特許 5979876 温度補償された温度測定の方法及びシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5979876

(24)【登録日】2016年8月5日

(45)【発行日】2016年8月31日

(54)【発明の名称】温度補償された温度測定の方法及びシステム

(51)【国際特許分類】

   G01K 7/00 20060101AFI20160818BHJP

   G01K 7/18 20060101ALI20160818BHJP

   G01K 7/22 20060101ALI20160818BHJP

   G01K 7/32 20060101ALI20160818BHJP

   G01K 1/14 20060101ALI20160818BHJP

【ＦＩ】

   G01K7/00 321C

   G01K7/18 A

   G01K7/22

   G01K7/32 C

   G01K1/14 L

【請求項の数】11

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2011-548798(P2011-548798)

(86)(22)【出願日】2010年2月2日

(65)【公表番号】特表2012-517012(P2012-517012A)

(43)【公表日】2012年7月26日

(86)【国際出願番号】IB2010000188

(87)【国際公開番号】WO2010089646

(87)【国際公開日】20100812

【審査請求日】2013年2月4日

(31)【優先権主張番号】12/365,889

(32)【優先日】2009年2月4日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】500177204

【氏名又は名称】シュルンベルジェ ホールディングス リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｓｃｈｌｎｍｂｅｒｇｅｒ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100109335

【弁理士】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(72)【発明者】

【氏名】鎌田 正博

【審査官】 濱本 禎広

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００２−５００３４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０９９７５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−１２８４２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｋ １／００−１９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

温度計による温度測定を補償する方法であって、
温度計に白金を含む第１の抵抗温度検出器（ＲＴＤ）からなる第１の温度センサと、コンスタンタンを含む第２の抵抗温度検出器（ＲＴＤ）からなる第２の基準温度センサを準備する段階であって、該第１及び第２の温度センサが、異なる熱特性を有し、該温度計が、該第１及び第２の温度センサが同じ周囲温度に位置するように構成又は設計される該段階と、
ここで、前記第１の温度センサの第２の端子及び前記第２の温度センサの第１の端子は接続部において接続され、前記第１の温度センサの第１の端子及び前記第２の温度センサの第２の端子は前記第１及び第２の温度センサに電流を供給する電流源に接続され、
前記第１の温度センサの第１及び第２の端子の間の電圧（Ｅｒ）及び前記第２の温度センサの第１及び第２の端子の間の電圧（Ｅｔ）を測定できるように、第１のリードの一方が前記第１の温度センサの前記第１の端子に接続され、第２のリードの一方が前記第２の温度センサの前記第２の端子に接続され、第３のリードの一方が前記接続部に接続され、 少なくとも１つの温度値を前記温度計の前記第１及び第２の温度計によって同時に測定する段階と、
前記測定された温度値と前記第１及び第２の温度センサの前記熱特性とに基づいて１つ又はそれよりも多くの補償された温度値を導出する段階と、
を含み、
前記１つ又はそれよりも多くの補償された温度値を導出する段階は、Ｒ_cを基準温度でのコンスタンタンの抵抗、Ｒ_pを基準温度での白金ワイヤの抵抗、Ｃ₁を白金の一次温度係数、Ｃ₂を白金の二次温度係数、ΔＴを温度Ｔと基準温度との温度差としたときに、

という式に基づいて、温度Ｔを計算する段階を含むことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記第１及び第２の温度センサは、電気絶縁フィルム基板に埋め込まれた白金ワイヤ及びコンスタンタンワイヤを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１及び第２の温度センサは、圧力計の表面に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項4】

温度計による温度測定のためのシステムであって、
温度計内の白金を含む第１の抵抗温度検出器（ＲＴＤ）からなる第１の温度センサ及びコンスタンタンを含む第２の抵抗温度検出器（ＲＴＤ）からなる第２の基準温度センサであって、該第１及び第２の温度センサが、異なる熱特性を有し、該温度計が、該第１及び第２の温度センサが測定される同じ周囲温度に位置するように構成又は設計される該第１の温度センサ及び第２の基準温度センサと、
ここで、前記第１の温度センサの第２の端子及び前記第２の温度センサの第１の端子は接続部において接続され、前記第１の温度センサの第１の端子及び前記第２の温度センサの第２の端子は前記第１及び第２の温度センサに電流を供給する電流源に接続され、
前記第１の温度センサの第１及び第２の端子の間の電圧（Ｅｒ）及び前記第２の温度センサの第１及び第２の端子の間の電圧（Ｅｔ）を測定できるように、第１のリードの一方が前記第１の温度センサの前記第１の端子に接続され、第２のリードの一方が前記第２の温度センサの前記第２の端子に接続され、第３のリードの一方が前記接続部に接続され、 前記温度計と通信するコンピュータと、
実行された時に、前記温度計の前記第１及び第２の温度センサによって同時に測定された少なくとも１つの温度値と該第１及び第２の温度センサの前記熱特性とに基づいて少なくとも１つの補償された温度値を導出する１組の命令と、
を含み、
前記少なくとも１つの補償された温度値の導出は、Ｒ_cを基準温度でのコンスタンタンの抵抗、Ｒ_pを基準温度での白金ワイヤの抵抗、Ｃ₁を白金の一次温度係数、Ｃ₂を白金の二次温度係数、ΔＴを温度Ｔと基準温度との温度差としたときに、

