温度の測定方法及び温度計
【課題】温度の変化を伴う流動する流体の中で、常に流体の温度変化に追随した流体の温度を高精度で測定し、かつ流体の温度と流速を同時に測定可能な、温度の測定方法及び該温度の測定方法に利用される温度計を提供することを課題とする。
【解決手段】測定方法１は、センサを加熱するセンサ加熱工程Ｓ２と、加熱されたセンサのセンサ温度を測定するセンサ温度測定工程Ｓ３と、測定時間帯に加えられたセンサに対する加熱量、及び測定時間帯前後の測定ポイントにおけるセンサ温度に基づいて、測定時間帯のセンサの放熱量を算出する放熱量算出工程Ｓ４と、算出された少なくとも二つ以上の測定時間帯に対する放熱量に基づいて、流体の温度を算出する温度算出工程Ｓ５と、流体の流速を算出する流速算出工程Ｓ６とを主に具備する。
【解決手段】測定方法１は、センサを加熱するセンサ加熱工程Ｓ２と、加熱されたセンサのセンサ温度を測定するセンサ温度測定工程Ｓ３と、測定時間帯に加えられたセンサに対する加熱量、及び測定時間帯前後の測定ポイントにおけるセンサ温度に基づいて、測定時間帯のセンサの放熱量を算出する放熱量算出工程Ｓ４と、算出された少なくとも二つ以上の測定時間帯に対する放熱量に基づいて、流体の温度を算出する温度算出工程Ｓ５と、流体の流速を算出する流速算出工程Ｓ６とを主に具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度の測定方法及び温度計に関するものであり、特に温度の変化を伴う液体や気体等の流れの中で、常に流体の温度の変化に追随した流体の温度の測定を行うための、温度の測定方法及び該温度の測定方法を利用した温度計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、液体や気体等の流体の温度を正確に測定する試みが行われている。しかしながら、これらの流体は、多くの場合、不規則的な流速で流れるものであり、流速及び／若しくは流体の温度は常に一定であることはなく、時々刻々変化している。そのため、温度計の熱容量と流体の流速に基づいて定まる温度計の時定数よりも短いタイムスケール（時間間隔）でこれらの流体の温度が変化する場合、該温度計から出力される温度の測定値は測定対象となる流体の温度変化に十分に追随することができず、流体の温度の正確な測定が困難となっている。そこで、これらの問題を解消するものとして、種々の温度の測定方法または温度計や温度測定装置等が開発されている。
【０００３】
ここで、一例を挙げると、温度計から出力される値に対し、該温度計の熱容量に起因する高周波成分の減衰を、増幅器を利用して増幅する処理を行い、測定対象の流体の温度を補正し、復元することが行われている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
また、所定の流体の流れの中においた定温度型熱線流速計の先端の細い金属線（熱線）を利用し、予め定めた時間間隔で、該熱線が高低二種類の熱線温度（熱線動作温度）を交互に実現するよう、印加する電流を自動的に調節して、熱線が目標とする温度に安定して達した時の熱線の発熱量を測定し、これに基づいて流体の速度（流速）と流体の温度とをそれぞれ測定するものもある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、熱線流速計の熱線の加熱量を階段状に変化させ、その時の温度変化（過度応答）が所謂「一時遅れ応答」になること、換言すると、指数関数的な変化を示す特性を利用し、流体の温度を測定する方法も知られている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１１９０５３号公報
【非特許文献１】蒔田 秀治、外２名，「温度流速計の高精度化」，日本機械学会論文集，１９９２，第５８巻，第５４５号，ｐ．９０−９７
【非特許文献２】高野 亮二、外２名，「パルス加熱式熱線風速計の流速・温度同時測定」，日本機械学会東海支部第５４期総会講演会講演論文集，２００５，Ｎｏ．０５３−１，ｐ．２９１−２９２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した温度測定方法または温度計等は、下記に掲げるような問題を生じることがあった。すなわち、非特許文献１のように、増幅器によって高周波成分の信号の減衰を増幅処理し、復元するものにおいては、高周波成分の補正を行う際に、センサの熱容量と流体の流速によって定まるセンサの時定数が必要であるため、センサの時定数を得るために流速を測定する必要がある。しかし、流速の測定は流体の温度の測定とは別個のセンサで行う必要があるので、流体の温度センサと同一の位置での流速、そして流体の温度センサの時定数を得ることはできず、正確な周波数特性の補正を行うことができなかった。また、増幅処理を行う際に、求める高周波成分の増幅と一緒に、信号に含まれる不要なノイズを増幅させてしまう結果となった。そのため、増幅されたノイズの影響により、真に必要となる高周波成分がノイズに埋没したり、高周波成分とノイズとの境界が不明確となり、復元後の温度の値の精度が低下するおそれがあった。これらの原因により、係る温度の測定方法は、高い精度で温度が必要とされる分野での使用には適していなかった。
【０００８】
さらに、定温度型熱線流速計を利用し、熱線の動作温度を切替えながら、流速を測定するものは、使用する熱線の温度が定常状態に到達させる必要があった。ところが、高低二種類の動作温度になるように、かつ非常に短い時間で目標温度に正確に到達させるよう、熱線に印加する電流を制御することは、極めて困難であった。そのため、熱線が定常状態に到達するまでの時間が必要となり、高低二種類の動作温度になるようにそれぞれ温度を設定することは、測定時間の間隔を長くとる必要があった。このため、短い時間間隔での流体の温度の測定には向いていなかった。
【０００９】
また、熱線の温度変化の様子が指数関数的であることに注目して流体の温度を測定するものは、熱線の熱容量によって規定される時定数に相当する時間が必要であった。この場合、熱線温度は、測定されたその時点における流速と流体の温度とによって影響を受けるため、熱線の過度応答中は係る流速及び流体の温度が常にほぼ一定の値を保つことが必要であった。したがって、熱線の時定数よりも短い測定間隔で流速や流体の温度が変化するような流れに対しては、該変化に追随して正確な測定を行うことが困難であった。そのため、これらに流速等が大きく変化するような流体については、得られるデータの精度に問題が残る場合があった。
【００１０】
さらに、上記の従来技術は、いずれも流体の温度と流速とを同一位置若しくは同一タイミングで測定することができないものであり、流体の挙動を正確に認識するために、同一位置及び同一タイミングにおける流体の温度及び流速の同時測定が可能な温度の測定方法が求められていた。
【００１１】
そこで、本発明は、上記実情に鑑み、常に流体の温度の変化に追随した流体の温度の測定が可能であり、さらに流体の流速の同時測定が可能な温度の測定方法及び温度計を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、本発明にかかる温度の測定方法は、「加熱量の調節が可能なセンサ加熱手段に接続されたセンサを利用し、該センサ加熱手段を用いて測定対象となる液体または気体からなる流体の中で前記センサへの加熱量を調節することにより、前記センサの温度を変化させることを目的とするセンサ加熱工程と、前記流体の温度の変化が無視できる程度の短い測定時間帯の前後の測定ポイントにおける、加熱された前記センサのセンサ温度をそれぞれ測定するセンサ温度測定工程と、前記センサ加熱手段によって前記測定時間帯に加えられた前記センサに対する加熱量、及び前記測定ポイントにおける前記センサ温度に基づいて、前記測定時間帯の前記センサの放熱量を下記式（Ａ）
Ｑｃ＝Ｑｐ−Ｃｓ（Ｔｓａ−Ｔｓｂ） ・・・・・ （Ａ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｑｐ：加熱量、Ｃｓ：センサの熱容量、Ｔｓａ，Ｔｓｂ：各測定ポイントのセンサ温度）を利用して算出する放熱量算出工程と、
算出された少なくとも二つ以上の前記測定時間帯に対する前記放熱量に基づいて、前記流体の温度を下記式（Ｂ）
Ｑｃ＝Ｋ（Ｔｓ−Ｔｆ）Δτ ・・・・・ （Ｂ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｔｓ：測定時間帯におけるセンサの代表温度、Ｔｆ：流体の温度、Ｋ：比例定数、Δτ：測定時間帯の時間幅）を利用して算出する温度算出工程と」を具備するものから主に構成されている。
