JP3217814B2 - 熱電対温度計のバーンアウト検出回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は熱電対温度計のバーン
アウト検出回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱電対温度計などに温度センサとして用
いられている熱電対素子は劣化して断線することがあ
り、この断線現象を一般にバーンアウトと称している。
そこでこの種の装置においては熱電対素子が断線してい
るか否かを監視するバーンアウト検出回路を設け、断線
の場合は素子を交換するようにしている。

【０００３】図４に従来の熱電対温度計におけるバーン
アウト検出回路の一例が示されているが、例えば正の直
流電圧源＋Ｖｃｃから抵抗Ｒ３を介して熱電対１に電流
ｉを流し、その電圧降下Ｖｉを同熱電対１の熱起電力Ｖ
ｔに重畳するようにしている。その合成電圧Ｖｘとする
と、 Ｖｘ＝Ｖｔ＋Ｖｉ （１） である。この電圧Ｖｘは増幅器２に加えられる。

【０００４】いま、増幅器２の増幅度をＡとすると、式
（１）の電圧は同増幅器２にてＡ倍され、その出力電圧
は Ａ・Ｖｘ＝Ａ（Ｖｔ＋Ｖｉ） となる。この電圧は例えばＡ／Ｄコンバータ３にてディ
ジタル変換され、測定部４に加えられる。測定部４は上
記Ａ倍されたデータを例えば演算により１／Ａにし、上
記式（１）の値を求めるようになっている。

【０００５】ここで、熱電対１を構成する２つの異種金
属線とそのリード線が有する抵抗をＲ１，Ｒ２とする
と、上記電圧源＋Ｖｃｃから抵抗Ｒ３を介して流れる電
流ｉにより熱電対１に生じる電圧降下Ｖｉは Ｖｉ＝ｉ（Ｒ１＋Ｒ２） ＝｛Ｖｃｃ／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）｝（Ｒ１＋Ｒ２） であるから、合成電圧Ｖｘは Ｖｘ＝Ｖｔ＋Ｖｃｃ（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３） （２） となる。この場合、抵抗Ｒ３の値は通常 Ｒ３》Ｒ１＋Ｒ２ のように設定されているから、熱電対１が正常に動作し
ている場合は式（２）の右辺第２の項分母におけるＲ１
＋Ｒ２を無視すると、 Ｖｘ〓Ｖｔ＋Ｖｃｃ（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ３ （３） とおくことができる。

【０００６】熱電対１が断線した場合には熱起電力Ｖｔ
が発生しないから、 Ｖｔ＝０ である。よって式（２）より Ｖｘ＝Ｖｃｃ（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３） また、素子の抵抗の和Ｒ１＋Ｒ２は断線により無限大と
みなせるから、上式のＲ３を無視すると Ｖｘ〓Ｖｃｃ （４） となる。ここで、増幅器２の出力Ａ・Ｖｃｃが例えばＡ
／Ｄコンバータ３のフルスケール入力電圧以上となるよ
うにすると同Ａ／Ｄコンバータは飽和し、測定部４から
はフルスケールデータ（１１…１）が得られる。このデ
ータを図示しない表示部に表示すれば熱電対１のバーン
アウトを検出することができる。

【０００７】図５には、上記増幅器２の代りに差動増幅
器５を用いた他の例が示されているが、動作は図４の例
と実質的に同じであるからその説明は省略する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のバーンアウ
ト検出回路によると、熱電対の断線等は確実に検出でき
る。しかし、熱電対が正常であって通常の温度測定を行
っている場合には、式（３）に示すように温度測定値Ｖ
ｘに対して右辺第２項が誤差分として入り込む。そのた
め、一般にはＲ３に数百ＫΩ以上の高抵抗を用いて誤差
の減少を図っているが、この誤差は回路構成上必然的に
発生するので無くすることは困難である。また、高抵抗
を用いると誘導等による雑音を拾いやすく好ましくな
い。

