JPS6160367B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は感温センサーにサーミスタを用いたデ
ジタル温度計に関するものである。

一般に、体温などの温度測定は精度が高く
（0.1℃）かつ検温速度が速いことが要求されると
ころから、感温センサーにサーミスタを使用し
た、例えば第１図に示すようなデジタル体温計が
市販されるようになつた。

第１図において、Rthは感温センサーとしての
サーミスタであり、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ととも
にブリツジ回路１を構成している。このブリツジ
回路のａ―ｂ間の電圧、即ちアンバランス電圧を
前置増幅器２で増幅し、温度に比例した電圧Eo
を得る。このアナログ電圧Eoを２重積分方式の
アナログ・デジタル変換器（以下Ａ／Ｄ変換器と
いう）によりデジタル値に変換し、温度をデジタ
ル表示器６に表示させる。例えば０℃のときにブ
リツジ出力電圧が0Vになるようにブリツジ回路
１を予じめ調整しておき、20℃のとき前置増幅器
の出力端子電圧Eoが200mVになるように前置増
幅器の利得を決める。そしてこのEoをＡ／Ｄ変
換器で“20.0”と表示させれば温度表示ができた
ことになる。

２重積分方式のＡ／Ｄ変換器は、オペアンプ４
を用いた積分回路３とコントロール回路５とで構
成されている。オペアンプ４の入力端子はスイツ
チS′により前置増幅器の出力電圧Eoへ接続する
ことができ、別のスイツチS″により基準電圧Ｅ_R
へ接続できるようになつている。このスイツチ
S′及びS″のオン・オフはコントロール回路５に
より次のように制御される。即ち入力積分期間中
はスイツチS′がオン（S″はオフ）し、抵抗Riと
コンデンサＣとにより、入力電圧Eoを一定時間
積分する。次に基準積分期間中はスイツチS″を
オン（S′はオフ）し、入力電圧Eoとは逆極性の
電圧Ｅ_Rを積分出力電圧がゼロになるまで積分す
る。この場合には、積分出力の傾斜は一定である
ので、基準積分時間は入力電圧に比例する。この
時間内のクロツクパルスの数を、コントロール回
路５内のカウンタで計数し、ラツチしてデジタル
出力を得る。この２重積分方式は、クロツクの周
期及び回路素子Ri，Re，Ｃの変動が誤差になら
ない利点をもつ。

しかしながら第１図に示す如きデジタル温度計
に於て、その測定精度を高めるには、前置増幅器
Ａ１の出力電圧Eoが測定温度に比例しているこ
とが重要である。ところがサーミスタは抵抗が温
度に対し対数的に変化するため、上記のように前
置増幅器Ａ１の出力電圧Eoを温度に比例したも
のとするためには、例えばサーミスタRthに並列
に補正抵抗を入れてブリツジ回路の温度に対する
直線性を良くしたり、或いは更に前置増幅器Ａ１
の増幅度を温度変化に対し安定に保つなどの手段
を講ずる必要があつた。

また一般の温度計では０℃を境にしてプラス又
はマイナスの温度が測定及び表示できることが必
要である。

本発明は比較的構成が簡単でありながら測定精
度が高くかつプラス及びマイナス両温度の測定が
可能なデジタル温度計を提供せんとするものであ
る。

以下図示の実施例について本発明を説明する。

第２図は本発明の温度測定原理を示すブロツク
図である。サーミスタRthは負特性の通常のサー
ミスタであり、その一端は一定の直流電圧Ei
（この例では負電圧）に接続され、他端はスイツ
チＳ１を介して、オペアンプ１０の入力端子と接
続されている。従つてサーミスタRthは、オペア
ンプ１０の入出力端子間に接続されたコンデンサ
Ｃとともに第１積分回路を構成する一要素として
機能する。オペアンプ１０の入出力端子間には、
スイツチＳ２と抵抗Roの直列回路が並列に接続
されており、コンデンサＣに対する放電路（第２
積分回路）を構成し得るようになつている。