【００１３】
ここで、本発明の温度の測定方法に使用されるセンサとしては、例えば、従来の熱線流速計などの測定部（センサ）として利用される一本の加熱された金属線（白金線等の抵抗温度センサ。以下、「熱線」と称す）からなる熱線プローブを示すことができる。この熱線プローブを用いる場合、熱線に電流を印加すること（センサ加熱手段に相当）によって、該熱線を加熱することができる。このとき、熱線への加熱量は、例えば、印加する印加電流を標準抵抗の電位差から求め、この印加電流値と熱線の電位差から求めることができる。また、熱線の熱線温度（センサの温度に相当）は、従来の抵抗線温度計の原理に従って熱線の抵抗値から求めることが可能である。そのため、比較的簡易な構成及び測定方法により、上記式（Ａ）等に代入可能な値を取得することができるため、熱線等をセンサとして用いることが特に好適と思われる。
【００１４】
したがって、本発明の温度の測定方法によれば、非常に短い測定時間帯におけるセンサの放熱量を上記式（Ａ）を利用して算出し、さらに算出された少なくとも二つ以上の測定時間帯におけるセンサの放熱量と、その時のセンサの代表温度を上記式（Ｂ）に当て嵌め、その解を求めることにより、流体の温度を正確に計算することが可能となる。
【００１５】
さらに、詳しく説明すると、流動する流体の中に設置されたセンサは、その周囲を当然のことながら、液体または気体の流体に囲まれた状態となっている。係る状態でセンサから放出される放熱量Ｑｃは、式（Ｂ）により、センサ自身の温度（センサの代表温度Ｔｓ）と、測定対象となる流体の温度Ｔｆとの差に比例する関係が成立する。そのため、少なくとも二つ以上の測定時間帯におけるセンサの放熱量Ｑｃの値と、それに対応するセンサの代表温度Ｔｓの値をそれぞれ測定することができれば、式（Ｂ）に当該数値を代入することにより、流体の温度Ｔｆが計算される。このとき、前後の測定ポイントの間の測定時間帯は、流体の流速の変化を無視できる程度の非常に短いものであり、流体の温度Ｔｆは一定の値として示される。なお、算出される流体の温度Ｔｆの精度をさらに高めるためには、複数の測定時間帯についての放熱量の値を求め、最小二乗法等によって計算するものであってもよい。なお、式（Ｂ）においてセンサの代表温度Ｔｓは、例えば、測定時間帯の前後の測定ポイントで取得されたセンサ温度の平均値を用いることができる。
【００１６】
さらに、本発明にかかる温度の測定方法は、上記構成に加え、「前記流体の温度を算出する際に規定された前記比例定数が前記流体の流れの速度に依存する性質に基づいて、前記流体の流速を算出する流速算出工程を」具備するものであっても構わない。
【００１７】
したがって、本発明の温度の測定方法によれば、被測定物である流体の流速が、算出されたセンサ温度に基づいて求められる。このとき、上記式（Ｂ）における比例定数Ｋは、同一のセンサを利用し、同一の流体で、かつ熱伝導率、粘性係数等の諸性質が変化しない場合、下記式（Ｅ）
Ｋ＝Ｆ（Ｕ） ・・・・・ （Ｅ）
として、流速Ｕの関数として表すことが可能である。
【００１８】
そのため、上記式（Ａ）及び式（Ｂ）に基づいて流体の温度を算出する際、流体の温度Ｔｆとともに、放熱に関する比例定数Ｋを求めることにより、容易に流速Ｕが決定される。なお、係る原理は、前述した従来型の熱線流速計の原理と同様である。しかしながら、非特許文献１では、別途センサによって流れの温度を測定する必要があり、特許文献１では、温度が急激な変化をする流体には適していない。これに対して、本発明は、高速の温度変化に追随し、かつ流体の温度と流速とを同一の位置及び同一のタイミングで精度よく算出することが可能となる。
【００１９】
一方、本発明にかかる温度計は、「液体または気体からなる流れの中に配されたセンサと、前記センサを加熱するセンサ加熱手段と、前記センサ加熱手段によって加熱された前記センサのセンサ温度を、前記流体の温度変化を無視できる程度の短い測定時間帯の前後の測定ポイントで測定し、温度データを取得するセンサ温度測定手段と、取得された前記測定ポイントにおける前記温度データ及び前記センサに加えられた加熱量に係る加熱量データに基づいて、前記測定時間帯における前記センサの放熱量を下記式（Ｃ）
Ｑｃ＝Ｑｐ−Ｃｓ（Ｔｓａ−Ｔｓｂ） ・・・・・ （Ｃ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｑｐ：加熱量、Ｃｓ：センサの熱容量、Ｔｓａ，Ｔｓｂ：各測定ポイントのセンサ温度）を利用して演算処理によって算出する放熱量算出手段と、
算出された少なくとも二つ以上の前記測定時間帯に対する前記放熱量に基づいて、前記流体の温度を下記式（Ｄ）
Ｑｃ＝Ｋ（Ｔｓ−Ｔｆ）Δτ ・・・・・ （Ｄ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｔｓ：測定時間帯におけるセンサの代表温度、Ｔｆ：流体の温度、Ｋ：比例定数、Δτ：測定時間帯の時間幅）を利用して演算処理によって算出する温度算出手段と」を具備して主に構成されている。
【００２０】
したがって、本発明の温度計によれば、前述した温度の測定方法における各工程に係る処理を行うことにより、温度変化に追随して精度よく流体の温度を測定することが可能となる。なお、センサ温度測定手段、放熱量算出手段、及び温度算出手段は、センサ及びセンサを加熱するセンサ加熱手段と接続した汎用のパーソナルコンピュータを利用して構築することが可能であり、上記式（Ｃ）及び式（Ｄ）を予めプログラミングしたソフトウェアを構築し、測定されたセンサ温度等を入力することにより、演算処理の結果を出力表示可能にするものであってもよい。
【００２１】
さらに、本発明にかかる温度計は、上記構成に加え、「前記流体の温度を算出する際に規定された前記比例定数に基づいて、前記流体の流速を算出する流速算出手段を」具備するものであっても構わない。
【００２２】
したがって、本発明の温度計によれば、算出された流体の温度及びセンサ温度に基づいて流速の算出が上記式（Ｅ）に従って行われる。これにより、流速及び流体の温度の測定が同一位置及び同一タイミングで実施可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の効果として、上記温度の測定方法及び該温度の測定方法の原理に基づいた温度計を利用することにより、流体の温度変化を無視できる程の非常に短いタイムスケールの中での測定ポイントにおけるセンサの放熱量を算出し、これに基づいて流体の温度を算出することができる。その結果、従来は流体の温度変化に追随することのできなかった温度計または温度の測定方法に比べ、精度よく流体の温度を算出することが可能となる。さらに、算出に用いた式の比例定数が流速の関数として記述可能なことを利用し、流体の温度と同一位置において当該流体における流速を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施形態である温度の測定方法１（以下、単に「測定方法１」と称す）及び該測定方法１に利用される温度計２について、図１乃至図４に基づいて説明する。ここで、図１は本実施形態の測定方法１を実施する温度計２の構成要素であるセンサプローブ３（センサに相当）の概略構成を模式的に示す説明図であり、図２は温度計２の主に温度計本体６に係る機能的構成を示すブロック図であり、図３は測定方法１の流れを示すフローチャートであり、図４はセンサ温度Ｔｓ及び加熱量Ｑｐの時間変化を示すグラフである。
【００２５】
本実施形態の測定方法１は、空気や燃焼ガスなどの気体若しくは水やその他の液体からなる流動している流体５の流体の温度Ｔｆ及び該流体５の流速Ｕを同時に測定するものであり、一方、本実施形態の温度計２は、流体５の中に挿入され、流体の温度Ｔｆを検出するセンサプローブ３と、センサプローブ３へ加熱電流を供給し、またセンサプローブ３によって検出されたセンサ温度Ｔｓに係る温度信号４を演算処理して流体の温度Ｔｆ並びに流速Ｕを求める温度計本体６と、演算処理の結果として算出された算出結果の値（流体の温度Ｔｆの値）等の種々の情報を出力表示するためのモニタディスプレイ等からなる出力表示装置７とを具備して主に構成されている。
【００２６】
ここで、流体の温度Ｔｆを検出するために流体５の中に挿入されるセンサプローブ３は、図１に示すように、二本の支持導線８ａ，８ｂの先に幅数ｍｍ、直径数μｍの白金線（以下、「熱線９」と称す）を取付けて構成されたものである。
【００２７】
