환된 교정 후 전압 V 1’에 기초하여, 측온용 접점(24)에 있어서의 온도T(교정 온도)가 온도 표시 장치(30)의 온도 표시 수단(32)에 표시된다.
따라서, 온도 교정 장치를 사용한 온도 측정 방법에 의하면, 박막 열전대 소자(20)을 사용한 경우라도, 종래 범용되고 있는 온도 표시 장치(30)을 그대로 사용하여, 측온용 접점(24)에 있어서의 정확한 온도를 표시시키는 것이 가능해진다.
본 실시형태에서는, 주로 본 발명의 온도 교정 장치, 온도 교정 장치를 사용한 온도 계측 장치, 박막 열전대에서 발생하는 열기전력의 변환 방법, 및 온도 교정 장치를 사용한 온도 측정 방법에 대해서 설명하였다.
단, 상기 실시형태는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 일례에 불과하고, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 그 취지를 일탈하지 않고, 변경, 개량될 수 있는 동시에, 본 발명에는 그의 등가물이 포함되는 것은 물론이다.
＜변형예＞
전술한 실시형태에서는, 온도 교정 장치(10)의 한쌍의 도선(18)의 단부에 설치된 출력용 커넥터(19)를 온도 표시 장치(30)의 접속 수단(31)에 유선 접속하는 예를 나타내었는데, 온도 교정 장치(10)과 온도 표시 장치(30)의 접속은 유선 접속에 한정되는 것은 아니며, 무선 통신에 의한 접속이어도 된다.
예를 들면, 도 8에 나타내는 바와 같이, 한쌍의 출력 단자(17) 대신에, 온도 교정 장치(10')의 전압 인가 수단(16')에 무선 송신 수단(17')를 설치하여, 연산 수단(14)에서 연산된 교정 후 전압을 외부로 무선 송신 가능하게 한다.
한편, 도 9에 나타내는 바와 같이, 온도 표시 장치(30')는 무선 수신 수단(34)를 가지고 있어, 온도 교정 장치(10')의 무선 송신 수단(17')로부터 송신되는 교정 후 전압을 수신하도록 구성되어 있다.
여기서, 온도 표시 장치(30')의 무선 수신 수단(34)는, 온도 표시 장치(30')에 원래 구비되어 있는 기능을 이용하는 이외에도, 접속 수단(31)에 시판의 무선 수신기를 접속함으로써, 무선 수신 수단(34)로 하는 것도 가능하다.
이와 같이, 온도 교정 장치에 무선 송신 수단(17')를 설치한 경우, 도선(18) 및 출력용 커넥터(19) 등의 배선이 불필요해지기 때문에, 박막 열전대 소자의 사용이 보다 용이해지는 동시에, 적용 범위가 넓어져, 온도 표시 장치(30)으로부터 떨어진 장소의 온도의 계측도 가능해진다.
또한, 무선 송신 수단(17')를 탑재한 온도 교정 장치(10')와, 전압 신호를 온도로 변환하는 전용 어플리케이션을 인스톨한, 무선 수신 수단(34)를 갖는 온도 표시 장치(30')로서의 PC 등의 외부 장치를 조합해서 사용하는 것도 가능하다.
구체적으로는, 온도 교정 장치(10')의 무선 송신 수단(17')로부터 송신되는 교정 전압 신호를, 온도 표시 장치(30')로서의 외부 장치의 무선 수신 수단(34)가 수신하여, 전용 어플리케이션에 의해 데이터 처리를 행하고, 산출되는 온도를 온도 표시 장치(30')로서의 외부 장치의 표시 장치 상에 출력시키는 것도 가능하다.
전술한 실시형태에서는, 식(1)로 표시되는 관계식을 사용하여 박막 열전대 소자(20)에 발생하는 열기전력 V 1으로부터 박막 열전대의 측온용 접점(24)에 있어서의 온도 T를 교정 온도로서 산출하고, 식(2)로 표시되는 관계식을 사용하여 교정 온도 T를 온도 표시 수단(32)에 표시시키는 것에 대응하는 교정 후 전압 V 1’를 산출한 예를 나타내었는데, 열기전력 V 1으로부터 교정 후 전압 V 1’를 산출할 수 있는 관계식이라면, 사용하는 관계식은 상기 식(1) 및 식(2)에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 식(1)의 T를 식(2)에 대입하여 얻어지는, 아래 식(11)을 사용하여 박막 열전대 소자(20)에 발생하는 열기전력 V 1으로부터 교정 온도 T를 온도 표시 수단(32)에 표시시키는 것에 대응하는 교정 후 전압 V 1’를 산출하는 것도 가능하다.