という式に基づいて、温度Ｔを計算することを含むことを特徴とするシステム。

【請求項5】

前記第１及び第２の温度センサは、電気絶縁フィルム基板に埋め込まれた白金ワイヤ及びコンスタンタンワイヤを含むことを特徴とする請求項４に記載のシステム。

【請求項6】

前記第１及び第２の温度センサは、圧力計の表面に取り付けられることを特徴とする請求項４に記載のシステム。

【請求項7】

前記温度計は、油井における作動に対して構成又は設計されることを特徴とする請求項４に記載のシステム。

【請求項8】

温度計であって、
白金を含む第１の抵抗温度検出器（ＲＴＤ）からなる第１の温度センサ及びコンスタンタンを含む第２の抵抗温度検出器（ＲＴＤ）からなる第２の基準温度センサ、
を含み、
前記第１及び第２の温度センサは、異なる熱特性を有し、
温度計が、前記第１及び第２の温度センサが測定される同じ周囲温度に位置するように構成又は設計され、
前記第１の温度センサの第２の端子及び前記第２の温度センサの第１の端子は接続部において接続され、前記第１の温度センサの第１の端子及び前記第２の温度センサの第２の端子は前記第１及び第２の温度センサに電流を供給する電流源に接続され、
前記第１の温度センサの第１及び第２の端子の間の電圧（Ｅｒ）及び前記第２の温度センサの第１及び第２の端子の間の電圧（Ｅｔ）を測定できるように、第１のリードの一方が前記第１の温度センサの前記第１の端子に接続され、第２のリードの一方が前記第２の温度センサの前記第２の端子に接続され、第３のリードの一方が前記接続部に接続されており、
Ｒ_cを基準温度でのコンスタンタンの抵抗、Ｒ_pを基準温度での白金ワイヤの抵抗、Ｃ₁を白金の一次温度係数、Ｃ₂を白金の二次温度係数、ΔＴを温度Ｔと基準温度との温度差としたときに、

という式に基づいて温度Ｔを計算して、少なくとも１つの補償された温度値を導出するようにされたことを特徴とする温度計。

【請求項9】

前記第１及び第２の温度センサは、電気絶縁フィルム基板に埋め込まれた白金ワイヤ及びコンスタンタンワイヤを含むことを特徴とする請求項８に記載の温度計。

【請求項10】

複数の第１の温度センサを含み、
本体上の複数の位置の温度を感知するように構成又は設計される、
ことを特徴とする請求項８に記載の温度計。

【請求項11】

周囲の常温環境が利用可能でない環境における精密温度測定に対して構成又は設計されることを特徴とする請求項８に記載の温度計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の開示は、高精度が望ましい場合の又は油井のような苛酷な温度環境における温度の測定のための温度変換器又はセンサを有する方法及びシステムに一般的に関連する。より詳細には、本明細書に開示される一部の態様は、温度測定における誤差を補正する方法及びシステムに関する。本方法及びシステムは、高温によって引き起こされる測定計器の変動による温度測定における誤差に対する補償を提供する。

【背景技術】

【0002】

抵抗温度検出器（ＲＴＤ）は、温度を測定するために例えば白金ワイヤ抵抗素子を利用する温度変換器である。そのような温度変換器の一例は、図１に概略的に示されている。薄膜抵抗素子を有するＲＴＤも当業技術で公知である。素子が昇温すると、電気抵抗の値は増大する。この場合、素子の抵抗を温度と関連させることができる。素子は、様々な温度でのその抵抗が既知である純粋な材料で製造されているので、温度が変化する時の素子の抵抗における予測可能な変化に基づいて温度測定を行うことができる。

【0003】

一般的に、素子は、セラミック又はガラスのコアに巻き付けられたある一定の長さの白金ワイヤのようなワイヤを有する。再度図１に注意されたい。例えば、ガラスのシース又はパイプが、脆弱な素子を封入してプローブ型温度計を形成する。こうしたプローブは、外部のインジケータ、コントローラ、又はトランスミッタと共に温度の感知又は測定に使用され、又は温度コントローラ又は精密サーモスタットのようなデバイスの機能の一部として温度を測定する他のデバイス内部に包み込まれる。

【0004】

ＲＴＤを外部ディスプレイに接続するのに使用されるリードワイヤは、特に、長いリード長さを必要とする時の長いリードワイヤ両端の電圧降下のために、測定誤差の一因になる可能性がある。特に、そのような誤差は、遠隔温度測定位置において明らかである。３ワイヤ式又は４ワイヤ式設計の使用により、こうした誤差を最小にするか又は制限することができる。

【0005】

温度の精密測定のために使用されるＲＴＤを有する温度計は、感知ＲＴＤ Ｒ_tの抵抗を読み取るための計器に接続される。図２Ａに注意されたい。この計器は、ＲＴＤ Ｒ_tに注入される電流の量も測定する。この場合、感知ＲＴＤ Ｒ_tが位置する場所での温度Ｔを判断する目的のために基準抵抗Ｒ_rが計器内に配置されている。計器の温度（より正確には、基準抵抗Ｒ_rの温度）は、変動しないか、又は変動は、計器の作動の温度範囲で非常に小さいと通常は見られている。

【0006】

ＲＴＤの抵抗を測定するために、計器は、ＲＴＤに電流を注入する。次に、ＲＴＤ両端の電圧が測定される。抵抗への電流注入は熱消散を引き起こし、ＲＴＤの温度が変化する場合があることは公知である。ＲＴＤの典型的な抵抗は、１００オームである。温度測定計器は、ＲＴＤに標準的には１ｍＡを注入する。そのような計器は、例えば、１ｍＡまで注入電流を変化させることができる。より高電流で測定されたＲＴＤの抵抗が、正規の抵抗、すなわち、より低電流で測定された抵抗よりも高い場合、電流注入がＲＴＤ素子を加熱していると見られる。従って、電流の量を変化させることにより、温度測定の品質管理を提供することができる。