さらに、温度計２に係る温度計本体６は、図２に示すように、その機能的構成として、温度計本体６に係る各種機能を制御するためのマイクロプロセッサから構成される制御装置１０と、Ｄ／Ａ変換器１１及び電流増幅器１２を組合わせることによって構成され、制御装置１０からの制御指示に応じて熱線加熱電流を発生させ、支持導線８ａ，８ｂを通して該熱線加熱電流を熱線９に供給可能な熱線加熱装置１３と、センサプローブ３から支持導線８ａ，８ｂをによって導かれた温度信号４をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１４と、制御装置１０から熱線加熱装置１３に対して送出された加熱の制御に係る制御信号１５、Ａ／Ｄ変換器１４によって変換されて取得したセンサプローブ３の温度に係るデータ（図示しない）に基づいて演算処理を行う演算装置１６と、演算装置１６によって算出されたセンサプローブ３の熱線温度Ｔｓａ１，Ｔｓｂ１，Ｔｓａ２，Ｔｓｂ２等の値を温度データ１９としてそれぞれ記憶する記憶装置１７と、演算処理の結果として算出された各種の値を出力表示装置７に信号制御して送出する出力制御装置１８とを具備して主に構成されている。ここで、熱線加熱装置１３が本発明におけるセンサ加熱手段に相当し、これにより、流体５の流速Ｕの変化が無視できる程度の短い測定時間帯で該熱線９の温度を変更することが可能となる。また、Ａ／Ｄ変換器１４及び演算装置１６が本発明におけるセンサ温度測定手段に相当し、制御装置１０、演算装置１６、及び記憶装置１７が本発明における放熱量算出手段、温度算出手段、及び流速算出手段に相当する。また、熱線加熱装置１３は、流体５の流速Ｕの変化が無視できる程度の短い測定時間帯Δτで熱線９の温度を変更することのできる機能を有している。
【００２８】
また、演算装置１６は、熱線加熱電流と熱線９の電圧降下から熱線９の発熱量Ｑｐ１，Ｑｐ２を求め、これと先に記憶した複数のセンサプローブ３の温度Ｔｓａ１等に係る温度データ１９に基づいて、放熱量Ｑｃ１，Ｑｃ２を求め、これらから流体の温度Ｔｆを演算する。さらに、必要に応じ、比例定数Ｋを算出し、流速Ｕを求めることを行う。そして、算出された流体の温度Ｔｆ並びに流速Ｕの値が出力表示装置７から出力される。また、出力制御装置１８は、算出された流体の温度Ｔｆ等に係る各種データ１９等の値を表形式、またはグラフ形式などの種々の形式で出力表示するために信号制御し、前述した出力表示装置７に送出する機能を有している。
【００２９】
次に、本発明の温度計２を利用し、本実施形態の測定方法１によって流体の温度Ｔｆ及び流速Ｕを測定する測定例について、主に図３及び図４に基づいて説明する。まず、センサプローブ３を、流動する流体５の中の流体の温度Ｔｆ及び流速Ｕを測定しようとする位置に設置する。次に、温度計本体６を起動する。これによって以下の動作が記憶装置１７に予め内蔵されたプログラム（図示しない）若しくは外部から入力されたプログラムに従って連続的に実行される。
【００３０】
まず、制御装置１０によって、予め規定された熱線加熱の波形に相当する信号を発生する（信号発生工程Ｓ１）。ここで、加熱波形としては、必要に応じて、短形波、鋸歯状波、その他の多様な波形を適宜与えることができる。なお、本実施形態では、階段状の電流変化を与えた場合について例示する。
【００３１】
その後、熱線加熱装置１３は、上述した制御装置１０からの制御信号に基づき、熱線加熱電流を発生させ、センサプローブ３に供給する（センサ加熱工程Ｓ２）。これにより、センサプローブ３の温度（熱線温度Ｔｓに相当）は、図４に例示するように上昇下降を繰返す。
【００３２】
このとき、非常に短い測定時間帯Δτ１の前後の測定ポイントτａ１，τｂ１における熱線９の電圧降下をＡ／Ｄ変換器１４によってデジタル信号に変換し、これと制御装置１０から送出された制御信号１５から熱線温度Ｔｓａ１，Ｔｓｂ１（図４参照）を演算して温度データ１９を取得する（センサ温度測定工程Ｓ３）。なお、温度データ１９の取得と同時に、係る温度データ１９は記憶装置１７に記憶される。さらに、同様に、別の測定時間帯Δτ２におけるそれぞれの測定ポイントτａ２，τｂ２における熱線温度Ｔｓａ２，Ｔｓｂ２（同じく図４参照）も合わせて測定し、同様にこれに係る温度データ１９を取得する。
【００３３】
なお、本実施形態の測定方法１では、説明を簡略化するため、二つの測定時間帯Δτに係る合計四ヶ所の測定ポイントτａ１等の熱線温度Ｔｓａ１等をそれぞれ測定するものを示したが、測定時間帯Δτの個数はこれに限られるものではない。すなわち、測定時間帯Δτの測定個数が多ければ多い程、例えば、最小二乗法等の統計手法を活用し、流体の温度Ｔｆの算出制度を高めることができるようになる。
【００３４】
そして、微小な測定時間帯Δτ１の前後の測定ポイントτａ１，τｂ１における熱線温度Ｔｓａ１，Ｔｓｂ１の温度データ１９を利用し、測定時間帯Δτ１における熱線９からの放熱量Ｑｃ１を、既述した式（Ａ）または式（Ｃ）を参照し、下記式（Ｆ）によって算出する（放熱量算出工程Ｓ４）。
Ｑｃ１＝Ｑｐ１−Ｃｓ（Ｔｓａ１−Ｔｓｂ１） ・・・・・・ （Ｆ）
（Ｑｃ１：熱線からの放熱量、Ｑｐ１：熱線への加熱量）
【００３５】
さらに、同様に別の測定時間帯Δτ２の測定ポイントτａ２，τｂ２における熱線温度Ｔｓａ２，Ｔｓｂ２の熱線９からの放熱量Ｑｃ２は、同様に式（Ａ）または式（Ｃ）を参照し、下記式（Ｇ）として表することができる。
Ｑｃ２＝Ｑｐ２−Ｃｓ（Ｔｓａ２−Ｔｓｂ２） ・・・・・・ （Ｇ）
（Ｑｃ２：熱線からの放熱量、Ｑｐ２：熱線への加熱量）
【００３６】
ここで、熱線加熱装置１３によって加熱された熱線温度Ｔｓａ１等は、熱線９に印加する印加電流の値と熱線９の抵抗値に基づいて求めることができる。これにより、二つの測定時間帯Δτ１，Δτ２における熱線９からの放熱量Ｑｃ１，Ｑｃ２がそれぞれ求められる。
【００３７】
さらに、求められた放熱量Ｑｃ１，Ｑｃ２を利用して流体の温度Ｔｆを求めることが行われる。具体的に説明すると、熱線９からの放熱量Ｑｃ１等は、上述した式（Ｂ）または式（Ｄ）に示すような関係が熱伝達の法則から成立することが証明されている。このとき、比例定数Ｋは、同一の熱線９を用い、同じ流体５を利用し、その熱伝導率、粘性係数等の各種の流体５に係る特性、性状が一定であり、かつ流速Ｕが等しい場合には、同一の値を示すことが知られている。そのため、上記式（Ｆ）及び式（Ｇ）によって求められた放熱量Ｑｃ１，Ｑｃ２に係る値を利用し、流体５の速度変化が無視できる程度の非常に短い測定時間帯Δτ１等における流体の温度Ｔｆを下記式（Ｈ）及び式（Ｉ）によって求め、流体の温度Ｔｆに係る値を取得する（流体温度算出工程Ｓ５）。ここで、比例定数Ｋを上述したように一定の値とすると、
Ｑｃ１＝Ｋ（Ｔｓ１−Ｔｆ）Δτ１ ・・・・・ （Ｈ）
Ｑｃ２＝Ｋ（Ｔｓ２−Ｔｆ）Δτ２ ・・・・・ （Ｉ）
（Ｔｓ１，Ｔｓ２：測定時間帯Δτ１，Δτ２の熱線９の代表温度）
が成立する。そして、この式（Ｈ）及び式（Ｉ）を解くことにより、流体の温度Ｔｆが求められる。なお、本実施形態の測定方法１及び温度計２では、二つの測定時間帯Δτ１，Δτ２における放熱量Ｑｃ１，Ｑｃ２を用い、流体の温度Ｔｆを求めているが、実際には流体の温度Ｔｆの精度をさらに高めるために、より複数の測定時間帯Δτによる放熱量Ｑｃを求め、前述したように、最小二乗法等の統計処理を施すことにより、正確な流体の温度Ｔｆの値を求めることができるようになる。
【００３８】
ここで、上記式（Ｈ）及び式（Ｉ）において用いられる代表温度Ｔｓ１，Ｔｓ２は、測定時間帯Δτ１及びΔτ２のそれぞれの前後の測定ポイントτａ１等における熱線温度Ｔｓａ１等の平均値を示すものであり、下記式（Ｊ）及び式（Ｋ）によって簡易に求められるものである。
Ｔｓ１＝（Ｔｓａ１＋Ｔｓｂ１）／２ ・・・・・ （Ｊ）
Ｔｓ２＝（Ｔｓａ２＋Ｔｓｂ２）／２ ・・・・・ （Ｋ）
【００３９】
なお、上述した式（Ｆ）乃至式（Ｋ）の演算処理は、温度データ１９や放熱量データ（図示しない）の入力等によって、温度計本体６に予め記録された流体の温度Ｔｆの算出に係る算出用プログラム（図示しない）を実行することによって計算されるものである。そのため、本実施形態の温度計２の一部機能を有する温度計本体６には、該算出用プログラムを記憶するための記憶領域（記憶装置１７に相当）、算出用プログラムを起動し、プログラムを実行するための操作及び指示をするための操作用のデバイス（例えば、キーボード、テンキー、マウス等）、及びプログラム入力用のデバイス（フレキシブルディスクやコンパクトディスク等の記憶媒体の読込可能なディスクドライブ、あるいはＲＳ２３２Ｃ、ＵＳＢなどの通信ポート）の構成を有するものであるが、説明を簡略化するため、図２等での図示は省略している。また、本実施形態の温度計２において、温度計本体６を構成するものとして、制御装置１０や熱線加熱装置１３等の各種機能を有する機器を一体化して構成したものを例示しているが、もちろんこれに限定されるものではなく、例えば、温度計本体６に係る機能的構成を汎用のコンピュータを利用し、Ｄ／Ａ変換機能や電流増幅機能、並びにＡ／Ｄ変換機能をそれぞれ有するものとして構築することも可能である。
