JPH0629796B2

JPH0629796B2 - 流体抵抗式温度測定装置

Info

Publication number: JPH0629796B2
Application number: JP30992686A
Authority: JP
Inventors: 弘二村上; 和也樋下田
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 1986-12-27
Filing date: 1986-12-27
Publication date: 1994-04-20
Anticipated expiration: 2009-04-20
Also published as: JPS63167230A

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測定する流体抵抗式温度測
定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測定に
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測
定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測定装置
が開発されている。この流体抵抗式温度測定装置は、気
体の粘度係数の温度依存性を利用したもので、例えば、
第１１図に示すような内部に絞り部である毛細管２を有
するプローブ１を温度センサーとし、このプローブ１に
第１２図あるいは第１３図の矢印a,bのように作動流体
(例えばArガス)を流し、気体(作動流体)が毛細管２を通過
する際の圧力損失の変化から温度を求めようというもの
である。

この流体抵抗式温度測定装置は、具体的には第１４図の
ように構成される。本温度測定装置は、Arガスのような
作動流体の、作動流体供給源３１より、圧力制御装置３
２を介して圧力一定で感度調整弁３３および供給弁３４
に供給し、被測定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ΔＰをトリム弁３５の圧力
損失との差すなわち、トリム弁３５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３６により増
幅し、圧力センサー３７によって電気信号に交換して出
力するものである。

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３３,供給弁３４、ある
いはトリム弁３５における圧力損失のわずかな変動が、
流体素子３６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３３,３４,３５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
なわちプローブ１による測定温度変化として認識される
ので、本方式の測定装置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、前記流体抵抗式温度計において、感温センサーで
あるプローブ１にクラックが発生したり、あるいは穴が
あいたりといった破損が生じると、第１５図に示すよう
に作動流体が漏れたり(矢印c,b)あるいは雰囲気がプロ
ーブ１内に侵入したり(矢印e)するために、圧力センサ
ー３７から出力される信号は、被測定温度に正しく対応
しない状態で出力され続ける。

流体抵抗式温度測定装置のプローブの破損は、熱電対で
いえば断線に相当する。しかし、熱電対が断線した場合
には信号が出力されなくなるのに対し、流体抵抗式温度
測定装置においては、上記のように誤った信号を出し続
ける。そのため、プローブ１の破損を検知することが難
しく、例えば、流体抵抗式温度測定装置により、温度を
測定して温度制御をする場合、設定値とは異なった値に
制御されてしまう。これが流体抵抗式温度測定装置の重
大な欠点である。

その上、プローブの外筒の破損の際は、被測定雰囲気を
作動流体で汚染したり(第１５図矢印d)、あるいは被測定
雰囲気の圧力および成分比率等を変化させたり(第１５
図矢印dおよびe)する欠点も有していた。

然るに従来の流体抵抗式温度測定装置には、こうした大
きな影響を及ぼすプローブの破損を検知する手段は講じ
ていなかった。この点が流体抵抗式温度測定装置の実用
化の最大の障害であった。

（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、
その目的は環境温度,作動流体温度の変化に影響を受け
ることなく、高温測定を可能とし、かつプローブの破損
検知により誤測定防止を可能とした流体抵抗式温度測定
装置を提供することにある。

（発明の構成）前記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プロ
ーブと、このプローブに接続し、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、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、前記プローブ
の破損を検知するプローブ破損検知手段とから形成し
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、本発明に係る流体抵抗式温度測定装置を示
し、感温センサーであるプローブ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
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、一例として炉壁７に取付け、炉内温度を測定するよ
うにしてある。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からの作動
流体供給管１を接続するとともに、供給管１０には減圧
弁１１、圧力制御装置１２および質量流量制御装置１３
が直列に設けてある。

この質量流量制御装置１３は第２図に示すように時々刻
々と供給されて来る作動流体の質量流量を質量流量計１
４により検出し、バルブ開度調整器１５にて設定質量流
量値との比較を行い、その結果に基いてバルブ１６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。

