JPS5826363Y2 - 熱電対の室温補償回路 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は熱電対温度検出装置における、サーミスタを用
いた熱電対の室温補償回路に関するものである。

熱電対を用いた温度検出装置においては、周囲温度の補
償をしないと正確な温度検出を行うことができないため
、室温補償を行う必要がある。

このような室温補償は例えばサーミスタを使用して行う
ことができる。

第１図は従来のサーミスタを用いた熱電対の室温補償回
路の構成を示す回路図である。

第１図において、熱電対１０発生した熱起電力は増幅器
２で一定の増幅を行った後、加算器３の一方の入力に加
えられる。

サーミスタ４は定電流電源端子５から定電流で駆動され
ていて、その両端の電圧は増幅器６で一定の増幅を行っ
た後加算器３の他方の入力に加えられる。

加算器３は両人力を加算して端子７に出力する。

このようにして、熱電対の出力に、サーミスタが検知し
た室温出力を加算することによって、真の温度出力が求
められる。

しかしながら、サーミスタの温度−抵抗特性は、温度に
対して抵抗値が指数関数的に変化するが、必ずしも直線
的でなく、周知のようにややＳ字状を呈して変化する。

従って第１図の回路でサーミスタの出力電圧をそのまま
加算した場合、誤差が不均等に分散し、部分的に大きな
誤差を生じる。

このように、従来のサーミスタを用いた熱電対の室温補
償回路は正確さを欠く欠点があった。

本考案はこのような従来技術の欠点を除去しようとする
ものであって、その目的は使用温度範囲内における誤差
をほぼ均等に分散させることができ、またその誤差を最
小にすることができる室温補償回路を提供することにあ
る。

この目的を達成するため本考案の熱電対の室温補償回路
においては、熱電対の熱起電力を増幅する第１の増幅器
と、定電圧源からサーミスタを経て直列に駆動されその
両端に補償電圧を発生する定抵抗 （ただしｒｌ ）ｒ２ およびｒ３は前記サーミスタのそれぞれ低温端、中点温
度および高温端の抵抗）と、該補償電圧を増幅する第２
の増幅器と、前記第１の増幅器の出力電圧と前記第２の
増幅器の出力電圧とを加算する加算回路とを具えたこと
を特徴としており、さらに前記第２の増幅器が、前記補
償電圧における所要の補償直線との二乗誤差が最小にな
るようにその利得とオフセット電圧とを定められている
ことを特徴としている。

以下実施例について説明する。

第２図は本考案の熱電対の室温補償回路の一実施例の構
成な示す回路図である。

同図において符号１．２，３，４，６，７のあられすと
ころは第１図の場合と異ならない。

８は定電圧電源端子、９は定抵抗、１０は補償電圧端子
である。

第２図において熱電対１の熱起電力は第１図の場合と同
様に増幅器２を経て加算器３の一方の入力に加えられる
。

また一定電圧を与えられる定電圧電源端子８と接地間に
接続されたサーミスタ４と定抵抗９の直列回路において
、定抵抗９の両端に発生した電圧は増幅器６を経て加算
器３の他方の入力に加えられる。

両増幅器２，６の利得はそれぞれブ定であり、加算器３
は熱電対１の出力電圧と、定抵抗９０両端に発生した補
償電圧Ｅｏとを加算して端子１に出力する。

第３図は、第２図の回路において、定抵抗９０両端に発
生する補償電圧Ｅｏを示した図である。

同図において、ｔｌ、ｔ３はそれぞれ補償すべき室温の
範囲の低温側と高温側の温度を、ｔ２はそれらの中点の
温度をあられしている。

第３図にみられるごとく補償電圧Ｅ。

は、前述のごときサーミスタのＳ字形特性に対応して、
室温の変化に対してＳ字状に変化する特性を示す。

今、第３図のＥ。

曲線において、等間隔に選ばれた３温度点ｔ１．ｔ２．
ｔ３に対応する補償電圧値Ｅｏ１．Ｅｏ２．Ｅｏ３が一
直線（Ｅｏ（Ｌ）直線）上にあるとすれば１次の各式が
成立する。