【０００９】この発明は上記の事情を考慮してなされた
もので、その目的は、測定誤差が本来発生しないように
構成したバーンアウト検出回路を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明の実施例が示さ
れている図１を参照すると、熱電対１、増幅器２、Ａ／
Ｄコンバータ３、測定部４などは前記従来装置とほぼ同
様に構成され、したがって、同一の参照符号が付されて
いる。この実施例においては、上記課題を解決するため
下記ないしの手段を備えている。

【００１１】 例えば熱電対１の熱起電力Ｖｔにバー
ンアウト検出用の交流電圧Ｖａｃを重畳する交流信号源
６を備えている。

【００１２】 例えば増幅器２の後段を温度測定部７
とバーンアウト信号発生部１０の２つの系にて構成し、
温度測定部７は、上記交流電圧Ｖａｃを除去し熱起電力
Ｖｔを通過させるローパスフィルタ８を備えている。

【００１３】 上記バーンアウト信号発生部１０は、
例えば熱起電力Ｖｔの通過を阻止し交流電圧Ｖａｃを通
過させるコンデンサＣと、同交流電圧Ｖａｃを直流に変
換する整流回路１１と、その整流した直流電圧が所定の
しきい値レベルを超えたとき上記熱電対１の断線を知ら
せる信号を発するコンパレータ１２及び基準電圧源１３
とを備えている。

【００１４】

【作用】上記の手段により熱電対１の熱起電力Ｖｔに
バーンアウト検出用の交流電圧Ｖａｃを重畳すると、増
幅器２に加わる電圧は直流電圧Ｖｔと交流電圧Ｖａｃの
和の電圧となる。ここで増幅器２の増幅度をＡとする
と、同増幅器２の出力側には入力電圧をＡ倍した電圧が
現れる。この場合、温度測定部７には上記の手段によ
りローパスフィルタ７を介して直流の熱起電力Ａ・Ｖｔ
が取り込まれ、測定誤差の要因となる交流電圧が除かれ
る。

【００１５】また、バーンアウト信号発生部１０には、
上記の手段によりコンデンサＣを介して交流電圧Ａ・
Ｖａｃが取り込まれる。熱電対１が正常に動作している
場合には取り込んだ交流電圧Ａ・Ｖａｃは比較的小さい
値であるから、その整流電圧もそれに対応した大きさの
電圧となる。熱電対１が断線した場合には、上記交流電
圧Ｖａｃは交流信号源６の信号源電圧Ｖとほぼ等しくな
り、コンデンサＣを介して取り込まれる電圧はＡ・Ｖと
なる。この電圧は比較的大きい値であり、その整流電圧
もそれに対応した大きさの電圧となる。

【００１６】よって、基準電圧源１３のしきい値電圧Ｖ
ｒｅｆを交流電圧Ａ・Ｖａｃの整流電圧より大きく、か
つ、交流電圧Ａ・Ｖの整流電圧より小さい適当な値に設
定すると、熱電対１が断線した場合にはコンパレータ１
２の出力がＯＮとなり、このＯＮ出力を測定部４へ送る
ことによりバーンアウトを知らせることができる。

【００１７】

【実施例】上記図１において、熱電対１の熱起電力をＶ
ｔ、交流信号源６の信号源電圧をＶ、同信号源６から上
記熱電対１に加える交流電圧をＶａｃとすると、熱起電
力Ｖｔと加えられた交流電圧Ｖａｃとの合成電圧Ｖｘ
は、 Ｖｘ＝Ｖｔ＋Ｖａｃ （５） となる。この場合、加えられた交流電圧Ｖａｃの大きさ
は Ｖａｃ＝Ｖ（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３） であるから、この値を式（５）に代入すると合成電圧Ｖ
ｘは Ｖｘ＝Ｖｔ＋Ｖ（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３） （６） となる。