まず、第３図に示すように、予じめ定めた所定
時間（クロツクパルス数Ｎ）の期間スイツチＳ１
を閉じて第１積分を行う。オペアンプ１０の出力
電圧Ｅ１はEiに負電圧を与えた場合、第３図の
ようにＥｉ／Ｒｔｈ・Ｃｔの関数に沿つた正の電圧波形
とな る。パルス数Ｎをコントロール回路５０のカウン
タが計数したとき、カウンタからの出力信号によ
つてスイツチＳ１を開きＳ２を閉じる。即ち第１
積分でコンデンサＣにチヤージされた電気量を所
定の抵抗Roを通して放電させる。コンデンサＣ
の電圧は時間ｔとともに指数関数的に変化するた
め、この電圧をコントロール回路５０中の比較器
により所定の基準電圧Ｅ_Rと比較し、一致点を見
い出す。積分開始から第２の指数変化させるまで
の時間（パルス数Ｎ）と、電圧比較された一致点
までの時間（パルス数Nx）との比をパルス数で
表わすと、デジタル表示器６０に温度表示させる
ことができる。

しかし温度計は体温計と異なりマイナス温度も
測定できるものでなければならない。このため本
発明においては特に０℃基準カウンタを用意す
る。即ち、第２積分開始と同時にこの０℃基準カ
ウンタをスタートさせ、一方このカウンタの所定
カウント値例えば1000カウント目を０℃に対応づ
けておき、このカウント値に至つたとき０℃基準
カウンタが終了パルスを発生するようにする。そ
してこの終了パルスの発生した時点で、第２積分
が終了しているか継続中かを判断し温度のマイナ
スプラスを決定する。

原理的には、適当な論理回路で０℃カウンタ出
力と第２積分出力との反一致をとり、そのゲート
出力パルスが持続する期間中のクロツクパルスを
計数すれば温度の絶対値が求められる。第４図ａ
はマイナス温度の場合で、第２積分のパルスが０
℃カウンタパルスより時間幅が短いため、反一致
ゲート出力は０℃カウンタのパルスの終了する以
前に既に生ずる。またプラス温度の場合は、第４
図ｂに示すように、第２積分のパルスが０℃カウ
ンタパルスよりも時間幅が長くなるため、ゲート
出力は０℃パルスの終了後に発生する。次に温度
の符号については、０℃カウンタのパルスの立下
りで第２積分の出力パルスの有無をチエツクし、
その有無に応じて極性表示をすればよい。例えば
第５図に示すように、Ｄタイプのフリツプフロツ
プを用い、そのＤ入力端子にＨレベルの信号（第
２積分のパルス）が来たとき、０℃カウンタのパ
ルスの立上り（後縁）があれば出力端子ＱがＨレ
ベルとなるようになし、このＱ出力によつての
ランプを点灯させる。

次に第６図の回路例について具体的に説明す
る。

Ｓ１，Ｓ２は第２図で説明したスイツチ、Ｓ３
は積分回路のコンデンサＣを短絡するためのスイ
ツチであり、これらのスイツチは半導体を用いた
アナログスイツチである。

２０はコンデンサＣの蓄積電荷を抵抗Roを通
して流出させた際、コンデンサＣの端子電圧Ｅ１
が所定の値Ｅ_Rまで降下したかどうかをチエツク
し、Ｅ１がＥ_Rに達したとき出力を生ずるコンパ
レータである。２１はこのコンパレータ２０の比
較一致出力を比較的短いパルス幅のパルスにする
波形整形回路、そして２２はこの波形整形された
比較一致出力パルスによつてリセツトされるフリ
ツプフロツプである。このフリツプフロツプ２２
がリセツト状態に在る間は、同フリツプフロツプ
の出力により、スイツチＳ３がオンせしめら
れ、コンデンサＣが短絡される。この結果、コン
パレータ２０は動作しない。２５は、フリツプフ
ロツプ２２のセツトＱ出力と後述するゲート３２
の出力の反転信号（インバータ２４の出力）とを
２入力とするANDゲートであり、このANDゲー
ト２５は、フリツプフロツプ２２のセツト出力Ｑ
によるスイツチＳ２のオン・オフ動作を、ゲート
３２の出力が生じている間は禁止し、ゲート３２
の出力が消失した際には有効にならしめる働きを
する。

