CN101828100B - 流量计中的温度测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供部件数目少，此外，可以不易受部件的个体差异或温度带来的部件特性变化的影响的、流量计中的温度测量电路。从第二电线(26)及第三电线(27)之间成为导通状态时基于分压电压的电压比与基准电阻之积来求出的电阻值，减去处于非导通状态时基于分压电压的电压比与基准电阻之积来求出的电阻值，从而求出线间电阻(24)。通过得到线间电阻(24)，能够求出与温度相关的得到补偿的电阻值。

Description

流量计中的温度测量电路

技术领域

本发明涉及流量计中的温度测量电路。

背景技术

哥氏(Corioli)流量计是将被测定流体流动的测定管两端支撑，并将该被支撑的测定管的中央部沿着对支撑线呈直角的方向交替驱动时，检测出在测定管的两端支撑部与中央部之间的对称位置上与质量流量成比例的相差信号的质量流量计。测定管是利用具有与温度一起变化的杨氏模量的金属材料来形成。因而，为了维持高的测定精度，需要在测定测定管的温度后对伴随温度变化的杨氏模量的变化进行补偿。

以下，举一个传统的温度测量的例子进行说明。如图6所示，传统的温度测量是利用电阻电桥将电桥电压输入至减法电路，并将该输出电压输入至V/F转换器，转换为频率后通过CPU来进行电阻换算，从而求出温度的。图中的引用符号1表示作为电阻型温度传感器的白金测温电阻体(PT100：100Ω)。此外，引用符号2表示电阻电桥部，引用符号3表示具有线间电阻(RC)的电线，引用符号4表示电压基准(VCC)，引用符号5表示基准电阻(Rref：100Ω)，引用符号6表示V/F转换器，引用符号7表示CPU。

V/F转换器6中，例如该频率输出如下式所示。

(公式1)

$F_{\mathrm{OUT}}=\frac{V3\·R12}{2.09\·R8\·R10\·C1}$

由上式可知，V/F转换器6中，由电阻与电容器之比来确定频率输出，因此电阻及电容器的温度特性显得非常重要。特别是，电容器的温度特性差于电阻，因此每次电路的周围温度变化时频率输出就会受到影响，存在不能进行正确的温度测量的问题。

设白金测温电阻体1的电桥电压为V1、基准电阻5的电桥电压为V2、电阻电桥部2的输出电压为V3，则利用上述结构求出温度时，V1～V3如下式所示。

(公式2)

$V1=\frac{\mathrm{PT}100+\mathrm{RC}}{\mathrm{PT}100+\mathrm{RC}+R1}\mathrm{VCC}$

(公式3)

$V2=\frac{100+\mathrm{RC}}{100+\mathrm{RC}+R4}\mathrm{VCC}$

(公式4)

$V3=\frac{R5}{R2}V1-\frac{R4}{R3}V2$

由上式可知，电阻电桥部2的输出电压V3即使最低也要用6个电阻的比来确定。这里存在的问题是已知每个电阻的温度特性非常好，但6个电阻的温度特性会同时影响输出电压V3。这在正确的温度测量上是非常大的问题。

与传统的温度测量相关的电路有以下列举的几个问题。

第一问题是电路的温度特性不好。其原因是当基准电阻5以外的部件因周围温度等的影响而发生变化时，会导致较大的测量误差。此外，还有这样的原因，即，对于周围温度，当后级中使用的V/F转换器6的温度特性变化特别大时，由于哥氏流量计的变换器在通电后的自己发热的影响下测量温度会显著变化。

第二问题是由于部件数目多而电路的个体差异会变大。其原因是每个部件的变化会直接影响电路的性能(个体差异大且电路性能也各式各样，因此不能忽略个体差异带来的偏差)。另外，电路附带有必须注意用于调节个体差异的标度(calibration)等的次要的难题。

