(57)【要約】【課題】誘導加熱や電磁撹拌、ＩＨヒータ等の加熱手段に細工することなく、汎用性があり、且つノイズ除去率の更なる向上が可能となり、加熱手段から交番磁界が生じる状況下においても、ノイズによって乱れることなく安定した指示をなし、より正しい温度計測を可能とする熱電対を提供せんとする。【解決手段】組をなす熱電対線２Ａ，２Ｂの各異種素線の間隔Ｄ１，Ｄ２を互いに略同一に設定するとともに、各温接点２０Ａ，２０Ｂが互いに略同じ長さ位置Ｌ１，Ｌ２で、かつ異種素線を含む面同士が互いに平行であり、さらに異種素線の成す回路極性が互いに逆になるように並べて配置し、さらに各熱電対線２Ａ，２Ｂを基端側において並列又は直列に接続する回路部５を設けることにより、各熱電対線２Ａ，２Ｂに誘起される起電力が打ち消され、電磁誘導ノイズを効果的に除去できるように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に温接点を備えた一対の異種素線より構成される熱電対線を複数設けてなる熱電対であって、２つの熱電対線よりなる組を単又は複数設け、前記組を成している各熱電対線を、互いに異種素線間の間隔を略同一に設定するとともに、各温接点が略同じ長さ位置で且つ異種素線の成す回路極性が互いに逆になるように設定しつつ、互いに異種素線を含む面同士が平行になるように並べて配置し、前記各熱電対線を基端側において並列又は直列に接続する回路部を設け、外部磁場により各熱電対線に誘起される起電力を打ち消すように構成したことを特徴とする熱電対。
【請求項２】
前記複数の熱電対線を金属シース内に納め、無機絶縁物で充填密封して一体化してなる請求項１記載の熱電対。
【請求項３】
前記組を成している平行な熱電対線を、ツイストペアー化してなる請求項１又は２記載の熱電対。
【請求項４】
前記各熱電対素線を基端側において直列に接続する回路部に、各熱電対素線よりなる２倍の熱起電力を半減化する半減化回路を設けた請求項１〜３の何れか１項に記載の熱電対。
【請求項５】
前記回路部に、さらにローパスフィルタを設けてなる請求項１〜４の何れか１項に記載の熱電対。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、先端に温接点を有する一対の異種素線からなる熱電対に係わり、より詳しくは、外部磁場により誘起される電磁誘導ノイズを効果的に除去できる熱電対に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導加熱や電磁撹拌、半導体ヒータ、ＩＨヒータ等の加熱手段においては、導電性物質に交番磁界を与えて、うず電流損（強磁性体ではヒステリシス損も加わる）を生じさせて発熱させている。このような加熱手段の近傍に配置される熱電対の温度センサには、交番磁界による電磁誘導ノイズが生じ、温度指示が安定しないといった現象が生じている。
【０００３】
このような電磁誘導ノイズを防止するための技術として、従来、熱電対の温度センサに誘導又は誘電加熱装置の発振出力の開閉を制御する機能を付加して、計測の瞬間だけ誘導又は誘電加熱装置の発振出力を停止させて、計測のノイズとなる磁界及び電界を計測時のみ消失させるようにしたことを特徴とするシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、このようなシステムは加熱手段の動作を制御するための特別の回路及び装置が必要となり、大掛かりとなりコスト高となるとともに、汎用性のない温度センサとなってしまう。
【０００４】
これに対して、熱電対の温度センサ自体に電磁誘導ノイズを防止する構造上の工夫をするものとしては、従来、熱電対を構成する異種素線をツイストペアー化し、素線が螺旋状に配置された長手方向に沿って、反対方向の起電力が交互に発生するようにして隣同士、起電力を打ち消しあうように構成したものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。このような熱電対を用いれば、加熱装置に細工をすることなく汎用性のある温度センサを提供することが可能となる。しかし、このようなツイストペアー化した熱電対を正確に隣同士、同一面積の螺旋状に作製することは難しく、ノイズ除去率の向上には一定の限界があった。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３０４１９３号公報