【００４０】
その後、上記演算処理の結果によって特定された比例定数Ｋは、前述した式（Ｅ）の関係により、流速Ｕの関数として表現することができる。そのため、比例定数Ｋの値を利用して、当該流体の温度Ｔｆの流体５の流速Ｕを求める（流速算出工程Ｓ６）。なお、この流速Ｕの算出は、従来技術の熱線流速計の原理を応用するものであり、従来から周知の技術である。そのため、詳細な説明は省略するものとする。しかしながら、従来の熱線流速計においては、流体温度が変化する場合には、何らかの方法によって流体温度を測定し、その値を用いて得られた流速を補正する温度補償が必要であった。そのため、従来は熱線流速計とは別に、流体の温度の測定可能な温度センサ（温度計）を新たに設置する等の方法をとる必要があるので、流体の温度Ｔｆを流速Ｕと同一の位置で測定することは困難であり、流体の温度が高速に変動する流体に対して正確な温度補償を行うことは困難であった。しかしながら、本実施形態の温度計２及び測定方法１によれば、流体５の温度変化が激しい場合であっても、係る流体の温度の変動に追随した温度測定を流速Ｕの測定と同一のセンサを用いて同一のタイミングで行うことが可能であるので、正確な温度補償が可能であり、かつ同一位置及び同一タイミングで流体５の流速Ｕを算出することができる点で、従来よりも優れた効果を奏すると言える。そして、算出された流体の温度Ｔｆ及びその時の流速Ｕが出力表示装置７を通じて出力表示される（結果表示工程Ｓ７）。
【００４１】
なお、取得または算出された温度データ１９、放熱量データ、流体の温度データ、及び流速データ等は、温度計本体６の記憶装置１７に記憶され、事後の解析やグラフ化して表示する際などに利用可能となっている。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態の測定方法１及び温度計２によれば、微小な測定時間帯Δτ１等における熱線９（センサ）の加熱による放熱量Ｑｃ１等を求める。これにより、流体５の流体の温度Ｔｆ及び流速Ｕを同時に算出することができる。特に、流体５の温度変化に追随して正確な流体の温度Ｔｆを測定することができるため、従来のような温度計よりも測定精度を著しく向上させることができる。加えて、同一位置及び同一タイミングで流速Ｕを併せて測定することができるため、流体５の正確な挙動を把握することができるようになる。
【００４３】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００４４】
すなわち、本実施形態の測定方法１及び温度計２において、センサとして熱線流速計に利用される熱線９を用いたものを示したがこれに限定されるものではなく、流体５の温度変化を無視できる程度の短い測定時間帯Δτ１等の前後の測定ポイントでセンサ温度を測定できるようなものであれば構わない。しかしながら、熱線９を用いることにより、電流の印加によって加熱量を計算し、かつ熱線９の抵抗値を用いて熱線温度Ｔｓａ１等（センサの温度）を容易に測定することができ、かつ比較的簡易な構成で高い精度の測定が可能となるため、特に好適と考えられる。
【００４５】
また、流体５として気体（空気）を想定したものを示したが、これに限定されるものではなく、種々のガスを測定対象とするものであっても構わない。さらに、流体は気体に限定されるものではなく、水などの液体を測定対象とするものであってもよい。
【００４６】
さらに、比例定数Ｋを利用して流速Ｕを求めるものを示したが、この場合、予め流速が既知の流体を用いて、流体路のＫ＝Ｆ（Ｕ）に係る関数を求めておき、算出結果をこれにあてはめる較正実験をしておく必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本実施形態の測定方法を実施する温度計の構成要素であるセンサプローブの概略構成を模式的に示す説明図である。
【図２】温度計の機能的構成を示すブロック図である。
【図３】測定方法の流れを示すフローチャートである。
【図４】センサ温度及び加熱量の時間変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１ 測定方法（温度の測定方法）
２ 温度計
３ センサプローブ（センサ）
５ 流体
１０ 制御装置（放熱量算出手段、温度算出手段、流速算出手段）
１１ Ｄ／Ａ変換器（センサ加熱手段）
１２ 電流増幅器（センサ加熱手段）
１３ 熱線加熱装置（センサ加熱手段）
１４ Ａ／Ｄ変換器（センサ温度測定手段）
１６ 演算装置（センサ温度測定手段、放熱量算出手段、温度算出手段、流速算出手段）
１７ 記憶装置（放熱量算出手段、温度算出手段、流速算出手段）
１９ 温度データ
Ｋ 比例定数
Ｑｃ，Ｑｃ１，Ｑｃ２ 放熱量
Ｑｐ，Ｑｐ１，Ｑｐ２ 発熱量
Ｔｆ 流体の温度
Ｔｓ，Ｔｓ１，Ｔｓ２ センサの代表温度
Ｔｓａ１，Ｔｓｂ１，Ｔｓａ２，Ｔｓｂ２ 熱線温度（センサの温度）
Ｕ 流速
Δτ，Δτ１，Δτ２ 測定時間帯の時間幅
τａ１，τｂ１，τａ２，τｂ２ 測定ポイント
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度の測定方法及び温度計に関するものであり、特に温度の変化を伴う液体や気体等の流れの中で、常に流体の温度の変化に追随した流体の温度の測定を行うための、温度の測定方法及び該温度の測定方法を利用した温度計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、液体や気体等の流体の温度を正確に測定する試みが行われている。しかしながら、これらの流体は、多くの場合、不規則的な流速で流れるものであり、流速及び／若しくは流体の温度は常に一定であることはなく、時々刻々変化している。そのため、温度計の熱容量と流体の流速に基づいて定まる温度計の時定数よりも短いタイムスケール（時間間隔）でこれらの流体の温度が変化する場合、該温度計から出力される温度の測定値は測定対象となる流体の温度変化に十分に追随することができず、流体の温度の正確な測定が困難となっている。そこで、これらの問題を解消するものとして、種々の温度の測定方法または温度計や温度測定装置等が開発されている。
【０００３】
ここで、一例を挙げると、温度計から出力される値に対し、該温度計の熱容量に起因する高周波成分の減衰を、増幅器を利用して増幅する処理を行い、測定対象の流体の温度を補正し、復元することが行われている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
また、所定の流体の流れの中においた定温度型熱線流速計の先端の細い金属線（熱線）を利用し、予め定めた時間間隔で、該熱線が高低二種類の熱線温度（熱線動作温度）を交互に実現するよう、印加する電流を自動的に調節して、熱線が目標とする温度に安定して達した時の熱線の発熱量を測定し、これに基づいて流体の速度（流速）と流体の温度とをそれぞれ測定するものもある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、熱線流速計の熱線の加熱量を階段状に変化させ、その時の温度変化（過度応答）が所謂「一時遅れ応答」になること、換言すると、指数関数的な変化を示す特性を利用し、流体の温度を測定する方法も知られている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１１９０５３号公報
【非特許文献１】蒔田 秀治、外２名，「温度流速計の高精度化」，日本機械学会論文集，１９９２，第５８巻，第５４５号，ｐ．９０−９７
【非特許文献２】高野 亮二、外２名，「パルス加熱式熱線風速計の流速・温度同時測定」，日本機械学会東海支部第５４期総会講演会講演論文集，２００５，Ｎｏ．０５３−１，ｐ．２９１−２９２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した温度測定方法または温度計等は、下記に掲げるような問題を生じることがあった。すなわち、非特許文献１のように、増幅器によって高周波成分の信号の減衰を増幅処理し、復元するものにおいては、高周波成分の補正を行う際に、センサの熱容量と流体の流速によって定まるセンサの時定数が必要であるため、センサの時定数を得るために流速を測定する必要がある。しかし、流速の測定は流体の温度の測定とは別個のセンサで行う必要があるので、流体の温度センサと同一の位置での流速、そして流体の温度センサの時定数を得ることはできず、正確な周波数特性の補正を行うことができなかった。また、増幅処理を行う際に、求める高周波成分の増幅と一緒に、信号に含まれる不要なノイズを増幅させてしまう結果となった。そのため、増幅されたノイズの影響により、真に必要となる高周波成分がノイズに埋没したり、高周波成分とノイズとの境界が不明確となり、復元後の温度の値の精度が低下するおそれがあった。これらの原因により、係る温度の測定方法は、高い精度で温度が必要とされる分野での使用には適していなかった。
