関数近似温度変換器
【課題】本発明は、直線性誤差の向上と複雑な処理、煩雑な確認を防止し、最適な多項式近似により、基準熱起電力または基準抵抗値の線形化ができる温度変換器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、熱電対や測温抵抗体を含む温度検出素子の非線形な検出信号に基づく出力を温度変化に対して線形になるように線形化する温度変換器において、ｎ次の多項式近似式を用いて前記出力を線形化する温度変換部と、前記多項式近似式の係数と近似範囲を指定する近似係数テーブル部を備え、前記温度変換部は、前記近似係数テーブル部より前記検出信号の近似範囲に入る近似の係数を読んで多項式近似計算をすることを特徴とする。
【解決手段】本発明は、熱電対や測温抵抗体を含む温度検出素子の非線形な検出信号に基づく出力を温度変化に対して線形になるように線形化する温度変換器において、ｎ次の多項式近似式を用いて前記出力を線形化する温度変換部と、前記多項式近似式の係数と近似範囲を指定する近似係数テーブル部を備え、前記温度変換部は、前記近似係数テーブル部より前記検出信号の近似範囲に入る近似の係数を読んで多項式近似計算をすることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電対または測温抵抗体の非直線誤差の補正を行うのに好適な関数近似を用いた温度変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電対、測温抵抗体の温度に対する基準熱起電力または基準抵抗値は（ＪＩＳ Ｃ １６０２）または（ＪＩＳ Ｃ １６０４）で規定されている。
【０００３】
これらの検出信号の特性は温度に対して非線形の関数であり、温度変換器で温度に対して比例の出力となるように演算回路を使用して、非線形から線形の変換（線形化）を行っている。
【０００４】
従来、演算増幅器で非直線演算を実現し、線形化を行う、特公平２−１６８４６号公報に示す非直線演算回路や、直接温度測定が困難な場合に演算式を使用して温度を求める特開２００５−５５３７８号公報に示す温度変換器、温度検出方法及び温度検出プログラムが考案されている。
【０００５】
また、マイクロプロセッサを使用し、熱電対の標準起電力および測温抵抗体の基準抵抗値の値を折線関数で、例えば１０℃間隔の一定の温度間隔で折線点を指定し、近似演算で線形化を行っている。
【０００６】
しかし、上記従来技術では以下の問題があった。
【０００７】
演算増幅器の場合は、二次関数を発生させ、線形化を行っているが、補正後の非直線誤差が０．０６％／−０．０８％あり、これ以上の誤差を低減できないのと、入力に対して非直線誤差が脈動するという欠点がある。
【０００８】
直接温度測定が困難な場合の演算式を使用して温度を求める例は間接的な温度測定で被測定物の温度を推定する演算式を提示しているのみであり、基準熱起電力や基準抵抗値の線形化については考慮されていなかった。
【０００９】
折線関数を用いて、近似演算を行う場合は例えばＲ形熱電対の場合で（０℃〜１６００℃）の範囲の線形化で、１０℃間隔の折線関数で近似を行う場合、折線点数は１６０点の指定が必要であり、この分のメモリを必要とする。
【００１０】
標準熱起電力は通常温度が低い側ほど非線形（曲がり）が急で、この区間は折線の温度間隔を細かく取る必要があり処理が複雑となる。折線で指定する各ポイントに亘って正しく近似できているかの確認が煩雑で時間が掛かるという欠点があった。
【００１１】
通常、非線形のグラフの近似曲線を求める場合、多項式近似を行うことが知られている。しかしながら、基準熱起電力と基準抵抗式の多項式近似を行う場合、下記のｎ次の多項式近似式を用いる。
【００１２】
Ｙ＝Ｃｎ・Ｘｎ＋Ｃｎ−１・Ｘｎ−１＋……Ｃ２・Ｘ２＋Ｃ１・Ｘ＋Ｃ０
上記式の次数ｎを最適にする必要がある。次数が低いと処理は簡易であるが、直線的になり直線誤差が大きくなり、これを防止するため、近似区間を短くする必要があり、１次までの場合は折線近似と同等となる。
【００１３】
次数が高いと非直線のより近い近似が可能であるが、各次数の係数Ｃｎ数の増加と関数近似演算の処理の時間が増大する。
【００１４】
【特許文献１】特公平２−１６８４６号公報