【0007】

温度測定において熱電効果（ペルチエ効果としても公知）が存在する場合があることも公知である。ＲＴＤは、白金で製造することが可能であり、かつリードワイヤは、銅のものとすることができる。異なる金属材料のいずれの接合は、熱電気を生じる場合がある。熱電気は、ＲＴＤ抵抗測定において誤差を引き起こす。温度測定器は、測定の極性を変化させ、すなわち、負電流を印加する機能を通常は有する。正電流及び負電流における２つの測定を組み合わせることにより、この計器は熱電効果を補償する。

【0008】

水晶振動子を利用する温度計も当業技術で公知である。水晶発振器の固有振動数は温度の関数である。振動のサイクルを計数することによって水晶の温度を判断することができる。周波数を計数するためには、時間基準がなければならない。時間基準は、温度に鈍感な別の水晶で製造することができるが、しかし、それでも幾らかの温度依存性が存在している。高い精度が要求される時又は基準水晶の環境温度が高い時には、誤差が無視できない場合がある。

【0009】

上述に加えて、本明細書に説明する種類の典型的な温度測定器が現在有する仕様は、摂氏０．０１度の精度及び摂氏０．００１度の分解能である。ある一定の状況において、以下に説明する実際の温度測定誤差は、計器仕様よりも大きい場合がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

以上に鑑みて、本出願人は、精度を要する温度測定のための改良された方法及びシステムに対する必要性を認識した。具体的には、測定デバイスへの温度効果によって生じる誤差を補償する温度測定のための改良された技術に対する必要性が存在する。この場合、本発明の開示の１つの目的は、温度の精密測定のための改善した機構を提供することである。本発明の開示の別の目的は、高精度のための及び／又は油井のような苛酷温度用途のための温度補償された温度測定を可能にすることである。本発明の開示はまた、電流の切換により熱消散を補償する方法も示すものである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本明細書での開示は、上述の必要性及び他のうちの少なくとも一部に対処することができる。上述の背景技術の結論として、本出願人は、確実で有効な方式で温度を測定する方法及びシステムに対する必要性を認識した。本発明の開示は、周囲温度を感知するものと基準センサとしての他のものとである少なくとも２つの変換器を温度が測定される同じ環境に配置することにより、温度測定における誤差を補償する方法及びシステムを提供する。２つの変換器は、温度効果による温度測定における誤差を除去するために導電率の異なる係数（熱係数）又は温度による共振周波数における異なる変動のような異なる熱特性を有する。

【0012】

本発明の開示の１つの態様において、温度計による温度測定を補償する方法は、温度計内に第１の温度センサと第２の基準温度センサを準備する段階を含む。第１及び第２の温度センサは、異なる熱特性を有し、この温度計は、第１及び第２の温度センサが測定される同じ周囲温度に位置するように構成又は設計される。少なくとも１つの温度値が、温度計の第１及び第２の温度センサによって同時に測定され、１つ又はそれよりも多くの補償温度値が、測定温度値と第１及び第２の温度センサの熱特性に基づいて導出される。

【0013】

本発明の開示の一部の態様において、第１及び第２の温度センサは、異なる熱係数を有する抵抗温度検出器（ＲＴＤ）を含む。第１の抵抗温度検出器は、白金を含むことができ、第２の基準抵抗温度検出器は、コンスタンタンを含むことができる。

【0014】

本明細書の他の実施形態では、第１及び第２の温度センサは、異なるカットを有する水晶振動子温度変換器を含み、補償温度値は、異なるカットを有する水晶振動子温度変換器の共振周波数から計算することができる。

【0015】

本発明の開示の更に他の実施形態では、第１及び第２の温度センサは、電気絶縁フィルム基板に埋め込まれた白金ワイヤ及びコンスタンタンワイヤを含むことができる。第１及び第２の温度センサは、圧力計の表面に取り付けることができる。この温度計は、油井及び／又は周囲常温環境が利用可能でない位置での作動に対して構成又は設計することができる。

【0016】

本発明の開示の態様において、温度計による温度測定のためのシステムは、温度計内に第１の温度センサ及び第２の基準温度センサを含み、第１及び第２の温度センサは、異なる熱特性を有する。温度計は、第１及び第２センサが測定される同じ周囲温度内に配置されるように構成又は設計される。システムは、温度計と通信するコンピュータと、実行された時に、温度計の第１及び第２の温度センサによって同時に測定された少なくとも１つの温度値と第１及び第２の温度センサの熱特性とに基づいて、少なくとも１つの補償温度値を導出する１組の命令とを含む。温度計は、周囲の常温環境が利用可能でない環境における精密温度測定に対して構成又は設計することができる。

