JP5523371B2

JP5523371B2 - ４線式測温抵抗体入力回路

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Publication number: JP5523371B2
Application number: JP2011030881A
Authority: JP
Inventors: 真樹三井
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2031-02-16
Also published as: JP2012168106A

Description

この発明は、高精度に温度を測定することができる４線式測温抵抗体を用いた４線式測温抵抗体入力回路の故障検出に関するものである。

例えば、工場やプラント等において温度を測定する必要がある場合、通常、温度センサとして白金測温抵抗体やサーミスタを用いて温度に対応する増幅器出力電圧を得ることにより温度を測定する温度測定回路が使用される。

この際、化学プラント等の、温度を高精度、高速で測定することが必要とされる現場においては、通常、温度センサとして測温抵抗体が用いられる。測温抵抗体は周囲の温度に相応する抵抗値を示す。したがって、この抵抗値は、前記測温抵抗体に定電流源から一定の電流を供給することにより、前記抵抗の値が電圧に変換され、これが演算回路に入力される。演算回路は測温抵抗体による電圧を増幅して出力する。このため、演算回路の出力電圧は前記測温抵抗体の周囲の温度に対応した値になる。

この測温抵抗体には、２線式、３線式、４線式といった種類があるが、温度センサのリード線の抵抗による誤差と定電流の変動による誤差を取り除くために、特に高精度な測定が必要とされる現場では、４線式測温抵抗体入力回路が使用されている。

図１は、一般的な４線式測温抵抗体入力回路の構成を示す図である。ここで、定電流源１は外部端子２１を介して温度測定用抵抗であるＰｔ１００センサ（ＲＴＤ）３に接続されており、定電流源１からの定電流をＲＴＤ３に供給する。また、ＲＴＤ３はその両端が外部端子２２及び２３を介して増幅加算回路５に接続されており、そのＲＴＤ３の抵抗変化に対応した電圧を読み取って増幅加算回路５で増幅し、Ａ／Ｄコンバータ６で変換して出力する。なお、ＲＴＤ３は外部端子２４を介してオフセット用の抵抗４に接続され、接地されている。

特開２００２−２５７８７７号公報

しかしながら、従来のような４線式測温抵抗体入力回路においては、温度特性による抵抗の誤差やダイオードの誤差、回路のオフセット、基準電圧の誤差など、周囲の温度変化や部品の経年変化などにより種々の誤差が生じてしまい、本来期待されていたような高精度かつ安定した状態で温度を測定することができない、という課題があった。また、部品故障や設計値からのドリフトが発生した場合に、基準となる部品が存在しないため、入力するセンサの値を信用して使用するしかなく、部品故障やドリフトが発生した場合には大量の不良製品を作ってしまい、非常に大きな損害になってしまう、という課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡単な構造でありながら精度よく温度を測定することができ、また、周囲環境や経年変化による誤差のない高精度な４線式測温抵抗体入力回路において、部品故障やドリフトの発生を検出する故障検出回路を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、この発明は、温度測定用の測温抵抗体に接続される４線式測温抵抗体入力回路において、少なくとも２個のレファレンス用の定抵抗と、前記測温抵抗体及び前記レファレンス用の定抵抗に定電流を供給する少なくとも２個の定電流源と、前記少なくとも２個の定電流源の接続を前記測温抵抗体側又は前記レファレンス用の定抵抗側に切り換えるクロススイッチと、を備えた４線式測温抵抗体入力回路であって、前記少なくとも２個のレファレンス用の定抵抗についての計測値が所定範囲内にない場合に故障又はドリフトが発生したと判断する故障検出部とを備えることを特徴とする。

また、この発明は、前記少なくとも２個のレファレンス用の定抵抗は、直列に接続されていることを特徴とする。

この発明によれば、２個の定電流源を備え、２個のレファレンス用の定抵抗を直列に接続するとともに、定電流を切り換えるスイッチを設けたという簡単な構造でありながら、周囲環境や経年変化なども考慮して、誤差の少ない高精度な抵抗値（温度センサの測定値）を計測することができるとともに、構造はそのままで内部的に故障検出部を備えることにより、部品故障やドリフトの発生を検出することができる。

