JP2017009611A - 熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】別途の温度測定素子を備えず、基準接点補償のためのサーミスタを利用して基準接点補償だけで温度ドリフトを補正することができる、熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法を提供する。
【解決手段】サーミスタのアナログ電圧を取得するステップ；アナログ電圧をデジタルカウントに変換するステップ；ＲＴテーブルでの各温度と既設定された常温の基準温度との温度差を算出するステップ；温度差と既設定された補正係数とを乗じて補正因子を算出するステップ；変換されたデジタルカウントと算出された補正因子とを利用して補正されたデジタルカウントを算出するステップ；及び補正されたデジタルカウントに該当するサーミスタの温度を利用し、基準接点補償を通して熱電対の温度を最終的に測定するステップを含んでいる。
【選択図】図７

Description

本発明は、熱電対（Ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ）を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法に関する。

一般に、熱電対を用いた温度測定装置は、不要に発生する周囲温度の影響を補償するために、補償回路を付加して作製されてきた。このような補償回路は、入力端に基準電圧発生回路を付加する方法と、温度センサとマルチプレクサ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）を付加する方法で具現される。特に、温度センサとマルチプレクサを付加する方法は、基準電圧発生回路を付加する方法の複雑性と誤差を軽減するために考案された方法である。

このような温度センサとマルチプレクサを付加する温度測定装置において、温度測定装置の設置場所に温度変化が起こる場合、従来の技術では、温度ドリフト（ｄｒｉｆｔ）により温度測定に誤差が発生する問題点がある。ここで、ドリフトとは、測温対象体に現状の変化がないのに測定値が変動することであって、種々のセンサで観測される最も大きなドリフトは、一般的に周囲の温度変化のために発生するものであり、これを「温度ドリフト」と称する。

温度測定装置の高い測定精度を維持するためには、温度補償機能を組み込むか、またはセンサそのものが一定の温度となるように恒温器内に設けられなければならない。温度ドリフトと共に、重要なドリフトには、使用している素子の経時変化等に起因する経時ドリフトがある。これは、センサや計器の矯正期間を決定するにあたって重要な要素である。ところで、熱電対は、ゼーベック効果（Ｓｅｅｂｅｃｋ ｅｆｆｅｃｔ）を利用して広い温度範囲を測定するための装置であって、発電所、製鉄所等で使用されており、耐久性が良く、極限状況で頻繁に用いられている。

このような熱電対を用いた温度測定装置は、熱電対で発生した起電力を利用して温度を計測する装置であって、ここで測定された温度は、０℃を基準に測定された値である。従って、実際、熱電対が計測装置に連結される付近の温度を測定し、計測された値に該温度に相当する起電力を加えるようになるが、このような補償を、基準接点補償（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）または冷接点補償（Ｃｏｌｄ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）という。

従来、温度ドリフト補正を行うためには、別個の温度測定回路を温度測定装置に装備するか、または製品が取り付けられた周辺の温度を一定に維持する方法を用いてきた。しかし、従来の熱電対を用いた温度測定装置は、温度測定のために基準接点補償プロセスが必須であるが、このプロセスだけでは温度ドリフトによる誤差を補償するのに限界がある。即ち、基準接点補償用にサーミスタ（Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）を用いた場合、このサーミスタで感知される外部的な温度変化要因と内部的な温度変化要因が一定の割合で伝達されるものではないためである。

従って、このような限界を克服するために、温度ドリフトを直すことのできる別途の手段が要求されるが、このような手段は、通常、周辺の温度変化を感知できる別途の温度測定素子が必要となる。

そこで、本発明は、前述した問題点を解決するために創作されたものであって、本発明の目的は、別途の温度測定素子を備えず、基準接点補償のためのサーミスタを利用して基準接点補償だけで温度ドリフトを補正することである。これによって、周辺の温度が変化した場合でも温度測定装置の温度測定精度が変わらないようにすると共に、作製コストを効果的に節減できるようにした熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明の一側面は、熱電対と基準接点補償のためのサーミスタとを含む温度測定装置の温度ドリフトを補正する基準接点補償方法において、定電流源により前記サーミスタのアナログ電圧を取得するステップ；前記取得されたアナログ電圧をデジタルカウントに変換するステップ；前記サーミスタの温度による抵抗値を示したＲＴテーブルでの各温度と既設定された常温の基準温度との温度差を算出するステップ；前記算出された温度差と既設定された補正係数とを乗じて補正因子を算出するステップ；前記既設定された常温の基準温度に基づいて前記変換されたデジタルカウントと前記算出された補正因子とを利用して補正されたデジタルカウントを算出するステップ；及び前記補正されたデジタルカウントに該当する前記サーミスタの温度を利用し、前記基準接点補償を通して前記熱電対の温度を最終的に測定するステップを含むことを特徴とする、熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法を提供するものである。

