JPH0629797B2 - 流体抵抗式温度計による多点温度計測装置 - 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
による多点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１０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１１より圧力制御装
置３１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１内の毛細管２の圧力損失Δ
Ｐをトリム弁３２の２次側と毛細管２の２次側との圧力
差ΔＰcとして、流体素子３３により増幅し、圧力セン
サー３４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ストンブ
リッジであり、感度調整弁３５、供給弁３６、あるいは
トリム弁３２における圧力損失のわずかな変動が、流体
素子３３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
３２,３５,３６における圧力損失に変動を与え、見かけ
上プローブ１の毛細管２の圧力損失ΔＰの変動、すなわ
ちプローウ１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。

また、炉内温度を制御する場合等においては、炉内の複
数箇所で同時計測するのが、通常である。したがって、
第１０図に示す流体抵抗式温度計測装置３０を多点温度
計測装置として使用する場合、その構成は第１１図に示
すように、複数台の流体抵抗式温度計測装置３０(第１
０図)の作動流体供給源１１と圧力制御装置３１を共用
して並列に多数接続することが考えられるが、このよう
に構成することにより、前記の欠点とは別の新たな、い
くつかの問題が生じる。

まず、第１の問題は、環境温度が各プローブ上流側にあ
る供給弁３６、感度調整弁３５および基準圧力損失を生
じるトリム弁３２の設置位置により異なるため、この環
境温度の影響の受け方は各計測点により異なる、すなわ
ち各計測点により温度計測誤差が異なることになり補正
が事実上不可能であるということである。

第２の問題は、作動流体供給源１１、圧力制御装置３１
を共用するために作動流体が各プローブ１に到達するま
での配管が長くなるので、作動流体が配管途中で環境温
度の影響による圧力変動を生じて、各プローブに圧力一
定作動流体を供給できないということである。すなわ
ち、この現象によって温度計測誤差が大きくなってしま
う。

第３の問題は、第１２図のように、各温度センサーユニ
ットに供給される直前に補正用圧力制御装置３１aを設
けることによって、配管途中における圧力変動を抑制し
て、各プローブに圧力一定で作動流体を供給することは
可能であるが、ユニット直前に設置されている前記補正
用圧力制御装置３１aの１次側における圧力変動が大き
いため、前記装置３１aにより十分な圧力制御はできな
いので第１２図に示すような装置構成においても温度計
測誤差は大きくなってしまうのに加えて、圧力制御装置
を計測点数分だけ必要とするのでコストアップの要因と
なるということである。

第４の問題は、第１１図,第１２図に示すような、多点
温度計測装置では、作動流体供給源１１以後に温度セン
サーユニットが並列に多数接続されるので、各ユニット
毎に作動流体を圧力一定で供給する必要があり、計測点
が増える分だけ消費量も比例的に多くなるということで
ある。

（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、
その目的は効率よく作動流体を用いて、かつ良好な精度
で、複数箇所の温度部における連続温度計測を可能とす
る流体抵抗式温度計による多点温度計測装置を提供する
ことにある。

（発明の構成） 前記の目的を達成するために、本発明は、一端を封じた
外筒内に、絞り部を先端に有する内筒を挿入してなる複
数個のプローブと、これらのプローブを直列に接続する
とともに、第１段目のプローブに接続し、順次圧力制御
装置および質量流量制御装置を備えた作動流体供給管
と、各プローブ毎に設けられ、前記絞り部での圧力損失
を検出する差圧計と、この差圧計からの信号に基き温度
を算出する温度演算手段とから形成した。

