JPS6110714A - 測温機能付変換器 - 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】 （、）　　技術分野 本発明は、測温機能付変換器に関し、より詳細には物理
量を検出し電気信号に変換するひずみゲージを少なくと
も一辺に含んで構成されるホイートストンブリッジ回路
と感温抵抗素子とを組合せた測温機能付変換器に関する
ものである。

（ｂ）　　従来技術 一般に、被測定対象物の物理量、例えば圧力、荷重、ト
ルク等の検出にはひずみゲージが用いられており、この
ひずみゲージの抵抗変化を電気信号に変換して該物理量
の検出を行っている。

ところで、特にコンクリート構造物等においては、この
構造物の硬化過程の監視や硬化後の挙動調査等のために
、ひずみ量等とともに温度を検出して電気信号として出
力するひずみゲージ式変換器が設置されている。

従来、このような構造物における温度の計測手段として
は、熱電対あるいは温度ゲージ等が用いられていた。こ
の熱電対は、２つの異種金属の接触点が温度変化を受け
るとその両金属間に熱起電力を生ずるという原理を応用
し、測定対象とする部位に該接触点を配置して温度を測
定するものである。また、温度ゲージは、ひずみゲージ
と殆んど同じ形状よりなり、測定対象とする部位の温度
変化のみによって抵抗値が変化するものであり、この抵
抗値変化を温度変化として検出するものである。しかし
ながら、いずれの場合も温度測定のための熱電対あるい
は温度ゲージといった素子が別途必要となり、また、ひ
ずみゲージ式変換器のひずみ量測定のための入出力用配
線（リード線）とは別に長尺な配線（例えば、１０００
ｍの長さに及ぶことがある）を要していた。従って、リ
ード線数、つまりコードの芯線数が増加しリード線を１
本のコードにまとめると太く且つ重くなり、リード線の
配線作業が煩雑になるとともにコスト高になるという問
題があった。

また、この変換器と温度検出器とが別体であると、水中
等における悪環境下で使用する場合にそれぞれ防湿等の
処理を施さなければならず。

この点においてもコスト高となっていた。

一方、被測定対象物は、自己の温度変化によってそのヤ
ング率が変化するので応力が一定でもひずみが変化し検
出出力が変化してしまう。そのため、ホイートストンブ
リッジ回路の入力側にこの温度変化によって抵抗値が変
化する温度感度補償抵抗を接続し、この抵抗により出力
値の温度影響をなくするように構成した変換器がある。

このような変換器では、入力側より見た抵抗やホイート
ストンブリッジ回路に流れる電流も温度によって変化す
るので、この変化分を検出することにより該温度を測定
することもできる。しかしながら、変換器に負荷がかか
っているとき、すなわちひずみ量の検出時には温度の検
出はできないという問題がある。

（ｃ）　　目的 本発明は、上ぜの問題点に鑑みなされたもので、その目
的とするところは、他の機能を有する回路素子を温度検
出素子として共用することによって構成の簡素化を図り
、コストを上昇させることなく、被測定対象物の温度と
温度以外の物理量を同時に検出し得る測温機能付変換器
を提供することにある。

（ｄ）　　構成 本発明は、物理量を検出し電気信号に変換するひずみゲ
ージを少なくとも一辺に含んで構成されるホイートスト
ンブリッジ回路と感温抵抗素子とを組合せた測温機能付
変換器において、前記ホイートストンブリッジ回路の入
力端にブリッジ電圧を供給する２本の入力用リード線の
うち少なくとも一方の入力用リード線に被測定対象の温
度変化に応じて抵抗値が変化する感温抵抗素子を直列に
接続し、前記感温抵抗素子が接続された側の前記ホイー
トストンブリッジ回路の一方の入力端に接続された温度
測定用リード線を前記入力用リード線とともに延設して
なす、前記２本の入力用リード線を介してブリッジ電圧
を供給し、前記一方の入力用リード線と前記温度測定用
リード線を介して前記感温抵抗素子により変換された被
測定対象の温度変化に応じた電気量を導出するように構
成したことを特徴とするものであり、このように構成す
ることによって上記目的を達成することができる。

