JP2010032299A

JP2010032299A - 流量計における温度計測回路

Info

Publication number: JP2010032299A
Application number: JP2008193343A
Authority: JP
Inventors: Hideki Shimada; 英樹嶋田
Original assignee: Oval Corp
Current assignee: Oval Corp
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2010-02-12
Anticipated expiration: 2028-07-28
Also published as: EP2306168B1; CN101828100A; JP4274385B1; US8051708B2; KR20100035138A; EP2306168A4; CN101828100B; TWI382163B; US20100326185A1; EP2306168A1; KR101057555B1; TW201005272A; WO2010013360A1

Abstract

【課題】部品点数を少なくし、また、部品の個体差や温度による部品の特性変化の影響を受け難くすることが可能な、流量計における温度計測回路を提供する。
【解決手段】第二の電線２６及び第三の電線２７間が導通状態における分圧電圧に基づく電圧比と基準抵抗との積で求められる抵抗値から、非導通状態における分圧電圧に基づく電圧比と基準抵抗との積で求められる抵抗値を減算して線間抵抗２４を求める。線間抵抗２４が得られることにより、温度に係る補償された抵抗値を求めることができるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流量計における温度計測回路に関する。

コリオリ流量計は、被測定流体が流れる測定管を両端で支持し、この支持された測定管の中央部を支持線に対して直角な方向に交番駆動した時に、測定管の両端支持部と中央部との間の対称位置に質量流量に比例した位相差信号を検出する質量流量計である。測定管は、温度と共に変化するヤング率を持つ金属材料によって形成されている。従って、高い測定精度を維持するためには、測定管の温度を測定して温度の変化に伴うヤング率の変化に対して補償をする必要がある。

以下、従来の温度計測の一例を挙げて説明する。従来の温度計測は、図６に示す如く、抵抗ブリッジを用いてブリッジ電圧を減算回路に入力し、この出力電圧をＶ／Ｆコンバータに入力し、そして周波数に変換してＣＰＵにて抵抗換算することにより温度が求められるようになっている。図中の引用符号１は抵抗型温度センサとしての白金測温抵抗体（ＰＴ１００：１００Ω）を示している。また、引用符号２は抵抗ブリッジ部、引用符号３は線間抵抗（ＲＣ）を有する電線、引用符号４は電圧基準（ＶＣＣ）、引用符号５は基準抵抗（Ｒｒｅｆ：１００Ω）、引用符号６はＶ／Ｆコンバータ、引用符号７はＣＰＵを示している。

Ｖ／Ｆコンバータ６は、例えばこの周波数出力が以下の式で表されるようになっている。

Ｖ／Ｆコンバータ６は、上記式から分かるように、抵抗とコンデンサとの比で周波数出力が決まるため、抵抗及びコンデンサの温度特性が非常に重要になっている。特に、コンデンサは抵抗に比べて温度特性が悪いため、回路の周囲温度が変化するたびに周波数出力が影響を受けてしまい、正確な温度計測ができない場合があるという問題点を有している。

白金測温抵抗体１のブリッジ電圧をＶ１、基準抵抗５のブリッジ電圧をＶ２、抵抗ブリッジ部２の出力電圧をＶ３とし、上記構成で温度を求めようとすると、Ｖ１〜Ｖ３は次のような式で表されるようになっている。

上記式から分かるように、抵抗ブリッジ部２の出力電圧Ｖ３は、最低でも６個の抵抗の比で決まるようになっている。ここで問題となることは、一つひとつの抵抗の温度特性は非常によいことが分かっているが、６個の抵抗の温度特性が同時に出力電圧Ｖ３に影響してしまうことである。これは正確な温度計測を行う上で非常に問題となることである。

従来の温度計測に係る回路の問題点を以下に幾つか挙げることにする。

一つ目の問題点としては、回路の温度特性が良くないということである。これは、基準抵抗５以外の部品が周囲温度などの影響によって変化すると、大きな計測誤差の要因となってしまうからである。また、後段に使うＶ／Ｆコンバータ６が特に周囲の温度に対して温度特性の変化が大きくなる場合、コリオリ流量計の変換器における通電後の自己発熱の影響で計測温度が大幅に変わってしまうからである。

二つ目の問題点としては、部品点数が多いために回路の個体差が大きくなってしまうということである。これは、一つひとつの部品の変化が回路の性能に直接影響してしまうためである（個体差が大きく回路の性能もまちまちで、個体差によるバラツキを見逃すことができない）。この他、回路は、個体差を調節するためのキャリブレーションなどに注意をしなければならないという副次的難点を併せ持っている。