第三问题是布置多个传感器的温度测量位置进行测量的场合(2个电路以上)，必须还追加部件。从而，不能忽略对性能或温度变化产生的复杂影响。

此外，关于传统的温度测量，参照下述专利文献1。

专利文献1：日本特许第3105253号公报

发明内容

本发明鉴于上述的问题构思而成，其课题是提供这样一种流量计中的温度测量电路，即，部件数目少，此外，可使部件的个体差异或温度难以影响部件的特性变化的温度测量电路。

为了解决上述课题而成的本发明第一方面的流量计中的温度测量电路，其特征在于具备：第一和第二电阻型温度传感器，设置在流量计中的第一和第二测量位置上并将各一端相连接，从而成为串联的连接状态；第一电线，具有线间电阻并连接到所述第一电阻型温度传感器的另一端；电压基准，经由电源电阻连接至所述第一电线；第二电线，具有线间电阻并连接至所述第一和第二电阻型温度传感器的各一端；第三电线，具有线间电阻并连接至所述第二电阻型温度传感器的另一端；基准电阻，一端与该第三电线连接且另一端侧接地；开关设备，架在所述第二电线及所述第三电线地连接并使它们处于导通状态或非导通状态；多路调制器(multiplexer)，在所述第一电线、所述第二电线、所述第三电线、以及所述基准电阻的接地侧中，选择任意一个；A/D转换器，对由该多路调制器选择的各分压电压进行A/D转换；以及运算/控制装置，控制所述开关设备并且被输入来自所述A/D转换器的信号，该运算/控制装置从所述第二电线及所述第三电线之间成为导通状态时基于所述分压电压的电压比与所述基准电阻之积来求出的电阻值，减去处于非导通状态时基于所述分压电压的电压比与所述基准电阻之积来求出的电阻值，从而求出所述线间电阻。

依据具有这种特征的本发明，使基准电阻以外的部件不受温度影响或个体差异的影响。此外，依据本发明，在分压电压的测量中，即使测量电压发生变化，只要电压比正确就不会影响电阻的测量。而且，依据本发明，电路的构成要素(部件)变少。

本发明第二方面的流量计中的温度测量电路，其特征在于：在本发明第一方面的流量计中的温度测量电路中，利用与所述第二电阻型温度传感器相关的双曲线近似式来对所述求出的线间电阻进行补偿，从而求出补偿后的线间电阻。

依据具有这种特征的本发明，可将宽测量温度范围内的测量误差抑制为极低。通过采用双曲线近似式(Y＝1/X)，可抑制部件数目的追加。

(发明效果)

依据本发明，具有能够减少部件数目，此外，不易受部件的个体差异或温度带来的部件的特性变化影响的效果。

附图说明

图1是表示本发明的流量计中的温度测量电路的一个实施方式的基本结构图。

图2是说明本发明有用的、电阻型温度传感器为一个时的说明图。

图3是说明本发明有用的、电阻型温度传感器为二个时的说明图。

图4是说明本发明有用的、即使线间电阻大时也能使用时的说明图。

图5是说明本发明有用的、对图4附加电流流动时的说明图。

图6是关于传统的温度测量的电路图。

(符号说明)

21  温度测量电路；22  第一电阻型温度传感器；23  第二电阻型温度传感器；24  线间电阻；25  第一电线；26  第二电线；27  第三电线；28  电压基准；29  电源电阻；30  基准电阻；31  补偿(offset)电阻；32  FET(开关设备)；33  带有多路调制器的A/D转换器；34  CPU(运算/控制装置)；35～37  端子；38  线；39多路调制器；40  A/D转换器。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边进行说明。图1是表示本发明的流量计中的温度测量电路的一个实施方式的基本结构图。

图1中，引用符号21表示温度测量电路。作为未图示的哥氏流量计的一个结构，具备温度测量电路21。温度测量电路21具备：第一电阻型温度传感器22(PT100：100Ω)、第二电阻型温度传感器23(PT100：100Ω)、具有线间电阻24(RC)的第一电线25、同样具有线间电阻24(RC)的第二电线26、同样具有线间电阻24(RC)的第三电线27、电压基准28(VCC)、电源电阻29(R1)、基准电阻30(Rref：100Ω)、补偿电阻31(Roff)、FET32(开关设备)、带有多路调制器的A/D转换器33、和CPU34(运算/控制装置)。

第一电阻型温度传感器22及第二电阻型温度传感器23是设置在未图示的哥氏流量计中测定管的规定测量位置上的温度传感器，它们的各一端相连接而成为串联的连接状态。第一电阻型温度传感器22及第二电阻型温度传感器23采用公知的白金测温电阻体。这种第一电阻型温度传感器22的另一端与端子35连接。此外，第一电阻型温度传感器22及第二电阻型温度传感器23的各一端与端子36连接。而且，第二电阻型温度传感器23的另一端与端子37连接。

在与第一电阻型温度传感器22的另一端连接的端子35上，连接第一电线25的一端。电压基准28经由电源电阻29连接至第一电线25。第一电线25的另一端与带有多路调制器的A/D转换器33连接。

在与第一电阻型温度传感器22及第二电阻型温度传感器23的各一端连接的端子36上，连接了第二电线26的一端。第二电线26的另一端与带有多路调制器的A/D转换器33连接。

在与第二电阻型温度传感器23连接的另一端的端子37上，连接了第三电线27的一端。在第三电线27上，连接了基准电阻30的一端。基准电阻30的另一端经由补偿电阻31接地，并且经由线38连接至带有多路调制器的A/D转换器33。第三电线27的另一端与带有多路调制器的A/D转换器33连接。