Figure pct00014
여기서, 파라미터 a는 박막 열전대 소자에 있어서의 측온용 접점과 외부 접점 사이의 온도차와, 박막 열전대 소자에서 발생하는 열기전력의 관계로부터 구해지는 근사곡선에 의해 산출되는 구배 상수이고, 파라미터 T 0는 벌크의 열전대 소자를 사용하여 측정된 도전성 박막(22)의 외부 접점(25 및 26)에 있어서의 온도(온도 상수)이며, 파라미터 b는 벌크의 열전대 소자(20')에 있어서의 측온용 접점과 외부 접점 사이의 온도차와, 벌크의 열전대 소자에서 발생하는 열기전력의 관계로부터 구해지는 근사곡선에 의해 산출되는 상수이다.
전술한 실시형태에서는, 온도 교정 장치에 접속되는 박막 열전대 소자가 이종 금속으로 이루어지고, 일단 측의 측온용 접점에서 상호 접속하는 동시에, 타단에 한쌍의 외부 접점을 갖는 한쌍의 박막을 하나 구비한 예를 나타내었으나, 한쌍의 박막을 둘 이상(한쌍의 박막을 복수 쌍) 구비한 다점 측정용 박막 열전대 소자를 사용하는 것도 가능하다.
이 경우, 온도 교정 장치를 도전성 재료로 이루어지는 한쌍의 입력 단자를 둘 이상 구비하는 동시에, 도전성 재료로 이루어지는 한쌍의 출력 단자를 둘 이상 구비하는 구성으로 한다.
그리고, 복수 구비되어 있는 입력 단자 간 전압의 검출값을 각각 교정하여, 교정 후 전압을 연산하는 연산 수단과, 복수 구비되어 있는 출력 단자 사이에, 각각의 교정 후 전압을 출력하는 전압 인가 수단을 구비하고, 복수 구비되어 있는 입력 단자가 박막 열전대 소자에 복수 설치되어 있는 외부 접점에 각각 접속되어, 복수 구비되어 있는 출력 단자가 온도 표시 장치에 접속되었을 때, 교정 후 전압을 온도 표시 장치에 대해 출력한다.
이러한 구성으로 함으로써, 다점 측정용 박막 열전대 소자 및 온도 교정 장치를 하나의 벌크의 열전대 소자로 보고 사용할 수 있기 때문에, 온도 환산 등의 보정을 별도로 행할 필요가 없어, 기존의 일반적인 온도 표시 장치 등의 설비를 변경하지 않고 필름 형상의 다점 측정용 박막 열전대 소자를 사용할 수 있다.
실시예
아래에 본 발명의 온도 교정 장치를 사용하여 온도 측정을 행한 구체적 실시예에 대해서 설명하는데, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 온도 교정 장치(10)의 기억 수단(15)에, 연산 수단(14)가 각종 제어를 행하는 데 필요한 제어 프로그램, 각종 관계식 등의 정보를 사전에 기억시켰다.
기억 수단(15)에 기억시킨 관계식은 박막 열전대 소자(20)의 외부 접점(25)와 외부 접점(26) 사이에 발생하는 열기전력 V 1으로부터 측온용 접점(24)의 온도 T를 산출하는 관계식(T ＝a×V 1＋T 0　식(1))과, 온도 표시 장치(30)의 온도 산출 수단(33)에 있어서 입력되는 전압 V 1’와 표시 온도 T의 관계식(V 1’＝T ／b　식(2))이다.
여기서 식(1)의 파라미터 a, T 0는 고온 측에서 a＝31.581［℃／μV］, T 0＝25［℃］를 사용하고, 또한, 저온 측에서 a＝30.701［℃／μV］, T 0＝25［℃］를 사용하였다. 식(2)의 파라미터 b는 b＝24.497［℃／μV］을 사용하였다.
다음으로, 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 온도 교정 장치(10)을, 측온 소자로서의 박막 열전대 소자(20)과 온도 표시 장치(30) 사이에 접속하여, 온도 계측 장치(A)를 구성하였다.
