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KR102394810B1 - 열전대 장치 및 온도 측정 방법 - Google Patents

열전대 장치 및 온도 측정 방법 Download PDF

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KR102394810B1
KR102394810B1 KR1020197034043A KR20197034043A KR102394810B1 KR 102394810 B1 KR102394810 B1 KR 102394810B1 KR 1020197034043 A KR1020197034043 A KR 1020197034043A KR 20197034043 A KR20197034043 A KR 20197034043A KR 102394810 B1 KR102394810 B1 KR 102394810B1
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Abstract

본 발명은 제1 온도(T2)를 측정하기 위한 열전대 장치(10)에 관한 것이다. 열전대 장치(10)는 제1 열전 소자(22) 및 제1 온도(T2)에서 배열되도록 구성된 제1 접속 지점(26)에서 제1 열전 소자(22)에 연결된 제2 열전 소자(24)를 포함하는 제1 열전대(20)를 포함한다. 제1 및 제2 열전 소자(22, 24)는 상이한 재료로 만들어진다. 열전대 장치(10)는 제3 열전 소자(32) 및 제2 접속 지점(36)에서 제3 열전 소자(32)에 결합된 제4 열전 소자(34)를 포함하는 제2 열전대(30)를 더 포함한다. 제3 및 제4 열전 소자(32, 34)는 상이한 재료로 만들어진다. 열전대 장치(10)는 제5 열전 소자(42) 및 제2 열전 소자(24)에 연결된 제3 접속 지점(46)에서 제5 열전 소자(42)에 결합된 제6 열전 소자(44)를 포함하는 제3 열전대(40)를 더 포함한다. 제5 및 제6 열전 소자(42, 44)는 상이한 재료로 만들어진다.

Description

열전대 장치 및 온도 측정 방법
본 발명은 열전대 장치(thermocouple arrangement) 및 온도 측정 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 특히 차량의 배기 가스 시스템에서와 같은 자동차 애플리케이션에서 고온을 측정할 수 있는 열전대 장치 및 배기 가스 온도를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
R형(Pt-13% Rh 대 Pt) 및 S형(Pt-10% Rh 대 Pt) 열전대와 같은 귀금속 열전대는 특히 예를 들어 1800℃를 초과하는 고온 가스 온도를 측정하는데 사용될 수 있다. 터빈 적용을 위하여, 열전대 프로브는 전형적으로 약 10㎝ 내지 30㎝의 길이이다. 이러한 열전대의 열전 소자에 열전기적으로 정합되거나 또는 보상 유형의 귀금속 연장 와이어는 열전대의 원위 단부와 그 출력을 수신하고 처리하도록 구성된 전기 회로 사이의 거리를 연결하는데 사용될 수 있다. 회로 연장부는 프로브 설치 및 유지 보수를 용이하게 하기 위해 단자 연결부를 또한 포함할 수 있다.
특정 조건 하에서, 매우 긴 연장 와이어가 필요하게 될 수 있다. 이것은 예를 들어, 측정될 고온 가스를 생성하는 물체의 기하학적 및 물리적 제약, 및 이러한 고온 가스가 접근할 수 있는 물체 내의 위치가 근처에 전기 회로가 배치될 수 없도록 하는 경우에 일어날 수 있다. 귀금속 열전대를 위해, 연장 와이어 및 단자 구성 요소는 필요한 길이를 위해 상업적으로 입수할 수 없거나 또는 엄청난 비용이 소요될 수 있다.
US 7 175 343 B2는 2개의 온도 측정 접속 지점을 포함하는 다중 요소 열전대를 개시하고 있다.
GB 1 252 754 A는 열전 디바이스에 관한 것이다.
추가의 열전 디바이스는 예를 들어 US 2016/0349117 A1, US 5 038 303, US 8 602 643 B2 및 WO 2009/053815 A1로부터 공지되어 있다.
본 발명의 목적은 원하는 온도를 확실하게 측정할 수 있고 보다 비용 효율적인 열전대 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제1항에 따른 열전대 장치, 및 청구항 제10항에 따른 방법에 의해 달성될 수 있다. 바람직한 실시형태는 종속항에 부여된다.
제1 양상에서, 예를 들어 내연 기관의 배기 가스 시스템을 통과하는 배기 가스의 제1 온도를 측정하기 위한 열전대 장치가 개시된다. 열전대 장치는 제1 열전 소자 및 제1 접속 지점에서 제1 열전 소자에 결합된(또는 합류된) (또는 제1 접속 지점에서 만나는) 제2 열전 소자를 포함하는 제1 열전대를 포함한다. 제1 접속 지점은 제1 온도를 지니는 제1 부분에 배열되도록 구성된다. 제1 열전 소자는 제1 재료로 만들어지고, 제2 열전 소자는 제1 재료와는 상이한 제2 재료로 만들어진다. 열전대 장치는 제3 열전 소자 및 제1 열전 소자에 연결된 제2 접속 지점에서 제3 열전 소자에 결합된(또는 합류된)(또는 제2 접속 지점에서 만나는) 제4 열전 소자를 포함하는 제2 열전대를 더 포함한다. 제2 접속 지점은 제2 온도를 지니는 제2 부분에 배열되도록 구성된다. 제3 열전 소자는 제3 재료로 만들어지고, 제4 열전 소자는 제3 재료와는 상이한 제4 재료로 만들어진다. 열전대 장치는 제5 열전 소자 및 제2 열전 소자에 연결된 제3 접속 지점에서 제5 열전 소자에 결합된(또는 합류된)(또는 제3 접속 지점에서 만나는) 제6 열전 소자를 포함하는 제3 열전대를 더 포함한다. 제3 접속 지점은 제2 온도를 지니는 제2 부분에 배열되도록 구성된다. 제5 열전 소자는 제3 및 제4 재료와는 상이한 제5 재료로 만들어지고, 제6 열전 소자는 제3, 제4 및 제5 재료와는 상이한 제6 재료로 만들어진다.
