JP2016507070A - ワイヤの抵抗を増加させることによる、コイルの均一な温度の測定 - Google Patents

Abstract

本発明は、抵抗材料で作られたゲージワイヤ（１）内への周知のＤＣ電流の注入であって、ゲージワイヤの抵抗は周知の法則にしたがって温度とともに変動する、注入と、前記ゲージワイヤの端子（７ａ、７ｂ）間の電位差の測定と、電位差をゲージワイヤの平均温度に変換する計算ステップと、を備える、コイル状部品の温度を測定する方法であって、前記ゲージワイヤ（１）は、コイルの内側に巻き付けられ、実質的に等しい形状および位置を伴って対になって関連付けられた一連の「外向き」巻き（５）および一連の「内向き」巻き（６）として配置されている、方法に関する。本発明はまた、この方法および測定装置を全体として実現することが可能なように作られた部品にも関する。

Description

本発明は、航空機に実装された電気システムの監視に関する。より具体的には本発明は、コイル状電気部品の温度の測定に関する。

航空機に実装された特定数の電子装置、具体的にはコンピュータは、エンジンオイルなど、高温で可燃性の製品と接触する危険性のある領域に配置される。この場合、たとえば安全規則は、各ケーシングの表面温度が、エンジンオイルの自然発火閾値である２０４℃の臨界温度を超えないことを要求する。

この温度を超える可能性のあるすべての受動部品は、この要件を制御するために監視されなければならない。

より具体的にはコイル状部品に関して、現在使用されているソリューションは、臨界温度を超えた場合にアラートメッセージを送信する、コイルの外部に組み込まれた温度プローブからなる。

このソリューションは、監視すべき部品とは無関係な追加の特定装置、すなわち温度プローブを導入するので、高額であるという第一の不都合を有する。温度プローブは特に部品に装着されるように設計されてはいないので、これは組み込みの困難を課す。最後に、これらはプローブのセンサが固定されていた部品の表面上の点における局所温度を与える。温度が適合しているというプローブの表示は、部品上のどこか別の場所で臨界温度を超えていないことを必ずしも保証するものではない。

このため、プローブのサイズ決めおよび位置決めは、臨界温度を超える危険性、または検出システムに誤ったアラートが送られる危険性を低減するために、プローブおよびコイル状部品からなるアセンブリを特徴付けること、ならびに特にパルスタイプの用途における自然加熱を制限し、測定誤差と対等なマージンを確立する必要性によって生じる、コイルの過剰サイズの質量およびコストに関する影響を回避することも、必要とする。

本発明の目的は、温度測定により、過剰な安全マージンを採用する義務を伴わずに安全レベルに準拠できるようにすることを保証しながら、具体的にはコイル状部品に関するこれらの組み込みの問題にもかかわらず、簡単で堅牢なソリューションを提供することである。

本発明は、周知のＤＣ電流が流れる抵抗材料で作られたゲージワイヤの端子間の電位差の測定であって、ゲージワイヤの抵抗は周知の法則にしたがって温度とともに変動する、測定と、電位差をゲージワイヤの平均温度に変換する計算ステップと、を備える、航空用途向け高出力コイル状部品の温度を測定する方法であって、前記ゲージワイヤは、実質的に等しい形状および位置を伴って対になって関連付けられた一連の「外向き」巻きおよび一連の「内向き」巻きとして配置された巻きで、コイルの内側に巻き付けられている、方法に関する。この方法は、前記ゲージワイヤが、０．０５ｍｍから０．２５ｍｍの範囲の直径と、少なくとも２０回の巻きを形成することによって、−６０℃から２００℃の間で変動する温度で２から８オームの間の抵抗の変化を得るように調整された長さと、を有することを特徴とする。