FET32设定漏极-源极之间，以使电流从第二电线26流入第三电线27。FET32的栅极与CPU34连接。FET32是用CPU34来控制的，从而能够使第二电线26及第三电线27之间成为非导通状态或导通状态。

带有多路调制器的A/D转换器33具备：与第一电线25～第三电线27的另一端及线38连接的多路调制器39；以及对来自该多路调制器39的输出进行A/D转换的A/D转换器40。带有多路调制器的A/D转换器33能够将各分压电压进行A/D转换，然后将它输出给CPU34。

CPU34是具有运算功能、控制功能的运算/控制装置，在这里至少与带有多路调制器的A/D转换器33及FET32连接。即使是除此以外成为最小限部件数目的上述结构，CPU34也能进行高精度的温度测量。再者，关于CPU34中的运算等，可由以下说明中列举的公式得以理解，因此在这里进行省略。

接着，参照图2至图5，说明图1所示的本发明的温度测量电路21有用的理由。

图2是说明电阻型温度传感器为一个时的说明图，图3是电阻型温度传感器为二个时的说明图，图4是即使线间电阻大时也能使用时的说明图，图5是对图4附加电流流动时的说明图。此外，对于与图1所示的结构基本相同的部分，采用相同的符号，并省略其说明。

图2中，此处所示的电路的基本构思是直接用带有多路调制器的A/D转换器33(参照图1)来测量电阻的分压值。若定义线38末端的分压电压为V0、第三电线27末端的分压电压为V1、第二电线26末端的分压电压为V2、第二电线26末端的分压电压为V3，则PT100(例如相当于第一电阻型温度传感器22)如下式(1)所示。

(公式5)

$\mathrm{PT}100=\frac{V3-2\·V2+V1}{V1-V0}\×100---\left(1\right)$

若列举图2的电路特征，则(1)基准电阻30(Rref：100Ω)以外的部件不受温度影响或个体差异的影响；(2)V0～V3的电压测量中，即使测量电压发生变化，只要电压比正确就不会影响电阻的测量；以及(3)电路的构成要素(部件)少。

关于分压电压V0～V3的电压测量中使用的带有多路调制器的A/D转换器33，在此考虑特性随周围温度的影响等而如下变化的情形。

在以下的公式中将α作为A/D转换器40(参照图1)的增益变化，将β作为补偿的场合，V3成为V3→αV3+β。此外，V2成为V2→αV2+β。此外，V1成为V1→αV1+β，此外，V0成为V0→αV0+β。这样，上述的公式(1)就成为如下。

(公式6)

$\mathrm{PT}100=\frac{\text{\αV3+\β-2\·}(\mathrm{\αV}2+\mathrm{\β})+\mathrm{\αV}1+\mathrm{\β}}{\mathrm{\αV}1+\mathrm{\β}-\mathrm{\αV}0-\mathrm{\β}}\×100$

$=\frac{\mathrm{\α}(V3-2\·V2+V1)}{\mathrm{\α}(V1-V0)}\×100$

$=\frac{V3-2\·V2+V1}{V1-V0}\×100---\left(2\right)$

由式(2)可知，即使A/D转换器40的特性发生变化，在计算式上也不会影响测量。此外，在本方式中，将多路调制器39与A/D转换器40做成一体而构成带有多路调制器的A/D转换器33，但并不限于此，将多路调制器39和A/D转换器40分别独立地构成也可。

接着，对电阻型温度传感器为二个的场合进行说明。

在图3中，将第一电阻型温度传感器22(PT100)及第二电阻型温度传感器23(PT100)的电阻值作成X1、X2的场合，如以下的式(3)、(4)表示温度(通过换算电阻值来表示温度)。

(公式7)

$X1+\mathrm{RC}=\frac{(V3-V2)}{(V1-V0)}\×100---\left(3\right)$

(公式8)

$X2+\mathrm{RC}\frac{(V2-V1)}{(V1-V0)}\×100---\left(4\right)$

当线间电阻24(RC：电缆电阻)非常小时，可根据上述式(3)、(4)分别求出电阻值X1、X2。可知与如图2所示的电阻型温度传感器为一个的场合相比，不会增加部件而能够仅通过计算式的变更来进行对应。但是，实际上只能在线间电阻24(RC)的电阻值大致为0.1Ω以下的场合使用，因此只在有限的条件下才可使用二个电阻型温度传感器。认为将电路结构变更为4线式就能够解决该问题，但是要变更为4线式反而会成为缺点的情形非常大。因而，在本发明中采用如下电路。

图4是线间电阻24(RC)较大时也能使用的电路，在图中箭头所示的位置上设置开关设备(在此为FET32。作为一例)。在FET32截止(OFF)时，该部分上没有电流流过，因此与图3的电路相同，因而，能够利用式(3)、(4)来求出X1+RC、X2+RC的值。另一方面，当FET32导通(ON)时，在该部分中会有图5中的箭头所示方向的电流流过。

