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    • 专利摘要:

    公开号:WO1991002956A1
    申请号:PCT/JP1990/001033
    申请日:1990-08-14
    公开日:1991-03-07
    发明作者:Yasuhisa Nomura
    申请人:Hamanishi Sangyo Co., Ltd.；
    IPC主号:G01K7-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書 温 度 検 出 装 置 技術分野
    [0002] この発明は、 感熱線を測温素子として使用する温度検出装置に関す る。 背景技術
    [0003] 感熱線とは、 同軸状の内外導体の間に高分子化合物のサーミスタを 充塡して線状に加工したもので、 導体間のィ ンピーダンスが温度に対 応して変化し、 高温ではィ ンピーダンスが低く、 低温ではィ ンビーダ ンスが高く なる性質を持ち、 感熱線を用いた温度検出装置はこの性質 を利用して構成されている。
    [0004] 感熱線のイ ンピーダンスは、 主に、 高分子化合物に舍まれるイ オン の移動による抵抗成分と導体間の静電容量によるものとから成り立つ ており、 このため、 感熱線を測温素子として使用する場合には、 ィォ ンの偏在や静電容量への電荷蓄積によって計測値に誤差が出たり、 感 熱線の劣化を促進させたり しないように、 正負対称な交流を印加する 必要があって、 通常は正弦波である商用電源を印加して計測している < 従って、 感熱線のィ ンピ一ダンス Zはべク トル表示することができ、 これを直列等価回路として考え、 電源周波数の角速度を ω、 抵抗成分 を R、 静電容量を Cとすれば、 次式のように表現できる。
    [0005] 1
    [0006] Z = R + (1)
    [0007] j ω C
    [0008] この式において、 右辺の R及び Cが温度に対応して変化し、 その結果 として左辺の Zが温度に対応した値を示すことになる。 なお、 感熱線には当然イ ンダクタ ンス成分もあるが、 実用上の感熱 線の長さ （数メー トル〜数十メー トル） では抵抗成分や静電容量に比 ベて無視できるので（1)式では省略している。
    [0009] (1)式からイ ンピーダンス Zの絶対値 | Z | を求めると次のようにな る。
    [0010] 1 + R 2
    [0011] | z (2)
    [0012] ω C
    [0013] 従来この種の温度検出装置では、 感熱線のィ ンピーダンスを絶対値 I Z I としてとらえ、 これに電圧 Eを印加して流れる電流 I の絶対値 I I I を得、 これをそのまま或いは既知抵抗に流して得られる電圧を 直流に変換し、 これらと別に得た直流の基準電流或いは基準電圧と比 較するという手段で温度を検出していた。
    [0014] 感熱線のイ ンピーダンスについて更に詳しく述べると次のようにな る。
    [0015] 感熱線の断面を第 1図に示すように表現し、 感熱線 1 の長さを L、 内側導体 1 0 1 の外半径を a、 外側導体 1 0 2 の内半径を b、 高分子 化合物 1 0 3 の固有抵抗を P、 誘電率を ε とし、 端末効果を無視する と、 抵抗成分 R及び静電容量 Cは次のようになる。
    [0016] 1 p b
    [0017] R X 1 o g (3)
    [0018] L 2 π
    [0019] L X 2 π ε
    [0020] C (4)
    [0021] b
    [0022] 1 o g 一方、 感熱線は、 電気毛布等に使用されるなどの用途上の制約から 柔軟性が重視されており、 内側導体 1 0 1 は合成織維の芯に細線ゃリ ボン状導体を巻き付けたものが採用され、 また、 外側導体 1 0 2 もこ れに準じた構造がとられている。 従って、 製造上、 導体の外半径 a と 内半径 bを寸法的に精度良く加工することは極めて困難で、 （3)式及び (4)式で示される抵抗成分 R及び静電容量 Cの結果として得られる（1)式 及び (2)式で示されるイ ンピーダンス Z及びその絶対値 | Ζ | もかなり ばらつく。 例えば、 長さ L力く 5 メー トルの場合には ± 3 0 %、 1 0 メ一 トルの場合でも ± 2 0 %位の精度しか得られていない。 このため、 実用に際しては、 感熱線を所定の長さに切断した後選別したり、 温度 検出装置と接続して現物合わせを行って適合させている。