다른 양상에서, 예를 들어 내연 기관의 배기 가스 시스템을 통과하는 배기 가스의 제1 온도를 측정하기 위한 방법이 개시된다. 방법은 제1 열전대를 포함하는 열전대 장치를 제공하는 단계를 포함한다. 제1 열전대는 제1 열전 소자 및 제1 접속 지점에서 제1 열전 소자에 결합된(또는 합류된)(또는 제1 접속 지점에서 만나는) 제2 열전 소자를 가진다. 제1 접속 지점은 제1 온도를 지니는 제1 부분에 배열되도록 구성된다. 제1 열전 소자는 제1 재료로 만들어지고, 제2 열전 소자는 제1 재료와는 상이한 제2 재료로 만들어진다. 열전대 장치는 제3 열전 소자 및 제1 열전 소자에 연결된 제2 접속 지점에서 제3 열전 소자에 결합된(또는 합류된)(또는 제2 접속 지점에서 만나는) 제4 열전 소자를 가지는 제2 열전대를 더 포함한다. 제2 접속 지점은 제2 온도를 지니는 제2 부분에 배열되도록 구성된다. 제3 열전 소자는 제3 재료로 만들어지고, 제4 열전 소자는 제3 재료와는 상이한 제4 재료로 만들어진다. 열전대 장치는 제5 열전 소자 및 제2 열전 소자에 연결된 제3 접속 지점에서 제5 열전 소자에 결합된(또는 합류된)(또는 제3 접속 지점에서 만나는) 제6 열전 소자를 가지는 제3 열전대를 더 포함한다. 제3 접속 지점은 제2 온도를 지니는 제2 부분에 배열되도록 구성된다. 제5 열전 소자는 제3 및 제4 재료와는 상이한 제5 재료로 만들어지고, 제6 열전 소자는 제3, 제4 및 제5 재료와는 상이한 제6 재료로 만들어진다. 상기 방법은 제3 및 제4 열전 소자 사이의 제1 전압차, 제5 및 제6 열전 소자 사이의 제2 전압차, 제4 및 제6 열전 소자 사이의 제3 전압차, 제3 및 제6 열전 소자 사이의 제4 전압차, 제3 및 제5 열전 소자 사이의 제5 전압차, 및 제4 및 제5 열전 소자 사이의 제6 전압차 중 적어도 3개의 전압차를 측정하는 단계, 및 적어도 3개의 측정된 전압차에 적어도 부분적으로 기초하여 제1 접속 지점에서의 제1 온도를 결정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 제3 및 제4 열전 소자는 제2 열전대를 형성하고, 제5 및 제6 열전 소자는 제3 열전대를 형성하는 것으로 설명된다. 그러나, 복수의 열전 소자의 신호를 분석하는 관점에서, 제3 내지 제6 열전 소자의 각각은 제3 내지 제6 열전 소자 중 다른 하나와 열전대를 형성할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 이러한 경우에, 예를 들어, 제1 및 제2 열전 소자를 통해 제5 열전 소자에 간접적으로 결합된 제3 열전 소자는 제2 열전대를 형성할 수 있으며, 제1와 제2 열전 소자를 통해 제6 열전 소자에 또한 간접적으로 결합된 제4 열전 소자는 제3 열전대를 형성할 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 열전대를 형성하기 위해, 상기 열전대를 형성하는 2개의 열전 소자 사이에 직접 또는 간접적인 연결이 있을 수 있다. 또한, 접속 지점에서 서로 결합되거나 또는 서로 합류되거나 또는 접속 지점에서 만나는 2개의 열전 소자는 열전대를 형성할 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 제3 재료 및/또는 제4 재료 및/또는 제5 재료 및/또는 제6 재료는 제1 재료 및/또는 제2 재료와는 상이하다.
다른 바람직한 실시형태에서, 제5 열전 소자 및/또는 제6 열전 소자는 제3 열전 소자 및/또는 제4 열전 소자와 길이가 동일하다.
유익하게, 제1 열전대는 N-형 열전대이고, 제2 열전대는 K-형 열전대이고 및/또는 제3 열전대는 J-형 또는 T-형 열전대이다.