ここで、前記既設定された常温の基準温度は、２０℃〜３０℃の範囲でなされることが好ましい。

好ましくは、前記既設定された補正係数は、温度ドリフトの差に比例して設定され、０．５〜１．５の範囲でなされ得る。

好ましくは、前記補正されたデジタルカウントは、下記の式１により算出され得る。
補正されたデジタルカウント＝変換されたデジタルカウント×（１００＋補正因子）％ ・・・（式１）

好ましくは、０℃より小さい温度で前記サーミスタの実際の計測温度が理想的な計測温度より高く、０℃より大きい温度で前記サーミスタの実際の計測温度が理想的な計測温度より低いとき、前記サーミスタの温度が前記既設定された常温の基準温度より低い場合には、前記補正因子は、マイナスの符号を適用することができる。また、前記サーミスタの温度が前記既設定された常温の基準温度より高い場合には、前記補正因子は、プラスの符号を適用することができる。また、前記サーミスタの温度が前記既設定された常温の基準温度と同一である場合には、前記補正因子は、零値を適用することができる。

好ましくは、０℃より小さい温度で前記サーミスタの実際の計測温度が理想的な計測温度より低く、０℃より大きい温度で前記サーミスタの実際の計測温度が理想的な計測温度より高いとき、前記サーミスタの温度が前記既設定された常温の基準温度より低い場合には、前記補正因子は、プラスの符号を適用することができる。また、前記サーミスタの温度が前記既設定された常温の基準温度より高い場合には、前記補正因子は、マイナスの符号を適用することができる。また、前記サーミスタの温度が前記既設定された常温の基準温度と同一である場合には、前記補正因子は、零値を適用することができる。

好ましくは、前記既設定された補正係数は、試行錯誤法（Ｔｒｉａｌ ａｎｄ Ｅｒｒｏｒ Ｍｅｔｈｏｄ）を通して調整することができる。

以上において説明したような本発明の熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法によると、別途の温度測定素子を備えず、基準接点補償のためのサーミスタを利用して基準接点補償だけで温度ドリフトを補正することができる。これによって、周辺の温度が変化した場合でも温度測定装置の温度測定精度が変わらないようにすると共に、作製コストを効果的に節減することができる。

また、本発明によると、温度ドリフト補正のためにさらなる回路や装置を設けることなく、ファームウェアを通して温度ドリフト現象を修正することができる。また、コスト節減効果と共に既にハードウェアが固定されている製品でも温度ドリフト補正が可能である。また、従来の方法における短所を補完しながらも、モジュールコストを節減することができる。また、既存の構成の複雑性を排除し、熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法として効率的な構成を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る熱電対を用いた温度測定装置を説明するための全体的なブロック構成図である。 本発明の一実施形態に適用された基準接点補償用サーミスタの一般的な抵抗−温度（Ｒ−Ｔ）特性を示したグラフである。 本発明の一実施形態に適用された基準接点補償用サーミスタの一般的な抵抗−温度（Ｒ−Ｔ）特性を示したグラフである。 本発明の一実施形態に係る熱電対を用いた温度測定装置の動作を説明するための全体的なフローチャートである。 本発明の一実施形態に適用された熱電対の周囲の温度変化による計測温度変化（補正前）を示したグラフである。 本発明の一実施形態に適用された熱電対の周囲の温度変化による計測温度変化（補正後）を示したグラフである。 本発明の一実施形態に係る熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法を説明するための全体的なフローチャートである。 図７の補正係数が１．１であるとき、ステップ別の実際の計算を示した表である。 本発明の他の実施形態に適用された熱電対の周囲の温度変化による計測温度変化を示したグラフである。

