JPS61239125A - デジタル温度計 - 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】 産業上皇且且豆立 本発明は、広範囲な温度測定に利用できるように、各種
の温度センサを取替え使用できるようにしたデジタル温
度計に関する。

従来坐肢査 熱電対等の温度センサを用い、検知温度に対応したアナ
ログ出力電圧をデジタル変換して温度表示するデジタル
温度針は、一般に、第５図に示すような構成を持つ。

第５図において、（１）は熱電対等の温度センサ、（２
）は温度センサ（１）の出力を増幅する前置増幅器、（
３）は前置増＠器（２）のアナログ出力電圧をデジタル
変換するＡＤコンパ・−タ、（４）はＡＤコンバータ（
３）のデジタル出力を演算処理して表示部（５）に出力
する演算部である。

上記従来のデジタル温度計（６）は、前置増幅器（２）
の増幅率を、最大温度検出時の温度センサ出力を増幅し
たとき、その増幅出力がＡＤコンバータ（３）の変換可
能入力電圧の最大値に近く、且つそのときのＡＤコンバ
ータ（３）のデジタル出力が、上記最大検出温度を直接
表示できるような値に選んでいた。例えば最大測定温度
が１７００℃のＲタイプの熱電対を用いたデジタル温度
計において、１ｖの入力電圧を２０．０００ｃｐｓ　　
（サイクル・パー・セコンド）に変ｍするＡＤコンバー
タを使用しているとき、前置増幅器（２）の増幅率を４
２．０４８と設定し、最大検出電圧の２０．２１５ｍｖ
を８５０ａ＋ｖに増幅する。このようにすれば、１７０
０℃を測定し前゛置場幅器（２）の出力電圧として２０
．２１５糟Ｖが得られたとき、１７０００ｃｐｓのデジ
タル量に変換でき、小数点を一桁目におけば１７００．
０℃の温度表示値が直ちに得られる。

の゛し　゛　る四占 上記従来のデジタル温度計（６）に汎用性を持たせるた
め、異なる検出温度範囲を有する異種の温度センサを取
替え使用することが考えられる この場合、各温度センサの出力電圧範囲は異なるので、
温度センサを取替えても、各々の出力電圧範囲がＡＤコ
ンバータの所定の変換範囲に対応するように工夫する必
要がある。

この一手段として、前置増幅器（２）の増幅率を温度セ
ンサ（１）の種別に対応させて切換えることが考えられ
る。

しかし前置増幅器（２）の増幅率を変える方法は、オペ
アンプの外付は抵抗等を切換え接続する構成となり、接
触抵抗誤差が介入する問題が生ずると共に、増幅率切換
え時に前置増幅器（２）の特性や安定性が変化して測定
精度が低下する。例えばにタイプの熱電対で測定した値
と、Ｔタイプの熱電対で測定した値が異なってしまう等
の不都合がある。またゲイン調整回路を構成する抵抗器
に精度の高いものを使用する必要があり、高価になる欠
点があった。

そこで本発明は異種の温度センサを取替え使用した場合
でも、回路構成を複雑化しないで高精度の温度測定がで
きるデジタル温度針の提供を目的とする。

ル　占　”るための 本発明は、取替え使用される温度センサの出力電圧を、
増幅率が一定の前置増幅器で増幅し、この増幅出力を変
換比可変の二重積分型ＡＤコンバータでデジタル変換し
、さらにこのデジタル出力を演算回路で線形化処理して
、温度表示を行うデジタル温度計であって、二重積分型
ＡＤコンバータと線形化処理に次のような特徴を有する
。

二重積分型ＡＤコンバータは、第１図に示すように入力
電圧Ｅχを積分回路によって基準積分時間Ｔｓだけ積分
した後、それと逆極性の基準電圧−Ｅｓにより積分器出
力ｅが元の電位（ｅ＝０）になるまで積分し、逆極性の
積分期間Ｔｘ中に発生したクロック数をカウントして出
力することにより、入力端子の大きさを求めるものであ
る。