【特許文献２】特開平８−８６６９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、誘導加熱や電磁撹拌、ＩＨヒータ等の加熱手段に細工することなく、汎用性があり、且つノイズ除去率の更なる向上が可能となり、加熱手段から交番磁界が生じる状況下においても、ノイズによって乱れることなく安定した指示をなし、より正しい温度計測を可能とする熱電対を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前述の課題解決のために、先端に温接点を備えた一対の異種素線より構成される熱電対線を複数設けてなる熱電対であって、２つの熱電対線よりなる組を単又は複数設け、前記組を成している各熱電対線を、互いに異種素線間の間隔を略同一に設定するとともに、各温接点が略同じ長さ位置で且つ異種素線の成す回路極性が互いに逆になるように設定しつつ、互いに異種素線を含む面同士が平行になるように並べて配置し、前記各熱電対素線を基端側において並列又は直列に接続する回路部を設け、外部磁場により各熱電対線に誘起される起電力を打ち消すように構成したことを特徴とする熱電対を構成した。
【０００８】
ここで、前記複数の熱電対線を金属シース内に納め、無機絶縁物で充填密封して一体化したものが好ましい。
【０００９】
前記組を成している平行な熱電対線を、ツイストペアー化したものが好ましい。
【００１０】
前記各熱電対素線を基端側において直列に接続する回路部に、各熱電対素線よりなる２倍の熱起電力を半減化する半減化回路を設けたものが好ましい。
【００１１】
前記回路部に、さらにローパスフィルタを設けたものが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
以上にしてなる本願発明に係る熱電対は、組を成している各熱電対線を、互いに異種素線間の間隔を略同一に設定するとともに、各温接点が略同じ長さ位置で且つ異種素線の成す回路極性が互いに逆になるように設定しつつ、互いに異種素線を含む面同士が平行になるように並べて配置することにより、熱電対に交差する磁束の変化によって各熱電対線に誘起される電磁誘導起電力を、互いに大きさが等しく且つ位相が１８０°ずれたものとすることができ、このような各熱電対素線を基端側において並列又は直列に接続する回路部により、この起電力を互いに打ち消して純粋な測定用の熱起電力出力を得ることができるため、従来のツイストペアー化したものに比べて、設計上の精度アップを図ることが容易であるため、さらなるノイズ除去率の向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００１４】
図１（ａ）は、本発明に係る熱電対１の全体構成を示す概略図であり、図１〜５は代表的実施形態を示し、図中符号１は熱電対、２Ａ，２Ｂは組を成す２つの熱電対線、３は金属シース、４は無機絶縁物、５は回路部、６は補償導線、７は計測器をそれぞれ示している。
【００１５】
本発明の熱電対１は、図１（ａ）に示すように、金属シース３内部に、異種素線２１Ａ(+)，２１Ａ(-)よりなり先端側に温接点２０Ａを形成した熱電対線２Ａと、同じく温接点２０Ｂを先端に形成した異種素線２１Ｂ(+)，２１Ｂ(-)よりなる熱電対線２Ｂとの２つの熱電対線からなる組を一組設けたものである。これら熱電対線２Ａ，２Ｂは、従来と同様、たとえばプラス側素線にニッケル−クロム合金、マイナス側素線にニッケル合金を用いることができるが、とくに限定されるものではない。
【００１６】
そして、本発明では特に、図１（ｂ）の断面図にも示すように、これら組をなす熱電対線２Ａ，２Ｂの各異種素線の間隔Ｄ１，Ｄ２を互いに略同一に設定するとともに、各温接点２０Ａ，２０Ｂが互いに略同じ長さ位置Ｌ１，Ｌ２で、かつ異種素線を含む面同士が互いに平行であり、さらに異種素線の成す回路極性が互いに逆になるように、即ち、たとえば従来のDuplex Thermocouple Cableの断面素線配置と同じように、平行に配置される各熱電対線２Ａ，２Ｂの同じ側に配置される素線２１Ａ，２１Ｂが異なる極性となるように並べて配置し、さらに各熱電対線２Ａ，２Ｂを基端側において並列又は直列に接続する回路部５を設けることにより、熱電対１に交差する外部磁界の磁束変化によって各熱電対線２Ａ，２Ｂに誘起される起電力が打ち消され、電磁誘導ノイズを効果的に除去できるように構成したことを特徴としている。なお、各素線は上記直列又は並列接続以外に接続箇所はない。