（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、本発明の第１実施例に係る流体抵抗式温度計
による多点温度計測装置を示し、本実施例では感温セン
サーであるプローブ１を５本備えている。そして、第２
図に示すようにこのプローブ１は内部に絞り部の一形態
である毛細管２および、作動流体を毛細管２に導くため
の作動流体供給流路３を形成する内筒４と、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５を形成する外筒６とから構成され、一
例として炉壁７を貫通して炉内に突出し、炉内温度を計
測するようにしてある。また、各プローブ１は、低段側
のプローブ１の外筒６の出口部である作動流体排出口８
が、これに隣接する高段側のプローブ１の内筒４の入口
部である作動流体供給口９に続くように直列に接続する
とともに、第１段目のプローブ１の作動流体供給口９に
は作動流体供給管１０が接続してある。すなわち、作動
流体供給源１１から減圧弁１２、圧力制御弁１３および
質量流量制御装置１４を介して前記作動流体供給管１０
により第１段目のプローブ１の内筒４に質量流量一定の
作動流体を供給できるようにしてある。

さらに、各プローブ１内の毛細管２における圧力損失Δ
Ｐを直接検出するために、各プローブ１の作動流体供給
口９と、作動流体排出口８の部分に、圧力検出管１５を
設けて、これを差圧計１６に接続するとともに、各差圧
計１６から圧力信号は温度演算手段１７に接続してあ
る。

次に、前記構成からなる装置による温度計測について説
明する。

まず作動流体供給源１１から作動流体、例えばＡrガス
を供給する。供給された作動流体は減圧弁１２、圧力制
御弁１３により、所定の圧力まで減圧されると同時に、
その圧力を一定に保つように制御され、この状態で質量
流量制御装置１４によって、一定質量流量Ｑで、第１段
目のプローブ１の作動流体供給口９に供給される。

質量流量Ｑ一定で前記作動流体供給口９に供給された作
動流体は毛細管２を経てプローブ１の作動流体排出口８
から排出される。

この際、前記毛細管２において圧力損失ΔＰ_１を生じる
ので、この圧力損失ΔＰ_１を差圧計１６により検出し
て、この検出値に基いて温度演算手段１７にてプローブ
１が設けられている場所の雰囲気温度Ｔ₁を演算する。

そして、プローブ１−１の作動流体排出口８から排出さ
れた作動流体は、第２段目のプローブ１−２の作動流体
供給口９に供給され、プローブ１−２の毛細管２を経て
プローブ１−２の作動流体排出口８から排出される。

この際も、プローブ１−２の毛細管２で、圧力損失ΔＰ
_２を生じ、この圧力損失ΔＰ_２からプローブ１−１と同
様にプローブ１−２に設けられている場所の雰囲気温度
Ｔ_２を求める。

以降、最終段のプローブ１すなわち実施例においては、
第５段目のプローブ１−５の毛細管２を通過するまで繰
り返される。

また、各プローブ１を通過してきた作動流体は、最終的
には、第５段目のプローブ１−５の作動流体排出口８よ
り大気へ排出される。

ところで、各プローブ１−１〜１−５の毛細管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),(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ν
(Ｔ)は、ν(Ｔ)＝μ(Ｔ)／ρ(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、各毛細管２で生じる圧力損失ΔＰを測定すれば、
炉内温度Ｔを知ることができる。

前述のように、本装置構成によるば毛細管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任意のプローブに入
る以前の温度、圧力履歴、プローブの材料、材質、形
状、材質環境温度、大気圧等の影響を一切受けない。

すなわち、以前に複数のプローブを通過していようと
も、次のプローブを通過する時点においてその影響は一
切受けず、正確に温度計測することが可能であり、計測
に必要の箇所にプローブ１を設置すれば、プローブ本数
分だけの温度計測が連続的に行われることになる。

第３図は本発明の第２実施例に係る多点温度計側装置を
示し、被計測物の温度計測場所等の都合にあわせた任意
の形状を有するプローブ1,すなわち異剤質、異形状のプ
ローブ１(図中(a),(b),(c)を併記して異種のものを区別
してある。)および毛細管２(図中(x),(y)を併記して異
種のものを区別してある。)を直列に接続して各計測点
の温度計測をするもので、この場合、前記プローブ１
(a),１(b),１(c)の諸特性を予め把握しておくことによ
り、前述と同様にそれらの毛細管２(x),２(y)で生じた
各圧力損失に基き温度演算手段１７により算出し、温度
計測することができる。

第４図は、本発明の第３実施例に係る多点温度計測装置
を示し、最終段のプローブ１−５の作動流体排出口８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１８を接続したものである。

