JP3937364B2 - 電圧・抵抗発生測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する分野】
本発明は電圧・抵抗発生測定装置に関し、特に測温抵抗体温度計を校正するための電子的な等価抵抗発生機能、測温抵抗体による温度測定機能、熱電対温度計を校正するための等価電圧発生機能、熱電対による温度測定機能などを組み込んだ装置を簡単な回路構成で実現するものである。
【0002】
【従来の技術】
石油精製や化学プラントなどに代表される工業計測分野における温度測定手段として、測温抵抗体や熱電対が広く使われている。ここで、測温抵抗体は測定対象である温度を測温抵抗体の抵抗値の変化として測定するものであり、熱電対は測定対象である温度を熱電対が出力する熱起電力の値から求めるものである。
【0003】
一般にこれら測温抵抗体や熱電対は温度センサとして単体で取り扱われるものであり、温度測定にあたっては測温抵抗体は抵抗値測定機能を有する測温抵抗体温度測定装置の入力端子に着脱可能に接続され、熱電対は電圧測定機能を有する熱電対温度測定装置の入力端子に着脱可能に接続される。
【0004】
ところで、これらの温度センサおよび温度測定装置は長期安定性に対する品質管理や回路設計上の配慮がなされてはいるものの、長期間にわたって使用している過程では測定場所の環境雰囲気ガスによる特性変化や断線、回路部品の経時変化に起因する測定値の変化などを生じることがあり、定期的にそれらの機能を点検校正して変化の動向を把握することが望ましい。
【0005】
従来、これらの温度センサおよび温度測定装置の点検校正にあたっては、それぞれの対象に適合した点検校正用の複数の装置を用いている。例えば点検校正の対象である抵抗値がRxの測温抵抗体に値が既知の定電流Isを供給して測温抵抗体に生じる電圧降下V(=Is・Rx)をデジタルボルトメータで測定してRxの値を求めたり、測温抵抗体と直列に基準抵抗を接続して測温抵抗体および基準抵抗の電圧降下をそれぞれ測定しその比演算から測温抵抗体の抵抗値を求めることが行われている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者の方法によれば抵抗測定用に値の正確な独立した定電流源が必要であり、後者の方法によれば値の正確な定電流源は不要になるものの測温抵抗体が接続される温度測定装置の校正には別途測温抵抗体に相当する抵抗発生装置を準備しなければならない。
【0007】
一方、熱電対の点検校正にあたっては、熱電対の熱起電力に相当するmVの電圧を発生する装置と熱電対が発生するmVの熱起電力を精度よく測定できる装置が必要になる。
【0008】
測定現場にはこれら測温抵抗体と熱電対が混在することも多く、従来は複数の点検校正用装置を準備して測定現場に出向かなければならないことから機動性に欠けるという問題点があった。
【0009】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、測温抵抗体と熱電対の校正機能およびこれら測温抵抗体または熱電対が接続される温度測定装置の校正機能を1台の装置に組み込み、かつそれぞれの機能に必要な回路素子を簡単な回路構成と切換回路とで共通に使用するようにした電圧・抵抗発生測定装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明のうちで請求項1記載の発明は、演算増幅器よりなる電流電圧変換回路と、変換係数が設定可能で前記電流電圧変換回路の出力に変換係数を乗算して変換出力するD−A変換器と、2系統の入力端子を有しこれら2入力の比率演算結果を変換出力するA−D変換器と、基準電圧源と、抵抗測定用の定電流源と、信号発生モードと信号測定モードとを切り換える第1の切換スイッチ群と、抵抗モードと電圧モードとを切り換える第2の切換スイッチ群とで構成され、前記第1の切換スイッチ群は、信号発生モードでは前記電流電圧変換回路の出力をD−A変換器に加え、該D−A変換器の変換係数を設定することで信号を発生し、信号測定モードではA−D変換器の一方の入力端子に前記電流電圧変換回路の出力を加えるとともに他方の入力端子に被測定信号を加え、前記A−D変換器の変換出力で信号を測定するように切り換え、前記第2の切換スイッチ群は、抵抗モードでは前記電流電圧変換回路を構成する演算増幅器の非反転入力端子を共通電位点に接続するとともに反転入力端子には前記定電流源の出力電流又は被校正対象の抵抗測定装置の抵抗測定電流を加え、電圧モードでは前記電流電圧変換回路を構成する演算増幅器の非反転入力端子に前記基準電圧源の出力を加えるように切り換えることを特徴とする電圧・抵抗発生測定装置。
