JP5081239B2 - 温度測定装置及び測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、接続導線抵抗を補償する原理に基づく熱抵抗器を用いた温度測定用装置及び測定方法に関する。

温度は、多くの場合、電気的な温度センサを用いて測定される。具体的にはＰＴ１０、ＰＴ１００、ＰＴ１０００、ＮＴＣ３０、ＮＴＣ２２などのＲＴＤ（抵抗温度検出器）として知られる熱抵抗器が一般的に使用される。それらは、熱抵抗器を経由し流れる電流が、ＲＴＤの温度と単調に関係するＲＴＤを介する電圧差をもたらす原理に基づいている。

ＲＴＤを用いた温度測定に関すると、ＲＴＤは、少なくともＲＴＤが熱平衡に達するまで、関心のある温度の位置に晒される。その後、既知の電流がＲＴＤを経由し導入される。この電流は、望ましくはＲＴＤの素材のオーム熱から発生する測定誤差を最小化するように比較的小さいことである。この後、ＲＴＤを介し電圧を測定する。抵抗は、既知の電流及び測定電圧から計算され得、その値は、関心のある場所における温度と関係する。

実際にＲＴＤは、多くの場合、物理的にアクセスされ得ない。ＲＴＤは、例えば測定器具から遠隔に配置された腐食性化学薬品溶液の深い所に配置され得る。その結果、電圧測定回路にＲＴＤを接続するためには、一般にリード線が必要である。そのような場合、決定される抵抗は、ＲＴＤ抵抗と拡張されたリード線に関連する導線抵抗との合計である。前記導線抵抗は、特にＰＴ１０、ＰＴ１００及びＰＴ１０００に対し測定誤差をもたらし得る。

接続導線抵抗の悪影響を排除するための一アプローチは、いわゆる４線式接続を適用することである。１組の導線が、電圧測定だけに使用され、一方、別の組の導線が、電流測定を実施する。しかし、この解決策は、配線のための多くの追加費用を生じる。

接続導線抵抗の悪影響を排除するための別のアプローチは、いわゆる３線を適用することである。この実装によると、熱抵抗器は、３つの接続導線によって電圧測定回路に接続される。第３の導線は、導線抵抗の影響を補償することを援助する。しかし、この３線接続導線は、適切な電圧測定回路の使用を必要とする。３線法を実施するために適切な測定装置を構築するための一般的なアプローチは、双対の定電流源を使用することである。しかし、そのような回路の精度は、同一である２つの電流源に多く依存する。２つの同一電流源を得ることに関連する困難を避けるために、一般に単一の電流源を用いる方法が好まれる。

単一の定電流源を用いた適切な電圧測定回路に関する異なる解決策が、提案されている。
例えばＣＮ２６９２６４６は、単一の定電流源及びサブストラクションユニットとして機能する演算増幅器を用いた回路を記載している。しかし、そのような回路は通常、複雑であって回路の測定範囲が比較的限られている。従って、異なる温度範囲又は異なるタイプの熱抵抗器に変更するためには、通常、スイッチ又はジャンパのような回路及び定電流源の調整が必要である。

一方、単純な回路は、測定範囲全体に渡る任意の測定ポイントを完全に補償するよりむしろ、限定された測定範囲のポイントに対する接続導線抵抗の影響を補償し得るに過ぎない。
ＣＮ２６９２６４６

本発明によって解決される技術的課題は、単純な構造、大きい測定範囲を有し、一般に使用される温度測定範囲全体において任意の抵抗値に対し実質的に熱抵抗器タイプに依存せずに接続導線の影響を補償し得る熱抵抗器を用いて、温度を測定するための方法を提供することと、適切な温度測定装置を提供することである。前述の課題を解決するための技術的解決策を独立請求項で記載される特徴を含む温度測定装置及び測定方法によって提供する。本発明の更なる実施形態を更なる従属請求項において開示する。

接続導線抵抗を補償するための原理に基づく本発明による温度測定装置であって、第１の接続導線を介し演算増幅器の第１の入力に接続される第１の端子と、第３の接続導線を介し共通電位、特に接地電位に接続される第２の端子と、また、演算増幅器の第２の入力に第２の導線を介し接続される第２の端子と、を有する熱抵抗器を含んでいて、前記演算増幅器は、出力を有していて、測定される温度に関係する出力信号を伝達する。本装置は、第２の導線が、出力を含む電圧降下増幅器の入力に熱抵抗器の第２の端子を接続し、前記出力が、演算増幅器の第２の入力に第１の抵抗器を介し接続され、演算増幅器の第１の入力及び出力が、該当する場合、第２の抵抗器を介し相互接続されることに特徴付けられる。この構成によって、熱抵抗器を介する電圧降下を制御可能であって、接続導線の抵抗における変化に追随しない。従って、熱抵抗器を経由し流れる電流は、接続導線の抵抗に依存せず、故に接続導線の抵抗が変化したとき、演算増幅器（ＯＰ１）の感度は、熱抵抗器の抵抗に対し変化しない。

発明の装置は、実質的に定電流励起回路に対する定電圧励起回路である。従って、それは、利点として単純な構造、非常に大きい測定範囲を有する。更に、定電圧励起回路は、利点として高レベルの安定性又はあるいは低レベルのドリフトを提供する。同一の回路は、任意の接続のスイッチ又は任意の導線のジャンパなどのいくつかの内部再構成を必要とせずに、ＰＴ１００、ＰＴ１０００及びＮＴＣ３０などの異なるタイプの熱抵抗器を測定可能である。本回路のこの大きい範囲は、一般的に使用される任意の単一の定電流アプローチ又は二重定電流アプローチをかなり超えている。

本発明の第２の実施形態においては、電圧降下増幅器は、利得は２より大きい、特に１０より大きい利得を有する。２より大きい利得は、大きい温度測定の範囲に渡って導線の降下電圧の適切な補償効果を達成するために好まれる。

