JP6851299B2

JP6851299B2 - 温度計測装置

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Publication number: JP6851299B2
Application number: JP2017210031A
Authority: JP
Inventors: 亮久保
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: JP2019082407A; US20190128746A1; US10942069B2

Description

本発明は、熱電対の熱起電力を変数とした多項式を用いて温度を算出する温度計測装置に関するものである。

上記のような温度計測装置について、下記特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１の技術では、複数の異なる温度を計測した時の熱起電力から、多項式の各次数の係数を同定し、同定した多項式を用いて温度を算出するように構成されている。

特開２００１−２７２２４９号公報

ところで、温度の測定対象によって、測定したい温度の範囲が異なる。同じ変換分解能のＡ／Ｄ変換器を用いる場合であっても、温度測定レンジに合わせて温度の測定分解能を変化させることが望ましい。例えば、温度測定レンジが狭い場合は、熱電対の熱起電力の増幅率を大きくすることによって、狭い温度測定レンジ内において、高い測定分解能で温度を測定することが望ましい。一方、温度測定レンジが広い場合は、熱電対の熱起電力の増幅率を小さくすることによって、広い温度測定レンジをカバーできるように、低い測定分解能で温度を測定することが望ましい。

また、温度測定レンジが広い場合は、広い温度測定レンジにおいて精度よく温度を算出するために、多項式の次数を高くすることが望ましく、温度測定レンジが狭い場合は、多項式の次数を低くしても、温度の算出精度を確保できる。

よって、温度計測装置は、温度測定レンジの異なりに応じて、増幅率等が異なるＡ／Ｄ変換器の機種、及び多項式の次数を異ならせることが望ましい。しかし、温度測定レンジが異なる複数の機種の間で、温度を計算するソフトウェアを個別に設計していたのでは、設計及び製造コストが増加する。

そこで、温度測定レンジの異なりに応じて、増幅率等が異なるＡ／Ｄ変換器の機種、及び多項式の次数を異ならせることを可能にしつつ、温度測定レンジが異なる複数の機種の間で、温度の計算ソフトウェアを共通化することができる温度計測装置が望まれる。

本発明に係る温度計測装置は、
入力された熱電対の熱起電力を増幅した後、Ａ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、
前記熱電対の熱起電力を変数とした、温度を算出する多項式を用い、前記Ａ／Ｄ変換回路によりＡ／Ｄ変換された実際の前記熱電対の熱起電力に基づいて、温度を算出する温度算出回路と、を備え、
前記温度算出回路は、ＣＰＵと、バスを介して前記ＣＰＵに接続された一つのＲＯＭと、を有し、
前記ＲＯＭに、前記Ａ／Ｄ変換回路の機種を表し、増幅率の異なりに応じて異なる複数の識別子毎に、次数及び各次数の係数が異なる多項式が設定された機種毎多項式データ、前記識別子毎に、異なる前記増幅率が設定された機種毎増幅率データ、温度を算出するプログラム、及び実際に備えられている前記Ａ／Ｄ変換回路の識別子である実際の識別子のデータが予め記憶されており、
前記ＣＰＵは、前記ＲＯＭから前記プログラムを読み出して実行し、前記プログラムの実行により、前記ＲＯＭから前記実際の識別子のデータを読み出し、前記ＲＯＭに記憶されている前記機種毎増幅率データを参照し、読み出した前記実際の識別子に対応する前記増幅率を読み出し、前記ＲＯＭに記憶されている前記機種毎多項式データを参照し、読み出した前記実際の識別子に対応する前記次数及び前記各次数の係数を読み出し、前記Ａ／Ｄ変換回路から前記熱起電力の増幅電圧のＡ／Ｄ変換値を取得し、前記Ａ／Ｄ変換値に対し、前記実際の識別子に対応する前記増幅率を逆算して前記熱起電力を算出し、算出した前記熱起電力、並びに読み出した前記次数及び前記各次数の係数に基づいて、前記温度を算出し、
前記機種毎多項式データは、前記複数の識別子の間で、前記増幅率が低くなるに従って、前記次数が大きくなるように予め設定されているものである。

本発明に係る温度計測装置によれば、Ａ／Ｄ変換器の機種毎に、多項式の次数及び各次数の係数を異ならせるので、温度測定レンジの異なりに応じて、増幅率等が異なるＡ／Ｄ変換器の機種、及び多項式の次数を異ならせることが可能になる。そして、Ａ／Ｄ変換回路の識別子毎に、次数及び各次数の係数が異なる多項式を記憶し、実際の識別子に対応する次数及び各次数の係数を有する多項式を用いて、温度を算出するので、温度測定レンジが異なる複数の機種の間で、多項式を用いて温度を計算するソフトウェアを共通化できる。よって、温度測定レンジが異なる複数の機種の間で、多項式を用いて温度を計算するソフトウェアを個別に設計する必要がなく、設計及び製造コストの増加を抑制できる。