また、第５図は本発明の第４実施例に係る多点温度計測
装置を示し、抵抗手段１８として、排出する作動流体を
一旦貯めておくアキュムレータ１９を設けたものであ
る。

第３,４実施例は、いずれも本装置の設置場所の環境圧
力すなわち大気圧の変動が激しい場合でも、本装置の出
力にハンチングが生じにくいようにしたものである。こ
のハンチング防止策に関しては、第３,４実施例のよう
に、物理的に抑制する以外に、差圧計１６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
除くようにしたものであってもよい。

また、第６図は本発明の第５実施例に係る多点温度計測
装置を示し、第１実施例の質量流量制御装置１４以後の
作動流体供給配管に三方切換弁２０,開閉弁２１,２２、
およびバイパス配管２３を設けたものである。

例えば、第６図の装置構成によれば多点温度計測中に第
２段目のプローブ１−２が破損または第２段目のプロー
ブ１−２だけ、故意的に使用中止した場合でも、その他
のプローブ１−１,１−３,１−４,１−５に何ら影響を
及ぼさずに温度計測が続行できることになる。

すなわち、弁２１−１,２２−１,２１−３,２２−３,２
１−４,２２−４,２１−５を開、弁２１−２,２２−２
を閉とするとともに、三方切換弁２０−１のＡ−Ｂポー
ト、２０−２のＢ−Ｃポート、２０−３のＡ−Ｂポート
をそれぞれ開、三方切換弁２０−４,２０−５を閉とす
ることにより、質量流量一定で供給される作動流体は、
順次プローブ１−１,１−３,１−４,１−５に流れてい
くことになる。ゆえに、第５実施例のような装置構成に
しておけば破損したプローブ、または計測の必要のない
場所のプローブがある場合でも、その他のプローブはそ
の影響を何ら受けることなく連続的に、温度計測を続行
することができる。

なお、第３図〜第６図は、前述した部分を除き、他は第
１図と実質的に同一であり、互いに対応する部分につい
ては同一番号を付して説明を省略する。

さらに、本発明は、第７図に示すようにプロープ１の破
損を検知するためのプローブ破損検知手段２４aを備え
たものであってもよい。この破損検知手段２４aは、直
列に接続した微分回路２５,比較演算処理回路２６a,警
報手段２７からなり、このうちの微分回路２５を差圧計
１６に接続し、差圧計１６での測定圧力損失値ΔＰの変
化速度からプローブ１の破損を検知するようにしたもの
である。すなわち、プローブ１に破損部２８が生じる
と、プローブ１内(図中、実践矢印で示す。)あるいはプ
ローブ１外(図中、実践矢印で示す。)へのガス流が起
き、差圧計１６での測定圧力損失値ΔＰ急激に変動す
る。この測定圧力損失値ΔＰの変化速度は、炉内温度の
変動に対応した測定圧力損失値に比べて極めて速い。

そこで、微分回路２５により圧力損失ΔＰの信号を時間
微分して、圧力損失ΔＰの変化速度(dΔＰ／dt)を出
し、これを比較演算処理回路２６aにより、設定基準変
動速度と比較し、圧力損失ΔＰの変動速度の方が大きい
場合には、異常信号を出させて、警報手段２７により警
報を発するようにしてある。これを数式で表わせば、 ただし、 ΔＰmax：流体抵抗式温度測定装置の温度測定範囲の上
限温度Ｔmaxに対応する圧力損失値 ΔＰmin：流体抵抗式温度測定装置の温度測定範囲の下
限温度Ｔminに対応する圧力損失値 ｔ_２：炉内温度がＴmaxからＴminに瞬間的に変動した場
合、作動流体の温度がＴminとなるのに要する時間 の(1)式が成立すれば、プローブ１の破損が生じたとし
て警報が発せられる。