【特許文献２】特開２００５−５５３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記の課題に鑑み、上記従来技術の直線性誤差の向上と複雑な処理、煩雑な確認を防止し、最適な多項式近似により、基準熱起電力または基準抵抗値の線形化を行う温度変換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、熱電対や測温抵抗体を含む温度検出素子の非線形な検出信号に基づく出力を温度変化に対して線形になるように線形化する温度変換器において、ｎ次の多項式近似式を用いて前記出力を線形化する温度変換部と、前記多項式近似式の係数と近似範囲を指定する近似係数テーブル部を備え、前記温度変換部は、前記近似係数テーブル部より前記検出信号の近似範囲に入る近似の係数を読んで多項式近似計算をすることを特徴とする。
【００１７】
更に、具体的には熱電対の熱起電力を、また測温抵抗体に例えば１ｍＡの定電流を流し抵抗値の変化を電圧とし捉え、その電圧を演算増幅器で増幅する入力増幅部と、これをデジタル信号に変換するＡＤ変換部と多項式近似演算を行う温度変換部と多項式近似の係数と近似範囲を指定する近似係数テーブル部を設け、非線形の検出信号（電圧）を線形化して温度を求めるよう構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、多項式近似式の各次数と多項式近似範囲を定義するだけで、同一の演算式で基準熱起電力の非線形が異なる熱電対種別（Ｒ，Ｋ，Ｅ，Ｊ，Ｔ，Ｓ，Ｂ，Ｎ）熱電対種類および測温抵抗体（Ｐｔ１００，Ｊｐｔ１００）に使い分けられるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、温度変換器に多項式近似を行う温度変換部と多項式近似の係数と近似範囲を指定する温度の近似係数テーブルを設けることにより実現した。
【００２０】
以下、図面を用いて、本発明を温度変換器に適用した実施例について説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１において、温度変換器は、熱電対の熱起電力信号を受けるマルチプレクサ１−１、演算増幅器１、ＡＤ変換部２、温度変換部３、熱電対の近似係数テーブル部４ａ、出力部５を有する。
【００２２】
熱電対の熱起電力信号は、ＡＩ１とＡＩ２として、マルチプレクサ１−１に入る。熱電対の冷接点側の温度補償のため、周囲温度を検出するため冷接点補償用温度センサを設け、ＡＩ３として、マルチプレクサ１−１に入る。
【００２３】
マルチプレクサ１−１で選択した信号は演算増幅器１でＡＤ変換の信号レベルまで、ｍＶ信号をＶ信号へ増幅を行う。増幅した信号はＡＤ変換部２で熱起電力デジタル信号Ｅ＿ＴＣに変換する。
【００２４】
温度変換部３は熱電対の近似係数テーブル部４ａから取込んだ熱起電力デジタル信号Ｅ＿ＴＣの近似範囲に入っている近似係数Ｃ５〜Ｃ０を読み出す。
【００２５】
読み出したＣ５〜Ｃ０を使用して、下記式の多項式近似計算をする。
【００２６】
Ｙ＝Ｃ５・Ｘ５＋Ｃ４・Ｘ４＋Ｃ３・Ｘ３＋Ｃ２・Ｘ２＋Ｃ１・Ｘ＋Ｃ０
上記の計算を行い、熱起電力デジタル信号に対する熱起電力温度値Ｙを求める。
【００２７】
熱起電力温度値ＹからＡＩ３の冷接点温度デジタル信号Ｔ（ＡＩ３）を減算し、出力部５でＤＡ変換を行い、ＤＣ１−５Ｖスパン信号やＤＣ４−２０ｍＡスパン信号として出力する。
【００２８】
多項式の次数を４次と５次にした場合の近似演算結果の一例を表１に示す。
【００２９】
関数近似演算は、Ｒ形熱電対の０〜２００℃の範囲で下式の近似演算を用いた。
【００３０】
４乗近似式（１）
ｙ１＝−７．１８７９７８Ｅ−１２ｘ４＋３．２０８０３８Ｅ−０８ｘ３−６．４７３１１１Ｅ−０５ｘ２＋１．８４６３８６Ｅ−０１ｘ＋１．６６３１４１Ｅ−０１
５乗近似式（２）
ｙ２＝５．０９９５９５Ｅ−１５ｘ５−２．５７０２５９Ｅ−１１ｘ４＋５．５８６４５４Ｅ−０８ｘ３−７．７５１６３８Ｅ−０５ｘ２＋１．８７２１５８Ｅ−０１ｘ＋５．０１８４２９Ｅ−０２
【００３１】
【表１】
【００３２】
これより、４乗近似の誤差は０．１７℃〜−０．１１℃であるが、５乗近似では−０．０２〜０．０５℃の範囲で誤差が少ない。温度変換器の誤差を±０．１℃とした場合、温度演算誤差は±０．０５℃以下が求められる。
【００３３】
４乗近似の誤差を少なくするのは近似範囲を狭め例えば０〜１００℃の範囲とすると良いが、これには係数テーブルが倍となり、メモリ容量の増大とそれに合わせて処理確認が煩雑となる。
【００３４】
また、熱起電力の関数近似の範囲で、Ｋ形熱電対の−２００〜１００℃の範囲で下式の近似演算を用いた場合の近似温度範囲と演算誤差を表２に示す。
【００３５】
