JP2005300195A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フライングキャパシタの電圧測定の際、オンする２つの半導体スイッチのオン時間のズレや、コモンモード電圧の影響を受けることなくフライングキャパシタの電圧測定を正確に行うことのできる測定装置を提供する。
【解決手段】 熱電対ＴＵ１と、この熱電対ＴＵ１に接続された半導体スイッチＳＷ１と、この半導体スイッチＳＷ１に接続された半導体スイッチＳＷ２と、熱電対ＴＵ１に接続された半導体スイッチＳＷ３と、この半導体スイッチＳＷ３に接続された半導体スイッチＳＷ４と、半導体スイッチＳＷ１,ＳＷ２の接続中間点と半導体スイッチＳＷ３,ＳＷ４の接続中間点との間に接続されるとともに直列接続されたフライングキャパシタＣＦ１,ＣＦ２とを備え、フライングキャパシタＣＦ１,ＣＦ２の接続中間点を半導体スイッチＳＷ５を介して接地し、半導体スイッチＳＷ２の出力電圧と、半導体スイッチＳＷ４の出力電圧との差を検出する差動電圧検出回路１２を設けた。
【選択図】 図１

Description

この発明は、フライングキャパシタと半導体スイッチとを備えた測定装置に関する。

従来から、複数の熱電対によって各測定点の温度を検出する温度測定装置が知られている（特許文献１参照）。

かかる温度測定装置は、各熱電対に半導体スイッチをそれぞれ接続し、それぞれの半導体スイッチをオンオフ制御することにより、各熱電対から出力される電圧を順番に取り出して、各測定点の温度測定を１つの測定部で行うようになっている。

しかしながら、このような温度測定装置では、１つの測定部だけしか備えていないことにより各測定点の温度測定を同時に行うことができないという問題があった。

そこで、図３に示すようにフライングキャパシタＣ１,Ｃ２を使用して各測定点の温度測定を同時に行えるようにした温度測定装置が提案されている。

この温度測定装置は、半導体スイッチＳ１,Ｓ３,Ｓ１′,Ｓ３′をオンし、熱電対Ｔ１,Ｔ２から出力される電圧をフライングキャパシタＣ１,Ｃ２に印加させて充電させる。この後、半導体スイッチＳ１,Ｓ３,Ｓ１′,Ｓ３′をオフし、半導体スイッチＳ２,Ｓ４をオンして熱電対Ｔ１によって測定した温度を図示しない測定部によって求める。

次に、半導体スイッチＳ２,Ｓ４をオフし、半導体スイッチＳ２′,Ｓ４′をオンして熱電対Ｔ２によって測定した温度を図示しない測定部によって求める。このようにすることにより、複数の測定点を同時に測定することができる。
特開平８−１４４８３７号公報

しかしながら、このような温度測定装置にあっては、測定電圧Ｖnに商用周波数帯等のコモンモード電圧Ｖc（不要電圧）が重畳する。このため、半導体スイッチＳ１,Ｓ３がオンするとフライングキャパシタＣ１に測定電圧Ｖnがサンプリングされると同時に、半導体スイッチＳ２,Ｓ４の浮遊容量Ｃf2,Ｃf4がコモンモード電圧Ｖcにより充電される。

そして、半導体スイッチＳ１,Ｓ３がオフした後、半導体スイッチＳ２,Ｓ４がオンするが、完全に同時に半導体スイッチＳ２,Ｓ４がオンすることは不可能であり、約０.１m秒の時間のズレが生じる。このため、例えば半導体スイッチＳ４がオンした後に半導体スイッチＳ２がオンすると、半導体スイッチＳ４のオンと同時に浮遊容量Ｃf2に充電された電荷がフライングキャパシタＣ１に流れ込むため、下記の式に示す電圧Ｖ′がフライングキャパシタＣ１のサンプリング電圧に影響を与える。

Ｖ′＝Ｖc×Ｃf2／（Ｃf2＋Ｃ１）
ただし、Ｖcは浮遊容量Ｃf2の電圧
浮遊容量Ｃf2は５PＦ程度であり、Ｃ１は１μＦなので、フライングキャパシタＣ１への影響は１／２０００００に圧縮されるが、コモンモード電圧Ｖcが数１０Ｖであるため、μＶのオーダの計測への影響は大きなものとなる。

さらに、フライングキャパシタＣ１の電圧測定の際、半導体スイッチＳ１,Ｓ３をオフにして半導体スイッチＳ２,Ｓ４をオンにするため、半導体スイッチＳ３の浮遊容量Ｃf3を介してコモンモード電圧ＶcによりラインＬに矢印で示すように電流ＩＧが流れる。この電流ＩＧによって、ラインＬが抵抗を有していることによりラインＬに電圧が発生し、この電圧が測定電圧に重畳する。このため、正確な測定を行うことができないという問題があった。