【0017】

本発明の開示の更に他の実施形態では、複数の温度センサを含む温度計が準備され、温度計は、本体の複数の位置で温度を感知するように構成又は設計される。

【0018】

本明細書の更に別の態様において、熱消散効果に関して温度計による温度測定を補償する方法を提供する。

【0019】

本明細書に説明する実施形態では、補償温度値は、測定される温度環境における温度変化に対応する期間にわたって導出される。本発明の開示の態様において、第１及び第２の温度センサは、高精度クロック、ｐＨ計、基準抵抗、歪み計、密度計、熱電対、又は圧力計のようなその温度を高精度で知ることが必要な別のセンサ又はデバイスの表面上に、特に、高精度を必要とする時及び／又はそれらが油井、宇宙空間、他の惑星、極地、高山のような高所、砂漠、又は海底のような非常温及び／又は非大気圧で使用される時に取り付けることができる。

【0020】

本発明の開示の他の実施形態では、温度計は、第１の温度センサ及び第２の基準温度センサを含み、第１及び第２の温度センサは、異なる熱特性を有し、かつ第１及び第２の温度センサは、測定される同じ周囲温度内に配置されるように構成又は設計される。

【0021】

付加的な利点及び新規な特徴は、以下の説明に列挙されるか又は本明細書の内容の読解又は本明細書に説明する原理の実施を通じて当業者によって習得することができる。本明細書に説明する利点の一部は、添付の特許請求の範囲に列挙する手段を通して達成することができる。

【0022】

添付の図面は、ある一定の実施形態を示し、かつ本明細書の一部である。以下の説明と共に、図面は、本発明の原理の一部を明らかにして説明するものである。

【0023】

図面全体を通じて、同一の参照番号及び説明は、類似ではあるが必ずしも同一ではない要素を示している。本明細書に説明する原理は、様々な修正及び代替形態が可能であるが、特定的な実施形態を例証として図面に示し、かつ本明細書で詳細に以下に説明する。しかし、本発明が開示された特定の形態に制限されないことを理解すべきである。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲に入る全ての修正、均等物、及び代替物を含むものである。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】抵抗温度検出器（ＲＴＤ）を有する一例示的温度計の概略図である。

【図2A】本発明の開示に説明する温度測定原理を解説する温度測定のための一部の例示的なコンテクストの概略図である。

【図2B】本発明の開示に説明する温度測定原理を解説する温度測定のための一部の例示的なコンテクストの概略図である。

【図2C】１つの温度測定システムに関する回路図である。

【図2D】非補償基準センサを使用する温度測定からの誤差を温度の関数として示したグラフである。

【図3A】温度測定を補償するための１つの計器の概略図である。

【図3B】図３Ａの温度測定システムに関する回路図である。

【図4A】本発明の開示に従った１つの可能な温度補償温度測定システムの概略図である。

【図4B】図４Ａに従った温度変換器構成に関する回路図である。

【図4C】本発明の開示に従った温度変換器のための一部の可能な構成の概略図である。

【図4D】本発明の開示に従った温度変換器のための一部の可能な構成の概略図である。

【図4E】本発明の開示に従った温度変換器のための一部の可能な構成の概略図である。

【図5A】複数の温度変換器を使用する温度測定のための一部の可能な構成の概略図である。

【図5B】複数の温度変換器を使用する温度測定のための一部の可能な構成の概略図である。

【図6A】本発明の開示で説明する熱電原理を説明する回路図である。

【図6B】本発明の開示で説明する熱電原理を説明する回路図である。

【図7A】本発明の開示で説明する熱消散原理を説明する回路図である。

【図7B】本発明の開示に従った加熱効果を補償する１つの方法を表す流れ図である。

【図8A】本発明の開示に従った水晶振動子温度計のための原理を説明する図である。

【図8B】本発明の開示に従った水晶振動子温度計のための原理を説明する図である。

【図8C】本発明の開示に従った水晶振動子温度計のための原理を説明する図である。

【図8D】本発明の開示に従った水晶振動子温度計のための原理を説明する図である。

【図9】本明細書に説明する原理に従った温度測定の温度補償のための１つの可能な技術の概略図である。

【図10A】本明細書に説明する原理に従った温度以外の測定の温度補償のための１つの可能な方法及びシステムの概略図である。

【図10B】本明細書に説明する原理に従った温度変換器を有する例示的な圧力−温度計の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

本明細書の例証的な実施形態及び態様を以下に説明する。言うまでもなく、あらゆるこうした現実の実施形態の開発においては、１つの実施と別の実施とで異なることになる、システム関連又はビジネス関連の制約との適合性のような開発者の特定の目的を達成するために、多くの実施固有の判断が行わなければならないことは理解されるであろう。更に、そのような開発努力は、複雑で時間を消費する場合があるが、それにも関わらず本発明の開示の恩典を受ける当業者には日常業務であろうことは理解される。

【0026】

「一実施形態」、「実施形態」、「一部の実施形態」、「１つの態様」、「態様」、又は「一部の態様」への本明細書全体を通じての参照は、この実施形態又は態様と関連して説明する特定の特徴、構造、方法、又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。従って、語句「一実施形態において」又は「実施形態において」又は「一部の実施形態において」の本明細書全体を通じた様々な位置での出現は、全て同じ実施形態を参照するとは限らない。更に、特定の特徴、構造、方法、又は特性は、１つ又はそれよりも多くの実施形態にあらゆる適切な方式で組み合わせることができる。語「含む」及び「有する」は、語「備える」と同じ意味を有するものとする。

【0027】

更に、発明的な態様は、単一の開示した実施形態の全ての特徴よりも少なく存在する。従って、「発明を実施するための形態」に続く特許請求の範囲は、各請求項が本発明の個別の実施形態としてそれ自体で独立するものとして、ここに「発明を実施するための形態」に明確に組み込まれる。

