JP2023058832A - 温度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配線本数を２本にし、かつ２線式を超える測定精度を実現する。【解決手段】温度測定装置は、測温抵抗体（ＲＴＤ）１０とＲＴＤ１０の一方の端子に一端が接続されたリード線１１とＲＴＤ１０の他方の端子に一端が接続されたリード線１２，１３とからなる３線式温度センサ１と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、変換器２と、配線３，４とから構成される。変換器２は、端子Ｔ２からダイオードＤ２を通って端子Ｔ１に流入する第１の方向に定電流を流したときの端子Ｔ１と端子Ｔ２間の電位差と、端子Ｔ１からダイオードＤ１とＲＴＤ１０とを通って端子Ｔ２に流入する第２の方向に定電流を流したときの端子Ｔ１と端子Ｔ２間の電位差とに基づいてＲＴＤ１０の抵抗値を算出する。【選択図】 図１

Description

本発明は、測温抵抗体を用いて温度を測定する温度測定装置に関するものである。

従来より、温度を測定するセンサとして測温抵抗体（ＲＴＤ：Resistance Temperature Detector）がある。ＲＴＤは、金属または金属酸化物が温度変化によって電気抵抗値が変化する特性を利用して温度を測定するセンサである（非特許文献１参照）。

非特許文献１によると、ＲＴＤには、２線式、３線式などの配線構成が用意されている。図７に２線式ＲＴＤの抵抗値測定回路を示し、図８に３線式ＲＴＤの抵抗値測定回路を示す。図７、図８におけるＬ１～Ｌ３は配線、１０１はオペアンプ、１０２はＡＤ変換器である。オペアンプ１０１は、抵抗Ｒ_REFに一定の電流Ｉ_REFが流れるように出力電圧を制御する。図７、図８の構成では、ＡＤ変換器１０２がＲＴＤ１００の両端の電圧を測定することにより、ＲＴＤ１００の抵抗値を求めることができる。

図７に示す２線式ＲＴＤは、測定回路のＡＤ変換器１０２とＲＴＤ１００が比較的近距離の場合に用いられる。そのため、配線費用が安価という利点があるが、配線Ｌ１，Ｌ２の抵抗の影響を受けるため、補正が必要となり、高精度な測定には不向きである。
一方、図８に示す３線式ＲＴＤでは、ＡＤ変換器１０２の入力がハイインピーダンスで、配線Ｌ１を流れる電流が事実上ゼロになるため、配線Ｌ１の抵抗の影響を除去することができる。３線式ＲＴＤでは、配線Ｌ２の抵抗の影響を受けるが、２線式ＲＴＤの構成と比較すると、配線に起因する測定誤差をおよそ５０％低減することができる。ただし、２線式の場合よりも測定に必要な配線は多くなる。

以上のように、２線式ＲＴＤは、狭い場所での測定が可能であるが、３線式と比較して測定精度が低いという課題があった。一方、３線式ＲＴＤは、高精度な測定が可能であるが、配線が２線式よりも多いので、コストや配線に要する労力がかかると考えられる。
したがって、測定に必要な配線本数が２線式同様で、測定精度が２線式以上であれば、コストや配線に要する労力を削減できることから３線式よりも需要の高い場面が多いと考えられる。しかしながら、このような条件を満たす測定回路は従来知られていなかった。

"ＲＴＤ測定システム設計の基礎"，マキシム・インテグレーテッド，２０１６年，＜https://www.maximintegrated.com/jp/design/technical-documents/app-notes/6/6262.html＞

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、配線本数を２本にすることができ、かつ２線式を超える測定精度を実現することができる温度測定装置を提供することを目的とする。

