AN-1087 アプリケーション・ノート AD8494/AD8495/AD8496/AD8497 を使用する際の熱電対の直線化 著者: Reem Malik 概要 AD8494/AD8495/AD8496/AD8497 熱電対アンプは、熱電対温度測 定のシンプルな低価格ソリューションを提供します。これらの アンプを使うと、熱電対測定の多くの困難を克服することができ ます。固定ゲインの計装アンプが小さい熱電対電圧を増幅し、 内蔵の温度センサーが冷接点補償を行います。 AD849x は、次式により 5 mV/°C のリニア応答を持つように J タ イプおよび K タイプの熱電対信号を測定/増幅するように最適化 されています。 ここで、TMJ は熱電対の測定接点温度。 AD849x 出力は、表 1 に記載する全測定範囲と全周囲温度で 2°C 以内を維持し正確です。このアプリケーション・ノートでは、 AD849xを使って、規定範囲外の温度で動作または温度測定する 際に精度を向上させる方法について説明します。 熱電対の非直線性 熱電対により発生される電圧は、本来非直線性を持っています。 例えば、J タイプ熱電対は 25°Cでは 52 µV/°Cで変化し、150°Cで は 55 µV/°Cで変化します。 K タイプ熱電対の直線性はこれより 優れており、温度が 0°Cより上ではほぼ 41 µV/°Cを維持してい ます。温度勾配に対する熱電対の電圧応答は、6 次以上の多項式 で記述することができます (図 1)。 100 80 AD849x では熱電対非直線性をアクティブに補正していません が、アンプは J タイプと K タイプの熱電対伝達特性に一致する ように高精度な調整が行われています。これは、AD849x では熱 電対カーブの特定部分を選択することにより非直線性を補償し、 この部分に直線近似を適用して 5 mV°/C 出力を発生しているこ とを意味します。 表 1 に選択した温度範囲を示します。これにより、熱電対非直 線性誤差が±2°C以下になっています。 図 2 に、非直線性誤差の グラフを示します。 表 1.AD849x の±2°C 精度温度範囲 E T 60 Thermocouple Type J K J K Part AD8494 AD8495 AD8496 AD8497 Max Error ±2°C ±2°C ±2°C ±2°C Ambient Temperature Range 0°C to 50°C 0°C to 50°C 25°C to 100°C 25°C to 100°C Measurement Temperature Range −35°C to +95°C −25°C to +400°C +55°C to +565°C −25°C to +295°C 2.0 J 1.5 –2.0 AD849x は、熱電対信号(冷接点補償済み)を直線的に増幅します。 これは、出力信号が熱電対からの入力信号と同様に非直線性を 持っていることを意味します。 MEASUREMENT JUNCTION TEMPERATURE (°C) 09282-001 –1.5 600 図 1.熱電対ゼーベック係数の温度特性 AD8494 AD8495 AD8496 AD8497 650 TEMPERATURE (°C) –1.0 550 1400 500 1200 450 1000 400 800 350 600 300 400 250 200 200 0 150 –200 –0.5 100 0 –400 0 0 20 0.5 50 K –50 OUTPUT ERROR (°C) 1.0 40 09282-002 SEEBECK COEFFICIENT (µV/°C) 熱電対測定で直線化が必要か否かは、選択する熱電対タイプ、 所要システム精度、測定温度範囲に依存します。熱電対信号の 非直線性は、良く理解されており、特定の熱電対タイプに対し て一定です。このため、測定システムでそれを補償することが できます。 AD849X 熱電対の非直線性補償 VOUT = (TMJ × 5 mV/°C) + VREF Rev. 0 アプリケーションによっては、その温度範囲で熱電対から直接 出力される場合より、優れた非直線性 (より高精度)が必要にな ることがあります。このような場合、熱電対測定の直線化すな わち補正が必要になります。 図 2. 熱電対非直線性から生ずる AD849x 出力誤差 アナログ・デバイセズ社は、提供する情報が正確で信頼できるものであることを期していますが、その情報の利用に 関して、あるいは利用によって生じる第三者の特許やその他の権利の侵害に関して一切の責任を負いません。また、 アナログ・デバイセズ社の特許または特許の権利の使用を明示的または暗示的に許諾するものでもありません。仕様 は、予告なく変更される場合があります。本紙記載の商標および登録商標は、各社の所有に属します。 ※日本語データシートは REVISION が古い場合があります。最新の内容については、英語版をご参照ください。 ©2010 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 本 社／〒105-6891 東京都港区海岸 1-16-1 ニューピア竹芝サウスタワービル 電話 03（5402）8200 大阪営業所／〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原 3-5-36 新大阪トラストタワー 電話 06（6350）6868 AN-1087 アプリケーション・ノート AD849x ファミリーの各デバイスは、特定の測定温度範囲および 周囲温度範囲に対して特定熱電対タイプの直線動作範囲を最適 化するために 高精度な調整 が行われてい ます。最 小 誤 差 で 5 mV/°C 出力を実現するために、次の 3 つのパラメータが調整 されています。 NIST 熱電対電圧のルックアップ・テーブル 2 つ目の方法では次に示す式を使います。