(57)【要約】【課題】  換算表をオンラインで保持するためのメモリ資源を必要とせず、高精度かつ高速な変換処理を可能とする変換演算装置を実現する。【解決手段】  温度を計測するサーミスタの抵抗値を温度に変換する変換演算装置において、  サーミスタの抵抗値と温度との関係を表す理論式を近似した高次多項式の各項の係数を保持する係数保持手段と、  この係数保持手段から前記各項の係数を読み出して前記高次多項式に設定し、係数を設定した高次多項式に前記サーミスタから入力した抵抗値を代入し、温度を算出する温度演算手段と、を備える。【選択図】                    図１
2007113921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度を計測するサーミスタの抵抗値を温度に変換する変換演算装置において、
サーミスタの抵抗値と温度との関係を表す理論式を近似した高次多項式の各項の係数を保持する係数保持手段と、
この係数保持手段から前記各項の係数を読み出して前記高次多項式に設定し、係数を設定した高次多項式に前記サーミスタから入力した抵抗値を代入し、温度を算出する温度演算手段と、
を備えることを特徴とする変換演算装置。
【請求項２】
サーミスタ毎に定義されている換算表を基に前記高次多項式の各項の係数を計算する係数計算手段と、
計算された係数を前記係数保持手段に設定する係数設定手段と、
よりなる係数生成手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の変換演算装置。
【請求項３】
前記係数生成手段は、使用されるサーミスタ毎に予めオフラインで係数を生成することを特徴とする請求項２に記載の変換演算装置。
【請求項４】
前記係数計算手段は、前記換算表を基に最小二乗法により前記係数を同定することを特徴とする請求項２又は至３に記載の変換演算装置。
【請求項５】
前記温度演算手段は、前記抵抗値Ｒの対数（ｌｏｇＲ）を変数として、与えられる係数
ａ０，ａ１，ａ２，ａ３，…ａｎに基づき、
Ｔ＝ａ０＋ａ１（ｌｏｇＲ）＋ａ２（ｌｏｇＲ）２＋ａ３（ｌｏｇＲ）３＋
…ａｎ（ｌｏｇＲ）ｎ
の高次多項式を演算して温度Ｔを算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の変換演算装置。
【請求項６】
前記温度演算手段は、前記高次多項式をホーナー法により計算することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の変換演算装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度を計測するサーミスタの抵抗値を温度に変換する変換演算装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
計測・制御対象として温度を計測する電子機器の他、電子機器の動作を温度により補償する等、間接的な目的のために温度を知る必要がある電子機器は多い。それらの温度計測の際、センサとしてサーミスタを使用する例は少なくない。
【０００３】
図２は、従来の変換演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。この構成例の変換演算手法は、サーミスタ毎に定義されている抵抗値と温度の対応を表す換算表から、測定により得られた抵抗値Ｒを挟む２点の抵抗値を探索し、この２点の抵抗値に対応する２点の温度の値を数学的に内分（直線近似）して温度Ｔを推定演算するものである。
【０００４】
１は温度を計測するサーミスタであり、定電流を流したときの電圧降下Ｅにより抵抗値
を計測する。２はＡＤ変換手段であり、この電圧Ｅを入力してＡＤ変換した抵抗値Ｒをデジタル出力する。３は探索手段であり、抵抗値Ｒを入力し、適当なメモリ手段に保持されているサーミスタ１の換算表４にアクセスし、抵抗値Ｒを挟む２点の抵抗値Ｒ１，Ｒ２を探索し、換算表４に定義されたＲ１，Ｒ２に対応する温度Ｔ１，Ｔ２を取得する。
【０００５】
図３は、メーカより提供される換算表の一例を示すテーブルである。図３において、計測された抵抗値Ｒが４．５ｋΩであった場合、これを挟む抵抗値Ｒ１，Ｒ２は４．１６ｋΩ及び４．９１１ｋΩであり、これら抵抗値に対応する温度Ｔ１，Ｔ２は、５０℃及び４５℃である。