本発明の実施の形態１に係る温度計測装置の概略回路構成図である。本発明の実施の形態１に係る温度算出回路のブロック図である。本発明の実施の形態１に係る温度算出回路のハードウェア構成図である。

実施の形態１．
実施の形態１に係る温度計測装置１について図面を参照して説明する。図１は、温度計測装置１の概略回路構成を示す図である。

温度計測装置１は、入力された熱電対５の熱起電力を増幅した後、Ａ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路１０と、熱電対５の熱起電力を変数とした多項式を用い、Ａ／Ｄ変換値に基づいて温度を算出する温度算出回路２０とを備えている。

温度の測定対象によって、測定したい温度の範囲が異なる。同じ変換分解能のＡ／Ｄ変換器を用いる場合であっても、温度測定レンジに合わせて温度の測定分解能を変化させることが望ましい。例えば、温度測定レンジが狭い場合は、熱電対５の熱起電力の増幅率を大きくし、狭い温度測定レンジ内において、高い測定分解能で温度を測定することが望ましい。一方、温度測定レンジが広い場合は、熱電対５の熱起電力の増幅率を小さくし、広い温度測定レンジをカバーできるように、低い測定分解能で温度を測定することが望ましい。

温度計測装置１の機種毎に、温度計測装置１の温度測定レンジが異なっており、Ａ／Ｄ変換回路１０の増幅率が異なっている。また、温度測定レンジが広い場合は、広い温度範囲において精度よく温度を算出するために、多項式の次数を高くすることが望ましく、温度測定レンジが狭い場合は、多項式の次数を低くしても、温度の算出精度を確保できる。

そこで、温度計測装置１は、温度測定レンジの異なりに応じて、Ａ／Ｄ変換回路１０の増幅率を異ならせ、多項式の次数を異ならせることが望ましい。しかし、温度測定レンジが異なる複数の機種の間で、多項式を用いて温度を計算するソフトウェアを個別に設計していたのでは、設計及び製造コストが増加する。そこで、温度測定レンジが異なる複数の機種の間で、多項式を用いて温度を計算するソフトウェアを共通化することが望ましい。以下で、本実施の形態に係る各回路について詳細に説明する。

＜Ａ／Ｄ変換回路１０＞
Ａ／Ｄ変換回路１０は、増幅器１１及びＡ／Ｄ変換器１２を備えている。増幅器１１のプラス側及びマイナス側の入力端子には、それぞれ熱電対５のプラス側の端子、マイナス側の端子が接続される。増幅器１１の出力端子は、Ａ／Ｄ変換器１２の入力端子に接続される。増幅器１１は、熱電対５に発生する差動電圧を、予め設定された増幅率で増幅して出力する。増幅器１１の増幅率は、Ａ／Ｄ変換回路１０の機種毎に異なっている。

本実施の形態では、増幅器１１は、オペアンプ及び抵抗により構成された差動増幅回路とされている。増幅器１１の増幅率は、抵抗値の設定により、予め設定されている。Ａ／Ｄ変換回路１０の機種毎に、抵抗値の設定が異なり、増幅率が異なっている。

本実施の形態では、温度計測装置１が対応している熱電対５の種類は、プラス側金属がクロメルでありマイナス側金属がアルメルであるＫ型とされている。そして、温度計測装置１の温度測定レンジが０から１３００℃である機種Ａの場合は、増幅器１１の増幅率が２４０．４％に予め設定されており、温度計測装置１の温度測定レンジが０から４００℃である機種Ｂの場合は、増幅器１１の増幅率が７６４．７％に予め設定されている。なお、温度計測装置１は、Ｋ型以外の種類の熱電対に対応してもよい。

Ａ／Ｄ変換器１２は、入力された増幅器１１の出力電圧をデジタル信号に変換し、デジタル信号を温度算出回路２０に伝達する。Ａ／Ｄ変換器１２は、予め設定された入力電圧レンジの入力電圧を、予め設定されたビット数（分解能）のデジタル信号に変換する。本実施の形態では、入力電圧レンジは、−１０．２４Ｖから＋１０．２４Ｖであり、ビット数（分解能）は、１６ビットである。Ａ／Ｄ変換器１２は、温度算出回路２０から伝達されたトリガータイミングでＡ／Ｄ変換を行う。Ａ／Ｄ変換器１２には、Ａ／Ｄ変換器１２を動作させる電源電圧１２ａが供給されており、Ａ／Ｄ変換器１２は、グランド１２ｂに接続されている。電源電圧１２ａが、Ａ／Ｄ変換の基準電圧になり、電源電圧１２ａの変動によりＡ／Ｄ変換の精度が悪化する。