    [0023] 本発明はこのような不便を解消し、 感熱線の寸法精度に関係な く正 しい温度検出が行える装置を提供することを主目的とする。
    [0024] 本発明の別の目的は、 柔軟性があって、 従って寸法精度がばらつき やすい感熱線を使用して高精度の温度計測値を得るこ とである。
    [0025] 本発明の更に別の目的は、 ディ ジタル処理により上記主目的を達成 することである。
    [0026] 本発明の更に別の目的は、 アナログ処理により上記主目的を達成す る ^と tめる。
    [0027] 本発明の更に別の目的は、 特にディ ジタル処理が容易な測定回路を 提供するこ とである。
    [0028] 本発明の更に別の目的は、 温度計測を交流で行ったときに、 その周 波数に影響されないで温度計測値を得ることである。 発明の開示
    [0029] 本発明の温度検出装置は、 感熱線に印加する交流電圧波形のゼロク ロス点を検出するゼ α電圧検出手段と、 上記感熱線に流れる交流電流 波形のゼロク ロス点を検出するゼロ電流検出手段と、 上記ゼロ電圧及 びゼロ電流の各検出手段の出力を受けて、 電圧と電流の各ゼロク ロス 点の間の区間を計測する区間計測手段とを具備し、 上記区間計測手段 の出力から温度計測値を得ることを特徴とする
    [0030] 即ち、 （1)式を、 （2)式を用いて書き換えると、
    [0031] Z = J Z j cos φ — 3 I Z I s i n φ (5) 但し、
    [0032] 1
    [0033] Φ tan ' 1 (6)
    [0034] ω C R
    [0035] となる。
    [0036] これらの式の導出過程は省略するが、
    [0037] R 1 / ω C cos φ s l n φ
    [0038] ω 1 + ω 2 C a ω C ω C
    [0039] s i n φ
    [0040] tan φ
    [0041] cos φ ώ) C R
    [0042] なる関係から明らかであろう。
    [0043] 更に、 （6)式に (3)、 （4)両式を代入して整理すると、 ta n ' 1 (7)
    [0044] ω ε p
    [0045] となる。
    [0046] こ こで、 高分子化合物 1 0 3 の固有抵抗 p と誘電率 ε は高分子化合 物そのものの物性によって決まる定数であって感熱線 1 の寸法とは全 く無関係であり、 角速度 は電源の周波数によつて決まる定数である , 従って、 （7)式で示される Φ は感熱線の寸法とは全く関係のない数値と なり、 これが温度と対応していることになる。
    [0047] 一方、 は、 感熱線 1 に印加される電圧ベク トル Εとその時感熱線 1 に流れる電流べク トル I の位相角に相当する。 このことから、 位相 角 0を測定すれば、 感熱線の寸法精度とは無関係に、 精度の高い温度 検出ができる こ とになる。
    [0048] 位相角 の測定は、 電流波形及び電圧波形のゼロク ロス点の間隔を 測定する こ とで、 高精度にできる。 間隔測定は、 ク ロ ッ クパルスの力 ゥ ン トによるディ ジタル処理に基づく のが好ましい。 また、 間隔測定 値をアナログ量として出力させることも可能である。
    [0049] 本発明の一態様によると、 感熱線として、 同軸状の内外導体の間に 高分子化合物のサーミ スタを充塡して線状に加工したものを使用して いる。 サーミスタを構成する高分子化合物の固有抵抗 p及び誘電率 ε は温度によつて変化するので、 （7)式に基づいて位相角 から温度を計 算する こ とができる。
    [0050] 本発明の好ましい態様によると、 （7)式の角周波数 ωを計測する手段 を設け、 測定周波数の変動の影響を除去している。
