JP4300406B2

JP4300406B2 - 基準接点温度測定装置

Info

Publication number: JP4300406B2
Application number: JP2003073575A
Authority: JP
Inventors: 賢山本; 義雄田中
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-03-18
Also published as: JP2004279311A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電温度計における基準接点温度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロセスの温度を測定する熱電対を温度センサとするモジュールについては非特許文献に記載されている。
【０００３】
【非特許文献】
横河電機（株）発行のＧＳ（General Specification）
ＧＳ３４Ｍ６Ｈ１１−０１１９９９年６月,第１０版,１３頁
F3T04-0N, F3T04-1N温度調節・モニタモジュール（熱電対,mV入力）
【０００４】
図５は、非特許文献に記載されている熱電対を温度センサとするモジュールの側面図である。１はプロセスの温度を測定する熱電対であり、異種の金属１ａ,１ｂの一端をｎ点で接合し他端をｍ点で開放するとｎ点の温度とｍ点の温度差により熱起電力Ｅｉが発生する。ｍ点は基準接点（又は冷接点）と呼ばれ、この温度を一定（例えば０℃）としたときの熱起電力Ｅｉに基づいてｎ点の測定温度Ｔを知ることができる。
【０００５】
具体的な計装では、熱起電力Ｅｉは、熱起電力の発生しない同種金属の導線２ａ,２ｂを介してモジュールの端子基板３に設けられた入力端子３ａ,３ｂに入力され、入力端子の脚部４を介してプリント基板５の電子回路に導かれる。ｍ点の基準接点温度は、入力端子３ａ,３ｂの温度として測定され、熱起電力Ｅｉを補正演算することで熱電対の測定温度Ｔを推定演算する。
【０００６】
図６は入力端子３ａ部分の断面図であり、入力端子３ａが脚部４を介してプリント基板５に接続される構造を示している。
図７は、端子基板３の正面図であり、熱電対導線はＩＮ１,ＩＮ２及びＩＮ３,ＩＮ４で表示されている２組の入力端子に接続可能である。
【０００７】
入力端子３ａ,３ｂの温度を測定する温度センサは、できるだけ入力端子に近く温度差のない場所に設置する必要から、入力端子に隣接する端子を利用してこれに温度センサを取り付ける構成が取られている。
図７において、６及び７は入力端子ＩＮ１,ＩＮ２及びＩＮ３,ＩＮ４近傍の端子に取り付けられた温度センサである。これら温度センサの測定値で入力端子の温度を推定し、これを基準接点温度とする演算が実行される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成では以下のような問題点がある。
（１）端子基板３は、熱電対導線接続用の入力端子の他に、端子温度を測定するための温度センサ６,７を取り付けるための端子を必要とし、端子数資源の有効利用上効率的でない。
（２）端子基板３の全体温度が一様であることが必要であるが、端子基板を縦に配置した場合には温度分布が発生している。これを補正するために、ある条件での端子間の温度差を補正値とした演算が行なわれているが、条件が異なる場合には、十分な補正が困難である。
【０００９】
本発明の目的は、入力端子温度を推定演算するための温度センサを端子基板に取り付ける必要がなく、周囲温度変化に対して高精度の補正可能な基準接点温度測定装置を提供することにある。
【００１０】
このような目的を達成するための本発明の構成は次の通りである。
（１）熱電対導線が接続される入力端子の温度Ｔ１１を演算するための基準接点温度測定装置において、
