Component - Thermocouple V1.0 - Japanese

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熱電対計算機
1.0
特長
 B、E、J、K、N、R、S、T 型の熱電対に対応
 熱起電力と温度の変換関数を提供します
 計算誤差対 温度のグラフを表示
概要
熱電対温度計測では、熱電対温度は計測された熱起電力電圧を基に計算されます。電圧から温度への変
換は、NIST(アメリカ合衆国、国立標準技術研究所、National Institute of Standards and Technology)
が研究し、熱起電力を温度に変換する多項式および表を提供しています。NIST 表と多項式は以下のリンクか
ら参照できます。
http://srdata.nist.gov/its90/download/download.html
熱電対温度計測では、熱電対基準接点温度の計測と、電圧への変換が行われます。熱電対計算機コンポ
ーネントは、上記すべての種類の熱電対について熱起電力と温度を変換するための API を提供することにより
熱電対温度計測を簡易化します。コンパイル時に多項式が生成されます。熱電対コンポーネントは計算時間
を短縮する効率的な方法で多項式を評価します。
熱電対計算機の用途
このコンポーネントの用途は 1 つのみです。コンポーネントに付属する API を使用して熱起電力と温度を変換し
ます。
入出力の接続
このコンポーネントはソフトウェアコンポーネントであり入出力の接続はありません。
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パラメータおよび設定
熱電対計算機コンポーネントを回路図の上にドラッグし、ダブルクリックして Configure ダイアログを開きます。
このダイアログには、熱電対計算機コンポーネントを設定できるタブがあります。
General タブ
General タブには次のパラメータがあります。
Thermocouple Type
このフィールドから熱電対の型を選択します。
Calculation error budget
多項式計算による許容誤差を選択できます。これは-200℃以上の温度範囲にのみ適用される誤差です。
温度誤差-温度グラフ
このグラフは、熱電対の型と多項式に応じた温度誤差対温度を示します。
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Polynomial
GetTemperature()API の計算に使用される多項式の次数を表示します。
以下 3 種類の多項式があります:



NIST 多項式
7th order (NIST 多項式の 7 次近似)
5th order (NIST 多項式の 5 次近似)
多項式は選択された許容誤差を基に選択されます。許容誤差を超えない最も低い次数の多項式が選択され
ます。
CPU cycles
選択された多項式の計算に必要な CPU サイクルの見積りが表示されます。
最大誤差
この表には、選択された熱電対の型と多項式に対応し、特定の温度範囲における温度誤差の最大値が記載
されています。
アプリケーションプログラミングインタフェース
アプリケーションプログラミングインターフェース (API) ルーチンにより、ソフトウェアを使用してコンポーネントを設定で
きます。次の表は、各関数へのインターフェースとその説明を示しています。続くセクションでは、各関数について
詳しく説明します。
初期設定では、PSoC Creator は、ユーザの回路図に最初に配置されたコンポーネントのインスタンス名として"
Thermocouple_1 "を割り当てます。インスタンスの名称は、識別子の文法ルールに従って固有の名前に変更
できます。インスタンス名は、すべてのグローバル関数名、変数名、定数名の接頭辞になります。便宜上、次の
表では"Thermocouple"というインスタンス名を使用します。
関数
機能
int32 Thermocouple_GetTemperature(int32 voltage)
熱起電力から温度を計算します(μV単位)
int32 Thermocouple_GetVoltage(int32 temperature)
摂氏100分の1℃単位で与えられた温度に対応する電圧
を計算します。冷接点の温度を基に冷接点の補正電圧
の計算に使用されます。
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int32 Thermocouple_GetTemperature(int32 voltage)
機能:
熱起電力から温度を計算します(μV)
パラメータ:
電圧(μV)
返り値:
温度(摂氏、0.01℃単位)
注意事項:
なし
int32 Thermocouple_GetVoltage(int32 temperature)
機能:
摂氏100分の1℃単位で与えられた温度に対応する電圧を計算します。冷接点の温度を基に冷接
点の補正電圧の計算に使用されます。
パラメータ:
温度(摂氏、0.01℃単位)
返り値:
熱起電力電圧(μV)
注意事項:
なし
機能の詳細
1821 年に、エストニア系ドイツ人の物理学者である トーマス・ゼーベックは、二つの異なる金属を図 1(a)のよう
に接続し、片方の接点を熱すると連続して電流が流れることを発見しました。回路を切断し電圧を観測すると
(図 1(b)参照)、電圧は、二つの接点間の温度差に直接相関があります。二つの金属導体の接点を加熱する
ことで電圧が発生するこの現象は、ゼーベック効果または熱電効果と呼ばれます。加熱される接点は温接点ま
たは測定接点と呼ばれます。もう一つの接点は冷接点または基準接点と呼ばれ、発生する電圧は熱起電力と
呼ばれます。
図 1(a). 熱電対 – ゼーベック効果
Metal 1
Junction 1
(Hot)
Junction 2
Metal 2
Metal 2
図 1(b). 熱電対 – ゼーベック効果
Metal1
Junction 1
(Hot)
Junction 2