ここでＲｏは抵抗９の値、Ｖｃｃは端子８から与えられ
る定電圧である。

またｒ□）ｒ２）ｒ３はサーミスタ４のそれぞれ温度ｔ
１．ｔ２．ｔ３におげろ抵抗値であり、ｒｌ＞ｒ２＞ｒ
３とする。

補償電圧Ｅｏ１．Ｅｏ２．Ｅｏ３は、−直線上にあると
いう条件から次のように書ける。

ただし△ｔ−ｔ３−ｔ２−ｔ２−ｔ１である。

従って（１） 、 （２＞ 、 （３）式を（４）式に
代入して、次の関係が得られる。

そこで（５式をＲ６について解くことによって。

次のようにＲｏを求めることができる。

このようにして、サーミスタによって定抵抗の両端に発
生する補償電圧の簡易直線近似を行うことができる。

（６）式のように抵抗値Ｒ６を定めた場合、第３図に示
されたごときＥ。

曲線のＥ。（Ｌ、ＩＩ線からの誤差をほぼ上下対称に分
散させ得ることは明らかであり、これによって誤差が部
分的に大きくなることを防止することができる。

この場合、上述の３温度点ｔ１．ｔ２．ｔ３における誤
差が零となるので、調整が容易であり、コスト的にも利
益が得られる。

また、このようにして選ばれた抵抗Ｒ８Ｋ対し、最小二
乗法を用いた調整を施すことによってさらに誤差の分散
を小さくすることもできる。

第３図において直線Ｅ。

（Ｌ２）は、前述のように抵抗Ｒ８を選んだときのＥ。

曲線に対し、補償電圧Ｅ。どの二乗誤差が最小になるよ
うに選ばれた直線でちる。

第３図において、補償すべき温度範囲な１（ｉ＝１〜ｎ
）等分したときの各点の温度ｔｉと、対応する補償電圧
Ｅ。

（Ｌ）ｉは第３図のＥ。曲線から求められる。

従ってこれらに最小二乗法を適用して直線Ｅ。

（Ｌ２）を次の関係から定めろことができる。Ｅｏ（Ｌ
２）ｉ＝ａ ＋ ｂＴｉ ・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・（７）なお、ここでａは切
片、ｂは傾きである。

調整は、このようにして求められた直線Ｅ。

（Ｌ２）が直線Ｅ。

（Ｌ）に一致するように、増幅器６の利得とゼロ点のオ
フセットを変更することによって行うことができる。

このように調整することによって、誤差の分散を前述の
簡易直線近似を行う方法によるよりも、さらに小さくす
ることができる。

しかしながらこのような調整を行った場合は、補償電圧
値の所望の直線Ｅ。

（Ｌ）に対する誤差が、３温度点ｔ１．ｔ２゜ｔ３にお
いてゼロにならないため、調整に時間がかかつて必ずし
も経済的ではない。

このように両方法には一長一短があるので、用途によっ
て選択すれば極めて有効である。

なお以下、具体例について数値を挙げて説明する。

これらの例において室温補償範囲は０〜６０℃、使用し
たサーミスタの特性はｒｌ（０℃）： １５０ ＫＱ。

ｒ２（３０℃）＝３７．２８４ＫＱ、ｒ３（６０℃）
＝１１．４８４にΩ、Ｂ定数＝３９７０Ｋ（０〜１００
℃）定電圧電源の出力電圧Ｖｃｅ二１．０８９Ｖ（一定
）である。

また第４図は各調整法による直線と補償電圧との誤差を
示す図である。

（１） 簡易直線近似法による抵抗ＲＯの決定と誤差
評価 前述の（１）式にサーミスタの特性抵抗値ｒｌ。

ｒ２ｙｒ３を代入して得られた抵抗Ｒ８の値はＲｏ：２
９．６３３ ＫΩである。

このときの近似直線Ｅ。

（Ｌｌ）を求めると次のようになる。

Ｅｏ（Ｌｌ）＝１０．０８６６ｔ＋１７９．６４６（ｍ
Ｖ）・（８） 第４図ａは補償電圧Ｅ。

と（８）式による近似直線Ｅ。

（Ｌｌ）との差を示したものである。（２）最小二乗法
による調整直線の決定と誤差評価（１）の場合と同様に
Ｒ８＝２９．６３３Ωとし、最小二乗法によって求めら
れた調整直線なＥ。

