JP6624303B2 - 温度測定器、温度調節計及び短絡判別プログラム - Google Patents

Description

本発明は、熱電対を用いた温度測定器、温度調節計、及びこれらで動作する短絡判別プログラムに関する。

熱電対は、安定性、耐熱性、耐食性、再現性、応答性などにおいて優れており、また構造がシンプルであるため耐久性に優れると共に小物体や狭小空間の温度測定も可能であり、温度測定デバイスとして広く利用されている。
熱電対は、異なる材料の２本の金属線を接続し、二つの接点（基準接点（冷接点）と測温接点）の温度差に基づく電位差（起電力）を使うものであり、短絡が生じると測定対象の温度を正確に計測することができない。加熱装置等の温度制御の温度調節計に用いている場合、熱電対に短絡が生じると測定温度が室温付近で一定となってしまい、温度調節計は出力を出し続ける為、危険な状態になる。
特許文献１には、このような熱電対の短絡検出方法に関する技術が開示されている。

特開平６−２０１４８４

特許文献１で開示される技術は、射出成型機の加熱装置（ヒータ）の温度制御において、出力を最大とした際の温度上昇率に基づいて、短絡異常を検出するものである。従って、温度制御対象（ヒータ）に対して最大出力を行うことが前提であり、出力を行わない状態での短絡異常の検出ができるものではなく、例えば単なる温度測定器等（温度調節機能が無いもの）に適用できるものではなかった。

本発明は、上記の点に鑑み、温度制御対象に対する出力を行わずに熱電対の短絡の検出が可能であり、温度調節機能を持たない温度測定器においても熱電対の短絡が検出可能な、温度測定器、温度調節計及び短絡判別プログラムを提供することを目的とする。

（構成１）
熱電対が接続される端子と、前記端子の近傍の温度に基づいて、前記熱電対による測定値を補償する冷接点温度補償部と、前記端子の近傍の温度に変化が生じている期間に、当該温度変化に応じて前記熱電対の起電力又はこれに対応する温度に変化が生じたか否かによって、短絡の有無を判別する短絡判別部と、を備えることを特徴とする温度測定器。

（構成２）
熱電対が接続される端子と、前記端子の近傍の温度に基づいて、前記熱電対による測定値を補償する冷接点温度補償部と、前記端子の近傍の温度に変化が生じている期間に、前記冷接点温度補償部によって得られた補償後の温度測定値が、前記温度変化に応じて変化したか否かによって、短絡の有無を判別する短絡判別部と、を備えることを特徴とする温度測定器。

（構成３）
前記端子の近傍の温度に変化が生じている期間が、装置の立ち上げ時であることを特徴とする構成１又は構成２に記載の温度測定器。

（構成４）
前記端子の近傍の温度に変化が生じている期間が、前記端子の近傍の温度の計測値に基づいて定められることを特徴とする構成１から構成３の何れかに記載の温度測定器。

（構成５）
構成１から構成４の何れかに記載の温度測定器と、前記熱電対によって測定される対象装置の温度または対象装置が温度制御する対象の温度が、設定された温度となるように制御するための制御信号を算出する算出部と、前記対象装置に直接又は他の装置を介して前記制御信号を出力する出力部と、を備え、前記制御信号を出力していない状態において、前記短絡の有無を判別する処理を行うことを特徴とする温度調節計。

（構成６）
熱電対を用いた温度測定器に、前記熱電対が接続される端子の近傍の温度に変化が生じている期間に、当該温度変化に応じて前記熱電対の起電力又はこれに対応する温度に変化が生じたか否かを判別するステップと、前記温度変化に応じて前記熱電対の起電力又はこれに対応する温度が変化していないと判別された場合に、短絡が生じていると判別するステップと、を実行させることを特徴とする、短絡判別プログラム。

（構成７）
熱電対を用いた温度測定器に、前記熱電対が接続される端子の近傍の温度に変化が生じている期間に、当該温度変化に応じて冷接点温度補償後の温度測定値に変化が生じたか否かを判別するステップと、前記温度変化に応じて前記冷接点温度補償後の温度測定値に変化が生じたと判別された場合に、短絡が生じていると判別するステップと、を実行させることを特徴とする、短絡判別プログラム。

