(57)【要約】【解決手段】熱電対アセンブリが、温接点ならびに第１および第２の端子をもつ冷接点を有する熱電対と、冷接点の近傍に設けられ、この冷接点の温度を測定する冷接点温度センサと、冷接点温度センサならびに冷接点の第１および第２の端子と電気的に接続され、冷接点の第１および第２の端子間の電圧に基づいて熱電対信号を生成するとともに、冷接点温度センサによって測定された冷接点の温度に基づいて冷接点温度センサ信号も生成するようになっている電気回路とを備えるようにする。電気回路は、熱電対信号と冷接点温度センサ信号の相関係数も計算するようになっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電対により温接点と冷接点間の温度差を検知し、この温度差を表す熱電対信号を生成する工程と、
冷接点温度センサにより冷接点の温度を検知し、この温度を表す冷接点温度センサ信号を生成する工程と、
前記熱電対信号と冷接点温度センサ信号から、前記温度差と冷接点の温度との相関係数を求め、熱電対がプロセストランスミッタと正しく接続されているか否かを示す信号を生成する工程とを含む、プロセストランスミッタに接続された熱電対の動作を監視する方法。
【請求項２】
前記熱電対がプロセストランスミッタと正しく接続されているか否かを示す信号をユーザに提供する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記熱電対がプロセストランスミッタと正しく接続されているか否かを示す信号を生成する工程が、前記相関係数の時間変化を表す工程をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記熱電対がプロセストランスミッタと正しく接続されているか否かを示す信号を生成する工程が、前記相関係数が正である場合には第１の信号を、同相関係数が負である場合には第２の信号を生成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記熱電対がプロセストランスミッタと正しく接続されているか否かを示す信号を生成する工程が、前記相関係数が概ね０である場合には第３の信号を生成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記熱電対がプロセストランスミッタと正しく接続されているか否かについての信号を生成する工程が、
記温度差と冷接点の温度との相関係数の時間的な平均値を計算する工程と、
前記相関係数の時間的な平均値が所定の正の閾値を上回った場合には、第１の信号を生成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の信号に応答して、プロセストランスミッタの第１の端子に接続されていた熱電対の第１の冷接点が、プロセストランスミッタの第２の端子と接続し、プロセストランスミッタの第２の端子に接続されていた熱電対の第２の冷接点が、プロセストランスミッタの第１の端子と接続するように、熱電対とプロセストランスミッタとを接続し直す工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記所定の正の閾値が変化した場合には、所定の時間にわたって、相関係数の時間的な平均値を計算する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記所定の時間は、概ね１０分間を上回ることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記所定の正の閾値は、０〜１であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の信号に応答して、プロセストランスミッタの第１の端子に接続されていた熱電対の第１の冷接点が、プロセストランスミッタの第２の端子と接続し、プロセストランスミッタの第２の端子に接続されていた熱電対の第２の冷接点が、プロセストランスミッタの第１の端子と接続するように、熱電対とプロセストランスミッタとを接続し直す工程をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記相関係数の時間的な平均値が所定の負の閾値を上回った場合には、第２の信号を生成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記相関係数の時間的な平均値が、所定の正の閾値と所定の負の閾値の間にある場合には、第３の信号を生成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
