(57)【要約】本発明は、第１材料からなる金属製の第１導体（２）と、第２材料からなる金属製の第２導体（３）とを有し、第１材料が第２材料と異なり、第１導体（２）と第２導体（３）とが互いに機械的に非対称で電気的に対称である、高電圧部品の温度を測定する熱電対（１）に関する。本発明はまた、本発明に係る熱電対（１）を有する温度測定システム（１０）及び本発明に係る熱電対（１）の製造方法に関する。
2021507255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧部品の温度を測定するための熱電対（１）であって、
第１材料からなる金属製の第１導体（２）と、
前記第１材料とは異なる第２材料からなる金属製の第２導体（３）と、を備え、
前記第１導体（２）及び前記第２導体（３）は、互いに機械的に非対称で電気的に対称であることを特徴とする熱電対（１）。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電対（１）であって、
前記第１導体（２）は、前記第２導体（３）よりも高い抵抗率を有し、
前記第１導体（２）の断面積は、前記第２導体（３）の断面積よりも係数分だけ又は実質的に係数分だけ大きく、よって前記第１導体（２）の抵抗率が前記第２導体（３）の抵抗率よりも高いことを特徴とする熱電対（１）。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱電対（１）であって、
前記第１導体（２）は、クロムニッケルもしくは鉄、又は主にクロムニッケルもしくは鉄からなり、
前記第２導体（３）は、ニッケルもしくは銅ニッケル、又は主にニッケルもしくは銅ニッケルからなることを特徴とする熱電対（１）。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の熱電対（１）であって、
少なくとも部分的に、前記第１導体（２）の周囲に管状の第１絶縁シース（４）が形成され、
少なくとも部分的に、前記第２導体（３）の周囲に管状の第２絶縁シース（５）が形成され、
前記第１導体及び前記第２導体はワイヤ状に構成されることを特徴とする熱電対（１）。
【請求項５】
請求項４に記載の熱電対（１）であって、
前記第１導体（２）、前記第２導体（３）、前記第１絶縁シース（４）、及び前記第２絶縁シース（５）の周囲に、少なくとも部分的に共通の第３絶縁シース（６）が形成されることを特徴とする熱電対（１）。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の熱電対（１）であって、
前記第１導体（２）及び前記第２導体（３）は、少なくとも部分的に捻じり合わされることを特徴とする熱電対（１）。
【請求項７】
請求項４から６のいずれか一項に記載の熱電対（１）であって、
前記第１絶縁シース（４）の外周面は、少なくとも部分的に前記第２絶縁シース（５）の外周面に接していることを特徴とする熱電対（１）。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の熱電対（１）であって、
前記第１導体（２）、前記第２導体（３）、前記第１絶縁シース（４）、前記第２絶縁シース（５）、及び／又は前記第３絶縁シース（６）は、フレキシブルに構成されていることを特徴とする熱電対（１）。
【請求項９】
温度を測定する温度測定システム（１０）であって、
請求項１から８のいずれか一項に記載の熱電対（１）と、
アナログ−デジタル変換器（７）と、
前記アナログ−デジタル変換器（７）に信号接続されたマイクロプロセッサ（９）と、
を備えることを特徴とする温度測定システム（１０）。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか一項に記載の熱電対（１）を製造する方法であって、
前記第１絶縁シース（４）と共に前記第１導体（２）を提供するステップと、
前記第２絶縁シース（５）と共に前記第２導体（３）を提供するステップと、
前記第１絶縁シース（４）の内部に位置する前記第１導体（２）を、前記第２絶縁シース（５）の内部に位置する前記第２導体（３）と共に少なくとも部分的に捻じり合わせるステップと、
