JPH0454421A - ３線式測温抵抗体温度変換回路 - 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　コ 半導体工業をはじめとする精密加工、バイオテクノロジ
ーの産業分野においては、環境条件に対する要求、すな
わち塵埃、温度、湿度、振動等に対しての高精度・高精
密な計測・制御が強く求められている。この発明は上述
のような産業分野における温度測定に関する技術的解決
策に関するものである。

すなわち、上述のような産業分野では温度の検出素子と
して白金等の測温抵抗体が従前より使用されている。こ
のような検出素子においては、測温抵抗体、測定器の個
々のばらつきの他に、白金線自身の持つ僅かな非線形誤
差、ブリッジ回路によって生ずる非線形誤差、あるいは
測温抵抗体の導線の線路抵抗による誤差、漏洩電流によ
る誤差等のためにその精度維持には限界があった。本発
明はこれらの誤差要因の是正を図り、高精度の温度測定
を目的とする抵抗−温度変換回路に関するものである。

［従来の技術］ 第５図は３線式測温抵抗体を用いた従来の抵抗−温度変
換回路の１例である。

この実例について説明する。この温度測定回路は定電圧
電源Ｅと接地電位間に抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と測温抵
抗体Ｒｔによフて構成した抵抗ブリッジ回路で、ブリッ
ジの出力電圧（Ｖ、　Ｖ２）を差動増幅器Ａ、で増幅す
る最も一般的に使用されている回路である。　測温抵抗
体あるいは導線部分の絶縁性の劣化に起因する漏洩電流
による誤差あるいはノイズよる誤差を軽減する為に測温
抵抗体の一端を接地電位に保っており、通常Ｒ１＝Ｒ２
として、Ｒ３＝　Ｒｔの時、ブリッジに流れる電流がＪ
、＝ｉ２になるように設計されている。

また、差動増幅器Ａ、の入力抵抗Ｒ４、Ｒ５および帰還
抵抗Ｒ７、バイアス抵抗Ｒ６もＲａ　＝　Ｒ＝ｓ、Ｒｅ
　”　Ｒ７になるよう設計されている。

測温抵抗体Ｒｔとブリッジ間の線路抵抗をＬヒし、演算
増幅器側へ電流１３ｔ１４を無視して考えると、ブリッ
ジ回路の出力電圧（Ｖ、　Ｖ２）の演算式は　ｖｉ−ｖ
２＝ で表すことができる。またその時の出力Ｖｏは下記式で
表すことができる。

Ｖｏ＝ このような回路では次のような欠点かある。

（１）線路抵抗りの変化、即ち配線長によるスパン誤差
の影響が大きい。

これは、ブリッジにかかる電圧が定電圧であるために、
配線による抵抗値が変化すると測温抵抗体に流れる電流
値が変化し、ブリッジ回路に非線形の誤差を生じ、スパ
ン誤差として現われるためである。このスパン誤差の影
響はブリッジを構成する抵抗値の大きさによって定まる
。因みに白金測温抵抗体Ｐｔ１００Ωを使用しθ〜３０
”Ｃにおける従来回路例における線路抵抗の影響を調べ
ると、Ｒ、＝Ｒ２＝５．６ＫＱ、Ｒ３＝１００Ｑ、Ｅ＝
５．７Ｖとした時、３０’Ｃの点のスパン変化は次のよ
うになる。

（Ｌ＝００時を１００％とした場合） 線路抵抗Ｌ　　　　Ｖｌ−Ｖ２の誤差 ０Ω　　ｏ、ｏｏｏｏｏ％ １Ω　−０，０７００６ ２Ω　−０，１４００５ ５Ω　−０，３９５２３ 】ＯΩ　−０，６９７０７ ２０Ω　　−１，３８６２７ 即ち、線路抵抗１Ω当たり約−０，０７％のスパン誤差
を生ずる。

（２）また、測温抵抗体に流れる電流値が変化すると測
温抵抗体自身の自己発熱量が変化し、正確な測定ができ
ないという欠点もある。

（３）白金測温抵抗体のように温度対電気抵抗の特性が
非直線的である測温抵抗体素子ではその非線形誤差は無
視できない、即ち０〜３０℃を温度範囲としてその白金
の測温抵抗体の非線形誤差を計算すると以下のようにな
り、最大的０．１１２％の非線形誤差を生じる。