従来の一般的な４線式測温抵抗体入力回路の構成図である。この発明における４線式測温抵抗体入力回路の構成図である。工場での出荷検査時の処理を示すフローチャートである。現場での通常処理を示すフローチャートである。この発明における４線式測温抵抗体入力回路の故障検出の判断基準を示す判定テーブルである。

実施の形態１．
図２は、この発明における４線式測温抵抗体入力回路の構成図である。この入力回路は、内部に回路誤差補正用の２個のレファレンス用の定抵抗８１，８２（Ｒ１，Ｒ２）を直列に接続し、２個の定電流源１１，１２と、定電流源１１からの定電流１を外部に接続した温度測定用抵抗であるＰｔ１００センサ３側に流すか、内部に直列に接続された２個のレファレンス用の定抵抗８１，８２（Ｒ１，Ｒ２）側に流すかを切り換えることができるクロススイッチ９とを備えている。定電流１をＰｔ１００センサ３側に流すように（すなわち外部に）クロススイッチ９を設定した場合には、定電流１は外部端子２１を介してＰｔ１００センサ３に流れ、外部端子２４を介してオフセット用抵抗４を介しグランドに流れる。また、定電流２は２個のレファレンス用の定抵抗８１，８２（Ｒ１，Ｒ２）に流れ、オフセット用抵抗４を介しグランドに流れる。

また、Ｐｔ１００センサ３の両端にあらわれる電圧をチャンネル０（ＣＨ０）、２個のレファレンス用の定抵抗８１，８２によるＨｉｇｈ側基準抵抗Ｒ１＋Ｒ２の両端にあらわれる電圧をチャンネル１（ＣＨ１）、レファレンス用の定抵抗８１によるＬｏｗ側基準抵抗Ｒ１の両端にあらわれる電圧をチャンネル２（ＣＨ２）、レファレンス用の定抵抗８２による基準抵抗Ｒ２の両端にあらわれる電圧をチャンネル３（ＣＨ３）により読み取るマルチプレクサ１０を備え、それぞれの抵抗の両端にあらわれる電圧を増幅加算回路５で取り込み、レファレンス用のＡＤＣ基準電圧７が接続されているＡ／Ｄコンバータ６に入力して変換する。なお、Ｐｔ１００センサ３の両端は外部端子２２及び２３を介してマルチプレクサ１０に接続されている。

さらに、この発明における４線式測温抵抗体入力回路は、その内部に、マルチプレクサ１０のＣＨ２及びＣＨ３において読み取ったレファレンス用の定抵抗８１，８２（基準抵抗Ｒ１，Ｒ２）の両端にあらわれる電圧、または、その電圧を取り込んで増幅しＡ／Ｄ変換した値、あるいは、基準抵抗Ｒ１，Ｒ２そのものの値に基づいて、すなわち、レファレンス用の定抵抗それぞれについての計測値に基づいて、部品故障やドリフトの発生を検出する故障検出部１００（図示せず）を備えている。以下の説明において、故障検出のための処理については、この故障検出部１００が行うものである。

次に、工場での出荷検査時の処理について、図３のフローチャートにしたがって説明する。図３は、工場での出荷検査時に、温度一定のもとでレファレンス用の定抵抗８１，８２の抵抗値Ｒ１，Ｒ２を求める処理を示すフローチャートである。

まず最初に、定電流源１１が外部端子２１に接続される側にクロススイッチ９を（定電流１を外部に）設定する（ステップＳＴ３１）。この際、通常では温度測定用抵抗であるＰｔ１００センサ３が接続される箇所に、抵抗値が既知の検査用抵抗Ｒａを接続する（ステップＳＴ３２）。そして、その検査用抵抗Ｒａの両端にあらわれる電圧をマルチプレクサのＣＨ０に切り替えて増幅加算回路５で増幅し、Ａ／Ｄコンバータ６でＡ／Ｄ変換して読み取る（ステップＳＴ３３）。なお、この電圧を読み取る作業は、十分熱平衡がとれるまで待ってから行うものとする。その後、検査用抵抗Ｒａに代えて、Ｒａとは抵抗値が異なる既知の検査用抵抗Ｒｂを接続し（ステップＳＴ３４）、前述と同様の処理を行う（ステップＳＴ３５）。