また、作動流体供給流路５の入口部１７と、作動流体排
出流路３の出口部１８とに圧力検出管19を設けるととも
に、この両圧力検出管１９を差圧計２０に接続すること
により、プローブ１内の毛細管２における圧力損失ΔＰ
を直接検出するようにしてある。さらに、差圧計２０に
は、該差圧計の出力信号に基き温度を演算する温度演算
手段２１とプローブ破損検知手段２３aとが接続してあ
り、温度演算手段２１には温度表示器２２が接続してあ
る。そして、温度演算手段２１により、以下に詳述する
圧力と温度の関係に基いて圧力損失ΔＰを温度に換算
し、温度表示器２２にて測定温度すなわち炉内温度を表
示させている。

一方、プローブ破損検知手段２３aとは、微分回路２
４、比較演算処理回路２５aおよび警報手段２６をこの
順序で接続したもので、差圧計２０には微分回路２４が
接続してある。そして、微分回路２４により差圧計２０
からの圧力損失ΔＰの信号を時間微分して、圧力損失Δ
Ｐの変動速度を算出し、比較演算処理回路２５aによ
り、この変動速度を設定基準変動速度と比較させ、圧力
損失ΔＰの変動速度に異常があれば異常信号を出させ
て、警報手段２６により警報を発するようにしてある。

次に、前記構成からなる装置による温度測定方法につい
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１２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、一定の質量流量Ｑでプローブ１の
作動流体供給流路５に供給される。

質量流量Ｑ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１８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２０によ
り直接検出して、この検出値に基いて温度演算手段２１
にて温度を演算する。

そこで、この圧力損失ΔＰからプローブ１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１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１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、l,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。

一般的には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)式の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を測定すれば炉
内温度Ｔを知ることができる。多くの場合、l,dの温度
依存性(すなわち、プローブ１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
そこに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。

次に、プローブ１の具体例として、第１図に示すように
毛細管２の内径dが０．７６mm(at０℃)、長さlが１３mm
(at０℃)でタングステン(熱膨張率２０×１０^-6／℃)製
のものを用い、作動流体をＡrガスとした場合につて考
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３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３図から毛細管２を流れる質量流量Ｑが大きく
なるほど、圧力損失ΔＰ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、質量流量Ｑが大きいほど温度計の測定精度あるいは
温度分解能を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１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り、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１７
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１先端部、あるいはプローブ１
の作動流体の入口部１７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
の範囲で測定温度範囲と差圧計２０のレンジ、測定分解
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。

また、本温度測定装置によれば、高温部にさらされるの
はプローブ１の先端のみである。測定原理からすれと、
プローブ１の材質は測定精度に影響がないので、測定温
度範囲に耐え得る材質であればよい。この点が、例えば
測定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。

次に、プローブ破損検知手段２３aの動作原理を前記実
施例の場合を例にとり説明する。

前述したように、この場合には作動流体は外筒６から内
筒４内への方向に流れている。また、炉内圧力はプロー
ブ１内の圧力よりも高いものとする。

第１図に示したプローブ１に、第４図に示すような破損
２７が生じた場合を考える。プローブ内圧力Ｐ₁よりも
炉内圧力Ｐ₀の方が高いため、炉内雰囲気の気体は矢印f
のようにプローブ１内に流れ込み、作動流体とともに毛
細管２を通過する。そのため、差圧計２０で測定圧力損
失値ΔＰはプローブ１の破損と同時に瞬間的に高くな
り、その時の、差圧計２０での測定圧力損失値ΔＰの測定圧
力損失変化速度は炉内温度の変動に対応した圧力損失変化速度により大
である。すなわち、仮に炉内温度がＴ₁からＴ₂に瞬間的
に変動したとしても、プローブ１の毛細管２において生
じる圧力損失値ΔＰ₁₂の検出は、プローブ１の外筒外表面が温度Ｔ₁から温度Ｔ₂となる
のに要する時間：t₁ プローブ１の外筒内表面が温度Ｔ₂となるのに要する
時間：t₂ 作動流体が温度Ｔ₂なるのに要する時間：t₃ からなる時間遅れが生じる。ところで、前記の時間遅
れt₁は、雰囲気の成分,圧力,流動情況等に、また前記
の時間遅れt₃は、作動流体の圧力,流動状況等により大
きく影響されるもので現実的には予測あるいは把握する
ことは困難であるが、前記の時間遅れt₂は、プローブ
１の温度伝導率αおよび肉厚lが既知であることによ
り、ほぼ下記(4)式で予測することができる。

