(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱炉本体の内部に試料を収納するための試料収納部が形成されると共に、この加熱炉本体の周囲に加熱手段が設けられ、かつ、この加熱炉本体の周縁部付近の温度を検出する炉体温度検出手段と、試料収納部内の温度を検出する試料温度検出手段とが装備された熱分析装置において、
炉体温度検出手段が検出した炉体温度と試料温度検出手段が検出した試料温度と温度プログラムによって設定されたプログラム温度とをパラメータとする関数であって、このプログラム温度と試料温度との温度差に応じた割り合いで炉体温度に試料温度を関与させる関数によってフィードバック温度を算出するフィードバック温度演算手段と、
このフィードバック温度演算手段が算出したフィードバック温度とプログラム温度とを比較して温度偏差を算出する比較手段と、
この比較手段が算出した温度偏差に応じて加熱手段の加熱量を調節する加熱制御手段とからなる温度制御部を備えたことを特徴とする熱分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱炉本体の温度制御を行う温度制御部を備えた熱分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
種々の材料の熱的物性を求めたり、各種の無機・有機化合物の熱安定性を調べるための試験方法の一つとして熱分析が広く利用されている。この熱分析は、温度制御された加熱炉中に試料を収納して、この試料の温度やその他、質量，寸法又はエンタルピー等の各種物理量を検出するものであり、これによって温度と各物理量との関係を示す熱分析曲線を得ることができる。
【０００３】
上記熱分析を行う熱分析装置の一例を図４に示す。この熱分析装置は、セラミックス等の耐熱性の高い材料で構成された加熱炉本体１を備えている。加熱炉本体１は、内部に試料収納部１ａが形成されると共に、周囲にヒータ線２が巻回されている。また、加熱炉本体１には、熱電対による炉体温度検出器３が埋め込まれて、この加熱炉本体１の温度を検出できるようになっている。加熱炉本体１の試料収納部１ａ内には、センサユニット４が配置されている。センサユニット４は、白金の合金等によるプレート４ａの裏面に熱電対の線材４ｂを溶接したものである。そして、このセンサユニット４のプレート４ａ上に試料５を入れた試料容器６が載置される。従って、このセンサユニット４は、熱電対の線材４ｂでの起電力を測定することにより、試料容器６に入れた試料５の温度を間接的に検出することができる。
【０００４】
上記構造の従来の熱分析装置は、熱分析の際に所定の温度プログラムに従って試料収納部１ａの内部の温度を定速で昇降させたり等温保持する必要があるため、図５に示すような温度制御部を備えている。温度プログラムによって設定されるプログラム温度Ｔｐは、この温度制御部の比較器１１に送られる。比較器１１では、炉体温度検出器３が検出した炉体温度Ｔｆとこのプログラム温度Ｔｐとの差である温度偏差Ｔｐ−Ｔｆが計算され、この温度偏差Ｔｐ−Ｔｆがヒータパワー調節器１２に送られる。ヒータパワー調節器１２は、この温度偏差Ｔｐ−Ｔｆに応じてヒータ線２に通電する電力を制御することによりヒータパワーを調節する。従って、この熱分析装置は、温度プログラムによってプログラム温度Ｔｐが与えられると、加熱炉本体１の炉体温度Ｔｆをこのプログラム温度Ｔｐに追従させるような温度制御を行うことができる。
【０００５】
なお、従来の熱分析装置では、センサユニット４が検出する試料温度Ｔｓは、熱分析にのみ利用され、温度制御部での温度制御には関与していなかった。即ち、従来は、炉体温度Ｔｆのみを制御系のフィードバック量としていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記温度制御部では、加熱炉本体１が通常大きな熱容量を有するためヒータ線２の発熱が該加熱炉本体１に伝わり炉体温度検出器３によって検出されるまでの間に時間遅れ要素が加わるので、この加熱炉本体１の炉体温度Ｔｆには、温度制御ノイズによる微小な変動が現れる。そして、このような温度変動は、熱分析の測定に悪影響を及ぼすおそれがある。そこで、熱分析装置は、加熱炉本体１の熱容量をある程度大きくして、炉体温度Ｔｆに生じた温度変動を減衰させることにより、試料収納部１ａ内の試料５には温度制御ノイズによる温度変動がほとんど伝わらないようにしている。