熱電対の温接点の温度と概ね等しい温度を表す温度信号を生成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
熱電対の第１および第２の冷接点を、それぞれ、プロセストランスミッタの第１および第２の端子と接続する工程と、
熱電対の温接点を第１の温度環境に曝すとともに、前記第１および第２の冷接点を、第２の温度環境に曝す工程と、
前記第１および第２の温度環境間の温度差を熱電対で検知し、この温度差を表す熱電対信号を生成する工程と、
冷接点温度センサで冷接点の温度を検知し、この冷接点の温度を表す冷接点温度センサ信号を生成する工程と、
冷接点温度センサ信号と熱電対信号との間に正の相関関係がある場合には、前記熱電対の第１の冷接点がプロセストランスミッタの第２の端子と、前記熱電対の第２の冷接点がプロセストランスミッタの第１の端子と、それぞれ接続するように、熱電対とプロセストランスミッタとを接続し直す工程とを含む、プロセストランスミッタに熱電対を接続する方法。
【請求項１６】
温接点ならびに第１および第２の端子をもつ冷接点を有する熱電対と、
前記冷接点の近傍に設けられ、この冷接点の温度を測定する冷接点温度センサと、
前記冷接点温度センサならびに冷接点の第１および第２の端子と電気的に接続され、冷接点の第１および第２の端子間の電圧に基づいて熱電対信号を生成するとともに、冷接点温度センサによって測定された冷接点の温度に基づいて冷接点温度センサ信号も生成するようになっている電気回路とを備える熱電対アセンブリ。
【請求項１７】
前記電気回路に接続されたユーザインターフェースをさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の熱電対アセンブリ。
【請求項１８】
前記電気回路は、熱電対がプロセストランスミッタと正しく接続されているか否かを示す信号をユーザインターフェースに表示させるようになっていることを特徴とする請求項１７に記載の熱電対アセンブリ。
【請求項１９】
前記電気回路は、熱電対がプロセストランスミッタと正しく接続されているか否かを示す信号をユーザインターフェースに表示させるようになっていることを特徴とする請求項１７に記載の熱電対アセンブリ。
【請求項２０】
前記電気回路は、冷接点補償器を含むことを特徴とする請求項１７に記載の熱電対アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電対アセンブリに係り、より詳しくは、熱電対の接続に関する。熱電対は広く使われている温度センサである。
【背景技術】
【０００２】
熱電対は、互いに異なる金属からなるプラス側導線とマイナス側導線の一方の端部同士を互いに接合したものである。この接合した端部は、温接点または測温接点と呼ばれる。一方、各導線のもう一方の端部は、冷接点または基準接点と呼ばれる。測温時には、温接点を温度が未知の環境に、２つの冷接点を温度が既知の環境に曝し、両冷接点間の電圧を計測する。
【０００３】
上記のようにして電圧を計測すると、温度が未知の環境と温度が既知の環境間の温度差が分かる。これは、どのような金属であっても、熱勾配のある条件に曝されると起電力が生まれることを利用している。すなわち、各金属は、熱勾配の大きさに応じて、固有の電位差を生み出す。一方、金属が異なれば、同一の熱勾配に曝された場合でも、起電力は異なる。したがって、熱電対を構成する２種の金属は、温接点と冷接点間でそれぞれ異なる電位差を生み出すため、両冷接点間で観測される電位差は、温度が未知の環境と既知の環境間の温度差に対応することとなる。
【０００４】
熱電対によって計測される電圧の値は、プラス側の導線とマイナス側の導線にどのような金属を使用するかによって決まる。例えば、Ｋタイプ（国際電気標準会議（ＩＥＣ）による）の熱電対は、正の電極にクロメル、負の電極にアルメルを用いる。他の金属を用いてもよいが、計測した電圧の値から温度差を導き出すためには、使用する金属の熱起電力特性を知っておかなければならない。
【０００５】
