JP3562703B2 - 計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、４線式抵抗測定方法及び計測装置の改善に関し、特に４線式抵抗測定の高速化と高精度化を実現するとともに、被測定物と計測装置を接続する配線等の接触不良または断線等によって発生しうる誤測定を防止することが可能な計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の４線式抵抗測定を行う計測装置の構成を図５を用いて説明する。同図は従来の高精度４線式デジタルマルチメータの４線式抵抗測定回路の一例である。
【０００３】
同図において、被測定物である被測定抵抗１の一端は、測定装置１００のプラス電流端子３及びプラス電圧端子４に接続され、被測定抵抗１の他の一端は、測定装置１００のマイナス電流端子６及びマイナス電圧端子５に接続されている。
【０００４】
測定装置１００の内部では、基準電圧４８が基準抵抗９を介してプラス電流端子３に印加されている。また、マイナス電流端子６は、非反転入力端子をゼロ電位点に接続され反転入力端子を前記プラス電流端子３に接続された演算増幅器１０の出力端子に接続されている。更にこの演算増幅器１０の出力は、位相補償用コンデンサ１４を介して負帰還されている。
【０００５】
更に、プラス電圧端子４とマイナス電圧端子５はＦＥＴスイッチ１１と１２の一端にそれぞれ接続され、このＦＥＴスイッチ１１と１２の他の一端は、演算増幅器を利用した非反転型アンプであるプリアンプ７の入力に接続されている。このプリアンプ７の出力が被測定抵抗１の測定電圧信号として後段の制御回路１３に入力され、ここでデジタル値に変換された後、適切な演算処理が施され、その結果が被測定抵抗１の抵抗値として表示器（図示せず。）等に表示される。また、この制御回路１３は、ＦＥＴスイッチ１１と１２のオンオフ動作も管理している。
【０００６】
このように被測定抵抗１と接続された計測装置１００は、被測定抵抗１に既知の定電流Ｉｓをプラス電流端子３からマイナス電流端子６に向かって流し、被測定抵抗１の両端に発生する電圧をプラス電圧端子４とマイナス電圧端子５から測定し、この電圧を定電流Ｉｓで除算して被測定抵抗１の抵抗値を求める。
【０００７】
上記の定電流Ｉｓは、基準電圧４８と基準抵抗９及び演算増幅器１０によって発生され、その大きさは、基準抵抗９の下端ａが演算増幅器１０の作用によってゼロ電位に制御されるため、基準電圧４８の電圧値を基準抵抗９の抵抗値で除算して得られた値となる。
【０００８】
制御回路１３は、この定電流Ｉｓを被測定抵抗１に流し、この被測定抵抗１のプラス側に発生する電圧Ｒｖ＋をＦＥＴスイッチ１１をオン、ＦＥＴスイッチ１２をオフとすることによって、プリアンプ７に入力し検出すると共にこの値を記憶し、次にこの被測定抵抗１のマイナス側に発生する電圧Ｒｖ−をＦＥＴスイッチ１１をオフ、ＦＥＴスイッチ１２をオンとすることによって、プリアンプ７に入力し検出すると共にこの値を記憶する。
【０００９】
制御回路１３は、上記の動作によって記憶した被測定抵抗１のプラス側に発生する電圧Ｒｖ＋からマイナス側に発生する電圧Ｒｖ−を減算し、その値を定電流Ｉｓの電流値で除算して被測定抵抗１の抵抗値を求める。
【００１０】
このような構成の計測装置では、シンプルな構成の非反転アンプをプリアンプとして用いることが可能であると共に、２回の測定を行ってプラス側に発生する電圧とマイナス側に発生する電圧の差を求めることにより、前記プリアンプのオフセット電圧によるドリフトをキャンセルすることが可能となり、被測定抵抗１の抵抗値を高精度に測定することが可能となる。
【００１１】
また、他の従来例として図６に示す構成のものがある。同図は、生産ラインに用いる計測装置のように、高速測定を行う用途に用いられる計測装置の一例である。同図において、図５と同様のものは同一の符号を付しその説明を省略する。
【００１２】
図６の回路において、被測定抵抗１に定電流Ｉｓを流してその両端に発生する電圧から抵抗値を求めるという原理は図５の計測装置と同様であるが、図６の計測装置では、プラス電圧端子４とマイナス電圧端子５をプリアンプ７の非反転入力と反転入力にそれぞれ接続し、プリアンプ７を差動アンプとして用いている。
【００１３】
図６の回路では、上記に示すようにプリアンプ７を差動アンプとして用いることにより、被測定抵抗１に定電流Ｉｓを流してその両端に発生する電圧を１回の測定で求めることができるため、高速測定が可能となる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図５に示した従来の計測装置では、被測定抵抗１の両端に発生する電圧を求めるために、２回の測定を行う必要があることから測定に要する時間が長くかかり、高速測定を行うことができないという問題点があった。
【００１５】
また、図６に示した従来の計測装置では、プリアンプ７を差動アンプとして用いることにより、１回の測定で被測定抵抗１の両端に発生する電圧を測定することが可能であるが、このような構成の計測装置では、その測定精度がプリアンプ７の精度に依存してしまうという問題点がある。つまり、高精度の測定を行うためにはプリアンプ７を構成する抵抗の絶対値のマッチングに、期待する測定精度以上の精度が必要となる。現実的にはトリマ抵抗で微調整の作業が必要となり作業工数が増えてしまう。また、市販の差動アンプでゲイン誤差が０．０２％程度と比較的良いものもあるが高価であり、更に市販品でそれ以上の精度を望むことは難しい。従って、差動アンプを用いる電圧測定回路は、高精度測定を行う計測装置には適用できないという問題点があった。