本発明の温度測定装置は、測温抵抗体と前記測温抵抗体の一方の端子に一端が接続された第１のリード線と前記測温抵抗体の他方の端子に一端が接続された第２、第３のリード線とからなる３線式温度センサと、カソードが前記第１のリード線の他端に接続された第１のダイオードと、アノードが前記第２のリード線の他端に接続された第２のダイオードと、前記測温抵抗体の抵抗値を算出するように構成された変換器と、前記第１のダイオードのアノードおよび前記第２のダイオードのカソードと前記変換器の第１の端子とを接続する第１の配線と、前記第３のリード線の他端と前記変換器の第２の端子とを接続する第２の配線とを備え、前記変換器は、前記第２の端子から前記第２のダイオードを通って前記第１の端子に流入する第１の方向に定電流を流したときの前記第１の端子と前記第２の端子間の第１の電位差と、前記第１の端子から前記第１のダイオードと前記測温抵抗体とを通って前記第２の端子に流入する第２の方向に前記定電流を流したときの前記第１の端子と前記第２の端子間の第２の電位差とに基づいて前記測温抵抗体の抵抗値を算出することを特徴とするものである。

また、本発明の温度測定装置の１構成例において、前記変換器は、定電流源と、前記第１の端子とグラウンドとの間に設けられた第１のスイッチと、前記定電流源の出力端子と前記第１の端子との間に設けられた第２のスイッチと、前記第２の端子とグラウンドとの間に設けられた第３のスイッチと、前記定電流源の出力端子と前記第２の端子との間に設けられた第４のスイッチと、前記第１、第４のスイッチをオン、前記第２、第３のスイッチをオフにして前記定電流源から前記第１の方向に前記定電流を流し、続いて前記第１、第４のスイッチをオフ、前記第２、第３のスイッチをオンにして前記定電流源から前記第２の方向に前記定電流を流すように構成されたスイッチ制御部と、前記第１、第２の電位差を検出するように構成された差動検出部と、前記第１、第２の電位差に基づいて前記測温抵抗体の抵抗値を算出するように構成された抵抗算出部とを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の温度測定装置の１構成例において、前記変換器は、前記測温抵抗体の抵抗値に基づいて前記測温抵抗体の検出温度を算出するように構成された温度算出部を含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、３線式温度センサと変換器との間の配線本数を２線式と同様に２本にすることができ、かつ２線式を超える測定精度を実現することができ、コストや配線に要する労力を削減することができる。

図１は、本発明の実施例に係る温度測定装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施例に係る温度測定装置の測定原理を説明する図である。 図３は、本発明の実施例に係る温度測定装置の測定原理を説明する図である。 図４は、本発明の実施例に係る温度測定装置の動作を説明するフローチャートである。 図５は、本発明の実施例に係る温度測定装置の実装例を示す図である。 図６は、本発明の実施例に係る温度測定装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。 図７は、従来の２線式ＲＴＤの抵抗値測定回路の回路図である。 図８は、従来の３線式ＲＴＤの抵抗値測定回路の回路図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る温度測定装置の構成を示すブロック図である。温度測定装置は、ＲＴＤ１０とＲＴＤ１０の一方の端子に一端が接続されたリード線１１とＲＴＤ１０の他方の端子に一端が接続されたリード線１２，１３とからなる３線式温度センサ１と、カソードがリード線１１の他端に接続されたダイオードＤ１と、アノードがリード線１２の他端に接続されたダイオードＤ２と、変換器２と、ダイオードＤ１のアノードおよびダイオードＤ２のカソードと変換器２の第１の端子Ｔ１とを接続する配線３と、３線式温度センサ１のリード線１３の他端と変換器２の第２の端子Ｔ２とを接続する配線４とから構成される。

変換器２は、端子Ｔ２からダイオードＤ２を通って端子Ｔ１に流入する第１の方向に定電流を流したときの端子Ｔ１と端子Ｔ２間の電位差と、端子Ｔ１からダイオードＤ１とＲＴＤ１０とを通って端子Ｔ２に流入する第２の方向に定電流を流したときの端子Ｔ１と端子Ｔ２間の電位差とを測定する電圧測定部５と、電圧測定部５によって測定された電位差に基づいてＲＴＤ１０の抵抗値を算出する抵抗算出部６と、ＲＴＤ１０の抵抗値に基づいてＲＴＤ１０の検出温度を算出する温度算出部７とから構成される。