【0011】
これにより、1台の装置に抵抗信号発生、抵抗信号測定、電圧信号発生および電圧信号測定の機能を少ない回路素子で組み込むことができ、簡単な切り換え回路でこれらの機能の中から任意の機能を選択できる。
【0012】
本発明のうちで請求項2記載の発明は、請求項1の電圧・抵抗発生測定装置において、抵抗信号発生モードではD−A変換器の変換係数に応じて測温抵抗体の等価抵抗を発生し、抵抗信号測定モードでは測温抵抗体を温度センサとして温度測定することを特徴とする。
【0013】
これにより、測温抵抗体が接続される温度測定装置の保守調整などを実際の測温抵抗体を用いることなく高精度に行うことができ、測温抵抗体があれば直ちに温度を測定でき、また測温抵抗体が接続される温度測定装置の故障の有無を測温抵抗体で温度を実測して測定結果を比較することにより確認できる。
【0014】
本発明のうちで請求項3記載の発明は、請求項1の電圧・抵抗発生測定装置において、電圧信号発生モードではD−A変換器の変換係数に応じて熱電対の等価熱起電力を発生し、電圧信号測定モードでは熱電対を温度センサとして温度測定することを特徴とする。
【0015】
これにより、熱電対が接続される温度測定装置の保守調整などを実際の熱電対を用いることなく高精度に行うことができ、熱電対があれば直ちに温度を測定でき、また熱電対が接続される温度測定装置の故障の有無を熱電対で温度を実測して測定結果を比較することにより確認できる。
【0016】
本発明のうちで請求項4記載の発明は、請求項1の電圧・抵抗発生測定装置において、信号測定モードの測定結果をD−A変換器からアナログ信号として取り出すことを特徴とする。
【0017】
これにより、抵抗や電圧や温度等の測定結果を必要に応じてレコーダ等で記録できる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図により説明する。
図1は本発明に係わる電圧・抵抗発生測定装置の一実施例を示す回路構成図である。図において、T1,T2は装置の入出力端子である。S1a,S1bは電圧レンジmVまたは抵抗レンジΩを選択する切換スイッチであり、2個の切換スイッチは連動して切り換えられる。S2a〜S2dは信号発生モードSと測定モードMとを選択する切換スイッチであり、4個の切換スイッチは連動して切り換えられる。端子T1には切換スイッチS1bの可動接点が接続され、端子T2には切換スイッチS2c,S2dの可動接点が接続されている。
【0020】
1は電流電圧変換回路であり、増幅器A1と抵抗Rとで構成されていて、端子T1に印加される抵抗測定電流iを電圧V1に変換する。増幅器A1の非反転入力端子は切換スイッチS1aの可動接点に接続され、反転入力端子は切換スイッチS1bの一方の固定接点Ωに接続されるとともに抵抗Rの一端に接続されている。該抵抗Rの他端は増幅器A1の出力端子に接続されている。
【0021】
切換スイッチS1aの固定接点Ωと切換スイッチS1bの固定接点mVは共通電位点に接続されている。切換スイッチS1aの固定接点mVには基準電圧源Vrefのプラス端子が接続されている。該電流電圧変換回路1の出力端子はD−A変換器2に接続されるとともに、A−D変換器3の基準電圧VREFの入力端子に接続されている。D−A変換器2としては、パルス幅(PWM)で入出力関係が設定できる乗算型のものを用いる。D−A変換器2の出力端子は切換スイッチS2aの固定接点Sに接続されるとともに演算増幅器で構成されるバッファアンプ4を介して出力端子T3に接続されている。該出力端子T3には例えばアナログ信号を記録するためのレコーダを接続する。
【0022】
