JP2005055323A - 非接触温度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アナログ処理による簡単な制御で、大きな周囲温度範囲において、高い測定精度で使用することの出来る非接触温度検出装置を提供する。
【解決手段】対象物の赤外線放射を検出するサーモパイルと、その周囲温度を検出するサーミスタと、サーモパイルの出力を増幅する校正可能な第一オペアンプ、サーミスタの出力を増幅する第二オペアンプとを備え、第二オペアンプの出力がサーモパイルの動作基準電位として第一オペアンプに入力されることを特徴とし、第一オペアンプの出力が周囲温度変化に対して一定になるように第一オペアンプの出力ゲインを設定し、周囲温度変化に対して影響されないアナログ出力を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度制御を目的として非接触で温度計測を行う非接触温度検出装置に関するものである。

非接触で温度検出を行う赤外線センサとしてサーモパイルが知られている。

図２はサーモパイルを使用した非接触温度検出装置の構成を示すブロック図である。
対象物体の赤外線放射を検出する手段としてサーモパイル１、その近傍にサーモパイルの周囲温度を検出する手段としてサーミスタ２がＴＯ−５型、或いはＴＯ−１８型パッケージに内蔵された赤外線センサーを使用し、サーモパイル・サーミスタそれぞれの信号をオペアンプ３、４にて増幅し、ＣＰＵ１０へ導き、ＣＰＵで温度算出するようになっている。

対象物体温度とサーモパイルの周囲温度には次の（１）式に示した関係がある。
Ｖｏｕｔ＝Ａ（Ｔｏ＾４−Ｔａ＾４）＋Ｖｒｅｆ ・・・（１）
Ｖｏｕｔ：サーモパイルの出力電圧（Ｖ）
Ｖｒｅｆ：基準電位（Ｖ）
Ａ：比例定数
Ｔｏ：対象物体温度（Ｋ）
Ｔａ：サーモパイル周囲温度（Ｋ）

図３にサーモパイルを使用した非接触温度検出装置の回路図の一例を示す。
サーモパイルは対象物体温度Ｔｏと周囲温度Ｔａの温度差により起電力を示す性質を持つため、周囲温度より低い対象温度を検出した場合、負の起電力を示すことになる。そのため、動作基準となる電位Ｖｒｅｆを０（Ｖ）より高くしておくのが一般的であり、図３のようにツェナーダイオード５や三端子レギュレータによりサーモパイルの負極性端子へ安定した電圧が印加される。

また、サーモパイル周囲温度Ｔａ（Ｋ）を検出する手段としてサーミスタ２は、サーモパイル１と同一のパッケージに内蔵され、サーモパイルの冷接点近傍に配置される。周囲温度とサーミスタ抵抗値には次の（２）式に示す関係がある。
Ｒ１＝Ｒ２ｅｘｐ（Ｂ（１／Ｔ１−１／Ｔ２）） ・・・（２）
Ｔ１，Ｔ２：絶対温度（Ｋ）
Ｒ１，Ｒ２：Ｔ１，Ｔ２時の抵抗値
Ｂ：Ｂ定数（Ｋ）

サーミスタ抵抗値の周囲温度による変化を電圧出力として検出するため、例えば図３に示すように、サーミスタ２と負荷抵抗Ｒｌを基準電位とグランドの間に直列接続し、サーミスタ２と負荷抵抗Ｒｌ接続点の電位変化を検出する方法が用いられる。
そして、サーモパイル出力、サーミスタ出力をそれぞれ独立してＣＰＵへ導き、サーミスタ出力から算出される周囲温度Ｔａとサーモパイル出力Ｖｏｕｔから対象物体温度Ｔｏの算出を行っている。
特願２００１−２７７６８号

解決しようとする問題点は、上記の従来方式ではサーミスタ出力から算出される周囲温度Ｔａが温度検出における基準となる温度パラメータとなり、対象温度Ｔｏとサーミスタ出力Ｖｎｔｃから算出される周囲温度Ｔａの温度差をサーモパイルにより検出しているため、精度の高い温度制御を行うためには、各環境温度におけるサーミスタ出力のデータを精度良く蓄積する必要があり、ＣＰＵに記憶させるデータ量の増加が制御精度の向上に必要となる点である。

本発明は、サーモパイル出力の周囲温度変化の影響をなくすため、第二オペアンプにより増幅されたサーミスタ出力をサーモパイルの動作基準電位としてサーモパイルの負極性端子へ入力し、非接触温度検出装置のアナログ出力Ｖｏｕｔを次に示す（３）式の形とすることで、第一オペアンプのゲインを調整することにより（３）式より周囲温度Ｔａの項をキャンセルし、周囲温度変化に影響しないアナログ出力を得ることを特徴とする。

Ｖｏｕｔ＝Ａ（Ｔｏ＾４−Ｔａ＾４）＋Ｖｎｔｃ ・・・（３）
Ｖｏｕｔ：本発明による非接触温度検出装置の出力（Ｖ）
Ｖｎｔｃ：第二オペアンプ４の出力（Ｖ）
Ａ：比例定数
Ｔｏ：対象物体温度（Ｋ）
Ｔａ：周囲温度（Ｋ）