本発明の好ましい実施例においては、電圧降下増幅器の出力は、演算増幅器の第１の入力に第３の抵抗器を介し接続される。この第３の抵抗器によって、演算増幅器の出力信号における接続導線の抵抗の影響を排除可能である。第１の抵抗器と共に第３の抵抗器が、熱抵抗器（ＲＴＤ）の出力信号と抵抗との間に定義される単調な関数をもたらし、前記出力信号は、接続導線の抵抗に依存しない。出力信号における接続導線の抵抗の影響を完全に補償するために、第３の抵抗器（Ｒ_４）は、実質的には式

に従って設定され、ここで（Ｇ）は、電圧降下増幅器の利得であって、（Ｒ_３）は、第２の抵抗器である。
電圧降下増幅器の出力と、第３の抵抗器を介する演算増幅器の第１の入力との接続によって、第１の抵抗器を介する接続によって与えられるオフセット影響を排除可能である。回路のパラメタ、具体的には第１の抵抗器の抵抗及び第３の抵抗器の抵抗の適切な選定は、出力信号と熱抵抗器の抵抗との間に定義される単調な関係を導き、出力信号は、接続導線の抵抗に依存しない。

本発明の更なる実施形態においては、演算増幅器の第２の入力は、基準電圧電源に第４の抵抗器を介し、接地電位に第５の抵抗器を介し接続される。これは熱抵抗器の励起電圧を定義可能とし、また測定要件を適切に調整可能とする。接続導線の抵抗影響の完全な補償を達成するために、第１の抵抗器（Ｒ７）の抵抗は実質的に、式：

に従って設定され、（Ｇ）は電圧降下増幅器の利得であって、（Ｒ_５）は第４の抵抗器であって、（Ｒ_６）は第５の抵抗器である。
本発明の代替の実施形態においては、演算増幅器の第２の入力は、励起電圧を提供し、内部抵抗を含む励起電圧基準に接続される。望ましくは、第１の抵抗器の抵抗は、実質的に式：

に従って設定され、（Ｇ）は電圧降下増幅器利得であって、（Ｒ_in）は励起電圧基準の内部抵抗である。励起電圧基準は、電圧電源であって、装着された電圧分割器を用いた基準電圧電源と同様に作用する。

本発明の別の実施形態においては、演算増幅器の第１の入力は、特に第６の抵抗器を介し基準電圧電源に接続される。前記電圧電源への接続は、任意の更なる処理の要件、例えばアナログ−デジタル変換器の入力範囲に従って出力信号の範囲を調整可能にする。この場合、接続導線の抵抗の影響を完全に補償するために、第３の抵抗器（Ｒ_４）の抵抗は、実質的に式

に従って設定され、（Ｇ）は電圧降下増幅器の利得であって、（Ｒ_１）は第６の抵抗器であって、（Ｒ_３）は第２の抵抗器である。
本発明の更なる実施形態においては、第１の接続導線は、演算増幅器の第１の入力に第７の抵抗器を介し接続される。この更なる抵抗器を用いて測定装置の出力信号の範囲が、アナログ−デジタル変換などのいくつかの更なる処理ステップの特性に従って調整され得る。

本発明の好ましい実施例においては、演算増幅器の第１の入力は、反転入力であって、演算増幅器の第２の入力は、非反転入力である。この構成においては、演算増幅器は、制御された定数励起電圧を熱抵抗（ＲＴＤ）に提供している。

本発明の好ましい実施例においては、電圧降下増幅器は更に、演算増幅器であって、その反転入力は、第２の導線に接続されていて、その反転入力は、電圧降下増幅器の出力に第８の抵抗器を介し接続されていて、更に演算増幅器もまた、接地電位に第９の抵抗器を介し接続される。従って電圧降下増幅器の利得は、第８及び第９の抵抗器に対し適切な抵抗を選定することによって容易に調整され得る。

更に、前述の実施形態の好ましい実施形態においては、更なる演算増幅器の非反転入力は、第２の導線に第１０の抵抗器を介し接続され、接地電位に第１１の抵抗器を介し接続される。この実施形態が、２つの接続導線だけを用いて使用される場合、これは、利点として演算増幅器の入力を接地電位に接続する配線ブリッジの必要性を排除する。

本発明の好ましい実施例においては、第１の導線及び第３の導線は、望ましくは同一素材から成り、ほとんど同一の抵抗を有する。
好ましい実施例によると、演算増幅器の出力信号は、演算ユニットにデジタル信号を提供し、該当する場合、共通基準電圧電源に接続されるアナログ−デジタル変換ユニットなどの信号処理装置に転送される。このようにして温度計算は、二値化して処理され得る。温度は、具体的に熱抵抗器の抵抗と温度との間の既知の関数関係を含むソフトウェアを使用し、計算され得る。

アナログ−デジタル変換器の基準電圧が基準電圧に接続されるか、又は、双方の電圧が対応する関係である場合、本装置は、基準電圧の変化に感知しなくなり、高精度の測定結果を提供可能である。

本発明による温度測定法は、接続導線抵抗を補償するための原理に基づいていて、演算増幅器の第１の入力に第１の接続導線を介し接続される第１の端子と、共通の電位、特に接地電位にも第３の接続導線を介し接続される第２の端子を有する熱抵抗器を含んでいて、第２の端子は、演算増幅器の第２の入力にも第２の配線を介し接続されていて、演算増幅器は、測定される温度に対応する出力信号を伝達する。本方法は、熱抵抗器の第２の端子の信号が、演算増幅器の第２の入力に第１の抵抗器を介し増幅された信号を送信する電圧降下増幅器に第２の導線を介し送信されることと、演算増幅器の出力信号が、演算増幅器の第１の入力に第２の抵抗器を介し適切なところに供給されることに特徴付けられる。