5も演算増幅器で構成されるバッファアンプである。該バッファアンプ5を構成する演算増幅器の非反転入力端子は切換スイッチS2bの固定接点Sに接続されるとともに切換スイッチS2dの固定接点Mに接続され、反転入力端子は切換スイッチS2bの固定接点Mに接続されるとともに切換スイッチS2dの固定接点Sに接続され、さらに出力端子は切換スイッチS2aの固定接点Mと切換スイッチS2cの固定接点SおよびA−D変換器3の電圧VINの入力端子に接続されている。ここでA−D変換器3は入力される電圧VINと基準電圧VREFとのレシオ演算を行ってその演算結果をマイクロプロセッサ6に出力する。
【0023】
マイクロプロセッサ6は表示部7に表示データを出力するとともにD−A変換器2にパルス幅制御信号PWMを出力する。
8は抵抗測定用の内蔵定電流源であり、スイッチSWを介して切換スイッチS2cの固定接点Mに接続されている。
【0024】
このような構成において、切換スイッチS1a,S1bの可動接点を固定接点Ωに切り換えることにより抵抗モードになり、固定接点mVに切り換えることにより電圧モードになる。そして、抵抗モードにおいて切換スイッチS2a〜S2dの可動接点を固定接点Sに切り換えることにより図2に示すような抵抗発生モードになって固定接点Mに切り換えることにより図3に示すような抵抗測定モードになり、電圧モードにおいて切換スイッチS2a〜S2dの可動接点を固定接点Sに切り換えることにより図4に示すような電圧発生モードになって固定接点Mに切り換えることにより図5に示すような電圧測定モードになる。
【0025】
次に本発明の電圧・抵抗発生測定装置の各モードの動作を説明する。
図2に示す抵抗発生モードにおいて、被校正対象の抵抗測定装置から加えられる抵抗測定電流Iは電流電圧変換回路1により電圧V1に変換されてD−A変換器2に入力される。ここで、D−A変換器2に設定される変換係数をkとすると、端子T1,T2間の出力電圧V0は、
V0=k・I・R
になる。そして、Req=V0、I=k・Rにより、任意の等価抵抗Reqを端子T1,T2間に得ることができる。
【0026】
このような抵抗発生モードにおいて、D−A変換器2の変換係数kを測温抵抗体の等価抵抗を発生できるようにマイクロプロセッサで設定することにより、測温抵抗体シミュレータとしての機能を持たせることができる。
【0027】
これにより、測温抵抗体が接続される温度測定装置の保守調整などを実際の測温抵抗体を用いることなく高精度に行うことができる。
図3に示す抵抗測定モードでは、定電流源8の出力電流iは端子T1,T2間に接続される被測定抵抗Rxに印加され、該被測定抵抗Rxを流れる電流iは電流電圧変換回路1により電圧に変換されて端子T1側の電圧としてA−D変換器3の基準電圧端子VREFに入力される。端子T2側の電圧はバッファアンプ5を介してA−D変換器3の電圧端子VINに入力される。A−D変換器3は以下のようにこれら入力電圧VINと基準電圧VREFの比率演算を行って変換出力する。
【0028】
すなわち、A−D変換器3から変換出力される被測定抵抗Rxの抵抗測定値は基準抵抗Rとの比として定電流源8の出力電流iの値とは無関係に求めることができる。
【0029】
このような抵抗測定モードにおいて、マイクロプロセッサ内部にリニアライズ機能を持たせることにより、測温抵抗体を温度センサとする温度測定機能を持たせることができる。
【0030】
これにより、測温抵抗体があれば直ちに温度を測定でき、また測温抵抗体が接続される温度測定装置の故障の有無を測温抵抗体で温度を実測して測定結果を比較することにより確認できる。
【0031】
図4に示す電圧発生モードにおいて、D−A変換器2には電流電圧変換回路1を介して基準電圧源Vrefの出力電圧がV1=Vrefとして入力される。これにより、D−A変換器2の変換係数kの設定に応じて任意の電圧を発生させることができる。
【0032】
このような電圧発生モードにおいて、熱電対の熱起電力に相当するmVを発生できるように設定することにより、熱電対シミュレータとしての機能を持たせることができる。
【0033】
これにより、熱電対が接続される温度測定装置の保守調整などをダイヤル抵抗器等を用いることなく高精度に行うことができる。