本実施の形態では、Ａ／Ｄ変換回路１０は、冷接点補償器１３を備えている。冷接点補償器１３は、基準接点（冷接点）の温度変化による熱起電力の変動を補償するために設けられている。冷接点補償器１３は、基準接点の温度を測定する基準接点温度センサ１３ａを設けている。基準接点温度センサ１３ａの出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器１２に入力される。Ａ／Ｄ変換器１２は、増幅器１１の出力電圧と同様に、基準接点温度センサ１３ａの出力電圧をＡ／Ｄ変換して、温度算出回路２０に伝達する。

また、Ａ／Ｄ変換回路１０は、内部基準電圧電源を備えている。内部基準電圧電源は、電源電圧１２ａの変動等によるＡ／Ｄ変換の精度悪化を補償するために用いられる。内部基準電圧電源は、温度等によらずに、予め定められた一定の内部基準電圧を出力する。内部基準電圧電源の内部基準電圧は、Ａ／Ｄ変換器１２に入力される。Ａ／Ｄ変換器１２は、増幅器１１の出力電圧と同様に、内部基準電圧電源の内部基準電圧をＡ／Ｄ変換して、温度算出回路２０に伝達する。本実施の形態では、高電圧側の内部基準電圧を出力する高電圧側の内部基準電圧電源１４ａ、及び低電圧側の内部基準電圧を出力する低電圧側の内部基準電圧電源１４ｂが備えられており、Ａ／Ｄ変換器１２は、高電圧側の内部基準電圧及び低電圧側の内部基準電圧をＡ／Ｄ変換する。なお、低電圧側の内部基準電圧電源１４ｂは、グランドとされてもよい。Ａ／Ｄ変換器１２は、マルチプレクサによって、複数の入力電圧からＡ／Ｄ変換を行う入力電圧を切り替える。

＜温度算出回路２０＞
温度算出回路２０は、熱電対の熱起電力を変数とした、温度を算出する多項式を用い、Ａ／Ｄ変換回路１０によりＡ／Ｄ変換された実際の熱電対の熱起電力に基づいて、温度を算出する。

図２のブロック図に示すように、温度算出回路２０は、Ａ／Ｄ変換値取得部２１、変換回路機種判定部２２、熱起電力変換部２３、及び多項式温度算出部２４等の処理部を備えている。温度算出回路２０の各処理部２１〜２４等は、温度算出回路２０が備えた処理回路により実現される。具体的には、温度算出回路２０は、図３に示すように、処理回路として、演算処理装置９０（コンピュータ）、演算処理装置９０とデータのやり取りする記憶装置９１、及び演算処理装置９０が外部装置９４とデータ通信を行うための通信回路９２等を備えている。演算処理装置９０、記憶装置９１、及び通信回路９２は、バス９３により接続されている。

本実施の形態では、演算処理装置９０として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が備えられている。記憶装置９１として、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等が備えられる。演算処理装置９０とＡ／Ｄ変換器１２とはバス９３により接続されている。演算処理装置９０は、バス９３を介して、Ａ／Ｄ変換器１２にＡ／Ｄ変換を行わせるトリガータイミング、マルチプレクサの切換え指令信号等を伝達する。Ａ／Ｄ変換器１２は、バス９３を介して、Ａ／Ｄ変換値を演算処理装置９０に伝達する。通信回路９２は、シリアル通信により、外部装置９４とデータ通信を行う。

演算処理装置９０は、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置９１、通信回路９２、及びＡ／Ｄ変換器１２等の温度計測装置１の他のハードウェアと協働することにより、各処理を実行する。なお、温度の算出処理に用いられる、各機種の多項式（次数及び各次数の係数）、Ａ／Ｄ変換回路１０の識別子、各機種の増幅率、内部基準電圧のスペック値等の設定データは、ソフトウェア（プログラム）の一部として、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されている。また、Ａ／Ｄ変換値等の処理データは、ＲＡＭ等の記憶装置９１に記憶される。

