JP5081239B2 - 温度測定装置及び測定方法 - Google Patents
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Description
例えばCN2692646は、単一の定電流源及びサブストラクションユニットとして機能する演算増幅器を用いた回路を記載している。しかし、そのような回路は通常、複雑であって回路の測定範囲が比較的限られている。従って、異なる温度範囲又は異なるタイプの熱抵抗器に変更するためには、通常、スイッチ又はジャンパのような回路及び定電流源の調整が必要である。
電圧降下増幅器の出力と、第3の抵抗器を介する演算増幅器の第1の入力との接続によって、第1の抵抗器を介する接続によって与えられるオフセット影響を排除可能である。回路のパラメタ、具体的には第1の抵抗器の抵抗及び第3の抵抗器の抵抗の適切な選定は、出力信号と熱抵抗器の抵抗との間に定義される単調な関係を導き、出力信号は、接続導線の抵抗に依存しない。
本発明の代替の実施形態においては、演算増幅器の第2の入力は、励起電圧を提供し、内部抵抗を含む励起電圧基準に接続される。望ましくは、第1の抵抗器の抵抗は、実質的に式:
本発明の更なる実施形態においては、第1の接続導線は、演算増幅器の第1の入力に第7の抵抗器を介し接続される。この更なる抵抗器を用いて測定装置の出力信号の範囲が、アナログ−デジタル変換などのいくつかの更なる処理ステップの特性に従って調整され得る。
好ましい実施例によると、演算増幅器の出力信号は、演算ユニットにデジタル信号を提供し、該当する場合、共通基準電圧電源に接続されるアナログ−デジタル変換ユニットなどの信号処理装置に転送される。このようにして温度計算は、二値化して処理され得る。温度は、具体的に熱抵抗器の抵抗と温度との間の既知の関数関係を含むソフトウェアを使用し、計算され得る。
更なる好ましい実施例においては、電圧降下増幅器は、演算増幅器の第1の入力に第3の抵抗器を介し増幅された信号を送信する。
望ましくは、本発明の別の実施形態においては、熱抵抗器は、励起電圧によって駆動され、演算増幅器によって制御される。これによって制御可能であって、望ましくは広い測定範囲に渡って定義されるレベルにおいて、熱抵抗器の感度を維持可能である。
本発明の特徴及び利点を以下の添付図面に関し説明する。
(Rw1)、(Rw2)及び(Rw3)は、熱抵抗器(RTD)を測定装置の処理部に接続する第1、第2及び第3の導線(W1)、(W2)及び(W3)を表す。配線(W1)、(W2)、(W3)が、望ましくは同一素材から成り及び/又は3線すべてに対し、実際に同一の導線抵抗であるRw1=Rw2=Rw3を導出する同一の長さである。しかし、本発明に関する唯一の要件は、(Rw1)が実質的に(R)、(G)に等しいということである。
再び図1を参照すると熱抵抗器(RTD)は、測定される温度(T)と既知の単調な関数関係を有する抵抗(RT)を有する。熱抵抗器(RTD)は、第1の端子(d)及び第2の端子(e)を含んでいて、第1の端子(d)が、第1の導線(W1)及び第7の抵抗器(R2)を介し演算増幅器(OP1)の反転入力(a)に接続され、第2の端子(e)が、第2の導線W2を介し電圧降下増幅器(2)の入力(w)に接続され、第3の導線(W3)を介し接地される。代替として第3の導線(W3)は、共通端子(f)を介し第2の端子(e)に接続され得る。
第4の抵抗器(R5)及び第5の抵抗器(R6)は、熱抵抗器(RTD)の励起電圧を設定するために使用される。第4の抵抗器(R5)は、基準電圧電源(1)に接続され、また演算増幅器(OP1)の非反転入力(b)にも接続される。抵抗器(R6)の一端は、演算増幅器(OP1)の非反転入力(b)に接続され、他端は接地される。
熱抵抗器(RTD)の出力電圧(VT)に対応する出力信号と抵抗値(RT)との間に定義される単調な関数関係が存在するので、第3の抵抗器(R4)及び第1の抵抗器(R7)は、本回路を補償する。第3の抵抗器(R4)は、演算増幅器(OP1)の反転入力に接続され、また電圧降下増幅器(2)の出力(c)にも接続される。第1の抵抗器(R7)は、演算増幅器(OP1)の非反転入力(b)に接続され、また電圧降下増幅器(2)の出力(c)にも接続される。
ここで(G)は、電圧降下増幅器(2)の利得である。
本回路は、定電流励起回路と比較すると、非常に簡単な構造を有していて、その結果、温度抵抗器の抵抗及び非線形関係を有する出力信号が、更に詳細に後述する処理又は表示ステップを介し容易に修正され得る。
まず、R567は、
更にRw1=Rw3=0のため、ポイント(b)における電圧(Vbo)は、