図5に示す電圧測定モードにおいて、A−D変換器3の基準電圧端子VREFには電流電圧変換回路1を介して基準電圧源Vrefの出力電圧が入力され、A−D変換器3の電圧端子VINにはバッファアンプ5を介して端子T2側の電圧Vxが入力される。これにより、A−D変換器3はVx/Vrefの比率演算を行って変換出力する。
【0034】
このような電圧測定モードにおいて、mV測定として基準接点補償とマイクロプロセッサ内部にリニアライズ機能を持たせることにり、熱電対を温度センサとする温度測定機能を持たせることができる。
【0035】
これにより、熱電対があれば直ちに温度を測定でき、また熱電対が接続される温度測定装置の故障の有無を熱電対で温度を実測して測定結果を比較することにより確認できる。
【0036】
ところで、測温抵抗体を2線式、3線式、4線式のいずれで測定するかの抵抗測定切り換えは一般には切り換え回路で行われているが、本発明のように簡単な操作を意図した装置では被測定対象を接続することにより自動的に識別して測定できることが望ましい。
【0037】
図6は本発明に係わる装置でこのような点に着目した測温抵抗体測定回路の具体例図であり、図1と共通部分には同一符号を付けている。
図において、Rxは被測定対象の測温抵抗体であり、3本のリード線はそれぞれ端子Ta,Tb,Tcに接続されている。r1〜r3はリード線抵抗、r4は抵抗であり、r1=r2=r,r4>>r3とする。S1〜S3はアナログスイッチであり、S1は端子Taとバッファアンプ5(演算増幅器A2)の非反転入力端子の間に接続され、S2は端子Tcとバッファアンプ5の非反転入力端子の間に接続され、S3は端子Tbとバッファアンプ5の非反転入力端子の間に接続されている。演算増幅器A1の反転入力端子には端子Tbが直接接続されるとともに抵抗r4を介して端子Tcが接続されている。端子Taには定電流源8が接続されている。Vos1は演算増幅器A1のオフセット電圧、Vos2は演算増幅器A2のオフセット電圧である。
【0038】
このような構成において、アナログスイッチS1〜S3を順次選択的にオンにし、各検出電圧V1,V2,V3をバッファアンプ5を介してA−D変換器3にVINとして加える。A−D変換器3の基準電圧VREFとしてi・Rが印加される。マイクロプロセッサ6は、次式の演算を行う。
【0039】
V1−2・V2−V3
これにより、3線式接続の場合にはリード線抵抗とオフセットの補償が行われて2線式接続の場合にはオフセット補償のみが行われる。実際の使用にあたってはこれら3線式接続と2線式接続を意識しなくてもよく、装置が測温抵抗体の接続状態を自動識別して演算処理を実行する。
【0040】
2線式接続の場合端子Tcはオープンになって各検出電圧V1,V2,V3は以下のようになる。
V1=Vos1+(Rx+2r)i+Vos2
V2=Vos1 +Vos2
V3=Vos1 +Vos2
そして演算結果は(Rx+2r)iになる。
【0041】
3線式接続の場合の各検出電圧V1,V2,V3は以下のようになる。
V1=Vos1+(Rx+2r)i+Vos2
V2=Vos1 +r・i+Vos2
V3=Vos1 +Vos2
そして演算結果はRx・iになる。
【0042】
A−D変換器3では前述のようにVREFに対するVINの比が変換される。すなわち3線式の場合のA−D変換結果は、
になる。
【0043】
なお抵抗r4の効果と影響は以下のようになる。
まず2線式接続の場合には端子Tcがオープンになっても抵抗r4を通してV2が測定される。
【0044】
3線式接続におけるV2は厳密に次のようになる。
ここでr4>>r3であることから、
V2=i・r+(Vos1+Vos2)
になる。
【0045】
このように構成することにより、2線式接続の場合には2線測定が行われて3線式接続の場合にはリード線抵抗の影響を補償した3線測定が行われ、これらは特別なスイッチ切り換え操作なしに入力接続を自動識別することによって実行される。
【0046】
そして抵抗測定結果はRxとRの比率演算で得ることができ、定電流源の出力電流iの値に影響されることなく高精度の測定が可能になる。