本発明の好ましい実施例においては、熱抵抗器の第２の端子の信号は、２より大きい、特に１０より大きい利得を有する電圧降下増幅器によって増幅される。
更なる好ましい実施例においては、電圧降下増幅器は、演算増幅器の第１の入力に第３の抵抗器を介し増幅された信号を送信する。

更なる実施形態においては、演算増幅器は、励起電圧を提供し、内部抵抗を含む励起電圧基準によって励起される。
望ましくは、本発明の別の実施形態においては、熱抵抗器は、励起電圧によって駆動され、演算増幅器によって制御される。これによって制御可能であって、望ましくは広い測定範囲に渡って定義されるレベルにおいて、熱抵抗器の感度を維持可能である。

本発明の更なる実施形態においては、中間値は、望ましくは初期段階及び／又はキャリブレーション段階の間、計算され、更なる計算のためにストアされる。利点としてこれは、実質的な定数値の再計算を回避する。更に、望ましくは熱抵抗器（Ｒ_Ｔ）の抵抗は、式：

に従うか、又は第１の接続導線が、演算増幅器の第１の入力に第７の抵抗（Ｒ_２）を介し接続されるとき、式

に従って中間値（Ａ）及び（Ｂ）を用いて計算される。ここで（Ｖ_Ｔ）は、出力信号である。このようにして熱抵抗器（Ｒ_Ｔ）の抵抗値が、高速に効率的に計算され得る。
本発明の特徴及び利点を以下の添付図面に関し説明する。

図１を参照すると、熱抵抗器に関する温度測定装置は、基準電圧（Ｖ_ｒ）を提供するための基準電圧電源（１）、温度（Ｔ）を測定するための熱抵抗器（ＲＴＤ）、（Ｇ）の利得を有する電圧降下増幅器（２）、演算増幅器（ＯＰ１）、第１の抵抗器（Ｒ_７）、第２の抵抗器（Ｒ_３）、第３の抵抗器（Ｒ_４）、第４の抵抗器（Ｒ_５）、第５の抵抗器（Ｒ_６）、第６の抵抗器（Ｒ_１）及び第７の抵抗器（Ｒ_２）を含む。演算増幅器（ＯＰ１）の出力信号（Ｓ_Ｔ）、具体的に（Ｖ_Ｔ）は、アナログ−デジタル変換ユニット（３）に送信され、更に温度値（Ｔ）を計算するための演算ユニット（４）に送信される。

熱抵抗器（ＲＴＤ）は、第１の接続導線（Ｗ１）に接続される第１の端子（ｄ）と第２の接続導線（Ｗ２）及び第３の接続導線（Ｗ３）に接続される端子（ｅ）とを有する。
（Ｒ_ｗ１）、（Ｒ_ｗ２）及び（Ｒ_ｗ３）は、熱抵抗器（ＲＴＤ）を測定装置の処理部に接続する第１、第２及び第３の導線（Ｗ１）、（Ｗ２）及び（Ｗ３）を表す。配線（Ｗ１）、（Ｗ２）、（Ｗ３）が、望ましくは同一素材から成り及び／又は３線すべてに対し、実際に同一の導線抵抗であるＲ_ｗ１＝Ｒ_ｗ２＝Ｒ_ｗ３を導出する同一の長さである。しかし、本発明に関する唯一の要件は、（Ｒ_ｗ１）が実質的に（Ｒ）、（Ｇ）に等しいということである。

演算増幅器（ＯＰ１）は、出力信号（Ｓ_Ｔ）に対応する反転入力（ａ）、非反転入力（ｂ）及び出力電圧（Ｖ_Ｔ）を提供する。演算増幅器（ＯＰ１）の入力バイアス電流は、非常に小さく、一般に無視され得る。

電圧降下増幅器（２）は、入力（ｗ）及び出力（ｃ）、利得（Ｇ）を有する。望ましくは（Ｇ）は、２より大きく、通常１０より大きい。この場合の入力バイアス電流は、やはり非常に小さく、一般に無視され得る。

図２は、本発明の代替実施形態を示し、電圧降下増幅器（２）は、第２の演算増幅器（ＯＰ２）、第８の抵抗器（Ｒ_８）及び第９の抵抗器（Ｒ_９）を含む。第２の演算増幅器（ＯＰ２）の非反転入力は、熱抵抗器（ＲＴＤ）の第２の端子（ｅ）に接続される第２の導線（Ｗ２）の信号用入力（ｗ）として機能する。第８の抵抗器（Ｒ_８）は、第２の演算増幅器（ＯＰ２）の出力及び反転入力に接続されていて、第９の抵抗器（Ｒ_９）は、一端が、第２の演算増幅器（ＯＰ２）の反転入力に接続されていて、他端が接地されている。従って、利得（Ｇ）は、

として表され得る。
再び図１を参照すると熱抵抗器（ＲＴＤ）は、測定される温度（Ｔ）と既知の単調な関数関係を有する抵抗（Ｒ_Ｔ）を有する。熱抵抗器（ＲＴＤ）は、第１の端子（ｄ）及び第２の端子（ｅ）を含んでいて、第１の端子（ｄ）が、第１の導線（Ｗ１）及び第７の抵抗器（Ｒ_２）を介し演算増幅器（ＯＰ１）の反転入力（ａ）に接続され、第２の端子（ｅ）が、第２の導線Ｗ２を介し電圧降下増幅器（２）の入力（ｗ）に接続され、第３の導線（Ｗ３）を介し接地される。代替として第３の導線（Ｗ３）は、共通端子（ｆ）を介し第２の端子（ｅ）に接続され得る。

