JPH07502828A - 単一の温度補償要素を用いた温度補償回路 - 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】 単−の温度補償要素を用いた温度補償回路本発明は、一般的には、温度補償回路 の分野に関わり、より具体的には、センサの信号利得及びオフセットの両方に対 する温度の影響を補償するために用いられる単一の温度補償要素を使用した改良 型温度補償回路に関する。

免■夏１１ 工程助変数の測定及び工程制御の分野において、特定の段階での工程変数を測定 するために、一連の工程の段階にセンサを使用及び／又は配設することが望まし いことが、よくある。温度及び圧力のような、多くの異なった工程制御変数を測 定するために、多くの異なった１類のセンサを使用することが可能である。通常 のセンサの中には、トルク及び圧力を測定するためのびずみセンサ並びに管内の ガスの流量を測定し、制御するために用いられる流量制御装置が含まれる。電子 工学産業において、このような流量制御装置は、工程経路の各部分でガス又は他 の化学薬品の温度及び圧力を精密且つ正確に測定する必要のある、半導体処理加 工及び製造分野でよく用いられている。流量制御装置と共に使用されるセンサの 一例は、本願の譲受人である、マサチューセッツ州、アンドーヴアー（Ａｎｄｏ −ｖｅｒ）在のＭＫＳ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社に与えられた米国特許第４． ４６４，９３２号に見出すことができる。この特許は、ガスの温度及び流量を測 定するための多数のセンサを包含した改良型の流量制御装置を開示している。

このような測定技術は周知であるが、周囲温度が、このようなセンサの感度及び 利得に影響を及ぼし　更に、このようなセンサの出力に好ましくないオフセット を付加することがあることも周知である。従って、ある種の物理的助変数を測定 するためのセンサと当該センサとを連繋させるために用いられる電子回路を設計 する場合には、該センサ及びその回路に対する熱的効果を取り消すような方法で 公知の反復可能な温度係数を有する要素を加えることにより、センサに対する温 度効果、又はそれと結び付いているセンサ回路に対する温度効果を補正すること が通常は実施されていた。

この実施方法の一例は、周囲温度の変化による回路の利得又はセンサの出力利得 を温度による変化と同一方向及び反対方向に変えるように組み込まれた反復可能 な温度係数を有する抵抗器（サーミスタのような）湿度補償要素を、センサの信 号出力経路に含むことである。この実施方法では、温度補償要素の熱的に良好な 装着を確実にするよ・）にして且つセンサに対する良好な熱伝導性を確実にする ようにして、温度補償要素を装着しなければならないことがよ（ある。温度が変 化した結果としても生ずるセンサ回路のいかなるオフセット（ゼロオフセットを 含む）の変化も、第２の温度補償要素が相殺するように、類似の方法で、該第２ の温度補償要素を取り付は且つ類似のノブ法で結線することも、上述の利得補償 回路と共によく用いらｔ］る通常の実施方法である。

ｉｔＩ記回路技術の第１の欠点は、２個の温度補償要素が、調和のとれた態様で センサの出力を補償するために、類似の温度情報を受信するよう、該２個の温度 補償要素を使用し、整合し且つ装着しなければならず、これにより、回路の構成 時間及び費用が増加し且つ動作の柔軟性が減少することにある。従って、センサ 及びそれと結び（１いている回路のオフセソｌ−及び信号利得の両方に影響を与 える望ましくない熱的作用を補償するための、単一の温度補償要素を考慮した回 路構成に対する必要性ありとされている。これ故、このような単一の温度補償要 素の実施例によって、回路の複雑さ及び製造費用の少ない改良された温度補償が 実現され得る。

ｔｌ団豆且曹 従って、本発明の目的は、センサの出力を温度補償する改良型電子回路を提供す ることである。

本発明の他の目的は、センサのオフセット及び信号利得の両方に対する温度の効 果を補償するために、単一の温度補償要素を用いることができる改良型温度補償 回路を提供することである。

