JP5880107B2

JP5880107B2 - 抵抗値測定回路

Info

Publication number: JP5880107B2
Application number: JP2012030626A
Authority: JP
Inventors: 太亮阿部
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: JP2013167520A

Description

本発明は、３線式の抵抗値測定回路に関する。

現在、抵抗体（以下「測定抵抗体」と称する）の抵抗値を測定することで、対象の物理量（温度やひずみ量）を求める温度測定回路やひずみゲージが普及している。かかる温度測定回路やひずみゲージでは、正確な抵抗値を測定するために、配線抵抗をキャンセル可能な３線式や４線式のものが多く利用されている。３線式では、測定抵抗体の一方に接続される第１配線と、測定抵抗体の他方に接続される第２配線と、測定抵抗体の他方に接続されると共にグランドに接続される第３配線とを、同じ径、同じ材質、同じ長さにし、３本の配線抵抗をほぼ同じにする。例えば特許文献１には、３線式の温度測定回路について記載されている。

特開２００８−２４９３５１号公報

しかしながら、従来の３線式抵抗値測定回路では配線抵抗をキャンセルし得るものの、高温環境下において異種金属間に生じる熱起電力については考慮されていない。例えば熱電対は、異種金属間に生じる熱起電力を利用して温度を測定するものである。そして数百度の高温環境下では、素子の配線と延長用の配線の成分が微妙に異なったり、これらの配線同士を溶接する際に異物が混入したりすることで、意図しない熱起電力が発生する。そのため、測定抵抗体の抵抗値を正確に測定できず、ひいては物理量を正確に求めることができない場合があった。

本発明は、上記課題に鑑み、センサとしての測定抵抗体の抵抗値を正確に測定可能な３線式の抵抗値測定回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の代表的な構成は、センサとしての測定抵抗体と、測定抵抗体の一方に接続される第１配線と、測定抵抗体の他方に接続される第２配線と、測定抵抗体の他方に接続されると共にグランドに接続される第３配線とを備える３線式の抵抗値測定回路であって、第１配線に接続される基準抵抗体と、基準抵抗体を介して２種類の電圧を印加可能な電源部と、基準抵抗体の電源部側、第１配線、第２配線、およびグランドの電圧を増幅するバッファと、バッファの出力をＡＤ変換するＡＤコンバータと、２種類の電圧について、ＡＤコンバータから基準抵抗体の電源部側、第１配線、第２配線、およびグランドの電圧値を取得し、第１配線から第３配線の配線に生じる熱起電力およびバッファのゲインとオフセットをキャンセルして測定抵抗体の抵抗値を演算する電圧測定部と、をさらに備えることを特徴とする。

上記構成によれば、配線抵抗だけでなく、配線に生じる熱起電力、さらにバッファのゲインとオフセットをもキャンセルして、センサとしての測定抵抗体の抵抗値を正確に求めることができる。

本発明によれば、配線抵抗だけでなく、配線に生じる熱起電力をもキャンセルして、センサとしての測定抵抗体の抵抗値を正確に求めることができる３線式の抵抗値測定回路を提供することができる。

本発明の抵抗値測定回路の第１実施形態である温度測定回路の概略構成を示す回路図である。図１の電源部の他の例を示す図である。図１の温度測定回路に発生する熱起電力について説明する図である。比較例にかかる温度測定回路の概略構成を示す回路図である。第２実施形態にかかる温度測定回路の概略構成を示す回路図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の抵抗値測定回路の第１実施形態である温度測定回路１００の概略構成を示す回路図である。以下では、抵抗値測定回路として温度測定回路１００を挙げて説明するが、本実施形態はこれに限られず、測定抵抗体の抵抗値を測定して物理量を求めるひずみゲージなどについても同様の説明が適用されるものとする。

図１に示すように、温度測定回路１００には、測定抵抗体１０２として白金測温抵抗体が備えられる。白金測温抵抗体は抵抗値Ｒｔと温度との関係が既知であって、抵抗値Ｒｔから温度を求めることができる。

