JPH0624747Y2 - 温度／電圧変換回路 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この考案は温度／電圧変換回路に係り、更に詳しく言え
ば、被測定温度によって抵抗値が変わる測温抵抗体から
なる温度センサを用い、その抵抗値変化を温度検出用の
電圧に変換して出力する温度／電圧変換回路に関するも
のである。

［考案の技術的な背景］ 温度を電気的に測定する装置には、温度検出用のセンサ
として測温抵抗体などが広く用いられている。個の測温
抵抗体は、よく知られているように金属体の電気抵抗が
温度によって変化することを利用したものであって、金
属体の材料により温度：抵抗特性が定められている。一
般には、この測温抵抗体に一定電流を流し、その抵抗値
に比例して発生する電圧を測定することにより温度が求
められるようになっている。

この場合、温度の測定精度は、温度センサに用いられる
測温抵抗体の温度：抵抗特性のバラツキとその非直線ひ
ずみによって制約されるが、例えば０℃から１００℃程
度までの比較的狭い一般常用温度範囲においては、非直
線ひずみもさることながら特性のバラツキによる誤差の
方が大きいことが知られている。その点では、例えば白
金を測温抵抗体とする温度センサは高精度測定に最も適
しているが価格が高い。銅又はニッケル等を用いた温度
センサは低コストであるが、特性のバラツキが白金の場
合よりも大きいのでさほど精度が要求されない一般測定
などに利用される。

このように従来の温度計においては、使用する温度セン
サによって測定精度が決まり、例えば一般用の装置では
高精度測定を行おうとすると２種類の温度センサを用意
する必要がある。これらの温度センサは通常コード付き
のプロープ内に収容され、コネクタ等を介して装置本体
に装着されるようになっているが、２種類の温度センサ
を備えることはコストアップを招き、また、その差し換
えが煩わしいという欠点がある。

［考案の目的］ この考案は上記の欠点に鑑みなされたもので、その目的
は、比較的特性のバラツキが大きい安価な一般用温度セ
ンサを用いて被測定温度に対応する正確な電圧を発生し
得るようにした温度／電圧変換回路を提供することにあ
る。

［動作原理］ まず、この考案による回路の動作原理を説明する。

[1]温度センサの基準温度ｔ_０℃における抵抗をＲ
ｔ_０、その温度係数をαとすると、任意の温度ｔｉ（ｉ
＝_{0,1,2,……n}）℃における温度センサの抵抗Ｒｔｉは
次式で与えられる。

Ｒti＝Ｒｔ_０{1+α（ti−ｔ_０）｝……(1) この場合、上気したように抵抗Ｒtiは、０℃から１００
℃程度の範囲においてはその非直線ひずみによる影響が
無視でき、したがって、温度係数αは温度ｔｉに無関係
な定数とする。

ここで、温度係数が無視できる抵抗ＲＶ_２を上記温度セ
ンサの抵抗Ｒｔｉに直列に接続したときの全抵抗をＲ
ｉ、その基準温度ｔ_０℃における等価抵抗をＲ_０、等価
温度係数をβとすると、抵抗Ｒｉは式(1)にならない、 Ｒｉ＝ＲＶ_２＋Ｒｔｉ………………………(2) ＝Ｒ_０｛１＋β（ｔｉ−ｔ_０）｝………(3) で表される。

式(2)に式(1)を代入すると、 Ｒｉ＝ＲＶ_２＋Ｒｔ_０｛１＋α（ti−ｔ_０）｝…(4) 式(3)，(4)より、 Ｒ_０＝ＲＶ_２＋Ｒｔ_０ および β・Ｒ_０＝α・Ｒｔ_０ が得られる。

よって、上式より、 β＝α・Ｒｔ_０／Ｒ_０ ＝α・Ｒｔ_０／（ＲＶ_２＋Ｒｔ_０） ＝α／（１＋ｍ）…………………………(5) ただし、 ｍ＝ＲＶ_２／Ｒｔ_０……………………(6) である。ここで、ｍ≫１、つまりＲＶ_２≫Ｒｔ_０なら
ば、上式(5)は、 β≒α／ｍ…………………………………(7) となる。

式(6)と(7)によると、温度センサの基準温度ｔ_０℃にお
ける抵抗Ｒｔ_０にそのｍ倍の抵抗ＲＶ_２を直列接続する
と、合成抵抗の等価温度係数βは、温度センサ単独の場
合における温度係数αの１／ｍになることがわかる。

[2]温度係数が上記αに対してバラツキαｊ（ｊ＝
_{１，２，……ｎ}）を有するようなα′である場合には、 α′＝α±αｊ とおくことができる。

この場合の等価温度係数をβ′とすると、式(7)になら
ない、 β′≒（α±αｊ）／ｍ ≒α／ｍ±αｊ／ｍ ≒β±αｊ／ｍ が得られる。上式によれば、そのバラツキαｊは元の値
の１／ｍになることがわかる。

