JPH06105191B2 - 温度測定装置の入力回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、熱電対と３線式測温抵抗体から出力される
アナログ温度信号を入力処理する温度測定装置の入力回
路に関するものである。

〔従来の技術〕

温度測定に用いられる熱電対は、温度に対応する熱起電
力を発生するから何ら電源を必要とすることがなく、そ
の発生する熱起電力を測定することにより、被測定物の
温度を感知できるように構成されている。このため、測
定回路も比較的簡素に組まれるもので、比較的高温度の
測定に用いられている。

また、３線式測温抵抗体は、定電流源から基準抵抗器と
測温抵抗器とに定電流を供給し、両抵抗器の抵抗値の差
を演算して被測定物の温度を求めるもので、比較的低温
度の測定精度を必要とする温度測定に用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、熱電対と３線式測温抵抗体とでは、検出され
たアナログ温度信号の処理形態が全く異なるため、熱電
対の入力回路と３線式測温抵抗体の入力回路を併用でき
るものがなく、それぞれ別々に構成していたため、構成
が複雑で計装上の制約になるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たものであり、単一の回路構成で熱電対からのアナログ
温度信号と３線式測温抵抗体からのアナログ温度信号を
入力処理することを可能とした温度測定装置の入力回路
を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る温度測定装置の入力回路は、第１のスイ
ッチ手段により選択される熱電対の２本の出力線と第２
のスイッチ手段により選択される３線式測温抵抗体の３
本の出力線の内の２本の出力線とが共通に結線されるよ
う構成し、前記３線式測温抵抗体に２方向から規定電流
を流すべく該３線式測温抵抗体の共通にされた出力線の
内の１本の出力線と共通にされていない１本の出力線と
を切換える第３のスイッチ手段を備えるとともに、この
第３のスイッチ手段を介して選択的に前記３線式測温抵
抗体に規定電流を供給する定電流源を具備したものであ
る。

〔作用〕

この発明における温度測定装置の入力回路は、第１のス
イッチ手段により選択される熱電対の２本の出力線と第
２のスイッチ手段により選択される３線式測温抵抗体の
３本の出力線の内の２本の出力線とが共通に結線される
よう構成したことにより、熱電対、３線式測温抵抗体の
種類の異なる測温センサからのアナログ温度信号を単一
の入力回路で処理することを可能とする。

また、３線式測温抵抗体に２方向から規定電流を流すべ
く該３線式測温抵抗体の共通にされた出力線の内の１本
の出力線と共通にされていない１本の出力線とを切換え
る第３のスイッチと、この第３のスイッチを介して前記
３線式測温抵抗体に規定電流を供給する低電流源を具備
したことにより、前記３線式測温抵抗体の配線抵抗の影
響を受けることなく、測定温度を求めることを可能とす
る。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例による温度測定装置の入力
回路を示すブロック図であり、第１図において、１はス
イッチSW1〜SW3から構成されたマルチプレクサであり、
スイッチSW1は連動する接点1a〜1cで構成され、スイッ
チSW2は連動する接点2a〜2cで構成され、スイッチSW3は
連動する接点3a〜3cで構成されている。

接点1a,1bには熱電対２が接続され、接点2a〜2cには３
線式測温抵抗体３が接続され、接点3a〜3cには、３線式
測温抵抗体４（熱電対による温度測定時の冷接点温度測
定用）が接続されている。

５は回路切換えスイッチ、６は定電流源、７は定電流源
６の出力回路を開閉するスイッチ、８は増幅率可変の増
幅器、９はA/D変換器、10は中央処理装置（以下、CPUと
略称する）であり、スイッチ７を開閉するスイッチ制御
信号C₁、スイッチSW1〜SW3を開閉制御するマルチプレク
サ制御信号C₂、回路切換えスイッチ５を切換え制御する
スイッチ制御信号C₃、増幅器８のゲイン制御信号C₄、A/
D変換器９のA/D変換制御信号C₅を所定のタイミングで出
力する。r₁は３線式測温抵抗体３の配線抵抗値、r₂は３
線式測温抵抗体４の配線抵抗値である。

第２図（ａ）は第１図の入力回路において、第１のスイ
ッチ手段としてのスイッチSW1の連動接点1a〜1cをオ
ン、回路切換えスイッチ５を端子5a側に投入、スイッチ
７をオフ（これら３つのスイッチ状態は測定期間中保持
されている）し、熱電対２からのアナログ温度信号を測
定するようにした回路部分のみを抽出した回路図であ
り、第２図（ｂ）はその抽出回路の等価回路である。第
２図（ｂ）において、r₁a,r₁bは接点1a,1bのオ抵抗値、
r₅a回路切換えスイッチ５を端子5a側に投入したときの
オン抵抗値、OPは演算増幅器、rs,rfはゲイン決定抵抗
値であり、この演算増幅器OPとゲイン決定抵抗値rs,rf
とで増幅器８を構成している。

