JP2014115221A - 熱電対による温度測定可能な入力モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】熱電対による温度測定可能な入力モジュールにおいて、基準接点となる入力端子側の温度取得の精度を高める。
【解決手段】複数個設けられ、上下に重ねられたスロットのいずれかに装着される入力モジュールであって、熱電対の基準接点を接続する端子対と、端子対付近の温度を測定する温度測定部と、装着されたスロットの上下位置と、測定された端子対付近の温度とに基づいて端子対の温度を推定する端子温度推定部と、推定された端子対の温度と、端子対間の電圧とから熱電対の測温接点の温度を算出する測定温度算出部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電対による温度測定可能な入力モジュールに関し、特に、基準接点となる入力端子側の温度取得の精度を高めるための技術に関する。

測定対象物の温度を測定する際に、熱電対が広く用いられている。熱電対は、異種の金属導体の一端を電気的に接合し、両端に温度差を与えると熱起電力が生じるというゼーベック効果を利用した温度センサであり、温度抵抗体を用いるよりも低コストで測定対象物の温度を測定することができる。

熱電対で生じる熱起電力の大きさは、両端の温度差に依存するため、接合された端部を測定対象物に接触させ、開放された他端部間の電位差を測定することで両端の温度差を取得することができる。ここで、接合され測定対象物側に接する側の端部を測温接点と称し、開放された２つの他端部を基準接点と称する。

熱電対は絶対温度測定デバイスではなく差動デバイスであるため、測定対象物の正確な温度値を取得するには基準接点の温度を知る必要がある。基準接点の温度により測温接点の温度を算出する処理は基準接点補償（ＲＪＣ：Reference Junction Compensation）と呼ばれている。

図７は、熱電対を用いた従来の温度測定装置の構成例を示す図である。本例の温度測定装置３００は、１０チャンネル分の熱電対入力端子対を有する端子板３０１を備えており、基準接点を測定対象物に接触させた熱電対４００の基準接点をいずれかのチャンネルの熱電対入力端子対に接続して測定対象物の温度を測定する。

また、温度測定装置３００は、メイン温度計３１０、サブ温度計３１１、チャンネル毎に熱電対入力端子対間の電位差を測定する電圧測定部３２０、端子温度推定部３３０、測定対象温度算出部３４０を備えている。

上述のように、測定対象物の正確な温度値を取得するには基準接点、すなわち熱電対入力端子対の温度を知る必要がある。このため、熱電対入力端子対付近にサーミスタ等の温度計を配置しているが、一般に、温度測定装置３００の構造や周辺環境等により端子板３０１の熱分布は一様でなく、熱電対入力端子対の温度はチャンネル毎に異なる。

熱電対入力端子対の温度をチャンネル毎に直接測定することはコスト等の観点から難しいため、端子板３０１の近傍にメイン温度計３１０を配置するとともに、端子板３０１から少し離れた他の箇所にサブ温度計３１１を配置してチャンネル毎の熱電対入力端子対の温度を推定するようにしている。

具体的には、端子温度推定部３３０にメイン温度計３１０の測定温度Ｔｍとサブ温度計３１１の測定温度Ｔｓとを入力し、端子温度推定部３３０が［数１］に示した補正式に従ってメイン温度計３１０の測定温度Ｔｍを補正し、チャンネルｎの熱電対入力端子対の温度Ｔｎを推定する。
ここで、ａ_ｎ，ｂ_ｎは、チャンネル毎に定められる定数であり、実験的にあらかじめ定めておくようにする。ただし、Ｔｎを推定するために他の補正式を用いる場合もある。

そして、測定対象温度算出部３４０が、電圧測定部３２０が測定した熱電対入力端子対間の電圧と、端子温度推定部３３０が推定した熱電対入力端子対の温度Ｔｎに基づいて測定対象物の温度を算出して測定結果とする。

特開２００８−３０４４２５号公報

近年、熱電対を用いた温度測定装置３００をモジュール化して、記録計等のスロットに装着することが提案されている。入力デバイス等をモジュール化することにより、ユーザの利用用途に応じてアナログ入力、ディジタル入力等の機能を自由に拡張することができるため、記録計等の利用価値が一層高められることになる。

この場合、従来の熱電対を用いた温度測定装置３００は、熱電対のみならず直流電圧、測温抵抗体、直流電流等の種々の入力を可能とした汎用的なアナログ入力モジュールとして構成することができる。

モジュール化された入力デバイスを装着可能な記録計等では、スロットが多いほど拡張性が高まるため、例えば、１０個程度のスロットを備えさせることも考えられる。このような場合、筐体の形状の都合等から、スロットが複数段に重なって配置されることも想定される。