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するもので、高精度測定と高速測定を同時に実現することが可能な４線式抵抗測定を行う計測装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために請求項１に記載の発明では、プラス電流端子及びマイナス電流端子を介して被測定物に定電流を供給するとともに、プラス電圧端子及びマイナス電圧端子を介して前記被測定物の両端に発生する電圧を検出して前記被測定物の抵抗値を測定する４線式抵抗測定を行う計測装置において、前記プラス電流端子及びマイナス電流端子に定電流を供給する測定用定電流源回路と、出力端子を前記マイナス電流端子に接続し、非反転入力端子をゼロ電位点に接続し、反転入力端子を前記プラス電圧端子に接続した演算増幅器と、
前記マイナス電圧端子とゼロ電位点との電位差を検出するプリアンプを備え、
前記演算増幅器によって前記プラス電圧端子の電位をゼロ電位となるように制御し、前記プリアンプによって前記マイナス電圧端子とゼロ電位点との間に発生する負電圧を検出することによって、前記被測定物の両端に発生する電圧を測定し、これを抵抗値換算して前記被測定物の抵抗を求めるように構成されたことを特徴とするものである。
【００１８】
これにより、被測定物に発生する電圧を差動アンプを用いることなく１回の測定で測定することが可能となる。
【００１９】
請求項２記載の発明では、請求項１に記載の計測装置に用いる定電流源回路を簡単な回路構成で実現することが可能となる。
【００２０】
請求項３に記載の発明では、４線式抵抗測定を行う計測装置において、
前記プラス電流端子及びマイナス電流端子に定電流を供給する測定用定電流源回路と、出力端子を前記マイナス電流端子に接続し、非反転入力端子をゼロ電位点に接続し、反転入力端子を前記プラス電圧端子に接続した演算増幅器と、前記マイナス電圧端子とゼロ電位点との電位差を検出するプリアンプから成る抵抗測定回路と、
前記プラス電流端子の電圧を入力とするコンパレータと、前記プリアンプの入力電圧をプルアップするプリアンプ用プルアップ回路と、前記演算増幅器の反転入力に接続された断線検知用定電流源回路と、前記プリアンプの出力を入力するバッファアンプと、前記バッファアンプの入力端子に前記コンパレータの出力を制御端子に入力するスイッチ回路を介して接続されたバッファアンプ用プルアップ回路から成る断線検知回路を備えたことを特徴とするものである。
【００２１】
これにより、請求項１に記載の計測装置に簡単な回路を付加するだけで、断線検知回路を実現することが可能となる。
【００２２】
請求項４から７に記載の発明では、請求項３に記載の計測装置と被測定物を接続する各配線がオープン状態となったことを、前記バッファアンプの出力をプラス側に出力することによって検知することが可能となる。
【００２３】
請求項８記載の発明では、請求項３に記載の計測装置に用いる定電流源回路を簡単な回路構成で実現することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図１は本発明に係る計測装置の一実施例を示す回路図である。同図において従来例で説明した図５と同一のものは同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２５】
図１において、基準電圧４８は測定用定電流源回路４９に基準電圧を供給し、測定用定電流源回路４９の出力はプラス電流端子３に接続される。また、出力端子をマイナス電流端子６に接続された演算増幅器１０の反転入力はプラス電圧端子４に接続され、プリアンプ７の入力はマイナス電圧端子５に接続される。
【００２６】
ここで用いるプリアンプ７は、演算増幅器を利用して構成された非反転アンプである。
【００２７】
このような構成の計測装置１０１において、測定用定電流源回路４９から流れ出た定電流Ｉｓは被測定抵抗１を通って演算増幅器１０に流れ込む。演算増幅器１０はプラス電圧端子４をゼロ電位に制御しているので、プリアンプ７によってゼロ電位を基準にマイナス電圧端子５の電圧を測定すれば、被測定抵抗１の両端に発生した電圧を１回の測定で検出することが可能である。尚、プリアンプ７で測定されるマイナス電圧端子５の電圧は、マイナス電位の電圧である。
【００２８】
ここで、測定用定電流源回路４９の実施例を図２に示す。同図において測定用定電流源回路４９は、基準電圧４８を印加されて直列接続された基準抵抗５１と５２の共通接続点ｋを演算増幅器５４の非反転入力に接続し、前記基準電圧４８の印加点ｊを基準抵抗５３を介して前記演算増幅器５４の反転入力に接続し、前記演算増幅器５４の出力をＦＥＴ５５のゲートに接続し、前記ＦＥＴ５５のソースを前記演算増幅器５４に負帰還し、前記ＦＥＴ５５のドレインから定電流Ｉｓを出力するように構成されている。
【００２９】
上記のように構成された計測装置の測定精度は、電圧検出を行うプリアンプ７をシンプルな非反転アンプとしたため、プリアンプ７の構成部品である演算増幅器のオフセット電圧と抵抗の精度によって決定される。また、プリアンプ７の回路内のオフセットとゲインはソフトウェアによって根付けしてしまうので、各素子の絶対値は問題とならず、温度係数と経年変化の小さいものを使用すれば良い。従って、プリアンプ７を容易に高精度化することが可能であるため、計測装置１０１の高精度化が容易である。。
【００３０】