（構成８）
前記熱電対が接続される端子の近傍の温度に変化が生じている期間が、装置の立ち上げ時であることを特徴とする構成６又は構成７に記載の短絡判別プログラム。

（構成９）
前記熱電対が接続される端子の近傍の温度変化を監視することにより、前記熱電対が接続される端子の近傍の温度に変化が生じている期間を定めるステップを、実行させることを特徴とする構成６から構成８の何れかに記載の短絡判別プログラム。

（構成１０）
前記温度測定器を備え、前記熱電対によって測定される対象装置の温度または対象装置が温度制御する対象の温度が、設定された温度となるように制御するための制御信号を算出し、当該制御信号を前記対象装置に直接又は他の装置を介して出力する温度調節計に、前記制御信号を出力していない状態において、前記短絡を判別するステップを実行させることを特徴とする構成６から構成９の何れかに記載の短絡判別プログラム。

本発明の温度測定器、温度調節計及び短絡判別プログラムによれば、温度制御対象に対する出力を行わずに熱電対の短絡の検出をすることが可能である。

本発明に係る実施形態の温度調節計の構成の概略を示すブロック図 本発明に係る動作を説明するための説明図 実施形態の温度調節計の本発明に関する処理動作の概略を示すフローチャート 実施形態の温度調節計の本発明に関する別の処理動作の概略を示すフローチャート 実施形態の温度調節計の本発明に関する別の処理動作の概略を示すフローチャート

以下、本発明の実施態様について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下の実施態様は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲内に限定するものではない。

図１は本発明に係る実施形態の温度調節計の構成（本発明に関する部分のみの構成）の概略を示すブロック図である。
温度調節計１は、熱電対２が接続される熱電対接続端子１１と、熱電対２で生じる起電力をＡ／Ｄ変換部１３へ入力するための入力回路１２と、熱電対接続端子１１の近傍の温度を測定するための測温抵抗体１５と、熱電対２で生じた起電力や、測温抵抗体１５の電圧値をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部１３と、各種の演算処理等を実行するＭＣＵ１４等を備える。測温抵抗体１５は、熱電対２の冷接点温度補償をするための温度センサであり、測温抵抗体１５、Ａ／Ｄ変換部１３、ＭＣＵ１４によって冷接点温度補償部が構成される。
温度調節計１は、ヒータ等の外部装置（図示せず）の温度制御を行うものであり、ヒータ等の外部装置（以下「対象装置」という）の温度（または対象装置が温度制御する対象の温度）が、設定された温度になるように、対象装置に直接又は他の装置を介して制御信号を出力するものである。即ち、熱電対２によって測定された対象装置の温度（または対象装置が温度制御する対象の温度）が、設定温度となるように、対象装置のヒータ等の出力を適切に制御するための制御信号（例えば出力を０〜１００％の間で指定する負荷率）を、フィードバック制御等によって算出し、これを対象装置（又は対象装置に接続される電力調整器等の他の装置）に対して出力するものである。なお、制御信号を出力するための出力部については図示を省略している（温度調節計１のハード的な構成自体は、従来の温度調節計と同様であり、図示及び説明を簡略化している）。また、制御信号の算出処理はＭＣＵ１４によって行われる（即ち、ＭＣＵ１４が制御信号の算出を行う算出部を構成する）。

図２は、温度調節計１の本発明に係る動作を説明するための説明図である。
熱電対は、二つの接点（冷接点と測温接点）の温度差に基づく起電力を利用して温度測定をするものであり、冷接点に対する測温接点の相対的な温度が測定されるものである。従って、図２の上段に示されるように、正常な状態においては、測定対象の温度が一定であっても、冷接点側の温度が上昇していくと、冷接点と測温接点の間に温度差が生じ、この温度差に応じた熱起電力が熱電対に生じることとなる。即ち、冷接点に対する測温接点の温度は低下していくこととなる。なお、当該見かけ上の温度低下は冷接点温度補償によって補償されるため、補償後の温度測定値としては、測定対象の温度が一定であるという結果が得られる。
一方、図２の下段に示されるように、冷接点付近で短絡ＳＣが生じると、図２の上段と同じように測定対象の温度が一定で冷接点側の温度が上昇しても、短絡ＳＣがあるため、起電力はほとんど得られない。起電力が得られないということは、冷接点と測温接点の間に温度差が無いということを意味する結果となり、冷接点温度補償による補償後の温度測定値としては、冷接点と同じく上昇した値となる。
本実施形態の温度調節計１は、上記の点を利用し、冷接点の温度に変化が生じている期間に、当該温度変化に応じて熱電対２の起電力（若しくはこれに対応する温度）に変化が生じたか否か、或いは、冷接点温度補償の補償後の温度測定値が前記温度変化に応じて変化したか否か、によって短絡の有無を判別するものである。

