JP3670757B2

JP3670757B2 - 試料温度制御方法及び装置

Info

Publication number: JP3670757B2
Application number: JP12395796A
Authority: JP
Inventors: 裕二伊藤; 秀一松尾; 左門鈴木
Original assignee: Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Corp
Priority date: 1996-04-23
Filing date: 1996-04-23
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: JPH09288074A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱電材料の熱起電力を測定する場合の試料温度制御方法及び装置に関し、特に、試料の二つの位置を別個の加熱装置で加熱することによって、第１位置と第２位置の温度差を一定に保ちながら試料の温度を変化させる試料温度制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電材料の主要な特性として、単位温度差当たりの熱起電力があり、この熱起電力は温度に依存して変化する。したがって、熱電材料を室温から高温まで変化させながら、単位温度差当たりの熱起電力を各温度で測定することが行なわれている。熱起電力の測定装置としては、特開平４−１２５４５８号公報、特開平５−１８９１３号公報、特開昭６０−３９５４１号公報などに記載されているものが知られている。
【０００３】
単位温度差当りの熱起電力を測定するに当たっては、熱電材料の二つの地点の温度差とその間の熱起電力を測定する必要がある。その場合、温度差を一定に保った状態で熱起電力を測定すれば、実測された熱起電力の温度依存性は、そのまま、単位温度差当たりの熱起電力の温度依存性に等しくなり、データ分析に便利である。また、温度差を一定に保った状態で熱起電力を測定すれば、測定結果の再現性や信頼性が向上すると考えられる。そこで、試料の二つの地点の温度差を一定に保った条件で熱起電力の温度依存性を測定できるような装置が開発されてきている。
【０００４】
図４は温度差を一定に保った条件で熱起電力の温度依存性を測定するための従来の測定装置の構成図である。熱電材料からなる試料１０の両端は、石英製の赤外線導入ロッド１２、１４を介して、それぞれ専用の赤外線ランプ１６、１８で加熱される。試料１０の両端には電極板２０、２２が接触しており、この電極板２０、２２にそれぞれ熱電対２４、２６が接着されている。試料１０の上端の温度Ｔａ（以下、第１温度という。）は、熱電対２４で起電力として検出され、これが第１温度計測装置２８で温度に変換される。この検出温度は第１温度制御装置３０に送られ、この第１温度制御装置３０では、第１温度Ｔａが所定の第１昇温曲線に追従するように、第１加熱電源３２に加熱信号が出力される。そして、第１加熱電源３２からの供給電力によって赤外線ランプ１６が加熱される。
【０００５】
一方、試料１０の下端の温度Ｔｂ（以下、第２温度という。）は、熱電対２６で起電力として検出され、これが第２温度計測装置３４で温度に変換される。この検出温度は、第２温度制御装置３６に送られ、第２温度Ｔｂが所定の第２昇温曲線に追従するように、第２加熱電源３８に加熱信号が出力される。そして、試料の両端の温度差を一定に保ちながら試料温度を上昇させるには、目標となる第１昇温曲線と第２昇温曲線の間に温度差を付けておけばよい。試料１０の両端で発生する熱起電力は電圧計４０で検出される。
【０００６】