三つ目の問題点としては、センサの温度計測位置を複数個配備して計測する場合（２回路以上）、更に部品を追加しなければならないということである。これにより、性能や温度変化に対して複雑な影響を無視することができなくなってしまう。

尚、従来の温度計測に関しては、下記特許文献１が参考になるものとする。
特許第３１０５２５３号公報

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたもので、部品点数を少なくし、また、部品の個体差や温度による部品の特性変化の影響を受け難くすることが可能な、流量計における温度計測回路を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の本発明の流量計における温度計測回路は、流量計における第一及び第二の計測位置に設けられるとともに各一端同士を接続することにより直列な接続状態となる第一及び第二の抵抗型温度センサと、線間抵抗を有し前記第一の抵抗型温度センサの他端に接続される第一の電線と、電源抵抗を介して前記第一の電線に接続される電圧基準と、線間抵抗を有し前記第一及び第二の抵抗型温度センサの各一端に接続される第二の電線と、線間抵抗を有し前記第二の抵抗型温度センサの他端に接続される第三の電線と、該第三の電線に一端が接続され他端側が接地される基準抵抗と、前記第二の電線及び前記第三の電線に跨って接続されこれらを導通状態又は非導通状態にするスイッチングデバイスと、前記第一の電線、前記第二の電線、前記第三の電線、及び前記基準抵抗の接地側のうち、いずれか一つを選択するマルチプレクサと、該マルチプレクサにより選択された各分圧電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータと、前記スイッチングデバイスを制御するとともに前記Ａ／Ｄコンバータからの信号が入力される演算・制御装置と、を備え、該演算・制御装置は、前記第二の電線及び前記第三の電線間が導通状態における前記分圧電圧に基づく電圧比と前記基準抵抗との積で求められる抵抗値から、非導通状態における前記分圧電圧に基づく電圧比と前記基準抵抗との積で求められる抵抗値を減算することにより前記線間抵抗を求めることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、基準抵抗以外の部品は温度影響や個体差の影響を受けることがないものとなる。また、本発明によれば、分圧電圧の計測において、計測電圧が変化しても電圧比が正しければ抵抗の計測に影響することがないものとなる。さらに、本発明によれば、回路の構成要素（部品）が少ないものとなる。

請求項２記載の本発明の流量計における温度計測回路は、請求項１に記載の流量計における温度計測回路において、前記求めた線間抵抗を前記第二の抵抗型温度センサに係る双曲線近似式にて補正することにより補正後の線間抵抗を求めることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、広計測温度範囲での計測誤差を極めて低く抑えることが可能になる。双曲線近似式（Ｙ＝１／Ｘ）を適用することにより、部品点数の追加を抑えることが可能になる。

本発明によれば、部品点数を少なくし、また、部品の個体差や温度による部品の特性変化の影響を受け難くすることができるという効果を奏する。

以下、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の流量計における温度計測回路の一実施の形態を示す基本構成図である。

図１において、引用符号２１は温度計測回路を示している。温度計測回路２１は、図示しないコリオリ流量計の一構成として備えられている。温度計測回路２１は、第一の抵抗型温度センサ２２（ＰＴ１００：１００Ω）と、第二の抵抗型温度センサ２３（ＰＴ１００：１００Ω）と、線間抵抗２４（ＲＣ）を有する第一の電線２５と、同じく線間抵抗２４（ＲＣ）を有する第二の電線２６と、同じく線間抵抗２４（ＲＣ）を有する第三の電線２７と、電圧基準２８（ＶＣＣ）と、電源抵抗２９（Ｒ１）と、基準抵抗３０（Ｒｒｅｆ：１００Ω）と、オフセット抵抗３１（Ｒｏｆｆ）と、ＦＥＴ３２（スイッチングデバイス）と、マルチプレクサ付きＡ／Ｄコンバータ３３と、ＣＰＵ３４（演算・制御装置）とを備えて構成されている。