t₂＝l／１６α ……(4) したがって、前記圧力損失値ΔＰ₁₂の圧力損失変化速度は、炉内温度Ｔ₁に対応する圧力損失値をΔＰ₁、炉内温
度Ｔ₂に対応する圧力損失値をΔＰ₂とすれば、下記(5)
式で表わすことができる。

そして、前記(5)式は、プローブ１の破損がなければ、
差圧計２０での測定圧力損失変化速度は少なくとも以上の速度を呈しないことを意味するものである。

一方、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をΔＰmax,下限温度Ｔmin
に対応する圧力損失値をΔＰminとすれば、本測定装置
の圧力損失変化速度は、下記(6)式で表わすことができる。

そこで、設定基準変化速度を前記(6)式に基き、として、差圧計２０の出力信号を微分回路２４により時
間微分し、測定圧力損失変化速度を求め、この測定圧力損失変化速度と前記設定基準変化
速度とを比較演算処理回路２５aにて比較し、その結
果、測定圧力損失変化化速度が設定基準変化速度より大きい場合、プローブ１の破損と判断して異常信号
を出し、警報手段により警報を発する。次に、前述した
例とは逆に第５図に示すように、炉内圧力Ｐ₀がプロー
ブ１内の圧力Ｐ₁よりも低い場合について説明する。こ
の場合プローブ１に破損２７が生じると同時に、プロー
ブ１内に流れる作動流体の一部は、矢印gで示すように
炉内に流れ出す。このため、差圧計２０での測定圧力損
失値ΔＰはプローブ１の破損と同時に急激に低下し、そ
の時の測定圧力損失変化速度は、前述のように設定基準変化速度より大である。

そこで、前述の場合と同様に微分回路２４により差圧計
２０の出力信号を時間微分して測定圧力損失変化圧力変
動速度を求め、比較演算処理回路２５aにて測定圧力損失変化
速度と設定基準変化速度とを比較し、より大きい場合、プローブ１の破損と判断して異常信号
を出力し、警報手段２６により警報を発する。

したがって、次式が成立する場合には警報が発せられる。

なお、前記実施例では差圧計20に微分回路24を接続した
ものを示したが、第６図に示すように温度演算手段２１
に微分回路２４を接続したプローブ破損検知手段２３b
を備えたものであってもよい。そして、この場合にも測
定圧力損失値ΔＰを温度演算手段２１により温度に変換
した後、この温度信号を微分回路２４に入力し、測定圧
力損失値ΔＰの変化速度に代りに演算温度の変化速度を
算出し、比較演算処理回路２５aでこの演算温度の変化
速度を基準変化速度(演算温度変化速度)と比較すること
によりプローブ破損を検知することができる。

なお、設定基準変化速度は前述のように本測定装置に基
くものに限らず、例えば処理材のヒートカーブに対応し
た圧力損失変化速度あるいは温度変化速度あるいは温度
変化速度など、適宜選定できるものである。

第７図は、以上のようにしてプローブ１の破損を検知し
た際に、自動的に測定を停止させるようにした装置を示
し、第１図に示す装置に加えて、プローブ１の作動流体
供給側と排出側のガス流路に電磁弁２８,２９を設けた
ものである。そして、比較演算処理回路２５aにより、
プローブ１の破損を検知すると、通常は開の状態にある
電磁弁２８,２９を閉とし、作動流体の炉内雰囲気への
流出および炉内雰囲気の炉外への流出を防ぐように形成
してある。

さらに、比較演算処理回路２５aより出力される信号は
電気信号であるから、この信号を電磁弁２８,２９以外
にも入力することができ、例えば炉のヒータの電源の制
御部に入力して、プローブ１の破損時には電磁弁２８,
２９を閉にするとともに、炉のヒータの電源を切る等の
応用が可能である。