ここで、故障検出のために、通常では温度測定用抵抗であるＰｔ１００センサ３が接続される箇所に電流計を接続し、定電流１の電流値を計測し、定電流１が規定値又は所定の誤差範囲内であることを確認する（ステップＳＴ６１）。この定電流１の検査は、ステップＳＴ３１と３２の間、ステップＳＴ３３と３４の間、またはステップＳＴ３５と３６の間、のいずれかで行えばよいものである。

また、回路補正の一次式：Ｙ＝ａＸ＋ｂ（Ｙは抵抗Ｒの値、Ｘは抵抗Ｒの両端にあらわれる電圧をＡ／Ｄ変換した後の値、ａは傾き、ｂはオフセット）について、検査用抵抗Ｒａを用いた場合と検査用抵抗Ｒｂを用いた場合の２つの式が得られるため、未知数であるａ及びｂを求めることができる（ステップＳＴ３６）。

次に、２個のレファレンス用の定抵抗８１，８２の抵抗値Ｒ１，Ｒ２を測定するために、定電流源１１がレファレンス用の定抵抗８２に接続される側にクロススイッチ９を（定電流１を内部に）切り換える（ステップＳＴ３７）。

ここでも、故障検出のために、通常では温度測定用抵抗であるＰｔ１００センサ３が接続される箇所に電流計を接続し、今度は定電流２の電流値を計測し、定電流２が規定値又は所定の誤差範囲内であることを確認する（ステップＳＴ６２）。

そして、定電流１が流れる回路においては、Ｙ＝ａＸ＋ｂの係数ａ及びｂとして先ほど求めた値を用いることができるので、Ｌｏｗ側基準抵抗Ｒ１の両端にあらわれる電圧をマルチプレクサ１０のＣＨ２に切り替えて増幅し、Ａ／Ｄ変換する（ステップＳＴ３８）。そして、一次式：Ｙ＝ａＸ＋ｂから、Ｒ１の値を求めることができる（ステップＳＴ３９）。また、同様にしてＨｉｇｈ側基準抵抗Ｒ１＋Ｒ２の両端にあらわれる電圧をマルチプレクサ１０のＣＨ１に切り替えて増幅し、Ａ／Ｄ変換する（ステップＳＴ４０）ことによって、Ｒ１＋Ｒ２の値を求めることができるので、レファレンス用の定抵抗８２の値Ｒ２も算出することができる（ステップＳＴ４１）。

なお、出荷時の不良品判定のために、ステップＳＴ３９で求められたＬｏｗ側基準抵抗Ｒ１が許容誤差範囲内であることを確認する（ステップＳＴ６３）。同様に、ステップＳＴ４１で求められたＨｉｇｈ側基準抵抗Ｒ１＋Ｒ２が許容誤差範囲内であることも確認する（ステップＳＴ６４）。これにより、部品の初期故障の発見や、許容誤差範囲を外れていた場合に増幅回路のダイナミックレンジを超えてしまうという危険性を回避することができる。

これらレファレンス用の定抵抗８１，８２（Ｒ１，Ｒ２）は、高精度な精密抵抗であって、周囲温度の変化によって値が変わってしまうことがない（変化が十分小さい）ものを使用しているので、この時点で測定されたＲ１及びＲ２の値を不揮発性メモリに記録するとともに、故障検出のために、前述のステップＳＴ３８及びステップＳＴ４０においてＬｏｗ側基準抵抗Ｒ１、Ｈｉｇｈ側基準抵抗Ｒ１＋Ｒ２についてＡ／Ｄ変換した値もそれぞれ不揮発性メモリに記録しておく（ステップＳＴ４２）。

なお、前述の一次式：Ｙ＝ａＸ＋ｂの係数ａ及びｂについては、周囲温度などによって変化する値であるため、現場ではその都度測定する必要があるので、出荷検査時に求めたａ及びｂは現場での温度測定時には使用しない。