第６の抵抗器（Ｒ_１）及び第７の抵抗器（Ｒ２）は、測定装置の測定範囲を設定するために使用される。熱抵抗器（ＲＴＤ）の抵抗値（Ｒ_Ｔ）が最大であるとき、抵抗器（Ｒ）は、測定装置の出力電圧（Ｖ_Ｔ）が、アナログ−デジタル変換器（３）の入力電圧の範囲内にずっと留まるような方法で選定される。本回路は、抵抗（Ｒ_Ｔ）の適切な最大値を用いると、第６の抵抗器（Ｒ_１）を用いずに実現され得る。

熱抵抗器（ＲＴＤ）の抵抗値（Ｒ_Ｔ）が最小であるとき、第７の抵抗器（Ｒ２）は、出力電圧（Ｖ_Ｔ）が、アナログ−デジタル変換器（３）の入力電圧の範囲内にずっと留まるような方法で選定される。本回路は、抵抗（Ｒ_Ｔ）の適切な最小限を用いると、抵抗器（Ｒ２）が短絡状態でも実現され得る。

ここからは、抵抗器（Ｒ_１）、更に正確には、抵抗が無限又は（Ｒ_２）の抵抗及び（Ｒ１）の逆方向抵抗双方が０、Ｒ_１ ^−１＝０かつＲ_２＝０であると仮定する。
第４の抵抗器（Ｒ_５）及び第５の抵抗器（Ｒ_６）は、熱抵抗器（ＲＴＤ）の励起電圧を設定するために使用される。第４の抵抗器（Ｒ_５）は、基準電圧電源（１）に接続され、また演算増幅器（ＯＰ１）の非反転入力（ｂ）にも接続される。抵抗器（Ｒ_６）の一端は、演算増幅器（ＯＰ１）の非反転入力（ｂ）に接続され、他端は接地される。

第２の抵抗器（Ｒ_３）は、演算増幅器（ＯＰ１）の出力及び反転入力を介し接続される。
熱抵抗器（ＲＴＤ）の出力電圧（Ｖ_Ｔ）に対応する出力信号と抵抗値（Ｒ_Ｔ）との間に定義される単調な関数関係が存在するので、第３の抵抗器（Ｒ_４）及び第１の抵抗器（Ｒ_７）は、本回路を補償する。第３の抵抗器（Ｒ_４）は、演算増幅器（ＯＰ１）の反転入力に接続され、また電圧降下増幅器（２）の出力（ｃ）にも接続される。第１の抵抗器（Ｒ_７）は、演算増幅器（ＯＰ１）の非反転入力（ｂ）に接続され、また電圧降下増幅器（２）の出力（ｃ）にも接続される。

第３の抵抗器（Ｒ_４）及び第１の抵抗器（Ｒ_７）は、接続導線を介する電圧降下の完全な補償を提供するように選定される。熱抵抗器（ＲＴＤ）の範囲全体に渡る抵抗（Ｒ_Ｔ）値すべての他に、第１、第２及び第３の導線（Ｗ１）、（Ｗ２）、（Ｗ３）の任意の長さに関してもまた、Ｒ_ｗ１＝Ｒ_ｗ３の場合、Ｒ_ｗ１＝Ｒ_ｗ３と仮定の下で完全な補償のための式は、

及び

であって、

及び

による。
ここで（Ｇ）は、電圧降下増幅器（２）の利得である。
本回路は、定電流励起回路と比較すると、非常に簡単な構造を有していて、その結果、温度抵抗器の抵抗及び非線形関係を有する出力信号が、更に詳細に後述する処理又は表示ステップを介し容易に修正され得る。

第１及び第３の抵抗器の（Ｒ_７）及び（Ｒ_４）を選定する背景にある基本的な考えは、測定範囲内の任意の抵抗器（Ｒ_Ｔ）に関し、電流が導線（Ｗ１）及び（Ｗ３）を経由し流れるとき、導線（Ｗ１）及び（Ｗ３）を介する電圧降下（Ｖ_ｗ）が常に等しいと見なされ、（Ｒ_ｗ１）及び（Ｒ_ｗ３）が等しいと見なされることである。導線（Ｒ_ｗ２）を経由する電流は、無視され得る。これは、接続ケーブルの素材又は長さが変化するとき、個々の導線（Ｗ１）及び（Ｗ３）とそれらの抵抗（Ｒ_ｗ１）及び（Ｒ_ｗ３）が同時に変化する事実による。

電圧降下増幅器の利得（Ｇ）及び第１の抵抗器（Ｒ７）の抵抗の選定は、ポイント（ｂ）における電圧（Ｖ_ｂ）が、Ｒ_ｗ１＝Ｒ_Ｗ３＝０を用いたポイント（ｂ）における（Ｖ_ｂｏ）よりも２倍高い電圧（Ｖ_ｗ）であるという結果を有し得る。演算増幅器（ＯＰ１）の基本的特徴は、反転入力（Ｖ_ａ）が、非反転入力（Ｖ_ｂ）に等しいことである。従って、熱抵抗器（ＲＴＤ）を介する電圧降下は、不変を留めており、（Ｒ_ｗ１）及び（Ｒ_Ｗ３）が変化するとき、熱抵抗器（ＲＴＤ）を経由し流れる電流は、変化しない。従って演算増幅器（ＯＰ１）の感度は、抵抗（Ｒ_ｗ１）及び（Ｒ_Ｗ３）が変化する場合、熱抵抗器（ＲＴＤ）の抵抗（Ｒ_Ｔ）に対して変化しない。

しかし、電圧（Ｖｂ）及び電圧（Ｖａ）が変化するとき、演算増幅器（ＯＰ１）の出力は、他の測定がない限りずっと変化に従属する。第３の抵抗器（Ｒ_４）は、そのような影響を完全に排除するために選定される。本回路の第３及び第１の抵抗器（Ｒ_４）、（Ｒ_７）の２つの適切な選定は、熱抵抗器（ＲＴＤ）の出力信号（Ｓ_Ｔ）及び抵抗（Ｒ_Ｔ）との間に定義される単調な関数関係を有し、そしてその結果、更に出力信号（Ｓ_Ｔ）は、（Ｒ_ｗ１）、（Ｒ_ｗ２）及び（Ｒ_Ｗ３）に依存しない。

