特開 2023-20712 測定器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023020712

(43)【公開日】2023-02-09

(54)【発明の名称】測定器

(51)【国際特許分類】

   G01D 11/24 20060101AFI20230202BHJP

   G08C 17/00 20060101ALI20230202BHJP

【ＦＩ】

G01D11/24 B

G08C17/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021126241

(22)【出願日】2021-07-30

(71)【出願人】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100169823

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 雄郎

(74)【代理人】

【識別番号】230128026

【弁護士】

【氏名又は名称】駒木 寛隆

(72)【発明者】

【氏名】田中 康寛

【テーマコード（参考）】

2F073

【Ｆターム（参考）】

2F073AA03

2F073AA12

2F073AA19

2F073AA25

2F073AB01

2F073AB02

2F073BB01

2F073BC02

2F073CC03

2F073CC12

2F073CD11

2F073DE06

2F073DE13

2F073EE09

2F073EE11

2F073FF01

2F073FG01

2F073FG02

2F073GG01

2F073GG05

(57)【要約】

【課題】従来よりも温度が高い環境で使用可能な電池で駆動する測定器を提供する。
【解決手段】測定対象の物理量を測定する測定器１０は、測定対象の物理量を測定し、測定結果を電気信号として出力するセンサ回路２と、前記測定器１０の構成要素を駆動するための電力を蓄える電池５１と、前記センサ回路２と前記電池５１とを接続する電気回路上に設けられ、前記電気信号を伝達するとともに、熱伝導を抑制する断熱部２１，２２と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象の物理量を測定する測定器であって、
前記測定対象の物理量を測定し、測定結果を電気信号として出力するセンサ回路と、
前記測定器の構成要素を駆動するための電力を蓄える電池と、
前記センサ回路と前記電池とを接続する電気回路上に設けられ、前記電気信号を伝達するとともに、熱伝導を抑制する断熱部と、
を備える測定器。

【請求項2】

前記断熱部は、ニクロム薄膜の抵抗体による表面実装用抵抗器である、請求項１に記載の測定器。

【請求項3】

前記ニクロム薄膜は、ジルコニア基板上に形成される、請求項２に記載の測定器。

【請求項4】

前記断熱部は、ニクロムによるリード線である、請求項１に記載の測定器。

【請求項5】

前記断熱部は、ステンレスによるリード線である、請求項１に記載の測定器。

【請求項6】

前記測定結果を無線信号として出力する無線通信回路を更に備える、請求項１に記載の測定器。

【請求項7】

前記センサ回路、前記電池、及び前記断熱部を収容する、銅と比べて熱伝導性が低い容器を更に備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の測定器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、測定器に関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１には、プラントにおいて用いられる、産業ＩｏＴ（Internet of Things）向けの温度及び圧力の測定器（センサ）が記載されている。非特許文献１に記載の測定器は、温度又は圧力を測定し、ＬｏＲａ（Long Range）通信等の無線通信により測定値を送信する。これらの測定器は電池で駆動する。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】落合覚他、他3名、「産業用IoT向けSushi Sensor温度センサ・圧力センサ」、横河技報、横河電機株式会社、2019年、第62巻、第2号、p.69-74

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

非特許文献１の測定器を用いて高温のプロセスセンシングを行う場合、プロセス接触部からセンサ回路を通じて熱が伝わり、測定器の内部の温度が上昇する。そして、一般に電池の使用温度の上限は他の電子部品の使用温度の上限よりも低い。そのため、従来の測定器は、電池の使用温度の上限以下の温度の環境でしか使用することができなかった。

【0005】

本開示の目的は、従来よりも温度が高い環境で使用可能な電池で駆動する測定器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

幾つかの実施形態に係る測定器は、測定対象の物理量を測定する測定器であって、前記測定対象の物理量を測定し、測定結果を電気信号として出力するセンサ回路と、前記測定器の構成要素を駆動するための電力を蓄える電池と、前記センサ回路と前記電池とを接続する電気回路上に設けられ、前記電気信号を伝達するとともに、熱伝導を抑制する断熱部と、を備える。このように、センサ回路と電池とを接続する電気回路上に、電気信号は伝達するが、熱伝導は抑制する断熱部を設けたことで、測定対象の物理量の測定の際に受け取った熱が電池に伝わることを抑制することができる。したがって、測定器は電池で駆動するものの、従来よりも温度が高い環境で使用可能である。

【0007】

一実施形態において、前記断熱部は、ニクロム薄膜の抵抗体による表面実装用抵抗器である。ニクロムは、電気信号は伝達するが、熱伝導性は低いため、ニクロム薄膜の抵抗体による表面実装用抵抗器により断熱部を構成することで、センサ回路から電池へ熱が伝わることを抑制することができる。