電圧測定部５は、定電流源５０と、変換器２の端子Ｔ１とグラウンドとの間に設けられたスイッチＳ１と、定電流源５０の出力端子と端子Ｔ１との間に設けられたスイッチＳ２と、変換器２の端子Ｔ２とグラウンドとの間に設けられたスイッチＳ３と、定電流源５０の出力端子と端子Ｔ２との間に設けられたスイッチＳ４と、スイッチＳ１，Ｓ４をオン、スイッチＳ２，Ｓ３をオフにして定電流源５０から第１の方向に前記定電流を流し、続いてスイッチＳ１，Ｓ４をオフ、スイッチＳ２，Ｓ３をオンにして定電流源５０から第２の方向に定電流を流すスイッチ制御部５１と、端子Ｔ１，Ｔ２間の電位差を検出する差動検出部５２と、検出された電位差をデジタル信号に変換するＡＤ変換器５３とから構成される。

以下、本実施例の測定原理について説明する。３線式温度センサ１は、白金などの金属や金属酸化物からなるＲＴＤ１０と、このＲＴＤ１０の一端に接続されたリード線１１と、ＲＴＤ１０の他端に接続されたリード線１２，１３とを有している。リード線１１，１２，１３は、同じ材質の導線からなり、配線長が等しいため、リード線１１，１２，１３の抵抗値Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７も等しいものと見なすことができる（Ｒ５＝Ｒ６＝Ｒ７）。

［スイッチの状態ａ］
スイッチ制御部５１から出力されるクロック信号Ｎ＿ＣＬＫがＨｉｇｈ、クロック信号Ｐ＿ＣＬＫがＬｏｗの場合、スイッチＳ１がオン、スイッチＳ２がオフ、スイッチＳ３がオフ、スイッチＳ４がオンとなる。この場合、定電流源５０から出力された電流Ｉ１は図２に示す向きに流れる。端子Ｔ１の電圧Ｖ（ＡＤ＿Ｐ）と端子Ｔ２の電圧Ｖ（ＡＤ＿Ｎ）との電位差Ｖａは、次式のようになる。
Ｖａ＝Ｉ１（Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ６＋Ｒ７）＋Ｖｆ２ ・・・（１）

Ｒ６，Ｒ７はリード線１２，１３の抵抗値、Ｒ２，Ｒ３は配線３，４の抵抗値、Ｖｆ２はダイオードＤ２のアノード－カソード間の電圧降下である。Ｖａ＝Ｖ（ＡＤ＿Ｐ）－Ｖ（ＡＤ＿Ｎ）のため、Ｖａ＜０である。

［スイッチの状態ｂ］
スイッチ制御部５１から出力されるクロック信号Ｎ＿ＣＬＫがＬｏｗ、クロック信号Ｐ＿ＣＬＫがＨｉｇｈの場合、スイッチＳ１がオフ、スイッチＳ２がオン、スイッチＳ３がオン、スイッチＳ４がオフとなる。この場合、定電流源５０から出力された電流Ｉ１は図３に示す向きに流れる。端子Ｔ１の電圧Ｖ（ＡＤ＿Ｐ）と端子Ｔ２の電圧Ｖ（ＡＤ＿Ｎ）との電位差Ｖｂは、次式のようになる。
Ｖｂ＝Ｉ１（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ５＋Ｒ７）＋Ｖｆ１ ・・・（２）

Ｒ５はリード線１１の抵抗値、Ｒ１はＲＴＤ１０の抵抗値、Ｖｆ１はダイオードＤ１のアノード－カソード間の電圧降下である。Ｖｂ＝Ｖ（ＡＤ＿Ｐ）－Ｖ（ＡＤ＿Ｎ）のため、Ｖｂ＞０である。

ダイオードＤ１，Ｄ２の特性が揃っていて、ダイオードＤ１，Ｄ２の温度が同一であるとすると、ダイオードＤ１，Ｄ２のアノード－カソード間の電圧降下は同一である（Ｖｆ１＝Ｖｆ２）。電位差ＶａとＶｂは符号が逆なので、Ｖｆ１＝Ｖｆ２のとき、次式が成立する。
Ｖａ＋Ｖｂ＝Ｉ１×Ｒ１ ・・・（３）