電圧降下増幅器の出力（ｃ）における電圧（Ｖ_ｃ）は、回路解析で示され得るようにＶ_ｃ＝Ｇ＊Ｖ_ｗ１である。
まず、Ｒ_５６７は、

として表され、ポイント（ｂ）における電流平衡は、

として表され、

の結果に至る。
更にＲ_ｗ１＝Ｒ_ｗ３＝０のため、ポイント（ｂ）における電圧（Ｖ_ｂｏ）は、

として表され得る。
Ｖ_ｂ＝Ｖ_ｂ０＋２Ｖ_ｗ を得るため、その結果は

及び

になる。
第１の抵抗器（Ｒ_７）は、０より大きいので、Ｇ＞２と推定され得る。
従ってＶ_ａ＝Ｖ_ｂが、演算増幅器に関する主な特徴あるため、Ｖ_ｂ＝Ｖ_ｂｏ＋２Ｖ_Ｗである。第７の抵抗器（Ｒ_２）及びＲＴＤを介する電圧降下の合計に変化はなく、（Ｒ_ｗ１）と（Ｒ_ｗ３）とが異なる場合、（Ｒ_Ｔ）と（Ｒ_２）を経由する電流は変化しない。

更に、ポイント（ａ）における電流平衡は、

と考えられる。

とすると、

であって、
Ｖ_ＴがＶ_ｗに依存しない結果に至る。

であって、また、

及び

のため、

と推定され得る。
（Ａ）、（Ｂ）、（Ｒ_２）及び（Ｖ_Ｔ）はすべて、（Ｒ_ｗ１）、（Ｒ_ｗ２）及び（Ｒ_ｗ３）に依存しないように示されている。測定の間、（Ｓ_Ｔ）の二値表現は、（Ｖ_Ｔ）の変換によって取得される。演算ユニット（４）に含まれるソフトウェアが、式：

から熱抵抗器（ＲＴＤ）の抵抗（Ｒ_Ｔ）を計算する。
その後、温度（Ｔ）が、（Ｒ_Ｔ）と温度（Ｔ）との間の既知の関数関係に従って計算される。

アナログ−デジタル変換器（３）の基準電圧（Ｒｅｆ）が、基準電圧（Ｖ_ｒ）に等しい場合か又はそれらが同一ソースと一定比例する場合、本回路は、基準電圧（Ｖ_ｒ）の変化に感知しなくなり、従って高精度の測定結果を提供する。

第６及び第７の抵抗器（Ｒ_１）と（Ｒ_２）の関数は、（Ｖ_Ｔ）を計算するための式から推定され得る。熱抵抗器（ＲＴＤ）の抵抗（Ｒ_Ｔ）が、比較的大きいとき、（Ｖ_Ｔ）が、小さ過ぎないでアナログ−デジタル変換器（３）の入力電圧の範囲にずっと留まるように、更に大きい値（Ｒ_１）が選定され得る。熱抵抗器（ＲＴＤ）の抵抗（Ｒ_Ｔ）が、比較的小さいとき、（Ｖ_Ｔ）が、大き過ぎないでアナログ−デジタル変換器（３）の入力電圧の範囲にずっと留まるように、更に大きい値（Ｒ_２）が選定され得る。

前述のように、熱抵抗器の抵抗（Ｒ_Ｔ）が、適切な最小値を有する場合、抵抗器（Ｒ_２）は、短絡され得る。同様に熱抵抗器（ＲＴＤ）の抵抗（Ｒ_Ｔ）が、適切な最大値を有する場合、抵抗器（Ｒ_１）もまた一般に省略され得る。

図３に示される測定装置の第２の実施形態は、範囲設定抵抗器（Ｒ_２）が、前述の第３及び第１の補償抵抗（Ｒ_４）及び（Ｒ_７）の選定を変更せずに短絡される（Ｒ_２＝０）という点で図１に示される第１の実施形態と異なる。

図４に示される測定装置の第３の実施形態は、範囲設定抵抗器（Ｒ_１）が、省略される（１／Ｒ_１＝０）という点で図１に示される第１の実施形態と異なる。
図５に示される測定装置の第４の実施形態は、抵抗器（Ｒ_１）が省略され、（Ｒ_２）が短絡される（１／Ｒ_１＝０，Ｒ_２＝０）という点で図１に示される第１の実施形態と異なる。

図４及び５に示される実施形態に関し、第３の抵抗器（Ｒ_４）及び第１の抵抗器（Ｒ_７）の選定は、以下：

及び

として表され、

のため、前記式から（Ｒ_Ｔ）及び温度（Ｔ）が、ソフトウェアを使用し計算され得、

の結果に至る。
本発明の第１及び第３の実施形態においては、第７の抵抗器（Ｒ_２）が存在し、（Ｒ_２）が熱抵抗器（ＲＴＤ）の一部と考えられる条件：

の下で励起電圧は、一定になり、ここで、（Ｖ_２Ｔ）は、抵抗器（Ｒ_２）及び（Ｒ_Ｔ）を介する電圧降下の合計である。
本発明の第２及び第４の実施形態においては、（Ｖ_２Ｔ）は、抵抗器（Ｒ_２）が短絡される条件下で（Ｒ_Ｔ）を介する電圧降下となる。

図６は、第１０の抵抗器（Ｒ_１０）及び第１１の抵抗器（Ｒ_１１）を用いた電圧降下増幅器（２）の代替の実施形態を示していて、（Ｒ_１）は、（Ｒ_１０）より非常に大きく、第２の接続導線（Ｗ２）の（Ｒ_ｗ２）及び演算増幅器（ＯＰ２）の非反転入力の入力抵抗は、（Ｒ_１１）より非常に大きい。電圧降下増幅器（２）の利得（Ｇ）は、

