JPS6053825A - 熱電対による温度測定装置 - 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］ この発明は、熱電対測温体にお（−）る基準接点滌度補
ｔＦｉ装置に関する。

［従来技術］ 一般に熱電対どは、第１図に示ずＪ：うに、２種類の金
属Ｍ１及びＭ２を２点Ａ、Ｂにて接合したものであり、
Ａ点の温度をＴ＋　、Ｂ点の温度を］−〇としたとき、
温度差（Ｔ＋　−Ｔｏ　）に概略比例した熱起電流１が
流れる性質（これをゼーベック効果という）を利用した
ものである（オーム礼書店昭和４８年発行電気泪測便覧
第５７９夏参照）ところが、電流という形で出力を取出
すのは技術的に難しい為、多くの場合、第２図に示すよ
うに、適当な点（接合点を含めどこでもよい）で切断し
その両端りに生ずる電圧を熱起電力Ｖの形で取出しこの
電圧が概略（Ｔ＋−ＴＯ’）に比例するのでＴｏを基準
温度（０°Ｃとづることが多い）とすることにより温度
Ｔ１をめうるのである。

具体的な温度測定法としては、先ず第３図のものが最も
基本に忠実と言える。即ち、Ａ点は測定点であり、測定
対象（図示路）と熱的に結合している。Ｂ点は基準点で
あり恒温槽１に入れることにより一定温度ＴＯにする。

すると出力端りには測定対象の温度Ｔ１と一定温度ＴＯ
との差（Ｔ＋＝Ｔｏ）に概略比例した出力電圧Ｖが坦ゎ
れる。

ここにＶと（Ｔ’＋−ＴＯ）どの対応関係が既知でＶ＝
ｆ　（ＴＩ　−１−ｏ　）のように表４つされるどする
（代表的’：【Ｍ＋　、Ｍ２の対についてはＪＩＳで規
格化されている）ど、測定対象の温度Ｔ＋　＝ＴＯ＋ｆ
−１（Ｖ）から直らに知ることができる。勿論、出力電
圧Ｖを出力端］〕に接続された電Ｙ［泪（図示略）で読
取る必要がある。

上記の例（：［金属Ｍ１の）♀中を切断した例であるが
、第４図のように熱雷対の接合点の片方を開放にして、
Ｂ１点にて金属へ４３を、８２点にて金属Ｍ３′　（金
属Ｍ３ど同質のもの）を接合した場合にも、８１点と８
２点を同一温度（恒温槽）にしておｔＪば、Ｂｌ　、１
１２が基Ｗ一点となるので出力端りには上記の例と同じ
出力電圧Ｖが１５１られる（中間金属の法１１１１　）
。

また、第３図及び第４図の例では、測定点と基準点の距
離を大ぎくどることｔｉｔ金属Ｍ１とＭ２の強度的条イ
′１及び］ストがかさむ為、１ｊＩＩかしいので、その
距ｌ１１１１を短かくしているが、これは実際的ではな
い。実際の用途とじ−（は温度の干渉をＮＣＪる為に測
定点と恒温槽である基準点はＦＩＩＩれてぃた方が良く
、第５図に示すように、金ＲＭ　＋　とＭ２ど同等の起
電力特性をもつ補償導線Ｍ４とＭ５　＜Ｍ＋　。

Ｍ２の組合１！に対ｌ）で使用するものどしてＪＩＳで
規格化されている）を高価な熱雷対の代りに用いて基準
点をＢ＋　、Ｂ２からＣＩ　、Ｃ２に移動させることが
多い。この場合も出力端りに現われる出力電圧Ｖは第３
図、第４図の場合と同様である。

しかしながら、このような方法にあっては、２４準点に
恒温槽、例えば氷を入れた水槽を用いることにより、装
置が大町りになり、］ストも高くなるばかりか、恒温槽
の温度監視等のメンテナンスが必要である為、非常に使
いにくいものであり、各種工業用としては実装性の極め
て悪いものであった。

そこで、この恒温槽に代り、これを用いない熱雷対温度
測定法として、工業的に一般に使われている方法につい
て説明する。

第６図において、「は定電圧源ｅ１抵抗Ｒ１。

Ｒ２及び電流源１を有する基準接点補償器と呼ば３− レルモノテ、！ｉ　ｎ、Ｌ−接点（ＣＩ　、Ｃ２）をこ
の？ｉ１償器の領域内に具備さ１！て任意の変化するＷ
ｊＡ　Ｉｆｆ、　Ｔ　２を感知するようにし、この温度
Ｔ２の変化に対づる熱起電力を補償し、基準接点（Ｃ１
，Ｃ２）の温度が等価的に一定温ＩＴｏどなっているよ
うな出力電圧Ｖを出力端りに発生させるものである。