前記捻じり合わせた導体（２，３）を、少なくとも部分的に第３絶縁シース（６）で覆うステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１材料からなる金属製の第１導体と、第１材料と異なる第２材料からなる金属製の第２導体とを有する高電圧部品の温度を測定する熱電対に関する。また、本発明は、熱電対を備えた温度測定システム、及び熱電対の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電対による温度測定は、従来からよく知られている。例えば、この種の熱電対が特開２０１６−０１１８８０号公報により開示されている。
【０００３】
熱電対は、一般に、対となる材料に依存して、約６μＶ／Ｋから約４２μＶ／Ｋの範囲の非常に小さな電圧を生成する。したがって、測定精度を向上させるために、熱電対はシールドされることが多く、これらの電圧の干渉、即ち、測定結果への影響はできるだけ小さく抑えられる。しかし、遮蔽物は高価である。さらに、このような遮蔽物を、例えばアダプタープラグの場合に、全体にわたって設けることはできないことが多く、その結果、依然として干渉によって測定誤差が引き起こされ得る。
【０００４】
熱電対によって生成される電圧の干渉に関して考えられる問題を考慮に入れるためのさらなる手段は、測定入力を高度にフィルタリングすることである。しかし、これは、測定を遅くし、その結果、これに応じて操作プロセスへの応答が遅延する。熱変化は、大きな質量に対して比較的ゆっくりともたらされ、そのため、このような測定対象に対しては、ゆっくりとした測定方法で十分な可能性もある。しかしながら、測定対象が小さく、したがって小さな熱時定数を有する場合、急激な温度変化に対応して迅速に測定することができるようにするために、熱慣性の低いセンサも熱電対に使用しなければならない。
【０００５】
これらの場合、満足なフィルタリングは実現可能ではない。また、測定線を長くすれば、干渉の影響が大きくなり、結果的に測定誤差も大きくなることも考慮する必要がある。
【０００６】
高電圧レベルでの測定の場合、既知の熱電対上のセンサ・チップは電気的に絶縁されている。その結果、センサ・チップも熱絶縁されており、すでに述べたゆっくりとした反応測定につながる。測定対象が高電位である場合、フィルタコンデンサは、利用可能な既存の空間を有するマルチチャネル測定システム、特に近代的な小型化された構造の場合には、その全体の大きさのため、しばしば不可能である。このような測定対象は、コンバータシステム又はバッテリ上のバスバー等であり、大きな高周波コモンモード干渉を受ける場合がある。コモンモード干渉は、対称的な測定入力を前提とする。そうでない場合、同相干渉はシリーズモード干渉となり、測定誤差として作用する可能性があるためである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、上述した欠点を少なくとも部分的に克服することである。特に、本発明の目的は、高電圧範囲を含む温度及び／又は急速に変化する温度を、容易に、堅牢で、低コストで、干渉を受けない方法で測定することができる、熱電対及び温度測定システムを提供することである。さらに、本発明の目的は、本発明に係る熱電対の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的は、特許請求の範囲によって達成される。特に、上記目的は、請求項１記載の熱電対、請求項１０記載の温度測定システム及び請求項１１記載の熱電対の製造方法によって達成される。発明のさらなる利点は、従属項、本明細書及び図面によって提供される。言うまでもないが、熱電対に関連して記載された特徴や詳細は、本発明に係る温度測定システムや、本発明に係る熱電対の製造方法にも妥当する。逆に、それぞれの場合において、本発明の個々の態様に関する開示に関しては、引用があるか、又は常に他のものから引用することが可能である。
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、高電圧部品の温度を測定するための熱電対が提供される。熱電対は、第１材料からなる金属製の第１導体と、第２材料からなる金属製の第２導体とを有し、第１材料は、第２材料とは異なる。本発明によれば、第１導体と第２導体とは、互いに、機械的に非対称で電気的に対称である。
【００１０】
熱電対の適用では、数μＶ／Ｋの範囲の非常に小さな電圧差を非常に正確に測定しなければならない。例えば、スパークプラグ近傍又はコンバータのバスバーの近傍のように、干渉の影響を受ける領域では、これまで、常に、小さな測定信号の遮蔽、配線の長さを短くすること、電気的絶縁及び／又はフィルタリングに焦点が当てられていた。これは、原因が対となる材料の非対称性にあるという事実を見逃してきた。
