JP6897104B2 - 熱電対による温度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱電対を用いて温度を測定する技術に関する。

熱電対を用いて温度を測定する場合、熱電対で測定される測温接点と冷接点との間の温度差に加えて、熱電対の冷接点温度を、熱電対とは別の温度センサを用いて測定する必要がある。例えば、従来の温度測定装置には、熱電対の冷接点となる接続端子が筐体に設けられ、当該接続端子（冷接点）の温度を測定する温度センサが筐体内に設けられたものが存在する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１２４６３６号公報

しかしながら、従来の温度測定装置では、冷接点温度を測定する温度センサが、筐体内の発熱部品（電源等）からの熱影響を受けることにより、測定された冷接点温度が実際の冷接点温度からずれる。又、温度測定装置は、上位機器に組み込まれて使用されるため、上位機器内の発熱部品から熱影響を受けて高温になると、破損し易い。

そこで本発明の目的は、熱電対による温度の測定精度の向上を図ると共に、筐体の外部温度の管理を行うことが可能な技術を提供することである。

本発明に係る熱電対による温度測定装置は、熱電対が外部接続されるものであり、熱電対の冷接点が設けられた筐体と、第１温度センサと、第２温度センサと、制御部と、を備える。第１温度センサは、筐体内において冷接点の近傍に配され、熱電対の冷接点温度を測定する。第２温度センサは、筐体内において第１温度センサとは異なる位置に配され、筐体の内部温度を測定する。そして、制御部は、第１温度センサで測定される冷接点温度と、第２温度センサで測定される内部温度と、に基づいて、筐体の外部温度を算出する。

上記温度測定装置によれば、第２温度センサで筐体の内部温度を検出すると共に当該内部温度の第１温度センサへの影響を考慮することにより、熱電対の冷接点温度として、第１温度センサで測定される冷接点温度よりも実際の冷接点温度に近い温度を予測することが可能になる。又、冷接点温度と内部温度とに基づく筐体の外部温度の算出により、筐体の外部に温度センサを別途に設けることなく筐体の外部温度を取得することができる。

上記温度測定装置において、第２温度センサは、筐体内の発熱部品の近傍に配されることが好ましい。この構成によれば、第２温度センサには、発熱部品からの熱が伝わり易くなるため、第２温度センサで測定される内部温度には、発熱部品の熱影響が反映されることになる。この様な内部温度が、実際の冷接点温度の予測に用いられることにより、発熱部品からの熱影響が排除され易くなり、その結果、第１温度センサで測定される冷接点温度よりも実際の冷接点温度に近い温度を得ることが可能になる。

上記温度測定装置において、制御部は、冷接点温度と内部温度との差分を用いて外部温度を算出することができる。

上記温度測定装置において、制御部は、算出した外部温度が第１閾値以上となった場合、及び、算出した外部温度が第２閾値以下となった場合、の少なくとも何れか一方の場合に、報知部に報知を実行させることが好ましい。この構成によれば、第１閾値又は第２閾値を適切な値に設定することにより、何らかの影響で温度測定装置の温度が適正な温度範囲（例えば、定格温度の範囲）から外れそうになった場合又は外れた場合であっても、その異常を報知することができる。

上記温度測定装置において、制御部は、算出した筐体の外部温度に、熱電対からの入力値から得られる冷接点と測温接点との温度差を加算することにより、熱電対の測温接点温度を算出することができる。この構成によれば、測温接点温度の算出に用いられる冷接点温度の算出処理（例えば補正処理）と、外部温度の算出処理と、を共通化することができ、その結果、温度測定装置の制御が簡略化される。

本発明によれば、熱電対による温度の測定精度の向上を図ると共に、筐体の外部温度の管理を行うことが可能になる。

本発明の一実施形態である温度調節器を示した概念図である。 温度調節器の制御部が行う外部温度の算出処理を示したフローチャートである。 温度調節器の制御部が行う報知処理を示したフローチャートである。

以下、本発明を温度調節器に適用した実施形態について、具体的に説明する。

図１は、一実施形態である温度調節器１を示した概念図である。本実施形態において、温度調節器１は、熱電対２が外部接続され、温調対象（本実施形態では、ヒータ３１による加熱対象）の温度を熱電対２で測定しつつ当該温調対象を制御する。図１に示す様に、温度調節器１は、筐体１０と、第１温度センサ１１と、第２温度センサ１２と、電源部１３と、出力部１４と、表示部１５と、制御部１６と、報知部１７と、記憶部１８と、を備える。