３０はクロツク周波数ｏのクロツク発生器、
３１は発生器３０からのクロツクパルスを計数す
るカウンタである。カウンタ３１は３段の1/10計
数回路に２段の1/2計数回路３１Ａ，３１Ｂを加
えて構成されており、従つて前段の1/2計数回路
３１Ａはクロツクパルスを1000カウントしたとき
にオンし、３１Ｂは2000カウントしたときにオン
する。３３はこの2000カウント目の1/2計数回路
３１Ｂの出力により反転動作しセツトされるフリ
ツプフロツプである。前述のゲート３２はこのフ
リツプフロツプ３３のＱ出力と、1/2計数回路３
１Ａ及び３１Ｂの出力を３入力とするANDゲー
トであり、従つてこのANDゲートには第７図に
示すｃ―ｄ区間即ち２度目の3000カウント目から
4000カウント未満までの間出力が発生する。この
ゲート出力はスイツチＳ１に送られ、該スイツチ
を閉じる。即ちこのゲート３２の出力は第１積分
区間を定める。

３４はフリツプフロツプ３３の出力の立上り
で反転動作するフリツプフロツプ、３５はこのフ
リツプフロツプ３４の出力の立上りでリセツト
される０℃カウンタである。０℃カウンタ３５
は、フリツプフロツプ３４が第１積分の終了時点
でセツトされて同フリツプフロツプの出力が消
失したときから、クロツク発生器３０のクロツク
パルスを計数し始め、1000カウント目でそのＱ出
力がＬレベルになる。このＬレベルへの立下り部
分は、RC積分回路、インバータ及びANDゲート
を組合せた単パルス形成回路３６を通つて、細い
パルス（０℃パルス）Ｐ１として取り出され、フ
リツプフロツプ３４をリセツトさせる。つまりフ
リツプフロツプ３４は第１積分終了後の丁度1000
カウント区間セツト状態にあり、次いでリセツト
される。このリセツトされる時点を本例では０℃
に対応させてある。フリツプフロツプ３４がリセ
ツトされれば、その出力で０℃カウンタ３５も
リセツトされる。３７はフリツプフロツプ２２の
Ｑ出力の立下り部分のパルス（第２積分終了パル
ス）Ｐ２をつくる回路であつて、一方の入力端子
がフリツプフロツプ２２の出力端子に直接に接
続され他方の入力端子がCR積分回路を介して同
フリツプフロツプ２２のＱ出力端子に接続された
ANDゲート３８から成る。フリツプフロツプ２
２はゲート３２の立上りでセツトされ比較器２０
からの比較一致出力でリセツトされるから、
ANDゲート３８には第２積分終了時に単パルス
が生ずる。

３９は測定温度の極性を判定するためのＤフリ
ツプフロツプであり、そのＤ入力端子はフリツプ
フロツプ２２のＱ出力端子と接続され、クロツク
入力端子はフリツプフロツプ３４の出力端子と
接続され、そしてＱ出力端子は表示器６０の極性
表示セグメントに接続されている。

４１はカウンタ３１のリセツトパルスをつくる
リセツトゲート回路、そして４２はカウンタ３１
の内容をラツチ回路４０に読み込んで保持させる
ラツチパルスをつくるラツチゲート回路である。
リセツトゲート回路４１は、フリツプフロツプ３
４のＱ出力及び第２積分終了パルスＰ２を２入力
とするANDゲート４３と、フリツプフロツプ２
２のＱ出力及び０℃パルスＰ１を２入力とする
ANDゲート４４と、そして両アンドゲート４３
及び４４の出力をカウンタ３１のリセツト入力端
子に導くORゲート４５とで構成されている。一
方、ラツチゲート回路４２は、フリツプフロツプ
３４の出力及び第２積分終了パルスＰ２を２入
力とするANDゲート４６と、フリツプフロツプ
２２の出力及び０℃パルスＰ１を２入力とする
ANDゲート４７と、そして両ゲートの出力をラ
ツチ回路４０の作動入力端子に導くORゲート４
８とで構成されている。

次に第７図のタイムチヤートを参照しながら上
記回路の動作を説明する。

電源スイツチをオンすると同時にクロツク発生
器３０からのパルスによりカウンタ３１が計数を
開始する。1000カウント目で1/2計数回路３１Ａ
がオンになり、2000カウント目で1/2計数回路３
１Ｂがオンになる（第７図のａ）。この1/2計数回
路３１Ｂのパルスの立下りによりフリツプフロツ
プ３３が反転してセツト状態になり、Ｑ出力が
ANDゲート３２に印加される（第７図のｂ）。続
いて２度目の3000カウント目をむかえると、
ANDゲート３２の３入力が共にＨレベルにな
り、同ゲートの出力が立上る（第７図のｃ）。こ
のゲート３２の出力の立上りでフリツプフロツプ
２２がセツトされ、その出力が消失してスイツ
チＳ３がオフすると共に、ゲート３２の出力でス
イツチＳ１が閉じられる。