いま、演算増幅器OPのリーク電流をｉ、熱電対２の熱起
電力をＥとすると、この熱起電力Ｅと演算増幅器OPの出
力電圧V₀との間には、次の関係式が成立する。

ここで、r_TC＝r₁a＋r₁b＋r₅a ところが、一般にリーク電流ｉは十分に小さく、また、
全スイッチのオン抵抗値が十分小さいようにスイッチ素
子を選択すれば、上記（１）式中の熱起電力Ｅは、Ｅ》
r_TC・ｉとなり、上記（１）式は下記（２）式のように
みなせ、熱起電力Ｅを演算増幅器OPの出力電圧V₀から知
ることができる。

上記熱電対２による温度検出測定を行う場合には、冷接
点温度測定が必要である。そこで、第１図は３線式測温
抵抗体４に１チャネルを割当てて測定するという従来か
らの構成を利用しているが、例えば、独立した増幅器と
A/D変換器による冷接点温度測温回路を用いるようにし
てもよい。

第３図（ａ）は第１図の入力回路において、第２のスイ
ッチ手段としてのスイッチSW2の連動接点2a〜2cをオ
ン、スイッチ７をオン（これら２つのスイッチの状態は
測定期間中保持されている）し、３線式測温抵抗体３か
らのアナログ温度信号を測定するようにした回路部分の
みを抽出した回路図であり、第３図（ｂ）は第３のスイ
ッチ手段としての回路切換えスイッチ５を端子5a側に投
入したときの上記抽出回路の等価回路図、第３図（ｃ）
は回路切換えスイッチ５を端子5b側に投入したときの上
記抽出回路の等価回路図である。

第３図（ａ）〜（ｃ）において、前記第１図，第２図
（ａ），（ｂ）と同一部分には同一符号を付してある。
いま、マルチプレクサ１の接点2a〜2cのオン抵抗値をr₂
a,r₂b,r₂c、回路切換えスイッチ５を端子5b側に投入し
たときのオン抵抗値をr₅b、定電流源６からの電流をi
c、上記回路切換えスイッチ５を端子5a側に投入したと
きの演算増幅器OPの出力電圧をV₀₁、回路切換えスイッ
チ５を端子5b側に投入したときの演算増幅器OPの出力電
圧をV₀₂としたとき、３線式測温抵抗体３の測定部抵抗
値Ｒ、配線抵抗値r₁と出力電圧V₀₁との間には、第３図
（ｂ）からわかるように次の関係式が成立する。

ここでr_RTD1＝r₂a＋r₂b＋r₅a ところが、一般にリーク電流ｉは定電流源６からの電流
i_Cに比べて十分に小さい（ic》ｉ）。

従って、上記（３）式は下記（４）式のように置換され
る。

次に、回路切換えスイッチ５を端子5b側に投入したとき
には、第３図（ａ）の回路は第３図（ｃ）の等価回路と
なり、配線抵抗値r₁と演算増幅器OPの出力電圧V₀₂との
間には、次の関係式が成立する。

ここで、r_RTD2＝r₂b＋r₂c＋r₅b ところが、前記のように（ic》ｉ）であるから、上記
（５）式は下記（６）式のように置換される。

そこで、上記（５）式および（６）式の辺々をそれぞれ
減算すると、下記（７）式が得られる。

ここで、r₂a≒r₂c,r₅a≒r₅bとなるようなスイッチ素子
を用いると、上記（７）式は次のように置換される。

従って、上記（８）式より、演算増幅器OPの出力電圧V
₀₁,V₀₂を測定することにより、配線抵抗値r₁の影響を受
けることなく測定部抵抗値Ｒを求めることができる。

なお、上記実施例では、回路切換えスイッチ５の端子5a
側への投入時と端子5b側への投入時の増幅器８の増幅率
を と同一にしているが、これを同一にする必要はない。ま
た、定電流源からの電流icも同一の値としているが、こ
れも同一とする必要はない。

第４図は動作手順を示すフローチャートであり、まず、
CPU10は手動で指定される入力センサが熱電対（T/C）か
否かを判定し（ステップ４−１）、YES（T/Cの場合）な
らば増幅器８に対しゲイン制御信号C₄を出力し、前記第
（２）式を満足するように演算増幅器OPのゲイン決定抵
抗値rs,rfを決定する（ステップ４−２）。

次いで、CPU10はスイッチ制御信号C₁を出力して、入力
スイッチ７をオフ状態に設定し（ステップ４−３）、ス
イッチ制御信号C₃を出力して、回路切換えスイッチ５を
端子5a側に接続し（ステップ４−４）、マルチプレクサ
制御信号C₂を出力して、スイッチSW1の連動接点1a〜1c
を選択的にオンする（ステップ４−５）。これにより、
前記第２図（ａ）に示した熱電対２に対する入力回路が
構成され、その等価回路は第２図（ｂ）のようになる。