０℃　　ｏ、ｏｏｏｏｏ％ １０℃　　０．０９９４２ １５℃　　０．１１１８５ ２０℃　　０．０９９４２ ３０℃　　ｏ、ｏｏｏｏ。

（４）ブリッジに流れる電流が演算増幅器側に分流する
。その影響は演算増幅器、抵抗Ｒ４〜Ｒ７、および■１
の電位の大きさに比例した誤差となる。

（５）測温抵抗体への測定電流の流入点■１の電位が高
くなり、測温抵抗体および導線部分の絶縁劣化が生じる
と漏洩電流の増加となり測定誤差を生じる。従来の回路
では以上のような欠点を持フていた。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、従来回路における上述のような幾つかの問題
点について改善を意図したものであり、その主たる目的
の第１は測温抵抗体Ｒｔ、導線の線路抵抗りの変化によ
って、スパン変動、ゼロ変動を起こさないことＪその第
２は測温抵抗体、ブリッジ回路に起因する非線形誤差を
補正すること。

第３は測温抵抗体および導線から生ずる漏洩電流による
誤差を軽減する回路を実現しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 前記の問題点を解決するために、本発明は測温抵抗体の
流入点の電位を接地電位とした定電流制御回路を設け、
測温抵抗体に流れる電流を一定にすると共に、導線の線
路抵抗の影響を電位差検出回路の差電圧出力として取り
出し、差動増幅回路において互いに相殺補償することと
した。

またこの差動増幅回路の出力電圧の一部を電位差検出回
路側に帰還することにより測温抵抗体の非線形誤差を同
時に補正したことに回路構成上の特徴をもっている。

［実施例コ 第１図は本発明の１実施例を示す回路図である。

第２図、第３図、第４図はそれぞれ第１図の変形であり
、特許請求の範囲の第３項、第４項、第５項に対応する
もので′ある。

第１図において、Ｅは定電圧源で、その電圧は演算増幅
器Ａ３の非反転入力端子に接続される電源設定電圧Ｅｓ
によって定められる。

Ｒ１は測温抵抗体に常に一定の電流を供給するために設
けた定電流設定抵抗器、抵抗器Ｒ２およびＲ３は電位差
検出回路のもう一方の辺を構成する抵抗器で、定′＃Ｌ
流段定抵抗器Ｒ１と抵抗値が等しい。Ｒｔは３線式測温
抵抗体であり、Ｌｌ、Ｒ２、Ｒ３は３線式測温抵抗体の
導線の線路抵抗値で、その値はＬ　＝Ｌ　ｔ　＝　Ｌ　
２　＝　Ｌ　３である。

、１１．１２はそれぞれＲ１、Ｒ２を流れる電流値、ｉ
３は線路抵抗の影響を除去するために設けた演算増幅器
Ａ２の入力抵抗Ｒ４を流れる電流値であり、ｉ４は演算
増幅器Ａ２の入力抵抗Ｒ５を流れる電流値である。

Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃはそれぞれ演算増幅器Ａ］の反転入力
端子電圧、演算増幅器Ａ２の非反転入力端子電圧、およ
び演算増幅器Ａ、の出力電位を示し、いずれも上述説明
中の符号と同一または相当のものを示す。演算増幅器Ａ
１、Ａ２は図示の位置に示す測温抵抗体Ｒｔの値によっ
てＶｃの電圧を制御する制御用の増幅器と、電位差検出
回路の出力電圧を増幅する演算増幅器で、それぞれオフ
セット電圧、オフセット電流の少ない演算増幅器が使用
されている。　　Ｒ５、Ｒ７は演算増幅器Ａ２とで構成
する反転型の増幅器のゲインを定める抵抗であり、その
抵抗値はＲａ　＝　Ｒ５、Ｒ６＝Ｒ７となるようにして
いる。Ｒｆは測温抵抗体の非線形誤差を補正するために
設けた帰還抵抗である。ｉ３はその帰還抵抗に流れる電
流値である。

第１図において下記の式が成立する。

ｘ１＝Ｅ／Ｒ１・・・・・・・（３） −ｉ＝Ｒｅ＝Ｖｏ　　１４Ｒ７・・・・（４）Ｖ　ｃ　
＝−１，（Ｒｔ　＋Ｌ　ｔ　＋　Ｒ２）ｉ　３　（Ｒｔ
　＋Ｌ２）　　　・・・・（５）ＶＣ”　　ｉ　、（Ｒ
ｔ＋Ｌ２） ｉ　３　（Ｒ、ａ　＋　Ｒａ　＋　Ｒｔ　＋　Ｌ　２　
＋　Ｌ　３　）・・・・・・（６） Ｖｃ＝Ｅ　　１２（Ｒ２＋Ｒ３）　　ｊ４Ｒ＝＊・・・
・・・（７） Ｖｃ＝Ｖｏ　　ｉ　２Ｒ３ｉ　ａ　（Ｒ３＋Ｒ５＋Ｒ７
）・・・・・・（８） 接地間、導線Ｌ１−接地間の絶縁劣化による漏洩電流が
誤差の要因となり、この間の電位が高ければそれだけ漏
洩電流が増加する。　図５の従来例ではこの電位は１．
（Ｒｔ　＋　２　Ｌ）となり、通常１００ｍＶ以上ある
。本発明における実施例では、漏洩電流が誤差要因とな
る測温抵抗体の流入口の電位はｉ、して表わされ、数ｍ
Ｖ程度である。