将FET32导通(ON)时的各点上的分压电压作为V0on～V3on，再假设流过X2的电流相对流过X1的电流小至可以忽略(实际上根据RC与X2的电阻值以及FET32的导通电阻发生变化)时，线间电阻24(RC)能够由以下的式(5)来表示。

(公式9)

$\mathrm{RC}=\frac{V3\mathrm{on}-V2\mathrm{on}}{V1\mathrm{on}-V0\mathrm{on}}\×100-\frac{V3-V2}{V1-V0}\×100---\left(5\right)$

由式(5)得到线间电阻24(RC)，因此能够求出与温度相关的得到补偿的电阻值。

此外，式(5)中从第二电线26及第三电线27之间成为导通状态时基于分压电压的电压比与基准电阻之积来求出的电阻值，减去非导通状态时基于分压电压的电压比与基准电阻之积来求出的电阻值，从而求出线间电阻24(RC)。

以下说明是一个实现更加高精度的温度测量的例子。

在此，制作电路并对上述假设的X2中流过的电流实际上有多少程度的测量误差进行实际测量。测定结果如表1所示。

在X2为白金测温电阻体100Ω时的测定条件：FET32的导通电阻为0.1Ω以下、线间电阻24(RC)为3.2Ω，以标准电阻值3.2Ω的方式固定，用度盘式电阻器来输入输入值，构成如图4所示的电路后由式(5)间接地求出RC，则得到如表1所示的结果。

表1

RC的测量误差在-200℃时最大为0.4Ω左右，换算为温度则大致为1℃的误差。例如，电缆长度(电线长)300m(3.2Ω)时，换句话说，在X2中流过的电流成为最大的条件下，X2的电阻为18.52Ω，对温度而言在-200℃时测量误差最大。如果该测量误差较大，必须补偿。以下，对补偿进行说明。

图5中，当FET32导通(ON)时，RC与X2并联，因此X2中流过的电流(IX2)可用下式(6)来表示。

(公式10)

IX2∝RC/K·X₂    (6)

由于X2中流过的电流越大补偿就越大，所以RC的补偿式成为X2的双曲线(反比例)。由此关系求出可更加近似表1的系数K，能够用X2的双曲线近似(式(7))来进行补偿，以使本来的输入电阻值以及要近似于线间电阻值(电缆电阻值3.2Ω)的该误差在温度换算下为0.5℃、线间电阻值成为0.2Ω以内。若将补偿后的RC作为RCX，则

(公式11)

$\mathrm{RCX}=\mathrm{RC}+\frac{\mathrm{RC}}{0.3\×X2}---\left(7\right)$

下表2是连式(7)也采用求出实际电路结构(本发明的温度测量电路21)中的RCX的表，RCX值成为±0.1Ω以内、在温度换算下成为±0.25℃。

表2

由表2可知，在-200℃～+200℃的范围内能够实现0.2Ω以下的测定误差。因而，能够构成二个电阻型温度传感器将在宽测量温度范围内的测量误差抑制为极低(0.5℃/跨度(span))。

显然本发明可在不变更本发明主旨的范围内实施各种变更。即，不限于上述近似式而采用其它补偿式也可。

Claims (2)

1.一种流量计中的温度测量电路，其特征在于具备：

第一和第二电阻型温度传感器，设置在流量计中的第一和第二测量位置上并将各一端相连接，从而成为串联的连接状态；

第一电线，具有线间电阻并连接到所述第一电阻型温度传感器的另一端；

电压基准，经由电源电阻连接至所述第一电线；

第二电线，具有线间电阻并连接至所述第一和第二电阻型温度传感器的各一端；

第三电线，具有线间电阻并连接至所述第二电阻型温度传感器的另一端；

基准电阻，一端与该第三电线连接且另一端侧接地；

开关设备，连接在所述第二电线及所述第三电线之间并使它们处于导通状态或非导通状态；

多路调制器，在所述第一电线、所述第二电线、所述第三电线、以及所述基准电阻的接地侧中，选择任意一个；

A/D转换器，对由该多路调制器选择的各分压电压进行A/D转换；以及

运算/控制装置，控制所述开关设备并且被输入来自所述A/D转换器的信号，

该运算/控制装置从所述第二电线及所述第三电线之间成为导通状态时基于所述分压电压的电压比与所述基准电阻之积来求出的电阻值，减去处于非导通状态时基于所述分压电压的电压比与所述基准电阻之积来求出的电阻值，从而求出所述线间电阻。

2.如权利要求1所述的流量计中的温度测量电路，其特征在于：

通过采用与所述第二电阻型温度传感器相关的双曲线近似式来对所述求出的线间电阻进行补偿，从而求出补偿后的线间电阻。

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