熱は部品の内部で生成されるので、ゲージワイヤ上の測定によって得られた部品の内部の平均温度は、表面上で到達する温度を過大評価するので、本発明はその目的を達成する。したがって、測定が正確であるほど、閾値を超えないことが確実でありながら閾値により接近する。また、特にコイル状部品について、測定は磁場の存在によって生じるいかなる外乱も補償しなければならず、その勾配は、磁場が通過する巻線内に起電力を発生させる。「外向き」および「内向き」巻きを対にして自身の補償をさせることが、測定回路をかなり簡素化させる。加えて、ここでの懸念は、コイルの直径が１ｃｍから３０ｃｍの間で異なってもよい、航空分野の高出力部品に関するものである。このような文脈において、たとえばおよそ１００オームの抵抗で、直径およそ０．０１ｃｍの非常に細いワイヤを用いる白金プローブ技術と比較して、より大きい直径および数オームの抵抗のワイヤの使用は、必要な測定精度を有していながら、この技術を部品に組み込むことを可能にする。

有利なことに、測定された温度の範囲内でその抵抗率が温度とともに直線的に変化する導電材料の使用は、相応に計算を簡素化する。

好ましくはゲージワイヤは、その抵抗率が航空用途向けの動作範囲内の温度の線形関数であり一般的材料である、銅で作られている。

温度の正確な測定は、電位差を測定するためにゲージワイヤの末端に２本のワイヤを取り付けることによって得られる。

本発明はまた、航空用途向け高出力コイル状部品にも関し、これは抵抗材料で作られたワイヤを備え、その抵抗は周知の法則にしたがって温度とともに変動し、前記導電材料のワイヤはコイルの内側に巻き付けられ、実質的に等しい形状および位置を伴って対になって関連付けられた、一連の「外向き」巻きおよび一連の「内向き」巻きとして配置されており、これに加えて前記ゲージワイヤは、少なくとも２０回の巻きを形成することによって、−６０℃から２００℃の間で変動する温度で２から８オームの間の抵抗の変化を得るように調整された長さを伴って０．０５ｍｍから０．２５ｍｍの範囲の直径を有し、２つの接続は前記ゲージワイヤの末端を外部電子装置に接続できることを、特徴とする。

本発明はより具体的には、互いを包囲する、少なくとも２本の有効巻線を備えるコイル状部品に関し、ゲージワイヤの巻きは２本の有効巻線の間に挿入される。

有利なことに、この部品はゲージワイヤの端子に取り付けられた２つの相補接続を備える。

このような部品は、部品の内部の平均温度を決定するために必要な測定器具に接続されることが可能である。

本発明はまた、本発明による少なくとも１つの部品と、ゲージワイヤの末端に接続された直流電流を発生する手段と、相補接続の間の電位差を測定する手段と、電位差測定手段からの信号および前記直流電流の情報を温度信号に変換することが可能な計算手段と、を備える航空用途向け電子装置にも関する。

最後に本発明は、ゲージワイヤがコイル状部品内に実装される前に、所与の温度で所与の抵抗を得るためにゲージワイヤの長さを校正するステップと、２本の相補出力ワイヤを校正済み抵抗に対応するゲージワイヤの端子に接続するステップと、を備える、本発明によるコイル状部品を製造する方法に関する。

１ミリオーム以内にゲージワイヤを校正することで、この製造方法は、航空分野で使用されるコイル状部品内の温度の予測において±０．３％の精度を実現させることができる。

以下、本発明の非限定的実施形態が、以下の添付図面を参照してさらに詳細に記載される。

コイル状部品の軸方向断面図である。 反対方向に測定電流を循環させる２つの巻きの概略図である。 ゲージワイヤ上の４本のワイヤで測定する原理を示す図である。

たとえば図１に示される変圧器などの典型的なコイル状部品は、２本の有効巻線２、３を備える。これらは、内側巻線２を包囲する外側巻線３があって、これら全体が中心コアを有するコラム４を包むように、構成されている。

部品の加熱は基本的に、使用される高電流による有効巻線内のジュール損失に起因する。これは、好ましくは航空用途向け高出力コイル状部品の加熱を予測する場合である。したがって、小径の銅製ゲージワイヤ１が、２本の有効巻線の間でシリンダ上に巻き付けられる。温度の関数としての部品内の材料の抵抗率の変動に関連してゲージワイヤ１の抵抗の変動を測定することで、コイルの内部の抵抗率を表す、したがって部品の表面で観察される温度を超える、温度測定値を得ることを可能にする。