図５は従来装置における昇温曲線のグラフである。試料の上端の温度Ｔａは、第１昇温曲線４２を目標値として一定の昇温速度で上昇する。また、試料の下端の温度Ｔｂは、第２昇温曲線４４を目標値として一定の昇温速度で上昇する。第１昇温曲線４２と第２昇温曲線４４は、昇温速度が同じに設定され、かつ、二つの昇温曲線４２、４４の温度差ΔＴが一定になるように設定される。試料の熱起電力の測定を開始するには、まず、第１温度Ｔａが第１昇温曲線４２に追従するように赤外線ランプ１６に電力を供給する。試料の上端が室温から昇温を開始して、時間ｔだけ経過すると、第１昇温曲線４２は室温よりもちょうどΔＴだけ高くなる。このときに、試料の下端側の赤外線ランプ１８にも電力供給を開始して、第２温度Ｔｂが第２昇温曲線４４に追従するように制御する。このようにして、試料の両端の温度は、それぞれの目標とする昇温曲線に追従するように制御され、その結果として、温度差ΔＴが一定に保たれながら試料温度が上昇する。このような条件のもとで熱起電力の温度依存性が測定される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の熱起電力測定装置では、試料の両端の温度は、それぞれ、目標となる温度曲線に追従するようにフィードバック制御され、その結果として、両端の温度差が一定に保たれながら昇温する。しかしながら、試料の両端の温度が別個のフィードバック制御系で昇温制御されるので、実際には、試料の両端の温度差は必ずしも一定に保たれない。なぜならば、二つのフィードバック制御系の特性の違いや、制御開始時点が時間ｔだけずれることに伴う乱れ、などが影響して、温度差はかなり変動する。
【０００８】
この発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、試料の二つの位置を別個の加熱装置で加熱することによって、第１位置と第２位置の温度差を一定に保ちながら試料の温度を変化させる場合に、その温度差を高精度に一定に保つことにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の試料温度制御方法は、熱電材料からなる試料の二つの位置（以下、第１位置と第２位置という。）を別個の加熱装置で加熱することによって、第１位置と第２位置の温度差を一定に保ちながら試料の温度を変化させて、前記温度差に起因する試料の熱起電力を試料温度の関数として測定する場合の試料温度制御方法において、次の（イ）〜（ニ）の段階を備える。（イ）前記第１位置の温度と前記第２位置の温度をそれぞれ検出する段階。（ロ）前記第１位置の温度が所定の温度変化曲線に追従するように、第１位置加熱用の第１加熱装置を制御することによって、前記第１位置の温度をフィードバック制御する段階。（ハ）検出された第１位置の温度と第２位置の温度からその温度差を求める段階。（ニ）前記温度差が所定の一定値になるように、第２位置加熱用の第２加熱装置を制御することによって、前記温度差をフィードバック制御する段階。
【００１０】
また、この発明の試料温度制御装置は、熱電材料からなる試料の二つの位置（以下、第１位置と第２位置という。）を別個の加熱装置で加熱することによって、第１位置と第２位置の温度差を一定に保ちながら試料の温度を変化させて、前記温度差に起因する試料の熱起電力を試料温度の関数として測定する場合の試料温度制御装置において、次の（イ）〜（ト）の構成を備える。（イ）前記第１位置の温度を検出する第１温度検出装置。（ロ）前記第２位置の温度を検出する第２温度検出装置。（ハ）前記第１位置を加熱するための第１加熱装置。（ニ）前記第２位置を加熱するための第２加熱装置。（ホ）前記第１温度検出装置からの温度信号を受けて、前記第１位置の温度が所定の温度変化曲線に追従するように前記第１加熱装置に加熱信号を出力する第１温度制御装置。（ヘ）前記第１温度検出装置からの温度信号と前記第２温度検出装置からの温度信号とを受けて、前記第１位置と第２位置の温度差を求める温度差演算装置。（ト）前記温度差演算装置からの温度差信号を受けて、前記温度差が所定の一定値になるように前記第２加熱装置に加熱信号を出力する第２温度制御装置。
【００１１】
この発明によれば、試料の二つの位置の温度差自体を制御対象としてフィードバック制御しているので、温度差が高精度に一定に保たれる。
【００１２】
試料の二つの位置としては、試料の両端とするのが便利であるが、これに限定することなく、試料の途中の任意の２か所であってもよい。加熱装置としては、温度制御の応答性が高いとの理由で赤外線ランプが好ましいが、これ以外のヒータを用いてもよい。
【００１３】
