AN-274: 熱電対温度計測に関する不明瞭な部分の理解(AD594/AD595 を使用) PDF

AN-274
アプリケーション・ノート
熱電対温度計測に関する不明瞭な部分の理解
(AD594/AD595 を使用)
著者:Bob LeFort、Bob Ries
温度は、物理パラメータとして最も頻繁に測定されています。し
かし、温度計測技術はかなり誤解されているため、大きな誤差が
生じたり、データが無意味なものになることがあります。このア
プリケーション・ノートでは、これらのよくある誤解を解明する
ほか、興味深く、役に立つ回路上の解決法をご紹介します。
温度トランスデューサの技術
現在市販されている電子温度計測デバイスの中で最もよく使われ
ているものに、熱電対、抵抗温度検出器(RTD)、サーミスタ、IC
温度トランスデューサなどがあります。表Iに示すように、いずれ
のデバイスにもアプリケーション上の利点と制限があります。
RTD
熱電対
温度
感度
頑丈度
*
コスト
**
安定性
*
精度
**
応答時間
温度
*
直線性
最大温度範囲 1
(°C)
温度
**
*
**
*
*
異なる材料の 2 本の金属線を両端で接合することで、基本的な熱電
対回路ができます(図 1aを参照)。この回路は、2 つの接点での温
度差に比例する電圧を発生します。熱電対は基本的に温度差測定
デバイスであるので、ある点での温度を測定するには、もう一方
の接点(基準接点)は既知の温度である必要があります。熱電対
のユーザは、さまざまな方法を用いて基準接点(つまり「冷接点」)
の温度を決め、補償してきました。
*
*
**
*
図 1a. 熱電対回路
−270~+2980
−180~+630
−80~+150
−55~+150
* 良い
氷点基準
** 優れている
1
熱電対回路
*
ノイズ耐性
消費電力
IC センサー
電流または
電圧
抵抗
抵抗
電圧
温度
サーミスタ
タイプ K(クロメル–アルメル)、タイプ E(クロメル–コンスタン
タン)、タイプ T(銅–コンスタンタン)などさまざまな金属の組
み合わせについて広範囲に特性を規定しました。熱電対の特性と
しては、本来の高精度、広い温度範囲、速い熱応答、頑丈、低価
格、再現性がよい、汎用性などが挙げられます。熱電対は幅広く
使用されていますが、同時に最も誤解の多い温度センサーです。
冷接点補償、ゼーベック係数、等温接続や等温ブロックなどの用
語が、多くのユーザに混乱や不安を招いています。このアプリケー
ション・ノートはこれらの用語について説明し、正確かつ簡単に
温度を測定するために必要な情報を提供します。
ここに示す温度範囲は、必ずしもトランスデューサ・タイプのシングル・バージョンに
対するものではありません。
表 I. センサーの比較
熱電対の特性
熱電対は、測定用に最も広く使われている温度センサーです。こ
のため、米規格基準局(NBS)はタイプ J(鉄–コンスタンタン)、
すべての熱電対(NBSの表にあるもの)の電圧出力は、0°Cを基準
とします。つまり、熱電対の両端の電圧は、基準接点が 0°Cに保持
されていれば、測定接点の温度に一致します。基準接点を 0°Cに保
持することは 図 1bに示すように、氷点槽(「アイス・バス」とい
われるもの)を用いて実現できます。しかし、残念ながらこのよ
うな方法は手間がかかり、コストもかかるため、実験室でしか使
用できません。製造工場の環境では、基準接点を 0°Cに維持するこ
とは現実的ではありません。
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本
AN-274
AD594 は工場出荷時にタイプ J 熱電対用に調整されており、AD595
はタイプ K 熱電対用に調整されてます。
ゼーベック係数
熱電対のゼーベック係数は、任意の温度での熱起電力の温度変化
率と定義されており、通常、μV/°Cの単位で表されます。熱電対の
非直線性は、この係数の温度変化によって表されます。図 3 は、さ
まざまな熱電対のゼーベック係数のグラフです。
図 1b. 氷点基準
中間金属の法則
実際には、明白な基準接点(図 1aのようなもの)を設けなくても
済むように、基本的な熱電対回路に相当する直接の接続を行いま
す(図 1cを参照)。中間金属の法則によると、熱電対の 2 つの異
種金属に第 3 の金属(通常は銅)を接続しても、同じ温度で接続さ
れてる限り、出力電圧に影響を与えません。
図 1c. 「間接的な」基準接点
図 3. ゼーベック係数対温度
実質的な熱電対による測定
実際の環境では、基準接点で発生する電圧を補償することで、氷
点基準を不要にしています。そのために、基準接点の電圧と等し
いが向きが反対の電圧を熱電対回路に加算します(図 1dを参照)。
いろいろなタイプの熱電対
熱電対の種類を区別するために、一般に感度と動作温度範囲の 2