【０００６】
５は内分演算手段であり、探索手段から渡される温度Ｔ１，Ｔ２、抵抗値Ｒ、Ｒ１，Ｒ２を入力し、それらの値を数学的に内分（直線近似）して温度Ｔを推定演算する。図４は、内分演算を説明する模式図である。Ｒを挟むＲ１とＲ２の温度Ｔ１とＴ２を直線で近似し、Ｒとこの近似直線から温度Ｔを推定演算する。演算の精度を上げるため、抵抗値Ｒを挟む２点に加えて、その両端の既知の４点を曲線近似する場合もある。
【０００７】
サーミスタは抵抗の温度係数が負である半導体の抵抗素子である。抵抗値と絶対温度の間には、２温度Ｔ１，Ｔ２における抵抗値をＲ１，Ｒ２とし、この範囲でのサーミスタ定数をＢ12とすると、一般的に以下の関係が成り立つ。
Ｂ12＝（ｌｏｇＲ１−ｌｏｇＲ２）／（１／Ｔ２−１／Ｔ１）                （１）
ここで、Ｔ１≦Ｔ≦Ｔ２（Ｒ２≦Ｔ≦Ｒ１）の条件下におけるＴとＲは、Ｔ１，Ｔ２間におけるサーミスタ定数Ｂ12を用いて、次式で関係付けられる。
Ｒ＝Ｒ１・ｅｘｐＢ12（１／Ｔ−１／Ｔ１  ）                              （２）
【０００８】
このことから、測定により得られた任意の抵抗値Ｒから温度Ｔを求めるためには、測定したい温度近辺における既知の温度と抵抗値を探索し、それらの値を元にこの範囲でのサーミスタ定数Ｂ12を求め、またそれら既知の抵抗値からの差分に応じた抵抗値を加算して算出することができる。
【０００９】
図５は、この手法を用いた従来の変換演算装置の他の構成例を示す機能ブロック図である。図２の構成との差を説明する。６はサーミスタ定数演算手段であり、探索手段３から、Ｒ１，Ｒ２及びＴ１，Ｔ２を取得し、（１）式を演算してこの範囲でのサーミスタ定数Ｂ12を出力する。
【００１０】
７は内分演算手段であり、サーミスタ定数演算手段６よりサーミスタ定数Ｂ12を、探索手段３よりＲ，Ｒ１及びＴ１を取得し、（２）式を演算して温度Ｔを出力する。図６は、内分演算を説明する模式図である。ｌｏｇＲ１と１／Ｔ１の交点より負の勾配Ｂ12で与えられる直線をｌｏｇＲ、ｌｏｇＲ１及び１／Ｔ１により、内分演算で１／Ｔを推定演算し、逆数演算した温度Ｔを出力する。
【００１１】
図３に例示した換算表の定義内容は、サーミスタ毎に異なる。従って、図２、図５の変換演算装置では、使用可能性のあるサーミスタ１の種類に対応して複数の換算表４を予め保持し、使用するサーミスタに対応して探索手段３が換算表４を切り換えて参照する。
【００１２】
特許文献１には、感温素子としてサーミスタを用い、補正演算を行って温度を算出する電子温度計が記載されている。
【００１３】
【特許文献１】特許第２５０４７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
図２、図５に示した従来装置では、次のような問題点がある。
（１）換算表をオンラインで保持し、変換演算の都度、既知の抵抗値と温度の換算表にアクセスする必要がある。
【００１５】
（２）探索手段を設けて、計測された抵抗値の近傍の既知の値を変換演算の度に探索するアルゴリズムが必要となる。
【００１６】
（３）探索結果を基に、変換演算の度に近似のためのパラメータを算出して演算処理する必要がある。
【００１７】
その結果、
（１）換算表を保持するためのメモリ資源が必要となり、広範囲の温度を計測する場合や精度の高い換算を必要とする際にはより大きなメモリ資源を必要とする。
【００１８】
（２）演算時間が長くなり、かつ換算する抵抗値（温度）により時間むらが発生する。更に、広範囲の温度を計測する場合や精度の高い換算を必要とする際には換算表の増大に伴って探索に要する時間も増加する。
【００１９】
（３）演算処理のために大きなメモリ容量を必要とし、処理時間が長くなる。
【００２０】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、換算表をオンラインで保持するためのメモリ資源を必要とせず、高精度かつ高速な変換処理を可能とする変換演算装置を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）温度を計測するサーミスタの抵抗値を温度に変換する変換演算装置において、
