デジタル温度計の仕組みとサーミスターの直線性補正方法

１００円ショップでデジタル式の温度計を買ってきました。近頃の１００円ショップは１００円よりはるかに高い値札が付いている品ばかり置いてある店があって、お買い得感がありませんが、 このデジタル温度計（発売元　丸七株式会社）は税込み１０５円なら安いと思います。（現在は見かけません）

電池交換する手順で早速分解しました。向かって右側のプラスチック部分を右側に押して外し、ネジを２本外すと分解できます。

上の写真の右側部分は表示のための液晶部分です。

温度を感知するのは上の写真の左側のサーミスターですが、右側にある集積回路（ＬＳＩ）に型番が明記されていないので回路の詳細は判りませんが、この種のものの仕組みは大概決まっています。
サーミスターの抵抗値の変化で 発振周波数が変わる発振器と、交流の周波数を測るカウンターの２つの部分から出来ています。
サーミスターと言うのは、温度が高くなると抵抗値が減る半導体です。普通の物質は温度が上がると抵抗値が上がります、抵抗値が下がるのが半導体に分類される理由の一つです。

抵抗値の変化で発振する周波数が変化する発振器の原理は

上左図のように電池、スイッチ、抵抗Ｒ、コンデンサーＣを直列に繋いだ回路を考えます。
ここでスイッチを入れると、コンデンサーを充電するためにコンデンサーに電気が流れたように考えられて、コンデンサーの両端の電位は０になります。
しかし、充電が進むに連れて電気が流れなくなり、コンデンサーの両端の電位が上がり、最終的には電池の電圧と同じになります。
スイッチオンから充電が終わるまでは抵抗Ｒが大きければ長く、コンデンサーＣの容量が大きければ長くなります。

上右図の線グラフの赤線は抵抗が小さいとき、赤破線は抵抗が大きいときで、コンデンサーＣの両端の電位がｅになるまでの抵抗が小さい方が早いことが判ります。
次に、コンデンサーＣの両端の電位がｅになったら一瞬だけ電気が流れ、コンデンサーＣに溜まった電気を放電させ、直ぐに再びコンダンサーに充電を始める回路を考えます。
すると、この回路から電位がｅになったら一瞬だけ流れる電気の間隔（周期）は抵抗Ｒの値に関連付けられます。
抵抗Ｒを温度によって抵抗値が変化するサーミスターにすれば、流れる電気の間隔（周期）は温度に関連付けれますから、周期の逆数である周波数を測れば温度として表示できます。

タイマーＩＣ　ＮＥ５５５を使った発振回路

抵抗値の変化を周波数に変換する回路は、トランジスター２個を使った非安定マルチバイブレータ回路で作れますが、 タイマーＩＣのＮＥ５５５が安価に入手できるので下記の回路で容易に自作できます。

ＮＥ５５５の出力周波数Ｆと抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、コンデンサーＣには
Ｆ=1.44/(R2+2*R1)/C1
の関係があるので、 抵抗のＲ１かＲ２を温度で抵抗値が変わるサーミスターに変えれば、出力OUTに抵抗値の変化が周波数の変化となって矩形波が出てきます。
上記回路図のコンデンサーＣを、気圧の変化が容量変化になる気圧センサーに変えれば気圧の変化が周波数の変化となります。
このまま周波数カウンターで変化は判りますが、温度・気圧共に出力周波数との補正をすればデジタル温度計・デジタル気圧計が自作できます。

1. 温度の変化によって抵抗値が変わる半導体（サーミスター）がある
2. 抵抗値の変化によって周波数が変わる発振器が作れる
3. 周波数を測れるカウンターが安く作れるようになった

ところで、サーミスターを基盤から外し、 サーミスターと基盤の外した点を２線のビニールコードで繋いでサーミスター部分を防水加工（エポキシ系接着剤などで固める」すれば、 金魚や熱帯魚を飼うときに必要な水温計にもなりますね。
サーミスターと基盤までの間を長くしすぎると正確な値を示さなくなったり、動作が不安定になりますが、地中の温度を測ったり、おもしろい実験道具になりそうです。

デジタル電圧計で温度を測るためのサーミスターの直線性補正の方法

温度によって抵抗値が変化するサーミスターに電流を流してサーミスターの両端の電圧をアナログーデジタル変換しても温度はデジタルで表示することが出来るのは言うまでもありません。 原理的にはこちらの方がしっくり行くかも知れませんね。
サーミスターの両端の電圧 Et を測ってもおもしろくないので、温度と Et の関係を出来るだけ直線的に変化する工夫をします。
サーミスターの温度と抵抗値の関係は下図の赤線の様に温度が下がるほど抵抗値が下がる曲線をしています。
そこで、下図の回路図の様にサーミスターに抵抗Ｒｃを直列接続して、サーミスターに電流を流したときに両端の電圧ができるだけ直線比例するようにします。
Ｒｃは下図の式で求められます。Ｒｘは、Ｔ０とＴ１の真ん中の温度のときのサーミスターの抵抗値です。

サーミスターに直列に抵抗を入れて補正する方法では、Ｔ０、Ｔｘ，Ｔ１の３点の温度で抵抗値が一致しているだけなので、測る温度範囲（Ｔ０からＴ１）が狭いほど温度と抵抗値の関係が直線になり正確になります。
 サーミスターの抵抗変化を周波数に変える方法、サーミスターの両端の電圧を測る方法でも、精巧な温度計を簡単に作ろうと思うと、温度測定用に設計されたサーミスターを使わないと表示の処理が大変そうです。