JP2002303552A - サーモパイルの熱補償を利用した測定方法、およびこの方法を実施するための装置 - Google Patents

サーモパイルの熱補償を利用した測定方法、およびこの方法を実施するための装置

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JP2002303552A
JP2002303552A JP2001385759A JP2001385759A JP2002303552A JP 2002303552 A JP2002303552 A JP 2002303552A JP 2001385759 A JP2001385759 A JP 2001385759A JP 2001385759 A JP2001385759 A JP 2001385759A JP 2002303552 A JP2002303552 A JP 2002303552A
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thermopile
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temperature
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Tan Duc Huynh
デュク ウイン タン
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Valeo Climatisation SA
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Valeo Climatisation SA
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01K7/10Arrangements for compensating for auxiliary variables, e.g. length of lead
    • G01K7/12Arrangements with respect to the cold junction, e.g. preventing influence of temperature of surrounding air
    • G01K7/13Circuits for cold-junction compensation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/12Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01J5/14Electrical features thereof
    • G01J5/16Arrangements with respect to the cold junction; Compensating influence of ambient temperature or other variables

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定装置の温度補償を正確にする。 【解決手段】 本発明は、サーモパイルとサーミスタと
を含み、センサハウジング内に配置されたサーモパイル
アセンブリの熱補償を使った測定方法であって、 a)測定するべき対象温度Tobjと、センサハウジング
の温度Tthと、センサハウジングの温度Tthとに比例し
た第2サーミスタ電圧U2の関数である第1サーモパイ
ル電圧U1を発生させ、 b)第1電圧U1および第2電圧U2をアナログ−デジタ
ル変換し、 c)前記デジタル化された電圧U1およびU2に基づき、
対象温度Tobjを計算することを特徴とする方法に関す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、サーモパイルの熱
補償を使って測定する方法、およびこの方法を実施する
ための装置に関する。
【0002】
【従来の技術】このタイプの部品の熱補償は、一般に、
いくつかの差動増幅器に関連するディスクリート部品を
使って行われる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このようなアナログの
補償は、狭い温度範囲(例えば10℃〜40℃)内でし
か行うことはできず、いくつかの差動増幅器が存在して
いることによって誤差が大きくなり、よって測定が不正
確となる。
【0004】本発明の基本的な概念は、デジタル補償を
利用することにより、これらの欠点を、少なくとも部分
的に解消することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】そのため、本発明は、サ
ーモパイルとサーミスタとを備え、センサハウジング内
に配置されたサーモパイルアセンブリの熱補償を利用す
る測定方法であって a)測定するべき対象温度Tobjと、センサハウジング
の温度Tthと、センサハウジングの温度Tthに比例する
第2サーミスタ電圧U2の関数である第1サーモパイル
電圧U1を発生させ、 b)第1電圧U1および第2電圧U2をアナログ−デジタ
ル変換し、 c)前記デジタル化された電圧U1およびU2に基づい
て、対象温度Tobjを計算することからなる測定方法に
関する。
【0006】本発明の方法においては、対象温度Tobj
を、次の式
【数4】
【0007】(ここで、K3は定数、C1、C2は、プラ
ンクの法則の定数、λは、電磁放射線の波長、λmi
n、λmaxは、センサの赤外線フィルタの下限および
上限である)によって得ることを特徴とする。
【0008】Tobjは、二次元マップに従って、U1およ
びU2の値に対応するTobjの値を有する値のテーブルか
ら得ることができる。
【0009】好ましい実施例によれば、本発明の方法
は、次の式、
【数5】 (ここで、AおよびBは、製造中のサーモパイルアセン
ブリの較正時にメモリに記憶された利得補正項およびゼ
ロシフト補正項に対応する)に従って、Tobjから補正
された値T’objを決定するように、公差の補償を利用
することを特徴としている。
【0010】本発明は、−出力として、前記第1電圧U
1および前記第2電圧U2を供給するように、サーモパイ
ルアセンブリの2つのターミナルに入力端が接続された
電子回路と、−前記第1電圧U1および第2電圧U2と対
象温度Tobjとの関係をメモリに記憶するマイクロプロ
セッサとを備えることを特徴とする上記方法を実施する
ための装置にも関する。
【0011】この装置は、次の式、
【数6】 (ここで、AおよびBは、製造中のサーモパイルアセン