＜Ａ／Ｄ変換値取得部２１＞
Ａ／Ｄ変換値取得部２１は、Ａ／Ｄ変換器１２にトリガータイミングを伝達し、Ａ／Ｄ変換器１２から熱電対５の熱起電力の増幅電圧（増幅器１１の出力電圧）のＡ／Ｄ変換値Ｖｉｎを取得する。本実施の形態では、Ａ／Ｄ変換値取得部２１は、熱電対５の熱起電力の増幅電圧、基準接点温度センサ１３ａの出力電圧、及び内部基準電圧電源１４ａ、１４ｂの出力電圧をＡ／Ｄ変換するために、マルチプレクサの切換え信号及びトリガータイミングを伝達し、各電圧のＡ／Ｄ変換値を取得する。Ａ／Ｄ変換処理及び温度の算出処理は、周期的に行われる。

＜変換回路機種判定部２２＞
変換回路機種判定部２２は、Ａ／Ｄ変換回路１０の機種を判定する。本実施の形態では、Ａ／Ｄ変換回路１０の機種を表す識別子の情報は、ＲＯＭ等の記憶装置９１に予め記憶されており、変換回路機種判定部２２は、記憶装置９１から識別子の情報を読み出し、Ａ／Ｄ変換回路１０の機種を判定する。或いは、変換回路機種判定部２２は、Ａ／Ｄ変換回路１０から通信により識別子の情報を取得してもよい。識別子は、増幅器１１の増幅率の異なりに応じて異なっている。本実施の形態では、変換回路機種判定部２２は、取得した識別子の情報に基づいて、温度計測装置１の温度測定レンジが０から１３００℃である機種Ａ、又は温度計測装置１の温度測定レンジが０から４００℃である機種Ｂであるか判定する。

＜熱起電力変換部２３＞
熱起電力変換部２３は、熱電対５の熱起電力の増幅電圧のＡ／Ｄ変換値Ｖｉｎに対し、増幅器１１の増幅率Ｒａｍｐを逆算して、熱電対５の熱起電力Ｖｏを算出する。本実施の形態では、熱起電力変換部２３は、内部基準電圧補償及び冷接点補償を行うように構成されている。具体的には、熱起電力変換部２３は、式（１）を用い、熱電対５の熱起電力Ｖｏを算出する。

ここで、Ｖｉｎは、熱電対５の熱起電力の増幅電圧のＡ／Ｄ変換値［μＶ］であり、ＶＲＨは、高電圧側の内部基準電圧のＡ／Ｄ変換値[μＶ]であり、ＶＲＬは、低電圧側の内部基準電圧のＡ／Ｄ変換値[μＶ]であり、ＶＲＨ０は、予め設定された高電圧側の内部基準電圧のスペック値[μＶ]であり、ＶＲＬ０は、予め設定された低電圧側の内部基準電圧のスペック値[μＶ]である。Ｒａｍｐは、増幅器１１の増幅率である。熱起電力変換部２３は、Ａ／Ｄ変換回路１０の識別子毎に増幅器１１の増幅率Ｒａｍｐを記憶した増幅率設定データを参照し、変換回路機種判定部２２により判定された実際のＡ／Ｄ変換回路１０の識別子に対応する増幅器１１の増幅率Ｒａｍｐを設定する。熱起電力変換部２３は、機種Ａと判定された場合は、増幅率Ｒａｍｐを２４０．４％に設定し、機種Ｂと判定された場合は、増幅率Ｒａｍｐを７６４．７％に設定する。

Ｖｃは、冷接点補償電圧であり、基準接点の温度に対応する熱電対５の熱起電力である。具体的には、熱起電力変換部２３は、基準接点温度センサ１３ａの出力電圧と温度との関係が予め設定された温度センサ特性を用い、基準接点温度センサ１３ａの出力電圧のＡ／Ｄ変換値Ｖｂに対応する基準接点の温度Ｔｃを算出する。そして、熱起電力変換部２３は、式（２）に示すような、温度を変数とした、熱電対５の熱起電力を算出する多項式を用い、基準接点の温度Ｔｃに基づいて、基準接点の温度Ｔｃに対応する熱電対５の熱起電力Ｖｃ（冷接点補償電圧）を算出する。なお、熱電対５は、Ｋ型とされている。

＜多項式温度算出部２４＞
多項式温度算出部２４は、熱電対５の熱起電力を変数とした、温度を算出する多項式を用い、熱起電力変換部２３により算出された実際の熱電対５の熱起電力Ｖｏに基づいて、温度Ｔｏを算出する。多項式温度算出部２４は、Ａ／Ｄ変換回路１０の機種を表す識別子毎に、次数及び各次数の係数が異なる多項式を記憶しており、実際に備えられているＡ／Ｄ変換回路１０の識別子に対応する次数及び各次数の係数を有する多項式を用いて、温度Ｔｏを算出する。多項式温度算出部２４は、算出した温度Ｔｏを通信回路９２により外部装置９４に伝達する。

