JPH01129168A - インピーダンス測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はインピーダンス測定装置に係り、更に詳しく
言えば、高精度のインピーダンス／電圧変換回路を備え
たインビーダン反測定装置に関するものである。

〔従　来　例〕

インピーダンス測定装置などにおいては、一般に、定電
圧源又は定電流源から被測定体に電流を流してインピー
ダンスに比例した大きさの電圧を発生させ、この電圧を
測定することにより被測定体のインピーダンスを求める
ようにしている。

第６図ないし第９図にその主な例が示されているが、第
６図においては例えば定電圧源Ｅから被測定インピーダ
ンスＲｘに電流を流し、増幅器Ａ１の出力電圧Ｖ、を測
定部にて測定する。インピーダンスＲ，は、例えば次の
式から演算により求めるようにしている。

Ｒｘ　＝　Ｒｘ　Ｅ　／　ｌ　Ｖ　ａ　Ｉ第７図は、例
えば定電流源工から抵抗Ｒ１を介して被測定インピーダ
ンスＲ，に電流工！を流した場合の例であって、増幅器
Ａ工の出力電圧Ｖ、を同様に測定部にて測定し、次の式
からインピーダンスＲ，を求める。

ＲＸ＝　１Ｖｏｌ　／　Ｉ　１ 第８図は、同様に定電流源工を用いた例であるが、この
場合、インピーダンスＲｘは次の式から求める。

ＲＸ＝（ＩＶ、ｌ　／　Ｉ　Ｉ）Ｒ，／ｆＲ，＋Ｒ，）
第９図は、４端子法による測定の例であって。

例えば定電流源工から被測定インピーダンスＲ。

に電流工！を流し、その両端に発生する電圧Ｖ、ユ。

ｖＸ、を差動増幅ＩＩ　Ａｚに加える。この差動増幅器
Ａ２の出力電圧ｖ０を測定部に測定すれば、次の式から
インピーダンスＲ，が求まる。

Ｒｘ＝Ｉ’Ｖ＋＋Ｉ　／　Ｉ　。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来装置におけるインピーダンス／電圧変換回路は
、構成が簡素であるという長所を備えている。しかしな
がら、被測定インピーダンスを高精度で電圧に変換しよ
うとすると１例えば抵抗素子Ｒ１，Ｒ，が高安定である
こと、増幅器Ａ１のオフセット電圧が極めて小さいこと
、差動増幅器Ａ。

の同相成分除去比が十分高いこと、などの条件を満足す
る必要がある。このため部品が高価となり、装置の価格
を上昇させるという問題がある。

この発明は上記の点に鑑みなされたもので、その目的は
、比較的簡単な構成で高精度が得られる低コストのイン
ピーダンス／電圧変換回路を備えたインピーダンス測定
装置を提供するこにある。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図に示されている実施例を参照すると、このインピ
ーダンス測定装置は１例えばインピーダンス／電圧変換
回路１．Ａ／Ｄコンバータ２．及び演算手段３とスイッ
チ制御手段４を備えた測定部５、表示・記録部６などか
らなり、上記インピーダンス／電圧変換回路１には、例
えば標準抵抗Ｒ８、直流定電圧源Ｅ、測定部５により駆
動されるスイッチＳＷ、抵抗Ｒ１，Ｒ，を有する増幅器
Ａ１が設けられている。

〔作　　　用〕

上記インピーダンス／電圧変換回路１において。

例えば定電圧源Ｅから標準抵抗ＲＳを介して被測定イン
ピーダンスＲχへ電流工６を流し、このとき標準抵抗Ｒ
８と被測定インピーダンスＲ，の両端にそれぞれ発生す
る電圧Ｖ４１　ｖｘａ＊　ＶＸ、を測定部５にて測定す
ると、（Ｖ４−Ｖｘａ）÷Ｒ１１を演算することにより
電流Ｉ６の値がわかる。

よって、被測定インピーダンスＲ，は次の式％式％） の演算にて求めることができる。

この場合、上記Ｉ６とＲ，を求める演算式においてはそ
れぞれ引き算と割り算が行われるため、例えば増幅器Ａ
１のオフセット電圧や抵抗値Ｒ１，Ｒ。

の変動分が自動的に打ち消され、演算結果に影響を与え
るなくすることができる。

〔実　施　例〕

上記第１図のインピーダンス／電圧変換回路１において
、例えばその入力側には、被測定インピーダンスＲ，が
接続される２つの測定用端子１２．１３が設けられてい
る。この実施例においては、その１つの端子１２は例え
ばスイッチＳ１の一方の端子と接地側とに接続され、他
方の端、子１３はスイッチＳｓの一方の端子と、標準抵
抗Ｒ，を介してスイッチＳ、の一方の端子に接続されて
いる。また、上記スイッチＳ１．　Ｓ、、　Ｓ、の各他
方の端子は例えば増幅器Ａ１の十入力端に共通接続され
、この増幅器Ａ１の一入力端と接地間、及び−入力端と
その出力端間にはそれぞれ抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２が接続
されている。