제2 접속 지점 및 제3 접속 지점과는 각각 반대편에 있는 제3, 제4, 제5 및 제6 열전 소자의 원위 단부가 각각 제3 온도를 지니는 제3 부분에 배열되도록 구성될 때 유익할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 제3, 제4, 제5 및 제6 열전 소자의 원위 단부는 각각 제1, 제2, 제3 및 제4 전기 단자에 연결될 수 있다. 또한, 제1 온도는 제1 및 제2 전기 단자 사이의 제1 전압차, 제3 및 제4 전기 단자 사이의 제2 전압차, 제2 및 제3 전기 단자 사이의 제3 전압차, 제1 및 제4 전기 단자 사이의 제4 전압차, 제1 및 제3 전기 단자 사이의 제5 전압차, 및 제2 및 제3 전기 단자 사이의 제6 전압차 중 적어도 3개의 전압차에 의해 추정될 수 있는 것이 바람직하다.
다른 바람직한 실시형태에서, 열전대 장치는 제1 내지 제6 열전 소자를 적어도 부분적으로 수용 및/또는 지지하도록 구성된 정합 조립체(mating assembly)를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 정합 조립체는 제3 열전 소자, 제4 열전 소자, 제5 열전 소자 및 제6 열전 소자가 통과하는 전기 비전도성 플러그를 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 양상은 본 발명을 연구하고 실행하는 것에 의해, 그리고 본 발명에 따른 열전대 장치를 도시하는 첨부된 도 1을 고려하는 것에 의해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 열전대 장치(10)를 도시한다. 열전대 장치(10)는 제1 열전대(20), 제2 열전대(30), 및 제3 열전대(40)를 포함하는 열전대 조립체에 대응한다. 제1 열전대(20), 제2 열전대(30), 및 제3 열전대(40)는 각각 서로 구성 요소를 공유한다.
제1 열전대(20)는 제1 열전 소자(22) 및 제2 열전 소자(24)를 포함하는 주 열전대이다. 바람직하게는, 제1 열전 소자(22) 및/또는 제2 열전 소자(24)는 각각 귀금속 또는 귀금속 합금으로 형성된다. 예를 들어, 제1 열전 소자(22)(음 전압)는 예를 들어 니켈-규소(NiSi) 합금과 같은 제1 재료로 만들어질 수 있다. 제2 열전 소자(24)(양 전압)는 예를 들어 니켈-크롬-규소(NiCrSi) 합금과 같은 제1 재료와는 상이한 제2 재료로 만들어질 수 있다.
그러므로, 제1 열전대(20)는 바람직하게는 기성품인 N-형 열전대 프로브로 구성된다. 대안적인 실시형태에서, 제1 열전대(20)는 기성품인 R-형 열전대 프로브로 구성될 수 있다. 여전히 대안적인 실시형태에서, 제1 및 제2 열전 소자(22, 24)는 비문자 지정형 열전대에 속한다. 이의 예는 백금으로 형성된 제1 열전 소자(22) 및 팔라듐으로 형성된 제2 열전 소자(24)를 가지는 것일 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 제1 및 제2 열전 소자는 열전도성 및 전기 비전도성 기판에 적어도 부분적으로 증착되고 및/또는 상기 기판에 의해 적어도 부분적으로 지지된다.
제1 및 제2 열전 소자(22, 24)는 바람직하게는 길이가 30㎝ 미만이다. 보다 바람직하게는, 제1 및 제2 열전 소자(22, 24)는 길이가 20㎝ 미만이다.
제1 열전 소자(22)는 제1 근위 단부(22A), 및 제1 근위 단부(22A)의 반대편에 있는 제1 원위 단부(22B)를 포함한다. 제2 열전 소자(24)는 제2 근위 단부(24A), 및 제2 근위 단부(24A)의 반대편에 있는 제2 원위 단부(24B)를 포함한다. 제1 근위 단부(22A)와 제2 근위 단부(24A)는 제1 접속 지점(26)에서 서로 연결되거나 결합된다. 바람직하게는, 제1 접속 지점(26)은 제1 온도(T2)를 가지는 제1 부분(2)에 배열된다. 제1 부분(2)은 예를 들어 내연 기관(도시되지 않음)의 배기 가스가 통과하는 배기 가스 덕트의 일부일 수 있다. 도 1의 열전대 장치(10)에 의해, 사용 동안, 배기 가스의 온도(T2)가 결정될 수 있다. 제1 온도(T2)는 최대 2100℃의 고온일 수 있다.
제1 및 제2 열전 소자(22, 24)의 원위 단부(22B, 24B)는 각각 서로 이격되고, 바람직하게는 모두 제1 온도(T2)와 다른 제2 온도(T1)를 가지는 제2 부분(4)에 있다.
제2 열전대(30)는 제3 열전 소자(32) 및 제4 열전 소자(34)를 포함하는 보조 열전대이다. 바람직하게는, 제3 열전대 요소(32) 및/또는 제4 열전대 요소(34)는 각각 베이스 금속 또는 베이스 합금으로 형성된다. 예를 들어, 제3 열전 소자(32)(양)는 예를 들어 구리-니켈(CuNi) 합금과 같은 제3 재료로 만들어질 수 있다. 제4 열전 소자(34)(음)는 예를 들어 철(Fe) 합금과 같은 제3 재료와는 상이한 제4 재료로 만들어질 수 있다.