次に、図３のフローチャートを参照しつつ、本実施形態の温度調節計１の本発明に関する処理動作の概略を説明する。
図３の処理は、熱電対２の短絡の有無を判別する処理であり、温度調節計１の立ち上げ時に実行される。電子機器の中には必ず発熱部品があり、機器が電源オフ状態からオン状態になると内部温度が上昇するものである。この点は温度調節計１においても同様であり、電源がオン状態となることで各電子部品が発熱し、内部温度の上昇が生じる。これにより、熱電対接続端子１１（冷接点）付近においても温度上昇が生じるため、この冷接点の温度変化を利用して前述の短絡判別を行うものである。
また、図３の処理は、ヒータ等の対象装置に対する制御信号（例えば出力を０〜１００％の間で指定する負荷率）の出力をしない状態にて実行される。対象装置に対する制御信号を出力していない状態では、基本的に対象装置の温度（熱電対２が設置されている箇所の温度）は一定であるため、この状態を利用して前述の短絡判別を行うものである。

ステップ３０１では、電源ＯＮによる装置の立ち上げ時に、熱電対２の起電力を取得し、これを変数Ｖ_１に代入する。なお当該熱電対２の熱起電力の取得処理はＡ／Ｄ変換部１３によってＡ／Ｄ変換された値をＭＣＵ１４で取得することで行われるものである。
続くステップ３０２は、所定期間の経過を待つ処理であり、所定期間が経過したらステップ３０３へと移行する（ステップ３０２：Ｙｅｓ→ステップ３０３）。これは、電源ＯＮによる温度変化が得られるまでの十分な時間を設けているものである。本実施形態の温度調節計１としての具体例は３分であるが、本発明が適用される装置の個別の特性に応じて適宜定められるものである。

所定期間経過後（即ち、電源ＯＮによる温度変化が生じた後）のステップ３０３では、熱電対２の起電力を取得し、これを変数Ｖ_２に代入する。
続くステップ３０４では、Ｖ_１とＶ_２を比較し、その差が所定値以上である場合には正常であると判断し（ステップ３０４：Ｙｅｓ→ステップ３０５）、差が所定値未満であった場合には、短絡の可能性があるとしてエラー処理（例えば、エラー表示やエラー音を出して、処理を停止するもの等）を行う（ステップ３０４：Ｎｏ→ステップ３０６）。即ち、図２に基づいて先に説明したように、冷接点の温度に変化が生じている期間に、当該温度変化に応じて熱電対２の起電力に変化が生じたか否かによって短絡の有無を判別しているものである。
ステップ３０４の判別の閾値となる“所定値”について、本実施形態の温度調節計１としての具体例は“Ｖ_１に対するＶ_２の変化の割合が３０％”であるが、本発明が適用される装置の回路特性や精度等に応じて適宜定めればよい。
なお、図３では、熱電対２の起電力に変化が生じたか否かを判別するものとしたが、熱電対２の起電力に対応する温度に変化が生じたか否かを判別するものであってもよい（概念として同義である）。

図４には、冷接点温度補償の補償後の温度測定値が前記温度変化に応じて変化したか否かによって短絡の有無を判別するフローチャートを示した。なお、図３と同様の処理概念となるものについては同一の符号を使用し、ここでの説明を省略若しくは簡略化する。
図４の処理は、図３の処理と同様に、電源ＯＮによる装置の立ち上げ時であって、ヒータ等の対象装置に対する制御信号の出力をする前の状態にて実行される。

ステップ４０１では、冷接点温度補償の補償後の温度測定値を取得し、これを変数Ｔ_１に代入する。即ち、測温抵抗体１５によって測定される熱電対接続端子１１（冷接点）の温度に基づいて、冷接点温度補償を行った熱電対２の測定値をＴ_１に代入する。
所定期間経過後（ステップ３０２後）のステップ４０３において、冷接点温度補償の補償後の温度測定値を取得し、これを変数Ｔ_２に代入する。