となり、上記前提条件下で、

によって近似され得、一方、

は、ほとんど１に等しい。
この実施形態を用いると、第１１の抵抗器（Ｒ_１１）が、接続部として機能するので、センサが２つの導線だけによって接続される場合、電圧降下増幅器（２）の入力接続端子（ｗ）を手動で接地（ＧＮＤ）に接続する必要はない。（Ｒ_１１）が（Ｒ_ｗ２）より非常に大きい必要がある要件が通常、容易に満たされる。従って実際は、抵抗（Ｒ_Ｗ２）が、電圧降下増幅器（２）の利得（Ｇ）にはほとんど全く影響を有しておらず、この実施形態による方法は、ずっと正確である。

図７に示される更なる実施形態においては、回路は、４線構成を用いた温度抵抗器に対して使用される。この場合、導線補償は、３線構成と同様に作用するが、実質的に（Ｒ_ｗ３）と同等である（Ｒ_ｗ１）のような等しい導線抵抗を必要としない利点を有する。これに関し実装は、利得（Ｇ）及び平均増幅器（６）を有する差動増幅器（５）のような更なる装置を必要とする。差動増幅器（５）は、接続導線（Ｗ１）における電圧降下を感知し、電圧降下増幅器（２）は、接続導線（Ｗ３）における電圧降下を感知する。平均増幅器（６）の出力は、Ｇ／２倍した電圧合計に等しくなり、それによって合計は、第１の接続導線（Ｗ１）と第２の接続導線（Ｗ３）との電圧降下になる。更に、倍率が利得要素の（Ｇ１）と（Ｇ２）との平均に調整される場合、電圧降下増幅器（２）の利得及び差動増幅器（５）の利得及びそれらの入力分極は、（Ｇ１）及び（Ｇ２）のように異なり得る。前の式は不変を留めており、結果の精度は、３線構成に関するものと同一である。

図８は、図１の第４の抵抗器（Ｒ_５）及び第５の抵抗器（Ｒ_６）に接続される基準電圧電源（１）と同等である励起電圧基準（７）を用いた本発明の更なる実施形態を示す。励起電圧基準（７）は、Ｖ_ｒ＊Ｒ_６／（Ｒ_６＋Ｒ_５）に等しい励起電圧（Ｖ_ｅｒ）及び１／（１／Ｒ_５＋１／Ｒ_６）に等しい内部抵抗（Ｒ_ｉｎｔ）を提供する。従って、前の計算において値（Ｒ_５６）及び（Ｒ_５６７）が、Ｒ_５６＝Ｒ_ｉｎｔ及びＲ_５６７＝１／（１／Ｒ_ｉｎｔ＋１／Ｒ_７）によって得られる。

いかなる場合でも本回路は、実質的に定電圧励起回路である。それは、定電流励起回路でないので、電圧（Ｖ_Ｔ）に対応する出力信号（Ｓ_Ｔ）は、（Ｒ_Ｔ）に線形に比例しないが、（Ｖ_Ｔ）が一旦、Ａ／Ｄ変換されると、ソフトウェアを使用することによって、正確な抵抗（Ｒ_Ｔ）、したがって正確な温度（Ｔ）を取得することが、きわめて容易である。本回路は、定電流励起回路と比較すると、利点として単純な構造及び非常に大きい測定範囲を有することを示す。本回路は、抵抗器（Ｒ_１）及び（Ｒ_Ｓ）の電圧変動範囲機能と組み合わせた非常に正確なＡ／Ｄ変換を提供するとき、例えばＰＴ１００、ＰＴ１０００、ＮＴＣ３０などの異なるタイプの熱抵抗器を測定可能である。同一の回路は、内部の再構成を含まないときであっても、ＰＴ１００、Ｐ１１０００及びＮＴＣ３０のような異なるタイプの熱抵抗器を測定するために使用され得る。本回路の大きい測定範囲は、一般的に使用される任意の単一定電流又は二重定電流アプローチをかなり超えている。演算ユニット（４）に含まれるソフトウェアは、熱抵抗器の熱抵抗値が測定範囲内で重複されない限り、熱抵抗器のタイプを自動的に認識可能であって、温度が正確に測定され得る。一般にＮＴＣ２２は、それらの熱抵抗値が多くの場合、重複するので、ＮＴＣ３０と同時に使用されない。

ＮＴＣ３０などのいくつかのＲＴＤ温度センサに関しては、抵抗（Ｒ_Ｔ）は非常に大きく、いくつかの温度センサＰＴ１０００に関しては、更に、接続する導線が非常に短いか又は測定精度の要求が非常に高くないとき、導線の抵抗は、抵抗（Ｒ_Ｔ）に対し小さいと見なされ得る。その場合、センサ及び接続導線は、３線構成の代わりに２線構成として接続され、すなわち（Ｒ_ｗ２）によって示される導線は存在しない。ここで、電圧降下増幅器の入力接続端子（ｗ）は、単に地面（ＧＮＤ）に接続されるか又は（Ｒ_１１）によって接続される。導線抵抗（Ｒ_ｗ１）、（Ｒ_ｗ３）が、回路によって補償され得なくても、回路はずっと正常に作用するが、これはこの設定に関して重要でない。