次に、現場における通常処理について、図４のフローチャートにしたがって説明する。図４は、レファレンス用の定抵抗８１，８２の抵抗値Ｒ１，Ｒ２は正確な値がわかっているという前提のもとで、現場において、一次式：Ｙ＝ａＸ＋ｂの傾きａとオフセットｂとを求め、温度測定用抵抗であるＰｔ１００センサ３の抵抗値から温度を測定するための処理及び部品故障やドリフトの発生を検出する処理を示すフローチャートである。

まず最初に、前述のステップＳＴ４２で不揮発性メモリに記録しておいた基準抵抗Ｒ１，Ｒ１＋Ｒ２についてＡ／Ｄ変換した値と、レファレンス用の定抵抗８１，８２の抵抗値Ｒ１，Ｒ２を読み込む（ステップＳＴ４３）。そして、定電流源１１がレファレンス用の定抵抗８２に接続される側にクロススイッチ９を（定電流１を内部に）切り換える（ステップＳＴ４４）。この状態で、Ｌｏｗ側基準抵抗Ｒ１、Ｈｉｇｈ側基準抵抗Ｒ１＋Ｒ２の両端にあらわれる電圧をそれぞれ読み取って増幅し、Ａ／Ｄ変換する（ステップＳＴ４５，４６）。

この際、定電流１での故障判断を行うために、ステップＳＴ４５及び４６において基準抵抗Ｒ１，Ｒ１＋Ｒ２についてＡ／Ｄ変換した値を、ステップＳＴ４３で読み込んだ基準抵抗Ｒ１，Ｒ１＋Ｒ２をＡ／Ｄ変換した値と比較し、Ｌｏｗ側基準抵抗Ｒ１、Ｈｉｇｈ側基準抵抗Ｒ１＋Ｒ２のそれぞれが予め定められた許容誤差範囲内にあるか否かを確認する（ステップＳＴ６５）。

そして、ステップＳＴ４５，４６で読み取った値及びＲ１，Ｒ１＋Ｒ２を使って一次式：Ｙ＝ａＸ＋ｂの未知数ａ及びｂを求める（ステップＳＴ４７）。なお、ここで求める未知数は２つあるため、レファレンス用の定抵抗が１つだけでは２つの未知数ａ及びｂを求めることはできないので、レファレンス用の定抵抗は必ず２つ以上必要である。

次に、回路補正を行う基準抵抗そのものに故障がないかを調べるため、定電流１を使用してＲ２だけについて両端にあらわれる電圧を読み取って増幅し、Ａ／Ｄ変換する（ステップＳＴ４８）。そして、上記ステップＳＴ４７で求めたａ及びｂを用いて回路補正の一次式：Ｙ＝ａＸ＋ｂにより抵抗値Ｒ２を算出する（ステップＳＴ４９）。ここで、ステップＳＴ４９で算出した抵抗値（Ｒ２_ｎ-１とする）が不揮発性メモリに記憶されているＲ２の許容誤差範囲内であることを確認する（ステップＳＴ６６）。この際、Ｒ２_ｎ-１が許容誤差範囲を超えている場合、Ｒ１またはＲ２が故障しているものと判断できる。これは、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１＋Ｒ２のうちのＲ１とＲ１＋Ｒ２の２点で関係式を算出した場合に、関係式の算出に使用しなかったＲ２をＡＤＣ読み込み値から算出すると、Ｒ１，Ｒ２のいずれかが故障している場合には元の値を示さなくなるという仕組みを使用するものである。この際、Ｒ１，Ｒ２のどちらが故障したかについては判断できないが、どちらかが故障したことが検出できる。

その後、温度測定用抵抗であるＰｔ１００センサ３の抵抗値から温度を測定するために、定電流源１１が外部端子２１に接続される側にクロススイッチ９を（定電流１を外部に）切り換える（ステップＳＴ５０）。

次に、定電流１と定電流２とのマッチング異常がないかを調べるために、定電流２を使用してＲ２だけについて両端にあらわれる電圧を読み取って増幅し、Ａ／Ｄ変換する（ステップＳＴ５１）。そして、ステップＳＴ４９と同様に、上記ステップＳＴ４７で求めたａ及びｂを用いて回路補正の一次式：Ｙ＝ａＸ＋ｂにより抵抗値Ｒ２を算出する（ステップＳＴ５２）。ここで、ステップＳＴ５２で算出した抵抗値（Ｒ２_ｎとする）を、ステップＳＴ４９で算出した抵抗値Ｒ２_ｎ-１と比較し、その差が許容誤差範囲内であることにより、定電流１と定電流２のマッチングを確認する（ステップＳＴ６７）。