第一の抵抗型温度センサ２２及び第二の抵抗型温度センサ２３は、図示しないコリオリ流量計における測定管の所定計測位置に設けられる温度センサであって、これらは各一端同士が接続されて直列な接続状態となっている。第一の抵抗型温度センサ２２及び第二の抵抗型温度センサ２３は、公知の白金測温抵抗体が用いられている。このような第一の抵抗型温度センサ２２の他端は、端子３５に接続されている。また、第一の抵抗型温度センサ２２及び第二の抵抗型温度センサ２３の各一端は、端子３６に接続されている。さらに、第二の抵抗型温度センサ２３の他端は、端子３７に接続されている。

第一の抵抗型温度センサ２２の他端が接続される端子３５には、第一の電線２５の一端が接続されている。第一の電線２５には、電源抵抗２９を介して電圧基準２８が接続されている。第一の電線２５の他端は、マルチプレクサ付きＡ／Ｄコンバータ３３に接続されている。

第一の抵抗型温度センサ２２及び第二の抵抗型温度センサ２３の各一端が接続される端子３６には、第二の電線２６の一端が接続されている。第二の電線２６の他端は、マルチプレクサ付きＡ／Ｄコンバータ３３に接続されている。

第二の抵抗型温度センサ２３の他端が接続される端子３７には、第三の電線２７の一端が接続されている。第三の電線２７には、基準抵抗３０の一端が接続されている。基準抵抗３０の他端は、オフセット抵抗３１を介して接地されるとともに、線３８を介してマルチプレクサ付きＡ／Ｄコンバータ３３に接続されている。第三の電線２７の他端は、マルチプレクサ付きＡ／Ｄコンバータ３３に接続されている。

ＦＥＴ３２は、第二の電線２６から第三の電線２７へと電流が流れるようにドレイン−ソース間が設定されている。ＦＥＴ３２のゲートは、ＣＰＵ３４に接続されている。ＦＥＴ３２は、ＣＰＵ３４によって制御されることにより、第二の電線２６及び第三の電線２７間を非導通状態又は導通状態にすることができるようになっている。

マルチプレクサ付きＡ／Ｄコンバータ３３は、第一の電線２５〜第三の電線２７の他端及び線３８が接続されるマルチプレクサ３９と、このマルチプレクサ３９からの出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ４０とを備えて構成されている。マルチプレクサ付きＡ／Ｄコンバータ３３は、各分圧電圧をＡ／Ｄ変換してこれをＣＰＵ３４に出力することができるようになっている。

ＣＰＵ３４は、演算機能、制御機能を有する演算・制御装置であって、ここでは少なくともマルチプレクサ付きＡ／Ｄコンバータ３３及びＦＥＴ３２が接続されている。ＣＰＵ３４は、これ以外が最小限の部品点数となる上記構成であっても、高精度な温度計測を行うことができるようになっている。尚、ＣＰＵ３４での演算等に関しては、以下の説明で挙げる式から理解することができるので、ここでは省略する。

次に、図２ないし図５を参照しながら、図１に示す本発明の温度計測回路２１が有用であることを説明する。

図２は抵抗型温度センサが一つの場合での説明図、図３は抵抗型温度センサが二つの場合での説明図、図４は線間抵抗が大きな時でも使用することができる場合での説明図、図５は図４に対して電流の流れを付加した場合の説明図である。尚、図１に示す構成と基本的に同じものには同一の符号を付して説明を省略するものとする。

図２において、ここで示す回路の基本的な考え方は、抵抗の分圧値を直接マルチプレクサ付きＡ／Ｄコンバータ３３（図１参照）で計測するということである。線３８の端末の分圧電圧をＶ０、第三の電線２７の端末の分圧電圧をＶ１、第二の電線２６の端末の分圧電圧をＶ２、第二の電線２６の端末の分圧電圧をＶ３と定義すると、ＰＴ１００（例えば第一の抵抗型温度センサ２２に相当）は以下の式（１）で表せるようになる。

図２の回路の特徴としては、（１）基準抵抗３０（Ｒｒｅｆ：１００Ω）以外の部品は温度影響や個体差の影響を受けないこと、（２）Ｖ０〜Ｖ３の電圧計測において、計測電圧が変化しても電圧比が正しければ抵抗の計測には影響しないこと、（３）回路の構成要素（部品）が少ないこと、が挙げられる。

分圧電圧Ｖ０〜Ｖ３の電圧計測に用いるマルチプレクサ付きＡ／Ｄコンバータ３３に関し、ここで特性が周囲温度の影響などによって以下のように変化した場合を考えてみることにする。