本発明による非接触温度検出装置は、周囲温度に影響しないアナログ信号を出力するため、従来の方式のようなＣＰＵでの周囲温度による補正は必要とせず、容易な信号処理により温度制御を行うことが可能になり、従来に比べＣＰＵへの負荷を減少することが可能となる。また、加熱機能のスイッチングにより温度制御を行う目的に対しては、ＣＰＵを使用せずとも、簡単なコンパレータ回路を使用し、加熱開始温度に対応するアナログ出力下限値及び加熱上限温度に対応するアナログ出力上限値を設定することで、加熱機能のスイッチングを行うことも可能となる。

周囲温度に影響されない非接触温度検出装置の回路構成を最小限の構成部品にて実現した。

まず、図１を参照して本発明による非接触温度検出装置の基本となる技術思想について説明する。１は対象温度と周囲温度の温度差を検出するサーモパイル、２は周囲温度の変化に応じて抵抗値を変化するサーミスタ、３はサーモパイル出力の増幅を行う第一オペアンプ、４はサーミスタの抵抗変化を電圧変化に変換し出力する第二オペアンプであり、第二オペアンプ４の出力Ｖｎｔｃがサーモパイル１の負極性端子と接続され、サーモパイルの動作基準電位となり第一オペアンプ３のゲイン調整用可変抵抗６を介し第一オペアンプ３に入力される。第一オペアンプ３のゲインは帰還抵抗７と可変抵抗６により決定し、本発明による非接触温度検出装置の出力Ｖｏｕｔは上記に示した（３）式により決定する。

ここで、サーミスタ出力Ｖｎｔｃは周囲温度Ｔａのみに依存する形となるため、上記（３）式は下記（４）式のように表現することが可能であり、第一オペアンプの可変抵抗６を調整することで、下記（４）式から周囲温度Ｔａの項がキャンセルされる状態、つまり下記（５）式を満たすように可変抵抗６の調整を行うことで、周囲温度Ｔａの変化に依存しないアナログ出力を示す非接触温度検出装置を実現することが可能である。

Ｖｏｕｔ＝Ａ（Ｔｏ＾４−Ｔａ＾４）＋Ｂ（ｆ（Ｔａ）） ・・・（４）
Ｂ：比例定数
ｆ（Ｔａ）：周囲温度Ｔａの関数

−Ａ（Ｔａ＾４）＋Ｂ（ｆ（Ｔａ））＝ｃ ・・・（５）
ｃ：定数

図４はサーモパイル出力Ｖｔｐとサーミスタ出力Ｖｎｔｃの温度特性を示す図である。横軸は周囲温度、縦軸は出力電圧である。この図から分かるように、サーモパイル出力は周囲温度の上昇に伴い下降し、サーミスタ出力Ｖｎｔｃは上昇する。本発明によるアナログ出力ＶｏｕｔはＶｔｐとＶｎｔｃの和（Ｖｔｐ＋Ｖｎｔｃ）となり、これが一定になるように第一オペアンプのゲイン調整を行うことで、周囲温度に影響されないアナログ出力を取り出すことが可能となる。

図５に本発明による非接触温度検出装置において、対象温度Ｔｏを１０℃から６０℃、周囲温度Ｔａを１０℃から５０℃と変化させたときのアナログ出力Ｖｏｕｔの特性を示す。これにより、対象温度Ｔｏが一定で、周囲温度Ｔａが変化した場合においても、安定したアナログ出力Ｖｏｕｔが得られることを確認した。

また、図１に示す本発明による非接触温度検出装置において、サーミスタ２の抵抗値変化により第二オペアンプのゲインを変化する方式によりサーミスタ出力を取り出しているが、上記に示した図３に示すような直列接続されたサーミスタと負荷抵抗により分圧された基準電位をサーミスタ出力として第一オペアンプに入力する場合においても、図６に示すような回路構成を行い、上記と同様に可変抵抗６の調整を行うことで実現可能である。

本発明による非接触温度検出器のセンサ回路を示す回路図である。 従来の非接触温度検出装置の構成を示すブロック図である。 従来の非接触温度検出装置のセンサ回路を示す回路図である。 本発明の実施形態に係わるサーモパイル出力、サーミスタ出力の特性を示す図である。 本発明による非接触温度検出装置の特性を示す図である。 本発明による非接触温度検出装置のサーミスタ出力回路の他の例を示す回路図である。

符号の説明

１ サーモパイル
２ サーミスタ
３ 第一のオペアンプ
４ 第二のオペアンプ
５ ツェナーダイオード
６ 可変抵抗
７ 第一のオペアンプにかかる帰還抵抗
８ 第二のオペアンプにかかる入力抵抗
９ 第二のオペアンプにかかる帰還抵抗
１０ ＣＰＵ
Ｃ コンデンサ

Claims (5)

1. 非接触温度計測に用いるセンサーモジュールで、センサー素子として対象物体の赤外線放射を検知するサーモパイルと、サーモパイルの冷接点近傍に周囲温度を検出する温度基準素子が配置され、校正可能な第一オペアンプがサーモパイルの信号出力を増幅し、第二オペアンプが温度基準素子の信号出力を増幅し、かつ第二オペアンプの出力が第一オペアンプの入力端子に接続され、サーモパイルの動作基準となる電位を供給することを特徴とするセンサーモジュール。
2. サーモパイル及び温度基準素子が同一のケーシング内に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサーモジュール。
3. サーモパイル及び温度基準素子を配置したケーシングに赤外線フィルタが配置された赤外線透過窓を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のセンサーモジュール。
4. 赤外線透過材として光学レンズを赤外線窓部に有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のセンサーモジュール。
5. 温度基準素子がサーミスタであることを特徴とする、請求項１から請求項４までの何れか１項に記載されたセンサーモジュール。

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