以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例の回路構成を示す回路図で
ある。

同図において、１はひずみゲージ式変換器における検出
部であり、この場合４枚のひずみゲージＧ＋　、Ｇ２　
、Ｇ２　、Ｇ４により構成されたホイートストンブリッ
ジ回路（以下単にブリッジ回路という）と、被測定対象
物の温度上昇に比例してブリッジ回路２の出力を減少さ
せるように補償する温度感度補償抵抗Ｒｈ＋　、Ｒｂ２
　としての感温抵抗素子とからなる。Ｔ１およびＴ２は
、ひずみゲージＧ１とＧ２およびＧ富とＧ４がそれぞれ
接続されたブリッジ回路２の入力端（ブリッジ電圧供給
端）であり、Ｔ３およびＴ４はひずみゲージＧ２とＧ２
およびＧ１とＧ４とがそれぞれ接続されたブリッジ回路
２の出力端である。３はこのブリッジ回路２の一方の入
力端Ｔ１に一端が接続され他端が図示省略の例えばブリ
ッジ電源、ひずみ測定器、温度測定器等が設けられた計
測部に至るまで延設され端子Ａと接続された温度測定用
リード線である。

この一方の入力端Ｔ１には、さらに温度感度補償抵抗Ｒ
ｈ　＋および出力調整抵抗Ｒｃ　＋　を直列に介して入
力用リード線４の一端側が接続され。

リード線４の他端側は計測部まで延設され端子Ｂと接続
されている。他方の入力用リード線５も同様にして一端
側が出力調整抵抗ＲＣ２および温度感度補償抵抗Ｒｋ　
２を介してブリッジ回路２の他方の入力端Ｔ２に接続さ
れ、他端側か計測部まで延設され端子Ｃに接続されてい
る。

尚、温度測定用リード線３に代え、破線で示すように他
方の入力端Ｔ２と端子りとの間を結ぶリード線６を用い
てもよい。ブリッジ回路２の出力端ＴａおよびＴ４には
、それぞれ出力用リード線７および８の一端が接続され
ており、これら出力用リード線７および８の他端は、計
測部の端子ＥおよびＦにそれぞれ接続されている。

ここで、図中にｒｏをもって示す抵抗は、検出部１から
計測部まで延長される各リード線３〜８の有する内部抵
抗である。このようにして接続された温度測定用リード
線３（または６）、入力用および出力用リード線４，５
および７゜８は、例えばシールドされた１本の延長ケー
ブルにまとめられて検出部１と計測部間に配設される。

而して、計測部に設けられたブリッジ電源（図示せず）
の出力端１端子Ｂ、Ｃに接続されブリッジ電圧が供給さ
れ、端子Ｅ、Ｆは例えば、ひずみ測定器の入力端に接続
され、そのひずみ量に対応するブリッジ出力Ｖｏｕｔ、
が測定される。

次に、このように構成されたひずみゲージ式変換器の回
路の動作について述べる。

先ず、規定温度（例えば２０℃）においてホイートスト
ンブリッジ回路２の初期不平衡分の調整を行う。すなわ
ち、ひずみゲージ０１〜Ｇ４の２０℃における抵抗値を
それぞれＲ＋。

Ｒ２、Ｒｓ　、Ｒ４とすると、 Ｒ＋　　−Ｒｓ　＝Ｒｚ　・Ｒ４（１）となるように抵
抗値の調整を行う。このように抵抗値Ｒ１〜Ｒ４が（１
）式を満たすように設定されると、ブリッジ出力Ｖｏｕ
ｔは０となる６次に、変換器の受感部に既知の負荷を加
えたときのブリッジ回路２の出力Ｖｏｕｔの値を出力調
整抵抗Ｒｃ＋　、ＲＣ２によって所定の値に調整する。

