JPH0774790B2 - 通電加熱法に用いられるセンサ− - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、種々の流体（液体、気体に限らず半固体も含
み、流れることのできる物質をいう。以下同じ）の物性
値を測定する方法に用いられる、所謂通電加熱法に用い
られるセンサーに関する。

（従来の技術） 本発明者等は、先に特開昭62−56849号公報として次の
ようなセンサーを開示した。

すなわち、電気的絶縁体で被覆した芯棒の周囲に金属細
線を巻きつけ、更に金属細線を巻いた芯棒を電気的絶縁
体で被覆した通電加熱法に用いられるセンサーである。

（発明が解決しようとする問題点） 以上の如く、芯棒に金属細線を巻きつけてなるセンサー
は、金属細線の長さをセンサーの数倍のものとすること
ができ、それだけ抵抗が増加して、小さな電流値で大き
な発熱量を得ることができ、またセンサー自体も容易に
切損したり、折れ曲がることがないという利点がある。

しかし、芯棒に巻きつけることによって金属細線が螺旋
状に曲げられて金属細線内部に応力歪を生じ、この応力
歪をなくすために行う焼き鈍しによって電気抵抗値が当
初のものと大きく変わってしまうという欠点がある。

この抵抗値の変化の大きさ予想することが困難であるか
ら、所望の電気抵抗値を示すセンサーを得ることが難し
いとともに、センサーを多量に製造した場合において
も、個々のセンサーごとに校正が必要となり、またセン
サー同志の互換性がないという不都合が生じる。

（問題点を解決するための手段） したがって本発明の技術的課題は、金属細線に応力歪が
生じない、焼き鈍しをしても電気抵抗値が変化しない、
しかも加熱電流値を高精度にかつ、又、発熱細線の両端
電位差を高精度に計測できる通電加熱に用いられるセン
サーを提供することを目的とするものであって、この技
術的課題を解決するための技術的手段として、棒体の内
部において互いに絶縁状態となるように長手方向に直線
状の２つ以上の貫通孔を円周に沿って配列し、円周に沿
って配列した内側にさらに数本の貫通孔を設け、円周に
沿って設けた貫通孔には該貫通孔よりもやや細い２つ以
上の金属細線を挿通させると共に、これら金属細線が電
気抵抗値に関して直列となるように棒体の両端部におい
て適宜接続し、これに結線されるリード線を内側の貫通
孔を通して他の端部まで挿通し、更に全ての貫通孔内に
おいて上記金属細線およびリード線の回りに生じた間隙
にセラミックスの粉末を充填して、これを焼結温度より
も低温で加熱し結着させて構成したセンサー素子をリー
ド線の結線側が先端となるよう外筒内に配置して、外筒
に対して電気的に絶縁されるよう被覆してなる通電加熱
法に用いられるセンサーを構成した。

（発明の効果） 本発明センサーは、ヒーターではなく、発熱型の側温素
子である。

つまり、発熱による熱移動をその発熱体の温度変化や、
被測定物質の温度変化から測定するもので、単に発熱し
ているものではなく、発熱と同時に自らの温度および周
囲の温度を測定するものである。

そして、本発明センサーは、棒体内の挿通する直線状の
金属細線を有しているので、従来の金属細線を芯棒に巻
きつけたもののように金属細線内に応力歪が生ずること
がなく、従って所望の電気抵抗値はもった互換性のある
センサーを提供することができるとともに、センサーを
多量に製造した場合においても個々のセンサーの示す電
気抵抗値が安定したものとなるから校正がほとんど不必
要となる。

また、金属細線が円周に沿って直線状に配置することに
よって巻線のものより温度分布が均一となり、軸方向に
対してムラのない温度分布を構成し、測定精度が向上す
る。

また、棒体内を挿通する金属細線の回りにセラミックス
の粉末を低温で結着させた層を設けることにより、金属
細線が体積膨張した場合においても、セラミックス粉末
が自由に破壊できて金属細線が棒体内部において圧迫さ
れることがないため、センサーの電気抵抗値が応力歪に
よって影響されることがない。