スイツチＳ１がオンした時点から、直流電圧
Eiにより、サーミスタRthを通してコンデンサＣ
に電荷が充電され始め、コンデンサの端子電圧
は、Ｅｖ／Ｒｔｈ Ｃｔの形で上昇する。

次に4000カウント目（第７図のｄ点）に至る
と、1/2計数回路３１Ａ及び３１Ｂの出力がオフ
状態となり、フリツプフロツプ３３がリセツトさ
れると共に、ANDゲート３２の出力が消失し、
スイツチＳ１がオフする。ANDゲート３２の出
力が消失するとインバータ２４の出力がＨレベル
になるので、ANDゲート２５に出力を生ずる。
なぜならこの時点では依然としてフリツプフロツ
プ２２はセツト状態にあるからである。ゲート２
５の出力によりスイツチＳ２がＳ１に代つて閉じ
る。従つて、この4000カウント目（Ｎ＝1000）で
第１積分は自動的に終り、次いで、それまでコン
デンサＣに蓄積された電荷が抵抗Roを通して放
電される第２積分が開始される。

今、クロツク発生器３０のクロツク周波数を
ｏそして第１積分の区間を定めるパルス数をＮと
すれば、第１積分の終了時におけるコンデンサＣ
の端子電圧Ｅ_Nは、次のような値になつている。

Ｅ_N＝Ｅｉ／Ｒｔｈ・Ｃ・Ｎ／ｏ (1) この電圧は時間ｔの経過に伴い、指数関数ｅ
１／Ｒｏ・Ｃｔに従つて低下する。

放電電圧Ｅ１がコンパレータ２０の基準電圧Ｅ
_Rまで下ると（第７図のｅ点）、コンパレータ２０
の出力がオンからオフに変わりこのときパルスを
波形整形回路２１に生じせしめる。この回路２１
からの比較一致パルスはフリツプフロツプ２２の
リセツト入力端子に送られて同フリツプフロツプ
をリセツトさせ、その出力によりスイツチＳ３
をオンして積分回路を短絡せしめる。また同フリ
ツプフロツプ２２のＱ出力の立下りにより第２積
分終了パルスＰ２が取り出される。

一方、フリツプフロツプ３３の出力の立上り
即ち第７図のｄ点において、フリツプフロツプ３
４が反転されセツト状態となる。つまり第１積分
の終了と同時にフリツプフロツプ３４のＱ出力が
Ｈレベルとなり、出力はＬレベルになる。この
フリツプフロツプ３４の出力の消失により０℃
カウンタ３５のリセツト状態が解除され、同カウ
ンタ３５がクロツクパルスを計数し始める。1000
パルス目で０℃カウンタ３５のＱ出力はＬレベル
に立下り、従つて細い０℃パルスＰ１が発生され
る（第７図のｆ点）。

上記０℃パルスＰ１並びに第２積分終了パルス
Ｐ２は、どちらか先に生じた方がカウンタ３１の
リセツトパルスとなり、後で生じた方がラツチ回
路４０へのラツチパルスとなる。

例えば第２積分終了パルスＰ２が０℃カウンタ
のフリツプフロツプ３４がまだセツト状態である
間に生じた場合、つまりマイナス温度の場合（第
７図のｄ，ｅ，ｆ）には、ANDゲート４３、OR
ゲート４５を通してパルスＰ２によりカウンタ３
１がリセツトされ、次いでANDゲート４７、OR
ゲート４８を通して０℃パルスＰ１がラツチ回路
４０を作動させ、その間のカウント値を記憶し且
つ表示器６０に表示させる。

しかし逆に、第２積分終了パルスＰ２が０℃カ
ウンタのフリツプフロツプ３４が既に０℃パルス
Ｐ１によつてリセツトされてしまつている場合、
つまりプラス温度の場合（第７図のd′，f′，e′）
には、ANDゲート４４、ORゲート４５を介して
パルスＰ１によりカウンタ３１がリセツトされ、
次いでANDゲート４６、ORゲート４８を通して
パルスＰ２によりラツチ回路４０が作動される迄
のカウント値が表示器６０に表示される。