本実施の形態では、温度計測装置１の温度測定レンジが０から１３００℃である機種Ａと、温度計測装置１の温度測定レンジが０から４００℃である機種Ｂとの、２機種が存在する。ＲＯＭ等の記憶装置９１には、式（３）に示す１１次の次数と０次から１１次の係数ａ０〜ａ１１とを有する機種Ａ用の多項式と、式（４）に示す１０次の次数と０次から１０次の係数ｂ０〜ｂ１０とを有する機種Ｂ用の多項式と、が記憶されている。

多項式温度算出部２４は、変換回路機種判定部２２により機種Ａと判定されている場合は、式（３）に示す１１次の次数と０次から１１次の係数ａ０〜ａ１１とを有する多項式を用いて、温度Ｔｏを算出する。

多項式温度算出部２４は、変換回路機種判定部２２により機種Ｂと判定されている場合は、式（４）に示す１０次の次数と０次から１０次の係数ｂ０〜ｂ１０とを有する多項式を用いて、温度Ｔｏを算出する。

以上のように、Ａ／Ｄ変換回路１０の識別子毎に、次数及び各次数の係数が異なる多項式を記憶し、実際の識別子に対応する次数及び各次数の係数を有する多項式を用いて、温度Ｔｏを算出するので、温度測定レンジが異なる複数の機種の間で、多項式を用いて温度を計算するソフトウェアを共通化できる。よって、温度測定レンジが異なる複数の機種の間で、多項式を用いて温度を計算するソフトウェアを個別に設計する必要がなく、設計及び製造コストの増加を抑制できる。

なお、以上で説明した実施の形態では、温度測定レンジが０から１３００℃であり、増幅率が２４０．４％である機種Ａと、温度測定レンジが０から４００℃であり、増幅率が７６４．７％である機種Ｂの２種類の機種がある場合を例として説明したが、温度測定レンジ及び増幅率が実施の形態の例とは異なってもよく、機種が３つ以上であってもよい。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１温度計測装置、５熱電対、１０Ａ／Ｄ変換回路、１１増幅器、１２Ａ／Ｄ変換器、１３冷接点補償器、２０温度算出回路、２１Ａ／Ｄ変換値取得部、２２変換回路機種判定部、２３熱起電力変換部、２４多項式温度算出部

Claims

入力された熱電対の熱起電力を増幅した後、Ａ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、
前記熱電対の熱起電力を変数とした、温度を算出する多項式を用い、前記Ａ／Ｄ変換回路によりＡ／Ｄ変換された実際の前記熱電対の熱起電力に基づいて、温度を算出する温度算出回路と、を備え、
前記温度算出回路は、ＣＰＵと、バスを介して前記ＣＰＵに接続された一つのＲＯＭと、を有し、
前記ＲＯＭに、前記Ａ／Ｄ変換回路の機種を表し、増幅率の異なりに応じて異なる複数の識別子毎に、次数及び各次数の係数が異なる多項式が設定された機種毎多項式データ、前記識別子毎に、異なる前記増幅率が設定された機種毎増幅率データ、温度を算出するプログラム、及び実際に備えられている前記Ａ／Ｄ変換回路の識別子である実際の識別子のデータが予め記憶されており、
前記ＣＰＵは、前記ＲＯＭから前記プログラムを読み出して実行し、前記プログラムの実行により、前記ＲＯＭから前記実際の識別子のデータを読み出し、前記ＲＯＭに記憶されている前記機種毎増幅率データを参照し、読み出した前記実際の識別子に対応する前記増幅率を読み出し、前記ＲＯＭに記憶されている前記機種毎多項式データを参照し、読み出した前記実際の識別子に対応する前記次数及び前記各次数の係数を読み出し、前記Ａ／Ｄ変換回路から前記熱起電力の増幅電圧のＡ／Ｄ変換値を取得し、前記Ａ／Ｄ変換値に対し、前記実際の識別子に対応する前記増幅率を逆算して前記熱起電力を算出し、算出した前記熱起電力、並びに読み出した前記次数及び前記各次数の係数に基づいて、前記温度を算出し、
前記機種毎多項式データは、前記複数の識別子の間で、前記増幅率が低くなるに従って、前記次数が大きくなるように予め設定されている温度計測装置。
前記温度算出回路は、前記熱電対の金属が同じ種類である予め定められた特定種類の前記熱電対に対応している請求項１に記載の温度計測装置。