JPH0833328B2 - 温度検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電気毛布などの採暖具に温度検知用として
用いられている、感熱線を測温素子として使用する温度
検出装置に関する。

（従来の技術） 感熱線は、同軸状の内外導体間に高分子化合物のサー
ミスタを充填して線状に加工したもので、従来の温度検
出装置は、内外導体間のインピーダンスが、温度に対応
して変化する性質を利用して構成されている。

感熱線のインピーダンスは、主に、高分子化合物に含
まれるイオンの移動による抵抗成分と導体間の静電容量
によるものとから成り立っており、このため、感熱線を
測温素子として使用する場合には、イオンの偏在や静電
容量への電荷蓄積によって計測値に誤差がでたり、感熱
線の劣化を促進させたりしないように、正負対称な交流
を印加する必要があって、通常は正弦波である商用電源
を印加して計測している。

従って、感熱線のインピーダンスＺはベクトル表示す
ることができ、これを直列等価回路として考え、電源周
波数の角速度をω、抵抗成分をＲ、静電容量をＣとすれ
ば、次式のように表現できる。

この式において、右辺のＲ及びＣが温度に対応して変
化し、その結果として左辺のＺが温度に対応した値を示
すことになる。

なお、感熱線には当然インダクタンス成分もあるが、
実用上の感熱線の長さ（数メートル〜数十メートル）で
は抵抗成分や静電容量に比べて無視できるので（１）式
では省略している。

上記（１）式からインピーダンスＺの絶対値|Z|を求
めると次のようになる。

さらに、図示に従って詳述すると、第１図は、感熱線
の断面図を示し、感熱線１の長さをＬ、内側導体11の外
半径をａ、外側導体12の内半径をｂ、高分子化合物13の
固有抵抗をρ、誘電率をεとし、端末効果を無視する
と、抵抗成分Ｒ及び静電容量Ｃは次のようになる。

従来この種の温置検出装置は、感熱線のインピーダン
スの絶対値|Z|を利用する方法の他に、感熱線に増幅器
を接続してその出力電圧と感熱線に印加される電圧との
位相差を利用する方法が提案されている。

（発明が解決しようとする課題） 上記の感熱線は、電気毛布等に使用されるなどの用途
上の制約から柔軟性が重視されており、内側導体11は合
成繊維の芯に細線やリボン状導体を巻き付けたものが採
用され、また外側導体12もこれに準じた構造がとられて
いる。従って、製造上、導体の外半径ａと内半径ｂを寸
法的に精度良く加工することは極めて困難で、（３）式
及び（４）式で示される抵抗成分Ｒ及び静電容量Ｃがば
らつき、当然その結果としての（２）式で示されるイン
ピーダンスの絶対値|Z|もばらつく。

従ってインピーダンスの絶対値|Z|を利用する方法に
おいては、例えば、長さＬが10メートルの場合には±20
％位の精度しか得られていないため使用に際して感熱線
を選別したり、個々に現物合せの調整を行ったりしてい
る。

又、増幅器の出力電圧と感熱線に印加される電圧との
位相差を利用する方法においては、増幅器の入力インピ
ーダンスの影響が無視できず、実用化は困難であると考
えられる。

本発明はこのような不便を解消し、感熱線の寸法精度
に関係なく正しい温度検出が行える装置を提供すること
を主目的とする。

本発明は、更に、非線形要素を含む感熱線の温度を高
精度に検出する装置の提供を目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明の温度検出装置は、感熱線の内外両導体間に印
加される交流電圧波形のゼロクロス点を検出するゼロ電
圧検出手段と、上記両導体間に流れる交流電流波形のゼ
ロクロス点を検出するゼロ電流検出手段と、上記ゼロ電
圧及びゼロ電流の各検出手段の出力を受けて、電圧と電
流の各ゼロクロス点の間の区間を計測する区間計測手段
とを具備し、上記区間計測手段の出力から温度計測値を
得るものであるが、上記ゼロ電流検出手段の感熱線側か
らみたインピーダンスを、正負対称でしかも抵抗成分及
びリアクタンス成分が共に感熱線のそれに比べて無視で
きる程度に低くしたことを特徴としている。