【0028】

図１を参照すると、抵抗器式温度変換器１は、抵抗素子２を有する。例えば、抵抗素子２は、細線抵抗素子４を有する。抵抗素子４は、白金ワイヤのような大きい抵抗温度係数を有するワイヤとすることができる。抵抗素子４は、例えば、細長いガラスパイプ１０に巻き付けられるか又は他の方法で取り付けることができる。取り付けられた抵抗素子４は、保護パイプ１２内に収容することができる。パイプ１０は、ガラス又はセラミック材料で製造することができる。保護パイプ１２は、例えば、ステンレス鋼で製造することができる。抵抗素子４と保護パイプ１２とを互いに絶縁する絶縁チューブ（図示せず）は、ポリイミドなどで製造することができる。抵抗素子４は、リレー接続ワイヤ１４により、外部リード線１６に接続される。金属パイプ１８は、例えば、外部リード線１６を保持し、適切な充填剤で充填することができる。他の保護及び／又は絶縁素子も、要求又は必要に応じて提供することができる。こうした構造又は構成は当業者に公知なので、本発明の開示においてそれらは詳細には説明しない。

【0029】

保護パイプ１２と金属パイプ１８は、充填剤を充填することによって互いに接続される。より詳細には、充填剤は、保護パイプ１２を密封し、リレー接続ワイヤ１４と外部リード線１６とを同時に固定する。リレー接続ワイヤ１４は、例えば、スポット溶接部分を通じて抵抗素子４に接続することができ、例えば、半田を用いて外部リード線１６に接続することができる。

【0030】

図２Ａは、ＲＴＤの使用による代表的な温度測定方法の概略図である。ＲＴＤ Ｒ_tは、温度が重要である例えば加熱炉内に配置される。計器は、加熱炉の外側に配置されてＲＴＤ Ｒ_tの抵抗を測定する。一般的に、基準抵抗が注入電流の測定のために提供され、例えば、常温にある測定計器内に配置される。感知変換器のみが、温度が測定される位置に配置される。例えば、実験室において、白金線変換器が、図２Ａに示すような加熱炉内のような温度が測定されることを要する位置に設けられる。内蔵の基準抵抗素子を有する外部表示器又は計器は、常温にある室内に通常は設けられる。

【0031】

測定計器は、その基準抵抗Ｒｒを通じてＲＴＤ Ｒ_tに電流を注入し、ＲＴＤ Ｒ_tの両端の電圧を測定する。加熱炉の温度が上昇すると、ＲＴＤ Ｒ_tの抵抗は増大する。その結果ＲＴＤ Ｒ_t両端の電圧がより高くなり、外部計器の指針が駆動される。外部表示器／計器の温度が安定である限り、外部表示器は、ＲＴＤ抵抗Ｒ_tの値を表示する。

【0032】

例えば、ボアホール用途においては、記録又は外部計器も、温度が高い可能性があるダウンホールに配置される場合がある。この状況は、図２Ｂに略示されるように変換器素子と同じ加熱炉内へ外部計器の設置に類似する場合がある。こうした状況では、基準抵抗Ｒ_rがどのように挙動するかを判断することが困難であり、温度を精密に測定することは容易ではない。

【0033】

基準抵抗Ｒ_r及びバッテリを有する温度変換器のための１つの簡単な構成が図２Ｃに示されている。図２Ｃで示すように、電流は、基準抵抗器Ｒ_rを通じてＲＴＤ Ｒ_tに注入される。電流Ｉは、基準抵抗器Ｒ_r両端の電圧を測定することによって判断される。

従って、ＲＴＤ抵抗Ｒ_tは、ＲＴＤ両端の電圧と注入電流とから次式のように判断される。

【0034】

温度Ｔでの白金線抵抗Ｒ_tは、電圧Ｅ_t及びバッテリから白金ワイヤに流れる電流及び基準抵抗Ｒ_rから推定することができる。電流は、基準抵抗Ｒ_r両端の電圧を測定することによって推定される。白金ワイヤの抵抗Ｒ_tは、次の２次多項式によって近似される（式１）。

式中、Ｃ₁＝０．３５６２９７×１０^-2及びＣ₂＝−０．６１７９４５×１０^-6、ΔＴは、温度Ｔと標準的には摂氏２０度にある基準温度との温度差であり、Ｒ_pは、摂氏２０度での白金ワイヤの抵抗である。

【0035】

精密温度測定のためには、基準抵抗を有する温度測定計器は、能動素子からのいずれの熱摂動も受けないように、加熱炉などからのあらゆる熱消散から隔離すべきである。図２Ａに再度注意されたい。計器が感知変換器からある一定の距離をおいて配置されている場合、接続ケーブルワイヤの抵抗は無視できない場合がある。Ｅ_tの測定は、電流Ｉによって生じる２ＩＲ_cに等しい電圧低下を含み、式中、Ｒ_cは、ケーブルの抵抗であり、「２」は、往復ケーブルを意味する。この場合、ケーブルワイヤ抵抗も温度依存性である。

【0036】

そのような状況に対して補償する１つの方法は、図３Ａ及び図３Ｂに示すように４つのワイヤを使用することである。電流は、ケーブル抵抗Ｒ_C1及びＲ_C4を通過して流れ、ケーブル両端に電圧低下が生じる。図３Ｂに注意されたい。感知抵抗Ｒ_t両端の電圧Ｅ_tは、独立したケーブルワイヤＲ_C2及びＲ_C3を通過して測定される。Ｅ_tを測定する計器の入力抵抗は、Ｒ_C2、Ｒ_C3、及びＲ_tよりも非常に大きくなければならない。電流は、基準抵抗Ｒ_r両端の電圧Ｅ_rから判断される。