【0008】

一実施形態において、前記ニクロム薄膜は、ジルコニア基板上に形成される。ジルコニアは、電気信号は伝達するが、熱伝導性は低いため、センサ回路から電池へ熱が伝わることを抑制することができる。

【0009】

一実施形態において、前記断熱部は、ニクロムによるリード線である。ニクロムは、電気信号は伝達するが、熱伝導性は低いため、センサ回路から電池へ熱が伝わることを抑制することができる。

【0010】

一実施形態において、前記断熱部は、ステンレスによるリード線である。ステンレスは、電気信号は伝達するが、熱伝導性は低いため、センサ回路から電池へ熱が伝わることを抑制することができる。

【0011】

一実施形態において、前記測定結果を無線信号として出力する無線通信回路を更に備える。センサ回路による測定結果を無線信号として外部へ伝達することができる。

【0012】

一実施形態において、前記センサ回路、前記電気、及び前記断熱部を収容する、熱伝導性が低い容器を更に備える。測定器の構成要素を容器に収容することで、外部の熱源から保護することができる。

【発明の効果】

【0013】

本開示の一実施形態によれば、電池により駆動して、従来よりも温度が高い環境で使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】比較例に係る測定器の構成を示す図である。

【図2】本開示の一実施形態に係る測定器の構成例を示すブロック図である。

【図3】図２の測定器の構成例を模式的に示す図である。

【図4】本開示の一実施形態に係る測定器の構成例を示すブロック図である。

【図5】本開示の一実施形態に係る測定器の構成例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

＜比較例＞
図１は、比較例に係る測定器９０の構成を示す図である。測定器９０は、プロセス接触部９１、センサ回路９２、演算回路９３、無線通信回路９４、電源回路９５、電池９６、アンテナ９７、及び容器９８を備える。プロセス接触部９１は、測定対象のプロセスに接触する。センサ回路９２は、プロセス接触部９１を通じてプロセスの状態を検出し、圧力、温度又は振動等の測定結果を出力する。演算回路９３は、センサ回路９２から入力された測定結果に対して所定の演算を行う。無線通信回路９４は、センサ回路９２の測定結果を外部の無線通信機器に向けて無線で送信するための信号処理を行う。アンテナ９７は、演算回路９３で信号処理が行われた信号を、無線信号として出力する。電池９６は、測定器９０の各構成要素を駆動するための電力エネルギーを蓄える。電源回路９５は、電池５１からエネルギーを取り出し、測定器９０の各構成要素に提供する。容器９８は、センサ回路９２、演算回路９３、無線通信回路９４、電源回路９５、電池９６、及びアンテナ９７を収容する。

【0016】

比較例に係る測定器９０を用いて高温のプロセスセンシングを行う場合、プロセス接触部９１からセンサ回路９２を通じて熱が伝わり、測定器９０の内部の温度が上昇する。さらに、測定器９０内の回路を構成する導体を介してプロセス接触部９１から電池９６へ熱が伝わる場合もある。測定器９０の回路に用いる電子部品の使用温度上限は一般に１２５℃～１５０℃である。これに対して電池９６の使用温度上限は８５℃と低い。そのため、比較例に係る測定器９０は、電池９６の使用温度の上限以下の温度の環境でしか使用することができなかった。

【0017】

＜実施形態＞
以下、本開示の一実施形態について、図面を参照して説明する。各図面中、同一の構成又は機能を有する部分には、同一の符号を付している。本実施形態の説明において、同一の部分については、重複する説明を適宜省略又は簡略化する場合がある。

【0018】

（第１実施形態）
図２は、本開示の第１実施形態に係る測定器１０ａの構成例を示すブロック図である。測定器１０ａは、プロセス接触部１、センサ回路２、断熱回路２１、演算回路３、無線通信回路４、電源回路５、電池５１、アンテナ４１、及び容器６を備える。プロセス接触部１は、プラントにおける測定対象のプロセスに接触する。センサ回路２は、プロセス接触部１を通じてプロセスの状態を検出し、圧力、温度、又は振動等を測定し、測定結果を断熱回路２１へ出力する。断熱回路２１は、センサ回路２からの測定結果を後段の演算回路３に伝達するとともに、後段の演算回路３への熱伝導を抑制する。演算回路３は、センサ回路２から入力された測定結果に対して所定の演算を行う。無線通信回路４は、センサ回路２の測定結果を外部の無線通信機器に向けて無線で送信するための信号処理を行う。アンテナ４１は、演算回路３で信号処理が行われた信号を、無線信号として出力する。電池５１は、測定器１０ａの各構成要素を駆動するための電力エネルギーを蓄える。電源回路５は、電池５１に接続されて、電池５１からエネルギーを取り出し、測定器１０ａの各構成要素に提供する。容器６は、センサ回路２、断熱回路２１、演算回路３、無線通信回路４、電源回路５、電池５１、及びアンテナ４１を収容する。