前記入力端子の脚部温度Ｔ１２を測定する第１の温度センサと、
前記入力端子の周囲温度Ｔａを測定する第２の温度センサと、
前記周囲温度Ｔａをフィルタ演算で得た値ｈ（Ｔａ）を用い、（Ｔ１２−ｈ（Ｔａ））を変数として関数演算した値を前記脚部温度Ｔ１２から減じで前記入力端子の温度Ｔ１１を求める演算手段と、
を有し、
前記フィルタ演算は、１次遅れ演算であり、前記周囲温度Ｔａ並びに前記脚部温度Ｔ１２の双方に対して実行され、
前記（Ｔ１２−ｈ（Ｔａ））を変数とした関数の演算式は、
ｆ（Ｔ１２−ｈ（Ｔａ））＝ａ(Ｔ１２−ｈ（Ｔａ）) ^２＋Ｂ(Ｔ１２−ｈ（Ｔａ）)
で表され、定数ａ及びＢの条件は、ａ<0、Ｂ>0であって、
|ａ|<|Ｂ|の条件を満たし、かつ、ａは−１／１００の桁の定数、Ｂは１／１０の桁の定数であることを特徴とする基準接点温度測定装置。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明実施態様を、図面を用いて説明する。図１は本発明を適用した熱電温度計の一例を示す機能ブロック図であり、図７乃至図９の従来装置で説明した要素と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００１５】
図１において、点線のブロック１００は本発明の基準接点温度測定装置である。２００は熱電対測定温度演算手段であり、入力端子３ａ,３ｂに導かれた熱起電力信号Ｅｉ並びに基準接点温度Ｔ１１を入力し、熱電対の測定温度Ｔに対応する電圧Ｅｔを演算して出力する。
【００１６】
基準接点温度測定装置１００において、１０１はサーミスタ等による第１の温度センサであり、入力端子の脚部４に接して配置される、１０２はサーミスタ等による第２の温度センサであり、端子基板３内下部の温度変化の小さい場所に配置され周囲温度を測定する。
【００１７】
１０３及び１０４は温度変換器であり、サーミスタで構成された温度センサ１０２及び１０２の抵抗変化による温度変化を電圧値に変換する。これら温度変換器出力は、Ａ／Ｄ変換回路１０５及び１０６によりディジタル変換され、入力端子の脚部温度Ｔ１２及び周囲温度Ｔａの測定値として基準接点温度演算手段１０７に入力される。
【００１８】
熱電対の導線が接続される入力端子の推定温度Ｔ１１は、
T11＝T12-f(T12-h(Ta))――――――――――――（式１）
なる演算式によって計算することができる。ここで、各係数は以下のとおりである。
T12：熱電対導線が接続される入力端子の脚部４の温度
Ta：周囲温度
f：関数記号、実用的には２次関数
h：関数記号、実用的には１次遅れフィルタ演算
【００１９】
２次関数ｆの具体的な演算例につき説明する。（式１）のf(T12-h(Ta))は、
f(T12-h(Ta))=α(T12−h(Ta))²＋β(T12−h(Ta)) ―――――（式２）
で演算される。定数α,βの条件は、
・α<0、β>0
・|α|<|β| （αは-1/100の桁の定数）
（βは1/10の桁の定数）
（式２）の定数項としてγが付く場合では、正又は負での1/100桁の定数。
【００２０】
１次遅れのフィルタ演算h(Ta)の具体的な演算を、ディジタル処理で実行する例につき説明する。ディジタル処理のために離散化(連続しない式)して示される。
X(n) ：測定値
(ここではTaの温度データ）
Y(n-1)：前回の測定値にフィルタをかけて演算した値
（ここでは、前回演算したh(Ta)のデータ)
Y(n) ：測定値にフィルタをかけて演算する値
（ここでは、次に計算するh(Ta))
ｍ：時定数とサンプリング周期によって決まる数字
（時定数を決めると、ｍが決まる）
（サンプリング周期はあらかじめ設計で決まっている）
に対して、
Y(n)＝｛Y(n-1)×(ｍ-1)＋X(n)｝／ｍ―――――（式３）
の演算を実行する。（式３）は１次遅れ特性を持つ一般式である。
【００２１】