更にまた、金属細線は棒体の長手方向に挿通する２本以
上のものを電気抵抗値に関して直列となるように接続し
ているので、それだけ電気抵抗値が増し、従来のセンサ
ーと比べて、より小さな電流でより大きな棒体単位長さ
当たり発熱量を得ることができるのみならず発熱は均等
となる。

加えて本発明センサーの利用目的である、発熱細線の高
精度温度計測を実現するためには発生した熱の被測定周
囲流体へ向けてのセンサー内部における伝達抵抗の低減
が必要不可欠であり、また加熱電流値Ｉと発熱細線両電
位差Ｖをそれぞれ高精度で計測し、これらＩとＶの値が
えられて初めて発熱細線自体の温度算出に必要な発熱細
線の電気抵抗値（＝V/I）がえられるので、センサー素
子内絶縁は加熱電流値Ｉの高精度計測に、又センサー素
子と外筒間の電気絶縁の確保は発熱細線両端電位差の高
精度計測の前提となる。

そこで本発明では金属細線に回りに生じた間隙に電気的
絶縁能が高く、かつ熱電動率が大きいセラミックスの粉
末を充填してセンサー素子内の熱伝導能及び電気絶縁性
の向上を図ったものであり、センサーの電気抵抗値が応
力歪によって影響されないことと相俊って、発熱細線を
実際に通過した電流の正確な測定ができ、又センサー素
子と外筒間を電気的に絶縁することは外筒接地電圧の変
動に伴う設置電流の影響を防止し、発熱細線自体の温度
計測のための発熱細線両端電位差計測が発熱体センサー
として望ましい特性であるセンサー内部の加熱細線直径
方向の伝熱性の向上と共に高精度に実施できるものであ
って、本発明によれば発熱量の正確な計測ができ、かつ
発熱特性の経年変化を防止できる。

しかして本発明センサーはヒーターのようにリード線は
素子の根本側にあるものではなく、素子の先端側で発熱
細線と結着されてから素子の中央孔を通過して根本へ導
かれているものである。

そのメリットは、発熱細線とリード線の接合部分のリー
ド線側において、リード線内部の温度勾配が実質的に解
消され、発熱細線とリード線の接合部分における、リー
ド線を介しての熱の移動を防止することができることに
ある。

つまり、リード線との接合部がセンサーの根本側にある
ときはその接合部からリード線を介しての熱の移動が発
生し、これがセンサーの根本方向であって軸方向の熱移
動となり、熱の移動を測定する本センサーでは測定誤差
の原因となるもので、これを防止するためセンサーの先
端部分で接合することによって接合部におけるリード線
への熱移動をセンサー内で吸収し、リード線を介しての
センサー外への熱移動を解消したものである。

（実施例） 以下、本発明の実施例を説明する。

第１図に示すものは、本発明にかかるセンサーであっ
て、センサー素子（Ａ）をカバー（Ｂ）で被覆して形成
したものである。

先ず、センサー素子（Ａ）について説明する。

第２図に示す棒体（１）には、長手方向に貫通する貫通
孔（２）…が円周に沿って複数本穿設されており、これ
ら貫通孔（２）…には直線状の金属細線（３）が挿通し
ている。

金属細線（３）は、隣接する貫通孔（２）（２）をまた
ぐように、棒体（１）の先端（ａ）と後端（ｂ）におい
て交互に接続されており、先端（ａ）に露呈する接点
（ｃ）から接点（ｄ）に渡って、電気抵抗値に関して直
列に配列された１本の発熱体を形成している。

そして、この電気抵抗値に関して直列に配列された発熱
体の両端となる接点（ｃ）と接点（ｄ）とには、棒体
（１）の中央付近を貫通するリード線孔（４）……を挿
通するリード線（５）…がそれぞれ２本ずつ接続されて
いる。