【0019】

測定器１０ａは、主たる熱源となるプロセス接触部１と電池５１との間に、電気的には導体であるが、熱抵抗が大きいニクロム又はステンレス等の材料により構成された断熱回路２１を備える。したがって、プロセス接触部１からの熱は断熱回路２１において遮断されるため、測定器１０ａは、従来よりも温度が高い環境で使用可能である。

【0020】

図３は、図２の測定器１０ａの構成例を模式的に示す図である。以下、一例として、測定器１０ａが、配管１００の圧力をセンシングする場合を説明する。プロセス接触部１は、例えば、配管１００内の圧力変化に応じてその形状が変化するダイヤフラム（膜）を備える。プロセス接触部１は、ダイヤフラムの形状変化を伝達するオイルを介して、配管１００内の圧力変化をセンサ回路２に伝える。

【0021】

センサ回路２は、例えば、ピエゾ抵抗型の圧力センサを備える。プロセス接触部１が出力する配管１００内の圧力変化は、センサ回路２内の圧力センサにより電気抵抗の変化量として検出され、その結果、電気信号に変換される。圧力の電気信号への変換と並行して、プロセスの熱がセンサ回路２の電気回路を通じて、断熱回路２１に伝達される。

【0022】

断熱回路２１は、例えば、表面実装用抵抗器と同様のプロセスで製造される。断熱回路２１を実現する抵抗体は、例えば、熱伝導率が低いニクロム薄膜で形成されてもよい。断熱回路２１は、例えば、薄膜の長さＴを１ｍｍ、断面をＬ×Ｗ＝１ｍｍ×０．０２ｍｍで形成したものを５系統接続したものとして構成されてもよい。ニクロムの熱伝導率は７０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、銅の４００Ｗ／ｍ・Ｋの１／５以下である。また、この薄膜をめっきする基材２３として熱伝導率がアルミナの１／１０程度（３Ｗ／ｍ・Ｋ）のジルコニアを用いてもよい。ジルコニアの断面積は、例えば、Ｌ×Ｗ＝１ｍｍ×０．５ｍｍ×５系統としてもよい。

【0023】

図３において、金属の配管１００はプロセスに直結しており、ステンレス製の締結部６ｃによりステンレス製のボディ６ｂと締結されている。配管１００内の熱はプロセス接触部１のダイヤフラムを通してボディ６ｂに溶接で接続されたセンサ回路２に伝えられる。センサ回路２の銅製のリード線２４は、例えば、ガラスエポキシのプリント基板７aにはんだ付けされている。ガラスエポキシの熱伝導率は０．４Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、銅と比較すると１／１０００であり無視できるほど小さい。したがって、ほとんどの熱はセンサ回路２のリード線２４からプリント基板７ａの各回路間を接続する銅パターンを経由した熱伝導で伝わる。センサ回路２のリード線２４は、例えば、ガラスエポキシのプリント基板７aに対してねじ止めにより固定されてもよい。

【0024】

プリント基板７aはコネクタ８aでプリント基板７ｂと接続されている。プリント基板７ｂの下部には断熱回路２１が実装される。断熱回路２１の上方に演算回路３、無線通信回路４、及びアンテナ４１が順に実装されている。このような配置にすることにより、センサ回路２から銅パターンを通して伝達される熱を断熱回路２１の低い熱伝導率の効果によって伝わりにくくすることができる。

【0025】

コネクタ８ｂ、ケーブル９ａ、及びコネクタ８ｃを経由して、プリント基板７ｂに接続されるプリント基板７ｃには電源回路５が実装される。電源回路５は、コネクタ８ｃ、ケーブル９ａ、及びコネクタ８ｂを介して、プリント基板７ｂに電源を供給している。プリント基板７ｃの電源回路５は、コネクタ８ｄ、及びケーブル９ｂを経由して電池５１に接続されている。プリント基板７ｃ、及び電池５１は、ボディ６ｂに取り付けられたポリカーボネート製の支持部６ｄで支持される。ポリカーボネートの熱伝導率は０．２Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、プリント基板７ｃ及び電池５１にボディ６ｂの熱は伝わりにくい。したがって、プロセス接触部１の熱は、センサ回路２までは伝わるが、断熱回路２１により熱的に遮断され、演算回路３、無線通信回路４、電源回路５、電池５１、及びアンテナ４１には熱が伝わりにくい。