그러므로, 제3 또는 제4 열전 소자(32, 34)는 제1 열전 소자(22)와 동일한 재료로 형성되지 않는다는 것에 유의한다. 바람직하게는, 역시, 제3 또는 제4 열전 소자(32, 34)도 제2 열전 소자(24)와 동일한 재료로 형성되지 않는다. 예를 들어, 제2 열전대는 K-형 열전대로 구성된다.
제3 열전 소자(32)는 제3 근위 단부(32A), 및 제3 근위 단부(32A)의 반대편에 있는 제3 원위 단부(32B)를 포함한다. 제4 열전 소자(34)는 제4 근위 단부(34A), 및 제4 근위 단부(24A)의 반대편에 있는 제4 원위 단부(34B)를 포함한다. 제3 근위 단부(32A)와 제4 근위 단부(34A)는 제2 접속 지점(36)에서 서로 연결된다. 바람직하게는, 제2 접속 지점(36)은 제2 온도(T1)를 가지는 제2 부분(4)에 배열된다. 제2 온도(T1)는 중간 또는 고온, 예를 들어 약 150℃ 내지 약 800℃의 온도일 수 있다.
제3 및 제4 열전 소자(32, 34)의 원위 단부(32B, 34B)는 각각 제1 및 제2 전기 단자(52, 54)에 연결된다. 제1 및 제2 전기 단자(52, 54)는 서로 이격되어 있으며, 모두 바람직하게는 공지된 제3(기준) 온도(TO)를 가지는 제3 부분(6)에 위치된다. 보다 바람직하게는, 제1 및 제2 전기 단자(52, 54)는 각각 제어 유닛(50)의 일부일 수 있다. 예를 들어, A/D 변환기를 포함하는 제어 유닛(50)은 열전대 장치(10)로부터 전압 형태를 하는 임의의 신호를 수신하고, 제1 온도(T2)를 계산 및/또는 추정하도록 구성된다.
이하에서, 제1 온도(T2)를 결정하기 위한 3개의 전압차(V1, V2 및 V3)를 측정하기 위한 하나의 예시적인 실시형태가 보다 상세히 기술되고 설명된다. 그러나, 제1 내지 제6 전압차(V1 내지 V6)(도 1 참조) 중 임의의 3개의 전압차가 제1 온도(T2)를 결정하도록 측정되고 분석될 수 있다는 것에 유의한다. 특히, 제1 내지 제6 전압차(V1 내지 V6) 중 적어도 3개를 측정하는 것에 의해, 다른 전압차는 상기 측정된 전압차로부터 계산 및/또는 도출될 수 있다. 예를 들어, 제4 전압차(V4)는 다음 방정식에 의해 계산될 수 있다:
Figure 112019118407612-pct00001
동작 동안, 제1 및 제2 전기 단자(52, 54)는 제2 온도(T1)와 제3 온도(TO) 사이의 온도차(T1-TO)를 나타내는 제1 전압차(V1)를 그 사이에 한정한다. 그러므로, 제3 온도(기준 온도로서 또한 지칭될 수 있음)(TO)가 다음의 방적식으로부터 알려지면, 제2 열전대(30)는 제2 온도(천이 온도로서 또한 지칭될 수 있음)(T1)를 결정하기 위한 정보를 제공하도록 구성된다:
Figure 112019118407612-pct00002
여기에서, S34는 이 예에서, 제3 열전 소자(32) 및 제4 열전 소자(34)에 각각 대응하는 온도(T0 및 T1) 사이의 재료("3" 및 "4")의 평균 상대 제벡 계수(Seebeck coefficient)이다.
예를 들어, 제3 온도(TO)는 공지된 NTC 온도 센서와 같은 별개의 온도 센서에 의해 측정될 수 있다. 제3 온도(TO)는 실질적으로 주위 온도에 대응할 수 있다.
제3 열전대(40)는 또한 제5 열전 소자(42) 및 제6 열전 소자(44)를 포함하는 보조 열전대이다. 바람직하게는, 제5 열전 소자(42) 및/또는 제6 열전 소자(44)는 각각 베이스 금속 또는 베이스 합금으로 형성된다. 예를 들어, 제5 열전 소자(42)(양)는 예를 들어 니켈-크롬 합금과 같은 제3 및 제4 재료와는 상이한 제5 재료로 만들어질 수 있다. 제6 열전 소자(44)(음)는 예를 들어 니켈-알루미늄 합금과 같은 제3, 제4 및 제5 재료와는 상이한 제6 재료로 만들어질 수 있다.
그러므로, 제5 또는 제6 열전 소자(42, 44)는 제1 열전 소자(22)와 동일한 재료로 형성되지 않는다는 것에 유의한다. 바람직하게는, 역시, 제5 또는 제6 열전 소자(42, 44)도 제2 열전 소자(24)와 동일한 재료로 형성되지 않는다. 추가적으로, 제5 또는 제6 열전 소자(42, 44)는 제3 및/또는 제4 열전 소자(32, 34)와 동일한 재료로 형성되지 않는다. 예를 들어, 제3 열전대(50)는 K-형 열전대로 구성된다.