この発明の目的は、フライングキャパシタの電圧測定の際、オンする２つの半導体スイッチのオン時間のズレや、コモンモード電圧の影響を受けることなくフライングキャパシタの電圧測定を正確に行うことのできる測定装置を提供することにある。

請求項１の発明は、センサと、このセンサの一方の出力端子に接続された第１半導体スイッチと、この第１半導体スイッチに接続された第２半導体スイッチと、前記センサの他方の出力端子に接続された第３半導体スイッチと、この第３半導体スイッチに接続された第４半導体スイッチと、第１,第２半導体スイッチの接続中間点と第３,第４半導体スイッチの接続中間点との間に接続されるとともに直列接続された第１,第２フライングキャパシタとを備えた測定装置であって、
前記第１,第２フライングキャパシタの接続中間点を第５半導体スイッチを介して接地し、
前記第２半導体スイッチの出力電圧と、前記第４半導体スイッチの出力電圧との差を検出する差動電圧検出回路を設けたことを特徴とする。

請求項２の発明は、センサと、このセンサの一方の出力端子に接続された第１半導体スイッチと、この第１半導体スイッチに接続された第２半導体スイッチと、前記センサの他方の出力端子に接続された第３半導体スイッチと、この第３半導体スイッチに接続された第４半導体スイッチと、第１,第２半導体スイッチの接続中間点と第３,第４半導体スイッチの接続中間点との間に接続され且つ直列接続された第１,第２フライングキャパシタとの組み合わせを複数備えた測定装置であって、
各第１,第２フライングキャパシタの接続中間点を第５半導体スイッチを介してそれぞれ接地し、
各第２半導体スイッチの出力電圧と、各第４半導体スイッチの出力電圧との差をそれぞれ検出する１つの差動電圧検出回路を設けたことを特徴とする。

この発明によれば、フライングキャパシタの電圧測定の際にオンする２つの半導体スイッチのオン時間にズレがあっても正確な測定を行うことができる。また、コモンモード電圧の影響を受けることなくフライングキャパシタの電圧測定を正確に行うことができる。

以下、この発明に係る測定装置の１つである多点温度測定装置の実施例を図面に基づいて説明する。

図１は多点温度測定装置１０の構成を示した回路図である。この多点温度測定装置１０は、各測定点の温度を測定する複数の測定回路１１Ａ,１１Ｂ…と、各測定回路１１Ａ,１１Ｂ…から出力される電圧の差を検出する差動電圧検出回路１２と、半導体スイッチ１３と、差動電圧検出回路１２が出力する出力電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１４と、Ａ／Ｄ変換器１４から出力されるデジタル信号に基づいて各測定点の温度を算出する測定制御部２０等とを備えている。

測定回路１１Ａは、所定の測定点の温度を検出する熱電対（センサ）ＴＵ１と、この熱電対ＴＵ１の一方の端子に接続された半導体スイッチ（第１半導体スイッチ）ＳＷ１と、この半導体スイッチＳＷ１に直列接続された半導体スイッチ（第２半導体スイッチ）ＳＷ２と、熱電対ＴＵ１の他方の端子に接続された半導体スイッチ（第３半導体スイッチ）ＳＷ３と、この半導体スイッチＳＷ３に直列接続された半導体スイッチ（第４半導体スイッチ）ＳＷ４と、直列接続されたフライングキャパシタ（第１,第２フライングキャパシタ）ＣＦ１,ＣＦ２と、フライングキャパシタＣＦ１,ＣＦ２の接続中間点に接続された半導体スイッチＳＷ５とを備えている。

直列接続された第１,第２フライングキャパシタＣＦ１,ＣＦ２は、半導体スイッチＳＷ１,ＳＷ２の接続中間点と半導体スイッチＳＷ３,ＳＷ４の接続中間点との間に接続されており、半導体スイッチＳＷ５は接地され、この半導体スイッチＳＷ５を介してフライングキャパシタＣＦ１,ＣＦ２の接続中間点が接地されている。また、第１,第２フライングキャパシタＣＦ１,ＣＦ２の容量は同一となっている。

また、半導体スイッチＳＷ２と差動電圧検出回路１２の入力端子（非反転入力端子）１２ａとを接続するラインＬ１と、半導体スイッチＳＷ４と差動電圧検出回路１２の入力端子（反転入力端子）１２ｂとを接続するラインＬ２とが半導体スイッチ１３を介して接地されている。

測定制御部２０は、ＣＰＵ等から構成され、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ５,１３や測定回路Ｂ…の各半導体スイッチのオン・オフを制御するようになっている。