即ち、（１）式を、（２）式を用いて書き換えると、 Ｚ＝|Z|cosφ−j|Z|sinφ ・・・（５） 但し、 となる。

これらの式の導出過程は省略するが、 なる関係から明らかであろう。

更に、（６）式に（３）、（４）両式を代入して整理
すると、 となる。

高分子化合物13の固有抵抗ρと誘電率εは、高分子化
合物そのものの物性によって決まる定数であって、感熱
線の寸法とは全く無関係であり、角速度ωは電源の周波
数によって決まる定数である。従って、（７）式で示さ
れるφは、感熱線の寸法とは全く関係のない数値とな
り、これが温度と対応していることになる。

一方、φは、感熱線１に印加される電圧ベクトルＥと
その時感熱線１に流れる電流ベクトルＩの位相角に相当
する。このことから、位相角φを測定すれば、感熱線の
寸法精度と関係なく精度の高い温度検出ができることに
なる。

ここで肝要なことは、感熱線に流れる電流の位相を乱
すことなく測定することであり、そのためには感熱線の
電流回路のインピーダンスは、抵抗成分及びリアクタン
ス成分が共に感熱線のそれに比べて無視できる程度に低
くする必要がある。勿論、感熱線に印加される電圧につ
いても同様な配慮が必要であることは言うまでもない。

更に、電圧、電流それぞれの波形が正負対称でない
と、それぞれのゼロクロス点が位相的にずれ、測定に誤
差が生じることになる。

電流波形及び電圧波形のゼロクロス点を正しく検出で
きれば、その間隔を測定することで、位相角φを高精度
に測定できる。間隔測定はクロックパルスのカウントに
よるディジタル処理に基づくのが好ましい。また、間隔
測定値をアナログ量として出力させることも可能であ
る。

そして、上記（７）式の角速度ωを計測する手段を設
け、測定周波数の変動の影響を除去するのが望ましい。

（作用） 本発明の温度検出装置では、感熱線のインピーダンス
に比べて無視できる程度の低いインピーダンスを有し、
かつ、感熱線に正負対象の電流を流すことのできるゼロ
電流検出手段とこれと同様な配慮を施したゼロ電圧検出
手段及びこれらにより検出された両ゼロクロス点の区間
を計測する手段とにより、高分子化合物の正しい位相角
が得られる。

高分子化合物の固有抵抗ρ及び誘電率εは温度によっ
て変化するので、（７）式に基いて位相角φから感熱線
の温度を得ることができる。

上述のように、高分子化合物の位相角φは温度のみに
対応して変化し、感熱線の寸法精度の影響を受けないの
で、寸法の異なる各種感熱線に対しても、本発明装置は
精度の高い温度検出を行うことができる。

（実 施 例） 本発明を実施例の図面に従って説明する。

第２図は本発明の温度検出装置の一実施例であって、
感熱線１に保護用の抵抗５を通じて交流電源２を印加
し、感熱線１に印加される瞬時電圧ｖのゼロクロス点を
ゼロ電圧検出部３で検出し、また、感熱線１に流れる電
流ｉのゼロクロス点をゼロ電流検出部４で検出し、その
両ゼロクロス点の区間を区間計測部７で計測し、その結
果を出力部８によって、その後に接続される機器に適合
した信号形態に変換した温度計測値Ｔを出力するもので
ある。

ゼロ電圧検出部３は、検出トランジスタ31を備え、こ
のトランジスタ31のベースが、感熱線１の電源側端子に
抵抗33を介して接続されているとともに、ダイオード32
を介して接地ラインに接続されている。交流電源２の電
圧ｖ（第３図、ａ）が正の半波の区間であるとき、抵抗
33を介してトランジスタ31にベース電流が流れて、この
トランジスタ31がオンする。また、交流電源２の電圧が
負の半波の区間であるとき、ダイオード32がオンし、ト
ランジスタ31がオフする。