Vb=Vb0+2Vw を得るため、その結果は
第1の抵抗器(R7)は、0より大きいので、G>2と推定され得る。
従ってVa=Vbが、演算増幅器に関する主な特徴あるため、Vb=Vbo+2VWである。第7の抵抗器(R2)及びRTDを介する電圧降下の合計に変化はなく、(Rw1)と(Rw3)とが異なる場合、(RT)と(R2)を経由する電流は変化しない。
VTがVwに依存しない結果に至る。
(A)、(B)、(R2)及び(VT)はすべて、(Rw1)、(Rw2)及び(Rw3)に依存しないように示されている。測定の間、(ST)の二値表現は、(VT)の変換によって取得される。演算ユニット(4)に含まれるソフトウェアが、式:
その後、温度(T)が、(RT)と温度(T)との間の既知の関数関係に従って計算される。
図5に示される測定装置の第4の実施形態は、抵抗器(R1)が省略され、(R2)が短絡される(1/R1=0,R2=0)という点で図1に示される第1の実施形態と異なる。
本発明の第1及び第3の実施形態においては、第7の抵抗器(R2)が存在し、(R2)が熱抵抗器(RTD)の一部と考えられる条件:
本発明の第2及び第4の実施形態においては、(V2T)は、抵抗器(R2)が短絡される条件下で(RT)を介する電圧降下となる。
この実施形態を用いると、第11の抵抗器(R11)が、接続部として機能するので、センサが2つの導線だけによって接続される場合、電圧降下増幅器(2)の入力接続端子(w)を手動で接地(GND)に接続する必要はない。(R11)が(Rw2)より非常に大きい必要がある要件が通常、容易に満たされる。従って実際は、抵抗(RW2)が、電圧降下増幅器(2)の利得(G)にはほとんど全く影響を有しておらず、この実施形態による方法は、ずっと正確である。
実行可能な好ましい抵抗値セットが、以下の通り与えられる。抵抗器(R1)は省略、抵抗器(R2):511Ω、抵抗器(R3):1.87kΩ、抵抗器(R4):60.4kΩ、抵抗器(R5):100kΩ、抵抗器(R6):33.2kΩ、抵抗器(R7):806kΩ、抵抗器(R8):100kU、抵抗器R9:1.5kΩ、抵抗器(R10):2.7kΩ及び抵抗器(R11):180kΩ。これらの抵抗値を用いると測定装置は、最も一般的な温度測定アプリケーション用の熱抵抗器(RTD)に対し正常に作用する。具体的には、熱抵抗器RTDのタイプPT100及びPT1000は、温度範囲においては、0℃と200℃との間であって、タイプNTC30に関しては、0℃と100℃との間である。その結果、接続導線は、100メートルと同一長であり得、それでも完全に補償される。
2 電圧降下増幅器
3 アナログ−デジタル変換ユニット
4 演算ユニット
5 差動増幅器
6 平均増幅器
7 励起電圧基準
OP1,OP2 演算増幅器
RTD 熱抵抗器
W1,W2,W3,W4 接続導線
R1 第6の抵抗器
R2 第7の抵抗器
R3 第2の抵抗器
R4 第3の抵抗器
R5 第4の抵抗器
R6 第5の抵抗器
R7 第1の抵抗器
R8 第8の抵抗器
R9 第9の抵抗器
R10 第10の抵抗器
R11 第11の抵抗器
RT 熱抵抗器の抵抗
Rw1,Rw2,Rw3,Rw4 接続導線の抵抗
Rint 励起電圧基準の内部抵抗
RTD 熱抵抗器
w 電圧降下増幅器の入力
a,b 演算増幅器の入力
c 電圧降下増幅器の出力
d,e,f 熱抵抗器の端子
Va,Vb 演算増幅器の入力電圧
Vc 電圧降下増幅器の出力電圧
Vw 導線を介する電圧降下
VT 出力電圧
ST 出力信号
T 温度
Vr 基準電圧
Ver 励起電圧
Claims (19)
- 演算増幅器(OP1)の反転入力に第1の接続導線(W1)を介し接続される第1の端子(d)と、共通電位である接地電位(GND)に第3の接続導線(W3)を介し接続される第2の端子(e)と、を有する熱抵抗器(RTD)を含んでいて、前記第2の端子(e)が、前記演算増幅器(OP1)の非反転入力にも第2の導線(W2)を介し接続されていて、前記演算増幅器(OP1)が、測定された温度(T)に対応する出力信号(ST)を伝達している、接続導線抵抗を補償するための原理に基づく温度測定装置であって、
前記第2の導線(W2)が、出力を含む増幅器(2)の入力に前記熱抵抗器(RTD)の前記第2の端子(e)を接続していて、前記出力が、前記演算増幅器(OP1)の前記非反転入力に第1の抵抗器(R7)を介し接続されていて、前記演算増幅器(OP1)の前記反転入力及び出力が、第2の抵抗器(R3)を介し相互接続され、
前記増幅器(2)の前記出力が、前記演算増幅器(OP1)の前記反転入力に第3の抵抗器(R4)を介し接続され、