すなわち、 （ｅｌ−ｅ）／Ｒ＋　十〇＋　／Ｒ２＝　ｉ　Ｊ：って
Ｂ＋　＝ＲＩ　Ｒ２／　（Ｒ１＋Ｒ２）　Ｘ　ｉ十Ｒ２
ｉ　（Ｒ＋　＋Ｒ２）　ｘｅ ｅ２　＝ｅ−ｆ　（ＴＩ　Ｔ２　） 」１式から Ｖ＝ｅ＋　−Ｃ２＝ｆ　（ＴＩ　−７２）＋ＲＩ　（Ｒ
２１−ｅ）／　（Ｒ１＋Ｒ２）・・・・・・・・・（１
） 電流源ｉが温度差（Ｔ２−Ｔｏ　）によって変化し、 ｉ＝　ｉ　（Ｔ２−１−ｏ　） 一α（Ｔ２−Ｔｏ　）　＋　ｉ　ｏと表わせ、かつ、Ｒ
２１ｏ＝ｅとなるように、Ｒ２を調整し、これ４− を（１〉式に代入すると、 Ｖ＝ｆ　（ＴＩ　−Ｔ２　）＋Ｒ＋　Ｒ２α（Ｔ２−Ｔ
Ｏ）／　（Ｒ１＋Ｒ２）、 となる。

次に、 Ｆｉ’＋　Ｒ２（Ｘ　（Ｔ２−Ｔｏ　）／　（Ｒ１＋Ｒ
２）＝ｆ　（Ｔ２−Ｔｏ　） となるように、Ｒ１を調整すれば Ｖ＝ｆ　（ＴＩ　−Ｔ２　）　＋ｆ　（Ｔ２−Ｔｏ　）
＝ｆ　（ＴＩ　−Ｔｏ　＞ となり所望の結果が得られる。

このようにして、基準接点の温度Ｔ２とある一定温度Ｔ
ｏ（０℃とすることが多い）との差（Ｔ２−Ｔｏ）によ
って生ずるであろう熱起電力Ｖｏ　＝ｆ　（Ｔ２−Ｔｏ
　）を基準接点補償器Ｅ内の演算回路によって作り出し
、測定点Ａの温度Ｔ１と基準接点（ＣＩ　、Ｃ２）の温
度Ｔ２との差（Ｔ１−Ｔ２　）によって生じている起電
力ｆ　（Ｔ２−ＴＩ　）に加えた出力電圧Ｖ＝Ｖ＋　＋
Ｖｏ　＝ｆ　（１−＋　−Ｔ２　＞十ｆ　（Ｔ２−７ｏ
　） を出力端りに介４Ｌ　ｉ＼［（る訳である。ここでｆが
線形と見做せる範囲とし〕で前述の如く Ｖ＝ｆ　（Ｔ＋　−−−１２）　＋ｆ　（王２−Ｔｏ　
）−ｆ　（Ｔ＋　−−１’２　＋Ｔ２−−ｊｏ　）−ｆ
　（Ｔ＋　−−１−ｏ　） とすると、確かに、電圧ＶはＬ目１（接点の温度を一定
温度ＴＯと１刀、：場合の熱起電力に等何面に等しいも
のどなる。

しかしながら、このよう／【従来の方法では次のような
欠魚があった。

（１）　基準接点補償器はイの耐熱ＩＩＩ及び実装の都
合上、測定点よりも出力電圧Ｖの処理回路（図示略）に
近い方、或いは処理回路内に設置される為、必然的に補
償導線Ｍ４　、Ｍ５がＶ　＜　＜ｉす、この補償導線は
熱電対より安１ｉ１１＋といえども、熱起電力特性が類
似した一対の導線である！、：め、通常の導線よりは高
価であり、］ストがかさむことである。

（２）　補償＋９線Ｍ４　、Ｍ５は温度変化に即応する
補償機能上、材１１金属の組成が異なる為、当然電気抵
抗値も異なり、その差は導線Ｍ４　、Ｍ５の配線の良さ
に比例して大きくなる。すると、出力端りに接続された
処理回路から熱電対側を見た揚台、２入力端Ｄ＋、Ｄ２
のインピーダンスがアンバランスであるから伝送経路（
Ｍ４　、　Ｍ５　、　Ｍ３　。