このように調整されたひずみゲージ式変換器は、その検
出部１が被測定対象物に取付けられ、ひずみの計測が開
始される。

ところで、計測時において被測定対象物の温度が上昇し
た場合、それにつれて変−器内体の温度も上昇しそのヤ
ング率は小さくなるので応力が一定でも見掛は上のひず
みが増し従ってブリッジ出力Ｖｏｕｔが増加してしまう
。しかしながら、この時、温度感度補償抵抗Ｒｋ＋　、
Ｒｋｚの抵抗値も温度上昇に比例して増大し、ブリッジ
出力Ｖｏｕｔを減少させるよう補償する。従って、適当
な抵抗温度係数の温度感度補償抵抗Ｒｈ＋　、Ｒｋｚ　
　を選択することにより被測定対象物の温度変化による
特性変化の影響をなくしたひずみ測定が可能となる。

次に、この温度感度補償抵抗Ｒｈ　＋　、　Ｒｋ　２　
　を用いた温度の計測について述べる。

第１図において、入力側の端子Ｂ、Ｃより見た温度ｔｏ
（’Ｃ）における回路の抵抗Ｒｔｏ　　は、Ｒｔｏ　　
＝　（（Ｒ１＋Ｒ４）　　・（Ｒ２＋Ｒ１）／　（Ｒ１
＋Ｒ２＋Ｒ１＋Ｒ４）　）　＋　２ｒ。

＋　Ｒｃ＋　＋　ＲＣ２＋　Ｒｋ＋　＋Ｒｋｚ　　　　
　（２）となる、ここで、（２）式中の各抵抗値は温度
ｔｏにおけるものである。このときの端子Ａ。

８間の電圧Ｖ　ｔ　ｏ　　は、 Ｖｔｏ　　＝　（（ｒ　ｏ　＋Ｒｃ＋　＋Ｒｋ＋　）／
Ｒｔｏ　）・Ｖｉｎ　　　　　　（３）となる。温度が
ｔｏからｔｘに変化した時の端子Ｂ、Ｃより見た回路の
抵抗Ｒｔｘは、（２）式％式％（１ となる。ここで、（４）式中、Δしは温度変化（ｔｘ−
ｔｏ）、ｐｒ、ｐｏ、ｐｃおよびρには、それぞれブリ
ッジ抵抗Ｒ１〜Ｒ４，入力用す−ド線内部抵抗ｒｅ、出
力調整抵抗Ｒｃｓ　、ＲＣ２および温度感度補償抵抗Ｒ
ｈ＋　、Ｒｈ２　の抵抗温度係数である。このときの端
子Ａ、Ｂ間の電圧Ｖｔｘは、 Ｖｔｘ＝　　［（ｒｏ　　・　　（１＋　ΔＬ　・　ρ
　Ｇ　）＋Ｒｃｓ　　　・（１＋Δｔ　”　ρＣ）＋Ｒ
ｋ＋　　・（１＋Δｔ　　”　ｐｋ　））　　／　Ｒｔ
ｘ）・Ｖｉｎとなる。次に、ブリッジ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の
初期値を等しくとり変化は小さいものとして、Ｒ＋　＝
Ｒ２＝Ｒ１＝Ｒ４＝Ｒｂ　　　　　　（６）とし、また
、ブリッジ抵抗Ｒ１〜Ｒ４および出力調整抵抗Ｒｃ＋　
、ＲＣ２抵抗温度係数ρｒ、ρＣは温度感度補償抵抗Ｒ
ｈ＋　、Ｒｋｚ　　の抵抗温度係数ρｋに比べて２〜３
桁小さいので、 ρＣ″！ρｒ’＋０　　　　　　　　　　　　　（７）
とすると、Ｖｔλの近似値Ｖ’ｔｘは（４）、（５）式
より、 Ｖ’　　ｔｘ＝　　（（ｒｅ　　・　（１＋Δし　感　
ρＧ）十Ｒｃ＋　　＋Ｒｈ＋　　・　（１＋Δ１−ｐｋ
））　／　（Ｒｈ　＋２　ｒ　ｏ　　・（１十Δｔ　・
ｐ　ｏ　）　＋ＲＣＩ　　＋ＲＣ２＋　　（Ｒｈ＋　　
＋Ｒｋ２）　　・　（ｌ＋Δし・ｐｋ））〕・Ｖｉｎ　
　　　　　　（８）となる。従って、温度ｔｏのときの
各抵抗値Ｒｈ、Ｒｃ＋　、ＲＣ２、Ｒｋ＋　、Ｒｈ２．
　ｒ　ｏと抵抗温度係数ρ０．ρにおよびブリッジ印加
電圧Ｖｉｎが既知であれば温度ｔｘにおける端子Ａ、Ｂ
間の電圧ｖＩ１．ｘを計測することにより（８）式から
温度変化Δｔが求まる。そしてこのときの温度ｔｘは、
ｔｏ＋Δｔより求めることができる。