続くステップ４０４では、Ｔ_１とＴ_２を比較し、その差が所定値未満である場合には正常であると判断し（ステップ４０４：Ｎｏ→ステップ３０５）、差が所定値以上であった場合には、短絡の可能性があるとしてエラー処理を行う（ステップ４０４：Ｙｅｓ→ステップ３０６）。
ステップ４０４の判別の閾値となる“所定値”については、装置の回路特性や精度等に応じて適宜定めればよい。

以上のごとく、本実施形態の温度調節計１によれば、対象装置に対する出力を行わずに熱電対の短絡の検出が可能である。且つ、当該検出のための追加的な部品等は不要であるため、低コストにて実装することができる。

なお、本実施形態においては、電源ＯＮによる装置の立ち上げ時において所定期間に温度上昇があるものとして、短絡の判別処理を行うものを例としているが、熱電対接続端子１１（冷接点）の温度を測定して、熱電対接続端子１１に所定の温度変化が得られた際に短絡の判別処理を行う（“冷接点の近傍の温度に変化が生じている期間”が、冷接点の近傍の温度の計測値に基づいて定められる）ものとしてもよい。
図５は、そのような処理の概略を示すフローチャートである。なお、図３と同様の処理概念となるものについては同一の符号を使用し、ここでの説明を省略若しくは簡略化する。

ステップ５０１では、測温抵抗体１５によって測定される熱電対接続端子１１（冷接点）の温度を取得し、これを変数Ｔｃｊ_１に代入する。また、熱電対２の起電力を取得し、これを変数Ｖ_１に代入する。

続くステップ５０２〜５０３のループ処理では、熱電対接続端子１１（冷接点）の温度を取得して変数Ｔｃｊ_２に代入し、Ｔｃｊ_１とＴｃｊ_２の差が所定値以上であるか（即ち、冷接点で所定の温度変化が得られたか）を判別する処理を行い、所定の温度変化が得られた場合にはステップ３０３へと移行する（ステップ５０３：Ｙｅｓ→ステップ３０３）。ステップ３０３以降の処理は、図３と同様であるため、ここでの説明を省略する。

図５の処理によれば、実際に冷接点で所定の温度変化が得られた際に短絡の判別処理を行うものであるため、より確実な短絡の判別を行うことができる。
なお、図５の処理では、図３と同様に、冷接点の温度に変化が生じている期間に、当該温度変化に応じて熱電対２の起電力に変化が生じたか否か、によって短絡の有無を判別するものを例としているが、図４と同様に、冷接点温度補償の補償後の温度測定値が前記温度変化に応じて変化したか否か、によって短絡の有無を判別するものとしても勿論よい。

本発明に係る短絡の判別処理の実行タイミングは、冷接点の温度に変化が生じている期間であって且つその期間における測温接点の温度の変化状態がわかる期間であればよい。
“冷接点の温度に変化が生じている期間”として、実施形態では装置の立ち上げ時を用いているものである。また図５の処理によれば、“冷接点の温度に変化が生じている期間”を冷接点の温度の実測に基づいて定めることができるため、装置の立ち上げ時以外の期間においても実行可能である。ただし、装置が一旦定常状態になった後は通常は大きな温度変化は無いと考えられるため、実際には装置の立ち上げ時に行うのが好適である。なお、熱電対接続端子１１（冷接点）付近の温度を変化させるための部材（発熱部品や、ファン等の冷却部品）を特別に設けて、これによって任意のタイミングで冷接点に温度変化を生じさせ、短絡の判別処理を実行するものであってもよい。
“測温接点の温度の変化状態がわかる期間”としては、実施形態ではヒータ等の対象装置に対する制御信号の出力をする前の期間を用いている。温度制御をする前であれば通常は室温等の一定の温度であるためである。なお、測温接点の温度が一定である必要はなく、“測温接点の温度の変化状態がわかる”状況であればよい。なお、測温接点の温度が変化する場合、これが冷接点補償温度と同じような温度変化をした場合は誤検知となり得るため、冷接点の温度を測定するようにして、この冷接点の温度変化が“測温接点の温度の変化状態”と同様である場合には、例外処理（本件による短絡の判別処理を行わない、又は、冷接点付近の温度を変化させる構成を有する場合には、これによって“測温接点の温度の変化状態”とは異ならせるようにする等）とするようにしてもよい。
なお、“対象装置に対する制御信号の出力をする前の期間を用いる”ということは、短絡の判別処理が終わるまでは対象装置に対する制御信号の出力をしないということである。従って、対象装置の温度制御の開始まである程度の時間を要することになり、ユーザによってはこれを不便に感じる可能性もある。そこで、ユーザ側からの短絡検出処理を中止する指示を受けつけるようにしてもよい。