[3]基準温度ｔ_０℃における基準抵抗が上記Ｒｔ_０に対
してバラツキＲｔ_０ｋ（ｋ＝_{１，２，……ｎ}）を有する
ような抵抗Ｒｔ_０′である場合には、 Ｒｔ_０′＝Ｒｔ_０±Ｒｔ_０ｋ とおくことができる。

この場合の温度センサの抵抗をＲｔｉ′とすると、式
(1)にならない、 Rti′＝Ｒｔ_０′｛１＋α（ｔｉ−ｔ_０）｝……(1)′ となる。

抵抗ＲＶ_２を接続したときの温度ｔ_０℃における等価抵
抗をＲ_０′、その等価温度係数をβ″とすると、温度ｔ
ｉにおける抵抗Ｒｉ′は式(2),(3)にならい、 Ｒｉ′＝ＲＶ_２＋Ｒｔｉ………………(2)′ ＝Ｒ_０′｛１＋β″（ti−ｔ_０）｝……(3)′ である。

式(2)′に式(1)′を代入すると、 Ｒｉ′＝ＲＶ_２＋Ｒｔ_０′｛１＋α（ti−ｔ_０）｝…
(4)′ となる。

以下、上記[1]の場合と同様にして、式(3)′と(4)′か
ら等価温度係数β″を求めると、 β″＝α/[1+{ＲＶ_２/(Rt₀±Rt₀k)}]…(8) が得られる。

式(8)を変形して β″＝α/[1+RV₂/(1±ε)Rt₀}]…(8)′ ただし、ε＝Ｒｔ_０ｋ／Ｒｔ_０である。

ここで、ＲＶ_２の値をＲＶ_２′に調整して、 ＲＶ_２′＝（１±ε）ＲＶ_２ となるようにすると、式(8)′は、 β″＝α／［１＋｛ＲＶ_２′／（１±ε）Ｒｔ_０｝］ ＝α／｛１＋（ＲＶ_２／Ｒｔ_０）｝ となる。上式の右辺に式(6)を代入すると、 β″＝α／（１＋ｍ） ここで、上記同様にｍ≫１ならば、 β″≒α／ｍ となり、式(7)から、 β″≒βが得られる。

すなわち、この場合は、温度センサの基準抵抗Ｒｔ_０に
バラツキＲｔ_０ｋ＝ε・Ｒｔ_０があったとしても、抵抗
ＲＶ_２を調整することによりその等価温度係数β″をバ
ラツキが無い場合の等価温度係数βに合わせることがで
きるいことを示している。

上記動作原理の説明を要約すると、温度センサの基準抵
抗Ｒｔ_０に対して調整可能なｍ倍の値の抵抗ＲＶ_２を接
続した場合、温度センサの等価温度係数がほぼ１／ｍに
なるとともに、そのバラツキも同様に１／ｍに減少させ
ることができる。また、基準抵抗Ｒｔ_０にバラツキがあ
っても抵抗ＲＶ_２の調整によりそれを打ち消すことが可
能である。この状態が第１図に示されている。

なお、例えば０℃から１００℃程度までの温度変化に対
して温度センサには一般に３０％を越える抵抗変化のあ
ることが知られているから、ｍの値を適宜に設定すれば
実用上の感度は十分に確保される。

［実施例］ 次に、上記の動作原理に基づいて作動する温度／電圧変
換回路の一実施例を第２図により説明する。

同図によると、この温度／電圧変換回路は、第１の辺が
第１の可変抵抗ＲＶ_２と測温抵抗体ＲＴの直列回路から
なり、同第１の辺に対向する第３の辺に第１の固定抵抗
Ｒ_１が配置され、第２の辺が第２の可変抵抗ＲＶ_１から
なり、同第２の辺の対向する第４の辺の第２の固定抵抗
Ｒ_２が配置されているとともに、各入力端が上記第１お
よび第２の辺の接続点と第３および第４の辺の接続点と
にそれぞれ接続され、かつ、上記第１の辺を帰還ループ
とした増幅器Ａを備えたブリッジ状をなす制御回路と、
上記第３の辺の第１の固定抵抗Ｒ_１と第４の辺の第２の
固定抵抗Ｒ_２とに対して並列に接続され、上記第２の可
変抵抗ＲＶ_１を介して上記帰還ルプ内の第１の可変抵抗
ＲＶ_２および測温抵抗体ＲＴに所定の電流を供給するよ
うに接続された直流電源ＶＳとを備えている。すなわ
ち、直流電源ＶＳの負極側は例えばコモン端子Ｃに接続
され、その正極側は抵抗Ｒ_１を介して増幅器Ａのプラス
入力端に接続されるとともに、可変抵抗ＲＶ_１を介して
上記増幅器Ａのマイナス入力端にも接続されている。こ
の増幅器Ａの上記プラス入力端とコモン端子間には例え
ば抵抗Ｒ_２が接続され、また、この増幅器Ａの上記マイ
ナス入力端とその出力端Ｔの間には、例えば可変抵抗Ｒ
Ｖ_２と温度センサＲＴからなる直列回路の帰還ループが
接続されている。なお、上記出力端Ｔとコモン端子Ｃ
は、例えば入力インピーダンスＺを有する図示しない温
度計本体へ接続されるようになっている。