測定抵抗体１０２の一方には第１配線１０４が接続される。また測定抵抗体１０２の他方には第２配線１０６が接続される。第３配線１０８は、測定抵抗体１０２の他方に接続されると共に、グランドに接続される。第１配線１０４、第２配線１０６、第３配線１０８は、それぞれの配線抵抗が等しくなるように、径、材質、長さ等が同一に設定される。

第１配線１０４には、基準抵抗体１１０が接続される。かかる基準抵抗体１１０は、その抵抗値Ｒｒｅｆが予め既知のものを用いる。また、温度測定回路１００には、基準抵抗体１１０を介して２種類の電圧を印加可能な電源部１１２が備えられる。電源部１１２は、リレー１１６を有する経路１２０と、リレー１１８及び抵抗器１２４を有する経路１２２とを含む。

電源部１１２はリレー１１６がクローズ、リレー１１８がオープンの場合に基準電圧ＶＤＤ１を印加することで、第１の電圧として基準電圧ＶＤＤ１を印加する。また、電源部１１２は、リレー１１６がオープン、リレー１１８がクローズの場合に基準電圧ＶＤＤ１を印加することで、第２の電圧として基準電圧ＶＤＤ１が抵抗器１２４で電圧降下したものを印加する。

図２は、図１の電源部１１２の他の例（電源部１１４）を示す図である。図２に示すように、上述した電源部１１２に換えて、抵抗器１２４を有さず２種類の基準電圧ＶＤＤ１（第１の電圧）、ＶＤＤ２（第２の電圧）を印加可能な電源部１１４を用いてもよい。

図３は、温度測定回路１００に発生する熱起電力について説明する図である。図３に示すように、測定抵抗体１０２は、数百度の高温環境下において使用される。そのため、測定抵抗体１０２に接続される第１配線１０４、第２配線１０６、第３配線１０８は、高温への耐久性があるＮｉワイヤ等で形成される。なお、端子台１３０より電圧測定部１３２側の第１配線１０４、第２配線１０６、第３配線１０８はＮｉワイヤではなく、例えば銅線で構成される。

第１配線１０４、第２配線１０６、第３配線１０８は、測定抵抗体１０２の配線に延長用の配線を溶接して形成される（この溶接箇所を「溶接箇所１２６、１２８」として図示する）。ここで測定抵抗体１０２の配線と延長用の配線とが同じＮｉワイヤであっても、その成分が微妙に異なったり、溶接箇所１２６、１２８に異物が混入したりするので、熱起電力Ｖｔ１、Ｖｔ２、Ｖｔ３（図１参照）が発生する。

再び、図１を参照する。電圧測定部１３２は、基準抵抗体１１０の電源部１１２側、第１配線１０４、第２配線１０６に接続され、基準抵抗体１１０の電源部１１２側の電圧値Ｖ０、第１配線１０４の電圧値Ｖ１、第２配線１０６の電圧値Ｖ２を取得する。すなわち、第１の電圧を印加した際のこれらの電圧値Ｖａ０、Ｖａ１、Ｖａ２、第２の電圧を印加した際のこれらの電圧値Ｖｂ０、Ｖｂ１、Ｖｂ２を取得する（表１参照）。

電圧測定部１３２は、取得した各電圧値を用いて後述する演算を行い、第１配線１０４から第３配線１０８の配線に生じる熱起電力Ｖｔ１、Ｖｔ２、Ｖｔ３をキャンセルして、測定抵抗体１０２の正確な抵抗値Ｒｔを求める。以下、その具体的な演算方法について例示する。

なお、以下では、電源部１１２が第１の電圧を印加した場合の電流値をＩａ、電源部１１２が第２の電圧を印加した場合の電流値をＩｂ、第１配線１０４の配線抵抗値をｒ１、第２配線１０６の配線抵抗値をｒ２、第３配線１０８の配線抵抗値をｒ３とする。