上記の状態下において、熱電対２から温度に応じて出力
される熱起電力Ｅの安定後、増幅器８で増幅された出力
電圧V₀をA/D変換器９でA/D変換測定を行う（ステップ４
−６）。

次いで、CPU10はマルチプレクサ制御信号C₂でスイッチS
W1の連動接点1a〜1cをオフとし、（ステップ４−７）、
A/D変換器９から出力されるディジタル温度データを前
記第（２）式に基づいて温度計算を行い（ステップ４−
８）、制御を終了する。なお、上記の制御では冷接点温
度補償については省略している。

一方、前記ステップ４−１の判断で、NOの場合、つま
り、３線式測温抵抗体（RTD）の場合、CPU10はゲイン制
御信号C₄を出力して、前記第（４）式を満足するように
演算増幅器OPのゲイン決定抵抗値rs,rfを設定する（４
−９）。

次いで、CPU10はスイッチ制御信号C₁を出力して、スイ
ッチ７をオン状態に設定し（ステップ４−10）、スイッ
チ制御信号C₃を出力して、回路切換えスイッチ５を端子
5a側に接続し（ステップ４−11）、マルチプレクサ制御
信号C₂を出力して、スイッチSW2の連動接点2a〜2cを選
択的にオンする（ステップ４−12）。これにより、前記
第３図（ａ）に示した３線式測温抵抗体３に対する入力
回路が構成され、その等価回路は第３図（ｂ）のように
なる。

この状態下において、温度に応じて、３線式測温抵抗体
３から出力される入力の安定後、増幅器８で増幅された
出力電圧V₀₁をA/D変換器９でA/D変換測定を行い（ステ
ップ４−13）、このA/D変換器９からのディジタル温度
データD₁をCPU10内のメモリに一旦格納する。

次いで、CPU10はスイッチ制御信号C₃を出力して、回路
切換えスイッチ５を端子5b側に接続する（ステップ４−
14）。

これにより、第３図（ｃ）に示した等価回路が構成され
る。続いて、CPU10はゲイン制御信号C₄を出力して、前
記第（６）式を満足するように演算増幅器OPのゲイン決
定抵抗値rs,rfを再設定する（ステップ４−15）。

この状態下において、３線式測温抵抗体３から出力され
る入力の安定後、増幅器８で増幅された出力電圧V₀₂をA
/D変換器９でA/D変換測定を行い（ステップ４−16）、
続いて、CPU10はマルチプレクサ制御信号C₂を出力し
て、スイッチSW2の連動接点2a〜2cをオフする（ステッ
プ４−17）。

次いで、A/D変換器９から出力されるディジタル温度デ
ータD₂と既にメモリに格納された温度データD₁とから、
前記第（８）式に基づいて３線式測温抵抗体３の抵抗値
Ｒを演算し（ステップ４−18）、所望とする温度計算を
実行して（ステップ４−19）、制御を終了する。

なお、上記実施例では、ステップ４−15で再度ゲイン設
定を行う場合について説明したが、必要に応じて実行処
理を省略してもよい。また、上記各ステップ４−１〜４
−19の各順序は可逆的に入れ替えてもよい。

上記実施例では多チャンネル入力を処理する場合につい
て説明したが、多チャンネル入力に限定されることはな
く、第５図に示すように、回路切換えスイッチ５の接点
5a,5bに熱電対２と３線式測温抵抗体３の交換的に接続
してもよい。この場合は第１図におけるマルチプレクサ
１は不要である。

熱電対２による温度検出測定を行う場合には、冷接点温
度補償が必要となる。そこで、従来は第１図に示すよう
に、３線式測温抵抗体４に１チャンネルを割当てて測定
する構成を利用しているが、第５図に示すように独立し
た冷接点温度回路を構成してもよい。

第５図において、11は冷接点温度測定用抵抗体で、一端
が回路切換えスイッチ５の端子5c側に接続され、他端が
グランドに接続されている。冷接点温度補償のために、
CPU10がスイッチ制御信号C₃を出力し、回路切換えスイ
ッチ５を端子5c側に接続するとともに、スイッチ制御信
号C₁を出力してスイッチ７をオンすると、第６図に示す
冷接点温度測定用の等価回路が構成される。第６図にお
いて、R₅cは回路切換えスイッチ５を端子5c側に投入し
たときのオン抵抗値である。

測温抵抗体11の抵抗値Ｒをオン抵抗値r₅cよりも十分大
きく設定した場合、すなわちＲ》r₅cならば、抵抗値Ｒ
は下記第（９）式が成立することを考慮すると、 となる。