구체적으로는, 온도 교정 장치(10)의 접속부(11)에 박막 열전대 소자(20)의 외부 접점(25 및 26)을 접속하고, 온도 교정 장치(10)의 출력용 커넥터(19)를 온도 표시 장치(30)의 접속 수단(31)에 접속함으로써, 온도 계측 장치(A)를 조립하였다.
여기서, 본 실시예에서는 박막 열전대 소자(20)의 재료 금속으로서, 크로멜－알루멜을 사용하고, 스퍼터링법에 의해, 폴리이미드 필름의 기판(21) 상에 박막 열전대를 형성하였다. 또한, 박막 열전대에 기판(21)과는 상이한 폴리이미드 필름을 접착하여, 그것을 보호막으로 하였다.
본 실시예에서는, 온도 표시 장치(30)으로서, 커넥터를 하나 접속 가능한 1 채널식의 접속 수단(31)과, 온도 표시 수단(32)와, 입력되는 전압을 대응하는 온도로 환산하는 온도 산출 수단(33)을 구비하는 일반적인 온도 표시 장치(K타입 열전대용 온도 계측 장치, Agilent사 제조, 34970A)를 사용하였다.
본 실시예에 있어서의 박막 열전대 소자(20)에 의해 온도를 측정했을 때의, 박막 열전대의 측온용 접점(24)와 외부 접점(25 및 26) 사이의 온도차와, 열기전력의 관계를 도 11에 나타낸다. 박막 열전대 소자(20)의 열기전력은 벌크의 열전대 소자(20')(K형 열전대 소자)의 열기전력과 비교하여 7할 정도의 크기였다. 또한, 도 11에는 온도 교정 후의 열기전력의 온도 의존성도 함께 플롯되어 있다.
온도 교정 장치(10)은 박막 열전대 소자(20)에서 발생하여, 한쌍의 입력 단자(12) 사이에서 검출되는 열기전력(전압)을, 전술한 식(1)을 사용하여, 사전에 평가하여 산출한 구배 상수 a로 상수배 증폭하고, 외부 접점(25 및 26)의 온도 T 0를 더함으로써, 측온용 접점(24)의 정확한 온도 T를 교정 온도로서 얻을 수 있다.
여기서, 열기전력이 양의 값인 경우와 음의 값인 경우에서 식(1)에 있어서의 a의 값이 약간 상이하기 때문에, a의 값도 열기전력의 부호에 따라 변경한 형태로 식(1)을 기억 수단(15)에 기억해 두는 것이 정확한 온도를 구하는 데 있어서 바람직하다.
일반적인 온도 표시 장치(30)과 박막 열전대 소자(20)을 본 발명의 온도 교정 장치(10)을 사용해서 접속하여, 온도 측정을 행한 결과를 도 12에 나타낸다.
도 12에 나타내는 바와 같이, 온도 표시 장치(30)의 온도 표시 수단(32)의 표시(온도 교정 장치 적용 후)는, 벌크의 열전대 소자(20')(벌크의 K형 열전대)를 사용한 경우의 온도 표시와 좋을 일치를 나타내었다.
A　온도 계측 장치
10，10'　온도 교정 장치
　11　접속부
　11a　케이스(덮개 측)
　11b　케이스(본체 측)
　11c　압착용 탄성체
　12　한쌍의 입력 단자
　12a，12b　입력 단자
　13　전압 입력 수단
　14　연산 수단(CPU)
　15　기억 수단
　16　전압 인가 수단
　17　출력 단자
　17'　 무선 송신 수단
　18　한쌍의 도선
　18a，18b　 도선
　19　출력용 커넥터
20　박막 열전대 소자
　21　기판
　22，23　도전성 박막
　24　측온용 접점
　25，26　 외부 접점
20'　벌크의 열전대 소자
　22'，23'　금속선
　24'　측온용 접점
　25'，26'　 외부 접점
30，30'　온도 표시 장치
　31　접속 수단
　32　온도 표시 수단
　33　온도 산출 수단
　34　무선 수신 수단

Claims (7)

  1. 이종 금속으로 이루어지고, 일단 측의 측온용 접점에서 상호 접속하는 동시에, 타단에 한쌍의 외부 접점을 갖는 한쌍의 박막을 하나 이상 구비한 박막 열전대 소자와,
    입력된 전압을 사용하여 온도를 산출하고, 산출된 온도를 표시하는 온도 표시 장치와,
    상기 박막 열전대 소자 및 상기 온도 표시 장치 사이에 접속된 온도 교정 장치를 구비하고,
    상기 온도 교정 장치는,
    도전성 재료로 이루어지고, 상기 한쌍의 외부 접점에 각각 접속된 한쌍 이상의 입력 단자와,
    상기 온도 표시 장치에 연결된 한쌍의 도선에 각각 접속된 도전성 재료로 이루어지는 한쌍 이상의 출력 단자와,
    상기 한쌍 이상의 입력 단자 간 전압의 검출값을 교정하여, 교정 후 전압을 연산하는 연산 수단과,
    상기 한쌍 이상의 출력 단자 사이에, 상기 교정 후 전압을 출력하는 전압 인가 수단을 구비하며,
    상기 온도 표시 장치는, 상기 한쌍 이상의 출력 단자 및 상기 한쌍의 도선을 매개로 입력된 상기 교정 후 전압을 사용하여 교정 온도를 산출하고, 산출된 교정 온도를 표시하는 것을 특징으로 하는 온도 계측 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한쌍의 도선에 접속된 출력용 커넥터를 갖고,
    그 출력용 커넥터의 수는 하나인 것을 특징으로 하는 온도 계측 장치.