Ｍ３’等をいう）に混入する外来ノイズ成分や、熱電対
の大地との絶縁抵抗に対して生ずる同相電圧成分を除去
することが難しくなり、ひいては測定誤差を増大させる
ことにつながる。この問題は特に、ｍＶオーダの電圧出
力しか得られない熱雷対においては非常に深刻である。

（３）　１％準接点補償器は、ｍＶオーダの熱起電力に
対し、更に１桁稈小さい値の補償電圧を扱う関係上、非
常に精度の良いものが要求される為、演算回路を演算増
幅器や抵抗等の素子を用いて構成する場合、素子自体の
選択や回路の調整に非常に神経を使うことになる。しか
し手間がかかる割には期待通りの成果（精度、安定度）
が得られないことが多い。また、昨今、各社から専用Ｉ
Ｃが売出７− されているが高価である。

［発明の目的］ この発明は、このような従来の問題点に着目してなされ
た（うので、恒温槽を用い（７いて基準接点の温度補償
を行２ｆｆｉう熱電対に、１：る潟度測定装首において
、いろいろと問題の生ずる補償導線を非常に短かい−６
のとηるか、又はこれを省略できるにうにすることを目
的と′？する、。

［発明の構成１ この発明は」記］−１的を達成するため、熱雷対測濡体
を用いた温ｔα測定装首において、熱雷対のＬ先壁接点
に他の測温体を配設置ノ、熱電対の出カイロＢと、前記
測温体の出力信号とを各々、甲独に処理回路に伝送する
伝送線を設置Ｊるど共に、前記処理回路に、これらの出
力ｆｒｉ号を各ノＺ、増幅又は処理する回路と、該回路
により増幅又は処理された出力信号を合成ｌノて阜Ｑ−
接点の温度を補償する回路とを設【プたｔ）のＰ　＋Ｉ
うる。

［作用］ 基準接点の温１αが変動しこれにより熱雷対の起８− 電力が変化して〜ｂ、基４（接点の温度変化を測温体が
感知し、処理回路がこれらの出力信号を処理して熱雷対
の起電力即ち出力信号の変動を打消Ｊように作用する。

従って、恒温槽と同じ温度補償の役目を果し、更に、基
準接点をいくらでも熱電対に近づけ得るので、補償導線
を非常に短かくでき、又は、これを省略できる。

［実施例コ 第７図はこの発明の一実施例を示す。

まず、構成を説明する。基準接点ＣＩ　、Ｃ２は補償導
線Ｍ４．Ｍ５と酋通の導線つまり伝送線Ｍ３　、　Ｍ３
　’　との接合点であり、ここに、他の測温体３を配設
し、これらを熱的に結合した状態とする。

測温体３はリーミスタ、又はＰＮ接合半導体等を用い、
白金又は金属酸化物を利用ｌ）温度上野と共に抵抗が増
大するものが適当であり、温度変化を電圧変化として出
力するものである。

熱雷対Ｍ＋　、Ｍ２の出力信号と、測温体３の出力信号
は各々導線Ｍ３　、　Ｍ３　’　と導線Ｍｅ　。

Ｍａ’　によつ−Ｃ１１ｌｌｌ定ｆｒ（Ｔから離れで股
間された処理回路９に伝］スされる。これら力線（，１
甲に出力信号を送る伝送線て゛あればＴりるので、通常
の電線であり、各々、回ＹＴのＩＪのを使用７する。

第８図は処理回路９のブ［］ツタ図である。５は熱起電
力の出力イハ）・）＼１１を増幅１１”る為の差動増幅
回路、６は測温体の７ｇ　［（Ｌ−電圧１ｊｉ　ｌ’ｌ
による出力信号Ｖ２を直線化りる為の回路、７は直線化
された測温体の出力Ｌ１ｐ−，Ｖ　、Ｉを増幅されｌこ
熱起電力信号Ｖ３と同じレベルの電ｆｆ−Ｖ　！ｉに−
りる為の増幅回路（減衰回路の場合１つある）、８は両
信号Ｖ３とＶ５の合成電圧信号を出力信号Ｖ６どしで取
出すための緩衝増幅回路である。

次に一１記実施例の作用をＷ＋２明する。

測定点△（渇１’ＪＴＩ　）　ｃ’：ＬＬｌｌ’ｌｆ：
肖（ＣＩ　、　Ｃ２）（温度下２）との温度差（ＴＩ−
Ｔ２）によって、基準接点（Ｃ１、Ｃ２）には熱起電力
Ｖ１が現われる。このとき、？＋ｌｉ　ｔｔｌ力線Ｍ、
ｌ、Ｍｂは前に説明した理由、即ｌう、＝１スト、耐ノ
イズｆ／１、同相電属除去Ｑ’！ｒ　ｆ’ｔの観■１°
１ｈ冒ら、できるだＬＪ短い方が良いが、この実施例で
は、測温体３の耐熱条イ′１ど出力特性さえ許せば、補
償導線Ｍ４　、Ｍ５はいくらでも短かくすることができ
、または、これを省略し−Ｃ１熱雷対の接点Ｂ＋　、Ｂ
２を阜ｔＰ・接点とすることもできる。