つの特性を使用します。図 4 のグラフは、一般によく使われる金属
の組み合わせについてこれらの特性を示したものです。
AD594 はタイプ J 熱電対用として工場出荷時調整されてますが、
AD594/AD595 のデータシートに示すように、簡単な外部調整でタ
イプ E に設定できます。タイプ K 熱電対用に工場出荷時に調整さ
れてる AD595 も、0.2°C 以内の誤差が伴うだけでタイプ T 熱電対
に直接接続することができます。
図 1d. 冷接点補償
この補償を実現するデバイスがAD594/AD595 です。ブロック図と
基本的な接続を 図 2 に示します。内蔵の氷点補償回路が、基準接
点の温度を監視し、内部の加算点で熱電対回路に適切な電圧を加
算します。次に、この正味電圧を公称出力 10mV/°Cに増幅します。
図 4. 熱電対出力対温度
図 2. AD594/AD595 のブロック図
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AD594/AD595の性能の最適化
AD594 または AD595 で規定された精度を十分得るには、以下の設
計ガイドラインを守る必要があります。
1. 冷接点誤差
AD594/AD595 には冷接点補償機能が内蔵されています。この
機能が正しく働くには、IC を熱電対の冷接点と同じ温度に保持
する必要があります。放熱によって冷接点補償に関わる誤差が
生じないように、AD594/AD595 にほかの部品や熱源が直接接
触しないようにしてください。(AD594/AD595 の無負荷時電
源電流はわずか 160μA なので、自己発熱に伴う誤差はごくわず
かです。)
5. ノイズの最小化
熱電対が拾った高周波ノイズの増幅を最小に抑えるために、9
番と 10 番、10 番と 11 番の各ピンの間に補償コンデンサを接続
します。図 6 に示す値は、60Hzでゼロになりますが、応答時間
が遅くなります。
グラウンド・ラインでの I×R 電圧降下を避けるために、すべ
てのグラウンド点を中心点に直接接続します。100Ω 抵抗と
0.1μF コンデンサにより、電源ラインの過渡スパイクとリップ
ルを取り除きます。
2. 回路基板のレイアウト
図 5 に示すプリント回路基板の接続レイアウト(オプションの
調整用抵抗含む)によって、冷接点とAD594/AD595 との間の
熱平衡が得られます。ここでは、1 番ピンと 14 番ピンの下のプ
リント回路基板の銅パターンにおいてICと回路基板が熱的に
接触しています。基準接点は銅–コンスタンタン(または銅–ア
ルメル)接続と銅–鉄(または銅–クロメル)接続で構成されて
おり、いずれもAD594/AD595 と同じ温度に保持されています。
図 6. フィルタリング、補償、接地による誤差の低減
拡張周囲温度
誤差の計算
図 5. PC ボードの接続
3. ハンダ処理
接合を確実にし、I×R 電圧降下を最小限に抑えるため、熱電対
金属線の酸化部分をきれいに除去してからハンダ付けを行う
必要があります。鉄、コンスタンタン、クロメル、アルメル、
および錫 95%/アンチモン 5%、錫 95%/銀 5%、または錫 90%/
鉛 10%のハンダに対しては、非腐食性ロジンフラックスが効果
的です。
4. 接地の方法
AD594/AD595 の入力段にはトランジスタがあり、熱電対入力
からグラウンドにバイアス電流を流す必要があります。この経
路がないと、電流によって入力段がカットオフ状態になり、出
力が誤った値を示すことになります。帰還経路ができるように
グラウンドへ直接接続します。
熱電対の非直線性(ゼーベック係数の変化)に関連する誤差を最
小 限 に 抑 え 、 精 度 を 25°C の 周 囲 温 度 で 最 適 化 す る た め に 、
AD594/AD595 の仕様は動作温度範囲 0~50°C で規定されています。
AD594/AD595 の氷点補償電圧は直線的であり、0~50°C での熱電
対の出力の最良適合直線に一致します。この範囲を外れると、熱
電対と補償電圧との偏差が顕著になります。つまり、AD594/AD595
は仕様を保障してる温度範囲外でも正しく動作しますが、規定さ
れてる温度安定性誤差内に収まらない可能性があります。
表IIは、民生周囲温度範囲、工業周囲温度範囲、拡張周囲温度範囲
について最大誤差を計算した値の一覧です。周囲温度はICと基準
接点の温度です。測定接点は、熱電対の定格限度内であれば任意
の温度にすることができます。
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周囲温度
°C
AD594C
最適範囲外
での誤差°C
AD594C
合計誤差
°C
AD594A
最適範囲外
での誤差°C
−55
4.83