さらに入力回路の増幅器のオフセット成分Vos1,Vos2は理論的に補正されることになり、誤差要因にはならない。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項1記載の発明によれば、1台の装置に抵抗信号発生、抵抗信号測定、電圧信号発生および電圧信号測定の機能を少ない回路素子で組み込むことができ、簡単な切り換え回路でこれらの機能の中から任意の機能を選択できる。
【0048】
本発明のうちで請求項2記載の発明によれば、測温抵抗体が接続される温度測定装置の保守調整などを実際の測温抵抗体を用いることなく高精度に行うことができ、測温抵抗体があれば直ちに温度を測定でき、また測温抵抗体が接続される温度測定装置の故障の有無を測温抵抗体で温度を実測して測定結果を比較することにより確認できる。
【0049】
本発明のうちで請求項3記載の発明によれば、熱電対が接続される温度測定装置の保守調整などを実際の熱電対を用いることなく高精度に行うことができ、熱電対があれば直ちに温度を測定でき、また熱電対が接続される温度測定装置の故障の有無を熱電対で温度を実測して測定結果を比較することにより確認できる。
【0050】
本発明のうちで請求項4記載の発明によれば、抵抗や電圧や温度等の測定結果を必要に応じてレコーダ等で記録できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる電圧・抵抗発生測定装置の一実施例を示す回路構成図である。
【図2】本発明の抵抗発生モードの動作説明図である。
【図3】本発明の抵抗測定モードの動作説明図である。
【図4】本発明の電圧発生モードの動作説明図である。
【図5】本発明の電圧測定モードの動作説明図である。
【図6】本発明の他の実施例の回路構成図である。
【符号の説明】
1 電流電圧変換回路
2 D−A変換器
3 A−D変換器
4,5 バッファアンプ
6 マイクロプロセッサ
7 表示部
8 内蔵定電流源
S1a,S1b,S2a〜S2d 切換スイッチ
T1,T2,T3 端子
Vref 基準電圧源
Claims (4)
- 演算増幅器よりなる電流電圧変換回路と、変換係数が設定可能で前記電流電圧変換回路の出力に変換係数を乗算して変換出力するD−A変換器と、2系統の入力端子を有しこれら2入力の比率演算結果を変換出力するA−D変換器と、基準電圧源と、抵抗測定用の定電流源と、信号発生モードと信号測定モードとを切り換える第1の切換スイッチ群と、抵抗モードと電圧モードとを切り換える第2の切換スイッチ群とで構成され、
前記第1の切換スイッチ群は、信号発生モードでは前記電流電圧変換回路の出力をD−A変換器に加え、該D−A変換器の変換係数を設定することで信号を発生し、信号測定モードではA−D変換器の一方の入力端子に前記電流電圧変換回路の出力を加えるとともに他方の入力端子に被測定信号を加え、前記A−D変換器の変換出力で信号を測定するように切り換え、
前記第2の切換スイッチ群は、抵抗モードでは前記電流電圧変換回路を構成する演算増幅器の非反転入力端子を共通電位点に接続するとともに反転入力端子には前記定電流源の出力電流又は被校正対象の抵抗測定装置の抵抗測定電流を加え、電圧モードでは前記電流電圧変換回路を構成する演算増幅器の非反転入力端子に前記基準電圧源の出力を加えるように切り換えることを特徴とする電圧・抵抗発生測定装置。 - 請求項1の電圧・抵抗発生測定装置において、
抵抗信号発生モードではD−A変換器の変換係数に応じて測温抵抗体の等価抵抗を発生し、
抵抗信号測定モードでは測温抵抗体を温度センサとして温度測定することを特徴とする電圧・抵抗発生測定装置。 - 請求項1の電圧・抵抗発生測定装置において、
電圧信号発生モードではD−A変換器の変換係数に応じて熱電対の等価熱起電力を発生し、
電圧信号測定モードでは熱電対を温度センサとして温度測定することを特徴とする電圧・抵抗発生測定装置。 - 請求項1の電圧・抵抗発生測定装置において、
信号測定モードの測定結果をD−A変換器からアナログ信号として取り出すことを特徴とする電圧・抵抗発生測定装置。
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