すなわち、第１図において、 ｓ の関係があるから、基準積分時間Ｔｓを適当な大きさに
切り換えることにより（Ｅｓは一定値に固定する）、使
用する温度センサに応じ、入力電圧Ｅｘを温度表示に通
した所定の大きさのデジタル値（クロックでカウントし
た逆極性の積分期間Ｔｘ　）に変換することができる。

なおこの基準積分時間Ｔｓは、特に設けた変換比切換回
路によって、使用する温度センサの種類に、　　　　　
　　　応じて、切り換えられる。

また変換比可変型のＡＤコンバータ出力の線形化処理は
、第２図に示すように、測定温度Ｔに対応して、二重積
分型ＡＤコンバータが出力するデジタル値Ｘを、２１ビ
ツトを一区間として区分し、これによって得られる各区
分点のデジタル値Ａｏ　、ＡＩ　、Ａ２　＋　・・・Ａ
ｎと各区分点間の温度差ｔ１　（０”ＡＩ　）、ｔ２　
　（Ａｔ−Ａｔ）、・・・ｔｎ　　（Ａｎ−１〜Ａｎ　
）との対応関係を、予め各種の温度センサごとに求め、
これを演算回路に線形化テーブルとして備えさせておき
、温度測定時にＡＤコンバータの出力したデジタル値Ｘ
の属する区間番号にを求め、 （但し１０＝０．１［はデジタルデータＸの属する区間
の温度差、ＡＫ−１はデジタル値Ｘの属する区間の直前
の区分点のデジタル値） の演算を行なって、温度表示値を出力する。

皿 本発明の上記構成手段によれば、ＡＤコンバータの基準
積分時間を変えることにより、各種温度センサの出力範
囲が異なっても、ＡＤコンバータの出力範囲を適切な値
にすることができ、前置増幅器にゲイン調整回路を付設
した場合のような問題を発生させないで、高精度なＡＤ
変換が可能になる。

またＡＤコンバータの出力するデジタル値を２１ビツト
を単位として区分して、線形化処理するから、演算を簡
素化して行なうことがでる。

大施輿 本発明の実施例を、以下図面を参照しながら説明する。

本発明のデジタル温度計（７）の−構成例を示す第３図
において、（８）は熱電対等の温度センサ、（９）は温
度センサ（８）の出力電圧を一定の増幅率で増幅する前
置増幅器、（１０）は変換比可変の二重積分型ＡＤコン
バータ、（１１）は、その設定スイッチ（ｌｌａ）で指
定した温度センサの種別に応じて二重積分型ＡＤコンバ
ータ（１０）の基準積分時間Ｔ３を切換える変換比切換
回路、（１２）は二重積分型ＡＤコンバータ（１０）の
出力を予め各温度センサ毎に用意した線形化テーブルに
基づいて線形化し温度表示値を出力する演算回路、（１
３）は表示器である。

上記構成中のＡＤコンバータ（１０）の内部構成に・つ
いて次に詳しく説明する。

第３図において、（１４）は前置増幅器（８）の出力電
圧Ｅｘ、正の基準電圧Ｖｓ及び負の基準電圧−Ｖｓを択
一的に通過させるアナログスイッチ等からなる切換えス
イッチ、（１５）は入力抵抗（１６）及びコンデンサ（
１７）をオペアン′ブ（１８）に外付けして構成した積
分回路、（１９）は積分回路（１５）の出力が零電位以
上か否かを検出して出力するコンパレータ、（２０）は
切換えスイッチ（１４）を切換えることにより変換比切
換回路（１１）の指定する基準積分時間Ｔｓの間、前置
増幅器（９）の出力電圧Ｅｘを積分回路（１５）に入力
させ、その後に前置増幅器（９）の出力と逆極性の基準
電圧−Ｖｓを入力させ、基準電圧−ＶＳへの切換え後コ
ンパレータ（１９）が零電位検出の出力をするまでの逆
極性の積分期間Ｔｘ中、ゲートＯＮ信号ａを出力する制
御回路、（２１）はゲートＯＮ信号ａによって開き、基
準クロツクｂを通過させるＡＮＤゲート、（２２）はＡ
ＮＤゲート（２１）を通過した基準クロックｂをカウン
トしてデジタル値Ｘとして出力するカウンタである。