このように、あらかじめ抵抗値Ｒｂ、Ｒｃ＋　。

Ｒｃｚ　、Ｒｋ＋　、Ｒｈ２．　ｒ　ｏと抵抗温度係数
ρ６゜ρにおよ“びブリッジ印加電圧Ｖｉｎを設計・製
作上有利になる定数として選択しておき、端子Ａ。

８間の電圧Ｖｔｘを計測し、その値を（８）式に代入し
演算することにより、その時の温度ｔｘを得ることがで
きる。次に、（８）式の演算を簡素化した例を第２図に
示す。

第２図は、温度がｔｏからｔｘにΔ１　　（＝ｔｘ−ｔ
ｏ）だけ変化したときの端子Ａ、Ｂ間の電圧変化量ΔＶ
　（”　Ｖｔｘ　−Ｖｔｏ　　）を実測データに基づき
グラフに表わしたものである。同図よりわかるように、
被測定対象物の温度変化量Δ、ｔと端子Ａ、Ｂ間の電圧
変化量ΔＶとの間には比例関係が成立しているとみなす
ことができる。従って、温度ｔｏにおける端子Ａ、Ｂ間
の電圧ｖｔｏ　を予め計測しておけば、温度ｔｘは端子
Ａ、Ｂ間の電圧を計測するだけで求めることができる。

このようにして温度の計測を行う場合、計測に影響を与
える因子は、（８）式において温度感度補償抵抗Ｒｋ＋
　、Ｒｈ２　　およびリード線３゜４．５の内部抵抗ｒ
ｏが有する抵抗温度係数ρに、Ｒ０であってブリッジ抵
抗Ｒｂ　、出力調整抵抗Ｒｃ＋　、Ｒｃ）　　による影
響は、殆んど無視することができる。従づて、被測定対
象物のひずみ量を測定中であっても、入力用リード線４
゜５および温度測定用リード線３があまり長くなく、そ
の内部抵抗ｒｅが殆んど零であるとみなせる場合は、端
子Ａ、Ｂ間の出力電圧Ｖｔｘから温度を計測することが
できる。

また、検出部１と計測部とが離隔している場合、リード
線３〜８が長くなるので、その内部抵抗ｒｅは無視し得
ないという問題がある。しかしながら、この問題は、各
リード線の内部抵抗ｒｏによる電圧降下分を、周知（例
えば、実開昭５５−１５０５００号公報参照）のリモー
トセンシング回路を用いて補償しブリッジ向路２の入力
ｔＩａＴ＋　、Ｔ２間の電圧を一定に保持させることに
より解決することができる。この・場合、温度測定用リ
ード線３（および／または６）は、リモートセンス線と
共用することができるので、そのためにリード線を増設
する必要はない。

このように、上述した実施例によれば、ひずみ量の測定
と同時に、温度の計測ができる′。従って、ひずみゲー
ジ式変換器が許容温度範囲内のどの範囲において動作し
ているかを常時監視することができるので、変換器の特
性を最大限生かすことができ、許容温度範囲を超えた使
用がされなくなるので変換器の寿命も延ばすことができ
る。