なお、前記実施例ではいずれもプローブ１での圧力損失
値ΔＰからプローブ１の破損を検知するようにした装置
について示したが、本発明はこれに限るものではなく、
作動流体の質量流量の変化からプローブ１の破損の検知
するものも含むものである。

具体的には、第８図に示すように、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３
０を設けるとともに、この質量流量計３０および前記質
量流量制御装置１３の質量流量計１４に比較演算処理回
路２５bを接続して形成したプローブ破損検知手段２３c
を備えたものであり、互いに対応する部分には同一番号
が付してある。そして、プローブ１の作動流体供給側、
排出側の作動流体の質量流量、すなわち質量流量計１
４,３０からの流量信号を比較演算処理回路２５bにより
比較して、プローブ１の破損を検出するようにしたもの
である。すなわち、プローブ１が正常であるば両信号は
一致するに対して、破損すれば両信号は異なるはずであ
る。そこで、比較演算処理回路２５bにより不一致が検
知された場合には異常信号を出力し、警報手段２６によ
り警報を発してプローブ１の破損を周囲に知らせるよう
になっている。

第９図は、前記第７図に対応するもので、第８図の装置
に、さらにプローブ１の作動流体供給側,排出側のガス
流路に電磁弁２８,２９を設けて、プローブ１の破損を
検知した際には電磁弁２８,２９を閉にするようにした
ものである。

さらに、本発明は前記の圧力損失値ΔＰの変動速度ある
いは温度の変動速度の変化からプローブ１の破損を検知
する構成部分と、質量流量の不一致からプローブ１の破
損を検知する構成部分の両者を併有するものでもよく、
第１０図はその一例でプローブ破損検知手段２３aとプ
ローブ破損検知手段２３cとを合せた構成からなるプロ
ーブ破損検出手段２３dを備えたものである。

なお、前記実施例はいずれも、プローブ１内の作動流体
が外筒６から内筒４内への方向に流れる場合に限って示
したが、本発明は第１２図に示すように内筒４からの外
筒６への方向に作動流体を流すようにしたものも含み、
この場合にも前記同様にしてプローブ１の破損を、圧力
異常または質量流量異常のいずれかがあれば検知される
ので、説明を省略する。

（発明の効果）以上の説明より明らかなように、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プ
ローブと、このプローブに接続し、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、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、前記プロー
ブの破損を検知するプローブ破損検知手段とから形成し
てある。

このため、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、高温(１５００〜３０００℃)で
も信頼性の高い温度測定ができる。

また、プローブが破損した場合には、それを検知するこ
とができるので、誤測定を防止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図は本発明に係る流体抵抗式温度測定装置のブロッ
ク図、第２図は第１図の質量流量制御装置の詳細図、第
３図は作動流体をＡrガスとし、かつ第１１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４図,第５図はプローブ破損時の状態を示す部分
拡大図、第６図〜第１０図は本発明の他の実施例を示す
ブロック図、第１１図〜第１３図はプローブおよび作動
流体の流動状態を示す部分断面図、第１４図は従来の流
体抵抗式温度測定装置のブロック図、第１５図はプロー
ブの破損状態を示す部分拡大断面図である。１……プローブ、２……毛細管、３……作動流体排出流
路、４……内筒、５……作動流体供給流路、６……外
筒、１２……圧力制御装置、１３……質量流量制御装
置、１９……圧力検出管、２０……差圧計、２１……温
度演算手段、２３a,２３b,２３c,２３d……プローブ破
損検知手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【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プローブと、このプローブに接
続し、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、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、前記プローブの破損を検知するプローブ
破損検知手段とからなることを特徴とする流体抵抗式温
度測定装置。
【請求項２】前記プローブ破損検知手段が、差圧計から
の出力信号の変動速度を算出する手段と、この算出した
変動速度を設定基準変化速度と比較して正常か否かを判
定する手段とを備えたもの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測定装置。
【請求項３】前記プローブ破損検知手段が、プロープに
供給する作動流体の質量流量とプローブから排出される
作動流体の質量流量とを比較して正常か否かを判定する
手段を備えたもの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
度測定装置。