前述した目的、特徴及び長所は、添付の図面を参照して詳細に後述され、これによって、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が本発明の技術的思想を容易に実施することができるだろう。本発明を説明するにあたって、本発明と関連した公知の技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不明確にするおそれがあると判断される場合は、詳細な説明を省略する。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。しかし、下記に例示する本発明の実施形態は、種々の他の形態に変形され得、本発明の範囲は、下記に詳述する実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態は、当業界における通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。また、図面において同一の参照符号は、同一または類似した構成要素を指すものと用いられる。

図１は、本発明の一実施形態に係る熱電対を用いた温度測定装置を説明するための全体的なブロック構成図であり、図２及び図３は、本発明の一実施形態に適用された基準接点補償用サーミスタの一般的な抵抗−温度（Ｒ−Ｔ）特性を示したグラフである。

図１乃至図３を参照すると、本発明の一実施形態に係る熱電対を用いた温度測定装置は、熱電対１００、入力モジュール２００、制御モジュール３００及び出力モジュール４００等を含んでなる。ここで、熱電対１００は、測温対象体の温度を熱起電力に変換して、電圧信号としてアナログ電圧信号を出力する機能を有し、互いに異なる物質が環状に接合されてなる。

即ち、熱電対１００の接合部、即ち、高温接合部（Ｈｏｔ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）と低温接合部（Ｃｏｌｄ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）との間の温度差により起電力が発生するゼーベック効果（Ｓｅｅｂｅｃｋ ｅｆｆｅｃｔ）を用いたものである。このような熱電対１００は、原子炉、航空機、動力系統、製鉄所等の様々な工程で温度を感知する方法を提供することができる。また、構造が簡単で価格が安く、耐久性があり、多くの応用面で比較的正確に温度を測定できる温度測定センサである。

ゼーベック効果は、互いに異なる二つの金属で閉回路を構成し、両接点の温度差がなければ両接点の電位差がないが、両接点の温度差がある時は、両接点の接触電位差不平衡が発生するものである。これによって、低温側の接合点から高温側に熱電流が移動する。

このような熱電対１００は、約０．１〜１％程度の正確度で温度測定が可能であり、出力を測定するのに測定計器が簡単で回路上の雑音をあまり受けない低いインピーダンスを有するセンサである。また、熱電対１００は、力学的柔軟性があるため、様々なケースで形態を適合させることができ、早い応答、耐久性、回路の絶縁等を考慮して、素線の形態を作製することが一般的である。

前述のような熱電対１００は、金属の種類によって種々のタイプに区分され、使用限度及び条件等によって選択的に用いられ得る。入力モジュール２００は、測定対象体の温度値に対する熱電対１００のアナログ電圧信号の入力を受けてデジタル電圧信号に変換するモジュールである。この入力モジュール２００は、熱電対１００を連結する入力端子２１０と、基準接点補償（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）のためのサーミスタ２２０と、電流出力を発生させる定電流源２３０と、アナログ電圧信号をデジタル値に変換するためのアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２４０と、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２４０の基準電圧発生のための基準抵抗２５０と、制御モジュール３００との絶縁のための入力絶縁部２６０等を含んでなる。

入力絶縁部２６０は、例えば、オプトカプラ（Ｏｐｔｏ Ｃｏｕｐｌｅｒ）からなることが好ましく、入力モジュール２００と制御モジュール３００を絶縁する機能をする。即ち、入力絶縁部２６０は、温度測定装置の信頼性のためのものであって、入力モジュール２００と制御モジュール３００との間でノイズ（Ｎｏｉｓｅ）、サージ電流（Ｓｕｒｇｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ）及びサージ電圧（Ｓｕｒｇｅ Ｖｏｌｔａｇｅ）等を遮断する役割を果たす。

アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２４０の基準電圧入力端子２７０を通して印加される基準電圧（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｖｏｌｔａｇｅ）（Ｖｒｅｆ）は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２４０が受け入れることのできる入力信号の範囲を決定する。

ところで、熱電対１００で発生する起電力は、数μＶ〜数十ｍＶの大きさでこのようなアナログ電圧信号をデジタル値に変換するためには、入力信号を増幅しなければならない。このような増幅回路が図示されてはいないが、これは、一般に、入力端子２１０とアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２４０との間に位置することが好ましく、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２４０の内部に含まれてもよい。