サーミスタの抵抗値と温度との関係を表す理論式を近似した高次多項式の各項の係数を保持する係数保持手段と、
この係数保持手段から前記各項の係数を読み出して前記高次多項式に設定し、係数を設定した高次多項式に前記サーミスタから入力した抵抗値を代入し、温度を算出する温度演算手段と、
を備えることを特徴とする変換演算装置。
【００２２】
（２）サーミスタ毎に定義されている換算表を基に前記高次多項式の各項の係数を計算する係数計算手段と、
計算された係数を前記係数保持手段に設定する係数設定手段と、
よりなる係数生成手段を備えることを特徴とする（１）に記載の変換演算装置。
【００２３】
（３）前記係数生成手段は、使用されるサーミスタ毎に予めオフラインで係数を生成することを特徴とする（２）に記載の変換演算装置。
【００２４】
（４）前記係数計算手段は、前記換算表を基に最小二乗法により前記係数を同定することを特徴とする（２）又は至（３）に記載の変換演算装置。
【００２５】
（５）前記温度演算手段は、前記抵抗値Ｒの対数（ｌｏｇＲ）を変数として、与えられる係数ａ０，ａ１，ａ２，ａ３，…ａｎに基づき、
Ｔ＝ａ０＋ａ１（ｌｏｇＲ）＋ａ２（ｌｏｇＲ）２＋ａ３（ｌｏｇＲ）３＋
…ａｎ（ｌｏｇＲ）ｎ
の高次多項式を演算して温度Ｔを算出することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の変換演算装置。
【００２６】
（６）前記温度演算手段は、前記高次多項式をホーナー法により計算することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の変換演算装置。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）換算表に基づいて予めオフラインで算出された（次数＋１）個の多項式の係数値のみを保持するだけでよく、換算表全部をオンラインで保持するのに比べ大幅なメモリ資源の縮小が図れる。とりわけ広い温度範囲を計測するような場合には一層有効である。
【００２８】
（２）単純な対数計算および多項式演算のみで変換演算できるため、探索，近似定数算出，近似計算を行うより演算に要する時間の短縮及び均一化を実現できる。又、演算に要するメモリ資源も格段に少なくて済み、手順の作成・検証も容易となる。
【００２９】
（３）換算精度の向上のため近似多項式の次数をより高次にする際、その変更に伴うメモリ資源は、追加次数分の係数が増えるだけであり、演算時間もホーナー法を使用することにより加算と乗算が追加次数分だけ夫々増えるだけで済み、メモリ資源の増加は発生せず、探索時間の増大も発生しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は本発明を適用した変換演算装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。図２、図５で説明した従来装置と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。
【００３１】
図１において、１００は温度演算手段であり、計測された抵抗値Ｒを入力してこれを演算処理して温度Ｔを出力する。演算手法は、サーミスタの抵抗値と温度との関係を表す理論式を近似した高次多項式を用いる。
【００３２】
２００は、係数保持手段であり、温度演算手段１００で演算される高次多項式の各項の係数を係数テーブル２０１に保持している。使用するサーミスタ１の種類が複数の場合にはサーミスタ毎に異なる複数の係数テーブルを備える。温度演算手段１００は、この係数テーブルのデータを参照した係数を代入して高次多項式を演算処理する。
【００３３】
抵抗値Ｒと温度Ｔの関係は、Ｃ１，Ｃ２を定数として、次のような理論式で表される。
Ｒ＝Ｃ1・ｅｘｐ（Ｃ２／Ｔ）（Ｃ2/Ｔ）                                  （３）
抵抗値Ｒを変数とする高次多項式で広範囲の温度Ｔを1つの式でそのまま近似するには、必要精度を確保するために次数を多く取る必要があり、実用上問題がある。
【００３４】