前記演算増幅器(OP1)の前記非反転入力が、基準電圧源(1)に第4の抵抗器(R5)を介し接続され、接地電位(GND)に第5の抵抗器(R6)を介し接続されること、を特徴とする温度測定装置。 - 前記増幅器(2)が、2より大きい利得(G)を有することを特徴とする請求項1記載の温度測定装置。
- 前記演算増幅器(OP1)の前記非反転入力が、励起電圧(Ver)を提供する内部抵抗(Rin)を含む励起電圧基準(7)に接続されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の温度測定装置。
- 前記演算増幅器(OP1)の前記反転入力が、基準電圧電源(1)に、第6の抵抗器(R1)を介し接続されることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の温度測定装置。
- 前記第1の接続導線(W1)が、前記演算増幅器(OP1)の前記反転入力に第7の抵抗器(R2)を介し接続されることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の温度測定装置。
- 前記増幅器(2)が、更なる演算増幅器(OP2)であって、その前記非反転入力が、前記第2の導線(W2)に接続され、その前記反転入力が、増幅器(2)の前記出力に第8の抵抗器(R8)を介し接続され、前記更なる前記演算増幅器(OP2)の出力も、接地電位(GND)に第9の抵抗器(R9)を介し接続されることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の温度測定装置。
- 前記更なる演算増幅器(OP2)の前記反転入力が、前記第2の導線(W2)に第10の抵抗器(R10)を介し、接地電位(GND)に第11の抵抗器(R11)を介し接続されることを特徴とする請求項10記載の温度測定装置。
- 第1の導線(W1)及び前記第3の導線(W3)が同一素材から成り、ほとんど同一の抵抗を有することを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の温度測定装置。
- 前記演算増幅器(OP1)の前記出力(ST)が、演算ユニット(4)にデジタル信号を提供していて、共通の基準電圧電源(1)に接続されているアナログ−デジタル変換ユニット(3)などの信号処理装置に送信されることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の温度測定装置。
- 演算増幅器(OP1)の反転入力に第1の接続導線(W1)を介し接続される第1の端子(d)と、共通電位である接地電位(GND)に第3の接続導線(W3)を介し接続される第2の端子(e)と、を有する熱抵抗器(RTD)を含んでいて、前記第2の端子(e)が、前記演算増幅器(OP1)の非反転入力にも第2の導線(W2)を介し接続されていて、前記演算増幅器(OP1)が、測定された温度(T)に対応する出力信号(ST)を伝達している、接続導線抵抗を補償するための原理に基づく温度測定方法であって、
前記熱抵抗器(RTD)の前記第2の端子(e)の信号が、前記演算増幅器(OP1)の前記非反転入力に第1の抵抗器(R7)を介し前記増幅された信号を送信する増幅器(2)に前記第2の導線(W2)を介し送信されていて、前記演算増幅器(OP1)の前記出力信号が、前記演算増幅器(OP1)の前記反転入力に第2の抵抗器(R3)を介し供給され、
前記増幅器(2)が、前記演算増幅器(OP1)の前記反転入力に第3の抵抗器(R4)を介し前記増幅された信号を送信し、
前記演算増幅器(OP1)の前記非反転入力が、基準電圧源(1)に第4の抵抗器(R5)を介し接続され、接地電位(GND)に第5の抵抗器(R6)を介し接続されること、を特徴とする温度測定方法。 - 前記信号熱抵抗器(RTD)の前記第2の端子(e)の前記信号が、2より大きい利得(G)を有する前記増幅器(2)によって増幅されることを特徴とする請求項14記載の測定方法。
- 前記演算増幅器(OP1)の前記非反転入力が、励起電圧(Ver)を提供し、内部抵抗(Rin)を含む励起電圧基準(7)によって励起されることを特徴とする請求項14又は15記載の測定方法。
- 熱抵抗器(RTD)が、前記演算増幅器(OP1)によって制御される励起電圧によって駆動されることを特徴とする請求項14から16のいずれかに記載の測定方法。
- 中間値(A、B)が、初期フェーズ及び/又はキャリブレーションフェーズの間に計算され、更なる計算のためにストアされることを特徴とする14から17のいずれかに記載の測定方法。
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