ここで例えば図示のように、スイッチＳ、の一方の端子
と接地間へ定電圧源Ｅを接続すると、この定電圧源Ｅか
ら標準抵抗Ｒ，と被測定インピーダンスＲ，を通る電流
ＩＨが流れ、その電圧降下により、スイッチＳ、、Ｓ、
、Ｓｉの各一方の端子には例えばそれぞれｖ４．　Ｖｘ
ａｔ　ｖｘ、が現れる。

この場合、上記電流工、の大きさは ■、＝（ｖ、−ｖｘ、）／Ｒ８・・・・・・・・・・・
・（１）である。

よって、被測定インピーダンスＲｘは、上式のＩＥを利
用して ＲＸ＝　（Ｖｘａ　−ＶＸｉ）／　Ｉ　ｕ　−−・・・
−（２）から求めることができる。

上記式（１）、　（２’）の右辺の各電圧は１例えばス
イッチＳＷと増幅ＩＩ　Ａｉ及びＡ／Ｄコンバータ２を
介して測定部５に送られる。演算手段４はこの送られて
きた電圧データにて式（１）、　（２）を演算し。

上記インピーダンスＲ，を求めるようになっている。こ
の場合、上記アナログの各電圧Ｖ４＊ＶＸａｓＶＸ□を
順次取り込んでディジタル変換するためスイッチＳＷが
設けられており、このスイッチＳＷは例えばスイッチ制
御手段４によりオン、オフされるようになっている。

この実施例においては１例えばスイッチＳ、をオンにす
ると電圧ｖ４が増幅器Ａ１の手入力端へ加えられるよう
になっている。この場合、増幅器Ａ１の利得をＧ、その
出力電圧をｖ６．とすると、Ｖａ４＝Ｖ４Ｇ であるから Ｖ　４　”　Ｖ　＠　４　／　Ｇ となる、ここで、利得Ｇは Ｇ　＝　１　＋　Ｒｚ　／　Ｒｔ とおくことができるから、これを上式に代入すると、 Ｖ、＝Ｖ＠４／（１＋Ｒ＊／ｌｔｔ＞−−−−・−・・
（３）となる。

次に、例えばスイッチＳ、をオフ、スイッチＳ１　。

をオンにすると、増幅器Ａ１の手入力端には電圧Ｖ□が
加えられる。これによる増幅器Ａ□の出力電圧をｖ＠Ｘ
、とすると１．上記にならいＶｘｓ　＝Ｖ、ｘｓ／　（
１＋　Ｒｓ／　Ｒｘ）−−（４）となる。

更に、例えばスイッチＳ４．Ｓ、をオフ、スイッチＳ１
をオンにすると、増幅器Ａｉの手入力端には電圧ＶＸＸ
が加えられる。このときの出力電圧をＶ　ａ　Ｘ　ｌと
すると、上記と同様にしてＶｘ□＝　Ｖｏｘｔ／　（１
＋　Ｒｍ　／　Ｒｘ）−−（５）を得る。ここで、　Ｖ
Ｘ□は例えば配線のインピーダンスによって発生する電
圧とする。

よって、上記式（１）に式（３）と（４）を代入して電
流工、を求めると。

１１＋＝（Ｖ１１４　　Ｖｅｘｓ）／（１＋Ｒ，／Ｒｔ
）Ｒｓ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６
）となる。

したがって、被測定インピーダンスＲ，は１式（２）に
式（４）、　（５）、　（６）を代入して求めることが
できる。

すなわち。

Ｒｘ　−（（Ｖａｘａ　−Ｖａｘａ）　／　（１＋　Ｒ
ｍ　／　Ｒ１））／　（（ＶＳ２−　Ｖａｘａ）　／　
（１＋　Ｒｚ　／　Ｒｚ）　Ｒｓ）＝　（Ｖａｘａ　−
Ｖａｘｚ）　Ｒ８／　（ＶＯ２−Ｖｓｘａ）・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・（７）を得る。

この式（７）を見ると、インピーダンスＲ，を求める演
算の過程で、抵抗Ｒ□とＲ２による利得の項が割り算に
よって消去されている。また、増幅器Ａ４にオフセット
電圧があったとしてもそれぞれ分母と分子の括弧内にお
ける引き算によって打ち消され、変換精度に影響を与え
るものは標準抵抗Ｒ，のみであることがわかる。更に、
当然のことながら信号源電圧Ｅや信号源電流Ｉ、及びＡ
／Ｄコンバータの変換利得の変動なども消去される。