    [0051] また、 本発明の別の態様では、 電流及び電圧波形のゼロ検出手段と して、 パルス発生式の回路を用い、 以つて、 例えばマイ クロプロセ ッ サを用いたディ ジタル処理を容易にしている。 図面の簡単な説明
    [0052] 第 1図は感熱線の断面図、
    [0053] 第 2図は本発明による温度検出装置の一実施例の回路図、
    [0054] 第 3図は第 2図に示す実施例における動作波形図、
    [0055] 第 4図及び第 5図は本発明の他の実施例の要部回路図、
    [0056] 第 6図は角周波数を測定要素に加えた場合の要部回路図である。 発明を実施するための最良の形態
    [0057] 以下、 添付の図面に従って本発明をより詳細に説明する。 第 2図は本発明の温度検出装置の一実施例であって、 感熱線 1 に保 護用の抵抗 5を通して交流電源 2を印加し、 感熱線 1 に印加される瞬 時電圧 V のゼロク ロ ス点をゼロ電圧検出部 3で検出し、 また、 感熱線 1 に流れる電流 i のゼロク ロス点をゼロ電流検出部 4で検出し、 その 両ゼロク ロス点の区間を区間計測部 7で計測し、 その結果を出力部 8 によって、 その後に接続される機器に適合した信号形態に変換した温 度計測値 Tを出力するものである。
    [0058] ゼロ電圧検出部 3 は、 検出 ト ラ ンジスタ 3 0 1を備え、 この ト ラ ン ジスタ 3 0 1 のベースが、 感熱線 1 の電源側端子に抵抗 3 0 3を介し て接続されているとともに、 ダイオー ド 3 0 2を介して接地ライ ンに 接続されている。 交流電源 2の電圧 V (第 3図 （ a ) ) が正の半波の 区間であるとき、 抵抗 3 0 3を介して ト ラ ンジスタ 3 0 1 にべ一ス電 流が流れて、 この トラ ンジスタ 3 0 1がォンする。 また、 交流電源 2 の電圧が負の半波の区間であるとき、 ダイオード 3 0 2がオンし、 ト ラ ンジスタ 3 0 1がオフする。 従って、 第 3図 （ b ) のように、 交流 電源 2の電圧 Vの正の半波の区間で " 0 " 、 負の半波の区間で " 1 " の検出パルス Bが ト ラ ンジスタ 3 0 1 のコ レク タから得られる。
    [0059] ゼロ電流検出部 4 も同様な構成であって、 ベースが感熱線 1 の接地 側端子に接続されるとともに、 ダイオード 4 0 2によりほぼ接地電位 にク ラ ンプされた検出 トラ ンジスタ 4 0 1 を備えている。 この トラン ジスタ 4 0 1 は、 感熱線 1を流れる交流電流 i (第 3図 （ a ) ) に応 答し、 第 3図 （ c ) のように、 電流 i の正の半波の区間では " 0 " 、 負の半波の区間では " 1 " の検出パルス Cを、 そのコ レクタから出力 する。
    [0060] 商用交流電源 2 の電圧は、 実効値で数十〜百ボルト程度に選ばれて おり、 トラ ンジスタ 3 0 1及び 4 0 1、 ダイオー ド 3 0 2及び 4 0 2 のス レ ツ シ ョ ール ド電圧は直流値で 0 . 7 ボル ト以下であるから、 こ れを無視すると、 感熱線 1 に印加される瞬時電圧 V とこれに流れる瞬 時電流 i の夫々 のゼロク ロス点は、 ト ラ ンジスタ 3 0 1及び 4 0 1 の コ レクタ電圧の立ち上がりエ ッジ及び立ち下がりエ ッジとして検出で きる。
    [0061] これを動作波形図で示すと第 3図のようになる。 即ち、 横軸に時間 をとつて、 感熱線 1 に印加される瞬時電圧 V とこれに流れる瞬時電流 i を表すと第 3図 （ a ) のようになる。 また、 夫々 の時刻に対応する ト ラ ンジスタ 3 0 1 のコ レク タ電圧は同図 （ b ) に、 ト ラ ンジスタ 4 0 1 のコ レクタ電圧は同図 （ c ) に示すようになる。 これを夫々論理 値 B及び Cとすれば、 位相角 は B · = 1又は E" · C = 1 である区 間に相当することになる。 この両区間は、 トラ ンジスタ 3 0 1、 4 0 1 の夫々のべ一ス · ヱ ミ ッタ間に逆極性にダイオー ド 3 0 2、 4 0 2 が接続されているため瞬時電圧 V及び瞬時電流 i は共に正負対称とな つている。 また、 瞬時電圧 Vのゼロク ロス点と瞬時電流 i のゼロク ロ ス点相互の区間は、 全て位相角 ø と 1 ： 1 の対応をしている。 このた め、 都合の良いゼロク ロス点を選んで、 その区間の長さを計測すれば- 位相角 Φを知ることができる。