このように、接点（ｃ）と接点（ｄ）とに２本ずつのリ
ード線（５）…を接続したのは、金属細線（３）の電気
抵抗値を４点端子法を用いて計測するためであり、例え
ば、これらリード線（５）…にそれぞれ電流源と電圧計
を接続し金属細線（３）に適当な大きさの電流を流しな
がら、同時に電圧を測定することによって、接点（ｃ）
と接点（ｄ）と間の電圧値、すなわち金属細線（３）の
抵抗値を計測して、センサーの雰囲気の温度変化等に正
確に把握できるようにするためである。

このように４端子とするとセンサー内蔵の発熱体の抵抗
測定を行うとき、リード線の長さが任意に設定できるも
ので、例えば２端子や３端子だと細線と接合される部分
における単線の長さによって抵抗が変化し、発熱を安定
させることが困難になる。

次に、金属細線（３）及びリード線（５）は、貫通孔
（２）及びリード線孔（４）よりも、それぞれやや細い
ものとなっており、これら貫通孔（２）及びリード線
（４）に生じた間隙にはセラミックスの粉末（６）が充
填され、このセラミックスの粉末（６）が漏れないよう
に、棒体（１）の先端（ａ）と後端（ｂ）にはガラスの
シール（７）が施されている（第４図参照）。

そして、充填されたセラミックスの粉末（６）は、低温
で結着されている。ここで低温とは、セラミックスの焼
結温度よりも低い温度をいう。

このように低温で結着したセラミックスの粉末（６）
は、センサー内部における伝熱性を向上させるために金
属細線（３）の偏心を防止するとともに、金属細線
（３）が高温となって体積膨張したような場合には、そ
の結着状態が容易に破壊されるので金属細線（３）を圧
迫せず、従って金属細線（３）内に応力歪が生じないと
いう特徴がある。

すなわち、セラミックスの粉末を焼結温度よりも低温で
加熱し、結着させることによって金属細線が体積膨張し
た場合において、金属細線が棒体内部に当接して圧迫さ
れるのを防止し、応力歪によるセンサーの抵抗値変化が
防止できる。

絶縁物貨は発熱線に圧着していると発熱作用により発熱
線が膨張したとき発熱線にとって圧縮作用が働き応力歪
が生じて不可逆的に抵抗値が増し、温度測定精度が低下
し、発熱量算出精度も低下するが、以上のような本発明
の結着方法により発熱線の膨張時には絶縁物資の結着が
自由に破壊でき、抵抗値の増加を防止できる。

したがって測定精度を維持できる。

又、２本以上の発熱線の複数の直線部分は発熱作用によ
る熱膨張により、接触する危険が生じるが、以上のよう
な貫通孔に金属細線挿通して、セラミックによる絶縁体
を貫通孔に生じた間隙に充填することにより発熱体の直
線部の熱膨張が横方向でなく実質的に上下方向にのみ作
用するように規制して、直線部分を一定間隔に保持する
ことができる。

更に以上のようにセンサー素子内の絶縁を図ることは発
熱細線を実際に通過した電流の正確な測定ができて加熱
電流値の高精度計測ができる。

ここで、本発明等が実際に製作したセンサー素子（Ａ）
について紹介すると先ず棒体（１）は再結晶アルミナを
焼結した高純度（99.9％以上）のセラミックスからなる
φ1.4mm、長さ100mmの円柱とし、金属細線（３）にφ0.
110mmの白金線、リード線（５）にφ0.15mmの白金線を
使用し、棒体（１）の円周に沿ってφ0.16mmの貫通孔
（２）を10ケ所穿設し、更に中央部にリード線孔（４）
を４本穿設した。

棒体（１）をセラミックスで形成したのは、加工性、強
度性に優れ、白金の融点以上、例えば1700℃でも変質、
変形せず、かつ体積膨張率も白金とほぼ等しいからであ
り、金属細線（３）に白金線を使用したのは、電気抵抗
値の経時的安定性を考慮したからである。

また、センサーの設定抵抗値を10Ωとし、φ0.110mmの
プラチナ線が10Ω/mであることから、それぞれの大きさ
等を決定し、さらにリード線（５）からの熱の流出がな
いように棒体（１）内を挿通させてからリード線を接続
するようにした。