基準接点温度演算手段１０７は、測定された温度Ｔ１２及びＴａに基づいて前記（式１）を演算し、入力端子の推定温度Ｔ１１を熱電対測定温度演算手段２００に出力する。熱電対測定温度演算手段２００は、入力端子間の熱起電力信号Ｅｉに対して入力端子の推定温度Ｔ１１により補正演算し、熱電対の測定温度Ｔに対応する電圧Ｅｔを出力する。
【００２２】
上記演算式におけるフィルタ演算の効果につき説明する。モジュールの電源オン後、所定時間内例えば３０分後から測定可能、制御可能という仕様がある場合には、測定のずれが３０分後にある範囲内に入らなければならない。フィルタ演算は、所定時間内の測定温度のずれの収束に有効である。
【００２３】
ここで、仮にフィルタを入れた演算を実行しない場合には、（式１）は
T11＝T12-f(T12-Ta)――――――――――――（式４）
で表される。この式の演算では電源をオンした状態から、モジュール内部の電子部品が温度上昇して安定するまでの間に、熱電対の測定温度Ｔにずれが生じる。
【００２４】
これは電源オン直後からモジュール内部の温度上昇が平衡状態に近づく１時間位の間、熱電対導線が接続される入力端子の温度Ｔ１１の温度上昇分よりも入力端子の脚部の温度Ｔ１２の温度上昇分の方が大きいためである。
【００２５】
即ち、プリント基板上には多数の電子部品等が実装されているため、その温度上昇の影響で基板上に実装される第１の温度センサ１０１による温度Ｔ１２の方が入力端子温度よりも温度上昇が早くなり、入力端子温度Ｔ１１の推定温度が実際の入力端子温度よりも高く計算されてしまうためである。
【００２６】
このとき、周囲温度Ｔａにフィルタ演算を入れると、（式１）のf(T12−h(Ta))の値が、フィルタを入れない（式４）場合の値f(T12−Ta)よりも大きくなる。このため、（式4）のＴ１１は、フィルタを入れることで、フィルタを入れる前よりも小さく計算される。
【００２７】
入力端子温度Ｔ１１が小さく計算されるということは、Ｔ１１が実際の入力端子温度の値に近くなるということである。このことにより、周囲温度Ｔａにフィルタを入れることで、（式４）による入力端子の温度Ｔ１１を実際の入力端子温度に近づけられるため、電源オンからモジュール内部の電子部品が温度上昇して安定するまでの過渡的な状態の間、熱電対の温度測定演算のずれを抑制することができる。
【００２８】
図２は、図１の信号処理の手順を時系列的に示すフローチャートである。
ステップＳ１では、温度センサ１０１及び１０２を実現するサーミスタの温度変化に伴う抵抗値の変化を、電圧としてＡ／Ｄ変換回路で読む。ステップＳ２では、Ａ／Ｄ変換回路の結果から入力端子の脚部温度Ｔ１２及び周囲温度Ｔａを計算する。
【００２９】
ステップＳ３では、計算された周囲温度Ｔａに対して、フィルタ演算ｈ（Ｔａ）を実行する。ステップＳ４では、フィルタ演算後の結果ｈ（Ｔａ）と温度Ｔ１２を（式１）に代入して、入力端子温度Ｔ１１を算出する。ステップＳ５では入力端子温度Ｔ１１の演算結果に基づいて熱電対の測定温度Ｔを算出する。
【００３０】
図３及び図４は、本発明の改善効果を確認するために検証した測定誤差の特性図である。これら例では、熱電対１は０℃を測定しているものとする。
図３は、電源オンからの熱電対の測定温度Ｔのずれを、フィルタのない場合のずれ（点線で示す）とフィルタがある場合のずれ（実線で示す）とを比較したものであり、電源オンからの熱電対の測定温度Ｔのずれが、最大約３０％改善された。フィルタの値を変化させることで、３０％の効果をさらに改善することも可能である。
【００３１】
図４は、周囲温度変化の開始点からの熱電対の測定温度Ｔのずれを、フィルタのない場合のずれ（点線で示す）とフィルタがある場合のずれ（実線で示す）とを比較したものであり、周囲温度が変化する場合でも、測定温度の急激な変化がゆるやかに抑えられることを確認した。
【００３２】