【００１７】
つまり、図２のように交番磁界があるとき、磁束が変化してレンツの法則により２１Ａ(+)，２１Ａ(-)にプラスの電磁誘導が発生すれば、２１Ｂ(-)，２１Ｂ(+)にはマイナスの電磁誘導が発生する。電磁誘導電圧の大きさは、素線の配置が、熱電対線２Ａ，２Ｂで互いに対称にあり、磁場に比して素線間の距離は十分に小さいことから、素線近傍の磁場は互いに平行磁場とみなされる。その結果、素線２１Ａ(+)，２１Ａ(-)の熱電対線２Ａに誘起される電磁誘導電圧の大きさは、素線２１Ｂ(-)，２１Ｂ(+)の熱電対線２Ｂに誘起される電磁誘導電圧の大きさと等しく、かつ位相は１８０°ずれている。よって、双方の誘導電圧は打ち消しあって電磁誘導ノイズを抑えることができるのである。
【００１８】
図３に基づき、電磁誘導ノイズが打ち消す理由について詳しく説明する。熱電対（閉回路）を鎖交する磁束が時間的に変化すると、電磁誘導により、回路に電圧を誘起し、電流が流れる。誘起電圧の大きさは、磁束φ〔Ｗｂ〕の変化する早さに比例する。熱電対を１ターンのコイルとし、時間ｔ〔ｓ〕とすれば、熱電対の誘起電圧ｅ〔Ｖ〕は、ｅ＝−ｄφ／ｄｔで示される。（ノイマンの法則）また、誘起電圧の方向は、熱電対と鎖交する磁束が変化するとき、その変化を妨げるような方向に電流を流そうとする電圧が誘起する（レンツの法則）。すなわち、磁束の減少する場合には、磁束と誘起電圧の方向はアンペアの右ネジの法則に従う。この場合の誘起電圧の方向を正とすると、２対の熱電対の誘起電圧は図に示す方向に生じ、並列接続は同じ極性同士を、直列接続は異なる極性を接続することで指示計器の内部抵抗Ｒ（ＲI）に流れる電流の向きが逆で、２対の熱電対の寸法規格を極力同じにすることで鎖交する磁束が同じになり、誘起電圧は打ち消しあって電磁誘導ノイズは少なくなるのである。
【００１９】
本実施形態においては、複数の熱電対線２Ａ，２Ｂを金属シース３内に納め、無機絶縁物４で充填密封して一体化しており、従来と同様、金属シース３としては、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等）やニッケルクローム系耐熱合金（インコネル）等を用いることができ、シース内に充填する無機絶縁物４として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等を用いることができる。なお、本発明の熱電対はこのような構造に何ら限定されず、無機絶縁物４を充填するかわりにガイド部材を設け、該ガイド部材の挿通穴に素線を挿通するように構成したものや、素線を碍子で被覆して構成したものでもよい。また、本実施形態のように温接点をシース内に収納したもの以外に、先端の温接点をシース外に露出させた構造としてもよい。
【００２０】
本発明は、熱電対線２Ａ，２Ｂの各異種素線の間隔Ｄ１，Ｄ２、温接点２０Ａ，２０Ｂの長さ位置Ｌ１，Ｌ２をそれぞれ略同じに設定し、かつ互いに平行とすることで、各熱電対線２Ａ，２Ｂの素線でなす回路内面積を略同じに設定し、これにより該回路内を通過する磁束変化量を略同じにして最終的に起電力を打ち消すように構成したものであり、これら間隔や長さ位置、平行の設定は重要である。上記面積を略同じにするためには、異種素線の先端に温接点を形成する際に形成される三角形も、それぞれ温接点２０Ａ，２０Ｂで同じ形状となるようにすればよい。
【００２１】
また、本実施形態では、図１に示すように、回路部５をシース基端側に、例えば図示しない保護管等を介して設けられる端子箱内に設置するなどして一体的に構成し、そこから補償導線６、６を用いて計測器７に接続するように構成しているが、その他、図６に示すように、シース基端側に一体的に設けるのではなく、各素線２１Ａ，２１Ｂの基端側にコネクタ等を介して接続される補償導線６，…を用いて、別途構成した回路部５に接続し、さらに回路部５から補償導線６等により計測器７に接続するように構成するなど、回路部５の位置については特に限定されない。