したがって、求めるべきＲＴＤ１０の抵抗値Ｒ１は次式のようになる。
Ｒ１＝（Ｖａ＋Ｖｂ）／Ｉ１ ・・・（４）

電流Ｉ１は既知の値なので、電位差Ｖａ，Ｖｂを測定すれば、ＲＴＤ１０の抵抗値Ｒ１を計算できる。
図４は本実施例の温度測定装置の動作を説明するフローチャートである。電圧測定部５のスイッチ制御部５１は、クロック信号Ｎ＿ＣＬＫ，Ｐ＿ＣＬＫを交互にＨｉｇｈにする。電圧測定部５の差動検出部５２は、端子Ｔ１の電圧Ｖ（ＡＤ＿Ｐ）と端子Ｔ２の電圧Ｖ（ＡＤ＿Ｎ）との電位差を検出する。差動検出部５２の例としては例えば差動増幅器がある。

電圧測定部５のＡＤ変換器５３は、クロック信号Ｎ＿ＣＬＫ，Ｐ＿ＣＬＫと同期して差動検出部５２によって検出された電位差Ｖ（ＡＤ＿Ｐ）－Ｖ（ＡＤ＿Ｎ）を取り込んでデジタル信号に変換する。具体的には、ＡＤ変換器５３は、クロック信号Ｎ＿ＣＬＫがＨｉｇｈ、クロック信号Ｐ＿ＣＬＫがＬｏｗで、スイッチＳ１，Ｓ４がオン、スイッチＳ２，Ｓ３がオフのとき（図４ステップＳ１００においてＹＥＳ）、端子Ｔ１の電圧Ｖ（ＡＤ＿Ｐ）と端子Ｔ２の電圧Ｖ（ＡＤ＿Ｎ）との電位差Ｖａ＝Ｖ（ＡＤ＿Ｐ）－Ｖ（ＡＤ＿Ｎ）を取り込んでデジタル信号に変換する（図４ステップＳ１０１）。

また、ＡＤ変換器５３は、クロック信号Ｎ＿ＣＬＫがＬｏｗ、クロック信号Ｐ＿ＣＬＫがＨｉｇｈで、スイッチＳ１，Ｓ４がオフ、スイッチＳ２，Ｓ３がオンのとき（図４ステップＳ１０２においてＹＥＳ）、端子Ｔ１の電圧Ｖ（ＡＤ＿Ｐ）と端子Ｔ２の電圧Ｖ（ＡＤ＿Ｎ）との電位差Ｖｂ＝Ｖ（ＡＤ＿Ｐ）－Ｖ（ＡＤ＿Ｎ）を取り込んでデジタル信号に変換する（図４ステップＳ１０３）。

抵抗算出部６は、電位差Ｖａ，Ｖｂと既知の電流Ｉ１とに基づいて式（４）によりＲＴＤ１０の抵抗値Ｒ１を算出する（図４ステップＳ１０４）。
温度算出部７は、ＲＴＤ１０の抵抗値Ｒ１とＲＴＤ１０の検出温度Ｔとの既知の関係に基づいて、抵抗算出部６による抵抗値Ｒ１の算出結果から検出温度Ｔを算出する（図４ステップＳ１０５）。

温度算出部７は、ＲＴＤ１０の検出温度Ｔの算出結果を出力する（図４ステップＳ１０６）。出力の例としては、例えば検出温度Ｔの表示、検出温度Ｔのデータの外部への送信などがある。

温度測定装置は、例えばユーザから温度測定終了の指示があるまで（図４ステップＳ１０７においてＹＥＳ）、ステップＳ１００～Ｓ１０６の処理を一定時間毎に実施する。

図５は本実施例の温度測定装置の実装例を示す図である。図５のような構造の参考例としては、例えば文献「“シース測温抵抗体（端子箱付き）”，林電工株式会社，２０１２年，＜https://hayashidenko.co.jp/rtd03.html＞」に開示されたものがある。