基準接点（ＣＩ　、Ｃ２）から処理回路９の入力端（Ｄ
＋　、Ｄ２　）に至るよでは多少良くなるが、伝送線Ｍ
３　、　Ｍ３　’の材質は同じものを用いて、ツイスト
ペアさらにはシールトイ」ツイストペアとすることにに
り耐ノイズ性を高めることができる。

処理回路９の入力端（Ｄ＋　、Ｄ２　）には基準接点で
の熱起電力Ｖ１に対し若干ノイズが重普するが、ノイズ
のうち同相成分については差動増幅回路５によって大部
分が打消され、出力Ｖ３どなって現われる。差動増幅回
路５の利１７をｋとすると、概略 Ｖ３　＝ｋＶ＋　＝ｋｆ　（ＴＩ　−Ｔ２　）＝ｋ　（
ＴＩ　−Ｔ２　）ｆ’　（０）と書ける。

一方、測温体３にて得られた信号は、伝送線−１′ｌ　
− Ｍｅ　、　Ｍａ　’　によっ−τ９ＡＪＩｌ’１回路９
の入力端（Ｇ１゜Ｇ２　）に現４つれる。先ず回路６に
Ｊ、って、基準接点の温度Ｔ２に対する特４ノ１を白線
化しく使用温度範囲内のみで良い）、さらに増幅回路７
によって増幅し、その出力が、（■略、 Ｖ５　＝ｍ＋　Ｔ２４−ｒＴ１２　（ｍＩ、　ｍ２　Ｃ
ＡＬ回路６゜７によって定５Ｌる定数）どｐｊけたとす
ると、合成点Ｐに現われる電圧は次のものとｔＴる。

Ｖ３　−ｌ　Ｖ　５　＝ｋ　（Ｔ　１　、−−　Ｔ　ｏ
’）　ｆ’　（０）＋（ｍｌ　Ｔ”２　＋ｒ口２） ＝　Ｊｋｆ’　（０）］Ｔ＋ ＋［ｍＩ　−ｋ　ｒ′（（’ｌ）　ｌ　Ｔ２−１−　ｍ
　２ ここで、定数に、　ｍｌ　、　ｒｎ２をｍＩ　＝ｋｆ’
　（（、’））、ｍ２　＝０となるにうに選び、敗に緩
挿１増幅回路８の利得を１とすると、処１！ｌ’！Ｉｉ
り路９の出力☆ツＩ　（Ｊ＋　、　Ｊ２　）の出力Ｖｅ
　ｌま、 Ｖｅ　＝　［ｋｆ’　（０）］　１−＋となる。

１２− すなわち、■＋　＝Ｖｓ　／ｋｆ’　（０）によって測
定点の温度を知ることができる。つまり、処理回路９は
基準接点（ＣＩ　、Ｃ２）の温度Ｔ２の変動による熱起
電力の変化を打消すように作用している訳である。

第９図には仙の実施例を示す。

この実施例は、第８図にお（シる処理回路９に代るもの
としてマイクロコンビコータによる処理回路９１のブロ
ック図を用いたものである。

熱雷対により温度を測定するといった場合、牛なる湿度
泪として用いることは希であり、回らかの形で調度によ
る機器の制御を行っている。そのような制御を行うに際
し、マイクロブロセッリ゛等のＣＰＵを用いるのが昨今
では常道のようになっていて、この実施例はそういった
場合に適した応用例である。

すなわち、差動増幅回路５により電圧Ｖ３を得るまでは
、前実施例の処理回路９と同様だが、その後はＡ／Ｄ変
換回路１０を介してＣＰＵ１１にデータとして入力する
。一方、基準湿度［言号Ｖ２も増幅回路６１（減衰回路
Ｃある場合もある。）Ａ　／　））変換回路１０を介し
てＣＰＵ１１に入力する。この際処理回路［）において
必要１．二つＴ５：直線化回路６は不要である。