5.83
6.83
−25
1.98
2.98
3.23
0
0.62
1.62
1.25
+25
0.00
1.00
0.00
+50
0.62
1.62
+70
1.46
+85
2.25
+125
4.90
AD595C
最適範囲外
での誤差°C
AD595C
合計誤差
°C
AD595A
最適範囲外
での誤差°C
AD595A
合計誤差
°C
9.83
5.28
6.28
7.28
10.28
6.23
2.04
3.04
3.29
6.29
4.25
0.62
1.62
1.25
4.25
3.00
0.00
1.00
0.00
3.00
1.25
4.25
0.62
1.62
1.25
4.25
2.46
2.59
5.59
1.38
2.38
2.50
5.50
3.25
3.75
6.75
1.99
2.99
3.49
6.49
5.90
7.40
10.40
3.38
4.38
5.88
8.88
AD594A
合計誤差
°C
注:
“最適範囲外での誤差”には、(a) 実際の基準接点と氷点補償電圧の差 × ゲイン、および(b) 0~50°C の規定値から推定したオフセット温度係数とゲイン温度係数の 2 つ
の成分があります。合計誤差は、温度不合格誤差と初期調整誤差の和です。
表 II. さまざまな周囲温度における最大誤差の計算値
回路のアイデア
3 番ピンに注入された 200nA/°C の電流によって 32°F のオフセット
が発生し、出力の抵抗網によりゲインが 9/5 に増加します。
オプションの調整方式
出力の調整:
図 7 の回路は、AD594/AD595 の残留してる調整誤差をゼロにしま
す。15MΩ抵抗によって、−T(5 番ピン)に電流が注入され、オフ
セットが負になります(約−3°Cのオフセットに対応)。調整用ポ
テンショメータ(RCAL)を使用し、+T(3 番ピン)に平衡電流を注
入することで、強制的に作った負のオフセットをゼロにすること
ができます。この回路は、1 個の単方向トリムによって任意の調整
誤差をゼロにすることができます。
1. 熱電対を切り離し、1 番ピンと 14 番ピンに 10mVp-p の 100Hz AC
信号を入力します。(AC 励起を使用することで、ゲインの調
整とオフセットの調整を分離できます。)
2. p-p 出力が 3.481V(AD594)または 4.451V(AD595)になるよ
うに RGAIN を調整します。
3. 0°C のアイス・バスまたは氷点槽にある熱電対を 1 番ピンと 14
番ピンにもう一度接続します。
4. 出力が 320mV になるまで、ROFFSET を調整します。
華氏温度を出力する AD594/AD595 の、0°C で熱電対を調整した場
合の、理想的な伝達関数は次のようになります。
AD594 出力 = (タイプ J 電圧 + 919μV) 348.12
AD595 出力 = (タイプ K 電圧 + 719μV) 445.14
図 7. 調整誤差の微調整
華氏温度の出力
図 8 は、10mV/°Fの電圧出力を直接に読み取ることができる回路で
す。次に示す温度スケール変換式が、回路にそのまま組み込まれ
ています。
華氏温度 = (9/5)(摂氏温度) + 32
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図 8. 摂氏温度から華氏温度への変換
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平均温度の直接測定
平均温度は、1つのAD594/AD595 を使い、図 9 の構成にすること
により直接測定できます。この回路の出力は、(T1 + T2 + T3 +...TN)/N
(単位:°C)× 10mV/°C(公称値)に等しくなります。熱電対/抵
抗ペアをいくつ並列に接続しても、AD594/AD595 は正しい冷接点
補償を行います。300Ωの直列抵抗が、各熱電対の間を流れる電流
を最小限に抑えます。この直列抵抗には、各熱電対の温度が平均
値より高いか低いかにより、その電圧差をバランスするための正
または負の電圧降下が発生します。大きい温度勾配がある対象に
ついて正確な平均値を出す場合にも、この回路を利用できます。
図 9. 平均温度の測定
マルチプレックスを使った複数温度の測定
大型の温度測定データ収録装置では、熱電対信号をマルチプレク
サで切り替えて入力することによって必要なAD594/AD595 の数を
最小にすることができます(図 10 を参照)。この回路のもうひと
つ重要な機能は、複数の基準接点接続を端子台の集合から
AD594/AD595 の単一接点に変換することです。
AD594/AD595 の下に熱電対を置き(熱的接触)、その出力信号を
等温コネクタに戻すことによって、等温ブロックで発生した基準