５乗近似式（３）（近似温度範囲−２００〜１００℃）
ｙ３＝３．８９８８８３Ｅ−１８ｘ５−３．５４８６８１Ｅ−１５ｘ４−２．３７９４８４Ｅ−１２ｘ３−４．７０８３５５Ｅ−０７ｘ２＋２．５６４５５５Ｅ−０２ｘ＋４．７１３９１６Ｅ−０２
５乗近似式（４）（近似温度範囲−２００〜−１００℃）
ｙ４＝４．３１７６４４Ｅ−１６ｘ５＋９．３３９４０７Ｅ−１２ｘ４＋８．１２９４６８Ｅ−０８ｘ３＋３．５２１７０６Ｅ−０４ｘ２＋７．８８３３０９Ｅ−０１ｘ＋６．５７６００６Ｅ＋０２
５乗近似式（５）（近似温度範囲−１００〜１００℃）
ｙ５＝７．６２１５７０Ｅ−１９ｘ５−７．１３０６０９Ｅ−１５ｘ４＋６．４５１５５１Ｅ−１１ｘ３−４．２８８６０３Ｅ−０７ｘ２＋２．５３６２９８Ｅ−０２ｘ＋３．４５１２５１Ｅ−０３
【００３６】
【表２】
【００３７】
これより、熱電対の標準熱起電力の非線形（曲がり）が急であるところの負の温度範囲において、一括−２００〜１００℃の関数近似を行う５乗近似式（３）は演算誤差が１．１６〜−０．４６℃と大である。
【００３８】
このため、関数近似範囲を−２００℃〜−１００℃の５乗近似式（４）と−１００℃〜１００℃の５乗近似式（５）の分割を行う。
【００３９】
これにより、演算誤差０．０３〜−０．０４℃と誤差を低減することができる。取込んだ熱起電力デジタル信号Ｅ＿ＴＣに対する近似範囲を設け、近似係数Ｃ５〜Ｃ０をこの範囲毎に定めた、熱電対近似係数テーブルを用意する。
【００４０】
表３に適用したＫ形熱電対の熱電対近似係数テーブルの一例を示す。
【００４１】
【表３】
【００４２】
図２は５乗の関数近似式を用い、Ｋ形熱電対で取込んだ熱起電力デジタル信号Ｅ＿ＴＣから、熱起電力温度を求める図を示す。
【００４３】
各Ｋ形熱電対の標準熱起電力から領域〔（１）−（５）〕として５分割し、標準熱起電力の非線形で曲線の曲がりの大きい箇所は領域を狭くし、直線に近い箇所は領域を大きくする。
【００４４】
これにより、領域の数を減らしテーブルサイズを小さくするとともに、演算誤差を±０．０５℃とすることができる。
【００４５】
他のＲ，Ｅ，Ｊ，Ｔ，Ｓ，Ｂ，Ｎについても、同様に熱電対起電力近似範囲毎にＣ５〜Ｃ０を定めた熱電対起電力近似係数テーブルを設ける。
【００４６】
これにより、熱電対近似係数テーブルを用い、現在の取込んだＥ＿ＴＣに対応する近似係数Ｃ５〜Ｃ０を取出し、５乗の関数近似演算（Ｙ＝Ｃ５・Ｘ５＋Ｃ４・Ｘ４＋Ｃ３・Ｘ３＋Ｃ２・Ｘ２＋Ｃ１・Ｘ＋Ｃ０）で線形化を、同じ演算式で、近似範囲に対応する係数Ｃ５〜Ｃ０のみ変えれば、全ての熱電対の線形化を誤差少なく行うことが可能となる。
【００４７】
また、近似範囲を細かくする近似係数テーブルの行追加と近似係数の変更をするだけで、同一の演算式を使用するため、簡易な確認でより誤差を少なくすることが対応可能となる。
【００４８】
図３は測温抵抗体の実施例を示す。
【００４９】
測温抵抗体に定電流源から１ｍＡまたは２ｍＡなどの定電流を流す。測温抵抗体の抵抗値信号はＡＩ１とＡＩ２として、マルチプレクサ１−１に入る。
【００５０】
また測温抵抗体の配線抵抗の抵抗降下分を検出するため、ＡＩ３として、マルチプレクサ１−１に入る。マルチプレクサ１−１で選択した信号は演算増幅器１でＡＤ変換の信号レベルまで、ｍＶ信号をＶ信号へ増幅を行う。
【００５１】
増幅した信号はＡＤ変換部２で抵抗値デジタル信号に変換する。
【００５２】
温度変換部３は抵抗値デジタル信号と配線抵抗値デジタル信号から測温抵抗値Ｒ＿ＴＲを求める。
【００５３】
Ｒ＿ＴＲ＝（ＡＩ１−ＡＩ２−２＊ＡＩ３）／Ｉ
（ただし、Ｉは測温抵抗体定電流源の電流値）
測温抵抗体近似係数テーブル部４ｂから取込んだ測温抵抗体値Ｒ＿ＴＲの近似範囲に入っている近似係数Ｃ５〜Ｃ０を読み出す。読み出したＣ５〜Ｃ０を使用して、下記式で多項式近似計算をする。
【００５４】
Ｙ＝Ｃ５・Ｘ５＋Ｃ４・Ｘ４＋Ｃ３・Ｘ３＋Ｃ２・Ｘ２＋Ｃ１・Ｘ＋Ｃ０
上記の計算を行い、熱起電力デジタル信号に対する測温抵抗体温度値Ｙを求める。
【００５５】
出力部５でＤＡ変換を行い、ＤＣ１−５Ｖスパン信号やＤＣ４−２０ｍＡスパン信号として出力する。
【００５６】
図４は熱電対温度変換器に適用したフロー図の実施例を示す。
【００５７】
ＡＤ変換を行い、ＡＩ１〜ＡＩ３を取込む。次に熱電対起電力Ｅ＿ＴＣ＝ＡＩ１−ＡＩ２で求める。
【００５８】
次に熱電対種別（Ｒ，Ｋ，Ｅ，Ｊ，Ｔ，Ｓ，Ｂ，Ｎ）毎の熱電対近似係数テーブルから使用している熱電対種別の近似テーブルを選択する。
【００５９】