熱電対で温度を測定するには、原理的には、冷接点の温度を一定（例えば０℃）に保たなければならない。しかし、冷接点の温度が変化しても、冷接点に接続した他の手段を用いて（ダイオードの温度特性を利用したり、サーミスタや測温抵抗体を用いたりして）、その温度を測定することはできる。そこで、冷接点の温度が一定でない環境下で熱電対により温度を測定する場合には、他の手段で測定する冷接点温度を利用して、適切な校正（冷接点補償と呼ばれる）を行なう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、冷接点の温度が一定でない環境下でも温度を測定することができ、かつ熱電対のプラス側とマイナス側の導線が、冷接点補償を行うための冷接点温度センサと電気的に正しく接続されているか否かも判断しうる熱電対アセンブリ、およびこの熱電対アセンブリにおける電気的接続の正しさを監視する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る熱電対アセンブリは、熱電対、冷接点温度センサおよび冷接点補償のための回路を備えている。熱電対は、温接点および２つの冷接点（それぞれ、プラス側の端子およびマイナス側の端子となる）を有する。冷接点温度センサは、冷接点の近傍に配置され、冷接点の温度を測定する。冷接点補償回路は、冷接点温度センサ、ならびに冷接点を構成するプラス側端子およびマイナス側端子と電気的に接続される。この冷接点補償のための回路は、プラス側端子およびマイナス側端子間の電圧に基づいて熱電対信号を生成するとともに、冷接点温度センサにより測定された冷接点の温度を表す冷接点温度センサ信号も生成する。さらに、冷接点補償のための回路は、熱電対信号と冷接点温度センサ信号の相関係数も計算する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱電対アセンブリにおける冷接点温度センサのブロック図である。
【図２】同熱電対アセンブリによる経時的な温度測定結果を示すグラフである。
【図３】同熱電対アセンブリにより求めた、熱電対信号と冷接点温度センサ信号の経時的な相関係数を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態に係る熱電対アセンブリ１０（産業プロセスにおいて用いられる）のブロック図である。熱電対アセンブリ１０は、温接点２０、冷接点のプラス側端子１６、同じくマイナス側端子１８、温接点２０と冷接点のプラス側端子１６とを結ぶプラス側導線１２、温接点２０と冷接点のマイナス側端子１８とを結ぶマイナス側導線１４、プロセストランスミッタ（産業プロセスにおいて用いられる、プロセス変数の特性の測定結果を送信する装置）３４、ユーザインターフェース３８、およびプロセストランスミッタ３４とユーザインターフェース３８とを結ぶ外部導線３６からなっている。
【００１０】
プラス側導線１２は、温接点２０において、マイナス側導線１４と接続している。また、温接点２０は、産業プロセス内において、温度が未知の環境に曝される。温接点２０は、「主接点」あるいは「プロセスエンド」とも呼ばれる。
【００１１】
プロセストランスミッタ３４内では、冷接点補償器２２が、第１の導線を介して冷接点のプラス側端子１６と接続され、かつ第２の導線を介して冷接点のマイナス側端子１８と接続されている。また、冷接点補償器２２は、第３の導線３２を介して、出力回路３０と接続されている。
【００１２】
プラス側導線１２は、通常、熱電対のプラス側導線に用いられる導電性の材料（クロメル等）から形成することができる。また、プラス側導線１２と対をなすマイナス側導線１４も、通常、マイナス側導線に用いられる導電性の材料（アルメル等）から形成することができる。
【００１３】
冷接点補償器２２は、プラス側端子１６とマイナス側端子１８間の電圧を計測する。また、冷接点補償器２２は、熱電対とは別個の冷接点温度センサ２８から得る温度情報を基に、冷接点の温度を独自に測定する。冷接点温度センサ２８は、サーミスタ、ダイオード、測温抵抗体等の温度を検知しうる装置である。さらに冷接点補償器２２は、独自に測定した冷接点の温度に基づいて、冷接点補償のための電圧を計算する。最後に、冷接点補償器２２は、第３の導線３２を介して、出力回路３０に信号の組を送る。この信号の組は、プラス側端子１６とマイナス側端子１８間の電圧を表す信号（熱電対信号）と、冷接点補償のための電圧を表す信号（冷接点温度センサ信号）を含んでいる。
【００１４】
出力回路３０は、冷接点補償器２２から送られる信号の組に基づいて、冷接点の絶対温度、冷接点と温接点２０間の温度差、および温接点２０の絶対温度を含む種々の温度を計算する。この計算の際には、多項式を使った補間や関連する数値の検索表から数値を抽出する等の公知の手法を使用する。出力回路３０は、外部導線３６を介して、有線方式によりユーザインターフェース３８と接続されているが、この接続には無線方式を用いることもできる。
【００１５】