なお、このプローブ破損検知手段２４aは差圧計１６の
圧力損失変動速度の変化から破損を検知するものである
が、この他に演算器１７で求められた演算温度の変動速
度 を算出し、これを流体抵抗式温度測定装置の温度制御範
囲の上限温度Ｔmaxと下限温度Ｔmin間の変化速度 と比較することによってプローブ１の破損を検知するよ
うにしてもよい。すなわち、 の２式が成立すればプローブ１の破損として警報を発す
る。

また、第８図は作動流体の質量流量の変化からプローブ
１の破損を検知するようにしたものであり、プローブ１
の作動流体排出側の作動流体の質量流量を測定する質量
流量計２９および比較演算処理回路２６b,警報手段２７
とからなっている。そして、両質量流量計１４,２９か
らの信号に基いて比較演算処理回路２６bにて、プロー
ブ１に供給される作動流体と、プローブ１から排出され
る作動流体の質量流量を比較して、両者が不一致の場合
には、異常信号を出させ、警報手段２７により警報を発
するようにしてある。

以上、第７図および第８図に示すプローブ破損検出手段
２４a,２４bのいずれにおいても、プローブ１の破損を
検知した場合には、比較演算処理回路２６a,２６bから
の信号により前記の第６図に示す開閉弁２１,２２およ
び三方切換弁２０を作動させるものである。

さらに、本発明は前記のものに限らず、各種のプーロー
ブ破損検知手段のうちの複数のものを合わせたものでよ
く、一例として第９図は第７図および第８図に示すプロ
ーブ破損検知手段２４a,２４bを合わせ、かつ異常時に
は異常プローブに作動流体が流れないように、三方切換
弁２０および弁２１,２２を作動するようにしたプロー
ブ破損検知手段２４cを備えたものである。

また、前記実施例でいずれも内筒４から外筒６への方向
へ作動流体を流すようにしたものを示したが(ただし、
第７図〜第９図は流れ方向が逆のものを示してある。)
本発明はこれに限るものでなく、外筒６から内筒４への
方向に作動流体を流すよにしたものも含み、この場合に
も前記同様に温度計測ができる。

いうまでもなく、この逆に流す場合は、作動流体供給側
の管には内筒４を、排出側の管には外筒６を接続するこ
とになる。

（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、一端
を封じた外筒内に、絞り部を先端に有する内筒を挿入し
てなる複数個のプローブと、これらのプローブを直列に
接続するとともに、第１段目のプローブに接続し、順次
圧力制御装置および質量流量制御装置を備えた作動流体
供給管と、各プローブ毎に設けられ、前記絞り部での圧
力損失を検出する差圧計と、この差圧計からの信号を温
度に変換する温度交換手段とから形成してある。

このため、プローブに供給される作動流体は常に質量流
量一定で流れることになり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、良好な精度で、
かつ効率よく作動流体を用いて、複数箇所の高温部にお
ける連続計測を行うことができるという効果を奏する。

【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に
よる多点温度計測装置のブロック図、第２図はプローブ
の部分拡大断面図、第３図,第４図,第５図,第６図は本
発明の第２,第３,第４,第５実施例に係る流体抵抗式温
度計による多点温度計測装置のブロック図、第７図,第
８図,第９図は本発明に適用されるプローブ破損検知手
段の部分ブロック図、第１０図は従来の流体抵抗式温度
計測装置のブロック図、第１１図,第１２図は従来の流
体抵抗式温度計による多点温度計測装置のブロック図で
ある。 1a,1b,1c……プローブ、２……毛細管、４……内筒、６
……外筒、１０……作動流体供給管、１３……圧力制御
弁、１４……質量流量制御装置、１５……圧力検出管、
１６……差圧計、１７……温度演算手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端を封じた外筒内に、絞り部を先端に有
   する内筒を挿入してなる複数個のプローブと、これらの
   プローブを直列に接続するとともに、第１段目のプロー
   ブに接続し、順次圧力制御装置および質量流量制御装置
   を備えた作動流体供給管と、各プローブ毎に設けられ、
   前記絞り部での圧力損失を検出する差圧計と、この差圧
   計からの信号に基き温度を算出する温度演算手段とから
   なること特徴とする流体抵抗式温度計による多点温度計
   測装置。