筐体１０には、熱電対２が接続されて当該熱電対２の冷接点２１ｃとなる接続端子１０Ｃが設けられている。尚、熱電対２は、接続端子１０Ｃに接続される場合に限らず、例えば筐体１０内に配された回路基板上に直接的に接続されていてもよい。この場合、回路基板への接続箇所が熱電対２の冷接点２１ｃとなる。即ち、熱電対２の冷接点２１ｃは、筐体１０の外部に限らず、筐体１０の内部に配されていてもよい。

第１温度センサ１１は、筐体１０内において冷接点２１ｃ（本実施形態では、接続端子１０Ｃ）の近傍に配され、熱電対２の冷接点温度Ｔｃを測定する。本実施形態では、第１温度センサ１１は、冷接点温度Ｔｃとして、接続端子１０Ｃの温度を測定する。第１温度センサ１１には、例えばダイオード等、種々の感温素子を用いることができる。尚、第１温度センサ１１が、電源部１３や出力部１４等の発熱部品から熱影響を受けた場合には、第１温度センサ１１で測定される冷接点温度Ｔｃは、実際の冷接点温度Ｔｃ０より大きな値になる。

第２温度センサ１２は、筐体１０内において第１温度センサ１１とは異なる位置に配され、筐体１０の内部温度Ｔinを測定する。具体的には、第２温度センサ１２は、筐体１０内において温度が比較的高くなり易い位置に設けられる。又、後述する様に、外部温度Ｔoutの算出精度を高めるためには、第２温度センサ１２は、電源部１３や出力部１４等の発熱部品の近傍に配されることが好ましい。第２温度センサ１２には、例えばダイオード等、種々の感温素子を用いることができる。

電源部１３は、温度調節器１の各部に電力を供給する。一例として、電源部１３は、温度調節器１に接続された商用電源からの交流電圧を所望の直流電圧に変換する変換回路を有する。

出力部１４は、ヒータ３１や送風ファン３２等の外部装置が接続され、制御部１６の指令に応じた外部装置の制御を可能にしている。具体的には、出力部１４は、リレーやトランジスタ等で構成された出力回路を有し、制御部１６が出力回路を制御することにより、当該出力回路を通じて外部装置が制御される。

表示部１５は、その表示面を筐体１０の外部（例えば正面）に露出させた状態で温度調節器１に設けられている。表示部１５には、例えば、熱電対２による測定結果や、後述する筐体１０の外部温度Ｔout等が表示される。

制御部１６は、筐体１０内に配されており、熱電対２による測定結果に基づいて出力部１４を制御することにより、当該出力部１４を通じて外部装置を制御する。一例として図１に示す様に、出力部１４にヒータ３１が接続され、当該ヒータ３１の温度が熱電対２で測定される。この場合、制御部１６は、ヒータ３１の温度が所望の温度となる様に、出力部１４を通じてヒータ３１を制御することができる。又、出力部１４には、送風ファン３２が更に接続されていてもよい。この場合、制御部１６は、ヒータ３１の温度を強制的に下げるべく、出力部１４を通じて送風ファン３２を制御することができる。

尚、制御部１６が行う処理（後述する算出処理等を含む。）は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やマイクロコンピュータ等の制御処理装置（不図示）により行うことができる。又、当該処理は、対応するプログラムを温度調節器１に実行させることにより、実現されてもよい。そして、その様なプログラムは、読取り可能な状態で記憶媒体（例えば、フラッシュメモリ等）に記憶されてもよいし、記憶部１８に記憶されてもよい。

本実施形態では、制御部１６は更に、第１温度センサ１１で測定される冷接点温度Ｔｃと、第２温度センサ１２で測定される内部温度Ｔinと、に基づいて、筐体１０の外部温度Ｔoutを算出する。一例として、制御部１６は、下掲の数式（１）に冷接点温度Ｔｃ及び内部温度Ｔinを代入することにより、外部温度Ｔoutを算出する。