その後、Ｐｔ１００センサ３の両端にあらわれる電圧を読み取って増幅し、Ａ／Ｄコンバータにより変換する（ステップＳＴ５３）。そして、ステップＳＴ４７で求めたａ，ｂを使った一次式：Ｙ＝ａＸ＋ｂに入力することにより、Ｐｔ１００センサ３の抵抗値を算出する（ステップＳＴ５４）。

なお、一次式：Ｙ＝ａＸ＋ｂの傾きａとオフセットｂは、周囲温度などの変化に応じて変化してしまう値であるため、高精度な温度測定が求められる４線式測温抵抗体入力回路における温度測定の誤差をなくすために、前述のステップＳＴ４５〜ＳＴ５４の処理は、温度測定の度に毎回行われるものである。ただし、上記ａ及びｂの算出回数については、所定の周期ごとに行うようにしてもよいし、使用される環境を考慮してある程度間引くことができる。
また、故障検出についてのステップＳＴ４８，ＳＴ４９，ＳＴ５１，ＳＴ５２，ＳＴ６５〜ＳＴ６７についても、毎回チェックする必要がなければ、ある程度間引くことができる。なお、途中で故障が検出された場合には、通常処理としてはそこで終了させる。

ここで、図２における定電流源１２及び定電流２の働きについて説明する。前述の工場での出荷検査時の処理（図３参照）や現場での通常処理（図４参照）において、もし仮に、定電流源としては定電流源１１のみであり、定電流１のみを温度測定用抵抗であるＰｔ１００センサ３側に（外部に）接続するか、レファレンス用の定抵抗８１，８２側に（内部に）接続するかを切り換えて使用するとしたら、その切り換えの際に毎回、定常状態になるまで待つ必要性が生じてしまう。すなわち、定電流源１２からの定電流２は、定電流１が接続されていない側にもいつも電流を流しておくことにより、ウォーミングアップのための時間を短縮するとともに、安定した電流供給を行うことを目的とするものである。

より具体的に説明すると、自己発熱はＱ＝Ｉ^２Ｒであるが、例えば、定電流源が１つ（定電流源１１のみ）であり、Ｐｔ１００センサ３の熱放散定数が２ｍＷ／°Ｃで、測定電流が０．００１Ａ、１００オームの場合、温度に換算すると自己発熱により上昇する温度は５０ｍＫである。数十ｍＫという精度の高精度な温度測定の場合に、このように熱平衡が不安定な状態での検出温度は、誤差そのものであり使用することができないものである。

一方、この発明のように、２個の定電流源１１及び１２を使用する場合、それぞれの差であるマッチングは当然精度に影響するものの、一般的なあまり精度の高くない部品を定電流源に用いたとしても、定電流源１１及び１２のマッチング誤差は３％程度であり問題とはならない。そして、Ｐｔ１００センサ３の熱放散定数が２ｍＷ／°Ｃで、計測電流が１ｍＡの場合、温度誤差量は０．０４５ｍＫとなる。この値は非常に小さいため、無視できる値である。このように２個の定電流源１１及び１２を用いることにより、ウォーミングアップできているためにすぐに測定を開始することができ、安定して高精度な温度測定を行うことができるのである。

また、定電流２は、部品故障やドリフトが発生した場合の故障検出にも使用されている。図５は、定電流１及び２での故障検出の判断基準を示す判定テーブルである。前述のステップＳＴ６５における確認は、図５の（１）〜（２）について行っている。すなわち、定電流１での故障判断を行う際に読み込んだＲ１，Ｒ１＋Ｒ２についてＡ／Ｄ変換した値が予め定められた許容誤差範囲内にあるか否かを確認する。そして、許容誤差範囲内である場合には一旦正常とみなし、Ｒ１について許容誤差範囲外である場合には、Ｒ１、定電流１、増幅加算回路５、Ａ／Ｄコンバータ６、ＡＤＣ基準電圧７のいずれかの故障、Ｒ１＋Ｒ２について許容誤差範囲外である場合には、Ｒ１、Ｒ２、定電流１、増幅加算回路５、Ａ／Ｄコンバータ６、ＡＤＣ基準電圧７のいずれかの故障であると判断する。