温度の極性の表示は、フリツプフロツプ２２の
Ｑ出力がＨレベルである間にフリツプフロツプ３
４のの立上りがあれば、即ち第２積分区間中に
０℃カウンタがカウントアツプすれば、プラスで
あるとＤフリツプフロツプ３９が判断し、表示器
６０にを表示させる。

今、このラツチ及び表示されるカウント値を
Nxとし、Nxの計数開始から第２積分の終了まで
の時間を、第３図に示す如くtxとすれば、 tx＝RoC log Ｅ_N／Ｅ_R …(2) となり、これに(1)式を代入すると tx＝Ro Ｃ log（Ｅｉ Ｎ／Ｒｔｈ Ｃ ｆｏ Ｅ_Ｒ
）…(3) となる。従つてNx＝fo txであるから Nx＝foRoC log（Ｅｉ Ｎ／Ｒｔｈ Ｃ ｆｏ Ｅ_Ｒ
）…(4) となる。fo，Ro，Ｃ，Ｎ，Ei，Ｅ_Rは一定である
から、Nxは(4)式から判るように１／Rthの変化の
対数に比例することになる。つまりlog1／Rthは
温度に比例することから、Nxの計数値は温度を
表わすものとなる。

上記は、０℃カウンタを1000カウントで説明し
たが、これは任意に選ぶことができる。0.1℃分
解能で−100.0℃まで測定可能な温度計とするた
めには、1000カウントが好ましい。しかし現実に
はサーミスタは−50℃までが測定限界であるた
め、500カウントのカウンターでも良い。

サーミスタの使用可能範囲を考慮しないで考
え、且つ０℃カウンタを1000カウントと仮定すれ
ば、−100℃〜＋599.9℃までの測定ができ、０℃
カウンタの設定の仕方によつては−200℃からの
測定も可能である。つまり、温度絶対幅700℃ま
で測定できるから、０℃の基準を変えることによ
り、任意の温度測定範囲を定めることができる。

以上述べたように、本発明の温度計はサーミス
タの抵抗値をその対数特性を補正することなく測
定し直接的に温度を測定するものであるから、極
めて測定精度が高い。従来の第１図の如きブリツ
ジ回路も前置増幅器も不要である。０℃に対して
プラス・マイナスいずれの温度も測定でき、しか
も０℃の基準を加減して任意の測定範囲を定める
ことが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のデジタル温度計の概略図、第２
図は本発明のデジタル温度計の概略図、第３図は
その動作原理の２重積分の説明に供する図、第４
図及び第５図は本発明のプラス及びマイナス温度
の測定原理の説に供する図、第６図は本発明のデ
ジタル温度計のブロツク図、そして第７図はその
各部のタイムチヤート図である。 １０…オペアンプ、２０…コンパレータ、２１
…波形整形回路、２２，３３，３４…フリツプフ
ロツプ、３０…クロツク発生器、３１…カウン
タ、３２…ANDゲート、３５…０℃カウンタ、
３９…Ｄフリツプフロツプ、４０…ラツチ回路、
４１…リセツトゲート回路、４２…ラツチゲート
回路、６０…表示器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ クロツクパルスを計数する主カウンタと；該
   主カウンタの値が所定の第１の数値幅内にある間
   オンされる第１のスイツチと；該スイツチによつ
   て積分コンデンサと直列に接続され該コンデンサ
   と共に一定の直流電圧を積分するサーミスタと；
   前記主カウンタの所定の第１の数値幅が経過した
   とき直ちにオンされる第２のスイツチと；該第２
   のスイツチにより前記コンデンサと接続され前記
   積分過程の間に前記コンデンサに蓄積された電荷
   を放電させる所定値の抵抗と；この放電時にコン
   デンサの電圧を所定の基準電圧と比較し一致した
   とき比較一致出力を生ずるコンパレータと；前記
   主カウンタの所定の第１の数値幅が経過した時点
   よりクロツクパルスを計数し所定のカウント値に
   至つたとき０℃パルスを出力する０℃カウンタ
   と；該０℃カウンタの０℃パルスと前記比較一致
   出力のうち早期に生ずる信号を前記主カウンタの
   リセツト信号として取り出し且つ後期に生ずる信
   号を前記主カウンタの内容をラツチするラツチ回
   路のラツチ信号として取り出す回路手段と；そし
   て前記ラツチ回路にラツチされたカウント値を表
   示する表示器とを有することを特徴とするデジタ
   ル温度計。