また、抵抗測定を行う場合、一般的に測定レンジに対応して被測定抵抗１に流す定電流Ｉｓの大きさを変化させるため、被測定抵抗１の両端に発生する電圧は測定レンジに依らず、比較的大きな電圧（例えば１０Ｖフルスケール）に標準化することが可能である。従って、プリアンプ７は極端に小さな電圧を測定する必要が無く比較的大きな電圧を測定するため、測定電圧に対するオフセット電圧のドリフトによる影響は相対的に小さくなる。このため、図５に示した計測装置のように２回測定を行ってオフセット電圧のドリフトによる影響を除去しなくても、充分高精度な測定を行うことが可能である。
【００３１】
また、図１のように構成された計測装置の断線検知手段を図３を用いて説明する。同図は、図１の計測装置に断線検知用回路を付加して構成された計測装置の一実施例である。同図において図１と同様のものは、同一の符号を付しその説明を省略する。
【００３２】
図３の計測装置において、プリアンプ７の出力は抵抗６４を介してバッファアンプ６５の入力に接続されており、このバッファアンプ６５の出力が制御回路１３に入力される。
【００３３】
また、例えば−１５Ｖの負基準電圧８１が印加された断線検知用定電流源回路６６は演算増幅器１０の反転入力に接続され、プルアップ抵抗６７に例えば＋１５Ｖのプルアップ電圧８２を印加して構成されたプリアンプ用プルアップ回路８４がプリアンプ７の入力に接続されている。
【００３４】
更に、プラス電流端子３に接続された測定用電流源回路４９の出力にはコンパレータ６１の入力が接続されており、このコンパレータ６１の出力は、スイッチ回路６２の制御端子に接続されている。このスイッチ回路６２の可動接点ｅにはプルアップ抵抗６３に例えば＋１５Ｖのプルアップ電圧８３印加して構成されたバッファアンプ用プルアップ回路８５が接続されており、このスイッチ回路６２の固定接点ｆはバッファアンプ６５の入力が接続されている。
【００３５】
このような構成の計測装置１０２において、計測装置１０２から被測定抵抗１に接続される４本の接続線ａ，ｂ，ｃ、ｄがオープン状態となった場合の動作について下記に説明する。
【００３６】
まず、プラス電流端子３から被測定抵抗１を接続する接続線ａがオープン状態となった場合、定電流Ｉｓが被測定抵抗１に流れなくなるため、プリアンプ７の出力はゼロになるが、測定用定電流源回路４９の負荷抵抗が無限大となるため、プラス電流端子３の電圧が基準電圧４８の電圧レベル付近まで上昇する。このプラス電流端子３の電圧はコンパレータ６１で監視されており、この電圧が予めコンパレータ６１に設定された電圧範囲を超過した場合、コンパレータ６１は出力をハイとする。コンパレータ６１の出力は、スイッチ回路６２の制御端子に接続されており、スイッチ回路６２は、この制御端子の信号がハイ状態となるとスイッチを閉じるように構成されている。これによって、バッファアンプ用プルアップ回路８５がバッファアンプ６５の入力に接続されるため、バッファアンプ６５の入力には＋１５Ｖであるプルアップ電圧８３とプリアンプ７の出力を、プルアップ抵抗６３と抵抗６４で分圧した電圧が入力される。
【００３７】
バッファアンプ６５の出力電圧は、全ての前記接続線ａ〜ｄがオープン状態とならず確実に接続された状態（以下、正常状態という。）であればマイナス電位の電圧であるが、接続線ａがオープン状態となった場合、上記の作用によりバッファアンプ６５の出力にはプラス電位の電圧が出力される。また、仮にプリアンプ７の出力がマイナス側に張り付いてもバッファアンプ６５の入力が常にプラス側になるような値にプルアップ抵抗６３と抵抗６４の抵抗値を決めておけば、接続線ａがオープン状態となった場合、制御回路１３には常にプラスの電圧が入力される。
【００３８】
制御回路１３は、マイナス電位の電圧が入力された場合、これを正常状態で測定された電圧であると認識し適切な演算処理を施し抵抗値換算を行うが、プラス側の電圧が入力された場合、これをオープン状態で測定された電圧であると認識し、断線検知処理を行う。この断線検知処理とは、例えば被測定抵抗１の抵抗値をスケールオーバーさせて表示し、測定者に異常の発生を認識させるものである。
【００３９】
プラス電圧端子４から被測定抵抗１を接続する接続線ｂがオープン状態となった場合、演算増幅器１０の反転入力端子の電流が断線検知用定電流源回路６６に流れ込むため、演算増幅器１０の出力からプラス側の電圧が出力される。従って、マイナス電流端子６に接続されているプラス電圧端子５の電圧もプラス電位となりプリアンプ７の出力電圧がプラス側となり最終的にバッファアンプ６５の出力にプラス電位の電圧が出力される。制御回路１３はこのプラス電位の電圧を検知して断線検知処理を行う。
【００４０】
また、ここで用いる断線検知用低電流源回路６６は、正常状態で測定を行っている場合、測定用定電流源回路４９の電流を差し引いてしまうので、断線検知用定電流源回路６６の定電流Ｉｏは測定用定電流源回路４９の定電流Ｉｓの１／１００以下程度の大きさにする必要があるが、定電流Ｉｏの大きさは、演算増幅器１０の出力をプラス側に引っ張るために必要な大きさ（例えば１００ｎＡ程度）があればよいため、問題とならない。また、断線検知用定電流源回路６６の精度も測定用定電流源回路４９の精度に比べて１００倍程度悪くても良いため、安価な汎用部品で構成することが可能である。
【００４１】
マイナス電圧端子５から被測定抵抗１を接続する接続線ｃがオープン状態となった場合、プリアンプ用プルアップ回路８４によって、プリアンプ７にプラス電位の電圧が入力され最終的にバッファアンプ６５の出力にプラス電位の電圧が出力される。制御回路１３はこのプラス電位の電圧を検知して断線検知処理を行う。