次にＥ＿ＴＣから近似範囲を選択し、近似係数Ｃ５〜Ｃ０を取出す。次に関数近似演算を行い、熱起電力温度値Ｙを演算する。
【００６０】
次にＴ＝Ｙ−Ｔ（ＡＩ３）で冷接点補償演算を行う。
【００６１】
次にＤＡ変換で温度Ｔを出力する。これを例えば１００ｍｓの演算周期毎に繰り返す。
【００６２】
図５は測温抵抗体温度変換器に適用したフロー図の実施例を示す。
【００６３】
ＡＤ変換を行い、ＡＩ１〜ＡＩ３を取込む。次に測温抵抗値Ｒ＿ＴＲをＲ＿ＴＲ＝（ＡＩ１−ＡＩ２−２＊ＡＩ３）／Ｉで求める。
【００６４】
次に測温抵抗体種別（Ｐｔ１００，ＪＰｔ１００）毎の熱電対近似係数テーブルから使用している測温抵抗体種別の近似テーブルを選択する。
【００６５】
次にＲ＿ＴＲから近似範囲を選択し、近似係数Ｃ５〜Ｃ０を取出す。
【００６６】
次に関数近似演算を行い、測温抵抗体温度値Ｙを演算する。次にＤＡ変換で温度Ｙを出力する。これを例えば１００ｍｓの演算周期毎に繰り返す。
【００６７】
図６は折線関数演算器の実施例を示す。
【００６８】
検出器からのｍＶやＶの電圧信号またはｍＡの電流信号をＡＩ１とＡＩ２として、マルチプレクサ１−１に入る。
【００６９】
マルチプレクサ１−１で選択した信号は演算増幅器１でＡＤ変換の信号レベルまで、ｍＶ信号をＶ信号へ増幅を行う。
【００７０】
増幅した信号はＡＤ変換部２で測定デジタル信号Ｖｉｎに変換する。関数近似演算部６は関数近似係数テーブル部４ｃから取込んだ測定デジタル信号Ｖｉｎの近似範囲に入っている近似係数Ｃ５〜Ｃ０を読み出す。
【００７１】
読み出したＣ５〜Ｃ０を使用して、下記式で多項式近似計算する。
【００７２】
Ｙ＝Ｃ５・Ｘ５＋Ｃ４・Ｘ４＋Ｃ３・Ｘ３＋Ｃ２・Ｘ２＋Ｃ１・Ｘ＋Ｃ０
上記の計算を行い、測定デジタル信号Ｖｉｎに対する線形化演算値Ｙを求める。出力部５でＤＡ変換を行い、ＤＣ１−５Ｖスパン信号やＤＣ４−２０ｍＡスパン信号として出力する。
【００７３】
これにより、複雑な非線形の信号を出力する変換器も関数近似を使用することにより、線形化することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
関数近似で、熱電対、測温抵抗体の線形化を行うことにより、誤差を低減しながら、簡易に温度を出力することが可能となる。また、熱電対、測温抵抗体だけでなく、例えば従来の折線関数演算器も、関数近似で適用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に係わるもので、熱電対の温度変換器の実施方法を示した説明図である（実施例１）。
【図２】本発明に係わるもので、熱電対の温度変換器の５乗関数近似の方式を示した説明図である。
【図３】本発明に係わるもので、測温抵抗体温度変換器の実施方法を示した説明図である（実施例２）。
【図４】本発明に係わるもので、熱電対温度変換器のフロー図を示した説明図である。
【図５】本発明に係わるもので、測温抵抗体温度変換器のフロー図を示した説明図である。
【図６】本発明に係わるもので、折線関数演算器の実施方法を示した説明図である（実施例３）。
【符号の説明】
【００７６】
１…演算増幅器、１−１…マルチプレクサ、２…ＡＤ変換部、３…温度変換部、４ａ…熱電対の近似係数テーブル部、４ｂ…測温抵抗体の近似係数テーブル部、４ｃ…関数近似の係数テーブル部、５…出力部、６…関数近似演算部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電対または測温抵抗体の非直線誤差の補正を行うのに好適な関数近似を用いた温度変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電対、測温抵抗体の温度に対する基準熱起電力または基準抵抗値は（ＪＩＳ Ｃ １６０２）または（ＪＩＳ Ｃ １６０４）で規定されている。
【０００３】
これらの検出信号の特性は温度に対して非線形の関数であり、温度変換器で温度に対して比例の出力となるように演算回路を使用して、非線形から線形の変換（線形化）を行っている。
【０００４】
従来、演算増幅器で非直線演算を実現し、線形化を行う、特公平２−１６８４６号公報に示す非直線演算回路や、直接温度測定が困難な場合に演算式を使用して温度を求める特開２００５−５５３７８号公報に示す温度変換器、温度検出方法及び温度検出プログラムが考案されている。
【０００５】
また、マイクロプロセッサを使用し、熱電対の標準起電力および測温抵抗体の基準抵抗値の値を折線関数で、例えば１０℃間隔の一定の温度間隔で折線点を指定し、近似演算で線形化を行っている。