Metal2
Metal2
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V
+
-
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熱起電力は以下の条件によって異なります:



接点に使用される金属
温接点と冷接点の間の温度差
冷接点温度の絶対値。たとえば、100℃の温接点と 0℃ の冷接点で発生した熱起電力は、800℃の温接
点と 700℃の冷接点で発生した熱起電力とは、両方の温度差が 100℃であっても、異なります。
使用される金属の種類によって、熱電対は分類されます。熱電対の種類は、動作温度範囲と感度によって異
なります (単位温度当りの電圧変化、V/℃)。IEC EN 60584-2 と ASTM E230 の主要な二つの標準が熱電
対の許容誤差を規定します。許容誤差は熱電対の型について最大誤差を規定します。
表 1 には、一般的な熱電対の型と、金属の組み合わせ、ASTM に従ったその温度範囲、感度、許容誤差が
記載されています。表 1 に記載されている通り、 ASTM では、標準と特別の二つの熱電対許容誤差を規定し
ています。許容誤差は使用温度範囲全域で定義されているわけではありません。
NIST は、0℃の冷接点でのすべての熱電対の型のための熱起電力対温接点温度を提供しています。0℃での
熱起電力は 0V のため、冷接点温度 0℃が基準として選択されています。通常は氷浴 0℃の基準温度を提供
します。NIST は、熱起電力と温度を変換するための表と多項式係数を提供しています。図 2 は、一方の接点
を熱し、一方の接点を 0℃に保った場合の K 型の熱電対を示します。 図 3(次ページ)は、0℃の冷接点の K
型の熱電対のための熱起電力対温接点を示します。K 型熱電対の感度は NIST 表から特定でき、-100℃を
超える温度でおよそ 40 μV/℃です。
図 2. 0℃の冷接点の K 型熱電対
Chromel
Junction 1
(Hot)
+
- V1
V2 = 0 +
Alumel
Junction 2
(0°C)
Alumel
+
V =V1
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図 3. K 型熱電対の熱起電力対温度(0℃の冷接点)
冷接点補正
ADC を使用して熱起電力を測定することで、温度を簡単に判定できます。ただし、NIST 表を使用するには、
冷接点を 0℃に維持する必要があるという制限があります。氷浴を用意することは現実的でなく、多くの場合冷
接点は常温になります。冷接点が 0℃でない場合、図 4 の V2 のように冷接点でも熱起電力が発生し、測定
電圧 V が減少します。温接点の温度を正確に測定するには、冷接点電圧 V2 を最終電圧 V に加算する必
要があります。
図 4. 0℃以外の冷接点
Chromel
Junction 1
(Hot)
+
- V1
V2 +
Alumel
Junction 2
(ambient
temperature)
Alumel
+
V =V1 - V2
冷接点温度が特定できたら、NIST 表から電圧 V2 を計算できます。冷接点が 0℃でない場合、冷接点温度
を測定し、その温度に対応する熱起電力を熱電対電圧に加算する必要があります。この手順は冷接点補正と
呼ばれます。
サーミスタ、測温抵抗体、ダイオードまたは IC ベースのセンサーを使用して冷接点の温度を測定できます。(これ
らの冷接点温度測定センサーは、非常に高温の測定や、腐食性または厳しい条件の環境では使用できないた
め、熱電対の代用としては使用できないことに注意してください。)
熱起電力の測定
熱起電力は、図 5 のように ADC の入力配線を熱電対に接続することにより ADC を使って測定できます。
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図 5. 熱起電力の測定
Chromel
Junction 1
(Hot)
+
- V1
V2 +
Alumel
Alumel
Junction 3 +V3
-
V4 + Junction 4
Copper
Junction 2
(ambient
temperature)
+
V =V1 - V2 + V3 - V4
-
Copper
ADC の入力は銅線でありここでさらに銅とアルメルからなる二つの熱電対を形成します。二つの電圧 V3 と V4 が
数式に追加されます。V3 および V4 は反対方向にあり、両方の熱電対が同じ温度に保たれている間は同じ大
きさになります。このため、両方の銅アルメル熱電対が同じ温度に保たれ、熱起電力が変化しないことを確認す
る必要があります。
表 1. 熱電対の型
型
+極の金属組成
-極の金属組成
温度範囲
(℃)
許容誤差(ASTM)
25℃での感度
(µV/℃)
温度範囲
(℃)
B
70.4% プラチナ(Pt)
標準
特別
0~1820
0
800~1700
0.5%
29.6% ロジウム(Rh)
93.9% Pt、6.1%
Rh
90% ニッケル(Ni)
55% 銅(Cu)
-270~1000
61
-200~0
1.7℃または 1%
10% クロム(Cr)
45% Ni
0 - 900
1.7℃または 0.5%
1℃または 0.4%
J
99.5%鉄(Fe)
55% Cu、45% Ni
-210~1200
52
0~750
2.2℃または
0.75%
1.1℃または
0.4%
K
90% Ni
95% Ni
-270~1372
41
-200~0
2.2℃または 2%
10% Cr
5% さまざまな元素
0~1250
2.2℃または
0.75%
84.4% Ni、14.2% Cr
95.5% Ni、
4.4% Si
-270~1300
-270~0
2.2℃または 2%
1.4% シリコン
0~1300
2.2℃または
0.75%
1.1℃または
0.4%
R
87% Pt、13% Rh
100% Pt
-50~1768
6
0 - 1450
1.5℃または
0.25%
0.6℃または
0.1%
S