そして、金属細線（３）とリード線（５）を接続するに
は、先ずこれらの線を「Ｕ」字型に折り曲げて、それぞ
れの孔の隣接する２つをまたぐように、金属細線は後端
（ｂ）から先端（ａ）に向けて、リード線は先端（ａ）
から後端（ｂ）に向けて挿通し、先端部（ａ）において
純酸素炎を用いて適宜溶接接続するようにした。

しかして、本発明者は、以上のようなセンサー素子
（Ａ）を使用することにより、個々の抵抗値の誤差が±
0.1％程度と、従来とは比較にならないほど安定した抵
抗値を持ったセンサーを提供するに至ったのである。

次に、カバー（Ｂ）について説明する。

なお、以下に説明するカバー（Ｂ）は、センサー素子
（Ａ）を電気的に絶縁被覆するための一例であって、絶
縁被覆すること以外の構成については本発明を何ら限定
するものではない。

先ず、第５図に示すような、センサー素子（Ａ）よりも
やや大きめの内径を持ったパイプ（８）の後端部に短パ
イプ（９）（10）及びパイプ体（11）を嵌装し、これら
を外周から一様にかしめて固定する。

これらは、例えばステンレス（SUS316L）、白金パラジ
ウム、チタン等からなるパイプを使用することができる
が、センサーの使用される条件によって任意に決定され
るものである。

そして、パイプ（８）の先端付近までセンサー素子
（Ａ）の挿入した後、パイプ（８）の先端（ｅ）から吸
引して、後端（ｆ）から樹脂をカバー（Ｂ）内に充填
し、電気的に絶縁する。

カバー（Ｂ）内に充填されるものは樹脂の他、セラミッ
クス、酸化マグネシウム等でも問題はない。

また、カバー（Ｂ）内において、リード線（５）を充分
に強度を持ったケーブル（12）に接続し、ケーブル（1
2）を保護するためのスプリング（13）を配設すること
により、耐久性に優れたセンサーを得ることができる。

又、以上のようにセンサー素子と外筒間の電気的絶縁を
確保することは外筒接地電圧の変動に伴う接地電流の影
響を防止し、発熱細線自体の温度計測のための発熱細線
両端電位差計測を高精度に実施することができる。

以上、何れにしても、本発明センサーは金属細線に電流
を流し、同時に金属細線に印加された電圧を測定するこ
とにより、抵抗値の変化を知って、センサーの雰囲気の
温度を求める側温抵抗体として利用できる他、流体中に
２本のセンサーを配置し、その一方を発熱体、他方を側
温抵抗体として発熱体表面における熱伝達率を求め、そ
の値から流体固有の種々の物性値を決定する等、様々な
用途がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は一部を断面した本発明センサーの全体図、第２
図は一部を断面にした棒体の全体図、第３図は棒体の先
端を表す図、第４図はセンサー素子の全体図、第５、第
６図はカバーの説明図である。 Ａ……センサー素子 Ｂ……カバー １……棒体 ２……貫通孔 ３……金属細線 ４……リード線孔 ５……リード線 ６……セラミックスの粉末 ７……ガラス ８……パイプ ９、10……短パイプ 11……パイプ体 12……ケーブル 13……スプリング

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】棒体の内部において互いに絶縁状態となる
   ように長手方向に直線状の２つ以上の貫通孔を円周に沿
   って配列し、円周に沿って配列した内側にさらに数本の
   貫通孔を設け、円周に沿って設けた貫通孔には該貫通孔
   よりもやや細い２つ以上の金属細線を挿通させると共
   に、これら金属細線が電気抵抗値に関して直列となるよ
   うに棒体の両端部において適宜接続し、これに結線され
   るリード線を内側の貫通孔を通して他の端部まで挿通
   し、更に全ての貫通孔内において上記金属細線およびリ
   ード線の回りに生じた間隙にセラミックスの粉末を充填
   してこれを焼結温度よりも低温で加熱し結着させて構成
   したセンサー素子をリード線の結線側が先端となるよう
   外筒内に配置して、外筒に対して電気的に絶縁されるよ
   う被覆してなる通電加熱法に用いられるセンサー。