銅は、小さいワイヤ径を用いて正確な測定値を得ることを可能にするので、選択される。加えて、これはたとえば特定の温度測定装置で使用される白金と比較して、電子装置における一般的な材料である。

また、装置は、残りの部品とともにこれを組み立てる前に、その外表面上で、内部の有効巻線２と同時にゲージワイヤ１に巻き付けるだけでよく、これはさらなる動作を全く必要としないので、記載された部品の製造に組み込むことは容易である。一般論として、その温度が監視されることが望まれる部品は、１から３０ｃｍの間の直径を有する。使用されるゲージワイヤの直径は一般的に０．２５から０．０５ｍｍの間であり、これは周囲温度（２０℃）および６オームの公称抵抗で１７メートルから１．５メートルの間のゲージワイヤの長さ、つまり少なくとも２０回の巻きを生じる。長さは部品の最終的な直径に対して影響を及ぼす可能性があり、ワイヤは導体の総体積の０．１％から１０％を示すことができる。したがって、この装置は、従来の手段と比較して小さい、ゲージワイヤの割合と同程度の割合で部品の形状を乱すことがわかる。

図１は、２本の有効巻線を有する実施形態を示す。３本以上の有効巻線を有するコイル状部品に関する変形例において、ゲージワイヤは、最も内側の２本の巻線の間に配置されたコイルの内側に巻き付けられる。単一の有効巻線に関する別の変形例において、ゲージワイヤは、この巻線の内面に対して巻き付けられる。

コイル状部品の温度は、およそ−６０℃から＋２００℃の範囲で監視される。この温度範囲内で、温度の関数としての銅の抵抗率は線形であり、以下の式で表される：
（１） ρ＝ρ_０・（１＋α・θ）
α＝０．００４２７（温度の関数としての銅の抵抗率の変動係数）
θ＝℃単位で表された温度
ρ_０＝オームメートル単位の０℃での銅の抵抗率（１．６ １０^−８オーム・ｍ）

したがって任意の長さおよび断面のゲージワイヤでは、同様に表される抵抗が得られる。

（２） Ｒ＝Ｒ_０・（１＋α・θ）
Ｒ_０＝オーム単位の０℃でのゲージワイヤの抵抗

加えて、以下の式によって前記ゲージワイヤの端子において、ボルトで表される電位差Ｕを測定することにより、ゲージワイヤを通る、アンペアで表される周知の電流Ｉを印加することにより、ジュールの法則によって与えられる電位差、このケースでは温度が容易に得られる：
（３） θ＝（Ｕ／Ｉ・Ｒ_０−１）・（１／α）

考えられるコイル状部品について、この校正の間に求められたＲ_０の値は、２から８オームの間である。これにより、動作中の部品に期待される温度変化の範囲にわたって、２から８オームの間の、数オームの抵抗の値の変動を有することができるようにする。求められた温度範囲（−６０℃から＋２００℃）での抵抗のこの変動の規模は、１％より優れた精度を有する測定を可能にし、これは以下の例で詳述されるように、従来の手段のものと比較して、著しく改善されている。

銅以外の材料を使用することも、考えられる。材料の抵抗率が温度の線形関数ではない場合、温度と電位差Ｕの測定値との関係は単に、プログラムするのが少し複雑になる。有利なことに、この材料は１から１０ １０^−８オーム・ｍの間、好ましくは１から７ １０^−８オーム・ｍの間の抵抗率を有し、実質的にコイル状部品の動作温度の範囲について上述された範囲内でその抵抗が変動する、ゲージワイヤを製造することを可能にする。

しかしながら、この式を使用できるようにするためには、寄生電位差の源を取り除く必要がある。コイル状部品、すなわち磁束が通るゲージワイヤの巻線の場合、巻線を通る磁束の導関数に等しい起電力が、端子に現れる（ファラデーの法則）。

この起電力を補償して、関連する測定回路を簡素化するために、ゲージワイヤのコイル巻きは、その中央において自己の上にワイヤを折り畳み、その後この二重ワイヤを巻き付けることによって、行われる。こうして、図２に示されるような「外向き」巻き５および「内向き」巻き６において対になって関連付けられて、２組の巻きが形成される。これら２つの巻きは、空間において実質的に同じ位置、および同じ形状を有する。したがって、これらを通るのは同じ磁束Φであり、このためこれらの端子で生じる起電力は等しく、逆の符号となる。したがって、ゲージワイヤの端子で観察される起電力の結果は、実質的にゼロのままとなる。