【００１８】ここで、図２を併せて参照すると、同図
（Ａ）は熱電対１が正常動作の場合で、同図（Ｂ）は断
線の場合である。いま、熱電対１は正常動作をしている
ものとし、上記式（５）の電圧Ｖｘを図２（Ａ）のイに
示す。この合成電圧Ｖｘは例えば増幅器２にてＡ倍に増
幅され、同図２（Ａ）のロに示すようになる。すなわ
ち、 ＡＶｘ＝ＡＶｔ＋ＡＶａｃ （７） 温度測定部７においては、ローパスフィルタ８がこの増
幅出力ＡＶｘから上記したように交流電圧ＡＶａｃを除
去し、直流電圧ＡＶｔを抽出してＡ／Ｄコンバータ３に
加える。その状態を同図２（Ａ）のハに示す。Ａ／Ｄコ
ンバータ３はローパスフィルタ８から加わる電圧ＡＶｔ
を同図（Ａ）のニに示すようにディジタル変換する。た
だし、ニはディジタル変換データをアナログ電圧値に換
算して示してある。測定部４は例えばこのディジタルデ
ータＡＶｔを上記増幅器２の増幅度Ａにより割り算して
熱起電力Ｖｔを求め、この電圧Ｖｔに対応する測定温度
を算出して表示部９に表示する。

【００１９】式（７）に示す増幅器２の出力電圧ＡＶｘ
は、バーンアウト信号発生部１０にも加えられる。この
場合、その直流電圧ＡＶｔはコンデンサＣにより阻止さ
れ、交流電圧ＡＶａｃが同コンデンサＣを通過して図２
（Ａ）のホに示すように整流回路１１へ加えられる。整
流回路１１はこの交流電圧ＡＶａｃを整流して例えば平
均値を表す直流電圧Ｖａに変換する。それを図２（Ａ）
のヘに示す。ここで、基準電圧源１３のしきい値電圧Ｖ
ｒｅｆを同図への点線で示すように上記電圧Ｖａより大
きく設定すると、コンパレータ１２の出力は図２（Ａ）
のトに示すようにオフの状態となる。

【００２０】次に、熱電対１が断線した場合を説明す
る。この場合、熱起電力Ｖｔはゼロであるから、式
（５）より Ｖｘ〓Ｖａｃ また、式（６）は Ｖｘ＝Ｖ（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３） となるが、前記従来例と同様に Ｒ１＋Ｒ２ → ∞ とみなしてＲ３を無視すると Ｖｘ〓Ｖ となる。よって Ｖｘ＝Ｖ＝Ｖａｃ を得る。すなわち、増幅器２の入力電圧Ｖｘは信号源６
の電圧Ｖとなる。この状態を図２（Ｂ）のイに示す。

【００２１】増幅器２はこの電圧ＶａｃをＡ倍して温度
測定部７とバーンアウト信号発生部１０へ送出する。こ
のＡ倍した電圧を同図２（Ｂ）のロに示す。温度測定部
７のローパスフィルタ８はこの増幅電圧ＡＶａｃを除去
するからその出力はゼロ、したがってＡ／Ｄコンバータ
３のディジタルデータもゼロとなる。この状態をそれぞ
れ図２（Ｂ）のハとニに示す。

【００２２】バーンアウト信号発生部１０においては、
上記交流電圧ＡＶａｃがコンデンサＣを通って整流回路
１１に加えられ、例えば平均値を表す直流電圧Ｖａに変
換される。この状態を図２（Ｂ）のホ，ヘに示す。同図
ヘにおいて、直流電圧Ｖａはしきい値電圧Ｖｒｅｆより
十分大きいのでコンパレータ１２はオンとなり、図２
（Ｂ）のトに示すようにその出力側にはＨレベルの電圧
が発生する。このＨレベルの電圧は熱電対１の断線を知
らせるバーンアウト信号として測定部４へ送られ、測定
部４はこの信号を受けると例えば表示部９の図示しない
表示器に熱電対１が断線であることを表示させるように
なっている。あるいはバーンアウト表示用のランプなど
を点灯させるようにしてもよい。

