JPH08334482A - 温度制限回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温実験設備の低コスト化を図り、且つ高い
安全性を確保するための温度制限回路を提供することを
目的としている。 【構成】 試料カートリッジ４に耐用温度の高い材料
（タンタル材）を用いた場合には、試料カートリッジ４
に取り付けられたプラグの電極間をジャンパ線で接続
し、プラグをレセプターに嵌入すると、ジャンパ線を介
してリレー１１に電流が流れてリレーＳＷ１２がオンと
なってオペアンプ１０の増幅度が小さくなり、従ってオ
ペアンプ１０の出力値が基準電圧Ｅを上回るための温度
センサ２の出力信号Ｖtが大きくなるために、電気炉１
内の制限温度が高くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高温実験を行うため
の電気炉の温度上昇を制限するための温度制限回路に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、特殊環境下における化学、物理あ
るいは生物等各種の実験が、各方面において行われるよ
うになった。これは、通常環境下では生成し得ない素材
の開発や、通常環境下では証明し得ない理論や法則の実
証を目的としていることは言うまでもない。

【０００３】その中でも、長期間の無重量実験等にあっ
ては地上での実現が困難であり、宇宙実験に頼らざるを
得なかった。ただしこのように宇宙実験に供する場合、
実験要員（作業員）は、特殊な環境に適合するための訓
練を受けた者でなければならない。このため宇宙実験用
設備は、高度な専門的知識を有していない者でも容易に
実験が遂行でき、且つ高い安全性が確保できるものでな
ければならない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の要
件を満足するために、例えば高温試験用電気炉は、各実
験毎に温度設定をし直す必要が生じないように、実験種
類毎に電気炉を用意し、予め温度設定を完了して、実験
に供していた。また、実験に供する試料カートリッジ等
には、高温に耐え得るようにタンタル材が用いられてい
るため極めて高価であった。本発明は、上述のような背
景の下になされたもので、高温実験設備の低コスト化を
図り、且つ高い安全性を確保するための温度制限回路を
提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１に記載の発明にあっては、試料カート
リッジが取り付けられ、温度センサとヒータとを有する
電気炉の温度上昇を制限する温度制限回路において、前
記温度センサの出力信号を増幅する増幅手段と、複数の
抵抗器から構成され前記増幅手段の増幅度を決定する負
帰還回路と、前記複数の抵抗器の内１つ、あるいは複数
をオン／オフして前記増幅度を可変するスイッチと、前
記スイッチを制御するスイッチ制御手段と、前記増幅手
段の出力値と基準電圧値とを比較する比較手段と、前記
比較手段による比較結果に基づいて前記ヒータに供給さ
れる電力をオン／オフする熱電力制御手段とを具備し、
前記試料カートリッジには電極間を電気的に接続するこ
とが可能なプラクが取り付けられ、前記プラグが嵌入さ
れるレセプターの電極に前記スイッチ制御手段が接続さ
れていることを特徴とする。

【０００６】また、請求項２に記載の発明にあっては、
請求項１に記載の温度制御回路では、前記スイッチ制御
手段はリレーによって構成され、前記プラグならびに前
記レセプターの電極および前記電極間を電気的に接続す
るジャンパ線を介して前記リレーに電流が流れることに
よって前記スイッチがオンになり、前記増幅度を変える
ことを特徴とする。

【０００７】また、請求項３に記載の発明にあっては、
請求項２に記載の温度制限回路では、前記熱電力制御手
段は、前記増幅手段の出力値が前記基準電圧値を上回る
場合に前記ヒータに供給される電力をオフにすることを
特徴とする。

【０００８】また、請求項４に記載の発明にあっては、
請求項３に記載の温度制限回路では、前記試料カートリ
ッジに耐用温度の高い材料を用いた場合には前記プラグ
の前記電極間を前記ジャンパ線で接続し、一方前記試料
カートリッジに耐用温度の低い材料を用いた場合には前
記電極間を電気的に開放とし、前記スイッチがオンにな
ると前記増幅度が小さくなることを特徴とする。