ここで、TMJは熱電対 測定接点の温度、fNIST は標準ルックアップ・テーブルまたは National Institute of Standards and Technologyから公表された式に 基 づ く mv 対 温 度 関 数 ( 熱 電 対 デ ー タ ベ ー ス は http://srdata.nist.gov/its90/mainに記載されています)。 アンプのゲイン アンプのオフセット (25°C で 125 mV を実現する 0°C での 誤差電圧) 温度センサー/冷接点補償のスケール・ファクタ VTC ןTMJ − TRJ の関係があることに注意してください。すなわ ち、 VTC = fNIST (TMJ − 0) − fNIST (TRJ − 0) 熱電対電圧 VTC は、熱電対タイプ、測定接点温度 (TMJ)、リファ レンス接点温度 (TRJ)の関数です。 中間温度に対する出力値は、AD849x の出力式と 0°C 基準の NIST 熱電対電圧表を使って内挿または計算することができます。 AD8494 の場合、式は次のようになります。 VTC ןTMJ – TRJ = (TMJ − 0) − (TRJ − 0) TMJ = fNIST ((VOUT − VREF)/96.7) AD8495 の場合、式は次のようになります。 AD849xを使って測定する実際の熱電対電圧を求めるときは、次 の伝達関数を使う必要があります (各デバイスの特定の値につい ては 表 2 を参照)。 VTC TMJ = fNIST ((VOUT − VREF − 1.25 mV)/122.4) AD8496 の場合、式は次のようになります。 VOUT TRJ CJC VOFFSET VREF TMJ = fNIST ((VOUT − VREF − 20.2 mV)/90.35) AD8497 の場合、式は次のようになります。 Gain ここで、 CJC は冷接点補償スケール・ファクタ。 VOFFSET は、25°C で 125 mV を実現するための 0°C での誤差電圧。 VREF はユーザ入力電圧。 Gain は、アンプのゲイン。 表 2.AD8494、AD8495、AD8496、AD8497 の伝達関数値 Part Gain CJC Factor (mV/°C) Offset (mV) AD8494 AD8495 AD8496 AD8497 96.7 122.4 90.35 122.4 5 4.95 4.8 5.0392 0 1.25 20.2 −0.98 AD849x出力のルックアップ・テーブル 最初の方法は 表 3 を使う方法であり、この表にはAD849xの理 論出力電圧を規定接点温度を持つJ タイプおよびK タイプの熱 電対温度の関数として記載してあります。 例えば、AD8495 を室温 (25°C) で、リファレンス・ピンをグラ ウンドに接続し、 K タイプ熱電対に接続すると、1 Vを出力し ます。 5 mV/°Cの伝達関数を使うと、1 Vは 200°Cを表わします。 これより高い精度の場合は、1 V 出力に対応する温度を次のよ うに計算する必要があります。 表 3 から、測定接点温度 200°Cで実際の AD8495 出力は 0.999 Vになり、測定接点温度 220°Cでは、1.097 Vになるこ とが分かります。 これら 2 ポイント間を直線外挿すると、1 V で 200.2°C とな ることが分かります。 Rev. 0 TMJ = fNIST ((1 V − 1.25 mV)/122.4) = fNIST (8.158 mV) 2. 熱電対非直線性は、一般にマイクロコントローラを使いデジタ ル領域で補正されます。2 種類の補正アルゴリズムを使うこと ができます。 2. 最初の方法と同じ例を使うと (室温の AD8495 を、リファレン ス・ピンをグラウンドに接続し、K タイプ熱電対に接続すると、 1 Vを出力)、補正手順は次のようになります。 1. 直線性補正アルゴリズム 1. TMJ = fNIST ((VOUT − VREF + 0.98 mV)/122.4) － 2/4 － 標準 K タイプ熱電対表から、測定接点温度 200°C で、熱電 対の熱電対電圧が 8.138 mV であること、測定接点温度 201°C で、熱電対電圧が 8.178 mV であることがそれぞれ分 かります。 直線外挿を行うと、最終結果として 200.5°C が得られます。 AN-1087 アプリケーション・ノート 表 3.熱電対非直線性を反映した実際の AD849x 結果 AD8494/AD8495 Output, TA = TRJ = 25°C Measurement Junction Temperature (°C) Ideal Output (V) Actual Output (V) AD8495 Output with K Type −260 −240 −220 −200 −180 −160 −140 −120 −100 −80 −60 −40 −20 0 20 25 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 AD8494/ AD8495 −1.3 −1.2 −1.1 −1 −0.9 −0.8 −0.7 −0.6 −0.5 −0.4 −0.3 −0.2 −0.1 0 0.1 0.125 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 AD8494 Output with J Type 720 740 760 3.6 3.7 3.8 Rev. 0 AD8496/AD8497 Output, TA = TRJ = 60° Ideal Output (V) Actual Output (V) AD8497 Output with K Type −0.714 −0.658 −0.594 −0.523 −0.446 −0.365 −0.278 −0.188 −0.095 0.002 0.100 0.125 0.201 0.303 0.406 0.511 