本発明の他の目的は、２個以上の温度補償要素を使用する回路より低いコストで 製造することができる改良型温度補償回路を提供することである。

本発明の更に別の目的は、補償回路の？３！雑さを減少し且つ製造及び組立てが 簡単な改良！！！温度補償回路を提供することである。

本発明の別の目的は、オフセット及び利得を独立に設定することが可能でありな がら、感知回路の利得及びオフセットに対する温度の作用を無効にするための予 測可能且つ反復可能な温度／抵抗係数関数を有する単一の抵抗性装置を提供する ことである。本発明の更に他の目的及び利点は１本明細書から一部明らかになろ う。

本発明の他の目的も、以下の記載より一部明白となろう。従って、本発明は、以 下の詳細な開示で例示されている構成、要素の組合せ及び部品の配置を有する装 置から成っており、そして本願の発明の範囲は、請求の範囲に記載されている。

光ｍ 一般的に、本発明によれば、単一の温度補償要素を使用した改良型温度補償回路 が提供される。該改良型回路は、それによって、セッサ及びその出力回路のオフ セット及び信号利得の両方に対する湿度の影響を補償するために、単一の温度補 償要素を用いることができる手段を提供する。更に、該改良型回路は、異なる補 償量をオフセット及び信号ｆｌＩ得要素のδ々に付与するためのｌ１ｌＩＩＩを 提供し、且つ利得及びオフセットが、それぞれ、所望の如く、独立に設定される ように、このような８補償要素を独立に調節することを考慮している。

好ましい構成では、本発明の湿度補償回路は、オフセット電流及び（３号（即ち 利得）電流の両方を搬送するように形成された公知の反復可能な温度／抵抗係数 を有する単一の抵抗器を使用する。この温度補償要素は、補償が行われるセンサ 又は回路要素の温度を感知するように、取り付けられる。この装着は回路自体の 熱作用を感知しＨつ補正するように変更してもよい。

本発明の一実施例では、温度補償要素は、利得が１未満に設定されているとき、 電圧減衰器の一要素として結線される。あるいは、温度？ｌｌｌ償要素は、利得 が１以上のとき、利得増幅器の一要素として結線され得る。１以」二の利得段が 、所望されている全体的な回路利得を達成するために、縦続接続されてもよい。

（コ号利得の補償手段を提供するに加え、望ましくない、湿度に関連したオフセ ットを更に補償するために、好ましくは、固定式（又は調節可能な）抵抗器の形 の補償要素が、固定（又はブリセ・ント）電圧基準若しくＩＪ固定（又はプリセ ット１ｉｌｌ流基準を、電圧減衰器回路の出力節点又は、交互に、利得増幅器の 加算接続点に連結するために用いられ、かくして、ｉ度によっても変化する所定 のオフセットが提供さｔ］る。しかしながら、温度の変動によるオフセ・ントの どのよ・）な変化も、補償要素によって生成される同等且つ反対の変化によって 取り消されよう。