【００４２】
また、正常状態で測定を行っている時は、マイナス電圧端子５はマイナス電流端子６と接続されているため、低インピーダンスであるのでプリアンプ用プルアップ回路８４は測定に影響を及ぼさない。
【００４３】
マイナス電流端子６から被測定抵抗１を接続する接続線ｄがオープン状態となった場合、測定用定電流源回路４９の負荷抵抗が無限大となるため、マイナス電圧端子５の電圧が基準電圧４８の電圧レベル付近まで上昇する。これによってプリアンプ７にプラス電位の電圧が入力され最終的にバッファアンプ６５の出力にプラス電位の電圧が出力される。制御回路１３はこのプラス電位の電圧を検知して断線検知処理を行う。
【００４４】
上記には各配線が１本だけオープン状態となった場合の動作について説明したが、複数の配線が同時にオープン状態となった場合であっても、上記に説明した原理のいずれかを用いて断線検知が可能である。図４にオープン状態となった箇所と制御回路に入力される電圧及びその原理の関係を示す。
【００４５】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【００４６】
【発明の効果】
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。
請求項１に記載の発明では、４線式抵抗測定を高速且つ高精度に行うことが可能な計測装置をシンプルな回路構成で実現することが可能である
【００４７】
請求項３から７に記載の発明では、請求項１に記載された発明の計測装置に安価でシンプルな回路を付加するだけで、断線検知を実現することが可能である。
【００４８】
請求項２及び８に記載の発明では、請求項１及び３に記載された発明において、定電流源回路を安価でシンプルな回路構成で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る計測装置の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明に係る計測装置の定電流源回路の一実施例を示す構成図である。
【図３】本発明に係る計測装置の断線検知回路の一実施例を示す構成図である。
【図４】本発明に係る計測装置の断線検知回路を説明する図である。
【図５】従来の計測装置の一例を示す構成図である。
【図６】従来の計測装置の他の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 被測定抵抗
３ プラス電流端子
４ プラス電圧端子
５ マイナス電圧端子
６ マイナス電流端子
７ プリアンプ
９ 基準抵抗
１０ 演算増幅器
１３ 制御回路
４９ 測定用定電流源回路
６１ コンパレータ
６２ スイッチ回路
６３、６７ プルアップ抵抗
８２，８３ プルアップ電圧
Ｉｓ，Ｉｏ 定電流
６４ 抵抗
６５ バッファアンプ
４８，８１ 基準電圧
８４ プリアンプ用プルアップ回路
８５ バッファアンプ用プルアップ回路
１００，１０１，１０２ 計測装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、４線式抵抗測定方法及び計測装置の改善に関し、特に４線式抵抗測定の高速化と高精度化を実現するとともに、被測定物と計測装置を接続する配線等の接触不良または断線等によって発生しうる誤測定を防止することが可能な計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の４線式抵抗測定を行う計測装置の構成を図５を用いて説明する。同図は従来の高精度４線式デジタルマルチメータの４線式抵抗測定回路の一例である。
【０００３】
同図において、被測定物である被測定抵抗１の一端は、測定装置１００のプラス電流端子３及びプラス電圧端子４に接続され、被測定抵抗１の他の一端は、測定装置１００のマイナス電流端子６及びマイナス電圧端子５に接続されている。
【０００４】
測定装置１００の内部では、基準電圧４８が基準抵抗９を介してプラス電流端子３に印加されている。また、マイナス電流端子６は、非反転入力端子をゼロ電位点に接続され反転入力端子を前記プラス電流端子３に接続された演算増幅器１０の出力端子に接続されている。更にこの演算増幅器１０の出力は、位相補償用コンデンサ１４を介して負帰還されている。
【０００５】
更に、プラス電圧端子４とマイナス電圧端子５はＦＥＴスイッチ１１と１２の一端にそれぞれ接続され、このＦＥＴスイッチ１１と１２の他の一端は、演算増幅器を利用した非反転型アンプであるプリアンプ７の入力に接続されている。このプリアンプ７の出力が被測定抵抗１の測定電圧信号として後段の制御回路１３に入力され、ここでデジタル値に変換された後、適切な演算処理が施され、その結果が被測定抵抗１の抵抗値として表示器（図示せず。）等に表示される。また、この制御回路１３は、ＦＥＴスイッチ１１と１２のオンオフ動作も管理している。
【０００６】
このように被測定抵抗１と接続された計測装置１００は、被測定抵抗１に既知の定電流Ｉｓをプラス電流端子３からマイナス電流端子６に向かって流し、被測定抵抗１の両端に発生する電圧をプラス電圧端子４とマイナス電圧端子５から測定し、この電圧を定電流Ｉｓで除算して被測定抵抗１の抵抗値を求める。
【０００７】
上記の定電流Ｉｓは、基準電圧４８と基準抵抗９及び演算増幅器１０によって発生され、その大きさは、基準抵抗９の下端ａが演算増幅器１０の作用によってゼロ電位に制御されるため、基準電圧４８の電圧値を基準抵抗９の抵抗値で除算して得られた値となる。