제5 열전 소자(42)는 제5 근위 단부(42A), 및 제5 근위 단부(42A)의 반대편에 있는 제5 원위 단부(42B)를 포함한다. 제6 열전 소자(44)는 제6 근위 단부(44A), 및 제6 근위 단부(44A)의 반대편에 있는 제6 원위 단부(44B)를 포함한다. 제5 근위 단부(42A)와 제6 근위 단부(44A)는 제3 접속 지점(46)에서 서로 연결된다. 바람직하게는, 제3 접속 지점(46)은 제2 온도(T1)를 가지는 제2 부분(4)에 배열된다.
제5 및 제6 열전 소자(42, 44)의 원위 단부(42B, 44B)는 각각 제3 및 제4 전기 단자(56, 58)에 연결된다. 제3 및 제4 전기 단자(56, 58)는 서로 이격되어 있으며, 모두 바람직하게는 공지된 제3(기준) 온도(TO)를 가지는 제3 부분(6)에 위치된다. 보다 바람직하게는, 제3 및 제4 전기 단자(56, 58)는 각각 제어 유닛(50)의 일부일 수 있다.
동작 동안, 제3 및 제4 전기 단자(56, 58)는 제2 온도(T1)와 제3 온도(TO) 사이의 온도차(T1-TO)를 또한 나타내는 제2 전압차(V2)를 그 사이에 한정한다. 그러므로, 제3 열전대(40)는 또한 제3 온도(기준 온도로서 또한 지칭될 수 있음)(TO)가 다음의 방정식으로부터 알려지면 제2 온도(천이 온도로서 또한 지칭될 수 있음)(T1)을 결정하기 위한 정보를 제공하도록 구성된다:
Figure 112019118407612-pct00003
식 중, S56은 이 예에서 각각 제5 열전 소자(42) 및 제6 열전 소자(44)에 대응하는 온도(T0 및 T1) 사이의 재료("5" 및 "6")의 평균 상대 제벡 계수이다.
특히, 제1 및 제2 전압차(V1 및 V2)(둘 모두는 제2 온도(T1)를 나타냄)는 제2 온도(T1)를 중복하여 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이것은 제1 및 제2 전압차(V1, V2)에 기초하여 동일한 것을 결정하는 것에 의해 제2 온도(T1)의 타당성 검사를 가능하게 한다. 예를 들어, 제1 및 제2 전압차(V1, V2)가 사전 결정된 전압 임계값 이상으로 서로 벗어나면, 제2 및/또는 제3 열전대(30, 40)는 적절하게 작동하지 않는 것으로서 검출될 수 있다. 이러한 경우에, 열전대 장치(10), 특히 제2 및/또는 제3 열전대(30, 40)의 유지 보수가 필요할 수 있다. 또한, 열전대 장치(10)가 노화 및 화학적 오염에 의해 생성된 불균형에 민감함에 따라서, 열전대 장치(10)의 노화 또는 화학적 견고성은 모니터링될 수 있다.
동작 동안, 제2 전기 단자(54) 및 제3 전기 단자(56)는 제1 온도(T2)와 제2 온도(T1) 사이의 온도차(T2-T1)를 나타내는 제6 전압차(V6)를 그 사이에 한정한다. 그러므로, 제1 열전대(20)는 다음의 방정식에 따라서 관련 제1 온도(T2)를 결정하는 것을 돕는 정보를 제공하도록 구성된다:
Figure 112021091223868-pct00007
식 중, S12는 이 예에서 각각 제1 열전 소자(22) 및 제2 열전 소자(24)에 대응하는 온도(T1 및 T2) 사이의 재료("1" 및 "2")의 평균 상대 제벡 계수이고, S45는 이 예에서 각각 제4 열전 소자(34) 및 제5 열전 소자(42)에 대응하는 온도(T0 및 T1) 사이의 재료("4" 및 "5")의 평균 상대 제벡 계수이다. 제2 온도(T1)는 제2 및/또는 제3 열전대(30, 40)에 의해 계산된다. 예를 들어, 제2 온도(T1)는 제1 및 제2 전압차(V1, V2)가 사전 결정된 전압 임계값 이상으로 서로 벗어나지 않으면 제1 전압차(V1)에 기초하여 결정된 첫번째 "제2 온도(T1)" 및 제2 전압차(V2)에 기초하여 결정된 두번째 "제2 온도(T1)"의 평균값으로서 결정될 수 있다.