【０００６】
しかし、上記従来技術では以下の問題があった。
【０００７】
演算増幅器の場合は、二次関数を発生させ、線形化を行っているが、補正後の非直線誤差が０．０６％／−０．０８％あり、これ以上の誤差を低減できないのと、入力に対して非直線誤差が脈動するという欠点がある。
【０００８】
直接温度測定が困難な場合の演算式を使用して温度を求める例は間接的な温度測定で被測定物の温度を推定する演算式を提示しているのみであり、基準熱起電力や基準抵抗値の線形化については考慮されていなかった。
【０００９】
折線関数を用いて、近似演算を行う場合は例えばＲ形熱電対の場合で（０℃〜１６００℃）の範囲の線形化で、１０℃間隔の折線関数で近似を行う場合、折線点数は１６０点の指定が必要であり、この分のメモリを必要とする。
【００１０】
標準熱起電力は通常温度が低い側ほど非線形（曲がり）が急で、この区間は折線の温度間隔を細かく取る必要があり処理が複雑となる。折線で指定する各ポイントに亘って正しく近似できているかの確認が煩雑で時間が掛かるという欠点があった。
【００１１】
通常、非線形のグラフの近似曲線を求める場合、多項式近似を行うことが知られている。しかしながら、基準熱起電力と基準抵抗式の多項式近似を行う場合、下記のｎ次の多項式近似式を用いる。
【００１２】
Ｙ＝Ｃｎ・Ｘｎ＋Ｃｎ−１・Ｘｎ−１＋……Ｃ２・Ｘ２＋Ｃ１・Ｘ＋Ｃ０
上記式の次数ｎを最適にする必要がある。次数が低いと処理は簡易であるが、直線的になり直線誤差が大きくなり、これを防止するため、近似区間を短くする必要があり、１次までの場合は折線近似と同等となる。
【００１３】
次数が高いと非直線のより近い近似が可能であるが、各次数の係数Ｃｎ数の増加と関数近似演算の処理の時間が増大する。
【００１４】
【特許文献１】特公平２−１６８４６号公報
【特許文献２】特開２００５−５５３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記の課題に鑑み、上記従来技術の直線性誤差の向上と複雑な処理、煩雑な確認を防止し、最適な多項式近似により、基準熱起電力または基準抵抗値の線形化を行う温度変換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、熱電対や測温抵抗体を含む温度検出素子の非線形な検出信号に基づく出力を温度変化に対して線形になるように線形化する温度変換器において、ｎ次の多項式近似式を用いて前記出力を線形化する温度変換部と、前記多項式近似式の係数と近似範囲を指定する近似係数テーブル部を備え、前記温度変換部は、前記近似係数テーブル部より前記検出信号の近似範囲に入る近似の係数を読んで多項式近似計算をすることを特徴とする。
【００１７】
更に、具体的には熱電対の熱起電力を、また測温抵抗体に例えば１ｍＡの定電流を流し抵抗値の変化を電圧とし捉え、その電圧を演算増幅器で増幅する入力増幅部と、これをデジタル信号に変換するＡＤ変換部と多項式近似演算を行う温度変換部と多項式近似の係数と近似範囲を指定する近似係数テーブル部を設け、非線形の検出信号（電圧）を線形化して温度を求めるよう構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、多項式近似式の各次数と多項式近似範囲を定義するだけで、同一の演算式で基準熱起電力の非線形が異なる熱電対種別（Ｒ，Ｋ，Ｅ，Ｊ，Ｔ，Ｓ，Ｂ，Ｎ）熱電対種類および測温抵抗体（Ｐｔ１００，Ｊｐｔ１００）に使い分けられるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、温度変換器に多項式近似を行う温度変換部と多項式近似の係数と近似範囲を指定する温度の近似係数テーブルを設けることにより実現した。
【００２０】
以下、図面を用いて、本発明を温度変換器に適用した実施例について説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１において、温度変換器は、熱電対の熱起電力信号を受けるマルチプレクサ１−１、演算増幅器１、ＡＤ変換部２、温度変換部３、熱電対の近似係数テーブル部４ａ、出力部５を有する。
【００２２】
熱電対の熱起電力信号は、ＡＩ１とＡＩ２として、マルチプレクサ１−１に入る。熱電対の冷接点側の温度補償のため、周囲温度を検出するため冷接点補償用温度センサを設け、ＡＩ３として、マルチプレクサ１−１に入る。