こうして「外向き」巻き５および「内向き」巻き６を対に組み合わせるために、ゲージワイヤの巻線の別の幾何学的配置も考えられる。いずれの場合も、磁束が通る巻きの表面積が等しいこと保証するために、巻きの始点および終点を含む、導体の「外向き」および「内向き」部分を可能な限り互いに近付けておくことが、重要である。

すると直流電流を注入することにより、式（３）によって部品のコアにおける温度を決定することが可能となる。「外向き」および「内向き」巻きについて、磁束が通る同等の表面積での差に関連するいかなる残留電圧もなくてすむように、「ローパス」タイプのフィルタリングが使用される。

好ましくは電圧は、いわゆる４線法、すなわちケルビン法を用いて測定される。この方法において、計算で使用される、基準温度で抵抗の周知の値Ｒ_０に対応する、ゲージワイヤの長さの端子７ａおよび７ｂが考慮される。２本の相補ワイヤ８ａおよび８ｂは、ろう付け、半田付け、またはその他いずれかの接続手段によって、これらの端子に取り付けられる。次にゲージワイヤ１が、その両端で電流発生手段１０に接続され、２本の相補ワイヤ８ａおよび８ｂは電位測定手段である電圧計９に接続される。電圧計９のインピーダンスは非常に高いので、接続ワイヤを通る電流は無視できる程度であり、電位差は、抵抗Ｒ_０に対応するワイヤの正確な長さにわたって高い精度で測定される。ゲージワイヤを通る電流の強度はさらに、電流発生手段によって良好な精度で表示される。

その一方で、銅ワイヤには、その半径のばらつきに特定の公差が与えられる。通常、平均半径は、０．１ｍｍの直径を有するワイヤで±２．５％だけ異なってもよい。したがって、測定された温度の不確実性は、公称データが信頼できる場合、およそ５％となる。

選択的に、測定の精度は、部品に組み込む前にゲージワイヤを校正することによって、さらに改善される。ゲージワイヤの数オーム程度の抵抗のため（たとえば表１に示される例を参照）、抵抗Ｒ_０においておよそ０．２％の精度を実現するために、校正はマイクロオーム計を用いて実行されることが可能である。オペレータが６ｍにわたる抵抗の理論値に対応する正確な長さを識別したとき（許容される公差を有する実施形態については表１を参照）、彼は端子７ａおよび７ｂに、電位測定に使用される相補ワイヤ８ａおよび８ｂを接続し、その後コイル状部品内にゲージワイヤを巻き付ける。この測定手段は、校正が実行されると、±０．３％の精度を有する温度プローブが、部品に対して配置された温度プローブでの１％の現在の一般的な平均値に匹敵できるようにする。加えて、本発明による温度プローブの製造コストの方が低い。

変形実施形態において、手段１０によって供給される電流値Ｉに関する不確実性によって導入される誤差は、端子８ａおよび８ｂの間のゲージワイヤの抵抗を直接測定することによる付加的なやり方において、なくてすむようになる。この目的のため、周知の値の抵抗器が、コイル状部品の温度の変動に曝されない電流Ｉの回路上の点に配置される。電位の変動はこの抵抗器の端子で測定され、ゲージワイヤの抵抗は測定された２つの電位差の間の比率によって直接得られる。

したがって、温度計を備える部品と比較して、航空機に実装されるアセンブリは、電流発生器、電圧計、および実行された測定から温度を与えることができる計算モジュールを有する、この修正部品からなり、これら３つはその複雑さにおいて、市場で入手可能なオーム計と類似している。

表（１）：単巻変圧器に関する例、−５５℃から＋１７５℃の間の温度に関する測定領域の評価
一巻きの平均長さ：１５ｃｍ
総巻き数：（「外向き」および「内向き」）：４０
使用ワイヤの長さ：６ｍ
ワイヤの平均半径：０．０７０８１０３５ｍｍ；製造公差：±２．５％