従って、CPU10がスイッチ制御信号C₃を出力し、回路切
換えスイッチ５を端子5c側に接続するとともに、スイッ
チ制御信号C₁を出力して、スイッチ７をオンした状態
で、増幅器８にあらかじめ設定された増幅率で増幅され
た出力電圧V₀が後段のA/D変換器９に出力される。このA
/D変換器９から出力されるディジタル温度データを前記
第（９）式に基づいて演算すると、所望とする冷接点温
度補償が行える。

なお、オン抵抗値R_5Cをあらかじめ測定しておき（測温
抵抗体11を短絡）、その値をCPU10内のメモリに記憶し
ておくことにより、冷接点温度補償を演算処理で行って
も同様の結果が得られる。

上記実施例では、熱電対２の出力を測定する場合、スイ
ッチ７をオフとし、定電流icが流れないように制御して
いるが、このスイッチ７を除いても熱電対の温度測定を
行うことが可能である。

しかし、スイッチ７を除くと、常時、定電流源６が接続
されていることから、配線抵抗値および連動接点1a（1
b,1c）のオン抵抗値の和の抵抗値をr_Xとすると、次の
（10）式で表わされる誤起電力V_Rを生ずる。

V_R＝r_X（i_C＋ｉ） …………（10） そこで、第７図に示すように、上記誤起電力V_Rを十分に
小さな値になるように、抵抗値r_X、リーク電流ｉ、定電
流i_Cを決定すれば、スイッチ７を省略して回路構成を簡
略化できる。

また、抵抗値r_X、定電流i_C、リーク電流ｉが十分に小さ
いことを利用して、熱電対部分を短絡して誤起電力V_Rを
測定し、CPU10内のメモリに記憶させ、測定の際に読み
出して補正するように構成することもできる。

〔発明の効果〕 以上のように、この発明によれば、数個のスイッチ手段
を操作することにより、単一の回路構成で熱電対からの
アナログ温度信号と３線式測温抵抗体からのアナログ温
度信号を入力処理するように構成したので、入力回路の
共通化が可能となり、回路構成が簡略化される。しか
も、３線式測温抵抗体の配線抵抗の影響を受けることな
く測定温度を求めるように構成したので、測定精度が向
上する。また、上記各スイッチ手段の操作を中央処理装
置からの制御信号によって自動的に行うように構成した
ので、簡単な操作で測温入力処理を行うことができる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による温度測定装置の入力
回路を示すブロック図、第２図（ａ）は第１図の入力回
路中より熱電対からのアナログ温度信号を入力する回路
部分のみを抽出した回路図、第２図（ｂ）はその抽出回
路の等価回路図、第３図（ａ）は第１図の入力回路中よ
り３線式測温抵抗体からのアナログ温度信号を入力する
回路部分のみを抽出した回路図、第３図（ｂ），第３図
（ｃ）は回路切換えスイッチの投入により切換えられた
第３図（ａ）の抽出回路の等価回路図、第４図は動作手
順を示すフローチャート、第５図はこの発明の他の実施
例による温度測定装置の入力回路を示すブロック図、第
６図は第５図の回路中より冷接点測温抵抗体を接続した
回路部分のみを抽出した等価回路図、第７図は誤起電力
を処理する等価回路図である。 図中、２は熱電対、3,4は３線式測温抵抗体、５は回路
切換えスイッチ、６は定電流源、７はスイッチ、８は増
幅器、９はA/D変換器、10は中央処理装置（CPU）であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−212997（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−223623（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−34098（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱電対（２）と、この熱電対を選択する第
   １のスイッチ手段（SW1）と、この第１のスイッチ手段
   により選択された前記熱電対の熱起電力から測定温度を
   求める信号処理装置（10）を有した温度測定装置におい
   て、３線式測温抵抗体（３）と、この３線式測温抵抗体
   を選択する第２のスイッチ手段（SW2）とを備え、前記
   第１のスイッチ手段により選択される前記熱電対の２本
   の出力線と前記第２のスイッチ手段により選択される前
   記３線式測温抵抗体の３本の出力線の内の２本の線とが
   共通に結線されるよう構成し、前記３線式測温抵抗体に
   ２方向から規定電流を流すべく該３線式測温抵抗体の共
   通にされた出力線の内の１本の出力線と共通にされてい
   ない１本の出力線とを切換える第３のスイッチ手段（SW
   5）を備えるとともに、この第３のスイッチ手段を介し
   て選択的に前記３線式測温抵抗体に規定電流を供給する
   定電流源を具備し、前記信号処理装置は前記第３のスイ
   ッチ手段の切換えにより求まる前記３線式測温抵抗体の
   ２つの出力値から該３線式測温抵抗体の配線抵抗の影響
   を受けることなく測定温度をも求めてなることを特徴と
   する温度測定装置の入力回路。