상기 식으로, 적절한 변환을 적용하여, 제1 온도(T2)는 다음에 의해 계산될 수 있다:
Figure 112021091223868-pct00008
제4 열전 소자(34) 및 제5 열전 소자(42)의 재료가 제1 및 제2 열전 소자(22, 24)의 재료와 각각 다름에 따라서, 제1 온도(T2)가 제2 온도(T1)와 동일하면, 제6 전압차(V6)는 0이 아니다. 제4 및 제5 열전 소자(34, 42)에 대해 상이한 재료를 사용하는 이러한 배선은 제4 및 제5 열전 소자(23, 42)가 동일한 재료로 만들어지는 상황과 비교하여, 정상적인 엔진 작동 조건을 가질 때, 특히 T2 > T1 > TO일 때, 출력에서 더욱 높은 출력 전압을 가지는 방식으로 구성될 수 있다. 그러나, 더욱 많은 후처리가 예를 들어 제어 유닛(50) 내에서 필요할 수 있다.
실제로, 상대 제벡 계수가 온도의 함수이기 때문에, 계산은 전술한 것보다 더욱 복잡하다. 그러나, ASTM E230에 설명된 것처럼 표준 열전대 재료로 열전대 장치를 구성하는 것은 업계에서 인정되는E(T) 방정식 및 관련 공차를 사용하는 것을 가능하게 한다.
그러므로, 제1 내지 제6 전압차(V1, V2, V3, V4, V5, V6) 중 적어도 3개를 검출할 때, 확립된 방정식 및/또는 표는 필요에 따라 제1 및 제2 온도(T2 및 T1)를 각각 추정하기 위해 계산 및/또는 보간하는데 사용될 수 있다. 또한, 상기 방정식이 측정된 적어도 3개의 전압차에 적응될 수 있다는 것에 유의해야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제3 열전 소자(32) 및 제4 열전 소자(34)는 제1 전압차(V1)를 생성하는 제1 전압차 서브 회로에 속한다. 유사하게는, 제5 열전 소자(42) 및 제6 열전 소자(44)는 제2 전압차(V2)를 생성하는 제2 전압차 서브 회로에 속한다. 또한, 제1 열전 소자(22), 제2 열전 소자(24), 제4 열전 소자(34), 및 제6 열전 소자(44)는 제3 전압차(V3)를 생성하는 제3 전압차 서브 회로에 속한다. 또한, 제1 열전 소자(22), 제2 열전 소자(24), 제3 열전 소자(32), 및 제6 열전 소자(44)는 제4 전압차(V4)를 생성하는 제4 전압차 서브 회로에 속한다. 또한, 제1 열전 소자(22), 제2 열전 소자(24), 제3 열전 소자(32), 및 제5 열전 소자(42)는 제5 전압차(V5)를 생성하는 제5 전압차 서브 회로에 속한다. 또한, 제1 열전 소자(22), 제2 열전 소자(24), 제4 열전 소자(34), 및 제5 열전 소자(42)는 제6 전압차(V6)를 생성하는 제6 전압차 서브 회로에 속한다.
제3, 제4, 제5 및 제6 열전 소자(32, 34, 42, 44)의 원위 단부(32B, 34B, 42B, 44B)는 각각 서로 충분히 전기적으로 절연되어, 제3 열전 소자(32)와 제4 열전 소자(34) 사이의 제1 개방 회로 전압차(V1)의 측정을 가능하게 하고, 제5 열전 소자(42)와 제6 열전 소자(44) 사이의 제2 개방 회로 전압차(V2)의 측정을 가능하게 하고, 제4 열전 소자(34)와 제6 열전 소자(44) 사이의 제3 개방 회로 전압차(V3)의 측정을 가능하게 하고, 제3 열전 소자(32)와 제6 열전 소자(44) 사이의 제4 개방 회로 전압차(V4)의 측정을 가능하게 하고, 제3 열전 소자(32)와 제5 열전 소자(42) 사이의 제5 개방 회로 전압차(V5)의 측정을 가능하게 하고, 제4 열전 소자(34)와 제5 열전 소자(42) 사이의 제6 개방 회로 전압차(V6)의 측정을 가능하게 한다.
중요하게는, 제3 내지 제6 열전 소자(32, 34, 42, 44, 52, 54)의 각각은 3개의 전압차 서브 회로에 공통이다. 특히, 제3 열전 소자(32)는 제1, 제5, 및 제4 전압차 서브 회로에 공통이다. 제4 열전 소자(34)는 제1, 제3, 및 제6 전압차 서브 회로에 공통이다. 유사하게는, 제5 열전 소자(42)는 제2, 제5, 및 제6 전압차 서브 회로에 공통이고, 제6 열전 소자(44)는 제2, 제3, 및 제4 전압차 서브 회로에 공통이다.
제3, 제4, 제5, 및 제6 열전 소자(32, 34, 42, 44)는 바람직하게는 그 근위 단부(32A, 34A, 42A, 44A)와 그 원위 단부(32B, 34B, 42B, 44B) 사이에서 각각 연장되는 다중 와이어 가요성 케이블로서 개별적으로 절연되고 함께 묶인 20AWG 와이어와 같은 도체를 포함한다.
연장 와이어로서 효과적으로 작용하는 제3, 제4, 제5, 및 제6 열전 소자(32, 34, 42, 44)의 길이는 바람직하게는 어디든 20㎝ 미만 내지 수 미터이다. 결과적인 열전대 장치(10)는 그 제1 열전 소자(22)를 통해 제2(천이) 온도(T1)를 측정하도록 각각 구성된 제2 열전대(30) 및 제3 열전대(40)와 종속으로 접속되는(cascaded) 제1 열전대(20)를 사용하여 적어도 2개, 바람직하게는 3개의 전압 측정을 하는 것에 의해 알려지지 않은 높은 제1 온도(T2)를 측정하는데 적합하다.