この発明で問題となるのは演算増幅器Ａ１の反転入力端
子への流入電流であるが、市販されている高入力抵抗の
演算増幅器を使用すれば無視することが十分にできる。

従って従来例に比較し１０倍以上の改善が容易に可能で
ある。

また、３線式測温抵抗体の導線の線路抵抗し１、Ｌ２、
Ｌ３は等しいことから、今Ｌ　＝　Ｌ　１＝　Ｌ　２”
　Ｌ　３゜又Ｒ＝　Ｒ、＝　Ｒ２＝　Ｒ３、Ｒ４＝　Ｒ
＝、、Ｒｅ　＝　Ｒ７となるように各抵抗値を選択し、
式（３）〜（８）を用いてＶＯを計算すると次式が得ら
れる。

Ｖｏ＝ ・・・・・・・・・・・・・・・ぐ１０）上式における
線路抵抗しにおけるスパン変化（誤差）は演算増幅器Ａ
２の入力抵抗と帰還抵抗の和（Ｒ４＋Ｒ６）とＬの比で
あり、０〜１０Ω程度のＬの変化に対してＲ４＋Ｒｅ、
を十分大きな抵抗（５００にΩ以上）に選ぶことが可能
でありその変化を軽微にすることができる。

因みに事例をもって説明すると、　Ｒ７＝Ｒ２”　Ｒ３
＝　Ｒ＝　１００Ω　、Ｅ／Ｒ＝１ｍＡ。

Ｅ”１００ｍＶ、Ｒ４＝Ｒ５＝ＩＫΩとして０〜３０℃
の時、Ｖｏ＝０〜３．０Ｏ０Ｖ　となるように設計する
とＲ６＝Ｒ７＝５３９．８にΩよフて、配線抵抗しによ
るスパン誤差は下記のとおりである 配線抵抗し　　　　　誤差　　（３０℃）０Ω　　　　
ｏ、ｏｏｏｏｏｏｏ％ １Ω　　　　０．０００２３２４ ２Ω　　　　０．０００５６００ ５Ω　　　　０．００２１１２９ １０Ω　　　　０．００６６０２５ ２０Ω　　　　０．０２２７１１４ 上記の誤差は従来例における線路抵抗の誤差の１／１０
０以下であり、通常の測温抵抗体の線路抵抗が０〜２０
以内であることから鑑みると、殆どその誤差は無視する
ことができる。

さらに（１０）式において線路抵抗の影響を無視しうろ
ことから（１０）は に（９）式を代入してＶＯを計算すると以下の如くなる
。

・　・　・　・　・　・　・　・　・　・　・　・　（
１２）式（１２）は平成２年５月２９日に当社が特許出
願した「測温抵抗体による抵抗値温度変換回路」（出願
番号　未受領　　　）の線形化の方式と同一となるので
、適当な定数の抵抗値Ｒｆを選択することにより、測温
抵抗体自身の非線形誤差の線形化が可能である。

［発明の効果コ 以上説明したように簡単な回路構成で、測温抵抗体の線
路抵抗の影響の除去や測温抵抗体の非線形誤差を改善と
いう効果がある。

また従来技術で問題であった測温抵抗体に流れる電流値
の変化による自己発熱は定電流にしたことより、測温抵
抗体自身の自己発熱量の影響を軽微にすることも可能で
あり、さらに、ブリッジに流れる電流が演算増幅器側に
分流の影響、および測温抵抗体・導線の絶縁抵抗の劣化
による漏洩電流誤差はその要因となる測温抵抗体の電位
点（Ｖｌ）を、はぼ接地電位と同電位（数ｍＶ）とする
ことができることからその誤差を軽微にできる効果もあ
る。