【０００９】

【作用】この発明によれば、試料カートリッジに耐用温
度の高い材料を用いた場合には、試料カートリッジに取
り付けられたプラグの電極間をジャンパ線で接続し、プ
ラグをレセプターに嵌入すると、ジャンパ線を介してス
イッチ制御手段に電流が流れてスイッチがオンとなって
増幅手段の増幅度が小さくなり、従って増幅手段の出力
値が基準電圧値を上回るための温度センサの出力信号が
大きくなるために、電気炉内の制限温度が高くなる。

【００１０】

【実施例】以下に図面を参照して、本発明の一実施例に
かかる温度制限回路について説明する。図１は本発明の
温度制限回路の構成の一例を示す接続図である。なお本
実施例では、耐用温度の異なる２種類の試料カートリッ
ジに対応するための温度制限回路を例に挙げて説明す
る。

【００１１】Ａ．構成 図１において１は電気炉であり、この電気炉１の内部に
は各々後述する温度センサ２とヒータ３とが取り付けら
れており、また試料カートリッジ４が挿入される。一点
鎖線で囲まれた５が温度制限回路であり、以下にその内
部構成を詳しく説明する。

【００１２】図１において温度制限回路５内に示す６
は、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等から構成
されたセンサアンプであり、温度センサ２が出力する温
度信号Ｖt（−Ｖt）を高抵抗で入力し、増幅度が１のバ
ッファアンプ（緩衝増幅器）である。なお本実施例に用
いた温度センサ２は、一例として周囲の温度に応じた起
電力を生じる熱電対等から構成され、その感度は一例と
して１７００℃／Ｖであるものとする。センサアンプ６
が出力する信号は、抵抗値Ｒ1の抵抗器７の一端と、数
値等により温度を表示する表示装置２１と、磁気ディス
ク等に温度を記録する記録装置２２とに供給される。

【００１３】抵抗器７の他端は、抵抗値Ｒ2の抵抗器８
および抵抗値Ｒ3の抵抗器９の各々一端と、オペアンプ
１０（差動増幅器：増幅手段）の反転入力端子とに接続
されている。なお、このオペアンプ１０は理想オペアン
プ（開放利得および入力抵抗が無限大、且つ出力抵抗が
０）であるものとし、オフセット等は無視できるものと
する。また、抵抗値Ｒ1、抵抗値Ｒ2および抵抗値Ｒ3の
比率、Ｒ1：Ｒ2：Ｒ3＝１：２５：１７であるものとす
る。

【００１４】抵抗器８の他端は、後述するリレー１１
（スイッチ制御手段）によって駆動されるリレーＳＷ
（スイッチ）１２の接点１２ａに接続されている。一方
の接点１２ｂは抵抗器９の他端とともに、オペアンプ１
０の出力端子と、後述するコンパレータ（比較器）１４
の入力端子１４ａとに接続されている。またオペアンプ
１０の非反転入力端子は、補償抵抗Ｒcを介して接地さ
れている。なお抵抗器８と抵抗器９と（リレーＳＷ１２
と）は、図１に示す合成抵抗７ａを構成しているが、こ
れについては後述する。

【００１５】リレー１１は、一端に電源電圧が接続さ
れ、他端は試料カートリッジ４の一端部に取り付けられ
たコネクタ１３の一端に接続されている。一方、コネク
タ１３の他端は接地されている。リレー１１は、電流を
流すことにより電磁力によりリレーＳＷ１２の接点１２
ａと１２ｂの間がオンになり、電流が遮断されるとリレ
ーＳＷ１２の接点１２ａと１２ｂの間がオフになる。

【００１６】コンパレータ１４（比較手段）は、オペア
ンプやスイッチングトランジスタ等から構成されてお
り、入力端子１４ｂには基準電圧Ｅが入力されている。
本実施例の基準電圧Ｅは、１０Ｖであるものとする。こ
のコンパレータ１４にあっては、入力端子１４ａの電位
が入力端子１４ｂの電位、即ち基準電圧Ｅを上回ると、
出力端子１４ｃが接地され、これ以外の場合には出力端
子１４ｃはオープン（開放）となる。