  3. 이종 금속으로 이루어지고, 일단 측의 측온용 접점에서 상호 접속하는 동시에, 타단에 한쌍의 외부 접점을 갖는 한쌍의 박막을 하나 이상 구비한 박막 열전대 소자에 접속되는 온도 교정 장치로서,
    도전성 재료로 이루어지고, 상기 한쌍의 외부 접점에 각각 접속 가능한 한쌍 이상의 입력 단자와,
    입력된 전압을 사용하여 온도를 산출하고, 산출된 온도를 표시하는 온도 표시 장치에 연결된 상기 한쌍의 도선에, 각각 접속 가능하고, 도전성 재료로 이루어지는 한쌍 이상의 출력 단자와,
    상기 한쌍 이상의 입력 단자 간 전압의 검출값을 교정하여, 교정 후 전압을 연산하는 연산 수단과,
    상기 한쌍 이상의 출력 단자 사이에, 상기 교정 후 전압을 출력하는 전압 인가 수단을 구비하며,
    상기 한쌍 이상의 입력 단자가 상기 박막 열전대 소자의 상기 한쌍의 외부 접점에 접속되고, 상기 한쌍 이상의 출력 단자가 상기 온도 표시 장치에 접속되었을 때, 상기 교정 후 전압을 상기 온도 표시 장치에 대해 출력하는 것을 특징으로 하는 온도 교정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 한쌍의 도선에 접속된 출력용 커넥터를 갖고,
    그 출력용 커넥터의 수는 하나인 것을 특징으로 하는 온도 교정 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 연산 수단은,
    상기 한쌍의 입력 단자 간 전압의 검출값을 V 1으로 했을 때, 사전에 설정된 온도 상수 T 0 및 구배 상수 a를 사용하여, 식(1)에 의해, 상기 교정 온도 T를 산출하고,
    Figure pct00015

    그 교정 온도 T 및 사전에 설정된 상수 b를 사용하여, 식(2)에 의해, 상기 교정 후 전압 V 1’를 산출하는 것을 특징으로 하는 온도 교정 장치.
    Figure pct00016

    (단, 파라미터 a는 박막 열전대 소자에 있어서의 측온용 접점과 외부 접점 사이의 온도차와, 박막 열전대 소자에서 발생하는 열기전력의 관계로부터 구해지는 근사곡선에 의해 산출되는 값이고, 파라미터 T 0는 박막 열전대 소자의 외부 접점에 있어서의 온도이며, 파라미터 b는 벌크의 열전대 소자에 있어서의 측온용 접점과 외부 접점 사이의 온도차와, 벌크의 열전대 소자에서 발생하는 열기전력의 관계로부터 구해지는 근사곡선에 의해 산출되는 상수이다.)
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 한쌍 이상의 출력 단자 대신에, 상기 교정 후 전압을 상기 온도 표시 장치에 무선 송신하기 위한 무선 송신 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 교정 장치.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 한쌍의 외부 접점을 상기 한쌍 이상의 입력 단자에 착탈 가능하게 접속하는 접속부를 갖는 것을 특징으로 하는 온도 교정 장치.
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