【００２２】
まず、熱電対線２Ａ，２Ｂを回路部５で直列接続した場合の電磁誘導ノイズの除去の原理について説明する。図４（ａ）は、直列接続した回路部５の構成を示しており、図４（ｂ）はその電気的等価回路を示している。尚、本例では、直列接続により各熱電対線２Ａ，２Ｂから取得される熱起電力の総和を半減化（平均化）するた、抵抗Ｒ、Ｒよりなる半減化回路を設け、計測器に入力される熱起電力をそのまま使用できるようにしているが、このような半減化は特に必須ではない。
【００２３】
図４（ｂ）の等価回路において、ｒA，ｒBは、それぞれ熱電対線２Ａ，２Ｂの素線抵抗、ＥA，ＥBは、それぞれ熱電対線２Ａ，２Ｂの熱起電力（ＤＣ）（本来の測定用熱起電力）、ＶA，ＶBは、それぞれ熱電対線２Ａ，２Ｂの外部磁場による電磁誘導電圧（ＡＣ）（電磁誘導ノイズの原因となる誘導起電力）をそれぞれ示しており、ＲI≫Ｒ、Ｒ≫ｒA，ｒBの条件が成立する。この等価回路より、キルヒホフの法則から次式が得られる。
Ｅ0＝（ＥA＋ＥB＋ＶA＋ＶB）／２
【００２４】
ここで、測温接点の温度は同じであるから、ＥA＝ＥBである。また、ＶA，ＶBは交流電圧であり、その大きさは等しく位相は１８０°ずれているので、ＶA＋ＶB＝０である。したがって、Ｅ0＝ＥA＝ＥBとなり、電磁誘導ノイズは相殺され、熱起電力のみ測定できることとなる。ただし、熱電対線２Ａ，２Ｂの素線のなす回路内面積に多少の不均一があれば電磁誘導ノイズが少々発生することが避けられないが、これについては、回路部５にさらにローパスフィルタを構成することで除去できる。具体的には、図４（ａ），（ｂ）にそれぞれ破線で示すようなコンデンサＣを追加することが好ましい。
【００２５】
次に、熱電対線２Ａ，２Ｂを回路部５で並列接続した場合の電磁誘導ノイズの除去の原理について説明する。図５（ａ）は、熱電対線２Ａ，２Ｂを並列接続した回路部５を示しており、図５（ｂ）はその電気的等価回路を示している。
【００２６】
図５（ｂ）の等価回路において、ｒA，ｒBは、それぞれ熱電対線２Ａ，２Ｂの素線抵抗、ＥA，ＥBは、それぞれ熱電対線２Ａ，２Ｂの熱起電力（ＤＣ）、ＶA，ＶBは、それぞれ熱電対線２Ａ，２Ｂの外部磁場による電磁誘導電圧（ＡＣ）をそれぞれ示しており、ＲI≫ｒ、ｒA＝ｒB＝ｒの条件が成立する。ＶA，ＶBは交流電圧であり、その大きさは等しく位相は１８０°ずれている。この等価回路より、キルヒホフの法則から次式が得られる。
【００２７】
ｉA＝（ＥA＋ＶA−Ｅ0）／ｒA    ・・・（１）
ｉB＝（ＥB＋ＶB−Ｅ0）／ｒB    ・・・（２）
Ｅ0＝ＲI（ｉA＋ｉB）            ・・・（３）
（１）、（２）を（３）に代入して、
Ｅ0／ＲI＝（ＥA＋ＶA）／ｒA＋（ＥB＋ＶB）／ｒB−（Ｅ0／ｒA＋Ｅ0／ｒB）
Ｅ0（１／ＲI＋１／ｒA＋１／ｒB）＝ＥA／ｒA＋ＥB／ｒB＋ＶA／ｒA＋ＶB／ｒB
ここで、ｒA＝ｒB＝ｒより、
Ｅ0（１／ＲI＋２／ｒ）＝（ＥA＋ＥB）／ｒ＋（ＶA＋ＶB）／ｒ
【００２８】
また、ＶA＋ＶB＝０であるから、
Ｅ0（１／ＲI＋２／ｒ）＝（ＥA＋ＥB）／ｒとなり、電磁誘導ノイズは相殺され、熱起電力のみ測定できることとなる。
そして、ＲI≫ｒであるので、
２Ｅ0／ｒ＝（ＥA＋ＥB）／ｒ
したがって、Ｅ0＝（ＥA＋ＥB）／２となる。
【００２９】
この並列接続においても、同じくローパスフィルタを構成することが好ましい。具体的には、図５（ａ）において破線で示すようなコンデンサＣ、及び必要に応じて外付け抵抗Ｒを入れることがローパスフィルタを構成することができる。
Ｔ：ローパスフィルタの時定数（Time Consatant）
Ｔ＝（ｎe＋Ｒ）・Ｃ
ここで、１／ｎe＝１／ＲA＋１／ＲB
ＲA＝ＲBとすると、ｎe＝ＲA／２
電磁誘導ノイズの周波数（一番低い周波数、一般的には基本周波数）をｆminとすると、
Ｔ≫１／２πｆmin
Ｔ＝１０／２πｆminとすると、周波数ｆminの電磁誘導ノイズは１／１０に低減する。
【００３０】