【００１７】温度制限回路５には、端子５ａを介して別
途設けられた制御装置（図示省略）が出力する出力許可
信号Ｓが供給される。この端子５ａは、コンパレータ１
４の出力端子１４ｃと、パワーアンプ１５（熱電力制御
手段）の入力端子とに接続されている。パワーアンプ１
５の出力端子にはヒータ３が接続されており、パワーア
ンプ１５が出力する電力によりヒータ３が発熱し、電気
炉１内部を所定の温度まで加熱する。

【００１８】図２は、試料カートリッジ４の内部構成の
詳細を示す構成図であり、図２（ａ））は第１の構成
例、図２（ｂ）は第２の構成例を示している。図２
（ａ）および図２（ｂ）に示すように、試料カートリッ
ジ４は一端側に試料室４ａを有し、また他端部には２極
のコネクタ１３を構成するプラグ１３ａが取り付けられ
ている。このプラグ１３ａの導体ピン部が、レセプター
１３ｂに嵌入されて電気的に接続される。

【００１９】図２（ａ）においては、試料カートリッジ
４は耐用温度が比較的高いタンタル材が用いられてお
り、プラグ１３ａの２つの導体ピン部の間は、ジャンパ
線１６によって電気的に接続されている。一方、図２
（ｂ）において試料カートリッジ４は、タンタル材と比
較して耐用温度の低いステンレス材が用いられており、
プラグ１３ａの２つの導体ピン部の間にジャンパ線１６
等による接続はない。

【００２０】Ｂ．動作 （ａ）第１の例 第１の例では、図２（ａ）に示したタンタル材を用いた
試料カートリッジ４を用いる。このタンタル材試料カー
トリッジ４の耐用温度は、一例として１７００℃であ
る。

【００２１】まず試料室４ａに所定の試料を封入し、コ
ネクタ１３を接続して試料カートリッジ４を電気炉１に
取り付ける。この後、図示しない制御装置から出力許可
信号Ｓを、温度制限回路５の端子５ａに供給する。な
お、この時点ではコンパレータ１４の入力端子１４ａの
電位は入力端子１４ｂの電位より低く、即ち出力端子１
４ｃはオープンであるものとする。

【００２２】端子５ａに出力許可信号Ｓが入力され、コ
ンパレータ１４の出力端子がオープンである場合、出力
許可信号Ｓはパワーアンプ１５によって電力増幅され、
電気炉１内のヒータ３に供給される。即ちヒータ３は発
熱し、従って電気炉１内の温度は徐々に上昇する。温度
センサ２は、電気炉１内の温度に応じた値の温度信号Ｖ
tを出力し、この温度信号Ｖtはセンサアンプ６によって
増幅された後、逐次表示装置２１によって表示されると
ともに記録装置２２によって記録される。またセンサア
ンプ６が出力する信号は、抵抗器７を介してオペアンプ
１０の反転入力端子にも入力される。

【００２３】抵抗器７、抵抗器８ならびに抵抗器９は、
オペアンプ１０の負帰還回路を形成しており、オペアン
プ１０の増幅度を決定する。ここで、オペアンプ１０は
前述の通り理想オペアンプであるので、その増幅度Ａは Ａ＝Ｒn／Ｒ1 ・・・（１） として計算される。ここでＲn（図１参照）は合成抵抗
７ａの抵抗値（合成値）であり、リレーＳＷ１２の各接
点１２ａ、１２ｂ間の状態によって決まる。

【００２４】本例に用いた試料カートリッジ４は、プラ
グ１３ａの２つの導体ピン部の間は、ジャンパ線１６に
よって電気的に接続されている（図２（ａ）参照）。従
ってリレー１１に電流が流れ、電磁力によってリレーＳ
Ｗ１２の接点１２ａと１２ｂの間がオンになっている。
即ち合成抵抗７ａは抵抗器８と抵抗器９との並列接続に
より構成されるので、その抵抗値である合成抵抗値Ｒn
は、 Ｒn＝Ｒ2・Ｒ3／（Ｒ2＋Ｒ3） ・・・（２） と計算される。