적절한 교정 공정을 사용하는 것에 의해, 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 가지는 임의의 열전대 장치에 적용될 수 있으며, 제3 내지 제6 열전 소자(32, 34, 42, 44)는 상이한 재료로 만들어진다.
열전대 장치(10)는 적대적인 환경에 근접한 제1 열전대(20), 및 제2(보조) 열전대(30) 및/또는 제1(주) 열전대(20)의 레그로부터 전기 커넥터(52, 54, 56, 58)가 위치되는 원격 위치로 연장되는 제3 열전대(40)를 이용하여 온도를 측정하는데 사용될 수 있다. 이것은 용이하게 이용 가능한 베이스 금속 연장 와이어 및 커넥터(제2 열전대(30) 및 제3 열전대(40))를 사용하는 것을 허용하고, 이는 귀금속 제1(주) 열전대(20)를 사용할 때 비용 이점을 제공한다. 이러한 베이스 금속 연장부는 또한 정합된 리드 와이어 및 커넥터가 이용 가능하지 않은 상황에서 비문자 지정형 귀금속 제1 열전대를 사용하는 것을 또한 허용할 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 접속 지점(36) 및 제3 접속 지점(46)은 바람직하게는 모두 동일한 온도, 즉 제2 온도(T1)에 있다. 한 실시형태에서, 제2 및 제3 접속 지점(36, 46)은 간단히 동일한(천이) 온도(T1)를 겪는 것을 보장하는 것을 돕기 위해 서로 근접하여 위치될 수 있다. 다른 실시형태에서, 단순히 서로 근접한 것에 더하여, 제1 내지 제6 열전 소자(22, 24, 32, 34, 42, 44) 중 적어도 하나의 일부를 지지하는 정합 조립체(60)가 제공된다. 보다 바람직하게는, 정합 조립체(60)는 제2 및 제3 접속 지점(36, 46)이 서로 전기적으로 절연되어 있지만 공통 온도(T1)를 겪을 수 있도록 여전히 서로 열 연통하도록 한다. 정합 조립체(60)는 바람직하게는 제3 열전 소자(32), 제4 열전 소자(34), 제5 열전 소자(42), 및 제6 열전 소자(44)가 통과하는 전기 비전도성 플러그를 포함할 수 있다.
제3, 제4, 제5 및 제6 열전 소자(32, 34, 42, 44)의 원위 단부(32B, 34B, 42B, 44B)가 각각 종결되는 전기 단자(52, 54, 56, 58)는 바람직하게는 모두 동일하고 공지된 제3(기준) 온도(T0)에 있다. 한 실시형태에서, 전기 단자(52, 54, 56, 58)는 또한 제어 유닛(50)의 일부일 수 있는 종단 스트립(termination strip)(59)에 장착된다. 종단 스트립(59)의 온도는 사전 결정된 기준 온도(T0)에서 종단 스트립(59)을 유지하도록 온도 제어될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 보조 온도계는 단자(52, 54, 56, 58)에서 온도를 측정하기 위해 사용될 수 있고, 이러한 온도계의 출력은 제1 접속 지점(26)에서 제1 온도(T2)를 결정하도록 상기 방정식에서 기준 온도(TO)로서 사용된다.
사용 동안, 전기 단자(52, 54, 56, 58)는 제1 내지 제6 전압차(V1, V2, V3, V4, V5, V6)를 당업자에게 공지된 제어 유닛(50)의 일부일 수 있는 추가 전기 회로에 제공한다. 이러한 추가 회로는 특히 제1 내지 제6 전압차(V1, V2, V3, V4, V5, V6)를 감지하고, 이를 아날로그 및/또는 디지털 신호로 변환할 수 있으며, 이 중 적어도 하나는 바람직하게는 추가의 처리를 위하여 제1 온도(T2)에 비례하는 정보를 운반한다. 그러므로, 이러한 회로와 관련된 프로세서는 제2 온도(T1), 및 이로부터 제1 온도(T2)를 결정하기 위해 제1 내지 제6 전압차(V1 내지 V6) 중 적어도 3개의 전압차를 사용하도록 구성될 수 있다. 그런 다음 시간의 함수로서 결정되는 제1 온도(T2)는 예를 들어 자동차, 상업용 차량, 트럭, 농업 차량 등과 같은 차량과 조합하여 사용되는 내연 기관과 같은 그 온도를 생성하는 장비의 실시간 제어를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 특정 실시형태는 특히 본 명세서에서 예시 및/또는 설명된다. 그러나, 본 발명의 수정 및 변형은 본 발명의 사상 및 의도된 범위를 벗어남이 없이 상기 교시에 의해 첨부된 청구범위의 범위 내에서 커버되는 것이 이해될 것이다.