測定回路Ｂは、測定回路Ａと同様な構成となっているので、その説明は省略する。

なお、半導体スイッチＳＷ１,ＳＷ３,ＳＷ１′,ＳＷ３′…は１つのマルチプレクサで構成し、半導体スイッチＳＷ２,ＳＷ４,ＳＷ５,ＳＷ２′,ＳＷ４′,ＳＷ５′…は１つのマルチプレクサで構成してもよい。
［動 作］
次に、上記のように構成される多点温度測定装置１０の動作を図２に示すタイムチャートを参照しながら説明する。

先ず、測定制御部２０の制御により、測定回路１１Ａの半導体スイッチＳＷ１,ＳＷ３および半導体スイッチ１３がオンし、半導体スイッチＳＷ２,ＳＷ４がオフする（時点ｔ１）。

半導体スイッチＳＷ１,ＳＷ３のオンにより、フライングキャパシタＣＦ１,ＣＦ２の両端に測定電圧Ｖｎがチャージされる。これと同時にコモンモード電圧Ｖcにより半導体スイッチＳＷ２,ＳＷ４,ＳＷ５の浮遊容量Ｃf2,Ｃf4,Ｃf5はチャージされる。

浮遊容量Ｃf2,Ｃf4にチャージされる電荷は、浮遊容量Ｃf2,Ｃf4が等しいことによりコモンモード電圧Ｖc分について等しい量となる。また、浮遊容量Ｃf2には測定電圧Ｖｎ分もチャージされる。

次に、半導体スイッチＳＷ１,ＳＷ３,１３がオフして（時点ｔ２）、サンプリングが終了すると、この終了時点までチャージされた各電荷量がフライングキャパシタＣＦ１,ＣＦ２や浮遊容量Ｃf2,Ｃf4,Ｃf5に保持される。

そして、半導体スイッチＳＷ５がオンする（時点ｔ３）。この半導体スイッチＳＷ５のオンにより、浮遊容量Ｃf2,Ｃf4にチャージされた電荷が放電されてフライングキャパシタＣＦ１,ＣＦ２に充電される。

浮遊容量Ｃf2,Ｃf4の電荷の放電は矢印Ｐ１,Ｐ２で示す方向に同時に行われ、しかも浮遊容量Ｃf2,Ｃf4が等しいことにより、コモンモード電圧Ｖcによる測定電圧Ｖｎへの影響は相殺されることになる。

半導体スイッチＳＷ５がオンした後（時点ｔ４）、半導体スイッチＳＷ２,ＳＷ４がオンされる。この半導体スイッチＳＷ２,ＳＷ４のオンにより、フライングキャパシタＣＦ１,ＣＦ２の電圧Ｖａ,Ｖｂが差動電圧検出回路１２の入力端子１２ａ,１２ｂに入力される。そして、差動電圧検出回路１２は入力端子１２ａ,１２ｂの入力電圧の差に応じた電圧を出力する。

そして、半導体スイッチＳＷ２,ＳＷ４がオンする時間がズレていても、半導体スイッチＳＷ５のオンによってコモンモード電圧Ｖcによる測定電圧Ｖｎへの影響は相殺されていることにより、差動電圧検出回路１２の出力はコモンモード電圧Ｖcによる影響を受けないことになる。

また、差動電圧検出回路１２は、フライングキャパシタＣＦ１,ＣＦ２の接続中点を基準にしたＶａ−Ｖｂの電圧差に応じた電圧を出力する。すなわち、測定電圧Ｖｎに応じた出力電圧Ｖｊが差動電圧検出回路１２から出力され、この出力電圧Ｖｊはコモンモード電圧Ｖcの影響を受けていない。

Ａ／Ｄ変換器１４は、その出力電圧Ｖｊをデジタル量Ｄｊに変換し、測定制御部２０がそのデジタル量Ｄｊに基づいて、熱電対ＴＵ１によって測定した測定点の温度を演算して求める。

ところで、半導体スイッチＳＷ５がオンしたとき、浮遊容量Ｃf4に蓄えられた電荷量のフライングキャパシタＣＦ２への影響をΔＶcとすると、浮遊容量Ｃf2に蓄えられた電荷量のフライングキャパシタＣＦ１への影響は、ΔＶc＋ΔＶｎで表され、上述のように、測定電圧Ｖｎへのコモンモード電圧の影響は相殺されることになる。

Ｖｎによる影響は、Ｃf2／ＣＦ１＝１／４０００００となり（ＣＦ１,ＣＦ２＝２μＦ、Ｃf1,Ｃf2＝５ｐＦ）、フライングキャパシタＣＦ１,ＣＦ２の電圧（Ｖａ−Ｖｂ＝Ｖf）は、Ｖf＝Ｖｎ（１＋１／４０００００）となる。この値ＶfはＶｎに比例するものであり、１》１／４０００００であることにより、ＡＤ変換時にＶｎ／４０００００の値はデジタル値として現れない。すなわち、ＡＤ変換時にゲイン補正されることになる。