【０００８】
制御回路１３は、この定電流Ｉｓを被測定抵抗１に流し、この被測定抵抗１のプラス側に発生する電圧Ｒｖ＋をＦＥＴスイッチ１１をオン、ＦＥＴスイッチ１２をオフとすることによって、プリアンプ７に入力し検出すると共にこの値を記憶し、次にこの被測定抵抗１のマイナス側に発生する電圧Ｒｖ−をＦＥＴスイッチ１１をオフ、ＦＥＴスイッチ１２をオンとすることによって、プリアンプ７に入力し検出すると共にこの値を記憶する。
【０００９】
制御回路１３は、上記の動作によって記憶した被測定抵抗１のプラス側に発生する電圧Ｒｖ＋からマイナス側に発生する電圧Ｒｖ−を減算し、その値を定電流Ｉｓの電流値で除算して被測定抵抗１の抵抗値を求める。
【００１０】
このような構成の計測装置では、シンプルな構成の非反転アンプをプリアンプとして用いることが可能であると共に、２回の測定を行ってプラス側に発生する電圧とマイナス側に発生する電圧の差を求めることにより、前記プリアンプのオフセット電圧によるドリフトをキャンセルすることが可能となり、被測定抵抗１の抵抗値を高精度に測定することが可能となる。
【００１１】
また、他の従来例として図６に示す構成のものがある。同図は、生産ラインに用いる計測装置のように、高速測定を行う用途に用いられる計測装置の一例である。同図において、図５と同様のものは同一の符号を付しその説明を省略する。
【００１２】
図６の回路において、被測定抵抗１に定電流Ｉｓを流してその両端に発生する電圧から抵抗値を求めるという原理は図５の計測装置と同様であるが、図６の計測装置では、プラス電圧端子４とマイナス電圧端子５をプリアンプ７の非反転入力と反転入力にそれぞれ接続し、プリアンプ７を差動アンプとして用いている。
【００１３】
図６の回路では、上記に示すようにプリアンプ７を差動アンプとして用いることにより、被測定抵抗１に定電流Ｉｓを流してその両端に発生する電圧を１回の測定で求めることができるため、高速測定が可能となる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図５に示した従来の計測装置では、被測定抵抗１の両端に発生する電圧を求めるために、２回の測定を行う必要があることから測定に要する時間が長くかかり、高速測定を行うことができないという問題点があった。
【００１５】
また、図６に示した従来の計測装置では、プリアンプ７を差動アンプとして用いることにより、１回の測定で被測定抵抗１の両端に発生する電圧を測定することが可能であるが、このような構成の計測装置では、その測定精度がプリアンプ７の精度に依存してしまうという問題点がある。つまり、高精度の測定を行うためにはプリアンプ７を構成する抵抗の絶対値のマッチングに、期待する測定精度以上の精度が必要となる。現実的にはトリマ抵抗で微調整の作業が必要となり作業工数が増えてしまう。また、市販の差動アンプでゲイン誤差が０．０２％程度と比較的良いものもあるが高価であり、更に市販品でそれ以上の精度を望むことは難しい。従って、差動アンプを用いる電圧測定回路は、高精度測定を行う計測装置には適用できないという問題点があった。
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するもので、高精度測定と高速測定を同時に実現することが可能な４線式抵抗測定を行う計測装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために請求項１に記載の発明では、プラス電流端子及びマイナス電流端子を介して被測定物に定電流を供給するとともに、プラス電圧端子及びマイナス電圧端子を介して前記被測定物の両端に発生する電圧を検出して前記被測定物の抵抗値を測定する４線式抵抗測定を行う計測装置において、前記プラス電流端子及びマイナス電流端子に定電流を供給する測定用定電流源回路と、出力端子を前記マイナス電流端子に接続し、非反転入力端子をゼロ電位点に接続し、反転入力端子を前記プラス電圧端子に接続した演算増幅器と、
前記マイナス電圧端子とゼロ電位点との電位差を検出するプリアンプを備え、
前記演算増幅器によって前記プラス電圧端子の電位をゼロ電位となるように制御し、前記プリアンプによって前記マイナス電圧端子とゼロ電位点との間に発生する負電圧を検出することによって、前記被測定物の両端に発生する電圧を測定し、これを抵抗値換算して前記被測定物の抵抗を求めるように構成されたことを特徴とするものである。
【００１８】
これにより、被測定物に発生する電圧を差動アンプを用いることなく１回の測定で測定することが可能となる。
【００１９】
請求項２記載の発明では、請求項１に記載の計測装置に用いる定電流源回路を簡単な回路構成で実現することが可能となる。
【００２０】
請求項３に記載の発明では、４線式抵抗測定を行う計測装置において、
前記プラス電流端子及びマイナス電流端子に定電流を供給する測定用定電流源回路と、出力端子を前記マイナス電流端子に接続し、非反転入力端子をゼロ電位点に接続し、反転入力端子を前記プラス電圧端子に接続した演算増幅器と、前記マイナス電圧端子とゼロ電位点との電位差を検出するプリアンプから成る抵抗測定回路と、
前記プラス電流端子の電圧を入力とするコンパレータと、前記プリアンプの入力電圧をプルアップするプリアンプ用プルアップ回路と、前記演算増幅器の反転入力に接続された断線検知用定電流源回路と、前記プリアンプの出力を入力するバッファアンプと、前記バッファアンプの入力端子に前記コンパレータの出力を制御端子に入力するスイッチ回路を介して接続されたバッファアンプ用プルアップ回路から成る断線検知回路を備えたことを特徴とするものである。