【0037】

コンスタンタンは、Ｃ₀＝０．００００１である非常に低い温度係数の安定な抵抗を有することが公知である。この場合、コンスタンタンは、基準抵抗変換器の目的に対して適切な１つの材料である。所定の温度Ｔに対して、コンスタンタンを使用して得られる基準抵抗Ｒ_rは次式で示される（式２）。

式中、Ｒ_cは、摂氏２０度のような基準温度での抵抗である。

【0038】

基準Ｒ_r及び白金Ｒ_tに関する抵抗が１００オームであり、供給電圧Ｅ₀が１Ｖであると仮定する。摂氏１２０度での基準Ｒ_r及び白金Ｒ_tの抵抗及びそれらの抵抗から計算される温度は、式１及び式２を用いて推定することができ、以下の表１に示されている。理想的な基準抵抗に基づく計算は「理想」の列に示されている。「コンスタンタン」列では、コンスタンタンが何ら温度依存性を持たないと仮定して温度が計算されている。

【0039】

（表１）

【0040】

コンスタンタン基準抵抗Ｒ_rは、摂氏１２０度で１００．１２オームになる。コンスタンタン基準値を使用して感知抵抗Ｒ_tの測定電圧から計算された温度は、従って、摂氏１１９．５０２度である。理想的な基準値、すなわち、温度効果を持たない基準値又は本来の温度と比較した誤差は、摂氏−０．４９８℃である。この誤差は、摂氏約０．５℃であり、これは、精密測定に必要とされる摂氏０．０１度の誤差の限界よりも大きい。これは、感知変換器Ｒ_tを有する加熱炉内に基準抵抗Ｒ_rを有する計器を設置した結果である。図２Ｂに注意されたい。

【0041】

図２Ｄのグラフには、補正されない基準センサからの誤差が温度の関数として示されている。この温度精度は、温度計の仕様において標準的に示されている摂氏０．０１度のような程度ではないことが理解される。そのような精度は、摂氏１５から２５度の常温に関してのみ事実に反しない。

【0042】

本発明の開示は、上述のような問題を解決する改良された技術を提供する。より詳細には、本明細書での一部の実施形態は、基準変換器に基づいて測定に持ち込まれる可能な誤差に対して温度測定を補償する機構を提供する。例えば、基準センサを常温環境内に配置することが実現できない場合、温度測定誤差が、基準センサへの温度効果に起因して生じるであろうことが見込まれる。

【0043】

本出願人は、基準センサＲ_rが温度感知素子Ｒ_tと同じ位置及び周囲温度内に位置するようにした基準センサの配置にそれを適応させるように図３Ａ及び図３Ｂの４ワイヤ回路を補償することを提案する。提案された回路は、図４Ａ及び図４Ｂに示されている。

【0044】

図４Ｃから図４Ｅは、本発明の開示に従った基準抵抗器を有する温度変換器の一部の可能な構成を示している。図４Ｅは、電気絶縁薄膜基板のような適切な基板２０に埋め込まれた白金ワイヤ感知素子Ｒ_t及びコンスタンタンワイヤ基準素子Ｒ_rを有する薄膜型ＲＴＤの概略図である。

【0045】

本出願人は、例えば、コンスタンタン基準抵抗である基準抵抗Ｒ_rが、例えば、白金感知素子である測定抵抗Ｒ_tと同じ位置に配置され、両方の抵抗がそれらの温度が同じであるように保たれる新規な手法を提案した。次に、基準抵抗両端の電圧Ｅ_rが測定される。

【0046】

基準抵抗Ｒ_r内を流れる電流と感知抵抗Ｒ_t内を流れる電流は同じであるので、以下のようになる。

【0047】

従って、式１と式２を結合することができる。結果は次式になる（式３）。

【0048】

温度Ｔは、式３を満足させることによって判断することができる。Ｃ₂＝０又はＣ₂が非常に小さい最も簡単な場合に対しては、以下のようになる（式４）。

次に、温度は、次式のように見出すことができる（式５）。

Ｃ₂が無視できない場合には、以下のようになる（式６）。

次に、解は、以下のように見出すことができる（式７）。

白金及びコンスタンタンに関する熱係数のためにより高次の多項式を利用することができる場合には、精度の改善のために式３は、より高次の式に更に拡張することができる。コンスタンタン基準と白金センサは、それらの温度が同じであるようにして配置又は構成すべきであることに注意されたい。

【0049】

温度係数は、多項式形式でない場合があり、更に、より高次の多項式の状態にもない場合がある。こうした場合には、閉じた形の解又は解析解が存在しない場合があるが、しかし、熱係数が素子仕様から又は変換器素子の較正によって得られる限り補償温度を計算することができる。ＲＩＤに対して、一般的には、電流は、

であり、ＲＴＤ両端の電圧は、

である。

【0050】

仕様から又は較正により、基準抵抗の温度依存性を温度の関数として得ることができる。

【0051】

仕様から又は較正により、感知素子の温度依存性を温度の関数として得ることができる。

【0052】

次に、以下の式８が、基準抵抗両端の測定電圧、感知素子両端の電圧、摂氏２０度での基準抵抗Ｒ_c、及び摂氏２０度での感知素子抵抗Ｒ_pで満足されることを要する（式８）。