【００１１】
機械的非対称性は、特に、サイズの異なる断面積を有する第１導体及び第２導体によって生じている。即ち、第１導体は、例えば、第２導体の断面積よりも少なくとも部分的に大きい断面積を有していたり、その逆も同様である。この場合、断面積の違いは、２つの導体の間の電気的対称性が得られるように選択される。電気的対称性は、第１導体と第２導体とが、それぞれ、単位長さあたり同一の、あるいは実質的に同一に抵抗を有することを意味するものとして理解されるべきである。
【発明の効果】
【００１２】
これにより、任意の所望の長さの熱電対を作成することができ、これは、コモンモード干渉を受けたとき、遮蔽されなくても、エラーのない、干渉を受けない測定信号を送信することができる。本発明の内容により実施された多岐にわたる試験において、ラインの構造が電気的に対称であれば、すなわち、第１の線の単位長さ当たりの電気抵抗が第２の線の単位長さ当たりの電気抵抗と等しい場合は、熱電対のセンサ先端の絶縁材料と遮蔽処理を省略可能であることが見出された。好ましくは、第１の線の長さも第２の線の長さに等しい。その結果、特に好ましくは、第１の線の絶対電気抵抗は、第２の線の絶対電気抵抗に等しい。
【００１３】
その結果、特に高電圧レベル又は高周波コモンモード干渉を伴う温度測定は、付加的な熱慣性又は時間遅延なしに干渉の影響を受けずに測定することができる。この場合の測定線の長さは、干渉感度や電位測定誤差には影響しない。
【００１４】
熱電対は、高電位差や高電圧の領域で高電圧部品の温度を正確に測定するのに適している。熱電対は、特に温度差を記録するための熱電測定装置の意味として理解されるべきである。本発明に係る熱電対は、その結果、特に温度変化を判断するために設計された焦電測定システムの技術分野とは区別されるべきである。温度差を記録するとは、測定が２つの異なる場所で同時に行われ、２つの場所の温度差が測定された電圧に基づいて決定されることを意味すると理解されるべきである。第１の場所の温度が既知であれば、結果的に第２の場所の温度を決定することができる。対照的に、温度の変化を決定するとは、異なる時間に同じ場所で測定が行われ、異なる時間における温度の差のみが決定されることを意味するものと理解されるべきであり、一方、測定場所での実際の温度は、これによって決定されるものではない。
【００１５】
高電圧部品の温度を測定するとは、好ましくは、高電圧部品上の変化する温度を測定すること、特に高電圧部品の少なくとも一部の変化する温度を測定することを意味するものと理解されるべきである。
【００１６】
金属製の第１導体は、完全に、又は実質的に完全に金属から構成されてもよい。同様に、金属製の第２導体は、完全に、又は実質的に完全に金属から構成されてもよい。
【００１７】
発展例によれば、本発明に係る熱電対の場合、第１導体が第２導体よりも高い抵抗率を有し、かつ第１導体の断面積が第２導体の断面積よりも係数分だけ又は実質的に係数分だけ大きく、これにより第１導体の抵抗率が第２導体の抵抗率よりも高くなっている。すなわち、線断面積は抵抗値に比例する。これにより、単位長さあたりの抵抗ができるだけ等しい２本の線が得られる。その結果、電気的対称性が、所望の機械的非対称性と共に特に確実に実現される。このようなシステムでは、それに対応して干渉のない測定値が期待できる。
【００１８】
また、本発明による熱電対の場合、第１導体はクロムニッケル又は鉄、又は主にクロムニッケル又は鉄からなり、第２導体はニッケル又は銅ニッケル、又は主にニッケル又は銅ニッケルからなることも可能である。ニッケル及びクロムニッケルならびに鉄及び銅ニッケルは、低コストで確実に機能する金属ペアであることが、本発明の内容で実施された試験において見出されている。
【００１９】
さらなる変形例によれば、本発明の熱電対の場合、第１導体及び第２導体は、それぞれの場合において、ワイヤ状に構成される。その結果、熱電対は、特に簡易かつ省スペースな形態で構成することができる。ワイヤ状の構成とは、特に、丸い断面を有する、細く、長く、かつフレキシブルな幾何形状を意味するものとして理解されるべきである。
【００２０】