また、半導体スイッチＳＷ５がオンした以後において、コモンモード電圧ＶｃがフライングキャパシタＣＦ１,ＣＦ２にそれぞれ与える電圧の影響の大きさは、フライングキャパシタＣＦ１,ＣＦ２の接続中点を基準にして、熱電対ＴＵ１からその接続中点までの２つ回路が同一回路構成となっていることにより、同じ大きさの電圧値となる。このため、差動電圧検出回路１２によりコモンモード電圧Ｖｃの影響は除去される。

上述のように、半導体スイッチＳＷ２,ＳＷ４のオン時間のズレによって、コモンモード電圧の影響を受けることなくフライングキャパシタの電圧測定を正確に行うことができる。また、半導体スイッチＳＷ２,ＳＷ４がオンしているとき、半導体スイッチＳＷ５がオンしているので、差動電圧検出回路１２によりコモンモード電圧Ｖｃの影響が除去される。このため、さらにフライングキャパシタの電圧測定を正確に行うことができる。

多点温度の測定を行う場合、測定回路１１Ａの半導体スイッチＳＷ１,ＳＷ３のオンと同時に、各測定回路１１Ｂ…の半導体スイッチＳＷ１′,ＳＷ３′をオンし、測定回路１１Ａの半導体スイッチＳＷ１,ＳＷ３のオフと同時に、各測定回路１１Ｂ…の半導体スイッチＳＷ１′,ＳＷ３′をオフする。

この後、測定回路１１Ａの測定終了後に、すなわち、測定回路１１Ａの半導体スイッチＳＷ２,ＳＷ４,ＳＷ５をオフした後（時点ｔ５）、測定回路１１Ａの半導体スイッチＳＷ２,ＳＷ４,ＳＷ５のオンと同様にして測定回路１１Ｂの半導体スイッチＳＷ２′,ＳＷ４′,ＳＷ５′をオンして、測定回路１１Ｂの熱電対ＴＵ２によって測定した測定点の温度を演算制御部１２が演算して求める。

この測定回路１１Ｂによって測定した測定点の温度を求めたら、上記と同様にして各測定点の温度を求めていく。

上記実施例では、多点温度測定装置について説明したが、１点の温度測定を行う温度測定装置であってもよく、また、温度以外の他のものを測定する測定装置であってもよい。

この発明に係る多点温度測定装置の構成を示した回路図である。 図１の多点温度測定装置の動作を示したタイムチャートである。 従来の多点温度測定装置の構成を示した回路図である。

符号の説明

１０ 多点温度測定装置
１２ 差動電圧検出回路
ＴＵ１ 熱電対（センサ）
ＴＵ２ 熱電対（センサ）
ＳＷ１ 半導体スイッチ
ＳＷ２ 半導体スイッチ
ＳＷ３ 半導体スイッチ
ＳＷ４ 半導体スイッチ
ＳＷ５ 半導体スイッチ
ＣＦ１ フライングキャパシタ
ＣＦ２ フライングキャパシタ

Claims (3)

1. センサと、このセンサの一方の出力端子に接続された第１半導体スイッチと、この第１半導体スイッチに接続された第２半導体スイッチと、前記センサの他方の出力端子に接続された第３半導体スイッチと、この第３半導体スイッチに接続された第４半導体スイッチと、第１,第２半導体スイッチの接続中間点と第３,第４半導体スイッチの接続中間点との間に接続されるとともに直列接続された第１,第２フライングキャパシタとを備えた測定装置であって、
   前記第１,第２フライングキャパシタの接続中間点を第５半導体スイッチを介して接地し、
   前記第２半導体スイッチの出力電圧と、前記第４半導体スイッチの出力電圧との差を検出する差動電圧検出回路を設けたことを特徴とする測定装置。
2. センサと、このセンサの一方の出力端子に接続された第１半導体スイッチと、この第１半導体スイッチに接続された第２半導体スイッチと、前記センサの他方の出力端子に接続された第３半導体スイッチと、この第３半導体スイッチに接続された第４半導体スイッチと、第１,第２半導体スイッチの接続中間点と第３,第４半導体スイッチの接続中間点との間に接続され且つ直列接続された第１,第２フライングキャパシタとの組み合わせを複数備えた測定装置であって、
   各第１,第２フライングキャパシタの接続中間点を第５半導体スイッチを介してそれぞれ接地し、
   各第２半導体スイッチの出力電圧と、各第４半導体スイッチの出力電圧との差をそれぞれ検出する１つの差動電圧検出回路を設けたことを特徴とする測定装置。
3. 前記センサは熱電対であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の測定装置。

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