上記のように構成された第２図の回路において、温度セ
ンサＲＴの抵抗を電圧に変換する手段を、以下に説明す
る。なお、繁雑を避けるため、各抵抗類に付されている
参照符号はその抵抗の抵抗値を表すものとする。

同図において、直流電源ＶＳから加えられる電圧をＶ
ｓ、この電圧Ｖｓによって流れる電流をそれぞれＩ_１，
Ｉ_２とし、増幅器Ａのマイナス入力端とプラス入力端の
電圧をＶ_１，Ｖ_２、その出力端Ｔとコモン端子Ｃ間に現
われる電圧をＶ_０とすると、電流Ｉ_１は、 で表される。ここに、Ｒｔｉは被測定温度ｔｉにおける
温度センサＲＴの抵抗である。

電流Ｉ_２については、 で表される。

また、増幅器Ａの２つの入力端間の電位差はゼロという
条件から、 Ｖ_１＝Ｖ_２…………………………………(11) である。

よって、式(9)より Ｖ_１（ＲＶ_１＋ＲＶ_２＋Ｒｔｉ） ＝Ｖｓ（ＲＶ_２＋Ｒｔｉ）＋Ｖ_０・ＲＶ_１…(12) また、式(10)と(11)より Ｖ_１＝Ｖｓ・Ｒ_２／（Ｒ_１＋Ｒ_２）………………(13) 式(13)を式(12)に代入して整理すると、 Ｖ_０＝Ｖｓ[{Ｒ_２（ＲＶ_１＋ＲＶ_２＋Ｒti)/(Ｒ_１＋Ｒ
_２)}−（ＲＶ_２＋Ｒti)]/ＲＶ_１……(14) 上式をＲｔｉについて微分すると、 ｄＶ_０＝Ｖｓ[{Ｒ_２／（Ｒ_１＋Ｒ_２）−１｝／ ＲＶ_１］ｄＲｔｉ……………………(15) 式(15)を式(14)でわると、 ｄＶ_０／Ｖ_０＝−［Ｒ_１／｛Ｒ_２・ＲＶ_１− Ｒ_１（ＲＶ_２＋Ｒti)}]dRti……(16)′ ここで、例えばブリッジ状の制御回路を構成する各抵抗
値が、 Ｒ_１／Ｒ_２＝ＲＶ_１／（Ｒｔ_０＋ＲＶ_２）………………
…(17) となるように可変抵抗ＲＶ_１を設定すると、式(16)′は ｄＶ_０／Ｖ_０＝−[{1／｛Ｒｔ_０−（ＲＶ_２＋ Ｒti)]dRti となり、更に、上記動作原理の説明における式(6)から
得られるＲＶ_２＝ｍ・Ｒｔ_０を代入すると、上式は、 ｄＶ_０／Ｖ_０＝[{1＋α(ti−ｔ_０)}／ ｛ｍ＋α(ti−ｔ_０)}]dRti／Ｒti ＝Ｋ・dRti／Ｒti……………(16) となる。

ただし Ｋ＝｛１＋α(ti−ｔ_０)}／｛ｍ＋α(ti−ｔ_０)}であ
る。

ここで、被測定温度ｔｉが基準温度ｔ_０の近傍にあるも
のとすれば上式のカッコ内は無視し得るので、Ｋ＝１／
ｍとみなすことができる。

よって、式(16)は dV₀／Ｖ_０＝（１／ｍ）dRti／Rti…………(18) となる。この式は、被測定温度が基準温度の近傍にある
場合には、温度センサの抵抗変化分の1/mに対応する変
換電圧が得られることを示している。

次に被測定温度ｔｉが基準温度ｔ_０から比較的離れてい
る場合には、上式Ｋの温度ｔｉに関する微分値を調べる
と、 dK／dti＝１／[(ｍ／α）＋2(ti−ｔ_０）＋｛α(ti−ｔ
_０）^２／ｍ}] において、一般的に温度係数αは１℃あたり０．１〜
０．３％程度でａ＜＜１であり、これに対してはｍはｍ
＞＞１とは言っても例えば５〜１０位の値であるため、
上式の分母の大きな値となるため、 ｄＫ／ｄｔｉ≒０ と近似することができる。よって、この場合のＫの値は
被測定温度に影響されない定数、すなわち（１／ｍ）と
してよく、したがって、上記いずれの場合でも式(18)は
成立することがわかる。