ブリの較正時にメモリに記憶された利得補正項およびゼ
ロシフト補正項に対応する)に従って対象温度Tobj
基づき、補正された値T’objを決定するための公差補
償モジュールをも、前記マイクロプロセッサが含むこと
を特徴としている。
【0012】好ましい実施例によれば、この装置は、−
前記サーモパイルに関連したサーミスタの一方のターミ
ナルに結合されており、前記第2電圧U2を発生する前
記サーモパイルアセンブリの一方のターミナルにバイア
スをかけるための分圧ブリッジと、−前記サーモパイル
アセンブリの前記ターミナルにおける電圧を増幅し、前
記第1電圧U1を出力電圧として発生するための差動増
幅器とを含むことを特徴としている。
【0013】添付図面を参照し、次の説明を読めば、本
発明の別の特徴および利点が明らかとなると思う。
【0014】図1に示すように、本発明の装置は、サー
モパイルアセンブリ1を備えている。このサーモパイル
アセンブリ1は、2つのアクティブなターミナルB1お
よびB2に、それぞれ電圧UthおよびRntcを供給す
る。
【0015】サーモパイルアセンブリ1のハウジング2
内には、厳密な意味でのサーモパイルを構成する部品T
HP(このサーモパイルの一方のターミナルは、ターミ
ナルB1である)とサーミスタTHM(このサーミスタ
の一方のターミナルはターミナルB2である)とが直列
に取り付けられている(図2)。
【0016】差動増幅器AMPを有する回路CIRC
は、出力端に電圧U1およびU2を供給する。これらの電
圧は、0V〜5Vの間に較正することが好ましい。これ
らの電圧は、マイクロプロセッサ装置Fのアナログ入力
端へ印加され、ここで、これら電圧は、測定するべき温
度Tobjまたは(計算モジュールCで補償された後に)
補正された測定温度T’objを示すデジタル信号を、出
力信号として供給するようにデジタル化され、処理され
る。
【0017】図2に示すように、サーモパイルアセンブ
リ1のターミナルB1は、増幅器AMPの非反転入力端
に接続されており、この増幅器の出力信号Sは、ネット
ワーク(R12、C3)(例えばR12=10KΩ;C3=1
0nF)によってフィルタリングされ、電圧U1を供給
する。
【0018】サーモパイルアセンブリ1のターミナルB
2は、抵抗器R11の一方のターミナルに接続されてお
り、抵抗器の他方のターミナルは、増幅器AMPの反転
入力端に接続されている。抵抗器R11と抵抗器R10
は、増幅器の利得Gを決定する(例えばG=1000;
10=267KΩ;R11=267Ω)。抵抗器R10のタ
ーミナルには、コンデンサC10(例えばC10=10n
F)が接続されている。
【0019】B1、B2とアースとの間のブリッジレイ
アウト内に取り付けられたコンデンサC20とC21とは、
ほぼ同じ値(例えば10nF)となっていることに注意
されたい。
【0020】抵抗器R1、R0およびR2(例えば、R1
2=511ΩおよびR0=750Ω)と、抵抗器R0
並列な抵抗器R4およびR5(例えば、R4=R5=10K
Ω)とを有するダブルブリッジを介して、電源V(例え
ばV=5V)からターミナルB2に給電される。R
4は、サーモパイル1内に内蔵された可変抵抗器であ
る。
【0021】差動増幅器AMPは、ゼロオフセットが1
0マイクロVよりも低く、コモンモードのリジェクショ
ン率が、130dBよりも大であることが好ましい。抵
抗器に関し、10%精度のクラスの製品を使用すること
が望ましい。
【0022】(R12、C3)によるフィルタリングの後
に、増幅器AMPの出力端Sで利用できる電圧U1は、
第1近似で測定するべき対象温度Tobjに比例し、サー
モパイル1のケーシング2の温度Tthに逆比例する。
【0023】電圧U2は、第1近似にてセンサ1のハウ
ジング2の温度Tth に比例し、Tt h=K42とする
(これはセンサ1のハウジング2に熱接触するサーミス
タTHMが存在していることによる)。
【0024】次のようにして、精密計算を実行できる。
【0025】電圧U1、は次の2つの物理的現象aとb
との間の熱平衡を示す。a−次のプランクの法則により
IRフィルタを介して、センサの外部で発生し、受け取
られるエネルギー。
【0026】
【数7】
【0027】ここで、λminおよびλmaxは、それ
ぞれの赤外線フィルタIRの波長の項における下限およ
び上限、g(λ)は、λminとλmaxとの間のセン
サの応答、C1およびC2は、プランクの定数、K1は、
定数である。b−外界との放射線による交換(放射線に
よる損失、最適感度)。
【0028】エネルギーは、次のように、ハウジング2
の温度Tth とサーモパイル要素の温度Tgrとの差に比
例する。
【0029】
【数8】
【0030】平衡時に、サーモパイルによって与えられ
る電圧は、次の値と等しくなる。
【0031】
【数9】
【0032】ここで、K3は定数である。
【0033】対象温度Tobjは、上記式から計算によっ
て得られる。
【0034】この結果は、例えばリードオンリーメモリ
またはフラッシュメモリ内に値のテーブルとして記憶さ
れる電圧U1および電圧U2(またはTth)の関数とし
て、T objを示す二次元マップ(図3および図4参照)
に従ってメモリ内に記憶できる。図4では、U1は、1.
49V〜3.35Vの間で変化するU2の値に対するTob
jの関数として示されている。
【0035】更にサーモパイルアセンブリの間のバラツ
キを低減させるために、ゼロオフセットおよび利得の補
償を考慮することも可能である。このために、製造中の
サーモパイル1の較正時に、利得オフセット係数Aおよ
びゼロオフセット係数Bをメモリに記憶させる。
【0036】従って、Aは、求める公称利得A0を求め
直すために適用すべき乗算係数に対応する(図5参
照)。補正される温度は、つぎの式で求められる。
【数10】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施するためのブロック図である。
【図2】本発明の好ましい実施例を示す。
【図3】U1およびU2を関数とするTobjを示すマップ
を示す。
【図4】図3のマップの一例を示す。
【図5】温度測定に対する利得補償およびゼロオフセッ
ト補償を示す。
【符号の説明】
1 サーモパイルアセンブリ 2 ハウジング B1、B2 ターミナル THP 部品 THM サーミスタ AMP 差動増幅器 F マイクロプロセッサ C 計算モジュール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F075 EE05 EE16 EE17 2G066 BA08 BB11 BC11 BC15 CA15