制御モジュール３００は、入力モジュール２００で変換された測定温度値と既設定された目標値とを比較してＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御するモジュールである。この制御モジュール３００は、外部（例えば、ＰＬＣ ＣＰＵ等）から既設定されたパラメータの伝達を受けるインターフェース部３１０と、入力モジュール２００で変換された測定温度値と既設定された目標値でＰＩＤ制御を行い、調整値を演算するＰＩＤ演算部３２０と、既設定されたパラメータ及び調整値を格納するメモリ３３０と、既設定されたパラメータを利用して入力モジュール２００に入力される信号の種類を判断し、この信号の種類によって入力モジュール２００が入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するように制御し、ＰＩＤ演算部３２０が演算した調整値及び既設定されたパラメータを利用してＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号を生成し、このＰＷＭ制御信号を出力モジュール４００に伝達して、出力モジュール４００が調整値を外部に出力することを制御する制御部３４０等を含んでなる。

ここで、インターフェース部３１０は、例えば、ＰＬＣ ＣＰＵとデータ通信を行い、温度測定装置の運転に必要な予め設定されたパラメータの伝達を受ける。このとき、既設定されたパラメータには、入力パラメータ、制御パラメータ、出力パラメータ等がある。

入力パラメータには、温度測定対象装置の入力センサタイプに関する情報が含まれており、制御パラメータは、ＰＩＤ制御に必要なＰＩＤ設定係数等の情報が含まれている。また、出力パラメータには、加熱出力または冷却出力等の出力種類に関する情報と、アナログ出力またはオン／オフ出力等の出力形態に関する情報が含まれている。

ＰＩＤ演算部３２０は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２４０で変換されたデジタル値、即ち、測定値と既設定された目標値とを比較した後、測定値と目標値に差がある場合、測定値が目標値となるようにする調整値を演算するＰＩＤ演算を行う。

メモリ３３０は、インターフェース部３１０が伝達を受けた既設定されたパラメータを格納し、ＰＩＤ演算部３２０が演算した調整値を格納する。

制御部３４０は、インターフェース部３１０が伝達を受けた既設定されたパラメータの中で入力パラメータを利用して入力モジュール２００に入力される信号の種類を判断する。そして、制御部３４０は、入力モジュール２００に入力される信号の種類によって、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２４０の動作を制御するＡ／Ｄ変換制御信号を生成する。

また、制御部３４０は、測定値と目標値とを比較してＰＩＤ演算を行うようにＰＩＤ演算部３２０を制御し、ＰＩＤ演算部３２０で演算された調整値をメモリ３３０に格納する。

また、制御部３４０は、ＰＩＤ演算部３２０の調整値に対するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号を発生して出力モジュール４００に伝達する。このとき、ＰＷＭ制御信号には、出力種類に関する情報と出力形態に関する情報が含まれる。

出力モジュール４００は、制御モジュール３００の制御によってＰＩＤ制御の結果値を外部に出力するモジュールである。出力モジュール４００は、制御モジュール３００と出力モジュール４００を絶縁する出力絶縁部４１０と、ＰＷＭ制御信号によって演算処理された調整値を外部に出力する出力部４２０等を含んでなる。このとき、出力部４２０には、冷却出力のための結線及び加熱出力のための結線が形成される。

このとき、出力絶縁部４１０は、入力絶縁部２６０と同様にオプトカプラ（Ｏｐｔｏ Ｃｏｕｐｌｅｒ）からなることが好ましく、制御モジュール３００と出力モジュール４００を絶縁する機能をして温度制御装置の信頼性を確保する。

また、出力部４２０は、ＰＷＭ制御信号に含まれた出力形態に関する情報によって、アナログ出力またはオン／オフ出力の形態で出力することができる。また、ＰＷＭ制御信号に含まれた出力種類に関する情報によって、加熱出力のための結線または冷却出力のための結線で出力することができる。

上述のように構成された熱電対１００を用いた温度測定装置は、基準接点補償のためにサーミスタ２２０で測定された温度値を利用する。負（−）の温度係数を有するＮＴＣサーミスタ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）は、図２及び図３に示されたように、２端子部品であって、部品の表面温度（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）変化に相応する抵抗（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）変化を伴う部品である。

このようなサーミスタの温度変化は、外部的な要因と内部的な要因により発生する。外部的な要因は、サーミスタ周辺の温度変化であり、内部的な要因は、素子を通過する電流から生成される熱による温度変化である。この二つの要因の組み合わせが、サーミスタの温度変化を発生させる要因となる。ＮＴＣサーミスタは、マンガン、ニッケル、コバルト、銅、鉄等のような金属酸化物を用いて製造される。