【０００７】
しかしながら、このように加熱炉本体１の熱容量を大きくすると、図６に示すように、炉体温度Ｔｆは、時間の遅れもほとんどなくほぼ正確にプログラム温度Ｔｐに追従させることができるが、試料温度Ｔｓには、大きな時間遅れτが生じるようになる。しかも、この試料温度Ｔｓは、常に一定の時間遅れτが生じるだけであれば問題はないが、実際には加熱炉本体１での熱損失によりプログラム温度Ｔｐの変化に正確に追従せずに、この温度変化に鈍りを生じるようになり、例えば等温保持の際に温度オフセットδＴが発生するようになる。
【０００８】
このため、従来の熱分析装置は、試料温度Ｔｓがプログラム温度Ｔｐに正確に追従しないために、温度プログラム通りの精密な測定を行うことができないという問題があった。
【０００９】
なお、制御系のフィードバック量として試料温度Ｔｓを用いれば、この試料温度Ｔｓを正確にプログラム温度Ｔｐに追従させることは可能である。しかしながら、試料温度Ｔｓには、加熱炉本体１の熱容量による大きな時間遅れ要素が加わるので、この試料温度Ｔｓを直接温度制御に用いると、制御系を安定に保つことが困難となり加熱炉本体１の温度が発振するおそれが生じる。そして、従来は、この制御系の安定性を確保するために、ヒータ線２に近い位置に配置した炉体温度検出器３で検出した炉体温度Ｔｆを温度制御に用いていた。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、加熱炉本体の温度制御を炉体温度だけでなく試料温度も考慮して行うことにより、制御系の安定性を大きく損なうことなく、試料温度をプログラム温度に正確に追従させることができる熱分析装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、上記課題を解決するために、加熱炉本体の内部に試料を収納するための試料収納部が形成されると共に、この加熱炉本体の周囲に加熱手段が設けられ、かつ、この加熱炉本体の周縁部付近の温度を検出する炉体温度検出手段と、試料収納部内の温度を検出する試料温度検出手段とが装備された熱分析装置において、炉体温度検出手段が検出した炉体温度と試料温度検出手段が検出した試料温度と温度プログラムによって設定されたプログラム温度とをパラメータとする関数であって、このプログラム温度と試料温度との温度差に応じた割り合いで炉体温度に試料温度を関与させる関数によってフィードバック温度を算出するフィードバック温度演算手段と、このフィードバック温度演算手段が算出したフィードバック温度とプログラム温度とを比較して温度偏差を算出する比較手段と、この比較手段が算出した温度偏差に応じて加熱手段の加熱量を調節する加熱制御手段とからなる温度制御部を備えたことを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、制御系のフィードバック量であるフィードバック温度が炉体温度だけでなく試料温度をも考慮した温度となるので、目標値となるプログラム温度と炉体温度との間にほとんど差がない場合であっても、試料温度との間に十分な差があれば、比較手段が算出する温度偏差をある程度大きくすることができる。そして、加熱制御手段は、試料温度がより一層プログラム温度に近づくように加熱手段の加熱量を調整するので、この試料温度を迅速にプログラム温度に追従させることができるようになる。
【００１３】
しかも、これらの炉体温度と試料温度だけでなくプログラム温度もパラメータに加えるので、直接の目標値となるプログラム温度と試料温度との温度差に応じて、この試料温度がフィードバック温度に関与する割り合いを変更することができるようになる。従って、試料温度をより迅速にプログラム温度に追従させるだけでなく、試料温度がフィードバック温度に関与する割り合いが固定されている場合に比べて、制御系の安定性を向上させることもできる。
【００１４】
なお、関数とは、各パラメータの値がそれぞれの定義域の範囲内で決定されれば、これに応じて一意的に値が定まる関係をいう。しかも、ここでいう関数は、全てのパラメータが関数の値に関与し得るものでなければならない。
【００１５】
ところで、試料温度検出手段が検出する試料収納部の温度、即ち試料温度は、本来の試料の温度の他に、試料収納部に収納される基準物質等の温度とすることもできる。
【００１６】