【００２３】
マルチプレクサ１−１で選択した信号は演算増幅器１でＡＤ変換の信号レベルまで、ｍＶ信号をＶ信号へ増幅を行う。増幅した信号はＡＤ変換部２で熱起電力デジタル信号Ｅ＿ＴＣに変換する。
【００２４】
温度変換部３は熱電対の近似係数テーブル部４ａから取込んだ熱起電力デジタル信号Ｅ＿ＴＣの近似範囲に入っている近似係数Ｃ５〜Ｃ０を読み出す。
【００２５】
読み出したＣ５〜Ｃ０を使用して、下記式の多項式近似計算をする。
【００２６】
Ｙ＝Ｃ５・Ｘ５＋Ｃ４・Ｘ４＋Ｃ３・Ｘ３＋Ｃ２・Ｘ２＋Ｃ１・Ｘ＋Ｃ０
上記の計算を行い、熱起電力デジタル信号に対する熱起電力温度値Ｙを求める。
【００２７】
熱起電力温度値ＹからＡＩ３の冷接点温度デジタル信号Ｔ（ＡＩ３）を減算し、出力部５でＤＡ変換を行い、ＤＣ１−５Ｖスパン信号やＤＣ４−２０ｍＡスパン信号として出力する。
【００２８】
多項式の次数を４次と５次にした場合の近似演算結果の一例を表１に示す。
【００２９】
関数近似演算は、Ｒ形熱電対の０〜２００℃の範囲で下式の近似演算を用いた。
【００３０】
４乗近似式（１）
ｙ１＝−７．１８７９７８Ｅ−１２ｘ４＋３．２０８０３８Ｅ−０８ｘ３−６．４７３１１１Ｅ−０５ｘ２＋１．８４６３８６Ｅ−０１ｘ＋１．６６３１４１Ｅ−０１
５乗近似式（２）
ｙ２＝５．０９９５９５Ｅ−１５ｘ５−２．５７０２５９Ｅ−１１ｘ４＋５．５８６４５４Ｅ−０８ｘ３−７．７５１６３８Ｅ−０５ｘ２＋１．８７２１５８Ｅ−０１ｘ＋５．０１８４２９Ｅ−０２
【００３１】
【表１】
【００３２】
これより、４乗近似の誤差は０．１７℃〜−０．１１℃であるが、５乗近似では−０．０２〜０．０５℃の範囲で誤差が少ない。温度変換器の誤差を±０．１℃とした場合、温度演算誤差は±０．０５℃以下が求められる。
【００３３】
４乗近似の誤差を少なくするのは近似範囲を狭め例えば０〜１００℃の範囲とすると良いが、これには係数テーブルが倍となり、メモリ容量の増大とそれに合わせて処理確認が煩雑となる。
【００３４】
また、熱起電力の関数近似の範囲で、Ｋ形熱電対の−２００〜１００℃の範囲で下式の近似演算を用いた場合の近似温度範囲と演算誤差を表２に示す。
【００３５】
５乗近似式（３）（近似温度範囲−２００〜１００℃）
ｙ３＝３．８９８８８３Ｅ−１８ｘ５−３．５４８６８１Ｅ−１５ｘ４−２．３７９４８４Ｅ−１２ｘ３−４．７０８３５５Ｅ−０７ｘ２＋２．５６４５５５Ｅ−０２ｘ＋４．７１３９１６Ｅ−０２
５乗近似式（４）（近似温度範囲−２００〜−１００℃）
ｙ４＝４．３１７６４４Ｅ−１６ｘ５＋９．３３９４０７Ｅ−１２ｘ４＋８．１２９４６８Ｅ−０８ｘ３＋３．５２１７０６Ｅ−０４ｘ２＋７．８８３３０９Ｅ−０１ｘ＋６．５７６００６Ｅ＋０２
５乗近似式（５）（近似温度範囲−１００〜１００℃）
ｙ５＝７．６２１５７０Ｅ−１９ｘ５−７．１３０６０９Ｅ−１５ｘ４＋６．４５１５５１Ｅ−１１ｘ３−４．２８８６０３Ｅ−０７ｘ２＋２．５３６２９８Ｅ−０２ｘ＋３．４５１２５１Ｅ−０３
【００３６】
【表２】
【００３７】
これより、熱電対の標準熱起電力の非線形（曲がり）が急であるところの負の温度範囲において、一括−２００〜１００℃の関数近似を行う５乗近似式（３）は演算誤差が１．１６〜−０．４６℃と大である。
【００３８】
このため、関数近似範囲を−２００℃〜−１００℃の５乗近似式（４）と−１００℃〜１００℃の５乗近似式（５）の分割を行う。
【００３９】
これにより、演算誤差０．０３〜−０．０４℃と誤差を低減することができる。取込んだ熱起電力デジタル信号Ｅ＿ＴＣに対する近似範囲を設け、近似係数Ｃ５〜Ｃ０をこの範囲毎に定めた、熱電対近似係数テーブルを用意する。
【００４０】
表３に適用したＫ形熱電対の熱電対近似係数テーブルの一例を示す。
【００４１】
【表３】
【００４２】
図２は５乗の関数近似式を用い、Ｋ形熱電対で取込んだ熱起電力デジタル信号Ｅ＿ＴＣから、熱起電力温度を求める図を示す。
【００４３】
各Ｋ形熱電対の標準熱起電力から領域〔（１）−（５）〕として５分割し、標準熱起電力の非線形で曲線の曲がりの大きい箇所は領域を狭くし、直線に近い箇所は領域を大きくする。
【００４４】
これにより、領域の数を減らしテーブルサイズを小さくするとともに、演算誤差を±０．０５℃とすることができる。
【００４５】
他のＲ，Ｅ，Ｊ，Ｔ，Ｓ，Ｂ，Ｎについても、同様に熱電対起電力近似範囲毎にＣ５〜Ｃ０を定めた熱電対起電力近似係数テーブルを設ける。
【００４６】