【0026】

断熱回路２１による熱的な遮断の効果について試算値を用いて説明する。断熱回路２１に当たる薄膜を銅で形成した構成は断熱回路なしの構成に相当する。薄膜をニクロムで形成した構成は断熱回路ありの構成に相当する。薄膜の材質の差異以外の条件を同じとして、この２つの薄膜の熱抵抗を算出する。

【0027】

熱抵抗は厚み／（熱伝導率×面積）で算出されることから、熱が伝わる部材の熱抵抗Ｒ_th＝（Ｔ／１０００）／（ｋ×Ｌ／１０００×Ｗ／１０００×５）となる。ただし、Ｔは熱が伝わる部材（例えば、薄膜）の長さ（ｍｍ）、ｋは部材の材料の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）、Ｌは部材のＴに直交する方向の長さ（ｍｍ）、Ｗは部材の厚さ（ｍｍ）である。前述のように、例えば、Ｔ＝１、Ｌ＝１、Ｗ＝０．０２としてもよい。その場合、銅薄膜の熱抵抗Ｒ_th（Ｃｕ）、及びニクロム薄膜の熱抵抗Ｒ_th（ＮｉＣｒ）は次のようになる。
Ｒ_th（Ｃｕ）＝（１／１０００）／（４００×１／１０００×０．０２／１０００×５）＝２５℃／Ｗ
Ｒ_th（ＮｉＣｒ）＝（１／１０００）／（７０×１／１０００×０．０２／１０００×５）＝１４３℃／Ｗ

【0028】

また、薄膜の基材をジルコニア基材とした場合、ジルコニア基材の熱抵抗Ｒ_th（Ｚｒ）は次のようになる。
Ｒ_th（Ｚｒ）＝（１／１０００）／（３×１／１０００×０．５／１０００×５）＝１３３．３℃／Ｗ

【0029】

ジルコニア基材を各薄膜に並列接続したときの熱抵抗は、銅薄膜と、ニクロム薄膜とで、次のようになる。
銅薄膜：１／（１／２５＋１／１３３．３）＝２１℃／Ｗ
ニクロム薄膜：１／（１／１４３＋１／１３３．３）＝６９℃／Ｗ

【0030】

例えば、熱源の仕事率を１Ｗとすると、銅の薄膜を通過する前後の温度差ΔＴ（Ｃｕ）、及び、ニクロムの薄膜を通過する前後の温度差ΔＴ（ＮｉＣｒ）は次のようになる。
ΔＴ（Ｃｕ）＝Ｒ_th（Ｃｕ）×１＝２１℃／Ｗ×１＝２１℃
ΔＴ（ＮｉＣｒ）＝Ｒ_th（ＮｉＣｒ）×１＝６９℃／Ｗ×１＝６９℃

【0031】

例えば、プロセスの温度が１５０℃の場合、薄膜の後段部分の温度は、銅の薄膜及びニクロムの薄膜で、次のようになる。
銅：１５０℃－２１℃＝１２９℃
ニクロム：１５０℃－６９℃＝８１℃
したがって、銅の薄膜と、ニクロムの薄膜との後段部分の温度差は、１２９℃－８１℃＝４８℃となる。すなわち、ニクロム薄膜で構成された断熱回路２１は、プロセス接触部１との温度差を、銅薄膜よりも４８℃大きくとることができる。

【0032】

以上のように、断熱回路２１は、プロセス接触部１からセンサ回路２を通じて演算回路３に伝達される熱を制限し、断熱回路２１前後の温度差ΔＴを大きくとる。したがって、測定器１０ａは、従来の構成と比較して演算回路３以下の後段部分の温度上昇を低く抑えることが可能である。断熱回路２１を設けることにより、使用温度上限が電子部品と比較して低い電池の周囲温度が下がるので、測定器１０ａの使用温度上限を電池の周囲温度が下がった分だけ上げることができる。すなわち、測定器１０ａは、より高温の環境で使用することができる。

【0033】

（第２実施形態）
図４は、本開示の第２実施形態に係る測定器１０ｂの構成例を示すブロック図である。本実施形態では、主に第１実施形態と相違する構成について説明し、同一又は共通する構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