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 サーモパイルとサーミスタとを備え、セ
    ンサハウジング内に配置されたサーモパイルアセンブリ
    の熱補償を利用する測定方法であって、 a)測定するべき対象温度Tobjと、センサハウジング
    の温度Tthと、センサハウジングの温度Tthに比例する
    第2サーミスタ電圧U2の関数である第1サーモパイル
    電圧U1を発生させ、 b)第1電圧U1および第2電圧U2をアナログ−デジタ
    ル変換し、 c)前記デジタル化された電圧U1およびU2に基づい
    て、対象温度Tobjを計算することからなり、 前記対象温度Tobj を、 【数1】 (ここで、K3は、定数であり、 C1、C2は、プランクの法則の定数、 λは、電磁放射線の波長、 λmin、λmaxは、センサの赤外線フィルタの下限
    および上限である)によって得ることを特徴とする測定
    方法。
  2. 【請求項2】二次元マップに従って、U1およびU2の値
    に対応するTobjの値を有する値のテーブルからTobj
    得ることを特徴とする、請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 【数2】 (ここで、AおよびBは、製造中のサーモパイルアセン
    ブリの較正時にメモリに記憶された利得補正項およびゼ
    ロシフト補正項に対応する)に従って、Tobjから補正
    された値T’objを決定するように、公差の補償を利用
    することを特徴とする、請求項1または2記載の方法。
  4. 【請求項4】−出力として、前記第1電圧U1および前
    記第2電圧U2を供給するように、サーモパイルアセン
    ブリの2つのターミナルに入力端が接続された電子回路
    (CIRC)と、 −前記第1電圧U1および第2電圧U2と対象温度Tobj
    との関係をメモリに記憶するマイクロプロセッサ(F)
    とを備えることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか
    に記載の方法を実施するための装置。
  5. 【請求項5】 【数3】 (ここで、AおよびBは、製造中のサーモパイルアセン
    ブリの較正時にメモリに記憶された利得補正項およびゼ
    ロシフト補正項に対応する)に従って対象温度Tobj
    基づき、補正された値T’objを決定するための公差補
    償モジュール(C)をも、前記マイクロプロセッサが含
    むことを特徴とする、請求項4記載の装置。
  6. 【請求項6】−前記サーモパイル(THP)に関連した
    サーミスタ(THM)の一方のターミナル(B2)に結
    合されており、前記第2電圧U2を発生する前記サーモ
    パイルアセンブリの一方のターミナルにバイアスをかけ
    るための分圧ブリッジと、 −前記サーモパイルアセンブリの前記ターミナルにおけ
    る電圧を増幅し、前記第1電圧U1を出力電圧として発
    生するための差動増幅器(AMP)とを含むことを特徴
    とする、請求項4または5に記載の装置。
JP2001385759A 2000-12-19 2001-12-19 サーモパイルの熱補償を利用した測定方法、およびこの方法を実施するための装置 Pending JP2002303552A (ja)

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