このようにして、本発明によれば、熱電対の場合、管状の第１絶縁シースが、少なくとも部分的に第１導体の周囲に形成され、管状の第２絶縁シースが、少なくとも部分的に第２導体の周囲に形成される。
【００２１】
その結果、熱電対を、依然として構造的に簡易かつ省スペースな形態で提供することができる。絶縁シースは、電気絶縁シースとして構成されることが好ましい。すなわち、絶縁シースは、機械的負荷耐性能力が高く、電気伝導率が無視できる電気絶縁体に相当することが好ましい。絶縁シースは、高電圧絶縁シースが好ましい。絶縁シースは、第１導体と第２導体との間の電流の流れを防止することができる。
【００２２】
また、本発明に係る熱電対の場合には、第１導体、第２導体、第１絶縁シース及び第２絶縁シースの周囲の少なくとも一部に、共通の第３絶縁シースを形成することも可能である。その結果、本発明に係る簡易かつ省スペースな構成を、外的な効力に関して特に堅牢な形態で提供することができる。また、第３絶縁シースは、第１導体及び第２導体並びに第１絶縁シース及び第２絶縁シースを所望の位置に確実に保つことを可能にする。
【００２３】
本発明のさらなる変形例では、熱電対の場合、第１導体と第２導体とを、少なくとも部分的に一緒に捻じることが可能である。その結果、熱電対の機械的構造を特に堅牢な形で提供することができる。第１導体及び第２導体は、一回だけ捻じり合わされることが好ましい。これにより、熱電対を特に簡易な構造で提供することもできる。
【００２４】
また、本発明に係る熱電対の場合には、第１絶縁シースの外周面が、第２絶縁シースの外周面に対して少なくとも部分的に接することも可能である。また、このようにして、熱電対を特にコンパクトで堅牢な形で設けることができ、これにより、熱電対の確実な動作を確保することができる。
【００２５】
また、本発明に係る熱電対の場合、第１導体、第２導体、第１絶縁シース、第２絶縁シース及び／又は第３絶縁シースがフレキシブルに構成されていると、有利である場合がある。これにより、熱電対をフレキシブルに使用することができる。また、熱電対の柔軟性により、熱電対に作用する力を逃がすことができるため、外力の影響による熱電対の損傷を防ぐことができる。これにより、熱電対の確実な動作が確保できる。柔軟な部品とは、力の影響下で少なくともある程度弾性変形可能な部品を意味するものと理解されるべきである。
【００２６】
本発明のさらなる態様によれば、温度を測定するための温度測定システムが利用可能となる。温度測定システムは、上述の熱電対と、アナログ−デジタル変換器と、右アナログ−デジタル変換器に信号的に接続されたマイクロプロセッサとを有する。したがって、本発明に係る温度測定システムは、本発明に係る熱電対を参照して詳細に説明したのと同じ利点をもたらす。マイクロプロセッサは、一般に、電子式開ループ及び閉ループ制御ユニットを意味するものとして理解され得る。温度測定システムを確実に動作させるために、マイクロプロセッサは、好ましくは絶縁材料によって、特に電気絶縁材料によって、アナログ−デジタル変換器から電気的に絶縁されるように配置される。これは、絶縁体がマイクロプロセッサとアナログ−デジタル変換器との間の電気絶縁のために配置されていることを意味する。
【００２７】
加えて、本発明の範囲内において、上述した熱電対の製造方法が利用可能となる。この方法は、以下のステップを有する。
・第１絶縁シースと共に第１導体を提供するステップ、
・第２絶縁シースと共に第２導体を提供するステップ、
・第１絶縁シースの内部に位置する第１導体を、第２絶縁シースの内部に位置する第２導体と共に少なくとも部分的に捻じり合わせるステップ、及び
・捻じり合わせた導体を、少なくとも部分的に第３絶縁シースで覆うステップ。
【００２８】
この方法は、好ましくは、機械によって、自動化された方法で実行される。その結果、熱電対を素早く、低コスト、高品質で提供することができる。
【００２９】
本発明を改善するさらなる対策は、図に概略的に示されている本発明の様々な例示的実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。設計の詳細及び空間的配置を含む請求項、明細書又は図面から生じる全ての特徴及び／又は利点は、それら自体及び様々な組み合わせの両方において、本発明にとって必須であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明に係る一実施形態による熱電対の断面図を示す。