［数１］
Ｔout＝Ｔｃ−Ｔｇ ・・・（１）
Ｔｇ＝（Ｔin−Ｔｃ）×α＋β

数式（１）は、発熱部品からの熱影響を受けた冷接点温度Ｔｃを補正量Ｔｇで補正することにより、外部温度Ｔoutを算出するものである。又、補正量Ｔｇは、内部温度Ｔinと冷接点温度Ｔｃとの差分に基づくものである。本実施形態では、外部温度Ｔoutを算出するための数式として、実測データに対する線形補間により得られた補間式が用いられており、符号α及びβは、線形補間で得られる傾き及び切片をそれぞれ表している。尚、外部温度Ｔoutを算出するための数式には、実測データに対する多項式補間により得られた補間式が用いられてもよい。

具体的には、筐体１０の外部における所定位置での実測温度と、その実測温度に対応する冷接点温度Ｔｃ及び内部温度Ｔinと、を一組の実測データとして、当該実測データを、少なくとも２つの異なる条件下で複数組取得する。そして、複数組の実測データに対して線形補間を行うことにより、上記数式（１）が得られる。尚、実測温度が測定される所定位置（即ち、算出した外部温度Ｔoutで温度が予測される位置）は、筐体１０の周囲であることが好ましい。より具体的には、接続端子１０Ｃの近傍（例えば、接続端子１０Ｃから１〜数ｃｍ離れた位置）であることが好ましい。

実測データを取得するときの条件として、内部発熱量（例えば、発熱部品からの発熱量）を変えることで内部温度Ｔinを異ならせたものを用いることができる。この場合、内部温度Ｔinが異なる少なくとも２つの条件下で実測データを取得し、当該実測データから補間式が得られる。

又、実測データを取得するときの条件として、単に内部温度Ｔinを異ならせるだけでなく、内部発熱量（例えば、発熱部品からの発熱量）が最大になるものと最小になるものとが用いられてもよい。この場合、内部発熱量が異なる２つの条件下で実測データを取得し、当該実測データから補間式が得られる。

そして、制御部１６は、実測データから得られた補間式を用いて外部温度Ｔoutを算出する。外部温度Ｔoutの算出時に用いられる補間式は、そのものがプログラムに組み込まれていてもよいし、記憶部１８に記憶されたものが制御部１６によって読み出されて用いられてもよい。又、補間式が、所定の関数（上記の例では１次関数）を前提として実測データから得られるものである場合、その所定の関数が、係数の代入が可能な形式でプログラムに組み込まれていてもよい。この場合、記憶部１８には、実測データから得られた補間式の係数のみが記憶され、制御部１６は、外部温度Ｔoutの算出するとき、記憶部１８に記憶されている係数を読み出して用いることになる。

＜外部温度の算出処理＞
図２は、制御部１６が行う外部温度Ｔoutの算出処理を示したフローチャートである。先ず、制御部１６は、補間式に関連する情報を記憶部１８から読み出す（ステップＳ１１）。上述した様に、補間式そのものが記憶部１８に記憶されている場合には、補間式が制御部１６によって読み込まれる。又、補間式の係数のみが記憶部１８に記憶されている場合には、係数が制御部１６によって読み込まれる。一方、補間式そのものがプログラムに組み込まれている場合には、ステップＳ１１は省略することができる。

次に、制御部１６は、第１温度センサ１１から冷接点温度Ｔｃを取得すると共に、第２温度センサ１２から内部温度Ｔinを取得する（ステップＳ１２）。そして、制御部１６は、冷接点温度Ｔｃと内部温度Ｔinとを補間式に代入することにより、筐体１０の外部温度Ｔoutを算出する（ステップＳ１３）。その後、制御部１６は、外部温度Ｔoutを表示部１５に表示する（ステップＳ１４）。尚、算出された外部温度Ｔoutは、表示部１５に表示されることなく、例えば後述する報知処理等に用いられてもよい。

この様な算出処理によれば、冷接点温度Ｔｃと内部温度Ｔinとに基づく外部温度Ｔoutの算出により、筐体１０の外部に温度センサを別途に設けることなく外部温度Ｔoutを取得することができる。よって、筐体１０の外部温度Ｔoutの管理（例えば、後述する報知処理等による管理）を行うことが可能になる。そして、外部温度Ｔoutの算出処理に用いられる補間式（例えば、上記数式（１））は、実測データに基づいて得られるものであり、従って、実測データからのずれが小さい。よって、制御部１６の算出処理によって得られる外部温度Ｔoutは、実際の温度からのずれが小さく正確である。