    [0062] こ の区間の長さの計測は、 周知の面路技術を用いて多種多様に実現 できる。 第 2図の例では、 N O T素子 7 0 1 と A N D素子 7 0 2によ つて、 B · = 1 なる区間だけ発振器 7 0 3からのク ロ ックパルス C Kをカウ ンタ 7 0 4で計数し、 C = l又はその立ち上がりエ ッ ジの信 号でカウ ンタ 7 0 4をリ セ ッ トするようにしている。 このようにすれ ば、 1 ヘルツごとに B · = 1 なる区間長さ即ち位相角 を連続して 計測することができ、 感熱線 1 の応答性を考えれば充分すぎる応答性 を得ることができる。
    [0063] 第 4図に示す別の実施例では、 N O T素子 7 1 1及び A N D素子 7 1 2で B · = 1 の期間 A N D素子 7 1 2から電圧を出力させ、 これ を積分回路 7 1 3で積分して位相角 ^ の大きさに対応した電圧を得、 これを電圧計測部 7 1 5で計測して目的を達している。 積分面路 7 1 3 に蓄積される電荷は C = 1 の期間に ト ラ ンジスタ 7 1 4で放電して 次計測に備えるようにしている。
    [0064] なお、 カウ ンタなどのディ ジタル処理回路では、 レベル変化を取り 扱うより もパルスの形で信号を取り扱う方が一般的であるが、 信号 B 、 Cを、 夫々微分回路を通した後、 ダイオー ドで極性をそろえて利用す れば、 その目的に沿う ことができる。
    [0065] また、 ゼロ電圧検出部 3及びゼロ電流検出部 4 は、 第 5図に示すよ うに、 電圧又は電流をダイォードブリ ッジ 4 1 2で両波整流して トラ ンジスタ 4 1 1 に与えるような構成でも良い。 この場合の ト ランジス タ 4 1 1 のコ レクタ電圧は、 ゼロクロス点でパルス波形として得られ- パルス処理技術を適用しやすいが、 ト ラ ンジスタ 4 1 1 の電源 6 と交 流電源 2の接地ラィ ンとを共通化しに く い欠点がある。
    [0066] いずれの具体例を採用するにしても、 感熱線はかなり高ィ ンビーダ ンスを示す素子であるから、 ト ラ ンジスタは電界効果形などの高入力 ィ ンピーダンス素子を使用することが望ま しい。
    [0067] 位相角 を計測する方法は、 上述以外に、 瞬時電圧又は瞬時電流の 適当なレベルの点、 例えば最大値の点を測定しても良いように思える が、 感熱線は非線形要素を多分に含んでいるため、 これに流れる電流 が歪んでおり、 その波形率等も温度によって異なる。 このため、 ゼロ クロス点以外の点で位相角を計測すると誤差が大き く なるので注意を 要する。 この電流の歪みについては、 上述の説明では煩雑になるため 無視したが、 これは等価正弦波で説明していると理解されたい。
    [0068] (7)式で分かるように、 電源の周波数が変われば当然位相角 ^ も変わ る。 従って、 上述した計測値も変化するが、 これは、 第 6図に例示す るように、 B又は Cが 1又は 0 の区間の長さを別途測定して補正すれ ば良い。 第 6図においては、 A N D素子 7 1 0 により、 ゼロ電圧の検 出パルス Bの " 1 " の区間で第 1図の発振器 7 0 3からのク ロ ックパ ルスを出力し、 カウ ンタ 7 1 1 でク ロ ックをカウ ン トすることにより 角周波数 ά)に対応した情報を得ている。 こ の情報は、 第 1図のカ ウ ン タ 7 0 4 の出力の位相角 の情報とともに、 マイ クロプロセ ッサ等で 構成された出力部 8に供給され、 （7)式に基づいた温度 Τ (位相角 に 対応） が求められる。
    [0069] 以上説明したように、 本発明によれば、 ゼロ電圧検出部 3及びゼロ 電流検出部 4 によって、 感熱線 1 に印加される瞬時電圧 V とこれに流 れる瞬時電流 i の夫々のゼロク ロス点を検出し、 その区間の長さをゼ 口ク ロス点区間計測部 7で計測して、 位相角 φ と対応する計測値を得 るという方法で、 感熱線の寸法精度と無関係に正確な温度を検出でき る温度検出装置が得られる。