上記構成のデジタル温度計（７）は、使用する温度セン
−＋（８）の種類を、変換比切換回路（１１）の設定ス
イッチ（１１ａ　）で設定することにより、基準積分時
間Ｔｓが変更される。そして、制御回路（２０）の上記
動作によって、適当な変換比で、温度センサ（８）のア
ナログ出力電圧をカウンタ（２２）からデジタル値Ｘに
変換して出力させ、さらにこのデジタル値Ｘを演算回路
（１２）で線形化して、温度表示値を得て、表示部（１
３）に表示させるものである。

次に上記構成のデジタル温度計（７）における、変換比
の設定と、線形化処理の具体的数値例について説明する
。

Ｋタイプの熱電対は、最大測定温度が１３００℃で、こ
のときの出力電圧が５２３９８μＶである。

そこでＡＤコンバータ（１０）へのアナログ入力電圧Ｅ
にが上記最大値の５２３９８μ■のとき、デジタル出力
が２００９６ｃｐｓになるように基準積分時間Ｔｓを設
定する。ここで２００９６ｃｐｓを選んだ理由はデジタ
ルデータＸの区分間隔を２１＝１２８（ｉ−７）とした
場合、その整数倍（１２８Ｘ１５７−２００９６　）で
あること、及びＡＤコンバータ（１０）のＡＤ変換範囲
の大きさを有効利用するためである。

この変換比に対応するように線形化処理のためのテーブ
ルをにタイプの熱電対についてのＪ　Ｉ　Ｓ　Ｃ−４６
０２の熱起電力表より作成する。

次表は、各区分点のデジタル値（Ａｏ　＝　Ｑ　。

ＡＩ　＝１２８　、　Ａｔ　−２５６、＝Ａｔ５７＝　
１２８Ｘ１５７＝２００９６　）の夫々について、比例
関係から熱電対の対応する出力電圧 を算出し、この出力電圧の各々に対応する検出温度から
、各区間毎の温度差ｔ＋　　（Ａｏ　−Ａ、、　）、　
　ｔ２　　（ＡＩ　＋ｖＡ２　＞　、　°８°ｔ　ｔｓ
ｙ　（Ａ　ｔｓｅ＝　、Ａ　１５７）を求め、その一部
を示したものである。

第１表 次に上記テーブルを用いた演算例について説明する。

上記にタイプの熱電対を用いて３００℃を測定した場合
、その出力電圧は１２２０７μＶである。

上記設定比に基準積分時間Ｔｓを選んでおくと、ＡＤコ
ンバータ（１０）の出力するデジタル値Ｘは である。そこで演算回路（１２）において上記デジタル
値Ｘがどの区間に対応するかを演算する。すなわち より、それが所属する区間の番号には３７であることが
わかる。従って上記テーブルに従って、次の計算を行う
。

＝２９９．９ これによって２９９．９℃の温度表示を誤差０．１℃で
表示器（１３）に表示させることができる。

本発明のデジタル温度計（７）は、そのデジタル演算の
必要性から、第３図に示す回路におけるＡＤコンバータ
（１０）の一部及び演算部（１２）　’ｌ、ワンチップ
マイクロコンピュータによって構成している。そこで、
上記演算処理をするためのプログラム例を第４図に示す
フローチャートに従って次に説明する。

二重積分型ＡＤコンバータ（１０）から測定温度に対応
したデジタル値Ｘが演算回路（１２）に入力されると、
第４図に示す演算プログラムに基いて、線形化処理を開
始する。