接点電圧を効果的にキャンセルすることができます。あるマルチ
プレクサが ON の位置にあるとき、コンスタンタン(アルメル)–
銅接点と銅–コンスタンタン(アルメル)接点を直列に配置すると、
大きさは等しく極性は逆の電圧が得られます。つまり、ブロック
が等温であることから、V1 = V2 になります。鉄(クロメル)–銅接
点にも同じことが当てはまります。
このようなキャンセル機能によって、AD594/AD595 の内蔵冷接点
補償回路は IC の直下にある熱電対を補償します。このようにすれ
ば、端子台を任意の離れた位置に置くことができます。ただし、
AD594/AD595 と付属の熱電対の温度は 0~50°C の範囲を維持して
ください。
AD7502 を使用すれば、1 個の AD594/AD595 で 4 種類の温度を監視
できます(AD7507 では 8 つの温度を監視可能)。シングルエンド
のマルチプレクサを用いれば、熱電対の配線のおよそ半分を除去
することができますが、その場合システムはコモンモード・ノイ
ズを拾いやすくなります。
図 10. 複数熱電対をマルチプレックスで切り替える方法
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オフセット電圧(AD594/AD595 のデータシートの 表Iの出力の列に
記載されている値)は、ゼロ出力温度をその加えたオフセット電
圧に相当する分シフトします。感度は内蔵帰還抵抗の代わりに大
きい外部抵抗を使用するか、小さな外部抵抗を使用するかにより、
大きくも小さくもできます。新しい帰還抵抗の値を計算するひと
つの方法を示します。
1. 所望の出力感度を決めます。(mV/°C 単位)
2. 温度範囲 T1~T2 を決めます。
3. そ の 温 度 範 囲 に 対 す る 平 均 熱 電 対 感 度 を 計 算 し ま す 。
(VV
a
1
−V
a
2)/(T1
− T2 )
4. 所望の感度を平均熱電対感度で割ります。
(1)の結果 ÷ (3)の計算値。この値が AD594/AD595 の新しいゲイ
ン(GNEW)になります。計算が正しければ、結果は単位があり
ません。
5. 実際の帰還抵抗(8 番ピンから 5 番ピン)RFDBK を測定します。
図 11. ゼロ点のシフトと感度(ゲイン)変更
6.
オフセットとゲインの変更
R INTERNAL 
R FDBK
(5) の結果

193.4  1 193.4  1
注:AD595 では、193.4 ではなく 247.3 を使用します。
図 11 に示す回路には 2 つの機能があります。1)AD594/AD595 に
オフセット電圧を加えることにより、任意の温度で出力を 0Vにす
る。(ゼロ点のシフト)2) AD594/AD595 のゲインを変更すること
により、出力感度(熱電対の1度当たりの変化に対する出力電圧
の変化)の変更を可能にする。
0°C 以外の温度で出力が 0V になるように出力をシフトするには、
帰還抵抗(8 番ピン)つまり、加算点に接続された右側のアンプの
反転入力にオフセット電圧を加えます。
電流モード伝送
ノイズの多い環境で信号を送信する場合は、電圧よりも電流を使
用するほうがよいと考えられます。図 12 は、AD594/AD595 の出力
信号を電流として伝送してから、信号処理側で電圧に変換する方
法を示しています。
この回路では、9 番ピンの帰還電圧によって RSENSE 両端の電圧が熱
電対の電圧に等しくします。RSENSE を正しく選択すると(AD594
では 5.11Ω、AD595 では 4.02Ω)、10μA/°C の電流が発生します。
7. 新しい帰還抵抗の値を計算します。
(GNEW−1) (RINTERNAL) = ((4) の結果 − 1) ((6) の結果)
この方法によって、5V 電源で温度範囲 300~330°C、とし、300°C
で 0V 出力に設定して 300°C から始まる 100mV/°C の出力にするこ
とができます。4.1V のツェナー・ダイオードと抵抗分圧器を使用
して、ゼロ出力温度点を変更することができます。
RSENSE 両端の電圧は熱電対の電圧に等しいため、AD594/AD595 の
入力の両端に基準接点電圧が発生します。アンプ+A が 2N2222 ト
ランジスタのベースを駆動し、出力電圧を電流に変換します。
160μA の静止電流は RSENSE を流れるため、誤差の原因にはなりま
せん。しかし、測定できる最低温度は 16°C になります。回路の精
度は、AD594/AD595 の初期調整誤差と、測定点における 1kΩ の電
流/電圧変換抵抗と RSENSE とのマッチング度によって決まります。
図 12. リモート温度計測
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