従って、単一の温度補償要素を用いる単一要素温度補償回路が、オフセット及び 信号利得の両方に対する温度作用を補償するために使用することができる。

ｌ１且１Ａ１１１ 本発明をより充分に理解するために、添付の図面と関連させて、以下の記載を参 照されたい。

第１図は１本発明による単一の温度補償要素を用いた温度補償回路を具現化する 回路の一実施例の概略図である。

第２図は、単一の温度補償要素を用いた温度補償回路を提供する本発明により構 成された回路の他の実施例の概略図である。

第３図は、第１図の実施例の変形例を示す概略図である。

第４図は５　第１図の実施例の別の変形例を示す概略図である。

第５図は、第２図の実施例の変形例を示す概略図である。

第６図は、第２図の実施例の別の変形例を示す概略図である。

ｌｌ　ｔ　の夛　ｔ− 第１図には、本発明により構成されている、単一要素温度補償手段を用いた回路 の概略図が示されている。構成において、センサｌＯが示されており、これは、 その出力が温度補償されるセンサである。図示するように、センサｌＯは、アー ス４０及びセンサ緩衝増幅器１２に接続されている。このセンサ緩衝増幅器１２ の目的は、固定低インピーダンス駆動装置であって、センサ１０の出力を回路の 残部に接続するためのものを、単に提供することである。センサ緩衝増幅器１２ の出力は、次いで、第１のセンサ調節抵抗器１４に接続されている。第１のセン サ調節抵抗器１４は、可変抵抗器として図示されている。しかし、この抵抗は、 固定値若しくは可変値を有する単一の抵抗器、又は直列構成若しくは並列構成の 抵抗器の回路網によって形成することができる。センサ緩衝増幅器１２の出力に 接続されていない、第１のセンサ調節抵抗器１４の端子は、加算接続機“Ａ”と して作用し、これに、第２のセンサ調節抵抗器１６が取り付けられている。また 、第２のセンサ調節抵抗４１６は、固定値を有するとして図示されているが、第 ２のセンサ調節抵抗器１６は、調節可能な抵抗性要素によって取り替えられ得る ということは、言うまでもない、Ｒ後に、加算接続点“Ａ″に接続されていない 、第２のセンサ調節抵抗５１６の端子は、温度補償要素１８に接続さｔ］ている 。この温度補償要素自体は、アース４０に接地されている。温度補償要素１８は 、実際上、予測可能な且つ反復可能な温度（インピーダンス）係数を有する何ら かの要素、つまり、抵抗器、サーミスク、トランジスタ、ダイオード又は抵抗温 度検出器（ＲＴ　Ｄ　）のような、そのインピーダンスが、温度により変化する 要素であってよい。実際−Ｅ、設けられている温度補償要素１８は、センサｌＯ に対する温度の影響を無効にするように遍切な補償を提供すべ（、回路全体に対 して真に寄与する温度係数を有している。

このように、センサ１０、センサ緩衝増幅５１２、第１のセンサ調節抵抗器１４ ．　第２のセンサ調節抵抗器１６及び温度補償要素１８から成る要素の組合せは 、加算接続点′Ａ″とアース４０との間に出現する信号を減衰させる信号減衰回 路を提供する。

次に、オフセント機能を提供する部分に関し、固定電圧基準２０は、その一方の 端子とアース４０との間に、定電位を提供する。第１図において、基準２８は、 正電圧を供給し、負出力は、アースに接続されている。電圧基準調節抵抗器２２ が、電圧基準２０の正電圧出力端子と加算接続点“Ａ”との間に接続されている 。あるいは、基準２０の正出力をアースに接続し、且つ負電圧出力端子を抵抗器 ２２に接続することにより、負電圧が供給され得る。その後、電圧基準調節抵抗 器２２の値を調節することにより、電圧基準調節抵抗器２２、第２のセンサ調節 抵抗器１６及び温度補償要素１８から成る回路要素の組合せの両端に出現する電 圧に関連して、電圧基準調節抵抗器２２の端子間に出現する電圧は、加算接続点 “Ａ”に提供される。温度に依存するオフセットを変えるように調節され得る。

この構成は、それによって、前述の信号減衰ループと電圧基準２０、電圧基準調 節抵抗器２２、第２のセンサ調節抵抗器１６及び温度補償要素１８から成るオフ セット回路との両方において、温度補償要素１８が温度可変抵抗器となる手段を 更に提供する。このようにして、電圧基準調節抵抗器２２が、加算接続点″Ａ″ に供給されるバイアス電流の可変調節をもたらし、第１のセンサ調節抵抗器１４ がセンサｌＯの利得の可変調節をもたらしている間、温度補償要素１８は利得及 びオフセットの両方に対する温度補償を行うという二重の役割を果たす。なお、 これらの調節は、共に、独立に制御され得る。あるいは、第３図に示すように、 電流源７０が、電圧基準２０及び抵抗器２２と取り替えられ得、接続点に定電流 を供給すべ（。

接続点Ａに接続され得る。

第１図に示す回路についての記載を終えるに、加算接続点“Ａ″の出力は１次に 出力増幅器２４の入力として供給される。この出力増幅器は、演算増幅器又は他 の適切な増幅器の構成を用いることにより、実現することができる。出力増幅器 ２４は、出力増幅器オフセット制御抵抗器２６に接続されており、この抵抗器２ ６自体は、直接、電圧基準２０に接続されている。出力増幅器オフセット制御抵 抗器２６は、電圧基準２０によって出力増幅器２４に供給されるオフセット電流 が基本温度又は周囲温度でゼロとなるように、調節される。