すなわち要約すれば、この発明によれば従来例で問題と
なフた数々の問題点を解決でき、正確且つ精密な温度計
測が実現でき、しかも回路を構成する主要電子部品であ
る演算増幅器はオフセット電圧、オフセット電流の少な
いＩＣが手軽に入手できるため、安価でしかも高精度の
装置が提供できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示す抵抗−温度変換器の回
路図。第２図、第３図、第４図は本発明に係わる他の実
施例である。第５図は従来例における測温抵抗体−温度
変換回路の回路図である。 Ｅ　・・・・・定電圧電源の電圧 Ｅｓ・・・・・定電圧電源の設定電圧 ■、・・・・・測温抵抗体の電流の流入口電位Ｖ２・・
・・・抵抗器Ｒ２とＲ３の接続点電位Ｖａ・・・・・演
算増幅器Ａ、の非反転入力端子電圧ｖｂ・・・・・演算
増＠器Ａ２の非反転入力端子電圧Ｖｃ・・・・・演算増
幅器Ａ、の出力電位Ｒ７・・・・・基準電流設定抵抗器 Ｒ２・・・・・抵抗器 Ｒ３・・・・・抵抗器 Ｒｔ・・・・・３線式測温抵抗体 Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７・・・・・・　抵抗器Ｒｆ、Ｒ
２，・・・・帰還ゲインを定める抵抗器Ｌ１、Ｌ２、Ｒ
３・・測温抵抗体の導線の線路抵抗値１、・・・・・・
測温抵抗体に流れる基準電流値１２．１３、ｉ４、ｊ５
・・・・・・　電流値Ａ１・・・・・制御用演算増幅器 Ａ２・・・・・差電圧を増幅する演算増幅器Ａ３・・・
・・定電圧電源を制御する演算増幅捻出　願　人　　株
式会社　ヒ　ラ　ノ　産　業代　理　人　　弁理士　　
１）峙　高　義第１図 第３図 Ｖ。 第２図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　基準電流設定抵抗器Ｒ＿１と、この抵抗器Ｒ＿１と
   等しい抵抗値の抵抗器Ｒ＿２とを接続し、上記抵抗器Ｒ
   ＿１の他方の一端に導線Ｌ＿１を介して接続された３線
   式測温抵抗体Ｒｔと、前記抵抗器Ｒ＿２の他端に接続さ
   れ上記抵抗器Ｒ＿１と等しい抵抗値の別の抵抗器Ｒ＿３
   と、この抵抗器Ｒ＿３の他端が導線Ｌ＿２を介して上記
   ３線式測温抵抗体Ｒｔの他端に接続して構成する差電圧
   検出回路において、上記基準電流設定抵抗器Ｒ＿１と抵
   抗器Ｒ＿２の接続点と基準電位点の間に一定電圧Ｅを与
   える定電圧電源と、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値変化および
   導線Ｌ＿１、Ｌ＿２の配線長による抵抗変化とは無関係
   に一定の電流ｉ＿１を測温抵抗体Ｒｔに供給する手段と
   して、上記測定電流設定抵抗器 Ｒ＿１と測温抵抗体Ｒｔの導線Ｌ＿１との接続点に演算
   増幅器Ａ＿１の反転入力端子を接続し、演算増幅器Ａ＿
   １の非反転入力端子を基準電位に接地して、上記測温抵
   抗体Ｒｔを負帰還素子として構成せしめ、抵抗器Ｒ＿３
   と測温抵抗体Ｒｔの導線Ｌ＿２の接続点の電位Ｖｃを制
   御する手段とを具備し、３線式測温抵抗体Ｒｔの第３の
   導線Ｌ＿３を介して導かれる測温抵抗体Ｒｔの電流ｉ＿
   １の流入口の電位Ｖ＿１と、抵抗器Ｒ＿２と抵抗器Ｒ＿
   ３との接続点電位Ｖ＿２との差電圧（Ｖ＿１−Ｖ＿２）
   を第２の演算増幅器Ａ＿２において所定の出力信号に増
   幅し、非線形誤差を補償すると共に３線式測温抵抗体の
   導線抵抗の誤差をも補償したことを特徴とする３線式測
   温抵抗体温度変換回路。 ２　前記変換回路において ３線式測温抵抗体の第３の導線Ｌ＿３を介して導かれる
   測温抵抗体の電流流入口の電位 Ｖ＿１を、分割抵抗器Ｒ＿４、Ｒ＿６を介して基準電位
   （０Ｖ）に接地し、その分割抵抗Ｒ＿４、Ｒ＿６の接続
   点電位を第２の演算増幅器Ａ＿２の非反転入力端子に接
   続するとともに、前記抵抗器Ｒ＿２と抵抗器Ｒ＿３との