90% Pt、10% Rh
100% Pt
-50~1768
6
0~1450
1.5℃または
0.25%
0.6℃または
0.1%
T
100% Cu
55% Cu、45% Ni
-270~400
41
-200~0
1℃または 1.5%
0~350
1℃または 0.75%
E
N
26
1.1℃または
0.4%
0.5℃または
0.4%
リソース
コンポーネントはファームウェアで完全に実装されています。他の PSoC リソースは消費しません。
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API のメモリ使用量
コンポーネントのメモリ使用量は、コンピュータ、デバイス、使用されている API の数やコンポーネントの構成によっ
て大きく異なります。以下の表は、特定のコンポーネント構成で使用できるすべての API についてのメモリ使用量
を示しています。
最適化をサイズ優先、リリースモードに設定したコンパイラを使って測定されました。特定の設計については、コン
パイラによって生成されたマップファイルを分析してメモリ使用量を特定できます。
PSoC 3 (Keil_PK51)
構成
PSoC 5 (GCC)
フラッシュ
SRAM
フラッシュ
SRAM
バイト
バイト
バイト
バイト
B型熱電対
710
0
336
0
E型熱電対
730
0
344
0
J型熱電対
702
0
324
0
K型熱電対
730
0
340
0
N型熱電対
899
0
436
0
R型熱電対
911
0
464
0
S型熱電対
895
0
444
0
T型熱電対
706
0
324
0
性能
コンポーネントの性能は、カスタマイザで選択された実装方法によって異なります。以下の値は、CPU 速度
24MHz、コンパイラをリリースモードに設定した状態で測定されました。これらの数値は、必要なトレードオフを特
定するための近似値として使用してください。
GetTemperature API
NIST 多項式
熱電対の型
電圧範囲 (mV)
温度範囲 (℃)
多項式の
次数
CPUサイクル数
(PSoC 3)
CPUサイクル数
(PSoC 5)
B
0.033~0.291
100~250
7
7900
270
0.291~2.431
250 ~700
8
8500
270
2.431~13.820
700~1820
8
8500
270
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熱電対の型
電圧範囲 (mV)
温度範囲 (℃)
多項式の
次数
CPUサイクル数
(PSoC 3)
CPUサイクル数
(PSoC 5)
E
-9.718~-8.825
-250~-200
9
9100
310
-8.825~0
-200~0
8
8500
310
0~76.373
0~1000
8
8500
310
-8.095~0
-210~0
8
8500
270
0~42.919
0~760
7
7900
270
42.919~69.553
760~1200
5
6700
270
-5.891~0
-200~0
8
8500
310
0~20.644
0~500
9
9100
310
20.644~54.886
500~1372
6
7300
310
-4.313~-3.990
-250~-200
9
9100
310
-3.990~0
-200~0
9
9100
310
0~20.613
0~600
7
7900
310
20.613~47.513
600~1300
5
6700
310
-0.226~1.923
-50~250
10
9700
340
1.923~13.228
250~1200
9
9100
340
13.228~19.739
1200~1664.5
5
6700
340
19.739~21.103
1664.5~1768.1
4
6100
340
-0.235~1.874
-50~250
9
9100
310
1.874~11.950
250~1200
9
9100
310
11.950~17.536
1200~1664.5
5
6700
310
17.536~18.693
1664.5~1768.1
5
6700
310
-6.180~-5.603
-250~-200
7
7900
240
-5.603~0
-200~0
7
7900
240
0~20.872
0~400
6
7300
240
J
K
N
R
S
T
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7 次および 5 次多項式
多項式の次数
CPUサイクル数
(PSoC 3)
CPUサイクル数
(PSoC 5)
7
7900
240
5
6700
170
GetVoltage API
熱電対の型
温度範囲(℃)
多項式の次数
CPUサイクル数
(PSoC 3)
CPUサイクル数
(PSoC 5)
B
0~100
6
7300
200
E
-20~100
8
8500
270
J
-20~100
7
7900
240
K
-20~100
8
8500
270
N
-20~100
8
8500
270
R
-20~100
7
7900
240
S
-20~100
7
7900
240
T
-20~100
8
8500
270
変更履歴
ここでは、過去のバージョンからコンポーネントに加えられた主な変更を示します。
バー
ジョン
1.0
変更の説明
変更の理由 / 影響
熱電対計算機コンポーネントの最初のリリースはバージョン1.0
です。
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もたらすことを合理的に予想される、生命維持システムの重要なコンポーネンツとしてサイプレス製品を使用することを許可していません。生命維持システムの用途にサイプレス製品を提供することは、製造者がそのような使用
におけるあらゆるリスクを負うことを意味し、その結果サイプレスはあらゆる責任を免除されることを意味します。
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