以下の式中でαをＡ／Ｄコンバータ４０（図１参照）のゲインの変化、βをオフセットとおいた場合、Ｖ３はＶ３→αＶ３＋βとなる。また、Ｖ２はＶ２→αＶ２＋βとなる。また、Ｖ１はＶ１→αＶ１＋βとなる。また、Ｖ０はＶ０→αＶ０＋βとなる。すると、上記の式（１）は次のような式になる。

式（２）から分かるように、Ａ／Ｄコンバータ４０の特性が変化しても計算式上では計測に影響しないことになる。尚、本形態においては、マルチプレクサ３９とＡ／Ｄコンバータ４０とを一体にしてマルチプレクサ付きＡ／Ｄコンバータ３３を構成するようにしているが、これに限らず、マルチプレクサ３９とＡ／Ｄコンバータ４０とを別々のものとして構成しても良いものとする。

続いて、抵抗型温度センサが二つの場合について説明する。

図３において、第一の抵抗型温度センサ２２（ＰＴ１００）及び第二の抵抗型温度センサ２３（ＰＴ１００）の抵抗値をＸ１、Ｘ２とおいた場合は、以下の式（３）、（４）から温度が表せるようになる（抵抗値を換算することにより温度が表せるようになる）。

線間抵抗２４（ＲＣ：ケーブル抵抗）が非常に小さな場合は、上記式（３）、（４）によってそれぞれの抵抗値Ｘ１、Ｘ２を求めることができる。図２で示す如くの抵抗型温度センサが一つの場合と比べて、部品の増加がなく計算式のみの変更で対応することができることが分かる。しかしながら、実際には線間抵抗２４（ＲＣ）の抵抗値が０．１Ω以下程度の場合しか使用することができないため、限られた条件のみでしか二つの抵抗型温度センサを使用することができないことになる。この問題点は、回路構成を４線式に変更すれば解決することができると考えられるが、４線式に変更するためにはデメリットとなる面が非常に大きくなってしまうことになる。従って、本発明では以下のような回路を採用している。

図４は線間抵抗２４（ＲＣ）が大きな時でも使用することができる回路であって、図中の矢印で示す位置にスイッチングデバイス（ここではＦＥＴ３２。一例であるものとする）を設けている。ＦＥＴ３２がＯＦＦ（オフ）となる時には、この部分に電流が流れないために図３の回路と同じになり、従って、式（３）、（４）を用いてＸ１＋ＲＣ、Ｘ２＋ＲＣの値を求めることができることになる。一方、ＦＥＴ３２がＯＮ（オン）となる時には、この部分に図５中の矢印に示す如く電流が流れることになる。

ＦＥＴ３２がＯＮ（オン）となる時の各ポイントでの分圧電圧をＶ０ｏｎ〜Ｖ３ｏｎとおき、さらにＸ２に流れる電流がＸ１に流れる電流に比べて無視できるくらい小さい（実際はＲＣとＸ２の抵抗値及びＦＥＴ３２のＯＮ抵抗によって変化する）と仮定した場合、線間抵抗２４（ＲＣ）は以下の式（５）で表すことができる。

式（５）により線間抵抗２４（ＲＣ）が得られることから、温度に係る補償された抵抗値を求めることができることになる。

尚、式（５）は、第二の電線２６及び第三の電線２７間が導通状態における分圧電圧に基づく電圧比と基準抵抗との積で求められる抵抗値から、非導通状態における分圧電圧に基づく電圧比と基準抵抗との積で求められる抵抗値を減算して線間抵抗２４（ＲＣ）を求めるものとする。

以下の説明は、より一層高精度な温度計測を実現するための一例である。

ここで、上記の仮定であるＸ２に流れる電流が実際にどれくらいの計測誤差につながるかについて、回路を製作して実測してみた。測定結果は表１に示す如くである。

Ｘ２を白金測温抵抗体１００Ωとした時の測定条件は、ＦＥＴ３２のＯＮ抵抗を０．１Ω以下、線間抵抗２４（ＲＣ）を３．２Ωとして標準抵抗値３．２Ωで固定とし、ダイヤル抵抗器にて入力値を入力し、図４に示す如く回路を構成して式（５）から間接的にＲＣを求めると、表１に示す如くの結果になる。

ＲＣの計測誤差は−２００℃の時に最大で０．４Ω程度であり、温度に換算すると約１℃の誤差となる。例えば、ケーブル長（電線長）３００ｍ（３．２Ω）とした時、言い換えればＸ２に流れる電流が最大となる条件で、Ｘ２の抵抗が１８．５２Ω、温度としては−２００℃の時に計測誤差が最大になる。もし、この計測誤差が大きいとすれば、補正すべきである。以下、補正に関して説明する。