この発明の試料温度制御方法及び装置は、熱電材料の熱起電力の測定以外にも、試料の２地点間の温度差を一定に保持しながら試料温度を変化させるようなその他の熱分析方法及び装置にも適用できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の試料温度制御装置の一実施形態を示す構成図である。熱電材料からなる試料５０は、真空排気された赤外線加熱炉の内部に配置される。試料５０の両端は、石英製の赤外線導入ロッド５２、５４を介して、それぞれ専用の赤外線ランプ５６、５８で加熱される。試料５０の両端にはニッケル製の電極板６０、６２が接触しており、この電極板６０、６２にそれぞれ熱電対６４、６６が接着されている。試料５０の上端の温度Ｔａ（以下、第１温度という。）は、熱電対６４で起電力として検出され、これが第１温度計測装置６８で温度に変換される。熱電対の起電力・温度変換表はその材質に応じた公知のものを使用できる。この第１温度計測装置６８で計測された第１温度Ｔａは、第１温度制御装置７０に送られ、この第１温度Ｔａが所定の昇温曲線に追従するように、第１加熱電源７２に加熱信号が出力される。そして、この第１加熱電源７２から赤外線ランプ５６に電力が供給される。
【００１５】
一方、試料５０の下端の温度Ｔｂ（以下、第２温度という。）は、熱電対６６で起電力として検出され、これが第２温度計測装置７４で温度に変換される。そして、第１温度計測装置６８で計測された第１温度Ｔａと、第２温度計測装置７４で計測された第２温度Ｔｂは、温度差演算装置７６に入力され、両者の温度差ΔＴ＝Ｔａ−Ｔｂが求められる。この温度差ΔＴが第２温度制御装置７８に送られて、温度差ΔＴが所定の一定値に保たれるように、第２加熱電源８０に加熱信号が出力される。そして、この第２加熱電源８０から赤外線ランプ５８に電力が供給される。その結果、試料５０の下端の第２温度Ｔｂは、上端の第１温度Ｔａに対して常に一定の温度差ΔＴを保つように追従していく。試料５０の両端で発生する熱起電力は電圧計８２で検出される。また、第１温度計測装置６８の出力と、第２温度計測装置７４の出力と、電圧計８２の出力は、記録装置に入力されて、この記録装置で、単位温度差当たりの熱起電力と試料温度とが記録される。
【００１６】
図１の装置とこの発明の構成要件との対応関係を説明すると、第１加熱電源７２と赤外線ランプ５６がこの発明の第１加熱装置を構成し、第２加熱電源８０と赤外線ランプ５８がこの発明の第２加熱装置を構成する。また、熱電対６４と第１温度計測装置６８がこの発明の第１温度検出装置を構成し、熱電対６６と第２温度計測装置７４がこの発明の第２温度検出装置を構成する。
【００１７】
図１の装置において、熱起電力の測定に加えて、各温度における試料の電気抵抗も同時に測定するようにしてもよい。
【００１８】
図２は、図１の装置で使われる昇温曲線のグラフの一例である。試料の上端の第１温度Ｔａは昇温曲線８４に追従して上昇する。この実施形態では、室温から１０００℃まで昇温できる。図１の第１温度制御装置７０にはこの昇温曲線８４が目標値として記憶されている。この第１温度制御装置７０は、第１温度計測装置６８の出力信号すなわち第１温度Ｔａを受け取って、この第１温度Ｔａが昇温曲線８４に追従するように、第１加熱電源７２に加熱信号を出力する。この加熱信号に基づいて第１加熱電源７２は赤外線ランプ５６に電力を供給する。このようにして、第１温度Ｔａはフィードバック制御される。この第１温度制御装置７０によるフィードバック制御では公知のＰＩＤ制御が用いられている。
【００１９】
一方、第２温度制御装置７８には目標となる一定の温度差が記憶されている。この目標値は時間と共に変化せずに常に一定である。この第２温度制御装置７８は、温度差演算装置７６の出力信号すなわち実測した温度差ΔＴを受け取って、この温度差ΔＴが目標の温度差となるように、第２加熱電源８０に加熱信号を出力する。この加熱信号に基づいて第２加熱電源８０は赤外線ランプ５８に電力を供給する。このようにして、試料の上端と下端の温度差が一定となるようにフィードバック制御される。この第２温度制御装置７８によるフィードバック制御においても公知のＰＩＤ制御が用いられている。この実施形態では、目標の温度差は２℃〜５０℃の間で設定できる。
【００２０】