【００２５】また、（１）式および（２）式より、本例
におけるオペアンプ１０の増幅度Ａaは、 Ａa＝Ｒ2・Ｒ3／（Ｒ2＋Ｒ3）／Ｒ1 ・・・（１ａ） となる。ここで、Ｒ1：Ｒ2：Ｒ3＝１：２５：１７であ
るので、 Ａa＝２５・１７／（２５＋１７）／１≒１０ である。

【００２６】コンパレータ１４は、入力端子１４ａの電
位が１０Ｖを上回ると出力端子１４ｃが接地される。従
って、本例では温度信号Ｖtが概ね１Ｖ、即ち電気炉１
内の温度が１７００℃に達すると出力許可信号Ｓが接地
され、ヒータ３に供給される電力が停止する。この結
果、電気炉１内部の温度は１７００℃に制限される。

【００２７】（ｂ）第２の例 第２の例では、図２（ｂ）に示したステンレス材を用い
た試料カートリッジ４を用いる。このステンレス材試料
カートリッジ４の耐用温度は、一例として１０００℃で
あり、タンタル材の耐用温度より低い。まず試料室４ａ
に所定の試料を封入し、コネクタ１３を接続して試料カ
ートリッジ４を電気炉１に取り付け、出力許可信号Ｓを
端子５ａに供給する。なお、この時点では出力端子１４
ｃはオープンであるものとする。

【００２８】端子５ａに出力許可信号Ｓが入力される
と、これがパワーアンプ１５によって電力増幅され、電
気炉１内のヒータ３に供給されて発熱し、電気炉１内の
温度は徐々に上昇する。このとき温度センサ２が出力す
る温度信号Ｖtは、センサアンプ６によって増幅された
後、逐次表示装置２１によって表示されるとともに記録
装置２２によって記録される。また、センサアンプ６の
出力信号は抵抗器７にも入力される。

【００２９】前述の通り抵抗器７、８ならびに９は、オ
ペアンプ１０の負帰還回路を形成し、その増幅度Ａは
（１）式より、 Ａ＝Ｒn／Ｒ1 として計算される。

【００３０】ところで本例に用いた試料カートリッジ４
は、プラグ１３ａの２つの導体ピン部の間は、何等接続
されていない（図２（ｂ）参照）。従ってリレーＳＷ１
２の接点１２ａと１２ｂの間はオフになっている。即ち
合成抵抗値Ｒnは抵抗値Ｒ3と等しいので、 Ａb＝Ｒ3／Ｒ1 ・・・（１ｂ） となる。ここで、Ｒ1：Ｒ2：Ｒ3＝１：２５：１７であ
るので、 Ａb＝１７／１＝１７ である。

【００３１】コンパレータ１４は、入力端子１４ａの電
位が１０Ｖを上回ると出力端子１４ｃが接地される。従
って、本例では温度信号Ｖtが概ね０．５８８Ｖ、即ち
電気炉１内の温度が１０００℃に達すると出力許可信号
Ｓが接地され、ヒータ３に供給される電力が停止する。
この結果、電気炉１内部の温度は１０００℃に制限され
る。

【００３２】このように、予め試料カートリッジ４に、
リレーＳＷ１２をオンにするか否かを決定するためのジ
ャンパ線１６を内蔵することにより、コネクタ１３を接
続するだけて、試料カートリッジ４の材質に応じた制限
温度が設定されるので、安価だが耐用温度の低い素材の
試料カートリッジ４を用いることができる。また、試料
カートリッジ４が電気炉１に取り付けられていない場合
や、コネクタ１３が接続されていない場合には、制限温
度が低く設定されるので、安全性が高い。

【００３３】なお、本実施例に示した温度センサの感
度、抵抗値の比率、基準電圧の値、ならびにコネクタの
電極数等は一例にすぎず、本発明はこれらの値に制限さ
れるものではない。