まずメモリＲＡＭ領域内の演算結果バッファをクリアす
る。

次に入力されたデジタル値Ｘが正の温度領域のものか負
の温度領域のものか判断し、正ならばフラグＦｏを“１
″にし負ならば・ｏ”ｃする。

次に使用する温度センサの種類及びフラグＦ。

に応じて、ＲＯＭ領域内の線形化テーブルの使用するデ
ータの先頭アドレスＡＤを算出する。

線形化テーブルは、一つの温度センサについて、正の温
度領域のものと負の温度領域のものが作成されている。

なお使用する温度センサの種類は、第３図に示す回路に
おいては変換比切換回路（１１）から入力されている。

次に入力された２バイトデータであるデジタル値Ｘを一
ビツト上位にシフトすることにより２倍し、その上位バ
イトをデータＲ２として取り出才。上記処理は、デジタ
ル値Ｘを１２８で割、その商を求めることに相当し、デ
ータＲ２はデジタル値Ｘの属する区間の直前までの区間
数に−１を示すことになる。

次にＲ２＝０か否かの判断をする。Ｒ２−０のときは、
デジタル値Ｘが線形化テーブルの最初の区間にあるので
、下位バイトの処理にジャンプする。Ｒ２≠０のときは
、デジタル値Ｘの属する区間にの直前の区間に−１まで
の、温度差ｔｌ”’ｔＫ−１の加算を行なう。

この加算は、先頭アドレスＡＤの示すＲＯＭ領域内の温
度差デークｔｊ−ｔ−読み出して、演算バッファＮに加
算した後、ＡＤに１を加算し、Ｒ２から１を減算し、最
後にＲ２が０が否かの判断をしてＲ２がＯになるまで、
温度差データｔｊ　の加算を繰り返すことにより行う。

これによって前記演算式における第１項Σｔｊの演算Ｊ
→ が終了したことになる。

次に第２項 の演算を行う。

まず入力されたデジタル値Ｘの下位バイトの最上位ビッ
トを強制的に“０”にする、これによってＲ１−Ｘ−Ａ
ｇ−１が求められたことになる。

次に上記演算の結果求められているアドレスデータＡＤ
より、デジタルｔａＸの題する区間の温度差１［を読み
出し、上記データＲ１をｔＫ回だけ加算して、ＲＩＸｔ
Ｋの乗算を行う。

次にこの加算データを１ビツト上位にシフトし、得られ
た２バイトデータの上位バイトを取り出すことにより、
１２８で割る演算を行う。なおこのときの余りは切り捨
てることになる。

次にこの第２項の計算結果を、先に求めた第１項の計算
結果に加算する。

次にフラグＦｏを調べて、上記計算結果に負数表示をす
るか否か判断する。フラグＦｏがＯならば負数表示のた
め、上記演算結果の補数を求め、これを演算結果バッフ
ァに書き込む。またフラグＦｏが１ならば、上記演算結
果をそのまま演算結果バッファに書き込む。

以上の処理によって、線形化処理が終了する。

上記演算処理は、理論上の計算式に乗算、除算があるに
もかかわらず、２１ビツトを一区間として区分した線形
化テーブルによって、デジタル値Ｘを演算処理するため
、加算及び減算のみで処理できる。従って一般的なワン
チップマイクロコンピュータの持つ限られた命令でも、
プログラムを長くすることなく、上記演算が可能である
。因に上記フローチャートの演算処理プログラムは、ワ
ンチップマイクロコンピュータ４８シリーズでは１１７
バイトで作成できる。また線形化テーブルは、精度０．
１℃では各区間のデータを２２５以下（１バイト）で表
わせるから、５種の温度センサの線形化テーブルを記憶
させても、上記プログラムと合わせて２にバイト以内に
収めることができる。従ってワンチップマイクロコンピ
ュータが本来内蔵しているＲＯＭ領域内に全てを収納さ
せることができ、上記デジタル温度計の小型コンパクト
化、低コスト化が実現できる。

なお本発明において取替え使用される温度センサは異な
る温度測定範囲を有するＲタイプ、Ｋタイプ、Ｅタイプ
、Ｔタイプ等の各種の熱電対の他、温度係数の高い抵抗
体又はサーミスタ等の半導体に定電流を通電し、その電
圧降下によって温度を検知するもの等が使用できる。こ
れらの場合、使用する温度センサの特性に応じて、ＡＤ
コンバータの変換比及び線形化テーブルを予め用意して
、変換比切換回路（１１）及び演算回路（１２）に内蔵
させておくのである。