なお、上記の図３〜図５の各処理は基本的にＭＣＵ１４にて実行させるものであり、従って、ＭＣＵ１４が短絡判別部を構成するものである。実施形態ではＭＣＵ１４上で図３〜図５の各処理が実行されるものを例として説明しているが、専用回路等にてハード的に各構成が実装されるものであっても構わない。
実施形態においては、温度調節計を例として説明したが、温度調節機能がない温度測定器においても本発明を適用することができる。

１．．．温度調節計
１１．．．熱電対接続端子
１４．．．ＭＣＵ（短絡判別部）
１５．．．測温抵抗体
２．．．熱電対

Claims (10)

1. 熱電対が接続される端子と、
   前記熱電対の冷接点の近傍の温度に基づいて、前記熱電対による測定値を補償する冷接点温度補償部と、
   前記冷接点の近傍の温度に変化が生じている期間に、当該温度変化に応じて前記熱電対の起電力又はこれに対応する温度に変化が生じたか否かによって、短絡の有無を判別する短絡判別部と、
   を備えることを特徴とする温度測定器。
2. 熱電対が接続される端子と、
   前記熱電対の冷接点の近傍の温度に基づいて、前記熱電対による測定値を補償する冷接点温度補償部と、
   前記冷接点の近傍の温度に変化が生じている期間に、前記冷接点温度補償部によって得られた補償後の温度測定値が、前記温度変化に応じて変化したか否かによって、短絡の有無を判別する短絡判別部と、
   を備えることを特徴とする温度測定器。
3. 前記冷接点の近傍の温度に変化が生じている期間が、装置の立ち上げ時であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の温度測定器。
4. 前記冷接点の近傍の温度に変化が生じている期間が、前記冷接点の近傍の温度の計測値に基づいて定められることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の温度測定器。
5. 請求項１から請求項４の何れかに記載の温度測定器と、
   前記熱電対によって測定される対象装置の温度または対象装置が温度制御する対象の温度が、設定された温度となるように制御するための制御信号を算出する算出部と、
   前記対象装置に直接又は他の装置を介して前記制御信号を出力する出力部と、
   を備え、
   前記制御信号を出力していない状態において、前記短絡の有無を判別する処理を行うことを特徴とする温度調節計。
6. 熱電対を用いた温度測定器に、
   前記熱電対の冷接点の近傍の温度に変化が生じている期間に、当該温度変化に応じて前記熱電対の起電力又はこれに対応する温度に変化が生じたか否かを判別するステップと、
   前記温度変化に応じて前記熱電対の起電力又はこれに対応する温度が変化していないと判別された場合に、短絡が生じていると判別するステップと、
   を実行させることを特徴とする、短絡判別プログラム。
7. 熱電対を用いた温度測定器に、
   前記熱電対の冷接点の近傍の温度に変化が生じている期間に、当該温度変化に応じて冷接点温度補償後の温度測定値に変化が生じたか否かを判別するステップと、
   前記温度変化に応じて前記冷接点温度補償後の温度測定値に変化が生じたと判別された場合に、短絡が生じていると判別するステップと、
   を実行させることを特徴とする、短絡判別プログラム。
8. 前記冷接点の近傍の温度に変化が生じている期間が、装置の立ち上げ時であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の短絡判別プログラム。
9. 前記冷接点の近傍の温度変化を監視することにより、前記冷接点の近傍の温度に変化が生じている期間を定めるステップを、実行させることを特徴とする請求項６から請求項８の何れかに記載の短絡判別プログラム。
10. 前記温度測定器を備え、前記熱電対によって測定される対象装置の温度または対象装置が温度制御する対象の温度が、設定された温度となるように制御するための制御信号を算出し、当該制御信号を前記対象装置に直接又は他の装置を介して出力する温度調節計に、
    前記制御信号を出力していない状態において、前記短絡を判別するステップを実行させることを特徴とする請求項６から請求項９の何れかに記載の短絡判別プログラム。

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