【００２３】図３には、前記図５の従来例にならって差
動増幅器５を用いた他の実施例が示されているが、各部
の動作は上記図１の場合と同様であるからその説明は省
略する。

【００２４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したようにこの発明に
おいては、熱電対１の断線等を検出するため例えば交流
信号源６から上記熱電対１へ所定レベルの交流電圧Ｖａ
ｃを加え、同熱電対１の直流熱起電力Ｖｔと加えた交流
電圧Ｖａｃとの合成電圧Ｖｘから一方の上記直流電圧Ｖ
ｔを分離抽出して測定する温度測定部７と、上記合成電
圧Ｖｘから他方の上記交流電圧Ｖａｃを分離抽出してそ
のレベルが所定のしきい値電圧以下であるか否かを監視
し、該しきい値電圧を超えると上記温度測定部７へ警告
の出力を発するバーンアウト信号発生部１０とを備えて
いる。

【００２５】したがって、この発明によると、温度測定
部７内は熱起電力Ｖｔのみに関連した信号となり、誤差
要因となる他の信号成分が入り込まないため高精度で温
度を測定することができる。また、バーンアウト信号発
生部１０内は上記交流電圧Ｖａｃのみに関連した信号と
なるので、熱電対１の断線等により交流電圧Ｖａｃが増
大した場合にはそれを確実に検出してバーンアウト信号
を送出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を適用した装置例の電気的構成を示す
ブロック線図。

【図２】上記装置例における各部の動作説明用信号波形
図。

【図３】この発明を適用した他の装置例の電気的構成を
示すブロック線図。

【図４】従来装置の電気的構成を示すブロック線図。

【図５】従来装置の他の例における電気的構成を示すブ
ロック線図。

【符号の説明】

１ 熱電対 ３ Ａ／Ｄコンバータ ４ 測定部 ６ 交流信号源 ７ 温度測定部 ８ ローパスフィルタ ９ 表示部 １０ バーンアウト信号発生部 １１ 整流回路 １２ コンパレータ １３ 基準電圧源 Ｃ コンデンサ Ｖａ 整流直流電圧 Ｖａｃ 分圧交流電圧 Ｖｒｅｆ しきい値電圧 Ｖｔ 熱起電力

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱電対１を温度センサとし、その発生す
   る熱起電力Ｖｔのディジタル変換データに基づいて温度
   を測定するとともに、一定電圧を有する電圧源から上記
   熱電対１の出力側端子に所定の分圧電圧を加え、同端子
   間の電圧増大により上記熱電対１の断線を検出して表示
   する熱電対温度計のバーンアウト検出回路において、 上記熱電対１に抵抗Ｒ３を介して交流の分圧電圧Ｖａｃ
   を加える交流信号源６と、 上記熱電対１の熱起電力Ｖｔと上記交流信号源６から加
   えた交流電圧Ｖａｃとの合成電圧から、ローパスフィル
   タ８を含み上記熱起電力Ｖｔを分離抽出してディジタル
   変換し温度を測定するＡ／Ｄコンバータ３及び測定部４
   を有する温度測定部７と、 上記熱起電力Ｖｔと交流電圧Ｖａｃとの合成電圧からそ
   の交流電圧Ｖａｃを分離抽出するコンデンサＣと、該抽
   出した交流電圧Ｖａｃを整流して直流電圧Ｖａに変換す
   る整流回路１１と、所定のしきい値電圧Ｖｒｅｆを有
   し、上記直流電圧Ｖａを同しきい値電圧Ｖｒｅｆと比較
   して直流電圧Ｖａがしきい値電圧Ｖｒｅｆを超えたとき
   上記測定部４へ出力を送出するコンパレータ１２とを備
   えたバーンアウト信号発生部１０と、 上記測定部４がコンパレータ１２からの出力を受けて発
   する指令信号により上記熱電対１の断線を表示する表示
   部９とを備えていることを特徴とする熱電対温度計のバ
   ーンアウト検出回路。