シース管２００の先端部２０１には、ＲＴＤ１０が封入されている。リード線１１～１３はシース管２００の内部を通って端子台２０２に導かれる。端子台２０２の内部には、ダイオードＤ１，Ｄ２が設けられる。端子台２０２と変換器２との間は配線３，４によって接続される。

本実施例によれば、３線式温度センサ１と変換器２との間の配線本数を２線式と同様に２本にすることができ、かつ２線式を超える測定精度を実現することができ、コストや配線に要する労力を削減することができる。３線式では、３本の配線の抵抗値を等しくする必要があるが、本実施例では配線３，４の抵抗値Ｒ２，Ｒ３が違っていてもよい。

本実施例で説明した抵抗算出部６と温度算出部７とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図６に示す。コンピュータは、ＣＰＵ３００と、記憶装置３０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）３０２とを備えている。

Ｉ／Ｆ３０２には、例えばＡＤ変換器５３等が接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の温度測定方法を実現させるためのプログラムは、記憶装置３０１に格納される。ＣＰＵ３００は、記憶装置３０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、測温抵抗体を用いる温度測定装置に適用することができる。

１…３線式温度センサ、２…変換器、３，４…配線、５…電圧測定部、６…抵抗算出部、７…温度算出部、１０…測温抵抗体、１１～１３…リード線、５０…定電流源、５１…スイッチ制御部、５２…差動検出部、５３…ＡＤ変換器、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード、Ｓ１～Ｓ４…スイッチ。

Claims (3)

1. 測温抵抗体と前記測温抵抗体の一方の端子に一端が接続された第１のリード線と前記測温抵抗体の他方の端子に一端が接続された第２、第３のリード線とからなる３線式温度センサと、
   カソードが前記第１のリード線の他端に接続された第１のダイオードと、
   アノードが前記第２のリード線の他端に接続された第２のダイオードと、
   前記測温抵抗体の抵抗値を算出するように構成された変換器と、
   前記第１のダイオードのアノードおよび前記第２のダイオードのカソードと前記変換器の第１の端子とを接続する第１の配線と、
   前記第３のリード線の他端と前記変換器の第２の端子とを接続する第２の配線とを備え、
   前記変換器は、前記第２の端子から前記第２のダイオードを通って前記第１の端子に流入する第１の方向に定電流を流したときの前記第１の端子と前記第２の端子間の第１の電位差と、前記第１の端子から前記第１のダイオードと前記測温抵抗体とを通って前記第２の端子に流入する第２の方向に前記定電流を流したときの前記第１の端子と前記第２の端子間の第２の電位差とに基づいて前記測温抵抗体の抵抗値を算出することを特徴とする温度測定装置。
2. 請求項１記載の温度測定装置において、
   前記変換器は、
   定電流源と、
   前記第１の端子とグラウンドとの間に設けられた第１のスイッチと、
   前記定電流源の出力端子と前記第１の端子との間に設けられた第２のスイッチと、
   前記第２の端子とグラウンドとの間に設けられた第３のスイッチと、
   前記定電流源の出力端子と前記第２の端子との間に設けられた第４のスイッチと、
   前記第１、第４のスイッチをオン、前記第２、第３のスイッチをオフにして前記定電流源から前記第１の方向に前記定電流を流し、続いて前記第１、第４のスイッチをオフ、前記第２、第３のスイッチをオンにして前記定電流源から前記第２の方向に前記定電流を流すように構成されたスイッチ制御部と、
   前記第１、第２の電位差を検出するように構成された差動検出部と、
   前記第１、第２の電位差に基づいて前記測温抵抗体の抵抗値を算出するように構成された抵抗算出部とを含むことを特徴とする温度測定装置。
3. 請求項１または２記載の温度測定装置において、
   前記変換器は、前記測温抵抗体の抵抗値に基づいて前記測温抵抗体の検出温度を算出するように構成された温度算出部を含むことを特徴とする温度測定装置。

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