なお、本実施形態では、各熱電対線２Ａ，２Ｂを構成している素線２１Ａ，２１Ｂをそれぞれストレートに構成しているが、図７に示すように、全体を螺旋状にねじり、熱電対線２Ａ，２Ｂ同士の平行関係を維持したままツイストペアー化することも好ましい実施例である。本発明は、熱電対線２Ａ，２Ｂ同士で、互いに生じた誘電起電力を打ち消しあうように構成するものであるが、本例のようにツイストペアー化することにより、各熱電対線に生じる誘導起電力自体をそれぞれ最小化することができ、打ち消しあう場合の誤差をより小さなものとしてノイズ除去率をより高めることが可能となる。
【００３１】
また、本実施形態では、互いに誘導起電力を打ち消しあう熱電対線２Ａ，２Ｂの組を一組のみ設けた例を説明したが、図８に示すように、互いに打ち消しあう熱電対線２Ａ，２Ｂと、同じく打ち消しあう熱電対線２Ｃ、２Ｄとを設けて、二組以上とすることもできる。この場合、打ち消しあう熱電対線を互いに平行に配置できれば、図中（ａ）、（ｂ）に示すように種々の配置が可能である。勿論、三組以上設けることも可能である。また、打ち消しあう熱電対線の組以外に、単独の熱電対線を別途有していてもよい。
【００３２】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明の実施例について、ノイズ除去効果を確認する試験を行った結果について説明する。
【００３４】
（実施例（評価対象品））
Ｋシース熱電対（非接地型、外径3.2mm、1000mm）１本
【００３５】
（評価機器）
交番磁界発生器：ＩＨクッキングヒータ「CS-H2201B型」（三菱電機社製）（最大出力2.0KW）
誘起電圧測定器：デジタル交流電圧計「2000型 Ser.No.0732016」（KEIHELEY社製）（分解能１μVの実効値表示）
誘起波形測定器：ブラウン管オシロスコープ「SS-7804型、Ser.No.714718456」（岩通社製）
【００３６】
（評価方法）
実施例のシースの中間部分を交番磁界発生器（直径180mm）の上に乗せ、その横に水を入れた鉄なべを乗せて、発生器を正常動作させた。一つの熱電対線に交流電圧測定器を接続して、誘起交流電圧が最高の値を示すように、発生器上のシースの位置を微妙に変えて、最高値でシースを固定した。シース内の２つの熱電対線の各々の誘起交流電圧ｅ1，ｅ1’を測定して、２対を直列または並列に接続したときの誘起電圧ｅ2を測定した。そして、次式より、電磁誘導ノイズの除去率Nを求めた。評価結果は、下記の表１のとおりとなった。
Ｎ＝２０・log10（ｅ1／ｅ2）
【００３７】
【表１】
2009058403.tif 000003
【００３８】
上記結果より、電磁誘導ノイズ除去の効果を、素線を撚った場合と比べて、約１００ｍｍピッチの撚り（２３ｄＢ）の効果とほぼ同等の効果が得られることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】（ａ）は本発明に係る熱電対の全体構成を示す説明図、（ｂ）は同じく断面図。
【図２】交番磁界が生じた様子を示す模式図。
【図３】外部磁場により電磁誘導起電力が発生するとともに、これが打ち消しあう様子を示す模式図。
【図４】（ａ）は直列接続した回路構成を示しており、（ｂ）はその電気的等価回路。
【図５】（ａ）は並列接続した回路構成を示しており、（ｂ）はその電気的等価回路。
【図６】回路部をシース基端側に一体的に設けるのではなく別途構成した変形例を示す説明図。
【図７】熱電対線同士の平行関係を維持したままツイストペアー化した変形例を示す説明図。
【図８】（ａ），（ｂ）は、それぞれ生じた誘導起電力を打ち消しあう熱電対線を二組以上設けた変形例を示す断面図。
【符号の説明】
【００４０】
１  熱電対
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ  各熱電対線
３  シース
４  無機絶縁物
５  回路部
６  補償導線
７  計測器
２０Ａ，２０Ｂ  温接点
２１Ａ，２１Ｂ  素線
【図１】
2009058403.tif 000004
【図２】
2009058403.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2009058403.tif 000009
【図７】
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【図８】
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