まず、電流値Ｉａは下記式１で表される。また電流値Ｉｂは下記式２で表される。

第１配線１０４、第２配線１０６、第３配線１０８は、それぞれの配線抵抗値ｒ１、ｒ２、ｒ３が等しくなるように設定されるので、ｒ１＝ｒ２＝ｒ３＝ｒとすると、下記式３、式４、式５、式６が成り立つ。

ここで、式３から式５を引くと下記式７となる。また式４から式６を引くと下記式８となる。

配線抵抗値ｒを消去するために、式８を２倍して式７からこれを引くと下記式９となる。

電流値をＩａ、Ｉｂを消去するために、式９に式１、２を代入すると下記式１０となる。この式１０を左辺が測定抵抗体１０２の抵抗値Ｒｔとなるように変形すると、下記式１１となる。

上述した式１１に、取得した各電圧値Ｖａ０、Ｖａ１、Ｖａ２、Ｖｂ０、Ｖｂ１、Ｖｂ２及び基準抵抗体１１０の抵抗値Ｒｒｅｆを代入することで、電圧測定部１３２は、測定抵抗体１０２の抵抗値Ｒｔを演算する。かかる構成により、配線抵抗だけでなく、配線に生じる熱起電力Ｖｔ１、Ｖｔ２、Ｖｔ３をもキャンセルして、測定抵抗体１０２の正確な抵抗値Ｒｔを求めることができる。

（比較例）
以下、第１実施形態にかかる温度測定回路１００の理解を深めるために、配線に生じる熱起電力Ｖｔ１、Ｖｔ２、Ｖｔ３を考慮しない比較例について例示する。図４は、比較例にかかる温度測定回路３００の概略構成を示す回路図である。なお、第１実施形態にかかる温度測定回路１００と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図４に示すように、比較例にかかる温度測定回路３００では、電源部３１２は１種類の電圧のみを印加するように構成される。すなわち、基準電圧ＶＤＤ１を印加するように構成される。比較例にかかる温度測定回路３００では、電圧測定部３３２が測定抵抗体１０２の抵抗値Ｒｔを下記のように求める。

電源部１１２が基準電圧ＶＤＤ１を印加した場合の電流値をＩとすると、かかる電流値Ｉは下記式１２、式１３、式１４のように表される。

ここで式１２の左辺に式１３の右辺を代入し、配線抵抗値ｒ１について解くと下記式１５となる。また式１２の左辺に式１４の右辺を代入し、配線抵抗値ｒ３について解くと下記式１６となる。

３線式の温度測定回路３００では、配線抵抗値ｒ１と配線抵抗値ｒ３は等しく設定されるので、式１５の左辺に式１６の右辺を代入し、測定抵抗体１０２の抵抗値Ｒｔについて解くと下記式１７となる。

上述した式１７に基いて、比較例にかかる温度測定回路３００では電圧測定部３３２が測定抵抗体１０２の抵抗値Ｒｔを求める。しかしながら、かかる構成では、配線に生じる熱起電力Ｖｔ１、Ｖｔ２、Ｖｔ３を考慮しないため、正確な抵抗値Ｒｔを求めることができないのは明白である。対して、第１実施形態にかかる温度測定回路１００では、電圧測定部１３２が２種類の電圧を印加した場合における各電圧値を取得することで、式１１に基き測定抵抗体１０２の抵抗値Ｒｔを正確に求めることができる。したがって、正確な抵抗値Ｒｔから正確な温度を求めることができる。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態にかかる温度測定回路２００の概略構成を示す回路図である。なお、第１実施形態にかかる温度測定回路１００と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図５に示すように、第２実施形態において電圧測定部２３２は、切替回路としてのマルチプレクサ２３４と、増幅器であるバッファ２３６と、ＡＤコンバータ２３８と、演算部２４０とを含む。電圧測定部２３２は、基準抵抗体１１０の電源部１１２側、第１配線１０４、第２配線１０６に加えて、さらにグランド（第３配線１０８）の電圧を測定し、測定抵抗体１０２の抵抗値Ｒｔを演算する。