【００３４】また、例えばオペアンプ１０の増幅度を変
える手段として、抵抗器８をオン／オフするスイッチ
（１２）を有するリレー１１を用いたが、この他アナロ
グスイッチやフォトカプラ等によって増幅度を変える構
成や、基準電圧Ｅを値を変える構成であってもよい。パ
ワーアンプ１５に供給される出力許可信号Ｓを接地して
ヒータ３に供給される電力を制限するコンパレータ１４
についても、例えばリレーやフォトカプラを有するもの
であってもよく、本実施例に用いたものに限らない。

【００３５】さらに、オペアンプ１０も増幅手段の一例
であって、この他の素子にあっても本発明に適用可能で
あることは、言うまでもない。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、試料カートリッジに耐用温度の高い材料を用いた場
合には、試料カートリッジに取り付けられたプラグの電
極間をジャンパ線で接続し、プラグをレセプターに嵌入
すると、ジャンパ線を介してスイッチ制御手段に電流が
流れてスイッチがオンとなって増幅手段の増幅度が小さ
くなり、従って増幅手段の出力値が基準電圧値を上回る
ための温度センサの出力信号が大きくなるために、電気
炉内の制限温度が高くなる。このため、その材質に合わ
せてジャンパ線の取り付けられた試料カートリッジのプ
ラグをレセプターを接続するだけで電気炉等の制限温度
が変えられ、高温実験設備の低コスト化を図ることが可
能で、プラグとレセプターとが接続されていない場合等
には電気炉の温度が低く制限されるので、高い安全性が
確保できる温度制限回路が実現可能であるという効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる温度制限回路の構成
を示す接続図である。

【図２】図１における試料カートリッジ４の詳細な構成
を示す構成図である。

【符号の説明】

１ 電気炉 ２ 温度センサ ３ ヒータ ４ 試料カートリッジ ５ 温度制限回路 ７、８、９ 抵抗器 ７ａ 合成抵抗 １０ オペアンプ １１ リレー １２ リレーＳＷ １２ａ、１２ｂ 接点 １３ コネクタ １３ａ プラグ １３ｂ レセプター １４ コンパレータ １５ パワーアンプ １６ ジャンパ線 Ｅ 基準電圧 Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3 抵抗値 Ｒn 合成抵抗値 Ｖt 温度信号

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料カートリッジ(4)が取り付けられ、
   温度センサ(2)とヒータ(3)とを有する電気炉(1)の温度
   上昇を制限する温度制限回路において、 前記温度センサの出力信号を増幅する増幅手段(10)と、 複数の抵抗器から構成され前記増幅手段の増幅度を決定
   する負帰還回路(7,7a)と、 前記複数の抵抗器の内１つ、あるいは複数をオン／オフ
   して前記増幅度を可変するスイッチ(12)と、 前記スイッチを制御するスイッチ制御手段(11)と、 前記増幅手段の出力値と基準電圧値とを比較する比較手
   段(14)と、 前記比較手段による比較結果に基づいて前記ヒータに供
   給される電力をオン／オフする熱電力制御手段(15)とを
   具備し、前記試料カートリッジには電極間を電気的に接
   続することが可能なプラク(13a)が取り付けられ、 前記プラグが嵌入されるレセプター(13b)の電極に前記
   スイッチ制御手段が接続されていることを特徴とする温
   度制限回路。
2. 【請求項２】 前記スイッチ制御手段はリレーによって
   構成され、 前記プラグならびに前記レセプターの電極および前記電
   極間を電気的に接続するジャンパ線(16)を介して前記リ
   レーに電流が流れることによって前記スイッチがオンに
   なり、 前記増幅度を変えることを特徴とする請求項１に記載の
   温度制御回路。
3. 【請求項３】 前記熱電力制御手段は、 前記増幅手段の出力値が前記基準電圧値を上回る場合に
   前記ヒータに供給される電力をオフにすることを特徴と
   する請求項２に記載の温度制限回路。
4. 【請求項４】 前記試料カートリッジに耐用温度の高い
   材料を用いた場合には前記プラグの前記電極間を前記ジ
   ャンパ線で接続し、 一方前記試料カートリッジに耐用温度の低い材料を用い
   た場合には前記電極間を電気的に開放とし、 前記スイッチがオンになると前記増幅度が小さくなるこ
   とを特徴とする請求項３に記載の温度制限回路。