（Ｌ２）とすると、次のように表わされる。

Ｅｏ （Ｌ２ ） ＝１０．３６３ ｔ ＋１７１−０
５８ （ｍＶ ）イ９） 第４図すは補償電圧Ｅ。

と（９式による調整直線Ｅ。

（Ｌ２）との差を示したものである。なおこの場合の調
整は、サーミスタの代りに基準抵抗を用いて、次のよう
な値が得られるように増幅器の利得とオフセットを調整
スる。

０℃相当、ｒ０＝１５０にΩにおいてＥＯ（Ｌ２）＝１
７１．０５８（ｍＶ） ３０℃相当、ｒ２＝＝３７．２８４ＫＱにおいてＥ。

（Ｌ２） −＝４８１．９４８ （ｍＶ）６０℃相当、
ｒ３＝＝１１．４８４にΩにおいてＥ。

（Ｌ２）＝７９２．８３８（ｍＶ） （３）抵抗Ｒｏの値を任意に選んだ場合の誤差評価抵抗
Ｒ８を任意の値、例えばＲ８＝＝１０にΩとしたとき、
最小二乗法によって求められた調整曲線なＥ。

（Ｌ３）とすると、次のようになる。ＥＯ（Ｌ３）＝ニ
ア、４００ｔ＋３４．５４７（ｍＶ）・”・−佃第４図
Ｃは補償電圧Ｅｏと００式による調整的ＨＥｏ （Ｌ３
）との差を示したものである。

このように、抵抗ＲＯとして任意の値を用いた場合は誤
差分散は＝般に大きくなるが、簡易直線近似の方法によ
り抵抗Ｒ６を決定すれば誤差分散は小さくなり、さらに
最小二乗法を用いて調整点を変えれば誤差分散はより小
さくなる。

このようにして得られた補償電圧Ｅｏを第２図の熱電対
の室温補償回路において用いた場合の真の温度との誤差
は次のようであった。

熱電対：クロメル・アルメル 熱電対測定温度範囲：０〜５００℃ サーミスタの定数：ｒに１５０にΩ、Ｂ定数＝３９７０
Ｋ（０〜１００℃） につ０て 簡易直線近似法による最大誤差：フルスケールの０．９
６％ 最小二乗法によって調整したとき最大誤差：フルスケー
ルの０．５８％ 以上説明したように本考案の熱電対の室温補償回路によ
れば、使用室温範囲内における誤差をほぼ均等に分散さ
せることができ、またその誤差を最小にすることができ
るので優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のサーミスタを用いた熱電対の室温補償回
路の構成を示す回路図、第２図は本考案の熱電対の室温
補償回路の一実施例の構成を示す回路図、第３図は補償
電圧を示す図、第４図は各調整法による直線と補償電圧
との誤差を示す図である。 １・・・・・・熱電対、２・・・・・増幅器、３・・・
・・・加算器、４・・・・・・サーミスタ ５・・・・
・・定電流電源端子、６・・・・・・増幅器。 １・・・・・・出力端子、 ８・・・・・・定電圧電源端 子、９・・・・・・抵抗、１０・・・・・・補償電圧端
子。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 ｌ 熱電対の熱起電力を増幅する第１の増幅器と、定電
   圧源からサーミスタを経て直列に駆動されその両端に補
   制電圧を発生する定抵抗Ｒ０（ただしｒｌ 、ｒ２お よびｒ３は前記サーミスタのそれぞれ低温端、中点温度
   および高温端の抵抗）と、該補償電圧を増幅する第２の
   増幅器と、前記第１の増幅器の出力電圧と前記第２の増
   幅器の出力電圧とを加算する加算回路とを具えたことを
   特徴とする熱電対の室温補償回路。 ２ 前記第２の増幅器が、前記補償電圧における所要の
   補償直線との二乗誤差が最小になるようにその利得とオ
   フセット電圧とを定められていることを特徴とする実用
   新案登録請求の範囲第１項記載の熱電対の室温補償回路
   。