従って本回路は、特に熱抵抗器（ＲＴＤ）センサに対し適切であるが、同時に、２、３及び４つの接続導線によって接続される他のタイプのセンサともまた作動可能である。
実行可能な好ましい抵抗値セットが、以下の通り与えられる。抵抗器（Ｒ１）は省略、抵抗器（Ｒ２）：５１１Ω、抵抗器（Ｒ３）：１．８７ｋΩ、抵抗器（Ｒ４）：６０．４ｋΩ、抵抗器（Ｒ５）：１００ｋΩ、抵抗器（Ｒ６）：３３．２ｋΩ、抵抗器（Ｒ７）：８０６ｋΩ、抵抗器（Ｒ８）：１００ｋＵ、抵抗器Ｒ９：１．５ｋΩ、抵抗器（Ｒ１０）：２．７ｋΩ及び抵抗器（Ｒ１１）：１８０ｋΩ。これらの抵抗値を用いると測定装置は、最も一般的な温度測定アプリケーション用の熱抵抗器（ＲＴＤ）に対し正常に作用する。具体的には、熱抵抗器ＲＴＤのタイプＰＴ１００及びＰＴ１０００は、温度範囲においては、０℃と２００℃との間であって、タイプＮＴＣ３０に関しては、０℃と１００℃との間である。その結果、接続導線は、１００メートルと同一長であり得、それでも完全に補償される。

上記の実施形態の説明は、本発明の好ましい実施例のための説明に過ぎず、他の同等な代替及び修正が、本発明の上記の実施形態の説明に基づいて当業者によって実施され得る。しかし、本発明の実施形態に基づいて実施された同等な代替及び修正は、本発明の本発明の趣旨に属していて、請求項によって定義された特許の範囲内に収まる。

本発明の第１の接続導線に電圧基準電源を直列接続する電圧降下増幅器及び２つの抵抗器（Ｒ_１）及び（Ｒ_２）を用いた第１の実施形態による温度測定装置の電気原理を例示する回路図を示す。 演算増幅器の実装による電圧降下増幅器に対する代替実施形態を例示する図１の回路図を示す。 ０に設定された抵抗器（Ｒ_２）を用いた更なる実施形態の図１の回路図を示す。 抵抗器（Ｒ_１）を用いない図１の更なる実施形態の回路図を示す。 ０に設定された抵抗器（Ｒ_２）を用いた図４の更なる実施形態の回路図を示す。 ２つの更なる抵抗器を用いた図２の電圧降下増幅器に関する代替実施形態の回路図を示す。 熱抵抗器、差動増幅器及び平均増幅器の４線式接続を用いた図１の更なる実施形態の回路図を示す。 励起電圧電源を有する本発明の実施形態による更なる温度測定装置の電気的な原理を例示する回路図を示す。

１ 基準電圧電源
２ 電圧降下増幅器
３ アナログ−デジタル変換ユニット
４ 演算ユニット
５ 差動増幅器
６ 平均増幅器
７ 励起電圧基準
ＯＰ１，ＯＰ２ 演算増幅器
ＲＴＤ 熱抵抗器
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４ 接続導線
Ｒ_１ 第６の抵抗器
Ｒ_２ 第７の抵抗器
Ｒ_３ 第２の抵抗器
Ｒ_４ 第３の抵抗器
Ｒ_５ 第４の抵抗器
Ｒ_６ 第５の抵抗器
Ｒ_７ 第１の抵抗器
Ｒ_８ 第８の抵抗器
Ｒ_９ 第９の抵抗器
Ｒ_１０ 第１０の抵抗器
Ｒ_１１ 第１１の抵抗器
Ｒ_Ｔ 熱抵抗器の抵抗
Ｒ_ｗ１，Ｒ_ｗ２，Ｒ_ｗ３，Ｒ_ｗ４ 接続導線の抵抗
Ｒ_ｉｎｔ 励起電圧基準の内部抵抗
ＲＴＤ 熱抵抗器
ｗ 電圧降下増幅器の入力
ａ，ｂ 演算増幅器の入力
ｃ 電圧降下増幅器の出力
ｄ，ｅ，ｆ 熱抵抗器の端子
Ｖ_ａ，Ｖ_ｂ 演算増幅器の入力電圧
Ｖ_ｃ 電圧降下増幅器の出力電圧
Ｖ_ｗ 導線を介する電圧降下
Ｖ_Ｔ 出力電圧
Ｓ_Ｔ 出力信号
Ｔ 温度
Ｖ_ｒ 基準電圧
Ｖ_ｅｒ 励起電圧

Claims (19)

1. 演算増幅器（ＯＰ１）の反転入力に第１の接続導線（Ｗ１）を介し接続される第１の端子（ｄ）と、共通電位である接地電位（ＧＮＤ）に第３の接続導線（Ｗ３）を介し接続される第２の端子（ｅ）と、を有する熱抵抗器（ＲＴＤ）を含んでいて、前記第２の端子（ｅ）が、前記演算増幅器（ＯＰ１）の非反転入力にも第２の導線（Ｗ２）を介し接続されていて、前記演算増幅器（ＯＰ１）が、測定された温度（Ｔ）に対応する出力信号（Ｓ_Ｔ）を伝達している、接続導線抵抗を補償するための原理に基づく温度測定装置であって、
   前記第２の導線（Ｗ２）が、出力を含む増幅器（２）の入力に前記熱抵抗器（ＲＴＤ）の前記第２の端子（ｅ）を接続していて、前記出力が、前記演算増幅器（ＯＰ１）の前記非反転入力に第１の抵抗器（Ｒ_７）を介し接続されていて、前記演算増幅器（ＯＰ１）の前記反転入力及び出力が、第２の抵抗器（Ｒ_３）を介し相互接続され、
   前記増幅器（２）の前記出力が、前記演算増幅器（ＯＰ１）の前記反転入力に第３の抵抗器（Ｒ_４）を介し接続され、
   前記演算増幅器（ＯＰ１）の前記非反転入力が、基準電圧源（１）に第４の抵抗器（Ｒ_５）を介し接続され、接地電位（ＧＮＤ）に第５の抵抗器（Ｒ_６）を介し接続されること、を特徴とする温度測定装置。
2. 前記増幅器（２）が、２より大きい利得（Ｇ）を有することを特徴とする請求項１記載の温度測定装置。
3. 前記第３の抵抗器（Ｒ_４）の抵抗が、実質的に式：
   