式８における温度は、数値解析で求めることができる。

【0053】

本出願人は、白金として温度センサＲ_t及びコンスタンタンとして基準センサＲ_rの状態でのシミュレーションを用いて上記を検証した。摂氏２０度での両方の抵抗は１００オームとされ、図２Ｃに示す回路に１Ｖが印加された。

【0054】

（表）

【0055】

以下の表２は、シミュレーション結果を示している。左から第２の列は、様々な温度での基準センサＲｒの抵抗を示し、第３の列は、温度センサＲ_tの抵抗である。電流、センサ両端の電圧もシミュレーション出力欄で一覧される。非補償基準を用いた温度計算は、入力温度と摂氏１．３度異なっている。式７を用いた補償温度は、入力温度を再現している。

【0056】

（表２）

【0057】

上述の原理は、図５Ａ及び図５Ｂに表されたような複数の温度変換器Ｒ_t、Ｒ₂、Ｒ₃を利用する温度測定のためにも役立たせることができる。複数の感知温度変換器は、その温度が複数の位置又はポイントで測定されることを要する本体３０に要求又は必要に応じて配列することができる。複数の温度を測定することを要する時は、付加的なＲＴＤを図５Ｂに表されるように直列に配列することができる。

【0058】

図５Ｂから明らかなように、直列電流が、複数のＲＴＤＲ_t、Ｒ₂、及びＲ₃に供給される。この場合、電流値は、図５Ｂの全ての感知素子に対して同じである。一般的に、電流は、各感知素子に対して個別に供給され、そのために各感知素子に対して電流値を判断することが必要である。しかし、電流が直列に供給される時は、全ての感知素子のために電流に関する１つの値が判断されることを要するのみである。

【0059】

第１のＲＴＤＲ_tは、基準抵抗Ｒ_rと共に設けられる。次に、第１の温度は、式７によって判断することができる。この既知温度から、基準ＲＴＤ抵抗Ｒ_rは、上述の式２を使用して判断される。

【0060】

次に、電流は、次式のように判断することができる（式９）。

【0061】

各ＲＴＤ抵抗は、次に、

として計算され、各温度は、

を解くことによって得ることができる。

【0062】

電流の量は、全てのＲＴＤＲ_r、Ｒ_t、Ｒ₂、Ｒ₃、及び各ＲＴＤ抵抗に対して同じであり、各温度は、従って、次式のようになる（式１０）。

【0063】

既に上述のように、異なる金属ワイヤが温度測定を行うために接続されているので、電圧を発生する熱電効果が存在する場合がある。この誘起電圧も抵抗測定に影響し、温度感知に誤差を引き起こす可能性がある。こうした熱電効果を評価するために、電流の極性を反転することができる。

【0064】

熱電効果によって発生する電圧を図６Ａに示すようにＥ_gと仮定する。温度感知ワイヤＲ_t内に流れる電流は、基準抵抗Ｅ_rの両端で測定される。次に、観測すべき電流Ｉ及び電圧は次式のようになる（式１１、式１２，式１３）。

【0065】

式１３を、印加される２つの異なる電圧に対して書き換える（式１４、式１５）。

次に、Ｒ_tは、次式で得ることができる（式１６）。

供給電圧の極性を切り換える必要はなく、Ｒ_tは、２つの異なる電圧の使用によって得ることができる。

【0066】

上述のことは、図４Ｂに表された基準抵抗Ｒ_rが感知素子Ｒ_tに取り付けられている５ワイヤシステムに対して拡張することができる。図６Ｂに示すように、熱電モデルのために２つのバッテリが存在することができる。バッテリ項は、基準の式と感知の式の両方に含まれる（式１７、式１８）。

式１７と式１８を結合すると次式が得られる（式１９）。

式１９を２つの供給電圧に対して書き換えると次式のようになる（式２０、式２１）。

式中、Ｅ_r1及びＥ_t1は、第１の電流注入に対して測定された電圧であり、Ｅ_r2及びＥ_t2は、第２の電流注入に関する電圧である。

【0067】

式２０及び式２１内のＲ_tを解くと、第１及び第２の電流注入での測定電圧に関連したＲ_tに関する式が得られる（式２２）。

式２２は、図らずも式１６と同じである。

【0068】

例えば、白金抵抗温度測定に関連する測定誤差は、白金ワイヤへの電流注入が熱を発生させて白金ワイヤの温度を変化させることである。温度が関心事項である媒体が大きい熱容量を有する場合、熱消散は、媒体によって吸収され、温度上昇は問題とならない場合がある。媒体が空気のように小さい熱容量を有する場合、熱消散は、センサの温度を上昇させ、センサ温度は、媒体の温度を示さない。

【0069】

図７Ａは、熱抵抗器温度変換器における熱消散効果の概略の説明である。図７Ｂは、本発明の開示の原理に従った自己加熱及び熱消散のような加熱効果に関する補償の１つの方法の各段階を表している。こうした自己加熱効果を評価するために、例えば、１ｍＡ及び１．４ｍＡである２つの異なる電流Ｉ₁及びＩ₂を熱抵抗器変換器Ｒに注入することができる（図７Ｂの段階１００に注目されたい）。熱発生が温度測定に関して無視することができる場合、１ｍＡ電流で測定されたＲＴＤ抵抗は、１．４ｍＡ電流で測定されたＲＴＤ抵抗と同じでなければならない（図７Ｂの段階１０２に注目されたい）。