スロットが複数段に重なって配置された場合、記録計内部の熱源や、熱伝導、熱対流等により、スロットの位置毎にスロット自身の温度がばらついて、装着された入力モジュールの端子板３０１の温度勾配に影響を与える。このため、［数１］に示した補正式を一律に適用しただけでは、基準接点となる熱電対入力端子対の温度を精度よく取得できないおそれがある。

そこで、本発明は、熱電対による温度測定可能な入力モジュールにおいて、基準接点となる入力端子側の温度取得の精度を高めることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の入力モジュールは、複数個設けられ、上下に重ねられたスロットのいずれかに装着される入力モジュールであって、熱電対の基準接点を接続する端子対と、前記端子対付近の温度を測定する温度測定部と、装着されたスロットの上下位置と、測定された前記端子対付近の温度とに基づいて前記端子対の温度を推定する端子温度推定部と、推定された前記端子対の温度と、前記端子対間の電圧とから前記熱電対の測温接点の温度を算出する測定温度算出部とを備えたことを特徴とする。
ここで、前記端子対を複数チャンネル分備え、前記端子温度推定部は、チャンネル別に端子対の温度を推定するようにしてもよい。
また、前記端子温度推定部は、装着されたスロットの上下位置に加え、左右の位置に基づいて前記端子対の温度を推定することができる。
また、前記温度測定部が、メイン温度計とサブ温度計とを備え、前記端子温度推定部が、前記メイン温度計の測定値と前記サブ温度計の測定値との差に第１定数をかけ、第２定数を足した値を用いて前記メイン温度計の測定値を補正することで前記端子対の温度を推定するものであり、装着されたスロットの上下位置に応じて前記第１定数と前記第２定数とを変更するようにしてもよい。

本発明によれば、熱電対による温度測定可能な入力モジュールにおいて、基準接点となる入力端子側の温度取得の精度を高めることができる。

本実施形態の入力モジュールの構成を説明するブロック図である。 本実施形態の入力モジュールの外観を示す図である。 メイン温度計とサブ温度計の配置位置を説明する図である。 入力モジュールが、記録計のスロットに装着されている状態を示す図である。 入力モジュールの熱電対による温度測定動作について説明するフローチャートである。 本実施形態における熱電対入力端子対の温度推定の効果を説明する図である。 熱電対を用いた従来の温度測定装置の構成例を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の入力モジュールの構成を説明するブロック図である。本実施形態において入力モジュール１００は、記録計のスロットに装着されて使用される。ここで、記録計は上下に重ねられた複数個のスロットを備えており、入力モジュール１００はいずれかのスロットに装着されて使用される。ただし、本発明の入力モジュールは、記録計以外の装置のスロットに装着されるものであってもよい。

本実施形態の入力モジュール１００は、直流電圧、測温抵抗体、直流電流等の種々の入力を可能とした汎用的なアナログ入力モジュールであるが、ここでは熱電対入力に注目して説明する。もちろん、本発明の入力モジュールは、汎用的なアナログ入力モジュールではなく、熱電対入力専用のモジュール等として構成してもよい。

本図に示すように、入力モジュール１００は、端子部１１０、電圧測定部１２０、端子周辺温度測定部１３０、端子温度推定部１４０、測定対象温度算出部１５０を備えている。

端子部１１０は、端子板を有しており、端子板には、例えば、１０チャンネル分の熱電対入力端子対が配置されている。電圧測定部１２０は、チャンネル毎に熱電対入力端子対間の電圧を測定する。端子周辺温度測定部１３０は、端子板の近傍に配置されたメイン温度計と、端子板から少し離れた他の箇所に配置されたサブ温度計とを備えている。

端子温度推定部１４０は、メイン温度計の測定値を、サブ温度計の測定値と所定の補正式とを用いて補正することで、熱電対入力端子対の温度をチャンネル毎に推定する。この際に、入力モジュール１００が装着されたスロットの位置、特に上下段の位置を考慮して温度推定を行なう。

この処理を行なうため、端子温度推定部１４０は、装着されたスロットの位置を判定するスロット判定部１４１、チャンネル毎の熱電対入力端子対の温度推定処理を行なう温度推定部１４２、温度推定に用いる補正式が記録された補正式テーブル１４３を備えている。

測定対象温度算出部１５０は、電圧測定部１２０が測定した熱電対入力端子対間の電圧と、端子温度推定部１４０が推定した熱電対入力端子対の温度に基づいて測定対象物の温度を算出して測定結果とする。コネクタ部１６０は、記録計のスロットに装着されたときに、スロット側に設けられたコネクタと電気的に接続する。