ユーザインターフェース３８は、出力回路３０から受け取った信号に基づいて、冷接点補償器２２と出力回路３０を介して算出された各温度の値を表示する。ユーザインターフェース３８は、グラフィカルユーザインターフェースとすることもできる。なお、ユーザインターフェース３８は、ユーザと情報をやりとりしうるものであれば、どのようなものでもよい。
【００１６】
温度の値の正確さは、プラス側導線１２およびマイナス側導線１４の材料や冷接点温度センサ２８としてどのような装置を採用したか等の要因の外、熱電対アセンブリ１０の構成要素間の接続が適切であるか否かにも左右される。熱電対アセンブリ１０は、プラス側導線１２がプラス側端子１６に、またマイナス側導線１４がマイナス側端子１８に正しく接続されていることを前提として働く。しかし、仮にこれらの導線１２，１４が、何らかの原因により、誤った端子と接続されるならば、プラス側端子１６とマイナス側端子１８間の電圧は、正しく接続された場合と反対の値を示す。このような場合、出力回路３０が算出する温接点２０の温度は、不正確なものとなるが、ユーザは、この温度が不正確であることに気づかない場合もある。
【００１７】
図２は、本発明の熱電対アセンブリ１０による下記４種の温度の測定結果を示すグラフ（温度−時間チャート；各温度を時間の関数としてプロットしたもの（符号４０を付してある））である。第一に、直線４２は、温接点２０における温度（プロセス変数）の時間変化を示す。直線４２によれば、温接点２０における温度は、約６０時間かけて、約１００℃から約２００℃まで単調に増加している。
【００１８】
第二に、右肩上がりで蛇行している曲線４４は、熱電対アセンブリ１０のすべての構成要素が正しく接続されている場合における温度差（温接点２０における温度−冷接点における温度）の時間変化を示している。曲線４４によっても、温接点２０における温度は、約６０時間かけて、約１００℃から約２００℃まで上昇しているが、単位時間当たりの増加率は変動している。
【００１９】
第三に、蛇行しながら概ね真横に延びている曲線４６は、冷接点における温度の時間変化を示したものである。曲線４６によれば、冷接点の温度は、約６０時間にわたって、０℃近辺で波状に変動している。
【００２０】
第四に、右肩下がりで蛇行している曲線４８は、熱電対アセンブリ１０内部の接続が反対である場合（すなわち、マイナス側導線１４がプラス側端子１６と、プラス側導線１２がマイナス側端子１８と接続されている場合）における不正確な温度差（温接点２０における温度−冷接点における温度）の時間変化を示している。曲線４８によれば、不正確な温度差は、約６０時間かけて、約−１００℃から約−２００℃まで下降しており、単位時間当たりの減少率も変動している。曲線４８は、概ね、曲線４４と反対のプロファイルを有している。
【００２１】
所与の経過時間において、曲線４４と曲線４６の勾配を比較すると、両者は負の相関関係を有することが分かる。したがって、この経過時間においては、冷接点における温度が上昇すれば、温度差は減少することになる。この関係は、次の方程式によって示すことができる：
温接点における温度−冷接点における温度＝熱電対により測定される温度差
一方、同様にして、曲線４８と曲線４６の勾配を比較する、両者は正の相関関係を有することが分かる。
この関係は、次の方程式によって示すことができる：
−(温接点における温度−冷接点における温度)＝熱電対内の端子と導線の接続を反対にして測定した温度差
したがって、熱電対が正しく接続されているか否かは、所与の経過時間における冷接点の温度勾配と温冷接点間の温度差の勾配との相関関係を見れば分かる。
【００２２】
図３は、本発明の熱電対アセンブリ１０により求めた、冷接点の温度と温冷接点間の温度差との相関係数の時間変化を示すグラフである。曲線５２は、熱電対１０の接続が正しい場合の相関係数を示す。曲線５２は、約１０時間にわたって０と−１の間で変動している。
【００２３】
一方、曲線５４は、熱電対１０の接続が反対の場合（マイナス側導線１４がプラス側端子１６と接続され、プラス側導線１２がマイナス側端子１８と接続された場合）の相関係数を示す。曲線５４は、約１０時間にわたって０と１の間で変動している。
【００２４】
さらに、曲線５６は、熱電対１０が開放回路となった場合（プラス側端子１６およびマイナス側端子１８のいずれか一方が、プラス側導線１２にもマイナス側導線１４にも接続されていない場合）の相関係数を示す。曲線５６は、約１０時間にわたって、０のまま推移している。
【００２５】