【図２】図２は、本発明に係る温度測定システムの等価回路図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
同じ機能及び動作モードを有する要素は、それぞれ、図１及び図２において同じ参照符号を備えている。
【００３２】
図１に、高圧部品の温度を測定するための熱電対１を模式的に示す。この熱電対１は、クロムニッケルからなる金属製の第１導体２と、ニッケルからなる金属製の第２導体３とを有している。図１の断面図から分かるように、第１導体２は、第２導体３よりも大きな断面積を有する。その結果、第１導体２と第２導体３とは、互いに機械的に非対称となる。それにもかかわらず、選択された金属ペアにより、第１導体２と第２導体３とは、互いに電気的に対称である。本例では、クロムニッケルからなる第１導体２がニッケルからなる第２導体３よりも高い抵抗率を有し、第１導体２の断面積が第２導体３の断面積よりも係数倍だけ、又は実質的に係数倍だけ大きく、これにより、第１導体２の抵抗率が第２導体３の抵抗率よりも高くなることによって、可能な限り理想的な電気対称性が得られる。別の金属ペアとして可能なのは、第１導体２については鉄であり、第２導体３については銅ニッケルである。
【００３３】
図１からも分かるように、第１導体２及び第２導体３は、それぞれ、円形断面を有するワイヤ状に構成されている。その結果、第１導体２及び第２導体３は、フレキシブルに構成される。また、第１導体２の周囲には管状の第１絶縁シース４が形成され、第２導体３の周囲には管状の第２絶縁シース５が形成される。さらに、第１導体２、第２導体３、第１絶縁シース４、及び第２絶縁シース５の周囲には、共通の第３絶縁シース６が形成される。すなわち、第３絶縁シース６が第１絶縁シース４及び第２絶縁シース５に直接接触しており、第１導体２は第１絶縁シース４によって第３絶縁シースから離れた位置に保たれると共に、第２導体３が第２絶縁シース５によって第３絶縁シースから離れた位置に保たれる。
【００３４】
それぞれの絶縁シース４，５を有する第１導体２及び第２導体３は、一緒に、一回分の捻じりが加えられる。この場合、第１絶縁シース４の外周面は、第２絶縁シース５の外周面に接している。
【００３５】
ここで、図１を用いて、図示した熱電対１又は熱電対１の発明に係る部分の製造方法について説明する。第１のステップＳ１では、このために第１絶縁シース４を有する第１導体２と、第２絶縁シース５を有する第２導体３とが設けられる。続く第２のステップＳ２では、第１絶縁シース４の内部の第１導体２と、第２絶縁シース５の内部の第２導体３とが捻じり合わされる。その後、それぞれ絶縁シース４，５の内部にある、捻じり合わされた導体２，３は、第３絶縁シース６で覆われる。
【００３６】
図２には、上述した熱電対１を用いて高圧測定対象物の温度を測定する温度測定システム１０の等価回路図が図示されている。温度測定システムは、この目的のために、熱電対１、アナログ−デジタル変換器７、及びアナログ−デジタル変換器７と信号接続するマイクロプロセッサ９を有する。マイクロプロセッサ９は、絶縁材料８によってアナログ−デジタル変換器７から電気的に絶縁されるように配置される。図２から分かるように、温度測定システム１０の第１導体２は、第２導体３とは異なる電気抵抗を有する。
【００３７】
図示された実施形態とは別に、本発明は、さらなる構成原理を可能にする。すなわち、本発明は、図示された実施形態に限定されるものとみなすべきではない。
【符号の説明】
【００３８】
１          電熱対
２          第１導体
３          第２導体
４          第１絶縁シース
５          第２絶縁シース
６          第３絶縁シース
７          アナログ−デジタル変換器
８          絶縁材料
９          マイクロプロセッサ
１０        温度測定システム
【図１】
2021507255.tif 000003
【図２】
2021507255.tif 000004
【国際調査報告】
2021507255.tif 000005
2021507255.tif 000006
2021507255.tif 000007
2021507255.tif 000008
2021507255.tif 000009
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