以上説明した実施形態では、周囲温度Ｔａにのみフィルタ演算をしたが、周囲温度Ｔａをフィルタ演算すると共に、入力端子脚部の温度Ｔ１２もフィルタ演算することで、測定温度のずれを更に補正することができる。又、フィルタ演算は１次遅れだけではなく、２次遅れ演算等でも同様の効果が期待できる。
【００３３】
図２で説明した演算フローでは、Ａ／Ｄ変換回路の結果から周囲温度Ｔａを計算し、その計算したＴａをフィルタ演算したが、Ａ／Ｄ変換直後の電圧のデータにフィルタをかけた後、温度のデータに変換しても、同様の効果が得られる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果を期待することができる。
（１）請求項１記載の構成によれば、入力端子の脚部温度センサ及び周囲温度センサを用いることにより、入力端子温度を推定演算するための温度センサを端子基板に取り付ける必要がなく、かつ周囲温度変化に対して高精度の補正可能な基準接点温度測定装置を実現することができる。
（２）請求項２記載の構成によれば、周囲温度センサの出力に対してｎ（ｎ≧１の整数）次遅れフィルタ演算を実行することにより、周囲温度の変化が入力端子温度の演算結果に与える影響を抑制した熱電温度計を容易に実現することができる。
（３）請求項３記載の構成によれば、周囲温度センサ及び脚部温度センサの双方に対してフィルタ演算を実行することにより、周囲温度の変化が端子温度の演算結果に与える影響を更に抑制した熱電温度計を容易に実現することができる。
（４）請求項４記載の構成によれば、（Ｔ１２−ｈ（Ｔａ））を変数とした関数演算に、２次関数を用いることで周囲温度の影響を正確に反映した端子温度の演算が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基準接点温度測定装置を適用した熱電温度計の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】図１における信号処理手順を示すフローチャート図である。
【図３】電源オンからの時間に対して本発明の改善効果を確認するために検証した測定誤差の特性図である。
【図４】周囲温度変化の開始点からの時間に対して発明の改善効果を確認するために検証した測定誤差の特性図である。
【図５】非特許文献に記載されている熱電対を温度センサとするモジュールの側面図である。
【図６】図５における入力端子とプリント基板の接続部を示す断面図である。
【図７】従来の端子温度センサが入力端子に取り付けられモジュールの正面図である。
【符号の説明】
１熱電対
1ａ,1ｂ異種金属
２ａ,２ｂ導線
３端子基板
３ａ,３ｂ入力端子
４入力端子の脚部
１００基準接点温度演算装置
１０１第１温度センサ
１０２第２温度センサ
１０３温度変換器
１０４温度変換器
１０５Ａ／Ｄ変換回路
１０６Ａ／Ｄ変換回路
１０７基準接点温度温度演算手段
２００熱電対測定温度演算手段

Claims

熱電対導線が接続される入力端子の温度Ｔ１１を演算するための基準接点温度測定装置において、
前記入力端子の脚部温度Ｔ１２を測定する第１の温度センサと、
前記入力端子の周囲温度Ｔａを測定する第２の温度センサと、
前記周囲温度Ｔａをフィルタ演算で得た値ｈ（Ｔａ）を用い、（Ｔ１２−ｈ（Ｔａ））を変数として関数演算した値を前記脚部温度Ｔ１２から減じで前記入力端子の温度Ｔ１１を求める演算手段と、
を有し、
前記フィルタ演算は、１次遅れ演算であり、前記周囲温度Ｔａ並びに前記脚部温度Ｔ１２の双方に対して実行され、
前記（Ｔ１２−ｈ（Ｔａ））を変数とした関数の演算式は、
ｆ（Ｔ１２−ｈ（Ｔａ））＝ａ(Ｔ１２−ｈ（Ｔａ）) ^２＋β(Ｔ１２−ｈ（Ｔａ）)
で表され、定数ａ及びＢの条件は、ａ<0、Ｂ>0であって、
|ａ|<|Ｂ|の条件を満たし、かつ、ａは−１／１００の桁の定数、Ｂは１／１０の桁の定数であることを特徴とする基準接点温度測定装置。