【０００８】
さらに、定温度型熱線流速計を利用し、熱線の動作温度を切替えながら、流速を測定するものは、使用する熱線の温度が定常状態に到達させる必要があった。ところが、高低二種類の動作温度になるように、かつ非常に短い時間で目標温度に正確に到達させるよう、熱線に印加する電流を制御することは、極めて困難であった。そのため、熱線が定常状態に到達するまでの時間が必要となり、高低二種類の動作温度になるようにそれぞれ温度を設定することは、測定時間の間隔を長くとる必要があった。このため、短い時間間隔での流体の温度の測定には向いていなかった。
【０００９】
また、熱線の温度変化の様子が指数関数的であることに注目して流体の温度を測定するものは、熱線の熱容量によって規定される時定数に相当する時間が必要であった。この場合、熱線温度は、測定されたその時点における流速と流体の温度とによって影響を受けるため、熱線の過度応答中は係る流速及び流体の温度が常にほぼ一定の値を保つことが必要であった。したがって、熱線の時定数よりも短い測定間隔で流速や流体の温度が変化するような流れに対しては、該変化に追随して正確な測定を行うことが困難であった。そのため、これらに流速等が大きく変化するような流体については、得られるデータの精度に問題が残る場合があった。
【００１０】
さらに、上記の従来技術は、いずれも流体の温度と流速とを同一位置若しくは同一タイミングで測定することができないものであり、流体の挙動を正確に認識するために、同一位置及び同一タイミングにおける流体の温度及び流速の同時測定が可能な温度の測定方法が求められていた。
【００１１】
そこで、本発明は、上記実情に鑑み、常に流体の温度の変化に追随した流体の温度の測定が可能であり、さらに流体の流速の同時測定が可能な温度の測定方法及び温度計を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、本発明にかかる温度の測定方法は、「加熱量の調節が可能なセンサ加熱手段に接続されたセンサを利用し、該センサ加熱手段を用いて測定対象となる液体または気体からなる流体の中で前記センサへの加熱量を調節することにより、前記センサの温度を変化させることを目的とするセンサ加熱工程と、前記流体の温度の変化が無視できる程度の短い測定時間帯の前後の測定ポイントにおける、加熱された前記センサのセンサ温度をそれぞれ測定するセンサ温度測定工程と、前記センサ加熱手段によって前記測定時間帯に加えられた前記センサに対する加熱量、及び前記測定ポイントにおける前記センサ温度に基づいて、前記測定時間帯の前記センサの放熱量を下記式（Ａ）
Ｑｃ＝Ｑｐ−Ｃｓ（Ｔｓａ−Ｔｓｂ） ・・・・・ （Ａ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｑｐ：加熱量、Ｃｓ：センサの熱容量、Ｔｓａ，Ｔｓｂ：各測定ポイントのセンサ温度）を利用して算出する放熱量算出工程と、
算出された少なくとも二つ以上の前記測定時間帯に対する前記放熱量に基づいて、前記流体の温度を下記式（Ｂ）
Ｑｃ＝Ｋ（Ｔｓ−Ｔｆ）Δτ ・・・・・ （Ｂ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｔｓ：測定時間帯におけるセンサの代表温度、Ｔｆ：流体の温度、Ｋ：比例定数、Δτ：測定時間帯の時間幅）を利用して算出する温度算出工程と」を具備するものから主に構成されている。
【００１３】
ここで、本発明の温度の測定方法に使用されるセンサとしては、例えば、従来の熱線流速計などの測定部（センサ）として利用される一本の加熱された金属線（白金線等の抵抗温度センサ。以下、「熱線」と称す）からなる熱線プローブを示すことができる。この熱線プローブを用いる場合、熱線に電流を印加すること（センサ加熱手段に相当）によって、該熱線を加熱することができる。このとき、熱線への加熱量は、例えば、印加する印加電流を標準抵抗の電位差から求め、この印加電流値と熱線の電位差から求めることができる。また、熱線の熱線温度（センサの温度に相当）は、従来の抵抗線温度計の原理に従って熱線の抵抗値から求めることが可能である。そのため、比較的簡易な構成及び測定方法により、上記式（Ａ）等に代入可能な値を取得することができるため、熱線等をセンサとして用いることが特に好適と思われる。
【００１４】
したがって、本発明の温度の測定方法によれば、非常に短い測定時間帯におけるセンサの放熱量を上記式（Ａ）を利用して算出し、さらに算出された少なくとも二つ以上の測定時間帯におけるセンサの放熱量と、その時のセンサの代表温度を上記式（Ｂ）に当て嵌め、その解を求めることにより、流体の温度を正確に計算することが可能となる。
【００１５】
さらに、詳しく説明すると、流動する流体の中に設置されたセンサは、その周囲を当然のことながら、液体または気体の流体に囲まれた状態となっている。係る状態でセンサから放出される放熱量Ｑｃは、式（Ｂ）により、センサ自身の温度（センサの代表温度Ｔｓ）と、測定対象となる流体の温度Ｔｆとの差に比例する関係が成立する。そのため、少なくとも二つ以上の測定時間帯におけるセンサの放熱量Ｑｃの値と、それに対応するセンサの代表温度Ｔｓの値をそれぞれ測定することができれば、式（Ｂ）に当該数値を代入することにより、流体の温度Ｔｆが計算される。このとき、前後の測定ポイントの間の測定時間帯は、流体の流速の変化を無視できる程度の非常に短いものであり、流体の温度Ｔｆは一定の値として示される。なお、算出される流体の温度Ｔｆの精度をさらに高めるためには、複数の測定時間帯についての放熱量の値を求め、最小二乗法等によって計算するものであってもよい。なお、式（Ｂ）においてセンサの代表温度Ｔｓは、例えば、測定時間帯の前後の測定ポイントで取得されたセンサ温度の平均値を用いることができる。
【００１６】
さらに、本発明にかかる温度の測定方法は、上記構成に加え、「前記流体の温度を算出する際に規定された前記比例定数が前記流体の流れの速度に依存する性質に基づいて、前記流体の流速を算出する流速算出工程を」具備するものであっても構わない。
【００１７】
したがって、本発明の温度の測定方法によれば、被測定物である流体の流速が、算出されたセンサ温度に基づいて求められる。このとき、上記式（Ｂ）における比例定数Ｋは、同一のセンサを利用し、同一の流体で、かつ熱伝導率、粘性係数等の諸性質が変化しない場合、下記式（Ｅ）
Ｋ＝Ｆ（Ｕ） ・・・・・ （Ｅ）
として、流速Ｕの関数として表すことが可能である。
【００１８】
そのため、上記式（Ａ）及び式（Ｂ）に基づいて流体の温度を算出する際、流体の温度Ｔｆとともに、放熱に関する比例定数Ｋを求めることにより、容易に流速Ｕが決定される。なお、係る原理は、前述した従来型の熱線流速計の原理と同様である。しかしながら、非特許文献１では、別途センサによって流れの温度を測定する必要があり、特許文献１では、温度が急激な変化をする流体には適していない。これに対して、本発明は、高速の温度変化に追随し、かつ流体の温度と流速とを同一の位置及び同一のタイミングで精度よく算出することが可能となる。
【００１９】
一方、本発明にかかる温度計は、「液体または気体からなる流れの中に配されたセンサと、前記センサを加熱するセンサ加熱手段と、前記センサ加熱手段によって加熱された前記センサのセンサ温度を、前記流体の温度変化を無視できる程度の短い測定時間帯の前後の測定ポイントで測定し、温度データを取得するセンサ温度測定手段と、取得された前記測定ポイントにおける前記温度データ及び前記センサに加えられた加熱量に係る加熱量データに基づいて、前記測定時間帯における前記センサの放熱量を下記式（Ｃ）
Ｑｃ＝Ｑｐ−Ｃｓ（Ｔｓａ−Ｔｓｂ） ・・・・・ （Ｃ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｑｐ：加熱量、Ｃｓ：センサの熱容量、Ｔｓａ，Ｔｓｂ：各測定ポイントのセンサ温度）を利用して演算処理によって算出する放熱量算出手段と、
算出された少なくとも二つ以上の前記測定時間帯に対する前記放熱量に基づいて、前記流体の温度を下記式（Ｄ）