以上説明したように、この試料温度制御装置では、試料温度を所定の昇温曲線に追従させるフィードバック制御は第１温度制御装置７０が担当し、試料の両端の温度差を一定に保つフィードバック制御は第２温度制御装置７８が担当している。このようにして、温度差を一定に保つためのフィードバック制御系が昇温フィードバック制御系とは別個になっているので、温度差は高精度に一定に保たれる。
【００２１】
図３は図１の装置で測定した熱起電力のグラフの一例である。横軸の温度は、試料の第１温度Ｔａと第２温度Ｔｂの平均値であり、この平均値をもって試料温度としている。縦軸は単位温度差当たりの熱起電力である。
【００２２】
図１において、この装置の具体的な仕様例を以下に説明する。温度範囲は室温〜１０００℃であり、試料５０の両端の目標温度差は２℃〜５０℃の間で数段階に設定できる。温度制御の性能としては、第１温度Ｔａの目標温度追従性が±０．５℃以下であり、温度差ΔＴの変動も±０．５℃以下である。試料５０の寸法は、その断面が一辺５〜１０ｍｍの正方形で、長さが５〜１５ｍｍである。ニッケル製の電極板６０、６２は厚さ０．２ｍｍの円板である。使用する熱電対６４、６６は白金−白金ロジウム合金か、クロメル−アルメルである。
【００２３】
図６は、この発明の試料温度制御装置の別の実施形態を示す構成図である。図１の構成と異なる点は、図１の温度差演算装置７６を削除して、その代わりに、差分出力装置８６を設けたことである。図１の構成と同じ部分には同じ符号を付けてあり、その説明は省略する。
【００２４】
図６において、熱電対６４の起電力は、第１温度計測装置６８に入力されると共に、差分出力装置８６の第１増幅器８８にも入力される。そして、熱電対６４の出力は、第１増幅器８８と第１アイソレーション・アンプ９２で増幅されてから、差動増幅器９４の一方の入力端子に入力される。また、熱電対６６の起電力は、第２温度計測装置７４に入力されると共に、差分出力装置８６の第２増幅器９０にも入力される。そして、熱電対６６の出力は、第２増幅器９０と第２アイソレーション・アンプ９６で増幅されてから、差動増幅器９４の他方の入力端子に入力される。そして、この差動増幅器９４からは、熱電対６４の起電力と熱電対６６の起電力との差分に比例した電圧信号ΔＶが出力される。
【００２５】
この電圧信号ΔＶは第２温度制御装置９８に入力される。この第２温度制御装置９８は、入力された電圧信号ΔＶが、所定の目標温度差に相当する目標電圧になるように、第２加熱電源８０に加熱信号を出力する。これにより、試料の下端の温度は、上端に対して所定の目標温度差になるように制御される。
【００２６】
この図６の実施形態では、各熱電対の起電力をそれぞれの温度計測装置で温度に変換してからその差分を求める代わりに、各熱電対の起電力の差分を直接求めて、これを第２温度制御装置にフィードバックしており、次の利点がある。図１において、試料の両端の目標温度差を小さい値に設定する場合を考えると、第１温度計測装置６８と第２温度計測装置７４における起電力・温度変換の精度を高くする必要がある。この変換精度が低いと、各温度計測装置６８、７４での変換誤差が温度差演算装置７６の出力精度に大きく影響する。したがって、変換精度の高い高価な温度計測装置を使う必要がある。これに対して、図６に示すように、二つの熱電対の起電力について温度変換をすることなく、差分出力装置８６で起電力の差分を求めれば、温度計測装置での温度変換精度の影響を受けることがなく、目標温度差が小さい場合でも、試料の両端の温度差を高精度に一定に制御できる。
【００２７】
なお、図１と図６の実施形態では、試料に加熱エネルギーを導入するのに、石英製の赤外線導入ロッド５２、５４を用いているが、この石英製ロッドを使わずに、反射板による集光加熱で試料を加熱してもよい。
【００２８】
【発明の効果】
この発明は、試料の二つの位置の温度差自体を制御対象としてフィードバック制御しているので、その温度差を高精度に一定に保った状態で、試料温度を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の試料温度制御装置の一実施形態を示す構成図である。
【図２】図１の装置で使われる昇温曲線のグラフの一例である。
【図３】図１の装置で測定した熱起電力のグラフの一例である。
【図４】従来の熱起電力測定装置の構成図である。
【図５】従来装置における昇温曲線のグラフである。