そこで、Ｒの対数(log Ｒ)を変数とし、係数保持手段２００から与えられる係数ａ０，ａ１，ａ２，ａ３，…ａｎに基づき、
Ｔ＝ａ０＋ａ１（ｌｏｇＲ）＋ａ２（ｌｏｇＲ）２＋ａ３（ｌｏｇＲ）３＋
…ａｎ（ｌｏｇＲ）ｎ                                                （４）
で与えられる高次多項式で近似する。
【００３５】
３００は、係数生成手段である。３０１は係数計算手段であり、サーミスタ毎に定義されている換算表３０２を基に、高次多項式の各項の係数ａ０，ａ１，ａ２，ａ３，…ａｎを計算する。３０３は係数設定手段であり、計算された係数を係数保持手段２００に設定する。
【００３６】
本発明では、係数生成手段３００は、使用されるサーミスタ毎に、換算表に基づいて予めオフラインのエンジニアリングで係数を生成することを特徴としており、従来手法のようにオンラインで換算表を保持する必要がない。
【００３７】
係数計算手段３０１による、換算表３０２に基づく係数計算は、周知の最小二乗法により各係数を同定する手法を採用することで精度の高い係数の同定が可能である。多項式の次数は必要な換算精度に応じて決定すればよいが、換算精度は、元となる換算表自体の有効桁数等により自ずから限界があるため、それに応じて実用的に決定すればよい。
【００３８】
出願人の検証によれば、図３に示した換算表に基づく係数同定により、（４）式を用いて４次までの多項式の演算で必要な変換精度を確保できることを確認できた。以下、具体的な計算例を示す。
【００３９】
図３の換算表から最小二乗法により係数ａ０，ａ１，ａ２，ａ３，ａ４を計算すると、
ａ０＝98.9524230619253
ａ１＝-38.7221049572286
ａ２＝3.431439511687622
ａ３＝-0.272348491790581
ａ４＝0.0117614997709552
が得られる。
【００４０】
今仮にサーミスタ１の温度計測により、抵抗値Ｒ＝4.500ｋΩが得られたとした場合、変数ｌｏｇＲは、ｌｏｇＲ＝ｌｏｇ4.5＝1.504077である。この値と前記係数ａ０乃至ａ４の値を（４）式に代入すれば、Ｔ＝47.60765（℃）≒47.608（℃）が得られる。
【００４１】
抵抗値Ｒ＝4.500ｋΩを用いて、図５の従来装置で求めた温度Ｔは、Ｔ＝47.6014（℃）であり、その誤差は約0.01％である。よって、本発明による変換演算の値は、妥当かつ十分な精度の換算演算が実行されていることがわかる。
【００４２】
近似多項式の次数は、実用的には前記のように４次で十分であるが、演算精度の向上のため近似多項式の次数をより高次にする際、その変更に伴うメモリ資源は係数保持手段２００の追加次数分の係数が増えるだけでありメモリ資源増加は極めて小さい。更に、高次計算に周知のホーナー法を使用することにより、演算時間も、加算と乗算が追加次数分だけそれぞれ増えるだけで済むので、次数増加に伴なう処理時間の増加は小さい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明を適用した変換演算装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。
【図２】従来の変換演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【図３】換算表の一例を示すテーブルである。
【図４】図２の内分演算を説明する模式図である。
【図５】従来の変換演算装置の他の構成例を示す機能ブロック図である。
【図６】図５の内分演算を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  サーミスタ
２  ＡＤ変換手段
１００  温度演算手段
２００  係数保持手段
２０１  係数テーブル
３００  係数生成手段
３０１  係数計算手段
３０２  換算表
３０３  係数設定手段
【図１】
2007113921.tif 000003
【図２】
2007113921.tif 000004
【図３】
2007113921.tif 000005
【図４】
2007113921.tif 000006
【図５】
2007113921.tif 000007
【図６】
2007113921.tif 000008