図２は、本実施形態の入力モジュール１００の外観を示す図である。本図に示すように入力モジュール１００は、前面に端子板１１１を備え、端子板１１１に１０チャンネル分の熱電対入力端子対１１２が配置されている。なお、測温抵抗体等も結線できるようにしているため、各チャンネルは３つの端子を備えている。

図３（ａ）に示すように、メイン温度計１３１は、端子板１１１の裏面下方に配置され、図３（ｂ）に示すように、サブ温度計１３２は、内部の基板情報に配置されている。メイン温度計１３１の方が、より端子板１１１に近く配置されているため、熱電対入力端子対１１２の温度を推定する際にはメイン温度計１３１の測定値を、サブ温度計１３２の測定値を用いて補正する。なお、メイン温度計１３１、サブ温度計１３２ともサーミスタ等を用いて構成することができる。

図４は、入力モジュール１００が、記録計２００のスロット２１０に装着されている状態を示している。本図において入力モジュール１００の端子板１１１には端子カバー１１３が取り付けられている。

本図に示すように、記録計２００は、５個ずつ２段に重ねられた１０個のスロット２１０を備えており、各スロット２１０に入力モジュール１００等の各種モジュールを装着できるようになっている。本図の例では、入力モジュール１００は、下段のスロット２１０に装着されている。

各スロット２１０はコネクタを備えており、装着された入力モジュール１００に対して、スロット２１０に割り当てられているアドレスを通知する。入力モジュール１００のスロット判定部１４１は、通知されたアドレスに基づいて装着されたスロット２１０の位置を判定することができる。なお、本図の例では、入力モジュール１００が縦長の状態でスロット２１０に装着されるようになっているが、入力モジュール１００が横長の状態でスロット２１０に装着される構成としてもよい。

次に、上記構成の入力モジュール１００の熱電対による温度測定動作について図５のフローチャートを参照して説明する。熱電対による温度測定に際しては、入力モジュール１００を記録計２００のいずれかのスロット２１０に装着する。また、入力モジュール１００の任意のチャンネルの熱電対入力端子対１１２に熱電対４００の基準接点側を接続し、熱電対４００の測温接点を測定対象物に取り付ける。

記録計２００のいずれかのスロット２１０に装着されると、端子温度推定部１４０のスロット判定部１４１は、スロット２１０に割り当てられたアドレスに基づいて、スロット位置を判定する（Ｓ１０１）。なお、スロット位置は、上段／下段の区別ができれば足りる。

あらかじめ設定された測定タイミングで、電圧測定部１２０が熱電対入力端子対１１２の電圧を測定する（Ｓ１０２）。また、端子周辺温度測定部１３０がメイン温度計１３１、サブ温度計１３２を用いて端子周辺の温度を測定する（Ｓ１０３）。

そして、端子温度推定部１４０の温度推定部１４２が、熱電対入力端子対１１２のチャンネル毎の温度推定処理を行なう（Ｓ１０４）。温度推定処理は、メイン温度計１３１の測定温度Ｔｍとサブ温度計１３２の測定温度Ｔｓとを入力し、補正式に従ってメイン温度計１３１の測定温度Ｔｍを補正することで、チャンネルｎの熱電対入力端子対１１２の温度Ｔｎを推定する。

本実施形態の温度推定処理では、入力モジュール１００が装着されたスロット２１０が上段であるか、下段であるかによって補正式を変更する。具体的には、［数２］に示すように、チャンネル毎に定められる定数を変更し、上段の場合は、ａ_ｎ，ｂ_ｎを使用し、下段の場合は、ｃ_ｎ，ｄ_ｎを使用する。ただし、Ｔｎを推定するために他の補正式を用いてもよい。また、スロット２１０が３段以上の場合も、それぞれの段に応じた補正式を定めておき、装着された段に応じて補正式を変更すればよい。
ａ_ｎ，ｂ_ｎ，ｃ_ｎ，ｄ_ｎは、あらかじめ実験的に定めておき、補正式テーブル１４３に記録しておく。温度推定部１４２は、装着されたスロット２１０に応じて補正式を切り替えて、熱電対入力端子対１１２のチャンネル毎の温度推定処理を行なうようにする。

そして、測定対象温度算出部１５０が、電圧測定部１２０が測定した熱電対入力端子対１１２間の電圧と、端子温度推定部１４０が推定した熱電対入力端子対１１２の温度に基づいて測定対象物の温度を算出して測定結果とする（Ｓ１０５）。測定結果は、コネクタ部１６０を介して、記録計２００に出力する。

入力モジュール１００は、処理（Ｓ１０２）以降の処理を、測定が終了するまで繰り返す（Ｓ１０６）。ただし、メイン温度計１３１、サブ温度計１３２を用いた端子周辺の温度測定は、毎回ではなく間欠的に行なうようにしてもよい。