Ｑｃ＝Ｋ（Ｔｓ−Ｔｆ）Δτ ・・・・・ （Ｄ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｔｓ：測定時間帯におけるセンサの代表温度、Ｔｆ：流体の温度、Ｋ：比例定数、Δτ：測定時間帯の時間幅）を利用して演算処理によって算出する温度算出手段と」を具備して主に構成されている。
【００２０】
したがって、本発明の温度計によれば、前述した温度の測定方法における各工程に係る処理を行うことにより、温度変化に追随して精度よく流体の温度を測定することが可能となる。なお、センサ温度測定手段、放熱量算出手段、及び温度算出手段は、センサ及びセンサを加熱するセンサ加熱手段と接続した汎用のパーソナルコンピュータを利用して構築することが可能であり、上記式（Ｃ）及び式（Ｄ）を予めプログラミングしたソフトウェアを構築し、測定されたセンサ温度等を入力することにより、演算処理の結果を出力表示可能にするものであってもよい。
【００２１】
さらに、本発明にかかる温度計は、上記構成に加え、「前記流体の温度を算出する際に規定された前記比例定数に基づいて、前記流体の流速を算出する流速算出手段を」具備するものであっても構わない。
【００２２】
したがって、本発明の温度計によれば、算出された流体の温度及びセンサ温度に基づいて流速の算出が上記式（Ｅ）に従って行われる。これにより、流速及び流体の温度の測定が同一位置及び同一タイミングで実施可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の効果として、上記温度の測定方法及び該温度の測定方法の原理に基づいた温度計を利用することにより、流体の温度変化を無視できる程の非常に短いタイムスケールの中での測定ポイントにおけるセンサの放熱量を算出し、これに基づいて流体の温度を算出することができる。その結果、従来は流体の温度変化に追随することのできなかった温度計または温度の測定方法に比べ、精度よく流体の温度を算出することが可能となる。さらに、算出に用いた式の比例定数が流速の関数として記述可能なことを利用し、流体の温度と同一位置において当該流体における流速を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施形態である温度の測定方法１（以下、単に「測定方法１」と称す）及び該測定方法１に利用される温度計２について、図１乃至図４に基づいて説明する。ここで、図１は本実施形態の測定方法１を実施する温度計２の構成要素であるセンサプローブ３（センサに相当）の概略構成を模式的に示す説明図であり、図２は温度計２の主に温度計本体６に係る機能的構成を示すブロック図であり、図３は測定方法１の流れを示すフローチャートであり、図４はセンサ温度Ｔｓ及び加熱量Ｑｐの時間変化を示すグラフである。
【００２５】
本実施形態の測定方法１は、空気や燃焼ガスなどの気体若しくは水やその他の液体からなる流動している流体５の流体の温度Ｔｆ及び該流体５の流速Ｕを同時に測定するものであり、一方、本実施形態の温度計２は、流体５の中に挿入され、流体の温度Ｔｆを検出するセンサプローブ３と、センサプローブ３へ加熱電流を供給し、またセンサプローブ３によって検出されたセンサ温度Ｔｓに係る温度信号４を演算処理して流体の温度Ｔｆ並びに流速Ｕを求める温度計本体６と、演算処理の結果として算出された算出結果の値（流体の温度Ｔｆの値）等の種々の情報を出力表示するためのモニタディスプレイ等からなる出力表示装置７とを具備して主に構成されている。
【００２６】
ここで、流体の温度Ｔｆを検出するために流体５の中に挿入されるセンサプローブ３は、図１に示すように、二本の支持導線８ａ，８ｂの先に幅数ｍｍ、直径数μｍの白金線（以下、「熱線９」と称す）を取付けて構成されたものである。
【００２７】
さらに、温度計２に係る温度計本体６は、図２に示すように、その機能的構成として、温度計本体６に係る各種機能を制御するためのマイクロプロセッサから構成される制御装置１０と、Ｄ／Ａ変換器１１及び電流増幅器１２を組合わせることによって構成され、制御装置１０からの制御指示に応じて熱線加熱電流を発生させ、支持導線８ａ，８ｂを通して該熱線加熱電流を熱線９に供給可能な熱線加熱装置１３と、センサプローブ３から支持導線８ａ，８ｂをによって導かれた温度信号４をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１４と、制御装置１０から熱線加熱装置１３に対して送出された加熱の制御に係る制御信号１５、Ａ／Ｄ変換器１４によって変換されて取得したセンサプローブ３の温度に係るデータ（図示しない）に基づいて演算処理を行う演算装置１６と、演算装置１６によって算出されたセンサプローブ３の熱線温度Ｔｓａ１，Ｔｓｂ１，Ｔｓａ２，Ｔｓｂ２等の値を温度データ１９としてそれぞれ記憶する記憶装置１７と、演算処理の結果として算出された各種の値を出力表示装置７に信号制御して送出する出力制御装置１８とを具備して主に構成されている。ここで、熱線加熱装置１３が本発明におけるセンサ加熱手段に相当し、これにより、流体５の流速Ｕの変化が無視できる程度の短い測定時間帯で該熱線９の温度を変更することが可能となる。また、Ａ／Ｄ変換器１４及び演算装置１６が本発明におけるセンサ温度測定手段に相当し、制御装置１０、演算装置１６、及び記憶装置１７が本発明における放熱量算出手段、温度算出手段、及び流速算出手段に相当する。また、熱線加熱装置１３は、流体５の流速Ｕの変化が無視できる程度の短い測定時間帯Δτで熱線９の温度を変更することのできる機能を有している。
【００２８】
また、演算装置１６は、熱線加熱電流と熱線９の電圧降下から熱線９の発熱量Ｑｐ１，Ｑｐ２を求め、これと先に記憶した複数のセンサプローブ３の温度Ｔｓａ１等に係る温度データ１９に基づいて、放熱量Ｑｃ１，Ｑｃ２を求め、これらから流体の温度Ｔｆを演算する。さらに、必要に応じ、比例定数Ｋを算出し、流速Ｕを求めることを行う。そして、算出された流体の温度Ｔｆ並びに流速Ｕの値が出力表示装置７から出力される。また、出力制御装置１８は、算出された流体の温度Ｔｆ等に係る各種データ１９等の値を表形式、またはグラフ形式などの種々の形式で出力表示するために信号制御し、前述した出力表示装置７に送出する機能を有している。
【００２９】
次に、本発明の温度計２を利用し、本実施形態の測定方法１によって流体の温度Ｔｆ及び流速Ｕを測定する測定例について、主に図３及び図４に基づいて説明する。まず、センサプローブ３を、流動する流体５の中の流体の温度Ｔｆ及び流速Ｕを測定しようとする位置に設置する。次に、温度計本体６を起動する。これによって以下の動作が記憶装置１７に予め内蔵されたプログラム（図示しない）若しくは外部から入力されたプログラムに従って連続的に実行される。
【００３０】
まず、制御装置１０によって、予め規定された熱線加熱の波形に相当する信号を発生する（信号発生工程Ｓ１）。ここで、加熱波形としては、必要に応じて、短形波、鋸歯状波、その他の多様な波形を適宜与えることができる。なお、本実施形態では、階段状の電流変化を与えた場合について例示する。
【００３１】
その後、熱線加熱装置１３は、上述した制御装置１０からの制御信号に基づき、熱線加熱電流を発生させ、センサプローブ３に供給する（センサ加熱工程Ｓ２）。これにより、センサプローブ３の温度（熱線温度Ｔｓに相当）は、図４に例示するように上昇下降を繰返す。
【００３２】
このとき、非常に短い測定時間帯Δτ１の前後の測定ポイントτａ１，τｂ１における熱線９の電圧降下をＡ／Ｄ変換器１４によってデジタル信号に変換し、これと制御装置１０から送出された制御信号１５から熱線温度Ｔｓａ１，Ｔｓｂ１（図４参照）を演算して温度データ１９を取得する（センサ温度測定工程Ｓ３）。なお、温度データ１９の取得と同時に、係る温度データ１９は記憶装置１７に記憶される。さらに、同様に、別の測定時間帯Δτ２におけるそれぞれの測定ポイントτａ２，τｂ２における熱線温度Ｔｓａ２，Ｔｓｂ２（同じく図４参照）も合わせて測定し、同様にこれに係る温度データ１９を取得する。
【００３３】
なお、本実施形態の測定方法１では、説明を簡略化するため、二つの測定時間帯Δτに係る合計四ヶ所の測定ポイントτａ１等の熱線温度Ｔｓａ１等をそれぞれ測定するものを示したが、測定時間帯Δτの個数はこれに限られるものではない。すなわち、測定時間帯Δτの測定個数が多ければ多い程、例えば、最小二乗法等の統計手法を活用し、流体の温度Ｔｆの算出制度を高めることができるようになる。
【００３４】