更に、出力増幅器２４は、その利得を調節するための、公知の帰還構成で配置さ れている出力増幅器利得制御抵抗器２８も使用している。該出力増幅器の出力は 、回路出力３０に供給される。センサ緩衛増幅器１２及び出力増幅器２４の詳細 については、ここでは、述べないことにする。というのは、これらの機能回路プ ロ・νりの多くの形態は、公知の演算増幅回路であり、従って、センサ１０及び 所望の回路出力３０の特徴により、容易に変更することが可能であるからである 。

動作の際、第２のセンサ調節抵抗器１６が、減衰回路の一方の脚部に対して所望 の抵抗対温度関数を生ずるように選択され得る。第２のセンサ調節抵抗器１６の 値の選択は、計算により、又は経験的試験の結果により実施され得る。第１のセ ンサ調節抵抗器１４は、直線の利得対温度応答を生ずるように調節される。これ らの調節により、加算接続点“Ａ”に現れるセンサｌＯの出力からの利得の温度 補償が行われる。その後、電圧基準調節抵抗器２２が、温度の変化によるセンサ ｌＯの出力のオフセットのいかなる変化をも取り消すように調節され得る。最後 に、出力増幅器オフセ・ント制御抵抗器２６及び出力増幅器利得制御抵抗器２８ が、回路の所望の全オフセット及び全利得を生ずるように各々調節され得る。従 って、第１図に図示されている上記構成を用いることにより、本発明による。単 一の温度補償要素を用いた温度制御回路の構成及び作用が、容易器こ理解されよ う。

言うまでもな（、第４図に図示するように、温度補償要素１８及び第２のセンサ 調節抵抗器１６は、第１のセンサ調節抵抗器１４と入れ替わることができる。つ まり、要１１６及び１８は、増幅器１２の出力と接続点”Ａ”との間に直列接続 され、且つ抵抗器１４は接続点Ａとアースとの間に接続されても、同じ補償結果 が得られる。

第２図を参照するに１本発明の教示により構成される、単一の温度補償要素を用 いた温度補償回路の別の実施例が示されている。第２図に図示する実施例の構成 は、センサ緩衝増幅器１２が、センサの出力からの制御可能な利得を加算接続点 Ａ′に供給するセンサ増幅器５２と置き換えられているということを除けば、第 １図に図示する実施例の構成に非常に類似している。

第２図について、より詳細に説明する。センサ５０は、アース８０とセンサ増幅 器５２への正の入力との間に接続されている。センサ増幅器５２の出力は、セン サ増幅器利得制御抵抗器５４に接続されている。該抵抗器５４は、センサ増幅器 ５２の負の入力に制御可能な負帰還量を供給すべく、調節可能である。センサ調 節抵抗器５６が、加算接続点Ａ′と、アース８０に接続されている温度補償要素 ５８とに接続されている。前述の形態に非常に類似した態様で、センサ５０．セ ンサ増幅器５２、センサ調節抵抗器５６及び温度補償要素５８から成る要素は、 温度補償利得ループを構成し、該ループは、加算接続点Ａ′とアース８０との間 を測定した際に、センサ５０の出力のいかなる変動も補償すべ（調節され得る。

オフセットの制御について、電圧基準６０が、アース８０に対して、再び設けら れており、その出力は電圧基準調節抵抗器６２に供給される。電圧センサ調節抵 抗器６２の一方の端子は、電圧基準６０の出力に接続し、電圧基準調節抵抗器６ ２の他方の端子は、加算接続点Ａ′に接続している。従って、電圧基準６０、電 圧基準調節抵抗器６２、センサ調節抵抗器５６、温度補償要素５８の組合せは。

電圧基準調節抵抗器６２、センサ調節抵抗器５６、温度補償要素５８及び利得制 御抵抗器５４を介する分圧器の関係で加算接続点Ａ′に電圧オフセットを供給す べく使用され得る。これにより、加算接続点Ａ′に対する利得及びオフセット双 方の温度補償がなされる。