ダイオード32及びトランジスタ31のベース・エミッタ
間のスレショールド電圧はほぼ同じ約0.7ボルトで、こ
れらはお互いに逆極性に接続されているから、そのイン
ピーダンスは正負対称である。又、感熱線１の印加電圧
は、抵抗33のみを通じてトランジスタ31及びダイオード
32に印加される。このため、感熱線１の印加電圧とトラ
ンジスタ31及びダイオード32に印加される電圧とはおな
じ位相でそれぞれ正負対称となる。

従って、第３図（ｂ）のように、交流電源２の電圧ｖ
の正の半波の区間で“0"、負の半波の区間で“1"の検出
パルスＰがトランジスタ31のコレクタから得られる。

ゼロ電流検出部４も同様な構成であって、ベースが感
熱線１の接地側端子に接続されるとともに、ダイオード
42によりほぼ接地電位にクランプされた検出トランジス
タ41を備えている。

ダイオード42及びトランジスタ41のベース・エミッタ
間はお互いに逆極性に接続されているからそのインピー
ダンスは正負対称であり、感熱線１の電流は総てダイオ
ード42及びトランジスタ41のベースに流入するから、感
熱線１の電流は正負対称となり、トランジスタ41は感熱
線１の電流の位相通りに動作する。

従ってトランジスタ41は、感熱線１を流れる交流電流
ｉ（第３図、ａ）に対応し、第３図（ｃ）のように電流
ｉの正の半波の区間では“0"、負の半波の区間では“1"
の検出パルスＱを、そのコレクタから出力する。

商用交流電源２の電圧は、実効値で数十〜百ボルト程
度に選ばれており、トランジスタ31及び41、ダイオード
32及び42のスレッショルド電圧は0.7ボルト程度である
から、これを無視することができ、感熱線１に印加され
る瞬時電圧ｖとこれに流れる瞬時電流ｉのそれぞれのゼ
ロクロス点は、トランジスタ31及び41のコレクタ電圧の
立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジとして検出でき
る。

これを動作波形図で示すと第３図のようになる。即
ち、横軸に時間をとって、感熱線１に印加される瞬時電
圧ｖとこれに流れる瞬時電流ｉを表すと第３図（ａ）の
ようになる。また、それぞれの時刻に対応するトランジ
スタ31のコレクタ電圧は、同図（ｂ）に、トランジスタ
41のコレクタ電圧は同図（ｃ）に示すようになる。

これをそれぞれ論理値Ｐ及びＱとすれば、位相角φは
Ｐ・＝１又は・Ｑ＝１である区間に相当することに
なる。この両区間は、トランジスタ31、41のそれぞれの
ベース・エミッタ間に逆極性にダイオード32、42が接続
されているため、瞬時電圧ｖ及び瞬時電流ｉは、共に正
負対称となっており、等しくなる。また、瞬時電圧ｖの
ゼロクロス点と瞬時電流ｉのゼロクロス点相互の区間
は、全て位相角φと1:1の対応をしている。

このため、都合の良いゼロクロス点を選んで、その区
間の流さを計測すれば、位相角φを知ることができる。

この区間の長さの計測は、周知の回路技術を用いて多
種多様に実現できる。

第２図の例では、NOT素子71とAND素子72によってＰ・
＝１なる区間だけ発振器73からのクロックパルスCKを
カウンタ74で計数し、Ｑ＝１又はその立ち上がりエッジ
の信号でカウンタ74をリセットするようにしている。こ
のようにすれば、１ヘルツごとにＰ・＝１なる区間長
さ、即ち位相角φを連続して計測することができ、感熱
線１の応答性を考えれば充分すぎる応答性を得ることが
できる。

第４図に示す別の実施例では、NOT素子75及びAND素子
76でＰ・＝１の期間AND素子76から電圧を出力させ、
これを積分回路77で積分して、位相角φの大きさに対応
した電圧を得、これを電圧計測部79で計測して目的を達
している。積分回路77に蓄積される電荷はＱ＝１の期間
にトランジスタ78で放電して次計測に備えるようにして
いる。