また、ひずみゲージ式変換器に演算機能を併設させるこ
とにより、温度変化によるブリッジ出力の零点移動も自
動的に補償することができる。

また、温度感度補償抵抗Ｒｋ＋　　はブリッジ出力Ｖｏ
ｕ、ｔの温度影響を無くすためと温度の計測とに兼用さ
れており、温度の計測のために熱電対や温度ゲージとい
った専用の素子を別途用いる必要がなく、またリード線
３も１本のみ増設するたけですむため、コストを上昇さ
せることなくしかもスペースを増・大させることもない
。

また、端子Ａ、Ｂ間の電圧Ｖｔｘと一端子Ｅ９、Ｆ間の
ブリッジ出力Ｖｏｕｔとを同じ指示計（例えば電圧計）
により切替えて交互に行えるように構成しておけば、こ
の指示計は１台のみで済むこととなりさらに経済的とな
る。

さらに、検出部ｌは、ひずみ量の検出部と温度の検出部
とを近傍位置に配置し両者をともに防湿処理（防水構造
）を施すことができるので水中等悪環境における温度測
定が可能となる。

尚、本発明は、上述した実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲内において種々変形して
実施することができる。

例えば、上述した実施例においては、端子Ａ。

８間の電位差を検出して温度の測定を行っているが、リ
ード線３の代りにリード線６を設は端子Ｃ，Ｄ間の電位
差をもとにして温度の測定を行ってもよい。

また、被測定対象物の物理量を検出するひずみゲージＧ
】〜Ｇ４の結線方法としては、上述した実施例のような
４枚ゲージ法に限らず１枚ゲージ法、２枚ゲージ法によ
る結線方法でも同様の効果が得られる。

（８）　　効果 以上詳述したように本発明によれば、他の機能を有する
回路素子を温度検出素子として共用することによって構
成の簡素化を図りコストを上昇させることなく、被測定
対象物の温度と、温度以外の物理量を同時に検出し得る
ひずみゲージ式変換器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の回路構成を示す回路図、
第２図は、同実施例における端子Ａ。 ８間の電圧変化量ΔＶと被測定対象物の温度変化量Δｔ
どの関係を示す特性図である。 ｌ・・・・・・検出部、 ２・・・・・・ホイートストンブリッジ回路、３．６・
・・・・温度測定用リード線、４．５・・・・・・入力
用リード線。 ７．８・・・・・・出力用リード線。 ０１〜Ｇ４・・・・・・ひずみゲージ、Ｒｋ＋　、Ｒｋ
ｚ　　・・・・・・温度感度補償抵抗、Ｒｃ＋　、ＲＣ
２・・・・・・出力調整抵抗、ｒｏ・・・・・・リード
線の内部抵抗、Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ・・・・・・端
子。 第　　１　　図 第　　２５！！ 漆ｉｔ化（△ｔ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）物理量を検出し電気信号に変換するひずみゲージ
   を少なくとも一辺に含んで構成されるホイートストンブ
   リッジ回路と感温抵抗素子とを組合せた測温機能付変換
   器において、前記ホイートストンブリッジ回路の入力端
   にブリッジ電圧を供給する２本の入力用リード線のうち
   少なくとも一方の入力用リード線に被測定対象の温度変
   化に応じて抵抗値が変化する感温抵抗素子を直列に接続
   し、前記感温抵抗素子が接続された側の前記ホイートス
   トンブリッジ回路の一方の入力端に接続された温度測定
   用リード線を前記入力用リード線とともに延設してなり
   、前記２本の入力用リード線を介してブリッジ電圧を供
   給し、前記一方の入力用リード線と前記温度測定用リー
   ド線を介して前記感温抵抗素子により変換された被測定
   対象の温度変化に応じた電気量を導出するように構成し
   たことを特徴とする測温機能付変換器。