【００２１】
これにより、請求項１に記載の計測装置に簡単な回路を付加するだけで、断線検知回路を実現することが可能となる。
【００２２】
請求項４から７に記載の発明では、請求項３に記載の計測装置と被測定物を接続する各配線がオープン状態となったことを、前記バッファアンプの出力をプラス側に出力することによって検知することが可能となる。
【００２３】
請求項８記載の発明では、請求項３に記載の計測装置に用いる定電流源回路を簡単な回路構成で実現することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図１は本発明に係る計測装置の一実施例を示す回路図である。同図において従来例で説明した図５と同一のものは同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２５】
図１において、基準電圧４８は測定用定電流源回路４９に基準電圧を供給し、測定用定電流源回路４９の出力はプラス電流端子３に接続される。また、出力端子をマイナス電流端子６に接続された演算増幅器１０の反転入力はプラス電圧端子４に接続され、プリアンプ７の入力はマイナス電圧端子５に接続される。
【００２６】
ここで用いるプリアンプ７は、演算増幅器を利用して構成された非反転アンプである。
【００２７】
このような構成の計測装置１０１において、測定用定電流源回路４９から流れ出た定電流Ｉｓは被測定抵抗１を通って演算増幅器１０に流れ込む。演算増幅器１０はプラス電圧端子４をゼロ電位に制御しているので、プリアンプ７によってゼロ電位を基準にマイナス電圧端子５の電圧を測定すれば、被測定抵抗１の両端に発生した電圧を１回の測定で検出することが可能である。尚、プリアンプ７で測定されるマイナス電圧端子５の電圧は、マイナス電位の電圧である。
【００２８】
ここで、測定用定電流源回路４９の実施例を図２に示す。同図において測定用定電流源回路４９は、基準電圧４８を印加されて直列接続された基準抵抗５１と５２の共通接続点ｋを演算増幅器５４の非反転入力に接続し、前記基準電圧４８の印加点ｊを基準抵抗５３を介して前記演算増幅器５４の反転入力に接続し、前記演算増幅器５４の出力をＦＥＴ５５のゲートに接続し、前記ＦＥＴ５５のソースを前記演算増幅器５４に負帰還し、前記ＦＥＴ５５のドレインから定電流Ｉｓを出力するように構成されている。
【００２９】
上記のように構成された計測装置の測定精度は、電圧検出を行うプリアンプ７をシンプルな非反転アンプとしたため、プリアンプ７の構成部品である演算増幅器のオフセット電圧と抵抗の精度によって決定される。また、プリアンプ７の回路内のオフセットとゲインはソフトウェアによって根付けしてしまうので、各素子の絶対値は問題とならず、温度係数と経年変化の小さいものを使用すれば良い。従って、プリアンプ７を容易に高精度化することが可能であるため、計測装置１０１の高精度化が容易である。。
【００３０】
また、抵抗測定を行う場合、一般的に測定レンジに対応して被測定抵抗１に流す定電流Ｉｓの大きさを変化させるため、被測定抵抗１の両端に発生する電圧は測定レンジに依らず、比較的大きな電圧（例えば１０Ｖフルスケール）に標準化することが可能である。従って、プリアンプ７は極端に小さな電圧を測定する必要が無く比較的大きな電圧を測定するため、測定電圧に対するオフセット電圧のドリフトによる影響は相対的に小さくなる。このため、図５に示した計測装置のように２回測定を行ってオフセット電圧のドリフトによる影響を除去しなくても、充分高精度な測定を行うことが可能である。
【００３１】
また、図１のように構成された計測装置の断線検知手段を図３を用いて説明する。同図は、図１の計測装置に断線検知用回路を付加して構成された計測装置の一実施例である。同図において図１と同様のものは、同一の符号を付しその説明を省略する。
【００３２】
図３の計測装置において、プリアンプ７の出力は抵抗６４を介してバッファアンプ６５の入力に接続されており、このバッファアンプ６５の出力が制御回路１３に入力される。
【００３３】
また、例えば−１５Ｖの負基準電圧８１が印加された断線検知用定電流源回路６６は演算増幅器１０の反転入力に接続され、プルアップ抵抗６７に例えば＋１５Ｖのプルアップ電圧８２を印加して構成されたプリアンプ用プルアップ回路８４がプリアンプ７の入力に接続されている。
【００３４】
更に、プラス電流端子３に接続された測定用電流源回路４９の出力にはコンパレータ６１の入力が接続されており、このコンパレータ６１の出力は、スイッチ回路６２の制御端子に接続されている。このスイッチ回路６２の可動接点ｅにはプルアップ抵抗６３に例えば＋１５Ｖのプルアップ電圧８３印加して構成されたバッファアンプ用プルアップ回路８５が接続されており、このスイッチ回路６２の固定接点ｆはバッファアンプ６５の入力が接続されている。
【００３５】
このような構成の計測装置１０２において、計測装置１０２から被測定抵抗１に接続される４本の接続線ａ，ｂ，ｃ、ｄがオープン状態となった場合の動作について下記に説明する。
【００３６】