なお、カウンタなどのディジタル処理回路では、レベ
ル変化を取り扱うよりも、パルスの形で信号を取り扱う
方が一般的であるが、信号Ｐ、Ｑを、それぞれ微分回路
を通した後、ダイオードで極性をそろえて利用すれば、
その目的に沿うことができる。

また、ゼロ電流検出部４は、第５図に示すように、電
圧又は電流をダイオードブリッジ44で両波整流してトラ
ンジスタ43に与えるような構成でも良い。

この場合も感熱線１の電流の流れる経路は正負対称で
あり、電流位相を乱す要素は抵抗５のみである。しか
し、抵抗５と感熱線１との接続点の電圧位相を基準とし
て感熱線１の電流位相を測定すれば、その位相は感熱線
１の電流位相そのものを示すことになる。

尚、トランジスタ43のコレクタ電圧は、ゼロクロス点
でパルス波形として得られ、パルス処理技術を適用しや
すいが、トランジスタ43の電源６と交流電源２の接地ラ
インとを共通化しにくい欠点がある。

いずれの具体例を採用するにしても、感熱線電流の正
負対称を保ちつつその位相を乱さないようにしてゼロク
ロス点を検出する必要があり、ゼロ電流検出手段のイン
ピーダンスは、正負対称で感熱線インピーダンスに比べ
て無視できる程度に低くする必要がある。

位相角φを計測する方法は、上記以外に、瞬時電圧又
は瞬時電流の適当なレベルの点、例えば最大値の点を測
定しても良いように思えるが、感熱線は非線形要素を多
分に含んでいるため、これに流れる電流が歪んでおり、
その波形率等も温度によって異なる。このため、ゼロク
ロス点以外の点で位相角を計測すると誤差が大きくな
り、測定精度が悪くなる。この電流の歪みについては、
上述の説明では煩雑になるため無視したが、これは等価
正弦波で説明していると理解されたい。

上記（７）式で分かるように、電源の周波数が変われ
ば当然位相角も変わるが、これはＰ又はＱが“1"又は
“0"の区間の長さを別途測定して補正すれば良い。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、任意の寸法の感
熱線と直列にそのインピーダンスが正負対称でかつ感熱
線のインピーダンスと比較して無視できる程度に低いゼ
ロ電流検出手段４を使用することにより、同様な特性の
ゼロ電圧検出手段３と区間計測手段７により高分子化合
物の位相角φと対応する計測値を得るという構成で、感
熱線の寸法に影響されずに正確な温度が検出できる温度
検出装置を得ることができる。

従って、本発明装置に用いる感熱線は、その製造或い
は装着時において、寸法規格を厳格にする必要が無く、
管理項目の減少と歩留りの向上によりコストダウンが計
れる。

さらに、区間計測部７は、電圧と電流のゼロクロス点
の区間を計測するので、非線形要素を含む感熱線による
電圧、電流の歪波形に対しても精度の高い温度検出を可
能とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は感熱線の断面図、第２図は本発明温度検出装置
の一実施例を示す回路図、第３図は第２図に示す実施例
における動作波形図、第４図及び第５図は本発明の他の
実施例の要部回路図である。 １……感熱線、２……交流電源、３……ゼロ電圧検出手
段、４……ゼロ電流検出手段、５……抵抗、６……直流
電源、７……区間計測手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】感熱線の内外両導体間に印加される交流電
   圧波形のゼロクロス点を検出するゼロ電圧検出手段と、
   上記両導体間に流れる交流電流波形のゼロクロス点を検
   出するゼロ電流検出手段と、上記ゼロ電圧及びゼロ電流
   の各検出手段の出力を受けて電圧と電流の各ゼロクロス
   点の間の区間を計測する区間計測手段とを具備し、上記
   区間計測手段の出力から温度計測値を得る温度検出装置
   において、任意の寸法の感熱線と直列に、そのインピー
   ダンスが正負対称でかつ感熱線のインピーダンスに比較
   して無視できる程度に低いゼロ電流検出手段を接続した
   ことを特徴とする温度検出装置。