また上記実施例において線形化処理のためのデジタルデ
ータＸの一区分区間２１はｉ　＝７に選定していたが、
ｉは演算の処理単位のビット数に応じて通貨に選定でき
る。

血皿五立果 本発明によれば、取替え使用される温度センサの特性に
合せて、ＡＤコンバータの出力範囲が後の温度表示のた
めの演算処理に適当な値となるように、二重積分型ＡＤ
コンバータの基準積分時間を切換えて統一的なデジタル
量に変換するから、前置増幅器の増幅率を切り替えた場
合のような誤差を生じさせないで、ＡＤコンバータのＡ
Ｄ変換範囲を有効に利用した高精度なＡＤ変換が可能に
なる。

またＡｒ）コンバークの出力するデジタルｉｘの線形化
処理を、２１ビツトを単位として区分した線形化テーブ
ルを用いて行うから、ワンチップマイクロコンピュータ
のプログラム及びデ・−少量を簡素化し、少ないメモリ
数での演算処理を可能にして、製造コストを低減化する
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で使用する二重積分型ＡＤコンバータの
原理説明図、第２図は本発明における線形化処理のため
の一つの温度センサの変換テーブルの作成原理を説明す
るデジタル値Ｘと測定温度Ｔとの関係を示す特性図、第
３図は本発明のデジタル温度計の一構成例を示すブロッ
ク図、第４図は本発明における線形化処理プログラム例
を示すフローチャート、第５図は従来のデジタｌし温度
針の構成を示すブロック図である。 （７）−デジタル温度計、（８）−・温度センサ、（９
）−前置増幅器、（１０）　−Ａ　Ｄコンバータ、（１
１）・−変換比切換回路、（１２）・−演算回路、（１
３）　−表示器、（Ｅｘ）−前置増幅器の出力電圧、（
Ｔｓ）・−基準積分時間、（Ｅｓ　）基準電圧、（ｘ　
）　−・デジタル値、（Ａｏ　−Ａｎ　）−゛各区分点
のデジタル値、（ｔｒ〜ｔｎ）一温度差。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）取替え使用される温度センサの出力電圧を一定増
   幅率で増幅する前置増幅器と、 前置増幅器の出力電圧Ｅｘを積分回路によって基準積分
   時間Ｔ３だけ積分した後、それと逆極性の基準電圧Ｅｓ
   で積分し、その出力が元の電位になるまでの期間中に発
   生したクロック数をカウントして出力する二重積分型Ａ
   Ｄコンバータと、 取替え使用される温度センサの出力電圧範囲に応じて上
   記基準積分時間Ｔｓを切換えて、ＡＤコンバータの出力
   範囲を温度表示に通した所定の大きさにする変換比切換
   回路と、 予め各温度センサごとに測定温度に対応してＡＤコンバ
   ータが出力するデジタル値ｘの範囲を、２＾ｉビットを
   一区間として区分し、各区分点のデジタル値Ａ＿０、Ａ
   ＿１、Ａ＿２、…Ａ＿ｎと各区分点間の温度差ｔ＿１（
   Ａ＿０〜Ａ＿１）、ｔ＿２（Ａ＿１〜Ａ＿２）、…ｔ＿
   ｎ（Ａ＿ｎ１〜Ａ＿ｎ）との対応関係を求めておき、温
   度測定時にＡＤコンバータの出力したデジタル値ｘの属
   する区間番号にを求め、 Ｔ＝Σ＾Ｋ＾−＾１＿ｊ＿＝＿０ｔ＿ｊ＋［ｔ＿Ｋ（ｘ
   −Ａ＿Ｋ＿−＿１）］／２＾ｉ （但しｔ＿０＝０、ｔ＿Ｋはデジタル値ｘの属する区間
   の温度差、Ａ＿Ｋ＿−＿１はデジタル値ｘの属する区間
   の直前の区分点のデジタル値） の演算を行なって、温度表示値を出力する演算回路とを
   含むデジタル温度計。