    权利要求:
    Claims請求の範囲
    1 . 感熱線に印加する交流電圧波形のゼ口ク ロス点を検出するゼロ電 圧検出手段と、
    上記感熱線に流れる交流電流波形のゼロク ロス点を検出するゼロ電 流検出手段と、
    上記ゼロ電圧及びゼロ電流の各検出手段の出力を受けて、 電圧と電 流の各ゼロク ロス点の間の区間を計測する区間計測手段とを具備し、 上記区間計測手段の出力から温度計測値を得ることを特徴とする温 度検出装置。
    2 . 上記感熱線が、 同軸扰の内外導体の間にサーミスタを充塡した構 成であることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の温度検出装置。
    3 . 上記サーミ スタが高分子化合物であり、 上記同軸状の内外導体が フレキシブルであることを特徴とする請求の範囲第 2項に記載の温度 検出装置。
    4 . 上記ゼロ電圧検出手段及びゼロ電流検出手段が、 上記感熱線に印 加する交流電圧波形及び上記感熱線に流れる交流電流波形を夫々ベー ス入力と し、 また、 オン ' オフのス レ ツ ショールドレべルが各波形の ほぼゼ口電圧及びほぼゼ口電流のレベルに設定されている検出 ト ラン ジスタを備えたことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の温度検出
    5 . 上記区間計測手段が、 上記ゼロク ロス点間の区間においてクロ ッ クパルスをカウ ン トするカウ ンタを備えたことを特徴とする請求の範 囲第 1項に記載の温度検出装置。
    6 . 上記区間計測手段が、 上記ゼロク ロス点間の区間に対応した幅を 持つパルスを積分して、 温度に対応した電圧信号を形成する積分器を 備えることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の温度検出装置。
    7 . 上記ゼロ電圧検出手段及びゼロ電流検出手段が、 上記感熱線に印 加する交流電圧波形及び上記感熱線を流れる交流電流波形を両波整流 する整流器と、 この整流器の出力をベース入力とし、 また、 オ ン · ォ フのス レ ツ シ ョ 一ルドレベルが両波整流波形のほぼゼロ電圧及びほぼ ゼロ電流のレベルに設定された検出 ト ランジスタとを備えたことを特 徴とする請求の範囲第 1項に記載の温度検出装置。
    8 . 上記区間計測手段が、 感熱線に印加する交流電圧波形又は感熱線 を流れる交流電流波形の周期 （又は周波数） に対応した計測値を得る 手段を舍み、 上記周期の計測値と上記ゼ口ク ロス点間の区間の計測値 とに基づいて温度計測値を演算する演算手段を設けたことを特徴とす る請求の範囲第 1項に記載の温度検出装置。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1991-03-07| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): CA KR US |
    1991-03-07| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB IT LU NL SE |
    1992-02-13| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1990912031 Country of ref document: EP |
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    1993-04-19| NENP| Non-entry into the national phase|Ref country code: CA |
    1996-10-23| WWW| Wipo information: withdrawn in national office|Ref document number: 1990912031 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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