   

   に従って設定されることを特徴とする請求項２記載の温度測定装置。
4. 前記第１の抵抗器（Ｒ_７）の抵抗が、実質的に式：
   

   

   に従って設定されることを特徴とする請求項２記載の温度測定装置。
5. 前記演算増幅器（ＯＰ１）の前記非反転入力が、励起電圧（Ｖ_ｅｒ）を提供する内部抵抗（Ｒ_ｉｎ）を含む励起電圧基準（７）に接続されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の温度測定装置。
6. 前記第１の抵抗器（Ｒ_７）の抵抗が、実質的に式：
   

   

   に従って設定されることを特徴とする請求項５記載の温度測定装置。
7. 前記演算増幅器（ＯＰ１）の前記反転入力が、基準電圧電源（１）に、第６の抵抗器（Ｒ_１）を介し接続されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の温度測定装置。
8. 前記第３の抵抗器（Ｒ_４）の抵抗が、実質的に式：
   

   

   に従って設定されることを特徴とする請求項２又は７記載の温度測定装置。
9. 前記第１の接続導線（Ｗ１）が、前記演算増幅器（ＯＰ１）の前記反転入力に第７の抵抗器（Ｒ_２）を介し接続されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の温度測定装置。
10. 前記増幅器（２）が、更なる演算増幅器（ＯＰ２）であって、その前記非反転入力が、前記第２の導線（Ｗ２）に接続され、その前記反転入力が、増幅器（２）の前記出力に第８の抵抗器（Ｒ_８）を介し接続され、前記更なる前記演算増幅器（ＯＰ２）の出力も、接地電位（ＧＮＤ）に第９の抵抗器（Ｒ_９）を介し接続されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の温度測定装置。
11. 前記更なる演算増幅器（ＯＰ２）の前記反転入力が、前記第２の導線（Ｗ２）に第１０の抵抗器（Ｒ_１０）を介し、接地電位（ＧＮＤ）に第１１の抵抗器（Ｒ_１１）を介し接続されることを特徴とする請求項１０記載の温度測定装置。
12. 第１の導線（Ｗ１）及び前記第３の導線（Ｗ３）が同一素材から成り、ほとんど同一の抵抗を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の温度測定装置。
13. 前記演算増幅器（ＯＰ１）の前記出力（Ｓ_Ｔ）が、演算ユニット（４）にデジタル信号を提供していて、共通の基準電圧電源（１）に接続されているアナログ−デジタル変換ユニット（３）などの信号処理装置に送信されることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の温度測定装置。
14. 演算増幅器（ＯＰ１）の反転入力に第１の接続導線（Ｗ１）を介し接続される第１の端子（ｄ）と、共通電位である接地電位（ＧＮＤ）に第３の接続導線（Ｗ３）を介し接続される第２の端子（ｅ）と、を有する熱抵抗器（ＲＴＤ）を含んでいて、前記第２の端子（ｅ）が、前記演算増幅器（ＯＰ１）の非反転入力にも第２の導線（Ｗ２）を介し接続されていて、前記演算増幅器（ＯＰ１）が、測定された温度（Ｔ）に対応する出力信号（Ｓ_Ｔ）を伝達している、接続導線抵抗を補償するための原理に基づく温度測定方法であって、
    前記熱抵抗器（ＲＴＤ）の前記第２の端子（ｅ）の信号が、前記演算増幅器（ＯＰ１）の前記非反転入力に第１の抵抗器（Ｒ_７）を介し前記増幅された信号を送信する増幅器（２）に前記第２の導線（Ｗ２）を介し送信されていて、前記演算増幅器（ＯＰ１）の前記出力信号が、前記演算増幅器（ＯＰ１）の前記反転入力に第２の抵抗器（Ｒ_３）を介し供給され、
    前記増幅器（２）が、前記演算増幅器（ＯＰ１）の前記反転入力に第３の抵抗器（Ｒ_４）を介し前記増幅された信号を送信し、
    前記演算増幅器（ＯＰ１）の前記非反転入力が、基準電圧源（１）に第４の抵抗器（Ｒ_５）を介し接続され、接地電位（ＧＮＤ）に第５の抵抗器（Ｒ_６）を介し接続されること、を特徴とする温度測定方法。
15. 前記信号熱抵抗器（ＲＴＤ）の前記第２の端子（ｅ）の前記信号が、２より大きい利得（Ｇ）を有する前記増幅器（２）によって増幅されることを特徴とする請求項１４記載の測定方法。
16. 前記演算増幅器（ＯＰ１）の前記非反転入力が、励起電圧（Ｖ_ｅｒ）を提供し、内部抵抗（Ｒ_ｉｎ）を含む励起電圧基準（７）によって励起されることを特徴とする請求項１４又は１５記載の測定方法。
17. 熱抵抗器（ＲＴＤ）が、前記演算増幅器（ＯＰ１）によって制御される励起電圧によって駆動されることを特徴とする請求項１４から１６のいずれかに記載の測定方法。
18. 中間値（Ａ、Ｂ）が、初期フェーズ及び／又はキャリブレーションフェーズの間に計算され、更なる計算のためにストアされることを特徴とする１４から１７のいずれかに記載の測定方法。
19. 前記熱抵抗器（ＲＴＤ）の抵抗（Ｒ_Ｔ）が、式：
    

    

    に従うか、又は前記第１の接続導線（Ｗ１）が、前記演算増幅器（ＯＰ１）の反転入力に第７の抵抗器（Ｒ_２）を介し接続される場合、式：
    

    

    に従って中間値（Ａ、Ｂ）を用いて計算されることを特徴とする請求項１４から１８のいずれかに記載の測定方法。

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