【0070】

熱伝導／対流が小さい時の温度測定の場合には、ＲＴＤからの熱消散は、ＲＴＤ内に蓄積され、ＲＴＤの温度が上昇する。その結果、ＲＴＤ抵抗は、電流注入の量に応じて変更される。

【0071】

本発明の開示は、熱伝達を推定することによる自己加熱及び熱発生効果に対する補償を提供する。抵抗Ｒ_tを流れる電流Ｉは、熱ｑ＝Ｉ²Ｒ_tを発生させる。表面から媒体への熱の対流及び／又は伝導は、ｑ＝ｋ（Ｔ_s−Ｔ₀）であり、式中、ｋは、全体伝熱係数であり、Ｔ_sは、電流によって加熱されたセンサの温度であり、Ｔ₀は、環境の温度である。温度が平衡に達した時に、全ての発生した熱は、対流によって周囲媒体内に消散される。従って、電流Ｉ₁及びＩ₂に関する熱収支は、２つの測定に関してｋが同一に留まると仮定することにより、次式のように書くことができる（式２３、式２４）。

電流Ｔ_s1及びＴ_s2に関するＴ_s1及びＴ_s2での抵抗Ｒ_t1及びＲ_t2は、１次温度係数αを用いて推定される（式２５、式２６）。

ＲＴＤと周囲との温度差は小さいので、この１次抵抗推定は妥当である。次に、Ｔ₀でのＲ₀を以下のように見出すことができる（式２７）。

図７Ｂの段階１０４に注意されたい。ＲＴＤに流入する電流は次式になる。

ＲＴＤの抵抗は、次式のようになり、

従って、ＲＴＤの抵抗は、測定された基準抵抗及びＲＴＤの両端の電圧によって次式のように判断される。

次に、周囲温度での抵抗は、測定された電圧を用いて以下のように書くことができる。

ＲＴＤ抵抗が判断された状態で、式１を用いて周囲温度が判断される（図７Ｂの段階１０６に注目されたい）。自己加熱を最小にするために、注入電流は、できるだけ小さくなくてはならず、かつより精度を良好にするために自己加熱効果が測定温度から差し引かれるべきである。

【0072】

要約すれば、本発明の開示は、基準抵抗が温度感知抵抗と組み合わされ、２つの抵抗が同じ温度に維持されるために一緒にパッケージ化される新規な手法を提供する。本発明の開示は、ＲＴＤ素子のための新規な構成を提供する。この場合、本明細書で提案する５ワイヤ構成は、ケーブルワイヤ抵抗を無視することによって正確な結果を達成する。加えて、本明細書に開示された技術は、熱の消散を補償する。

【0073】

図８Ａから図８Ｄは、本発明の開示に従った一部の水晶振動子温度計に関する原理を説明するものである。図８Ａにおいて、ＡＴ及びＣＴである２つのタイプのカットを有する水晶振動子の共振周波数の温度依存性が示されている。図８Ｂは、異なる温度依存性を有する２つの水晶振動子を水晶温度計に使用することができる方法を示している。図８Ｂに表されるように、結晶２は、周囲温度が変化する時に安定な高精度クロックであるが、温度に起因する基準クロックの共振周波数における幾らかの変化が存在する可能性があり、これは、温度測定での誤差を引き起こす。本発明の開示は、図８Ｃに表されるように、温度効果に起因する基準クロック内のあらゆる変化を補償する改良された水晶温度計を提供する。

【0074】

図８Ｄは、水晶振動子温度計による温度測定の温度補償のための１つの方法を表すグラフである。図８Ｄのシミュレーションは、図８Ａの温度依存性図表に基づいて行われる。温度感知クロック（結晶１）は周波数を変化させ、基準クロック（結晶２）によって得られる１秒窓は小さい変化を生じさせる。図８Ｂに再度注意されたい。摂氏約２５度よりも高い温度が測定されることが既知の場合、与えられたクロック計数から温度を知ることができる。この場合、１ＭＨｚが、ＡＴカット基準クロック（結晶１）により１秒にわたってＣＴカット温度感知クロック（結晶２）に対して計数され、１００００００が差し引かれる。

【0075】

図９は、本明細書に説明する原理に従った温度測定の温度補償に関する１つの可能な技術の概略図である。感知素子４０（図４Ｅにも注目されたい）が、コントローラ４２と接続される。コントローラ４２は、本明細書に説明する原理に従って構成又は設計することができる。例えば、電源が感知素子４０と接続され、基準抵抗Ｒ_r及び感知抵抗Ｒ_tを通じて電流を供給する。変換器両端の電圧が測定され、温度計算モジュールが本明細書に説明する原理に従って温度補償されたデータを導出する。

【0076】

図１０Ａは、温度測定以外の温度補償測定のための１つの可能な方法及びシステムの概略の説明であり、図１０Ｂは、本明細書に説明する原理に従った温度変換器（例えば、図４Ｅに注目されたい）を有する例示的な圧力−温度計５０である。

【0077】

実施形態及び態様は、本発明の原理及びその実用化を最も良好に説明するように選択かつ説明したものである。以上の説明は、当業者が、本明細書に説明する原理を様々な実施形態かつ想起される特定の用途に適応させるように様々な修正を伴って利用することを可能にすることを意図している。また、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められるように意図している。

【符号の説明】

【0078】

Ｒ_r 基準抵抗
Ｒ_t 抵抗温度検出器（ＲＴＤ）
Ｔ ＲＴＤが位置する場所の温度

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図9】

【図10A】

【図10B】