また、サーミスタは、約２５℃を基準として約−３〜−６％／℃の抵抗変化を示し、このような抵抗と温度の関係は、図２に示されたように、近似的な指数型カーブに従っている。ＮＴＣサーミスタのカーブを表現する一つの方法は、固定された温度で抵抗対温度カーブの傾きを測定することであり、定義によって抵抗の温度係数（α）は下記のような数式で与えられる。

ここで、Ｔは、温度（℃またはＫ）、Ｒは、温度Ｔでの抵抗である。

図２に示されたように、ＮＴＣカーブで最も急激な傾きを示す区間は低温領域であり、ＮＴＣサーミスタの構成物質によって差はあるが、約−４０℃での温度係数は、約−８％／℃だけ高くなる。そして、ＮＴＣカーブの平坦な区間は高温領域で発生し、約３００℃では、約１％／℃未満の抵抗変化が示される。

このとき、温度係数（α）は、ＮＴＣカーブの相対傾きを比較するのに用いられ得るが、これは、同一温度で温度係数（α）を比較するのに重要な要素となる。即ち、温度係数（α）は、動作温度範囲で幅広い変化を示すので、サーミスタ製造会社では、これを提示して使用者が変動可能な温度範囲を分かるようにする。

通常、サーミスタの抵抗値は、特定温度で変動可能な抵抗変動範囲の中間値を基準に決定する。基本的に低温及び高温区間で非線形的な特性があるサーミスタは、上述した外部的な要因と内部的な要因により温度変化を感知し、これは、実際に作製された温度制御器のハードウェア特性と密接な関係を結ぶようになる。

従って、サーミスタ製造会社で提供するサーミスタの抵抗値を基準に温度補償を施行するようになると、周辺の温度変化とハードウェア特性によって変動し得る抵抗値変化を反映することができない。それゆえ、周辺の温度によってその補償誤差が変わる現象が発生する蓋然性が高くなる。

図４は、本発明の一実施形態に係る熱電対を用いた温度測定装置の動作を説明するための全体的なフローチャートである。

図４を参照すると、先ず、使用者から温度制御に必要なパラメータの伝達を受ける（Ｓ１００）。その後、各チャネル（Ｃｈａｎｎｅｌ）に連結された熱電対１００または基準接点補償のためのチャネルを選択する（Ｓ１０１）。

ステップＳ１０１で選択したチャネルが初めて熱電対変換を行ったか、または最後のチャネルを通して熱電対変換がなされたかを判断する（Ｓ１０２）。仮に、熱電対変換が初めて行ったか、または最後のチャネルを通して熱電対変換がなされたら、基準接点補償のための変換を行う（Ｓ１０３及びＳ１０４）。

以後、熱電対チャネルの変換を行う（Ｓ１０５〜Ｓ１０７）。ここで変更された基準接点デジタルカウントを適用して（Ｓ１０８）、基準接点補償された最終温度が温度ドリフトに補正された特性を示すようにすることが、従来の技術との最も大きな相違点であるが、これは、後で詳述する。

次に、基準接点／熱電対デジタルカウントを合算し（Ｓ１０９）、合算されたカウントを温度テーブルで検索する（Ｓ１１０）。温度計測の最後のステップで、基準接点補償がなされた温度を制御部３４０（図１参照）に伝達した後（Ｓ１１１）、温度制御モジュールの場合、ＰＩＤ制御を行うか（Ｓ１１２）、または単純計測モジュールの場合、このプロセスは省略される。

ここで、基準接点デジタルカウント補正（Ｓ１０８）がなされるためには、補正された基準接点テーブルが算出できなければならない。これは、基準接点補償プロセスで計測回路が有している温度ドリフト補正を共に行うためのものであり、別途の温度センサの組み込みなしに基準接点補償だけで温度ドリフト補正を共に行うためのものである。

先ず、設計された計測回路の温度ドリフト特性を把握するために、恒温恒湿器のような装置を利用して一定の計測温度が周辺の温度変化によってどのようなプロファイル（Ｐｒｏｆｉｌｅ）で示されるかを検出する。