また、前述のステップＳＴ６６における確認は、図５の（３）について行っている。すなわち、定電流１でのＲ１，Ｒ２のドリフトを検出するために読み込んだＲ２についてＡ／Ｄ変換した値から算出したＲ２（Ｒ２_ｎ-１）が、不揮発性メモリに記憶されているＲ２と比べて許容誤差範囲内であることを確認する。そして、許容誤差範囲内である場合には、定電流１では一旦正常とみなし、許容誤差範囲外である場合には、基準抵抗Ｒ１，Ｒ２のドリフトが発生していると判断する。

さらに、定電流１と定電流２を切り換えた後のステップＳＴ６７における確認は、図５の（４）について行っている。すなわち、定電流１と定電流２とのマッチング異常を検出するために、定電流２で読み込んだＲ２についてＡ／Ｄ変換した値から算出したＲ２（Ｒ２_ｎ）を、前述の算出した抵抗値Ｒ２_ｎ-１と比較し、その差がマッチング許容誤差範囲内であることにより、定電流１と定電流２のマッチングを確認する。そして、許容誤差範囲内である場合には、すべてが正常であると判断し、許容誤差範囲外である場合には、定電流１または定電流２が異常であると判断する。
なお、偶発的故障は２カ所以上で同時に起こらないものとして判断している。

以上のように、この発明によれば、２つの定電流源とスイッチとにより安定した電流供給状態を保ちつつ、一次式：Ｙ＝ａＸ＋ｂの傾きａとオフセットｂとを毎回求めているために、その測定時の周囲温度や部品の経年変化などの影響を考慮したａ及びｂを用いて温度測定を行うことができるので、２個の定電流源を備え、２個のレファレンス用の定抵抗を直列に接続するとともに、定電流を切り換えるスイッチを設けたという簡単な構造でありながら、周囲環境や経年変化なども考慮して、誤差の少ない高精度な抵抗値（温度センサの測定値）を計測することができることに加え、構造はそのままで内部的に故障検出部を備えることにより、部品故障やドリフトの発生を検出することができる。

なお、この発明の実施の形態においては、レファレンス用の定抵抗を直列に２つ接続し、定電流源も２つとしたが、レファレンス用の定抵抗を並列に接続する場合には、定電流源を３つにすることにより、同様の効果を得ることができる。また、レファレンス用の定抵抗の数は２つ以上であればいくつでもよいが、それに応じて定電流源の数も増やす必要が生じるため、部品点数やコストの観点から、この発明の実施の形態のようにレファレンス用の定抵抗を２つ、定電流源も２つとするのが最適である。

また、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１，１１，１２定電流源
２１，２２，２３，２４外部端子
３測定用のＰｔ１００センサ
４オフセット用の抵抗
５増幅加算回路
６Ａ／Ｄコンバータ
７ＡＤＣ基準電圧
８１，８２レファレンス用の定抵抗
９クロススイッチ
１０マルチプレクサ
１００故障検出部

Claims

温度測定用の測温抵抗体に接続される４線式測温抵抗体入力回路において、
少なくとも２個のレファレンス用の定抵抗と、
前記測温抵抗体及び前記レファレンス用の定抵抗に定電流を供給する少なくとも２個の定電流源と、
前記少なくとも２個の定電流源の接続を前記測温抵抗体側又は前記レファレンス用の定抵抗側に切り換えるクロススイッチと、
を備えた４線式測温抵抗体入力回路であって、
前記少なくとも２個のレファレンス用の定抵抗についての計測値が所定範囲内にない場合に故障又はドリフトが発生したと判断する故障検出部
を備えることを特徴とする４線式測温抵抗体入力回路。
前記少なくとも２個のレファレンス用の定抵抗は、直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の４線式測温抵抗体入力回路。