図６を参照して、本実施形態における熱電対入力端子対の温度推定の効果を説明する。図６（ａ）は、補正を行なわず、メイン温度計１３１の測定温度をそのまま熱電対入力端子対１１２のチャンネル毎の推定温度としたときの、チャンネル毎の推定温度と熱電対入力端子対１１２のチャンネル毎の真の温度との差を示している。

本図の例では、上段のスロット２１０に装着された場合と下段のスロット２１０に装着された場合とに分けて実験しており、特に、上段のスロット２１０において誤差が大きくなっている。本図からもスロット２１０の上下段に応じた補正が必要なことが分かる。ただし、この誤差傾向は、メイン温度計１３１の位置や、入力モジュール１００の構造、記録計２００の構造等に応じて変化する。

これに対し、図６（ｂ）は、スロット位置を考慮しない従来の一律の補正を行なった場合の熱電対入力端子対１１２のチャンネル毎の推定温度と熱電対入力端子対１１２のチャンネル毎の真の温度との差を示している。一律の補正を行なった場合でも補正を行なわない場合よりも誤差が小さくなっていることが分かる。しかしながら、誤差が残っており、精度は十分とはいえない。

図６（ｃ）は、スロット位置を考慮した本実施形態の熱電対入力端子対１１２のチャンネル毎の推定温度と熱電対入力端子対１１２のチャンネル毎の真の温度との差を示している。上段スロット２１０、下段スロット２１０に適した補正がなされており、熱電対入力端子対１１２の温度推定の精度が向上していることが分かる。これにより、熱電対を用いた温度測定の精度を向上させることができる。

なお、記録計２００の熱源位置や内部構造によっては、スロット２１０の上下段の位置に加え、左右の位置によっても熱分布が異なる場合もある。この場合、左右の位置に応じてさらに補正式を変更するようにしてもよい。例えば、スロット毎に異なる定数の補正式を定めておくようにする。

また、隣接するスロット２１０に装着されるモジュールによって、入力モジュール１００の端子板１１１の温度が影響を受ける場合もある。例えば、ディジタル入出力モジュール等のように負荷の高いモジュールが隣接するスロット２１０に装着され、入力モジュール１００が装着されたスロット２１０付近の温度が上昇する場合等である。

この場合、隣接するスロット２１０の負荷状況を監視し、負荷状況に応じて、補正式をさらに補正したり、隣接するスロット２１０に装着されたモジュールの種類に応じて補正式をさらに補正するようにしてもよい。補正式のさらなる補正は、例えば、［数２］に示した定数ａ_ｎ，ｂ_ｎ，ｃ_ｎ，ｄ_ｎに対して、隣接するスロット２１０の負荷状況やモジュール種類に応じた所定の係数を乗じる等で行なうことができる。

１００…入力モジュール、１１０…端子部、１１１…端子板、１１２…熱電対入力端子対、１１３…端子カバー、１２０…電圧測定部、１３０…端子周辺温度測定部、１３１…メイン温度計、１３２…サブ温度計、１４０…端子温度推定部、１４１…スロット判定部、１４２…温度推定部、１４３…補正式テーブル、１５０…測定対象温度算出部、１６０…コネクタ部、２００…記録計、２１０…スロット、３００…温度測定装置、３０１…端子板、３１０…メイン温度計、３１１…サブ温度計、３２０…電圧測定部、３３０…端子温度推定部、３４０…測定対象温度算出部、４００…熱電対

Claims (4)

1. 複数個設けられ、上下に重ねられたスロットのいずれかに装着される入力モジュールであって、
   熱電対の基準接点を接続する端子対と、
   前記端子対付近の温度を測定する温度測定部と、
   装着されたスロットの上下位置と、測定された前記端子対付近の温度とに基づいて前記端子対の温度を推定する端子温度推定部と、
   推定された前記端子対の温度と、前記端子対間の電圧とから前記熱電対の測温接点の温度を算出する測定温度算出部と、
   を備えたことを特徴とする入力モジュール。
2. 前記端子対を、複数チャンネル分備えており、
   前記端子温度推定部は、チャンネル別に端子対の温度を推定することを特徴とする請求項１に記載の入力モジュール。
3. 前記端子温度推定部は、装着されたスロットの上下位置に加え、左右の位置に基づいて前記端子対の温度を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の入力モジュール。
4. 前記温度測定部は、メイン温度計とサブ温度計とを備え、
   前記端子温度推定部は、前記メイン温度計の測定値と前記サブ温度計の測定値との差に第１定数をかけ、第２定数を足した値を用いて前記メイン温度計の測定値を補正することで前記端子対の温度を推定するものであり、
   装着されたスロットの上下位置に応じて前記第１定数と前記第２定数とを変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の入力モジュール。