図５は、本発明の一実施形態に適用された熱電対の周囲の温度変化による計測温度変化（補正前）を示したグラフであり、図６は、本発明の一実施形態に適用された熱電対の周囲の温度変化による計測温度変化（補正後）を示したグラフである。

図５を参照すると、熱電対１００（図１参照）の周囲の温度変化による計測温度変化（補正前）は、常温（２５℃）で２０℃の温度を計測している。しかし、周辺の温度が−１０℃に下がると、測定温度は２４℃と高くなり、周辺の温度が６０℃に上がると、測定温度は１６℃と低くなる。

即ち、実際に変動する温度幅は、回路と機構の構造や構成によって変わるが、通常は、このようなプロファイル（Ｐｒｏｆｉｌｅ）を有するようになり、理想的な場合、周囲の温度の変化と関係なく２０℃の計測温度を維持（図５の点線）するようになる。

一方、図６を参照すると、熱電対１００（図１参照）の周囲の温度変化による計測温度変化（補正後）は、本発明の一実施形態によって補正された基準接点温度テーブルを適用したものである。即ち、本発明は、実際に計測された温度ができる限り理想的な計測値に近い形態で示されるようにするものである。

先ず、基準接点補償に適用されるサーミスタ２２０（図１参照）の抵抗値誤差は、前述した図２のように表現される。これを通して全体ハードウェアに対する温度ドリフト補正を行うためには、周辺の温度が低温である区間では、抵抗値変化を一定部分削減して反映し、高温である区間では、抵抗値変化を一定部分追加して反映する。前述した図３では、図２に示したＹ軸抵抗の代わりにＡ／Ｄ変換カウントを代入して示した。

図７は、本発明の一実施形態に係る熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法を説明するための全体的なフローチャートであり、図８は、図７の補正係数が１．１であるとき、ステップ別の実際の計算を示した表である。

図７及び図８を参照すると、本発明の一実施形態に係る熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法は、先ず、サーミスタ製造会社で提供したサーミスタ２２０（図１参照）のＲＴ（抵抗−温度）テーブルを作成する（Ｓ２００）。

以後、計測回路で設計された定電流源２３０（図１参照）によりサーミスタ２２０で発生するアナログ電圧を取得して計算した後（Ｓ２０１）、ステップＳ２０１で取得されたアナログ電圧をＡ／Ｄ変換器２４０（図１参照）で測定されるデジタルカウント値に変換する（Ｓ２０２）。

その後、ステップＳ２００で作成したサーミスタの温度による抵抗値を示したＲＴテーブルでの各温度と既設定された常温の基準温度（好ましくは、２０℃〜３０℃の範囲、さらに好ましくは、約２５℃程度）との温度差を算出する（Ｓ２０３）。

次に、補正係数を決定（調整）するが（Ｓ２０４）、補正係数は、温度ドリフトの差に比例して設定されることが好ましく、約０．５〜１．５の範囲でなされ得る。

以後、ステップＳ２０３で算出された温度差絶対値とステップＳ２０４で既設定された補正係数を乗じて補正因子を算出する（Ｓ２０５）。

その後、補正されたデジタルカウントを生成する（Ｓ２０６）。即ち、既設定された常温の基準温度に基づいてステップＳ２０２で変換されたデジタルカウントとステップＳ２０５で算出された補正因子を利用して補正されたデジタルカウントを算出する。

このとき、補正されたデジタルカウントは、下記の式１により算出され得る。
補正されたデジタルカウント＝変換されたデジタルカウント×（１００＋補正因子）％ ・・・（式１）

仮に、０℃より小さい温度（低温）でサーミスタ２２０の実際の計測温度が理想的な計測温度より高く、０℃より大きい温度（高温）でサーミスタ２２０の実際の計測温度が理想的な計測温度より低いとき、サーミスタ２２０の温度が既設定された常温の基準温度（好ましくは、２０℃〜３０℃の範囲）（さらに好ましくは、約２５℃程度）より低い場合には、補正因子は、マイナス（−）の符号を適用し、サーミスタ２２０の温度が既設定された常温の基準温度より高い場合には、補正因子は、プラス（＋）の符号を適用し、サーミスタ２２０の温度が既設定された常温の基準温度と同一である場合には、補正因子は、「０」を適用することが好ましい。

以後、周囲の温度変化による計測温度変化を測定した後（Ｓ２０７）、計測温度目標値以内であるかを判断し（Ｓ２０８）、計測温度目標値以内ではない場合、ステップＳ２０４に戻り、補正係数を調整する。