【0034】

第２実施形態と第１実施形態との差異は、断熱回路２１が断熱リード線２２に置き換えられたことである。断熱リード線２２は断熱回路２１と同様にセンサ回路２からの入力信号を通過させるとともに熱伝導を抑制する働きをする。断熱リード線２２の材料には、熱伝導率が低いニクロム線又はステンレス線を用いられてもよい。ステンレス線の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。ステンレス線は、ニクロム線よりも断熱効果が更に高い。さらに、薄膜を形成する基材を経由した熱伝導の漏れがなくなるため、薄膜による断熱回路２１よりも熱分離の性能向上を更に期待することができる。ニクロム線又はステンレス線の回路への接続は、例えば、ステンレス用はんだを用いたはんだ付けにより行ってもよい。あるいは、ニクロム線又はステンレス線は、端子を圧着して端子台にねじ止め接続してもよい。

【0035】

断熱リード線２２の働きにより、センサ回路２から演算回路３に伝達される熱が制限され、従来の構成と比較して内部温度上昇を低く抑えることが可能である。したがって、従来よりも温度が高い環境で使用可能な電池で駆動する測定器を提供することが可能である。

【0036】

（第３実施形態）
図５は、本開示の第３実施形態に係る測定器１０ｃの構成例を示すブロック図である。本実施形態では、主に第１実施形態と相違する構成について説明し、同一又は共通する構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

【0037】

本実施形態に係る測定器１０ｃは、容器６、断熱回路２１を収納する容器６１、及びセンサ回路２を収納する容器６２を分離した構成を有する。このように構成することで、容器６，６１，６２の組合せを変更することで、測定用途に合わせた様々なセンサ回路２に組み替えることが可能となる。また、様々なセンサ回路２に応じた容器６の形状、及び容器６に内蔵する回路構成を柔軟に変更することが可能である。

【0038】

以上のように、測定対象の物理量を測定する測定器１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）は、センサ回路２、電池５１、及び断熱部（２１，２２）を備える。センサ回路２は、測定対象の物理量を測定し、測定結果を電気信号として出力する。電池５１は、測定器１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）の構成要素を駆動するための電力を蓄える。断熱部（２１，２２）は、センサ回路２と電池５１とを接続する電気回路上に設けられ、電気信号を伝達するとともに、熱伝導を抑制する。このように、センサ回路２と電池５１とを接続する電気回路上に、電気信号は伝達するが、熱伝導は抑制する断熱部（２１，２２）を設けたことで、測定対象の物理量の測定の際に受け取った熱が電池５１に伝わることを抑制することができる。したがって、測定器１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）は電池５１で駆動するものの、従来よりも温度が高い環境で使用可能である。

【0039】

また、断熱部２１は、ニクロム薄膜の抵抗体による表面実装用抵抗器としてもよい。ニクロムは、電気信号は伝達するが、熱伝導性は低いため、ニクロム薄膜の抵抗体による表面実装用抵抗器により断熱部２１を構成することで、センサ回路２から電池５１へ熱が伝わることを抑制することができる。

【0040】

また、ニクロム薄膜は、ジルコニア基板上に形成されてもよい。ジルコニアは、電気信号は伝達するが、熱伝導性は低いため、センサ回路２から電池５１へ熱が伝わることを抑制することができる。

【0041】

また、断熱部２２は、ニクロムによるリード線としてもよい。ニクロムは、電気信号は伝達するが、熱伝導性は低いため、センサ回路２から電池５１へ熱が伝わることを抑制することができる。

【0042】

また、断熱部２２は、ステンレスによるリード線としてもよい。ステンレスは、電気信号は伝達するが、熱伝導性は低いため、センサ回路２から電池５１へ熱が伝わることを抑制することができる。

【0043】

また、測定器１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）は、測定結果を無線信号として出力する無線通信回路４を更に備えてもよい。これにより測定器１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）は、センサ回路２による測定結果を無線信号として外部へ伝達することができる。

【0044】

また、測定器１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）は、センサ回路２、電池５１、及び断熱部（２１，２２）を収容する、銅と比べて熱伝導性が低い容器６を更に備えてもよい。このように、測定器１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）の構成要素を容器６に収容することで、外部の熱源から保護することができる。

【0045】

本開示は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、ブロック図に記載の複数のブロックは統合されてもよいし、又は１つのブロックは分割されてもよい。その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲での変更が可能である。

【符号の説明】

【0046】

１ プロセス接触部
２ センサ回路
３ 演算回路
４ 無線通信回路
５ 電源回路
６ 容器
７ プリント基板
８ コネクタ
９ ケーブル
１０ 測定器
２１ 断熱回路
２２ 断熱リード線
２３ 基材
２４ リード線
４１ アンテナ
５１ 電池
６１，６２ 容器
９０ 測定器
９１ プロセス接触部
９２ センサ回路
９３ 演算回路
９４ 無線通信回路
９５ 電源回路
９６ 電池
９７ アンテナ
９８ 容器
１００ 配管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】