マルチプレクサ２３４は、基準抵抗体１１０の電源部１１２側、第１配線１０４、第２配線１０６、グランドのいずれかに接続を切り替える。バッファ２３６はマルチプレクサ２３４の出力を増幅する。ＡＤコンバータ２３８はバッファ２３６の出力をＡＤ変換する。

ここでバッファ２３６やＡＤコンバータ２３８は、周囲温度の影響で、オフセットとゲインが変動してしまう。一般に比較的ゲインが安定している範囲（レンジ）を用いるようにオペアンプを選定したり周辺の抵抗素子を調整したりするが、安定している範囲でもゲインは入力に対して直線的に変化してしまう（入力が大きくなるとゲインも大きくなる）。このゲインを下記の式１８のように一次関数に近似して入力が０のところまで外挿することで、オフセット（オフセット電圧）を求めることができる。

電圧測定部２３２では、演算部２４０が、バッファ２３６のゲインとオフセットをキャンセルして、測定抵抗体１０２の正確な抵抗値Ｒｔを演算する。以下、その具体的な演算方法について例示する。なお以下では、バッファ２３６への入力電圧をＶｉｎ、バッファ２３６からの出力電圧をＶｏｕｔとする。

また以下では、表２に示すように、アナログ電圧（Ｖｉｎ側、測定しない）にはＶの記号を付し、デジタル値（Ｖｏｕｔ側、演算部２４０が取得する値）にはＤの記号を付す。

バッファ２３６からの出力電圧は、バッファ２３６のゲインをα、オフセットをβとすると下記式１８で表される。そして、この式１８を変形すると下記式１９となる。

式１９に基き、下記式２０〜２５が導出される。

上記式１１に、式２０〜２５の右辺を代入すると下記式２６となる。

上述した式２６に、取得した各デジタル値Ｄａ０、Ｄａ１、Ｄａ２、Ｄａ３、Ｄｂ０、Ｄｂ１、Ｄｂ２、Ｄｂ３及び基準抵抗体１１０の抵抗値Ｒｒｅｆを代入することで、演算部２４０は測定抵抗体１０２の抵抗値Ｒｔを演算する。かかる構成により、バッファ２３６のゲインとオフセットをキャンセルして測定抵抗体１０２の正確な抵抗値Ｒｔを求めることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、３線式の抵抗値測定回路に利用することができる。

１００、２００、３００…温度測定回路、１０２…測定抵抗体、１０４…第１配線、１０６…第２配線、１０８…第３配線、１１０…基準抵抗体、１１２、１１４、３１２…電源部、１１６、１１８…リレー、１２０、１２２…経路、１２４…抵抗器、１２６、１２８…溶接箇所、１３０…端子台、１３２、２３２、３３２…電圧測定部、２３４…マルチプレクサ、２３６…バッファ、２３８…ＡＤコンバータ、２４０…演算部

Claims

センサとしての測定抵抗体と、該測定抵抗体の一方に接続される第１配線と、該測定抵抗体の他方に接続される第２配線と、該測定抵抗体の他方に接続されると共にグランドに接続される第３配線とを備える３線式の抵抗値測定回路であって、
第１配線に接続される基準抵抗体と、
前記基準抵抗体を介して２種類の電圧を印加可能な電源部と、
前記基準抵抗体の電源部側、第１配線、第２配線、およびグランドの電圧を増幅するバッファと、
前記バッファの出力をＡＤ変換するＡＤコンバータと、
前記２種類の電圧について、前記ＡＤコンバータから前記基準抵抗体の電源部側、第１配線、第２配線、およびグランドの電圧値を取得し、第１配線から第３配線の配線に生じる熱起電力および前記バッファのゲインとオフセットをキャンセルして前記測定抵抗体の抵抗値を演算する電圧測定部と、
をさらに備えることを特徴とする抵抗値測定回路。