0.617 0.723 0.829 0.937 1.044 1.151 1.259 1.366 1.473 1.580 1.687 1.794 1.901 2.008 2.114 2.221 2.328 2.435 2.542 2.650 2.759 2.868 2.979 3.090 3.203 3.316 3.431 3.548 3.666 3.786 −0.786 −0.774 −0.751 −0.719 −0.677 −0.627 −0.569 −0.504 −0.432 −0.355 −0.272 −0.184 −0.093 0.003 0.100 0.125 0.200 0.301 0.402 0.504 0.605 0.705 0.803 0.901 0.999 1.097 1.196 1.295 1.396 1.497 1.599 1.701 1.803 1.906 2.010 2.113 2.217 2.321 2.425 2.529 2.634 2.738 2.843 2.947 3.051 3.155 3.259 3.362 3.465 3.568 AD8496/ AD8497 −1.3 −1.2 −1.1 −1 −0.9 −0.8 −0.7 −0.6 −0.5 −0.4 −0.3 −0.2 −0.1 0 0.1 0.125 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 AD8496 Output with J Type −0.642 −0.590 −0.530 −0.464 −0.392 −0.315 −0.235 −0.150 −0.063 0.027 0.119 0.142 0.213 0.308 0.405 0.503 0.601 0.701 0.800 0.900 1.001 1.101 1.201 1.302 1.402 1.502 1.602 1.702 1.801 1.901 2.001 2.100 2.200 2.300 2.401 2.502 2.603 2.705 2.808 2.912 3.017 3.124 3.231 3.340 3.451 3.562 −0.785 −0.773 −0.751 −0.718 −0.676 −0.626 −0.568 −0.503 −0.432 −0.354 −0.271 −0.184 −0.092 0.003 0.101 0.126 0.200 0.301 0.403 0.505 0.605 0.705 0.804 0.902 0.999 1.097 1.196 1.296 1.396 1.498 1.599 1.701 1.804 1.907 2.010 2.114 2.218 2.322 2.426 2.530 2.634 2.739 2.843 2.948 3.052 3.156 3.259 3.363 3.466 3.569 3.906 4.029 4.152 3.670 3.772 3.874 3.6 3.7 3.8 3.675 3.789 3.904 3.671 3.773 3.874 － 3/4 － AN-1087 アプリケーション・ノート AD8494/AD8495 Output, TA = TRJ = 25°C Measurement Junction Temperature (°C) Ideal Output (V) 780 800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340 1360 1380 3.9 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 AD8494/ AD8495 Actual Output (V) AD8494 Output with J Type AD8495 Output with K Type AD8496/ AD8497 4.276 4.401 4.526 4.650 4.774 4.897 5.018 5.138 5.257 5.374 5.490 5.606 5.720 5.833 5.946 6.058 6.170 6.282 6.394 6.505 6.616 6.727 3.975 4.076 4.176 4.275 4.374 4.473 4.571 4.669 4.766 4.863 4.959 5.055 5.150 5.245 5.339 5.432 5.525 5.617 5.709 5.800 5.891 5.980 6.069 6.158 6.245 6.332 6.418 6.503 6.587 6.671 6.754 3.9 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 ©2010 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 商標および登録商標は各社の所有に属します。 Rev. 0 AD8496/AD8497 Output, TA = TRJ = 60° Ideal Output (V) － 4/4 － Actual Output (V) AD8496 Output with J Type AD8497 Output with K Type 4.020 4.137 4.254 4.370 4.486 4.600 4.714 4.826 4.937 5.047 5.155 5.263 5.369 5.475 5.581 5.686 5.790 5.895 5.999 6.103 6.207 6.311 3.976 4.076 4.176 4.276 4.375 4.474 4.572 4.670 4.767 4.863 4.960 5.055 5.151 5.245 5.339 5.433 5.526 5.618 5.710 5.801 5.891 5.981 6.070 6.158 6.246 6.332 6.418 6.503 6.588 6.671 6.754