上記フィードバック温度演算手段は、プログラム温度と試料温度との温度差をパラメータとし、値域が０≦β≦１の範囲で０＜β＜１の値を取り得る関数によってこの係数βを算出すると共に、炉体温度をＴｆ，試料温度をＴｓ，フィードバック温度をＴｃとして、
Ｔｃ＝β・Ｔｆ＋（１−β）・Ｔｓ
の計算によりフィードバック温度を算出するものであることが好ましい。
【００１７】
上記構成の場合には、炉体温度と試料温度の加重平均によってフィードバック温度を計算する。ただし、係数βの値は、プログラム温度と試料温度との温度差に応じて変化するので、この試料温度がフィードバック温度に関与する割り合いを動的に変更することができるようになる。また、この試料温度が関与する割り合いは、温度差に応じて連続的に変化するので、試料温度の変化に屈曲や段付き等の温度プログラムにはない変化が現れるようなおそれもない。
【００１８】
ここで、係数βは、プログラム温度と試料温度との温度差によっては、０又は１の値を取る場合があってもよいので、関数の値域は０≦β≦１の範囲となる。しかし、どの温度差の場合にも常に０又は１の値となることは認められないので、この関数は０＜β＜１の範囲の値も取り得るものでなければならない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２０】
図１乃至図３は本発明の一実施形態を示すものであって、図１は熱分析装置の温度制御部の構成を示すブロック図、図２はプログラム温度と試料温度との温度差Ｔｐ−Ｔｓと係数βとの正規分布型の関係を示す図、図３はプログラム温度と試料温度との温度差Ｔｐ−Ｔｓと係数βとの他の関係を示す図である。なお、図４及び図５に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。
【００２１】
本実施形態の熱分析装置は、図４で示した従来例と同様の構造である。従って、炉体温度Ｔｆは、加熱炉本体１のヒータ線２近傍に埋め込まれた炉体温度検出器３によって検出される。また、試料温度Ｔｓは、センサユニット４の熱電対の線材４ｂによって検出される。
【００２２】
上記熱分析装置の温度制御部は、図１に示すように、比較器１１でプログラム温度Ｔｐとフィードバック温度Ｔｃとの差である温度偏差Ｔｐ−Ｔｃが計算される。そして、この温度偏差Ｔｐ−Ｔｃがヒータパワー調節器１２に送られて、ヒータ線２のヒータパワーが調節され加熱炉本体１の温度制御が行われる。フィードバック温度Ｔｃは、演算器１３が炉体温度Ｔｆと試料温度Ｔｓとプログラム温度Ｔｐに基づいて算出した制御系のフィードバック量である。そして、これらの炉体温度Ｔｆと試料温度Ｔｓは、上記のように炉体温度検出器３とセンサユニット４によって検出される。
【００２３】
演算器１３は、炉体温度Ｔｆと試料温度Ｔｓとをパラメータとする関数ｆによって、
Ｔｃ＝ｆ（Ｔｆ，Ｔｓ）
の計算を行うことによりフィードバック温度Ｔｃを算出するものである。従って、制御系のフィードバック量であるフィードバック温度Ｔｃが炉体温度Ｔｆだけでなく試料温度Ｔｓも考慮した温度となる。このフィードバック温度Ｔｃを炉体温度Ｔｆと試料温度Ｔｓとの線形結合とする場合には、例えばβを０＜β＜１の範囲の定数として、
Ｔｃ＝β・Ｔｆ＋（１−β）・Ｔｓ
の計算を行うようにする。
【００２４】
また、上記関数ｆは、
Ｔｃ＝ｆ（Ｔｆ，Ｔｓ，Ｔｐ）
のように、炉体温度Ｔｆと試料温度Ｔｓに加えてプログラム温度Ｔｐもパラメータとすることができる。例えばプログラム温度Ｔｐと試料温度Ｔｓとの温度差Ｔｐ−Ｔｓをパラメータとする関数ｇによって、
β＝ｇ（Ｔｐ−Ｔｓ）
の計算を行うことにより係数βの値を定め、次に、
Ｔｃ＝β・Ｔｆ＋（１−β）・Ｔｓ
の計算を行うことによりフィードバック温度Ｔｃを算出することもできる。この場合、係数βは、温度差Ｔｐ−Ｔｓの値に応じて変化する。そして、この温度差Ｔｐ−Ｔｓが大きいほど係数βの値を小さくして、フィードバック温度Ｔｃに試料温度Ｔｓが関与する割り合いが高くなるようにする。
【００２５】
上記のような係数βを算出するための関数ｇとしては、例えば
β＝ｅｘｐ（−｛Ｔｐ−Ｔｓ｝２／０．０８）
のような正規分布型のものを用いることができる。この場合、温度差Ｔｐ−Ｔｓと係数βとの関係は、図２に示すような正規分布曲線によって表される。即ち、温度差Ｔｐ−Ｔｓが０のときにβが１となって炉体温度Ｔｆのみがフィードバック温度Ｔｃに関与し、温度差Ｔｐ−Ｔｓの絶対値が大きくなるほど係数βが０に近づき試料温度Ｔｓが関与する割り合いが高くなる。また、温度差Ｔｐ−Ｔｓが０．２Ｋのときに係数βが約０．６となって、炉体温度Ｔｆと試料温度Ｔｓとが同程度にフィードバック温度Ｔｃに関与することになる。