図５において、ＦＥＴ３２がＯＮ（オン）となる時に、ＲＣとＸ２とが並列になることから、Ｘ２に流れる電流（ＩＸ２）は次の式（６）で表すことができる。

よってＲＣの補正式は、Ｘ２に流れる電流が大きくなるほど補正が大きくなるために、Ｘ２の双曲線（反比例）になる。この関係からさらに表１に近似可能な係数Ｋを求め、本来の入力抵抗値、及び線間抵抗値（ケーブル抵抗値３．２Ω）に近似すべくこの誤差が温度換算で０．５℃、線間抵抗値で０．２Ω以内となるようにＸ２の双曲線近似（式（７））にて補正することができる。補正後のＲＣをＲＣＸとおくと、

下表２は、式（７）も用いて実際の回路構成（本発明の温度計測回路２１）でのＲＣＸを求めたものであるが、ＲＣＸ値は±０．１Ω以内、温度換算で±０．２５℃となる。

表２から分かるように、−２００℃〜＋２００℃の範囲において０．２Ω以下の測定誤差を実現することができている。従って、二つの抵抗型温度センサを構成して広計測温度範囲での計測誤差を極めて低く（０．５℃／スパン）抑えることができる。

本発明は本発明の主旨を変えない範囲で種々変更実施可能なことは勿論である。すなわち、上記近似式に限らず他の補正式を用いても良いものとする。

本発明の流量計における温度計測回路の一実施の形態を示す基本構成図である。本発明が有用であることの説明図であり、抵抗型温度センサが一つの場合での説明図である。本発明が有用であることの説明図であり、抵抗型温度センサが二つの場合での説明図である。本発明が有用であることの説明図であり、線間抵抗が大きな時でも使用することができる場合での説明図である。本発明が有用であることの説明図であり、図４に対して電流の流れを付加した場合の説明図である。従来の温度計測に係る回路図である。

符号の説明

２１温度計測回路
２２第一の抵抗型温度センサ
２３第二の抵抗型温度センサ
２４線間抵抗
２５第一の電線
２６第二の電線
２７第三の電線
２８電圧基準
２９電源抵抗
３０基準抵抗
３１オフセット抵抗
３２ＦＥＴ（スイッチングデバイス）
３３マルチプレクサ付きＡ／Ｄコンバータ
３４ＣＰＵ（演算・制御装置）
３５〜３７端子
３８線
３９マルチプレクサ
４０Ａ／Ｄコンバータ

Claims

流量計における第一及び第二の計測位置に設けられるとともに各一端同士を接続することにより直列な接続状態となる第一及び第二の抵抗型温度センサと、
線間抵抗を有し前記第一の抵抗型温度センサの他端に接続される第一の電線と、
電源抵抗を介して前記第一の電線に接続される電圧基準と、
線間抵抗を有し前記第一及び第二の抵抗型温度センサの各一端に接続される第二の電線と、
線間抵抗を有し前記第二の抵抗型温度センサの他端に接続される第三の電線と、
該第三の電線に一端が接続され他端側が接地される基準抵抗と、
前記第二の電線及び前記第三の電線に跨って接続されこれらを導通状態又は非導通状態にするスイッチングデバイスと、
前記第一の電線、前記第二の電線、前記第三の電線、及び前記基準抵抗の接地側のうち、いずれか一つを選択するマルチプレクサと、
該マルチプレクサにより選択された各分圧電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータと、
前記スイッチングデバイスを制御するとともに前記Ａ／Ｄコンバータからの信号が入力される演算・制御装置と、
を備え、
該演算・制御装置は、前記第二の電線及び前記第三の電線間が導通状態における前記分圧電圧に基づく電圧比と前記基準抵抗との積で求められる抵抗値から、非導通状態における前記分圧電圧に基づく電圧比と前記基準抵抗との積で求められる抵抗値を減算することにより前記線間抵抗を求める
ことを特徴とする流量計における温度計測回路。
請求項１に記載の流量計における温度計測回路において、
前記求めた線間抵抗を前記第二の抵抗型温度センサに係る双曲線近似式にて補正することにより補正後の線間抵抗を求める
ことを特徴とする流量計における温度計測回路。