このことは、個々の測温抵抗体の有する温度係数のバラ
ツキが一様に１／ｍに縮小されることを意味している。

なお、この回路の調整方法を手短かに説明すると、ま
ず、使用する温度センサＲＴを基準温度０℃に保持して
その基準抵抗Ｒｔ_０を測定する。次に、別の温度例えば
２５℃に保持してその温度における抵抗Ｒｔ_２５を測定
すれば、（Ｒｔ_２５−Ｒｔ_０）／２５Ｒｔ_０からこの温
度センサＲＴの温度係数αがわかる。次に、ｍの値を所
望の精度に応じて例えば５とか１０に定め、可変抵抗Ｒ
Ｖ_２を調整して式(6)を満足するようにその値に設定す
るとともに、式(17)を満足するように可変抵抗ＲＶ_１の
値も設定する。以上で基本的な調整は完了する。温度セ
ンサＲＴを交換したような場合は、上記の調整を再度行
なうことにより所定の精度が得られるが、ｍの値が大き
く設定されていれば再調整を省略しても一般用としての
実用精度は確保できる。

［効果］ 以上説明したように、この考案によれば、温度センサＲ
Ｔの基準抵抗Ｒｔ_０に対して可変抵抗ＲＶ_２を接続し、
その比率ｍ（ＲＶ_２／Ｒｔ_０）がｍ＞＞１なるように可
変抵抗ＲＶ_２の値を設定することにより、その温度セン
サＲＴの等価温度係数をほぼ１／ｍにすることができる
とともに、各温度センサ固有のバラツキも同様にほぼ１
／ｍに減少させることが可能となる。

また、各温度センサＲＴの基準抵抗Ｒｔ_０にバラツキが
ある場合には、可変抵抗ＲＶ_１を調整してブリッジ回路
のアンバランスを取り除くことにより、その基準抵抗Ｒ
ｔ_０の値をほぼ一定値に絞り込むことができる。

したがって、比較的特性のバラツキが大きい安価な一般
用温度センサを用いて測定品質の安定した温度／電圧変
換回路が提供される。

なお、この考案による回路は、例えば熱電対を用いた温
度計の基準接点温度補償回路としても容易に適用し得る
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案による温度／電圧変換回路の動作原理
説明図、第２図はその回路図である。 図中、ＲＴは温度センサ、ＶＳは直流電流、Ａは増幅
器、Ｒ_１，Ｒ_２は抵抗、ＲＶ_１，ＲＶ_２は可変抵抗であ
る。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の辺が第１の可変抵抗ＲＶ_２と測温抵
   抗体ＲＴの直列回路からなり、同第１の辺に対向する第
   ３の辺に第１の固定抵抗Ｒ_１が配置され、第２の辺が第
   ２の可変抵抗ＲＶ_１からなり、同第２の辺に対向する第
   ４の辺に第２の固定抵抗Ｒ_２が配置されているととも
   に、各入力端が上記第１および第２の辺の接続点と第３
   および第４の辺の接続点とにそれぞれ接続され、かつ、
   上記第１の辺を帰還ループとした増幅器Ａを備えたブリ
   ッジ状をなす制御回路と、 上記第３の辺の第１の固定抵抗Ｒ_１と第４の辺の第２の
   固定抵抗Ｒ_２とに対して並列に接続され、上記第２の可
   変抵抗ＲＶ_１を介して上記帰還ループ内の第１の可変抵
   抗ＲＶ_２および測温抵抗体ＲＴに所定の電流を供給する
   直流電源ＶＳとを備え、 上記測温抵抗体ＲＴの基準抵抗をＲｔ_０として、第１の
   可変抵抗ＲＶ_２／基準抵抗Ｒｔ_０の比ｍがｍ＞＞１なる
   条件の下で、同第１の可変抵抗ＲＶ_２により上記帰還ル
   ープ内の温度係数を補正可能とするとともに、第１の固
   定抵抗Ｒ_１／第２の固定抵抗Ｒ_２＝第２の可変抵抗ＲＶ
   _１／第１の可変抵抗ＲＶ_２となるように同第２の可変抵
   抗ＲＶ_１を設定し、上記増幅器Ａの出力端Ｔと上記直流
   電源ＶＳおよび上記第２の固定抵抗Ｒ_２のコモン端子Ｃ
   との間に現れる出力電圧Ｖ_０を温度計本体に与えること
   を特徴とする温度／電圧変換回路。