そして、微小な測定時間帯Δτ１の前後の測定ポイントτａ１，τｂ１における熱線温度Ｔｓａ１，Ｔｓｂ１の温度データ１９を利用し、測定時間帯Δτ１における熱線９からの放熱量Ｑｃ１を、既述した式（Ａ）または式（Ｃ）を参照し、下記式（Ｆ）によって算出する（放熱量算出工程Ｓ４）。
Ｑｃ１＝Ｑｐ１−Ｃｓ（Ｔｓａ１−Ｔｓｂ１） ・・・・・・ （Ｆ）
（Ｑｃ１：熱線からの放熱量、Ｑｐ１：熱線への加熱量）
【００３５】
さらに、同様に別の測定時間帯Δτ２の測定ポイントτａ２，τｂ２における熱線温度Ｔｓａ２，Ｔｓｂ２の熱線９からの放熱量Ｑｃ２は、同様に式（Ａ）または式（Ｃ）を参照し、下記式（Ｇ）として表することができる。
Ｑｃ２＝Ｑｐ２−Ｃｓ（Ｔｓａ２−Ｔｓｂ２） ・・・・・・ （Ｇ）
（Ｑｃ２：熱線からの放熱量、Ｑｐ２：熱線への加熱量）
【００３６】
ここで、熱線加熱装置１３によって加熱された熱線温度Ｔｓａ１等は、熱線９に印加する印加電流の値と熱線９の抵抗値に基づいて求めることができる。これにより、二つの測定時間帯Δτ１，Δτ２における熱線９からの放熱量Ｑｃ１，Ｑｃ２がそれぞれ求められる。
【００３７】
さらに、求められた放熱量Ｑｃ１，Ｑｃ２を利用して流体の温度Ｔｆを求めることが行われる。具体的に説明すると、熱線９からの放熱量Ｑｃ１等は、上述した式（Ｂ）または式（Ｄ）に示すような関係が熱伝達の法則から成立することが証明されている。このとき、比例定数Ｋは、同一の熱線９を用い、同じ流体５を利用し、その熱伝導率、粘性係数等の各種の流体５に係る特性、性状が一定であり、かつ流速Ｕが等しい場合には、同一の値を示すことが知られている。そのため、上記式（Ｆ）及び式（Ｇ）によって求められた放熱量Ｑｃ１，Ｑｃ２に係る値を利用し、流体５の速度変化が無視できる程度の非常に短い測定時間帯Δτ１等における流体の温度Ｔｆを下記式（Ｈ）及び式（Ｉ）によって求め、流体の温度Ｔｆに係る値を取得する（流体温度算出工程Ｓ５）。ここで、比例定数Ｋを上述したように一定の値とすると、
Ｑｃ１＝Ｋ（Ｔｓ１−Ｔｆ）Δτ１ ・・・・・ （Ｈ）
Ｑｃ２＝Ｋ（Ｔｓ２−Ｔｆ）Δτ２ ・・・・・ （Ｉ）
（Ｔｓ１，Ｔｓ２：測定時間帯Δτ１，Δτ２の熱線９の代表温度）
が成立する。そして、この式（Ｈ）及び式（Ｉ）を解くことにより、流体の温度Ｔｆが求められる。なお、本実施形態の測定方法１及び温度計２では、二つの測定時間帯Δτ１，Δτ２における放熱量Ｑｃ１，Ｑｃ２を用い、流体の温度Ｔｆを求めているが、実際には流体の温度Ｔｆの精度をさらに高めるために、より複数の測定時間帯Δτによる放熱量Ｑｃを求め、前述したように、最小二乗法等の統計処理を施すことにより、正確な流体の温度Ｔｆの値を求めることができるようになる。
【００３８】
ここで、上記式（Ｈ）及び式（Ｉ）において用いられる代表温度Ｔｓ１，Ｔｓ２は、測定時間帯Δτ１及びΔτ２のそれぞれの前後の測定ポイントτａ１等における熱線温度Ｔｓａ１等の平均値を示すものであり、下記式（Ｊ）及び式（Ｋ）によって簡易に求められるものである。
Ｔｓ１＝（Ｔｓａ１＋Ｔｓｂ１）／２ ・・・・・ （Ｊ）
Ｔｓ２＝（Ｔｓａ２＋Ｔｓｂ２）／２ ・・・・・ （Ｋ）
【００３９】
なお、上述した式（Ｆ）乃至式（Ｋ）の演算処理は、温度データ１９や放熱量データ（図示しない）の入力等によって、温度計本体６に予め記録された流体の温度Ｔｆの算出に係る算出用プログラム（図示しない）を実行することによって計算されるものである。そのため、本実施形態の温度計２の一部機能を有する温度計本体６には、該算出用プログラムを記憶するための記憶領域（記憶装置１７に相当）、算出用プログラムを起動し、プログラムを実行するための操作及び指示をするための操作用のデバイス（例えば、キーボード、テンキー、マウス等）、及びプログラム入力用のデバイス（フレキシブルディスクやコンパクトディスク等の記憶媒体の読込可能なディスクドライブ、あるいはＲＳ２３２Ｃ、ＵＳＢなどの通信ポート）の構成を有するものであるが、説明を簡略化するため、図２等での図示は省略している。また、本実施形態の温度計２において、温度計本体６を構成するものとして、制御装置１０や熱線加熱装置１３等の各種機能を有する機器を一体化して構成したものを例示しているが、もちろんこれに限定されるものではなく、例えば、温度計本体６に係る機能的構成を汎用のコンピュータを利用し、Ｄ／Ａ変換機能や電流増幅機能、並びにＡ／Ｄ変換機能をそれぞれ有するものとして構築することも可能である。
【００４０】
その後、上記演算処理の結果によって特定された比例定数Ｋは、前述した式（Ｅ）の関係により、流速Ｕの関数として表現することができる。そのため、比例定数Ｋの値を利用して、当該流体の温度Ｔｆの流体５の流速Ｕを求める（流速算出工程Ｓ６）。なお、この流速Ｕの算出は、従来技術の熱線流速計の原理を応用するものであり、従来から周知の技術である。そのため、詳細な説明は省略するものとする。しかしながら、従来の熱線流速計においては、流体温度が変化する場合には、何らかの方法によって流体温度を測定し、その値を用いて得られた流速を補正する温度補償が必要であった。そのため、従来は熱線流速計とは別に、流体の温度の測定可能な温度センサ（温度計）を新たに設置する等の方法をとる必要があるので、流体の温度Ｔｆを流速Ｕと同一の位置で測定することは困難であり、流体の温度が高速に変動する流体に対して正確な温度補償を行うことは困難であった。しかしながら、本実施形態の温度計２及び測定方法１によれば、流体５の温度変化が激しい場合であっても、係る流体の温度の変動に追随した温度測定を流速Ｕの測定と同一のセンサを用いて同一のタイミングで行うことが可能であるので、正確な温度補償が可能であり、かつ同一位置及び同一タイミングで流体５の流速Ｕを算出することができる点で、従来よりも優れた効果を奏すると言える。そして、算出された流体の温度Ｔｆ及びその時の流速Ｕが出力表示装置７を通じて出力表示される（結果表示工程Ｓ７）。
【００４１】
なお、取得または算出された温度データ１９、放熱量データ、流体の温度データ、及び流速データ等は、温度計本体６の記憶装置１７に記憶され、事後の解析やグラフ化して表示する際などに利用可能となっている。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態の測定方法１及び温度計２によれば、微小な測定時間帯Δτ１等における熱線９（センサ）の加熱による放熱量Ｑｃ１等を求める。これにより、流体５の流体の温度Ｔｆ及び流速Ｕを同時に算出することができる。特に、流体５の温度変化に追随して正確な流体の温度Ｔｆを測定することができるため、従来のような温度計よりも測定精度を著しく向上させることができる。加えて、同一位置及び同一タイミングで流速Ｕを併せて測定することができるため、流体５の正確な挙動を把握することができるようになる。
【００４３】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００４４】
すなわち、本実施形態の測定方法１及び温度計２において、センサとして熱線流速計に利用される熱線９を用いたものを示したがこれに限定されるものではなく、流体５の温度変化を無視できる程度の短い測定時間帯Δτ１等の前後の測定ポイントでセンサ温度を測定できるようなものであれば構わない。しかしながら、熱線９を用いることにより、電流の印加によって加熱量を計算し、かつ熱線９の抵抗値を用いて熱線温度Ｔｓａ１等（センサの温度）を容易に測定することができ、かつ比較的簡易な構成で高い精度の測定が可能となるため、特に好適と考えられる。
【００４５】
また、流体５として気体（空気）を想定したものを示したが、これに限定されるものではなく、種々のガスを測定対象とするものであっても構わない。さらに、流体は気体に限定されるものではなく、水などの液体を測定対象とするものであってもよい。
【００４６】
さらに、比例定数Ｋを利用して流速Ｕを求めるものを示したが、この場合、予め流速が既知の流体を用いて、流体路のＫ＝Ｆ（Ｕ）に係る関数を求めておき、算出結果をこれにあてはめる較正実験をしておく必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本実施形態の測定方法を実施する温度計の構成要素であるセンサプローブの概略構成を模式的に示す説明図である。
【図２】温度計の機能的構成を示すブロック図である。
【図３】測定方法の流れを示すフローチャートである。
【図４】センサ温度及び加熱量の時間変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１ 測定方法（温度の測定方法）
２ 温度計
３ センサプローブ（センサ）
５ 流体
１０ 制御装置（放熱量算出手段、温度算出手段、流速算出手段）
１１ Ｄ／Ａ変換器（センサ加熱手段）