Claims (13)

1. 航空用途向け高出力コイル状部品の温度を測定する方法であって、方法は、抵抗材料で作られたゲージワイヤ（１）内への周知の直流電流の注入であって、ゲージワイヤの抵抗は周知の法則にしたがって温度とともに変動する、注入と、前記ゲージワイヤの端子（７ａ、７ｂ）間の電位差の測定と、電位差をゲージワイヤの平均温度に変換する計算ステップと、を備え、
   前記ゲージワイヤ（１）は、コイルの内側に巻き付けられ、実質的に等しい形状および位置を伴って対になって関連付けられた一連の「外向き」巻き（５）および一連の「内向き」巻き（６）として配置されており、
   方法は、前記ゲージワイヤ（１）が、０．０５ｍｍから０．２５ｍｍの範囲の直径と、少なくとも２０回の巻きを形成することによって、−６０℃から２００℃の間で変動する温度で２から８オームの間の抵抗の変化を得るように調整された長さと、を有することを特徴とする、方法。
2. 温度と抵抗との間の関係は、測定された温度範囲内で線形である、請求項１に記載のコイル状部品の温度を測定する方法。
3. ワイヤの材料は銅である、請求項１に記載のコイル状部品の温度を測定する方法。
4. 電位差の測定は、ゲージワイヤ（１）の端子（７ａ、７ｂ）に取り付けられた２本の相補ワイヤ（８ａ、８ｂ）を使用する、請求項１に記載のコイル状部品の温度を測定する方法。
5. 航空用途向け高出力コイル状部品であって、
   抵抗材料で作られたゲージワイヤ（１）を備え、その抵抗は周知の法則にしたがって温度とともに変動し、
   前記ゲージワイヤは、コイルの内側に巻き付けられ、実質的に等しい形状および位置を伴って対になって関連付けられた一連の「外向き」巻き（５）および一連の「内向き」巻き（６）として配置されており、前記ゲージワイヤ（１）はさらに、少なくとも２０回の巻きを形成することによって、−６０℃から２００℃の間で変動する温度で２から８オームの間の抵抗の変化を得るように調整された長さを伴って０．０５ｍｍから０．２５ｍｍの範囲の直径を有し、
   ２つの接続は前記ゲージワイヤの末端を外部電子装置に接続できることを特徴とする、コイル状部品。
6. ゲージワイヤの端子（７ａ、７ｂ）に取り付けられた導電ワイヤ（８ａ、８ｂ）との２つの相補接続を備える、請求項５に記載のコイル状部品。
7. 少なくとも２本の有効巻線（２、３）を備え、その一方（３）は他方（２）を包囲し、ゲージワイヤ（１）の巻きは２本の有効巻線の間に挿入される、請求項５に記載のコイル状部品。
8. ゲージワイヤの抵抗の変動は、測定された温度の範囲にわたって温度の変動の関数として線形である、請求項５に記載のコイル状部品。
9. ゲージワイヤの材料は銅である、請求項５に記載のコイル状部品。
10. 請求項５から９のいずれか一項に記載の少なくとも１つの部品と、ゲージワイヤ（１）の末端に接続された直流電流を発生する手段（１０）と、ゲージワイヤの末端の間の電位差（９）を測定するための手段（９）と、電位差測定手段からの信号および前記直流電流の情報を温度信号に変換することが可能な計算手段と、を備える、航空用途向け電子装置。
11. 電位差を測定する手段は、ゲージワイヤの端子（７ａ、７ｂ）で相補接続に接続されている、請求項６と組み合わせた請求項１０に記載の航空用途向け電子装置。
12. ゲージワイヤがコイル状部品内に実装される前に実行される、所与の温度で所与の抵抗（Ｒ_０）を得るために端子（７ａ、７ｂ）の間のゲージワイヤの長さを校正するステップを備える、請求項６に記載のコイル状部品を製造する方法。
13. 校正済み抵抗に対応するゲージワイヤ（１）の端子（７ａ、７ｂ）において、外部装置に接続されることが可能な、２本の相補ワイヤ（８ａ、８ｂ）を接続するステップを備える、請求項１２に記載のコイル状部品を製造する方法。

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