まず、プラス電流端子３から被測定抵抗１を接続する接続線ａがオープン状態となった場合、定電流Ｉｓが被測定抵抗１に流れなくなるため、プリアンプ７の出力はゼロになるが、測定用定電流源回路４９の負荷抵抗が無限大となるため、プラス電流端子３の電圧が基準電圧４８の電圧レベル付近まで上昇する。このプラス電流端子３の電圧はコンパレータ６１で監視されており、この電圧が予めコンパレータ６１に設定された電圧範囲を超過した場合、コンパレータ６１は出力をハイとする。コンパレータ６１の出力は、スイッチ回路６２の制御端子に接続されており、スイッチ回路６２は、この制御端子の信号がハイ状態となるとスイッチを閉じるように構成されている。これによって、バッファアンプ用プルアップ回路８５がバッファアンプ６５の入力に接続されるため、バッファアンプ６５の入力には＋１５Ｖであるプルアップ電圧８３とプリアンプ７の出力を、プルアップ抵抗６３と抵抗６４で分圧した電圧が入力される。
【００３７】
バッファアンプ６５の出力電圧は、全ての前記接続線ａ〜ｄがオープン状態とならず確実に接続された状態（以下、正常状態という。）であればマイナス電位の電圧であるが、接続線ａがオープン状態となった場合、上記の作用によりバッファアンプ６５の出力にはプラス電位の電圧が出力される。また、仮にプリアンプ７の出力がマイナス側に張り付いてもバッファアンプ６５の入力が常にプラス側になるような値にプルアップ抵抗６３と抵抗６４の抵抗値を決めておけば、接続線ａがオープン状態となった場合、制御回路１３には常にプラスの電圧が入力される。
【００３８】
制御回路１３は、マイナス電位の電圧が入力された場合、これを正常状態で測定された電圧であると認識し適切な演算処理を施し抵抗値換算を行うが、プラス側の電圧が入力された場合、これをオープン状態で測定された電圧であると認識し、断線検知処理を行う。この断線検知処理とは、例えば被測定抵抗１の抵抗値をスケールオーバーさせて表示し、測定者に異常の発生を認識させるものである。
【００３９】
プラス電圧端子４から被測定抵抗１を接続する接続線ｂがオープン状態となった場合、演算増幅器１０の反転入力端子の電流が断線検知用定電流源回路６６に流れ込むため、演算増幅器１０の出力からプラス側の電圧が出力される。従って、マイナス電流端子６に接続されているプラス電圧端子５の電圧もプラス電位となりプリアンプ７の出力電圧がプラス側となり最終的にバッファアンプ６５の出力にプラス電位の電圧が出力される。制御回路１３はこのプラス電位の電圧を検知して断線検知処理を行う。
【００４０】
また、ここで用いる断線検知用低電流源回路６６は、正常状態で測定を行っている場合、測定用定電流源回路４９の電流を差し引いてしまうので、断線検知用定電流源回路６６の定電流Ｉｏは測定用定電流源回路４９の定電流Ｉｓの１／１００以下程度の大きさにする必要があるが、定電流Ｉｏの大きさは、演算増幅器１０の出力をプラス側に引っ張るために必要な大きさ（例えば１００ｎＡ程度）があればよいため、問題とならない。また、断線検知用定電流源回路６６の精度も測定用定電流源回路４９の精度に比べて１００倍程度悪くても良いため、安価な汎用部品で構成することが可能である。
【００４１】
マイナス電圧端子５から被測定抵抗１を接続する接続線ｃがオープン状態となった場合、プリアンプ用プルアップ回路８４によって、プリアンプ７にプラス電位の電圧が入力され最終的にバッファアンプ６５の出力にプラス電位の電圧が出力される。制御回路１３はこのプラス電位の電圧を検知して断線検知処理を行う。
【００４２】
また、正常状態で測定を行っている時は、マイナス電圧端子５はマイナス電流端子６と接続されているため、低インピーダンスであるのでプリアンプ用プルアップ回路８４は測定に影響を及ぼさない。
【００４３】
マイナス電流端子６から被測定抵抗１を接続する接続線ｄがオープン状態となった場合、測定用定電流源回路４９の負荷抵抗が無限大となるため、マイナス電圧端子５の電圧が基準電圧４８の電圧レベル付近まで上昇する。これによってプリアンプ７にプラス電位の電圧が入力され最終的にバッファアンプ６５の出力にプラス電位の電圧が出力される。制御回路１３はこのプラス電位の電圧を検知して断線検知処理を行う。
【００４４】
上記には各配線が１本だけオープン状態となった場合の動作について説明したが、複数の配線が同時にオープン状態となった場合であっても、上記に説明した原理のいずれかを用いて断線検知が可能である。図４にオープン状態となった箇所と制御回路に入力される電圧及びその原理の関係を示す。
【００４５】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【００４６】
【発明の効果】
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。
請求項１に記載の発明では、４線式抵抗測定を高速且つ高精度に行うことが可能な計測装置をシンプルな回路構成で実現することが可能である
【００４７】
請求項３から７に記載の発明では、請求項１に記載された発明の計測装置に安価でシンプルな回路を付加するだけで、断線検知を実現することが可能である。
【００４８】
請求項２及び８に記載の発明では、請求項１及び３に記載された発明において、定電流源回路を安価でシンプルな回路構成で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る計測装置の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明に係る計測装置の定電流源回路の一実施例を示す構成図である。
【図３】本発明に係る計測装置の断線検知回路の一実施例を示す構成図である。
【図４】本発明に係る計測装置の断線検知回路を説明する図である。
【図５】従来の計測装置の一例を示す構成図である。
【図６】従来の計測装置の他の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 被測定抵抗
３ プラス電流端子