Claims (12)

  1. 내연 기관의 배기 가스 시스템을 통과하는 배기 가스의 제1 온도(T2)를 측정하기 위한 열전대 장치(thermocouple arrangement)(10)로서,
    - 제1 열전 소자(22) 및 제1 접속 지점(26)에서 상기 제1 열전 소자(22)에 결합된 제2 열전 소자(24)를 포함하는 제1 열전대(20)로서, 상기 제1 접속 지점(26)은 제1 온도(T2)를 가지는 제1 부분(2)에 배열되도록 구성되며, 상기 제1 열전 소자(22)는 제1 재료로 만들어지고, 상기 제2 열전 소자(24)는 상기 제1 재료와는 상이한 제2 재료로 만들어는, 상기 제1 열전대(20);
    - 제3 열전 소자(32) 및 상기 제1 열전 소자(22)에 연결된 제2 접속 지점(36)에서 상기 제3 열전 소자(32)에 결합된 제4 열전 소자(34)를 포함하는 제2 열전대(30)로서, 상기 제2 접속 지점(36)은 제2 온도(T1)를 가지는 제2 부분(4)에 배열되도록 구성되며, 상기 제3 열전 소자(32)는 제3 재료로 만들어지고, 상기 제4 열전 소자(34)는 상기 제3 재료와는 상이한 제4 재료로 만들어지는, 상기 제2 열전대(30); 및
    - 제5 열전 소자(42) 및 상기 제2 열전 소자(24)에 연결된 제3 접속 지점(46)에서 상기 제5 열전 소자(42)에 결합된 제6 열전 소자(44)를 포함하는 제3 열전대(40)로서, 상기 제3 접속 지점(46)은 상기 제2 온도(T1)를 가지는 상기 제2 부분(4)에 배열되도록 구성되며, 상기 제5 열전 소자(42)는 상기 제3 재료 및 상기 제4 재료와는 상이한 제5 재료로 만들어지고, 상기 제6 열전 소자(44)는 상기 제3 재료, 상기 제4 재료 및 상기 제5 재료와는 상이한 제6 재료로 만들어지는, 상기 제3 열전대(40)를 포함하는, 열전대 장치(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 제3 재료, 상기 제4 재료, 상기 제5 재료 및 상기 제6 재료 중 어느 하나는 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료 중 어느 하나와 상이한, 열전대 장치(10).
  3. 제1항에 있어서, 상기 제5 열전 소자(42) 또는 상기 제6 열전 소자(44)는 상기 제3 열전 소자(32) 또는 상기 제4 열전 소자(34)와 길이가 동일한, 열전대 장치(10).
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 열전대(20)는 N-형 열전대인, 열전대 장치(10).
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 접속 지점(36) 및 상기 제3 접속 지점(46)과는 각각 반대편에 있는 상기 제3 열전 소자, 상기 제4 열전 소자, 상기 제5 열전 소자 및 상기 제6 열전 소자(32, 34, 42, 44)의 원위 단부(32B, 34B, 42B, 44B)는 제3 온도(TO)를 가지는 제3 부분(6)에 배열되도록 구성되는, 열전대 장치(10).
  6. 제5항에 있어서, 상기 제3 열전 소자, 상기 제4 열전 소자, 상기 제5 열전 소자 및 상기 제6 열전 소자(32, 34, 42, 44)의 원위 단부(32B, 34B, 42B, 44B)는 각각 제1 전기 단자, 제2 전기 단자, 제3 전기 단자 및 제4 전기 단자(52, 54, 56, 58)에 연결되는, 열전대 장치(10).
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 온도(T2)는 상기 제1 전기 단자와 상기 제2 전기 단자(52, 54) 사이의 제1 전압차(V1), 상기 제3 전기 단자와 상기 제4 전기 단자(56, 58) 사이의 제2 전압차(V2), 상기 제2 전기 단자와 상기 제4 전기 단자(54, 58) 사이의 제3 전압차(V3), 상기 제1 전기 단자와 상기 제4 전기 단자(52, 58) 사이의 제4 전압차(V4), 상기 제1 전기 단자와 상기 제3 전기 단자(52, 56) 사이의 제5 전압차(V5), 및 상기 제2 전기 단자와 상기 제3 전기 단자(54, 56) 사이의 제6 전압차(V6) 중 적어도 3개의 전압차에 적어도 부분적으로 기초하여 추정될 수 있는, 열전대 장치(10).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 열전 소자 내지 상기 제6 열전 소자(22, 24, 32, 34, 42, 44)를 적어도 부분적으로 수용 및/또는 지지하도록 구성된 정합 조립체(60)를 더 포함하는, 열전대 장치(10).
  9. 제8항에 있어서, 상기 정합 조립체(60)는 상기 제3 열전 소자(32), 상기 제4 열전 소자(34), 상기 제5 열전 소자(42) 및 상기 제6 열전 소자(44)가 통과하는 전기 비전도성 플러그를 포함하는, 열전대 장치(10).
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2 열전대(30)는 K-형 열전대인, 열전대 장치(10).
  12. 제1항에 있어서, 상기 제3 열전대(40)는 T-형 또는 J-형 열전대인, 열전대 장치(10).
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