   接続点電位Ｖ＿２を抵抗器Ｒ＿５を介して該演算増幅器
   Ａ＿２の反転入力端子に接続し、該演算増幅器Ａ＿２の
   出力Ｖｏを負帰還抵抗器Ｒ＿７を介して該演算増幅器Ａ
   ＿２の反転入力端子に帰還する反転型増幅回路を具備し
   、上記演算増幅器Ａ＿２の出力を帰還抵抗Ｒｆを介して
   電源電圧を司る第３の演算増幅器Ａ＿３の非反転入力端
   子に接続し、測温抵抗体Ｒｔに流れる電流値を補正して
   、測温抵抗体Ｒｔの非線形誤差の縮小を図ったことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載した３線式測温抵
   抗体温度変換回路 ３　前記変換回路において ３線式測温抵抗体の第３の導線Ｌ＿３を介して導かれる
   測温抵抗体の電流流入口の電位 Ｖ＿１を、分割抵抗器Ｒ＿４、Ｒ＿６を介して基準電位
   （０Ｖ）に接地し、その分割抵抗Ｒ＿４、Ｒ＿６の接続
   点電位を第２の演算増幅器Ａ＿２の非反転入力端子に接
   続するとともに、前記抵抗器Ｒ＿２と抵抗器Ｒ＿３との
   接続点電位Ｖ＿２を抵抗器Ｒ＿５を介して該演算増幅器
   Ａ＿２の反転入力端子に接続し、該演算増幅器Ａ＿２の
   出力Ｖｏを負帰還抵抗器Ｒ＿７を介して該演算増幅器Ａ
   ＿２の反転入力端子に帰還する反転型増幅回路を具備し
   、該演算増幅器Ａ＿２の出力を帰還抵抗Ｒｆを介して上
   述の第１の演算増幅器Ａ＿１の反転入力端子に接続し、
   測温抵抗体Ｒｔに流れる電流値を補正して、測温抵抗体
   Ｒｔの非線形誤差の縮小を図ったことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載した３線式測温抵抗体温度変換
   回路 ４　前記変換回路において 前記抵抗器Ｒ＿２と抵抗器Ｒ＿３との接続点電位Ｖ＿２
   を分割抵抗器Ｒ＿４、Ｒ＿６を介して基準電位（０Ｖ）
   に接続し、分割抵抗器Ｒ＿４とＲ＿６の接続点を演算増
   幅器Ａ＿２の非反転入力端子に接続するとともに、３線
   式測温抵抗体の第３の導線Ｌ＿３および入力抵抗Ｒ＿５
   を介して導かれる測温抵抗体の電流流入口の電位 Ｖ＿１を第２の演算増幅器Ａ＿２の反転入力端子に接続
   し、該演算増幅器Ａ＿２の出力Ｖｏを負帰還抵抗器Ｒ＿
   ７を介して該演算増幅器Ａ＿２の反転入力端子に帰還す
   る非反転型増幅回路を具備し、該演算増幅器Ａ＿２の出
   力を帰還抵抗Ｒｆを介して第３の演算増幅器Ａ＿３の反
   転入力端子に接続し、測温抵抗体Ｒｔに流れる電流値を
   補正して、測温抵抗体Ｒｔの非線形誤差の縮小を図った
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載した３線
   式測温抵抗体温度変換回路 ５　前記変換回路において 前記抵抗器Ｒ＿２と抵抗器Ｒ＿３との接続点電位Ｖ＿２
   を分割抵抗器Ｒ＿４、Ｒ＿６を介して基準電位（０Ｖ）
   に接続し、分割抵抗器Ｒ＿４とＲ＿６の接続点を演算増
   幅器Ａ＿２の非反転入力端子に接続するとともに、３線
   式測温抵抗体の第３の導線Ｌ＿３および入力抵抗器Ｒ＿
   ５を介して導かれる測温抵抗体の電流流入口の電位Ｖ＿
   １を第２の演算増幅器Ａ＿２の反転入力端子に接続し、
   該演算増幅器Ａ＿２の出力Ｖｏを負帰還抵抗器Ｒ＿７を
   介して該演算増幅器Ａ＿２の反転入力端子に帰還する非
   反転型増幅回路を具備し、該演算増幅器Ａ＿２の出力を
   分割抵抗Ｒｆ、Ｒ＿８を介して基準電位に接地し、分割
   抵抗Ｒｆ、Ｒ＿８の接続点電位Ｖｆを第１の演算増幅器
   Ａ＿１の非反転入力端子に接続し、測温抵抗体Ｒｔに流
   れる電流値を補正して、測温抵抗体Ｒｔの非線形誤差の
   縮小を図ったことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載した３線式測温抵抗体温度変換回路