最後に、ステップＳ２０６で補正されたデジタルカウントに該当するサーミスタの温度を利用し、基準接点補償を通して熱電対１００の温度を最終的に測定する（図４のＳ１０９〜Ｓ１１０参照）。

図９は、本発明の他の実施形態に適用された熱電対の周囲の温度変化による計測温度変化を示したグラフである。

前述した図５においては、周囲の温度変化による計測温度プロファイル（Ｐｒｏｆｉｌｅ）が低温（０℃以下）では理想的な計測温度より高く計測され、高温（０℃以上）では理想的な計測温度より低く計測されるハードウェアを例示として記述した。しかし、図９に示すように、本発明の一実施形態において示された温度プロファイル（Ｐｒｏｆｉｌｅ）とは正反対の場合も発生し得る。

即ち、周囲の温度変化による計測温度プロファイル（Ｐｒｏｆｉｌｅ）が低温（０℃以下）では理想的な計測温度より低く計測され、高温（０℃以上）では理想的な計測温度より高く計測されるとき、前述した図７の補正されたデジタルカウントを生成するステップ（Ｓ２０６）で補正因子の符号がステップＳ２０６に示されたものとは反対になるはずである。

例えば、０℃より小さい温度（低温）でサーミスタの実際の計測温度が理想的な計測温度より低く、０℃より大きい温度（高温）でサーミスタの実際の計測温度が理想的な計測温度より高いとき、サーミスタの温度が既設定された常温の基準温度（好ましくは、２０℃〜３０℃の範囲）（さらに好ましくは、約２５℃程度）より低い場合には、補正因子は、プラス（＋）の符号を適用し、サーミスタの温度が既設定された常温の基準温度より高い場合には、補正因子は、マイナス（−）の符号を適用し、サーミスタの温度が既設定された常温の基準温度と同一である場合には、補正因子は、「０」を適用することができる。

前述したように、本発明は、熱電対を用いた温度測定装置において、基準接点補償に必要なサーミスタを利用して、基準接点補償だけでなく、温度ドリフトまでも補償する方法を提示している。

精密な計測回路であっても、温度ドリフトによる誤差は発生する。本発明においては、温度ドリフトによる計測温度のプロファイル（Ｐｒｏｆｉｌｅ）を試験により抽出し、それを基準接点補償プロセスを通して修正することで、付加的な部品や回路を用いることなく熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正を可能とした。図５から図６において、理想的な計測温度に近似した結果となる本発明の効果を示した。

また、本発明においては、従来の熱電対を用いた温度測定装置において行われていた計測信号処理手順をそのまま順守した。単に、図４のステップＳ１０８のプロセスで適用される基準接点補償テーブルだけを変更し、図７においては、基準接点補償テーブルに用いられるカウントをどのような手順により生成するかを示した。

また、本発明は、別途の部品やハードウェアの変更を要求しないので、新たに熱電対を用いた温度測定装置を設計するステップで適用することができる。それだけでなく、既存に作られた熱電対を用いた温度測定装置でも試験を通したファームウェアの変更で温度ドリフト補正効果を実現することができるという長所を有する。

また、本発明において最も重要なプロセスは、図７の補正係数決定プロセス（Ｓ２０４）であり、試行錯誤法（Ｔｒｉａｌ ａｎｄ Ｅｒｒｏｒ Ｍｅｔｈｏｄ）を通して適切な係数を見出すことができる。このように決定された補正係数を適用することにより、周囲の温度変化に強い熱電対を用いた温度測定装置の実現が可能である。また、熱電対を用いた温度測定装置の周辺の温度が大きく変化する環境でも安定した計測を可能とするので、熱電対信号変換の品質を高める効果を奏するようになる。

また、熱電対１００は、その種類が多様（例えば、Ｂ、Ｒ、Ｓ、Ｋ、Ｅ、Ｊ、Ｔ、Ｎ等）であり、センサ別に温度ドリフトの影響が異なり得るので、本発明において提示した方法を通して特定熱電対に適した補正カウントテーブルを抽出することもできる。

また、通常、熱電対を用いた温度測定装置の精度は、使用可能な温度区間で常温と常温外の温度区間に分けざるをえない。従って、常温と常温外の温度区間の精度を分けて表記するか、または温度係数を別に表記して、温度ドリフトによる計測誤差がどれほど発生し得るかを使用者に提示するようになる。