又、第２温度センサ１２で内部温度Ｔinを検出すると共に当該内部温度Ｔinの第１温度センサ１１への影響を考慮することにより、熱電対２の冷接点温度として、第１温度センサ１１で測定される冷接点温度Ｔｃよりも実際の冷接点温度Ｔｃ０に近い温度を予測することが可能になる（例えば、後述する熱電対による測定温度の算出処理参照）。よって、熱電対２による温度の測定精度の向上を図ることができる。

具体的には、第２温度センサ１２が筐体１０内の発熱部品の近傍に配されることにより、第２温度センサ１２には、発熱部品からの熱が伝わり易くなる。このため、第２温度センサ１２で測定される内部温度Ｔinには、発熱部品の熱影響が反映されることになる。この様な内部温度Ｔinが、実際の冷接点温度Ｔｃ０の予測に用いられることにより、発熱部品からの熱影響が排除され易くなり、その結果、第１温度センサ１１で測定される冷接点温度Ｔｃよりも実際の冷接点温度Ｔｃ０に近い温度を得ることが可能になる。

＜報知処理＞
本実施形態では更に、制御部１６は、外部温度Ｔoutが異常であるか否かを判断し、異常であると判断したときに報知部１７に報知を実行させる。具体的には、以下の通りである。尚、図３は、制御部１６が行う報知処理を示したフローチャートである。

先ず、制御部１６は、算出した外部温度Ｔoutが第１閾値Ｔｓ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ２１）。そして、制御部１６は、「第１閾値Ｔｓ１以上である（ＹＥＳ）」と判断したとき、報知部１７に、外部温度Ｔoutが異常であることを表す報知（例えば、警告ランプの点灯又は点滅や、警告音の出力等）を報知部１７に実行させる（ステップＳ２３）。

一方、制御部１６が「第１閾値Ｔｓ１以上でない（ＮＯ）」と判断したとき、制御部１６は、算出した外部温度Ｔoutが第２閾値Ｔｓ２以下であるか否かを判断する（ステップＳ２２）。そして、制御部１６は、「第２閾値Ｔｓ２以下である（ＹＥＳ）」と判断したとき、報知部１７に、外部温度Ｔoutが異常であることを表す報知（例えば、警告ランプの点灯又は点滅や、警告音の出力等）を報知部１７に実行させる（ステップＳ２３）。一方、制御部１６が「第２閾値Ｔｓ２以下でない（ＮＯ）」と判断したとき、制御部１６は、報知処理を終了させる。

この様な報知処理によれば、第１閾値Ｔｓ１及び第２閾値Ｔｓ２を適切な値に設定することにより、何らかの影響で温度調節器１の温度が適正な温度範囲（例えば、定格温度の範囲）から外れそうになった場合又は外れた場合であっても、その異常を報知することができる。温度調節器１の温度が過度に上昇する場合として、例えば、温度調節器１が組み込まれた上位機器や他の装置からの熱影響が挙げられる。この場合、報知を行うことにより、ユーザに対し、熱影響からの温度調節器１の保護を促すことができ、その結果、温度調節器１の温度異常を回避又は解消することができる。

又、温度調節器１が何らかの原因で過度に発熱した場合にも、外部温度Ｔoutが上昇する。よって、この場合にも、上記報知処理が適用されることにより、当該温度調節器１の異常を知ることが可能になる。

尚、報知処理において、制御部１６は、算出した外部温度Ｔoutが第１閾値Ｔｓ１以上となった場合、又は、算出した外部温度Ｔoutが第２閾値Ｔｓ２以下となった場合、の何れかの場合にのみ、報知部１７に報知を実行させてもよい。

＜熱電対による測定温度の算出処理＞
上記温度調節器１において、制御部１６は、算出した外部温度Ｔoutを用いて、熱電対２の測温接点２１ｈの温度（測温接点温度Ｔｈ）を算出してもよい。具体的には、制御部１６は、上述した算出処理で得られた外部温度Ｔoutに、熱電対２からの入力値から得られる冷接点２１ｃと測温接点２１ｈとの温度差ΔＴを加算することにより、測温接点温度Ｔｈを算出することができる。これにより、測温接点温度Ｔｈの算出に用いられる冷接点温度を算出するための処理（例えば補正処理）と、外部温度Ｔoutの算出処理と、を共通化することができ、その結果、温度調節器１の制御が簡略化される。