【図６】この発明の試料温度制御装置の別の実施形態を示す構成図である。
【符号の説明】
５０試料
５２、５４石英ロッド
５６、５８赤外線ランプ
６０、６２電極板
６４、６６熱電対
６８第１温度計測装置
７０第１温度制御装置
７２第１加熱電源
７４第２温度計測装置
７６温度差演算装置
７８第２温度制御装置
８０第２加熱電源
８２電圧計

Claims

熱電材料からなる試料の二つの位置（以下、第１位置と第２位置という。）を別個の加熱装置で加熱することによって、第１位置と第２位置の温度差を一定に保ちながら試料の温度を変化させて、前記温度差に起因する試料の熱起電力を試料温度の関数として測定する場合の試料温度制御方法において、次の段階を備える試料温度制御方法。
（イ）前記第１位置の温度と前記第２位置の温度をそれぞれ検出する段階。
（ロ）前記第１位置の温度が所定の温度変化曲線に追従するように、第１位置加熱用の第１加熱装置を制御することによって、前記第１位置の温度をフィードバック制御する段階。
（ハ）検出された第１位置の温度と第２位置の温度からその温度差を求める段階。
（ニ）前記温度差が所定の一定値になるように、第２位置加熱用の第２加熱装置を制御することによって、前記温度差をフィードバック制御する段階。
熱電材料からなる試料の二つの位置（以下、第１位置と第２位置という。）を別個の加熱装置で加熱することによって、第１位置と第２位置の温度差を一定に保ちながら試料の温度を変化させて、前記温度差に起因する試料の熱起電力を試料温度の関数として測定する場合の試料温度制御装置において、次の構成を備える試料温度制御装置。
（イ）前記第１位置の温度を検出する第１温度検出装置。
（ロ）前記第２位置の温度を検出する第２温度検出装置。
（ハ）前記第１位置を加熱するための第１加熱装置。
（ニ）前記第２位置を加熱するための第２加熱装置。
（ホ）前記第１温度検出装置からの温度信号を受けて、前記第１位置の温度が所定の温度変化曲線に追従するように前記第１加熱装置に加熱信号を出力する第１温度制御装置。
（ヘ）前記第１温度検出装置からの温度信号と前記第２温度検出装置からの温度信号とを受けて、前記第１位置と第２位置の温度差を求める温度差演算装置。
（ト）前記温度差演算装置からの温度差信号を受けて、前記温度差が所定の一定値になるように前記第２加熱装置に加熱信号を出力する第２温度制御装置。
前記第１加熱装置と第２加熱装置は、それぞれ、赤外線ランプを備えることを特徴とする請求項２記載の試料温度制御装置。
試料の二つの位置（以下、第１位置と第２位置という。）を別個の加熱装置で加熱することによって、第１位置と第２位置の温度差を一定に保ちながら試料の温度を変化させる試料温度制御方法において、次の段階を備える試料温度制御方法。
（イ）前記第１位置の温度と前記第２位置の温度をそれぞれ検出する段階。
（ロ）前記第１位置の温度が所定の温度変化曲線に追従するように、第１位置加熱用の第１加熱装置を制御することによって、前記第１位置の温度をフィードバック制御する段階。
（ハ）検出された第１位置の温度と第２位置の温度からその温度差を求める段階。
（ニ）前記温度差が所定の一定値になるように、第２位置加熱用の第２加熱装置を制御することによって、前記温度差をフィードバック制御する段階。
試料の二つの位置（以下、第１位置と第２位置という。）を別個の加熱装置で加熱することによって、第１位置と第２位置の温度差を一定に保ちながら試料の温度を変化させる試料温度制御装置において、次の構成を備える試料温度制御装置。
（イ）前記第１位置の温度を検出する第１温度検出装置。
（ロ）前記第２位置の温度を検出する第２温度検出装置。
（ハ）前記第１位置を加熱するための第１加熱装置。
（ニ）前記第２位置を加熱するための第２加熱装置。
（ホ）前記第１温度検出装置からの温度信号を受けて、前記第１位置の温度が所定の温度変化曲線に追従するように前記第１加熱装置に加熱信号を出力する第１温度制御装置。
（ヘ）前記第１温度検出装置からの温度信号と前記第２温度検出装置からの温度信号とを受けて、前記第１位置と第２位置の温度差を求める温度差演算装置。
（ト）前記温度差演算装置からの温度差信号を受けて、前記温度差が所定の一定値になるように前記第２加熱装置に加熱信号を出力する第２温度制御装置。