これにより、熱電対近似係数テーブルを用い、現在の取込んだＥ＿ＴＣに対応する近似係数Ｃ５〜Ｃ０を取出し、５乗の関数近似演算（Ｙ＝Ｃ５・Ｘ５＋Ｃ４・Ｘ４＋Ｃ３・Ｘ３＋Ｃ２・Ｘ２＋Ｃ１・Ｘ＋Ｃ０）で線形化を、同じ演算式で、近似範囲に対応する係数Ｃ５〜Ｃ０のみ変えれば、全ての熱電対の線形化を誤差少なく行うことが可能となる。
【００４７】
また、近似範囲を細かくする近似係数テーブルの行追加と近似係数の変更をするだけで、同一の演算式を使用するため、簡易な確認でより誤差を少なくすることが対応可能となる。
【００４８】
図３は測温抵抗体の実施例を示す。
【００４９】
測温抵抗体に定電流源から１ｍＡまたは２ｍＡなどの定電流を流す。測温抵抗体の抵抗値信号はＡＩ１とＡＩ２として、マルチプレクサ１−１に入る。
【００５０】
また測温抵抗体の配線抵抗の抵抗降下分を検出するため、ＡＩ３として、マルチプレクサ１−１に入る。マルチプレクサ１−１で選択した信号は演算増幅器１でＡＤ変換の信号レベルまで、ｍＶ信号をＶ信号へ増幅を行う。
【００５１】
増幅した信号はＡＤ変換部２で抵抗値デジタル信号に変換する。
【００５２】
温度変換部３は抵抗値デジタル信号と配線抵抗値デジタル信号から測温抵抗値Ｒ＿ＴＲを求める。
【００５３】
Ｒ＿ＴＲ＝（ＡＩ１−ＡＩ２−２＊ＡＩ３）／Ｉ
（ただし、Ｉは測温抵抗体定電流源の電流値）
測温抵抗体近似係数テーブル部４ｂから取込んだ測温抵抗体値Ｒ＿ＴＲの近似範囲に入っている近似係数Ｃ５〜Ｃ０を読み出す。読み出したＣ５〜Ｃ０を使用して、下記式で多項式近似計算をする。
【００５４】
Ｙ＝Ｃ５・Ｘ５＋Ｃ４・Ｘ４＋Ｃ３・Ｘ３＋Ｃ２・Ｘ２＋Ｃ１・Ｘ＋Ｃ０
上記の計算を行い、熱起電力デジタル信号に対する測温抵抗体温度値Ｙを求める。
【００５５】
出力部５でＤＡ変換を行い、ＤＣ１−５Ｖスパン信号やＤＣ４−２０ｍＡスパン信号として出力する。
【００５６】
図４は熱電対温度変換器に適用したフロー図の実施例を示す。
【００５７】
ＡＤ変換を行い、ＡＩ１〜ＡＩ３を取込む。次に熱電対起電力Ｅ＿ＴＣ＝ＡＩ１−ＡＩ２で求める。
【００５８】
次に熱電対種別（Ｒ，Ｋ，Ｅ，Ｊ，Ｔ，Ｓ，Ｂ，Ｎ）毎の熱電対近似係数テーブルから使用している熱電対種別の近似テーブルを選択する。
【００５９】
次にＥ＿ＴＣから近似範囲を選択し、近似係数Ｃ５〜Ｃ０を取出す。次に関数近似演算を行い、熱起電力温度値Ｙを演算する。
【００６０】
次にＴ＝Ｙ−Ｔ（ＡＩ３）で冷接点補償演算を行う。
【００６１】
次にＤＡ変換で温度Ｔを出力する。これを例えば１００ｍｓの演算周期毎に繰り返す。
【００６２】
図５は測温抵抗体温度変換器に適用したフロー図の実施例を示す。
【００６３】
ＡＤ変換を行い、ＡＩ１〜ＡＩ３を取込む。次に測温抵抗値Ｒ＿ＴＲをＲ＿ＴＲ＝（ＡＩ１−ＡＩ２−２＊ＡＩ３）／Ｉで求める。
【００６４】
次に測温抵抗体種別（Ｐｔ１００，ＪＰｔ１００）毎の熱電対近似係数テーブルから使用している測温抵抗体種別の近似テーブルを選択する。
【００６５】
次にＲ＿ＴＲから近似範囲を選択し、近似係数Ｃ５〜Ｃ０を取出す。
【００６６】
次に関数近似演算を行い、測温抵抗体温度値Ｙを演算する。次にＤＡ変換で温度Ｙを出力する。これを例えば１００ｍｓの演算周期毎に繰り返す。
【００６７】
図６は折線関数演算器の実施例を示す。
【００６８】
検出器からのｍＶやＶの電圧信号またはｍＡの電流信号をＡＩ１とＡＩ２として、マルチプレクサ１−１に入る。
【００６９】
マルチプレクサ１−１で選択した信号は演算増幅器１でＡＤ変換の信号レベルまで、ｍＶ信号をＶ信号へ増幅を行う。
【００７０】
増幅した信号はＡＤ変換部２で測定デジタル信号Ｖｉｎに変換する。関数近似演算部６は関数近似係数テーブル部４ｃから取込んだ測定デジタル信号Ｖｉｎの近似範囲に入っている近似係数Ｃ５〜Ｃ０を読み出す。
【００７１】
読み出したＣ５〜Ｃ０を使用して、下記式で多項式近似計算する。
【００７２】
Ｙ＝Ｃ５・Ｘ５＋Ｃ４・Ｘ４＋Ｃ３・Ｘ３＋Ｃ２・Ｘ２＋Ｃ１・Ｘ＋Ｃ０
上記の計算を行い、測定デジタル信号Ｖｉｎに対する線形化演算値Ｙを求める。出力部５でＤＡ変換を行い、ＤＣ１−５Ｖスパン信号やＤＣ４−２０ｍＡスパン信号として出力する。
【００７３】
これにより、複雑な非線形の信号を出力する変換器も関数近似を使用することにより、線形化することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