また、本発明を通して、常温外の温度区間の精度や温度係数を向上させることができ、場合によっては、常温水準の精度に近接させる結果をもたらすこともある。万一、常温外の温度区間の精度を常温水準に向上させることができれば、これは、熱電対を用いた温度測定装置を使用する使用者に大きな利点になるだろう。

また他の具体的な実施形態において、本発明の熱電対１００を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法によると、別途の温度測定素子を備えず、基準接点補償のためのサーミスタ２２０を利用して基準接点補償だけで温度ドリフトを補正することができる。これによって、周辺の温度が変化した場合でも温度測定装置の温度測定精度が変わらないようにすると共に、作製コストを効果的に節減できる利点がある。

また、本発明の一実施形態によると、温度ドリフト補正のためにさらなる回路や装置を設けることなく、ファームウェアを通して温度ドリフト現象を修正することができる。また、コスト節減効果と共に既にハードウェアが固定されている製品でも温度ドリフト補正が可能である。また、従来の方法における短所を補完しながらも、モジュールコストを節減することができる。また、既存の構成の複雑性を排除し、熱電対１００を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法として効率的な構成を提示することができる。

前述した本発明に係る熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法に対する好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付の図面の範囲内で種々に変形して実施することが可能であり、これもまた本発明に属する。

１００ 熱電対
２２０ サーミスタ
２３０ 定電流源

Claims (7)

1. 熱電対と基準接点補償のためのサーミスタとを含む温度測定装置の温度ドリフトを補正する基準接点補償方法において、
   定電流源により前記サーミスタのアナログ電圧を取得するステップ；
   前記取得されたアナログ電圧をデジタルカウントに変換するステップ；
   前記サーミスタの温度による抵抗値を示したＲＴテーブルでの各温度と既設定された常温の基準温度との温度差を算出するステップ；
   前記算出された温度差と既設定された補正係数とを乗じて補正因子を算出するステップ；
   前記既設定された常温の基準温度に基づいて前記変換されたデジタルカウントと前記算出された補正因子とを利用して補正されたデジタルカウントを算出するステップ；及び
   前記補正されたデジタルカウントに該当する前記サーミスタの温度を利用し、前記基準接点補償を通して前記熱電対の温度を最終的に測定するステップを含むことを特徴とする、熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法。
2. 前記既設定された常温の基準温度は、２０℃〜３０℃の範囲でなされることを特徴とする、請求項１に記載の熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法。
3. 前記既設定された補正係数は、温度ドリフトの差に比例して設定され、０．５〜１．５の範囲でなされることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法。
4. 前記補正されたデジタルカウントは、下記の式１により算出されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法。
   ［式１］
   補正されたデジタルカウント＝変換されたデジタルカウント×（１００＋補正因子）％
5. ０℃より小さい温度で前記サーミスタの実際の計測温度が理想的な計測温度より高く、０℃より大きい温度で前記サーミスタの実際の計測温度が理想的な計測温度より低いとき、
   前記サーミスタの温度が前記既設定された常温の基準温度より低い場合には、前記補正因子は、マイナスの符号を適用し、前記サーミスタの温度が前記既設定された常温の基準温度より高い場合には、前記補正因子は、プラスの符号を適用し、前記サーミスタの温度が前記既設定された常温の基準温度と同一である場合には、前記補正因子は、零値を適用することを特徴とする、請求項４に記載の熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法。
6. ０℃より小さい温度で前記サーミスタの実際の計測温度が理想的な計測温度より低く、０℃より大きい温度で前記サーミスタの実際の計測温度が理想的な計測温度より高いとき、
   前記サーミスタの温度が前記既設定された常温の基準温度より低い場合には、前記補正因子は、プラスの符号を適用し、前記サーミスタの温度が前記既設定された常温の基準温度より高い場合には、前記補正因子は、マイナスの符号を適用し、前記サーミスタの温度が前記既設定された常温の基準温度と同一である場合には、前記補正因子は、零値を適用することを特徴とする、請求項４または５に記載の熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法。
7. 前記既設定された補正係数は、試行錯誤法を通して調整することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の熱電対を用いた温度測定装置の温度ドリフト補正方法。

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