１２ 電流増幅器（センサ加熱手段）
１３ 熱線加熱装置（センサ加熱手段）
１４ Ａ／Ｄ変換器（センサ温度測定手段）
１６ 演算装置（センサ温度測定手段、放熱量算出手段、温度算出手段、流速算出手段）
１７ 記憶装置（放熱量算出手段、温度算出手段、流速算出手段）
１９ 温度データ
Ｋ 比例定数
Ｑｃ，Ｑｃ１，Ｑｃ２ 放熱量
Ｑｐ，Ｑｐ１，Ｑｐ２ 発熱量
Ｔｆ 流体の温度
Ｔｓ，Ｔｓ１，Ｔｓ２ センサの代表温度
Ｔｓａ１，Ｔｓｂ１，Ｔｓａ２，Ｔｓｂ２ 熱線温度（センサの温度）
Ｕ 流速
Δτ，Δτ１，Δτ２ 測定時間帯の時間幅
τａ１，τｂ１，τａ２，τｂ２ 測定ポイント
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱量の調節が可能なセンサ加熱手段に接続されたセンサを利用し、該センサ加熱手段を用いて測定対象となる液体または気体からなる流体の中で前記センサへの加熱量を調節することにより、前記センサの温度を変化させることを目的とするセンサ加熱工程と、
前記流体の温度の変化が無視できる程度の短い測定時間帯の前後の測定ポイントにおける、加熱された前記センサのセンサ温度をそれぞれ測定するセンサ温度測定工程と、
前記センサ加熱手段によって前記測定時間帯に加えられた前記センサに対する加熱量、及び前記測定ポイントにおける前記センサ温度に基づいて、前記測定時間帯の前記センサの放熱量を下記式（Ａ）
Ｑｃ＝Ｑｐ−Ｃｓ（Ｔｓａ−Ｔｓｂ） ・・・・・ （Ａ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｑｐ：加熱量、Ｃｓ：センサの熱容量、Ｔｓａ，Ｔｓｂ：各測定ポイントのセンサの温度）
を利用して算出する放熱量算出工程と、
算出された少なくとも二つ以上の前記測定時間帯に対する前記放熱量に基づいて、前記流体の温度を下記式（Ｂ）
Ｑｃ＝Ｋ（Ｔｓ−Ｔｆ）Δτ ・・・・・ （Ｂ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｔｓ：測定時間帯におけるセンサの代表温度、Ｔｆ：流体の温度、Ｋ：比例定数、Δτ：測定時間帯の時間幅）
を利用して算出する温度算出工程と
を具備することを特徴とする温度の測定方法。
【請求項２】
前記流体の温度を算出する際に規定された前記比例定数が前記流体の流れの速度に依存する性質に基づいて、前記流体の流速を算出する流速算出工程をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の温度の測定方法。
【請求項３】
液体または気体からなる流体の流れの中に配されたセンサと、
前記センサを加熱するセンサ加熱手段と、
前記センサ加熱手段によって加熱された前記センサの温度を、前記流体の温度の変化が無視できる程度の短い測定時間帯の前後の測定ポイントで測定し、温度データを取得するセンサ温度測定手段と、
取得された前記測定ポイントにおける前記温度データ及び前記センサに加えられた加熱量に係る加熱量データに基づいて、前記測定時間帯における前記センサの放熱量を下記式（Ｃ）
Ｑｃ＝Ｑｐ−Ｃｓ（Ｔｓａ−Ｔｓｂ） ・・・・・ （Ｃ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｑｐ：加熱量、Ｃｓ：センサの熱容量、Ｔｓａ，Ｔｓｂ：各測定ポイントのセンサ温度）
を利用して演算処理によって算出する放熱量算出手段と、
算出された少なくとも二つ以上の前記測定時間帯に対する前記放熱量に基づいて、前記流体の温度を下記式（Ｄ）
Ｑｃ＝Ｋ（Ｔｓ−Ｔｆ）Δτ ・・・・・ （Ｄ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｔｓ：測定時間帯におけるセンサの代表温度、Ｔｆ：流体の温度、Ｋ：比例定数、Δτ：測定時間帯の時間幅）
を利用して演算処理によって算出する温度算出手段と
を具備することを特徴とする温度計。
【請求項４】
前記流体の温度を算出する際に規定された前記比例定数が前記流体の流れの速度に依存する性質に基づいて、前記流体の流速を算出する流速算出手段をさらに具備することを特徴とする請求項３に記載の温度計。
【請求項１】
加熱量の調節が可能なセンサ加熱手段に接続されたセンサを利用し、該センサ加熱手段を用いて測定対象となる液体または気体からなる流体の中で前記センサへの加熱量を調節することにより、前記センサの温度を変化させることを目的とするセンサ加熱工程と、
前記流体の温度の変化が無視できる程度の短い測定時間帯の前後の測定ポイントにおける、加熱された前記センサのセンサ温度をそれぞれ測定するセンサ温度測定工程と、
前記センサ加熱手段によって前記測定時間帯に加えられた前記センサに対する加熱量、及び前記測定ポイントにおける前記センサ温度に基づいて、前記測定時間帯の前記センサの放熱量を下記式（Ａ）
Ｑｃ＝Ｑｐ−Ｃｓ（Ｔｓａ−Ｔｓｂ） ・・・・・ （Ａ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｑｐ：加熱量、Ｃｓ：センサの熱容量、Ｔｓａ，Ｔｓｂ：各測定ポイントのセンサの温度）
を利用して算出する放熱量算出工程と、
算出された少なくとも二つ以上の前記測定時間帯に対する前記放熱量に基づいて、前記流体の温度を下記式（Ｂ）
Ｑｃ＝Ｋ（Ｔｓ−Ｔｆ）Δτ ・・・・・ （Ｂ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｔｓ：測定時間帯におけるセンサの代表温度、Ｔｆ：流体の温度、Ｋ：比例定数、Δτ：測定時間帯の時間幅）
を利用して算出する温度算出工程と
を具備することを特徴とする温度の測定方法。
【請求項２】
前記流体の温度を算出する際に規定された前記比例定数が前記流体の流れの速度に依存する性質に基づいて、前記流体の流速を算出する流速算出工程をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の温度の測定方法。
【請求項３】
液体または気体からなる流体の流れの中に配されたセンサと、
前記センサを加熱するセンサ加熱手段と、
前記センサ加熱手段によって加熱された前記センサの温度を、前記流体の温度の変化が無視できる程度の短い測定時間帯の前後の測定ポイントで測定し、温度データを取得するセンサ温度測定手段と、
取得された前記測定ポイントにおける前記温度データ及び前記センサに加えられた加熱量に係る加熱量データに基づいて、前記測定時間帯における前記センサの放熱量を下記式（Ｃ）
Ｑｃ＝Ｑｐ−Ｃｓ（Ｔｓａ−Ｔｓｂ） ・・・・・ （Ｃ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｑｐ：加熱量、Ｃｓ：センサの熱容量、Ｔｓａ，Ｔｓｂ：各測定ポイントのセンサ温度）
を利用して演算処理によって算出する放熱量算出手段と、
算出された少なくとも二つ以上の前記測定時間帯に対する前記放熱量に基づいて、前記流体の温度を下記式（Ｄ）
Ｑｃ＝Ｋ（Ｔｓ−Ｔｆ）Δτ ・・・・・ （Ｄ）
（Ｑｃ：放熱量、Ｔｓ：測定時間帯におけるセンサの代表温度、Ｔｆ：流体の温度、Ｋ：比例定数、Δτ：測定時間帯の時間幅）
を利用して演算処理によって算出する温度算出手段と
を具備することを特徴とする温度計。
【請求項４】
前記流体の温度を算出する際に規定された前記比例定数が前記流体の流れの速度に依存する性質に基づいて、前記流体の流速を算出する流速算出手段をさらに具備することを特徴とする請求項３に記載の温度計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−１２７５２８（Ｐ２００７−１２７５２８Ａ）
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３２０６３９（Ｐ２００５−３２０６３９）
【出願日】平成１７年１１月４日（２００５．１１．４）
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【出願人】（３０５０５５４４８）ディーテック株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月４日（２００５．１１．４）
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【出願人】（３０５０５５４４８）ディーテック株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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