なお、上記の説明においては、スイッチｓ、ｔ　５ａｔ
Ｓ□の順に切り換えて発生電圧を増幅器Ａ１へ加えるよ
うにされているが、スイッチの切換え順序、すなわち電
圧を加える順序は任意でよいことは当然のことである。

第２図には１例えば定電流源工を用いたインピーダンス
／電圧変換回路の例が示されている。この実施例におい
ては、例えばまずスイッチＳ１゜Ｓ３をオフ、スイッチ
Ｓ、をオンにするとともにスイッチＳ５を端子Ａ側に接
続する。

これにより、測定流源工から被測定インピーダンスＲ，
へ電流１．が流され、それによって発生する電圧ＶＸ４
は、例えば上記スイッチＳ４を介して増幅器Ａ□の手入
力端へ加えらケようになっている。この入力電圧ＶＸ４
により、増幅器Ａ１の出力側には電圧Ｖ＠Ｘ４が現れる
ものとすると、この２つの電圧ｖｘ、とＶ、、４の関係
は上記第１図の実施例と同様に、 ＶＸ４　＝　ＶｓＸｉ　／　（１＋　Ｒ２／　Ｒｔ）　
−−（８）となる。

次に１例えばスイッチＳ４をオフ、スイッチＳ３をオン
にするとともに、スイッチＳ、を端子Ｂ側に接続すると
、定電流源Ｉから流される電流工。

により標準抵抗Ｒｇに電圧Ｖ、が発生し、スイッチＳ、
を介して増幅器へ〇の十入力端に加えられる。

この場合、増幅器Ａ工の出力電圧を例えばｖｌｌ、とす
ると１人、出力電圧の関係は上記にならい。

Ｖ、＝Ｖ、３／（１＋　Ｒ，／Ｒ１）”・−””’（９
）とおくことができる。

更にまた１例えばスイッチＳ１をオフ、スイッチＳ１を
オンにすると、配線等のインピーダンスに流れる電流工
！にて電圧ＶＸユが発生し、スイッチＳｉを介して増幅
ｉｔ　Ａ１に加えられる。これによる出力電圧を例えば
Ｖ、ｘ、とすると、入、出力電圧の関係は、同様にして ｖｘ１＝ＶｏＸ１／（１＋Ｒ２／Ｒｔ）　・・・”’（
１０）となる。

この場合、定電流源工から標準抵抗Ｒ８に流される上記
電流工！は、 Ｉ　！＝　（Ｖ３−　Ｖｏｘｚ）／　Ｒｓ　−−−−（
１１）であるから、上式の括弧内に式（９）　、　（１
０）を代入すると。

Ｉ　Ｉ＝ＣＶａｓ−Ｖｓｘｚ）／（１＋Ｒ２／Ｒ，）Ｒ
ｓ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・（ｌｌａ）とな
る。

この電流１．は、スイッチＳ５を端子Ａに接続したとき
被測定インピーダンスＲｘに流れる電流と等しく、それ
によって１圧ＶＸ４が発生するのであるから、上記イン
ピーダンスＲＸは Ｒｘ＝（ＶＸ４−　Ｖｘｚ）／　Ｉ　ｘ　−・＝　−−
（１２）とおくことができる。

上式の右辺に式（８）、　（１０）、　（ｌｌａ）を代
入すると、ＲＸ＝（（ＶｌｌＸ４−　Ｖａｘｘ）／　（
１＋　Ｒｚ／　Ｒｚ））／　（（Ｖａｎ　−Ｖａｘｉ）
／　（１＋　Ｒ２／　Ｒ１）Ｒ８）”（ＶＩＩＸ４　　
Ｖｏｘｔ）Ｒｓ／（Ｖａａ−Ｖａｘｚ）・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・（１２ａ）が得られる。

この式（，１２ａ）を上記第１図の実施例において求め
た式（７）と比較すると、定電圧源と定電流源による回
路上の違いはあるが、変換精度に影響を与える素子が標
準抵抗Ｒ８のみであるという点では共通している。

なお、配線等のインピーダンスが無視できる場合にはＶ
、、、＝Ｏとおけるから。

式（７）は Ｒｘ＝　ＶｓＸｉ　Ｒｓ／　（Ｖ１１４−　Ｖｅｘｓ）
　−（７ａ）式（１２ａ）は Ｒｘ　＝　’Ｖ　＠　４　ｘ　Ｒｓ　／　Ｖ　＊　ｓ・
・・・・・・・・・・・・・・・・・（１４ｂ）とそれ
ぞれ簡単化される。