ここで、 Ｔ３　＝Ｃ］　（−１−＋　−Ｔ２）　、　Ｖ７＝ｈ　
（１−２）と書くど、（］は熱電ス・１の特１’ｌ及び
差動増幅回路５によって定まる関数、ｈ（３［測温体の
特↑１１及び増幅回路６１によって定まる関数である。

さて、Ｃ［）Ｕ　１１で処理Ｊ−ろに当り、Ａ　／　Ｄ
変換回路１０により２進化デ゛−タに変換されている訳
だがそれに関する表記に１わずられしいので省略する。

前に述べた通り、関数ｇ、ｆｉは諸条件にて定まってい
るので、ＣＰＬＪｌｌにデータとして保持してお（）ば
、測定した温度Ｔ１は以下のＪ：うに１ｑられる。すな
わち Ｔ＋　−１−２−ｑ−’　（Ｔ３）、Ｔ２＝ｈ−’　（
Ｔ７）より、 Ｔ＋　＝１１−’　（Ｔ３　）　ｌ−１１−’　（Ｔ７
　）を演算すればよい。この値をもって制御を行えば良
い訳だが、勿論、Ｄ／へ変換回路１２を用いて外部の出
力端（Ｊ＋　、Ｔ２　）に用力電圧＼１６どして取出Ｊ
こともできる。

Ｊ、Ｊ土説明してさたように、この発明にＪ：れば、イ
の構成を熱雷対自体の起電力を処理回路２１：で単独に
伝送し、増幅し、基準接点の温度を仙の測温体によって
感知せしめて、基準接点温度に関する情報を増幅後の熱
起電力に対して反映させるという構成としたため、次の
ような効果が１ｑられる。

（１）　補償導線を非常に短く、または省略できるので
装置全体が安価になる。

（２）　補償導線を非常に短くすることにＪ：り雑音等
による測定誤差を最小限にすることができる。

（３）Ｍ単接点の高精度、高安定度の温度補償が比較的
簡単な回路ににり実現する。

他の実施例は上記効果に加えて、更に以下の様な効果が
ある。

即ち、第９図の例は熱雷対及び伯の測温体の温度による
出力性Ｐ１が既知でありざえすれば、たと＝１５− え線形あるいは線形に変換し易い１Ｊ１性でなくとも、
それをＣＩ）　Ｌｌにデータとして保持しておくことに
より、演Ｗｆｆｉ理にＪ、り測定）１１４度が１１７ら
れるメリツ１へがある。

［発明の効果１ （１）大仕掛でかつメンテリンスを必要とりる恒温槽が
いらイｆＯ６ （２）補償導線を非常に短かく又は省略τ・きるので、
安価で、かつ高精度の温度測定装置が盲られる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図１．１従来装百の配線図、第７図はこの
発明の一実施例による配線図、第８図は第７図の処理回
路のブ［１ツク図、第９図は他の実施例のブロック図で
ある。 図面に現わした符号の説明 １：恒温槽　３：測温体 ５：差動増幅回路　６：直線化回路 ７．６１＝増幅回路　Ｂ　：　ＦＡ）ｉｉ増幅回路９．
９１　：処理回路　１０：Δ／Ｄ変換回路１１：ＣＰＩ
Ｊ　１２：Ｄ／Ａ変換回路＝１６− Δ：測定点　ＣＩ　、　Ｃ２：基準接点り、Ｄ＋　、Ｄ
２　：熱電ス・１の出力端〈処理回路の入力端） ［：基準接点補償器 Ｇ＋　、Ｇ２　：測温体の出力端 （処理回路の入力端） Ｊ＋　、Ｔ２　：処理回路の出力端 Ｍ＋　、Ｔ２　：熱電対 Ｔ３　、　Ｔ３　’　、　Ｍｅ　、　Ｍｅ　’　：伝送
線（導線）Ｔ４　、　Ｔ５　：補償導線 Ｔ１　：測定温度　Ｔ２　：基準温度 ＴＯニ一定温度　Ｖ１〜Ｖ６　：信号 待　許　出願人　日産自動車株式会ネ１−＜Ｌｌ−煉 塚　昨

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 熱電対測温体を用いた温度測定装置において、熱雷対の
   基１４ｆｉ接点に他の測温体を配設］ノ、熱電対の出力
   信弓ど、前記測温体の出力信舅どを各々、単独に処理回
   路に伝送づる伝送線を設置−１６と共に、前記処理回路
   にこれらの出力信号を各々、増幅又は処理する回路と、
   該回路に３」ｚり増幅又【Ｘｌ、処理された出力信ｇを
   合成して幇準接貞の温度を補償する回路どを設（づたこ
   とを特徴とする熱電ス・１ににる温度測定装置１゜