ここで、第１温度センサ１１が、電源部１３や出力部１４等の発熱部品から熱影響を受けた場合には、第１温度センサ１１で測定される冷接点温度Ｔｃは、実際の冷接点温度Ｔｃ０より大きな値になる。このため、測温接点温度Ｔｈの算出に冷接点温度Ｔｃをそのまま用いたのでは、算出された測温接点温度Ｔｈは、発熱部品から熱影響の分だけ大きな値になる。そこで、算出される外部温度Ｔoutで温度が予測される位置（即ち、実測データを取得するための所定位置）を冷接点２１ｃ（本実施形態では、接続端子１０Ｃ）の近傍に設定することにより、算出される外部温度Ｔoutは、第１温度センサ１１で測定される冷接点温度Ｔｃよりも、実際の冷接点温度Ｔｃ０に近づくことになる。よって、その様な外部温度Ｔoutは、測温接点温度Ｔｈの算出に用いられる冷接点温度として適している。即ち、熱電対２による測定温度として、実際の測温接点温度Ｔｈ０に近い正確な温度を得ることができる。

尚、上記温度調節器１の各部構成は、温度調節器に限らず、熱電対による様々な温度測定装置に適用することができる。又、上記温度調節器１において、報知部１７は、温度調節器１に対して外部接続されるものであってもよい。更に、筐体１０内における第１温度センサ１１及び第２温度センサ１２のそれぞれの位置は、冷接点２１ｃの位置や発熱部品の位置等に応じて、適宜変更することができる。

１ 温度調節器
２ 熱電対
１０ 筐体
１０Ｃ 接続端子
１１ 第１温度センサ
１２ 第２温度センサ
１３ 電源部
１４ 出力部
１５ 表示部
１６ 制御部
１７ 報知部
１８ 記憶部
２１ｃ 冷接点
２１ｈ 測温接点
３１ ヒータ
３２ 送風ファン
Ｔin 内部温度
Ｔout 外部温度
Ｔｃ、Ｔｃ０ 冷接点温度
Ｔｈ、Ｔｈ０ 測温接点温度
Ｔｇ 補正量
Ｔｓ１ 第１閾値
Ｔｓ２ 第２閾値

Claims (4)

1. 熱電対が外部接続される温度測定装置であって、
   前記熱電対の冷接点が設けられた筐体と、
   前記筐体内において前記冷接点の近傍に配され、前記熱電対の冷接点温度を測定する第１温度センサと、
   前記筐体内において前記第１温度センサとは異なる位置に配され、前記筐体の内部温度を測定する第２温度センサと、
   前記第１温度センサで測定される冷接点温度と、前記第２温度センサで測定される内部温度と、を用いて前記筐体の外部温度を算出する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記筐体の外部温度の算出を、前記内部温度から前記冷接点温度を差し引いた第１差分温度と、前記冷接点温度から前記筐体の外部温度を差し引いた第２差分温度との関係を示す関数を基に行い、
   前記関数は、複数組の実測データを用いた線形補間により得られた一次関数であり、
   前記実測データの各組には、前記筐体の外部温度、前記冷接点温度、および前記内部温度が含まれ、同じ組に属する前記筐体の外部温度、前記冷接点温度、および前記内部温度の測定タイミングは同じである、熱電対による温度測定装置。
2. 前記第２温度センサは、前記筐体内の発熱部品の近傍に配される、請求項１に記載の熱電対による温度測定装置。
3. 前記制御部は、算出した前記外部温度が第１閾値以上となった場合、及び、算出した前記外部温度が第２閾値以下となった場合、の少なくとも何れか一方の場合に、報知部に報知を実行させる、請求項１、または２に記載の熱電対による温度測定装置。
4. 前記制御部は、算出した前記外部温度に、前記熱電対からの入力値から得られる冷接点と測温接点との温度差を加算することにより、前記熱電対の測温接点温度を算出する、請求項１〜３の何れかに記載の熱電対による温度測定装置。

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