第３図（Ａ）には、例えば定電圧源を用いたインピーダ
ンス／電圧変換回路を４端子法による測定装置に応用し
た例が示されている。この実施例においては、スイッチ
ＳｉないしＳ４のオン、オフ切換え動作と、それによっ
て取り込まれる測定電圧との関係は例えば第３図ＣＢ）
に示されており、被測定インピーダンスＲＸは次の演算
式にて求められる。

Ｒｘ”（Ｖｅｘｓ−Ｖｏｘｔ）Ｒ８／（ＶＯ４−Ｖｏｉ
）第４図（Ａ）には１例えば定電流源を用いたインピー
ダンス／電圧変換回路を４端子法による測定装置に応用
した例が示されており、スイッチＳ。

ないしＳ、の切換え動作とそれによって取り込まれる測
定電圧との関係は例えば第４図（Ｂ）に示されている。

この場合、被測定インピーダンスＲｘは例えば次の演算
式にて求められる。

Ｒｘ”　（Ｖｏｘａ　−Ｖａｘｉ）Ｒｓ／　（ＶＯ４Ｖ
ａｔ）第６図には、このインピーダンス／電圧変換回路
を例えば熱電対を用いた温度測定装置に適用した例が示
されている。この例においては、例えば端子１１．１２
は補償接点となして熱電対を接続し。

端子１３．１４は基準接点となして測温抵抗体Ｒｔが接
続されている。

なお、上記第１図及び第３図（Ａ）の実施例においては
定電圧源を用いた場合が示されているが、これらを定電
流源に置き換えてもよい。

〔効　　　果〕

以上、詳細に説明したように、この発明によるインピー
ダンス測定装置は１例えば定電圧源もしくは定電流源か
ら標準抵抗と被測定インピーダンスに同一の大きさの電
流を流し、その発生電圧をそれぞれスイッチにて切換え
送出するインピーダンス／電圧変換回路を有し、かつ、
この送出された電圧のディジタル変換データ中、上記標
準抵抗の発生電圧データとその抵抗値とから上記電流値
を算出するとともに、この電流データと上記被測定イン
ピーダンスの発生電圧データとによりそのインピーダン
スを算出する演算手段を備えている。

したがって、このインピーダンス測定装置によれば、上
記インピーダンスを算出する演算過程において、例えば
上記標準抵抗以外の抵抗素子類のデータは割り算により
消去され、増幅器のオフセット電圧データなどは引き算
によって打ち消される。このため、安定度の高い標準抵
抗を用いることにより高精度でインピーダンスを電圧に
変換することが可能となり、低価格で高精度のインピー
ダンス測定装置を実現することができる。なお、測定対
象をインピーダンス以外の他の物理量に置き換えること
も簡単であるから、応用範囲が広い。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図はこの発明によるインピーダンス測
定装置の実施例に係り、第１図はその構成の一例を示す
ブロック線図、第２図は定電流源を用いた２端子法によ
るインピーダンス／電圧変換回路、第３図（Ａ）は定電
圧源を用いた４端子法によるインピーダンス／電圧変換
回路、第３図（Ｂ）はそのスイッチ動作と測定電圧の説
明図、第４図（Ａ）は定電流源を用いた４端子法による
インピーダンス／電圧変換回路、第４図（Ｂ）はそのス
イッチ動作と測定電圧の説明図、第５図は４端子法によ
るインピーダンス／電圧変換回路を例えば温度測定装置
に応用した場合の接続図、第６図ないし第９図は従来装
置のブロック線図である。 図中、１はインピーダンス／電圧変換回路、２はＡ／Ｄ
コンバータ、３は演算手段、５は測定部、Ｅは定電圧源
、■は定電流源、Ｒ，は標準抵抗、ＲＸは被測定インピ
ーダンス、ＳＷはスイッチである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定インピーダンスに所定の電流を流してそのインピ
   ーダンスに比例した大きさの電圧を発生させるインピー
   ダンス／電圧変換回路と、上記電圧のディジタル変換デ
   ータを演算して上記被測定インピーダンスを求める測定
   部を備えたインピーダンス測定装置において、 上記インピーダンス／電圧変換回路は、定電圧源もしく
   は定電流源により上記被測定インピーダンスに流れる電
   流と同一の大きさの電流が流される標準抵抗と、上記電
   流にて上記標準抵抗と被測定インピーダンスにそれぞれ
   発生する電圧を各々切り換え送出するスイッチとを有し
   、 上記測定部は、上記標準抵抗に発生する電圧のディジタ
   ル変換データとその抵抗値データとから上記電流値を算
   出するとともに、該算出電流データと上記被測定インピ
   ーダンスに発生する電圧のディジタル変換データとによ
   りそのインピーダンスを算出する演算手段を備えている
   ことを特徴とするインピーダンス測定装置。