出力回路３０は、冷接点補償器２２から受け取ったデータ信号に基づいて、経時的に相関係数を求める。相関係数は、次の２つのいずれかとすることができる。一つは、冷接点温度の時間変化と、プラス側端子１６とマイナス側端子１８間の電圧の時間変化との相関係数である。もう一つは、冷接点温度の時間変化と、冷接点と温接点間の温度差の時間変化との相関係数である。冷接点と温接点間の温度差は、プラス側端子１６とマイナス側端子１８間の電圧と直接関わっているため、いずれの相関係数でもよい。
【００２６】
相関係数を計算するのは、冷接点において温度に変動があるためである。この温度の変動は、経時的に自然に生ずるものである。相関係数の計算の正確さは、冷接点における温度の変動が、温接点における温度の変動よりも大きくなるように、両接点の温度環境を設定すれば、向上させることができる。冷接点における温度の変動が大きくなると、温度差の変動も大きくなるため、相関係数は−１または１に接近する。したがって、熱電対１０が正しく接続されているか否かについての判断も、信頼性が増すことになる。すなわち、相関係数が−１に近づけば近づくほど、熱電対１０が正しく接続されていることの確かさは増大する。他方、相関係数が１に近づけば近づくほど、熱電対１０が反対に接続されていることの確かさは増大する。なお、上述したように、相関係数が０である場合には、熱電対が開放回路となっていることを示している。
【００２７】
出力回路３０は、接続が正しいか否かをユーザに知らせるため、ユーザインターフェース３８を駆動させる。ユーザインターフェース３８は、図３のように、相関係数の時間変化を表示することができる。この外にも、ユーザインターフェース３８は、相関係数の数値や接続の正誤を表示したり、または接続が正しい、接続が反対、もしくは開放回路の３つの状態の中から１つを表示したりすることもできる。相関係数の閾値は、上記のように相関係数の値を表示する前に設定する。さらに、ユーザインターフェース３８には、相関係数が０、または０よりも小さい所定の値よりも小さくなった場合に、あるべき相関係数の値を表示させることもできる。
【００２８】
ユーザインターフェース３８に対しては、設定により、相関係数が一瞬でも、もしくは所定の時間にわたって所定の閾値（負の値）を下回ったとき、または相関係数の平均値が所定の時間にわたって所定の閾値（同）を下回ったときに、接続が正しい旨の表示をさせることもできる。冷接点温度が頻繁に変動する場合には、相関係数は、１０分程度経過した後に安定した値となる。同様にして、所定の閾値として正の値、または正の値と負の値の両方を用い、それぞれ、ユーザインターフェース３８に接続が正しくない旨、または開放回路となっている旨の表示をさせることもできる。
【００２９】
ユーザインターフェース３８が、熱電対１０の接続が正しくない旨を表示した場合には、ユーザは、プラス側導線１２またはマイナス側導線１４を、正しい端子に接続し直す。同様に、ユーザインターフェース３８が開放回路である旨を表示した場合には、ユーザは、導線を再度接続する。一方、ユーザインターフェース３８が、熱電対１０の接続が正しい旨を表示した場合には、ユーザは、熱電対１０が測定した温度に大きな信頼を寄せることができる。
【００３０】
本発明は、多くの効果・利点を有する。すなわち、本発明によれば、ユーザは、熱電対の接続が正しいことについて信頼を寄せることができる。また、熱電対の接続が反対のときには、ユーザは、接続の誤りに気づくことができる。このため、ユーザが誤った温度の測定結果を取り入れることは防止され、ユーザは誤った接続を正すことができる。さらに、熱電対の導線の接続が外れたり、破断したりした場合には、ユーザに警報を発するようにすることもできる。このような効果・利点は、冷接点が位置する温度が既知の環境と、温接点が位置する温度が未知の環境との間の温度差が小さい場合に、特に有用である。
【００３１】
以上、本発明を好ましい実施形態に即して説明してきたが、当業者であれば、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、子細な部分に変更を加えることもできるであろう。例えば、相関係数の計算は、必ずしもプロセストランスミッタで行う必要はない。また、冷接点温度と、熱電対により求められる温度差の時間変化との相関係数を計算しうる回路を設けることもできる。
【図１】
2012522247.tif 000003
【図２】
2012522247.tif 000004
【図３】
2012522247.tif 000005
【国際調査報告】
2012522247.tif 000006
2012522247.tif 000007