４ プラス電圧端子
５ マイナス電圧端子
６ マイナス電流端子
７ プリアンプ
９ 基準抵抗
１０ 演算増幅器
１３ 制御回路
４９ 測定用定電流源回路
６１ コンパレータ
６２ スイッチ回路
６３、６７ プルアップ抵抗
８２，８３ プルアップ電圧
Ｉｓ，Ｉｏ 定電流
６４ 抵抗
６５ バッファアンプ
４８，８１ 基準電圧
８４ プリアンプ用プルアップ回路
８５ バッファアンプ用プルアップ回路
１００，１０１，１０２ 計測装置
Claims (8)
- プラス電流端子及びマイナス電流端子を介して被測定物に定電流を供給するとともに、プラス電圧端子及びマイナス電圧端子を介して前記被測定物の両端に発生する電圧を検出して前記被測定物の抵抗値を測定する４線式抵抗測定を行う計測装置において、
前記プラス電流端子及びマイナス電流端子に定電流を供給する測定用定電流源回路と、
出力端子を前記マイナス電流端子に接続し、非反転入力端子をゼロ電位点に接続し、反転入力端子を前記プラス電圧端子に接続した演算増幅器と、
前記マイナス電圧端子とゼロ電位点との電位差を検出するプリアンプを備え、
前記演算増幅器によって前記プラス電圧端子の電位をゼロ電位となるように制御し、前記プリアンプによって前記マイナス電圧端子とゼロ電位点との間に発生する負電圧を検出することによって、前記被測定物の両端に発生する電圧を測定し、これを抵抗値換算して前記被測定物の抵抗を求めるように構成されたことを特徴とする計測装置。 - 前記測定用定電流源回路は、基準電圧を印加されて直列接続された基準抵抗の共通接続点を演算増幅器の非反転入力に接続し、前記基準電圧の印加点を基準抵抗を介して前記演算増幅器の反転入力に接続し、前記演算増幅器の出力をＦＥＴのゲートに接続し、前記ＦＥＴのソースを前記演算増幅器に負帰還し、前記ＦＥＴのドレインから定電流を出力するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
- プラス電流端子及びマイナス電流端子を介して被測定物に定電流を供給するとともに、プラス電圧端子及びマイナス電圧端子を介して前記被測定物の両端に発生する電圧を検出して前記被測定物の抵抗値を測定する４線式抵抗測定を行う計測装置において、
前記プラス電流端子及びマイナス電流端子に定電流を供給する測定用定電流源回路と、
出力端子を前記マイナス電流端子に接続し、非反転入力端子をゼロ電位点に接続し、反転入力端子を前記プラス電圧端子に接続した演算増幅器と、
前記マイナス電圧端子とゼロ電位点との電位差を検出するプリアンプから成る抵抗測定回路と、
前記プラス電流端子の電圧を入力とするコンパレータと、
前記プリアンプの入力電圧をプルアップするプリアンプ用プルアップ回路と、
前記演算増幅器の反転入力に接続された断線検知用定電流源回路と、
前記プリアンプの出力を入力するバッファアンプと、
前記バッファアンプの入力端子に前記コンパレータの出力を制御端子に入力するスイッチ回路を介して接続されたバッファアンプ用プルアップ回路から成る断線検知回路を備えたことを特徴とする計測装置。 - 前記断線検知回路は、前記プラス電流端子から前記被測定物に接続された配線が断線した場合、これによって発生する前記プラス電流入力端子の電圧上昇を、前記コンパレータによって検知し、前記スイッチ回路を閉じる出力を発生し、前記バッファアンプ用プルアップ回路の電圧を前記バッファアンプの入力に印加し、前記バッファアンプの出力をプラス側に出力させて断線を検知するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
- 前記断線検知回路は、前記プラス電圧端子から前記被測定物に接続された配線が断線した場合、前記断線検知用定電流源回路によって前記演算増幅器の反転入力から電流を流入させ、この演算増幅器の出力にプラス側の電圧を誘起し、これに接続された前記プリアンプの入力にプラス側の電圧を印加し、このプリアンプの出力をプラス側に出力させて断線を検知するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
- 前記断線検知回路は、前記マイナス電圧端子から前記被測定物に接続された配線が断線した場合、前記プリアンプ用プルアップ回路によって前記マイナス電圧端子に接続された前記プリアンプの入力にプラス側の電圧を印加し、このプリアンプの出力をプラス側に出力させて断線を検知するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
- 前記断線検知回路は、前記マイナス電流端子から前記被測定物に接続された配線が断線した場合、前記プリアンプ用プルアップ回路によって前記マイナス電流端子に接続された前記プリアンプの入力にプラス側の電圧を印加し、このプリアンプの出力をプラス側に出力させて断線を検知するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
- 前記測定用定電流源回路は、基準電圧を印加されて直列接続された基準抵抗の共通接続点を演算増幅器の非反転入力に接続し、前記基準電圧の印加点を基準抵抗を介して前記演算増幅器の反転入力に接続し、前記演算増幅器の出力をＦＥＴのゲートに接続し、前記ＦＥＴのソースを前記演算増幅器に負帰還し、前記ＦＥＴのドレインから定電流を出力するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
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