第１図と同様に、第５図に示すように、電流源７２が、接続点Ａ′に定電流を供 給するように、電圧源６０及び抵抗器６２と置き換わることができる。

回路を完成させるに、出力増幅器６４が設置プられており、これは。

公称周囲温度で出力増幅４６４にオフセットを提供する、電圧基準６０と協働す る出力増幅器オフセット制御抵抗器６６を有している。

更に、出力増幅器６４は、その利得、従って１回路出カフ０に供給される出力信 号の大きさを制御するための帰還抵抗器として配設されている出力増幅器利得制 御抵抗器６８を使用している。これ故、このような変形形態を用いることにより 、温度増幅器５２は、それと結び付いている要素と共に、第１図に図示する減衰 段とは逆に。

加算接続点Ａ′への利得段を提供すべく、構成され得る。

あるいは、第１図の場合と同様に、第６図に図示するように、第２図の調節抵抗 ５５６及び温度補償要素５８は、符号が逆の温度係数を提供すべく、しかし、そ れにもかかわらず、ゼロ補償を行うべく、増幅器利得制＠抵抗器５４と入れ替え られ得る。

本発明の温度補償回路は、第１図〜第６図に関して、詳細に説明したが、本発明 は、前述の回路構成に限定されない。というよりは、多数の他の形態の回路構成 を用いることもできる。

従って、ここに記載した回路を組み込むことにより、センサに対する望ましくな い熱的効果を補正する温度補償を行う装置が提供され得る。前述したように５本 発明は、温度によるセンサのオフセ・ノドエラー及び信号利得エラーの両方を補 正するように、単一の温度感知要素を用いるということにおいて、独特である。

本発明の回路構成を組み込むことにより、簡単に構成でき且つ比較的少ない構成 要素で実現することができる補償回路を得ることができる。

更に、本発明の利点は、各実施例に示すように、温度補償要素の一方の端子がア ースに接続さていることにある。これは、該要素が回路雑音を防止するように容 易に結線され得るとついことにおいて、有利な実装である。これは、回路アース の低インピーダンス性が、より高いインピーダンスの回路節点はどには、電気的 及び電磁的な干渉を受けやすくないからである。

これらの接地形態の別の利点は、本発明の教示によれば、温度補償要素１８又は 湿度補償要素５８のいずれも、増幅器の出力から直接駆動される必要がないとい うことに基づいて実現される。これは。

温度補償要素の性質により、該要素が接続さる回路板から離隔して該要素を取り 付ける必要がよくあるために、有利である。実際上、温度補償要素と回路板との 間の相互接続ケーブルの長さが増加するにつれ、増幅器の出力における、ケーブ ル容量に起因する発振の可能性が、重要な問題となる。従って、′ａ度補償要素 の一方の端子を接地することにより、このような発振を減少させ、又は排除する ことが可能となる。

他方、良好な電気回路接地がセンサの近傍で利用できる適用例においては、温度 補償要素は、単一の線のみを使用することにより、回路に簡単に接続され得ると いうことに注意されたい。このような場合、温度補償要素の他方の端部は、セン サと温度補償要素との間に良好な熱的接続を与えることにもなるセンサのアース に直接接続され得る。従って、前記のような回路を組み込むことにより、利得成 分及びオフセント成分の各々に対する独立の補償量を実現し、且つこれらを独立 に調節することができる柔軟性を維持しつつ、ある種の物理的助変数を電気的に 測定するためのセンサのオフセット及び利得の両方に対する熱的作用を補正する ための安価で簡単な手段を実現することが可能となる。

ユニに包含される本発明の範囲から逸脱することなく、前記装置に何らかの変更 を加えることができるので、前記の記載に含まれ且つ添付の図面に示されている 全ての事項は例示的なものであって限定的なものでないということは言うまでも ない。

ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．測定可能な物理的状態を感知し、且つ測定された物理的状態の関数として出 力信号を供給するセンサ手段と、所定の利得の関数として、出力信号の振幅を調 節する利得制御手段と、 所定のオフセットの関数として、出力信号のオフセットを調節するオフセット制 御手段と、 前記所定の利得及び前記所定のオフセットに対する温度の効果を無効にするよう に、前記センサ手段の温度における変化に応じて、利得制御手段の利得及びオフ セット制御手段のオフセットの両方を調節する、単一の温度補償要素を備えてい る温度補償手段と、を具備する補償回路。 ２．前記利得制御手段が、前記センサ手段の出力と前記温度補償手段との間に電 気的に配設される調節可能な利得抵抗器手段を備えており、前記調節可能な利得 抵抗器手段は、公称温度で前記センサ手段の出力の利得の調節を可能にすべく構 成されている請求の範囲第１項に記載の補償回路。 ３．前記オフセット制御手段が、電気的に固定された基準節点と前記温度補償手 段との間に電気的に配設されている調節可能なオフセット抵抗器手段を備えてお り、前記調節可能なオフセット抵抗器手段は、公称温度で前記センサ手段の出力 のオフセットの調節を可能にすべく構成されている請求の範囲第２項に記載の補 償回路。 ４．前記オフセット制御手段が、その出力が前記電気的に固定された基準節点に 加えられる基準定電圧源を更に備えている請求の範囲第３項に記載の補償回路。 ５．前記オフセット制御手段が、その出力が前記電気的に固定された基準節点に 加えられる基準定電流源を更に備えている請求の範囲第３項に記載の補償回路。 ６．前記センサ手段及び前記温度補償手段が、共通の電気的アースを共有してい る請求の範囲第１項に記載の補償回路。 ７．前記利得制御手段が、前記利得を１未満の値に制御する手段を有している請 求の範囲第１項に記載の補償回路。 ８．前記利得制御手段が、前記利得を１以上の値に制御する手段を有している請 求の範囲第１項に記載の補償回路。 ９．前記単一の温度補償要素が、予測可能且つ反復可能な温度係数を有している 素子である請求の範囲第１項に記載の補償回路。 １０．前記単一の温度補償要素がサーミスタである請求の範囲第９項に記載の補 償回路。 １１．前記単一の温度補償要素がトランジスタである請求の範囲第１項に記載の 補償回路。 １２．前記単一の温度補償要素が抵抗器である請求の範囲第１項に記載の補償回 路。 １３．前記単一の温度補償要素がダイオードである請求の範囲第１項に記載の補 償回路。 １４．前記単一の温度補償要素がＲＴＤである請求の範囲第１項に記載の補償回 路。 １５．温度補償され、利得制御され、オフセット制御されたセンサ信号を供給す る出力増幅器手段を更に具備しており、前記利得制御手段及び前記オフセット制 御手段が、共通の加算接続点を画定するように構成されており、前記共通の加算 接続点における信号は、前記利得制御手段、前記オフセット制御手段及び前記温 度補償手段の動作に応答して、前記センサ手段の出力に影響を与える変化に応答 し、前記加算接続点における前記信号は、前記出力増幅器手段への入力として作 用する請求の範囲第１項に記載の補償回路。 １６．前記出力増幅器手段が、演算増幅器を使用している請求の範囲第１５項に 記載の補償回路。 １７．前記調節可能な利得抵抗器手段及び前記温度補償手段が、共通の電気的ア ースを共有している請求の範囲第１５項に記載の補償回路。 １８．前記利得制御手段が、前記利得を１未満の値に制御する手段を更に有して いる請求の範囲第１５項に記載の補償回路。 １９．前記温度補償手段が、前記センサ手段の出力と前記共通の接続点との間に 接続されている請求の範囲第１５項に記載の補償回路２０．前記温度補償手段が 、前記共通の感知接続点とアースとの間に接続されている請求の範囲第１５項に 記載の補償回路。 ２１．前記利得制御手段が、調節可能な利得抵抗器手段を更に備えており、前記 温度補償手段が、前記調節可能な利得抵抗器手段と前記センサ手段の出力との間 に配設されており、前記調節可能な利得抵抗器手段は、公称温度における前記セ ンサ手段の出力の利得の調節を可能にすべく構成されている請求の範囲第１項に 記載の補償回路。