【００２６】
また、上記温度差Ｔｐ−Ｔｓと係数βとの関係は、図３に示すような曲線によって表されるようなものであってもよい。この場合、温度差Ｔｐ−Ｔｓの絶対値がしきい値である０．２Ｋ以下となる場合には係数βが１となって炉体温度Ｔｆのみがフィードバック温度Ｔｃに関与する。しかし、温度差Ｔｐ−Ｔｓの絶対値が０．２Ｋよりも大きくなると、係数βが０に近づき試料温度Ｔｓが関与する割り合いが高くなる。
【００２７】
上記構成の熱分析装置の温度制御部は、炉体温度Ｔｆと試料温度Ｔｓとを考慮してフィードバック温度Ｔｃを算出し、プログラム温度Ｔｐとの温度偏差Ｔｐ−Ｔｃを計算するので、例えばこのプログラム温度Ｔｐと炉体温度Ｔｆとの間にほとんど温度差がない場合であっても、試料温度Ｔｓがこれよりも十分に低い温度であれば、ヒータパワー調節器１２がヒータ線２への通電電力を増大させてヒータパワーを大きくすることができる。従って、試料温度Ｔｓは、大きな時間遅れを生じることなくプログラム温度Ｔｐの変化に正確に追従することができるようになる。
【００２８】
また、プログラム温度Ｔｐと試料温度Ｔｓとの温度差が小さい場合には、この試料温度Ｔｓがフィードバック温度Ｔｃに関与する割り合いを小さくするので、ほぼ従来と同様の炉体温度Ｔｆのみによる温度制御を行うことができ、制御系の安定性が損なわれるのを防止することができる。
【００２９】
さらに、試料温度Ｔｓがフィードバック温度Ｔｃに関与する割り合いをプログラム温度Ｔｐとこの試料温度Ｔｓとの温度差に応じて連続的に変化させるので、試料温度Ｔｓの変化に屈曲や段付き等の温度プログラムにはない変化が現れるようなおそれも生じない。
【００３０】
なお、上記実施形態では、試料収納部１ａに試料のみを収納する熱天秤等の熱分析装置について説明したが、例えば示差熱分析（ＤＴＡ）装置等の場合には、この試料収納部１ａに本来の試料５の他に、この試料５の比較対象となる基準物質も収納されるので、このような場合には、センサユニット４が検出する試料温度Ｔｓを基準物質の温度とすることもできる。特に、試料５が転移を生じるような場合には、ヒータ線２の発熱量を増加してもこの試料５の温度が全く上昇しないようなことがあるので、このような場合は、試料５に代えて基準物質の温度を試料温度Ｔｓとすることが望ましい。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の熱分析装置によれば、炉体温度だけでなく試料温度も考慮して加熱炉本体の温度制御を行うので、加熱炉本体の熱容量が大きい場合にも、実際に温度制御の対象となる試料温度を正確にプログラム温度に追従させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであって、熱分析装置の温度制御部の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すものであって、プログラム温度と試料温度との温度差Ｔｐ−Ｔｓと係数βとの正規分布型の関係を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態を示すものであって、プログラム温度と試料温度との温度差Ｔｐ−Ｔｓと係数βとの他の関係を示す図である。
【図４】熱分析装置の構造を示す縦断面正面図である。
【図５】従来例を示すものであって、熱分析装置の温度制御部の構成を示すブロック図である。
【図６】従来例を示すものであって、炉体温度Ｔｆと試料温度Ｔｓとの温度変化の相違を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１    加熱炉本体
１ａ  試料収納部
２    ヒータ線
３    炉体温度検出器
４    センサユニット
５    試料
１３    演算器
１２    ヒータパワー調節器
１１    比較器
【図１】
0003570042.tif 000002
【図２】
0003570042.tif 000003
【図３】
0003570042.tif 000004
【図４】
0003570042.tif 000005
【図５】
0003570042.tif 000006
【図６】
0003570042.tif 000007