関数近似で、熱電対、測温抵抗体の線形化を行うことにより、誤差を低減しながら、簡易に温度を出力することが可能となる。また、熱電対、測温抵抗体だけでなく、例えば従来の折線関数演算器も、関数近似で適用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に係わるもので、熱電対の温度変換器の実施方法を示した説明図である（実施例１）。
【図２】本発明に係わるもので、熱電対の温度変換器の５乗関数近似の方式を示した説明図である。
【図３】本発明に係わるもので、測温抵抗体温度変換器の実施方法を示した説明図である（実施例２）。
【図４】本発明に係わるもので、熱電対温度変換器のフロー図を示した説明図である。
【図５】本発明に係わるもので、測温抵抗体温度変換器のフロー図を示した説明図である。
【図６】本発明に係わるもので、折線関数演算器の実施方法を示した説明図である（実施例３）。
【符号の説明】
【００７６】
１…演算増幅器、１−１…マルチプレクサ、２…ＡＤ変換部、３…温度変換部、４ａ…熱電対の近似係数テーブル部、４ｂ…測温抵抗体の近似係数テーブル部、４ｃ…関数近似の係数テーブル部、５…出力部、６…関数近似演算部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電対や測温抵抗体を含む温度検出素子の非線形な検出信号に基づく出力を温度変化に対して線形になるように線形化する温度変換器において、
ｎ次の多項式近似式を用いて前記出力を線形化する温度変換部と、
前記多項式近似式の係数と近似範囲を指定する近似係数テーブル部を備え、
前記温度変換部は、前記近似係数テーブル部より前記検出信号の近似範囲に入る近似の係数を読んで多項式近似計算をすることを特徴とする温度変換器。
【請求項２】
請求項１に記載された温度変換器において、
前記多項式近似式を５次以上としたことを特徴とする温度変換器。
【請求項３】
熱電対や測温抵抗体を含む温度検出素子の非線形な検出信号に基づく出力を温度変化に対して線形になるように線形化する折線関数演算器において、
ｎ次の多項式近似式を用いて前記出力を線形化する関数近似演算部と、
前記多項式近似式の係数と近似範囲を指定する近似係数テーブル部を備え、
前記関数近似演算部は、前記近似係数テーブル部より前記検出信号の近似範囲に入る近似の係数を読んで多項式近似計算をすることを特徴とする折線関数演算器。
【請求項４】
請求項３に記載された折線関数演算器において、
前記多項式近似式を５次以上としたことを特徴とする折線関数演算器。
【請求項１】
熱電対や測温抵抗体を含む温度検出素子の非線形な検出信号に基づく出力を温度変化に対して線形になるように線形化する温度変換器において、
ｎ次の多項式近似式を用いて前記出力を線形化する温度変換部と、
前記多項式近似式の係数と近似範囲を指定する近似係数テーブル部を備え、
前記温度変換部は、前記近似係数テーブル部より前記検出信号の近似範囲に入る近似の係数を読んで多項式近似計算をすることを特徴とする温度変換器。
【請求項２】
請求項１に記載された温度変換器において、
前記多項式近似式を５次以上としたことを特徴とする温度変換器。
【請求項３】
熱電対や測温抵抗体を含む温度検出素子の非線形な検出信号に基づく出力を温度変化に対して線形になるように線形化する折線関数演算器において、
ｎ次の多項式近似式を用いて前記出力を線形化する関数近似演算部と、
前記多項式近似式の係数と近似範囲を指定する近似係数テーブル部を備え、
前記関数近似演算部は、前記近似係数テーブル部より前記検出信号の近似範囲に入る近似の係数を読んで多項式近似計算をすることを特徴とする折線関数演算器。
【請求項４】
請求項３に記載された折線関数演算器において、
前記多項式近似式を５次以上としたことを特徴とする折線関数演算器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２４９５８２（Ｐ２００８−２４９５８２Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９２９７１（Ｐ２００７−９２９７１）
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（０００２３３５４９）株式会社日立ハイテクコントロールシステムズ (130)
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（０００２３３５４９）株式会社日立ハイテクコントロールシステムズ (130)
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