JP2003530054A - 一体化された電流源フィードバック・電流制限素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 一体化された電流源フィードバック・電流制限要素を有する、本質的に安全な負荷に対して電力を供給するための回路（２００）。回路（２００）は、電源（ＰＳ）と、回路を本質的に安全な負荷に接続する出力端子（Ｔ１、Ｔ２）とを備える。電源（ＰＳ）と出力端子（Ｔ１、Ｔ２）と間の電圧制限回路（Ｚ１）は、負荷における電圧を制限する。電流制限回路（２０２）は、可変インピーダンス装置（Ｑ１）におけるインピーダンスを調整する演算増幅器（ＯＡ）における比較のため電流を電圧へ変換し、負荷へ印加される電流を制限する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 発明の分野 本発明は、本質的に安全な負荷に対する電力供給部に関する。特に、本発明は
、本質的安全規格を満たすよう、該負荷へ供給される電流を制限する回路に関す
る。

【０００２】 課題 電子装置は、揮発性物質を含む危険な環境でしばしば用いられる。しばしば問
題となるのは、電子装置からの火花又は熱が揮発性物質を発火させ得ることであ
る。従って、このような危険な環境において使用される電子装置の製造者は、電
子装置が揮発性物質を発火しないことを保証するよう何らかの保護を講じなけれ
ばならない。

【０００３】 このような保護形態の１つは、回路を本質的に安全にすることである。本質的
安全規格は、米国におけるＵＬ、ヨーロッパにおけるＣＥＮＥＬＥＣ、カナダに
おけるＣＳＡ及び日本におけるＴＩＩＳのような管轄機関によって設定される。
本質的に安全にするため、回路を通る電流、電力及び電圧は、回路により生成さ
れる火花又は熱による揮発性物質の発火を防止するレベルに制限される。

【０００４】 問題は、本質的に安全な装置へ電気を送ることである。電力、電圧及び電流は
、揮発性物質を発火させるには不充分なレベルまで制限される。従って、電力供
給部には、本質的に安全な装置へ供給される電力、電圧及び電流を制限するコン
ポーネントが必要とされる。

【０００５】 従来の電力供給部においては、電圧の制限は、電力供給部を出力端子に接続す
る供給線間に１つ以上のツェナー・ダイオードを接続することによって行われる
。ツェナー・ダイオードは電圧をＶに制限する。電流の制限は、抵抗Ｒを持つ抵
抗を高電位の出力端子に直列に接続することによって行われる。抵抗は電流をＶ
／Ｒに制限する。電力は電流及び電圧の制限によって制御される。

【０００６】 制限を行うコンポーネント、すなわちダイオードと抵抗は、故障の場合に公称
定格を越えることがないよう保護されねばならない。典型的には、コンポーネン
トへ供給され得る電流量を制限するためヒューズが回路に付加される。電力消費
定格を越えないことを保証する定格を有するヒューズが選定される。

【０００７】 本質的安全規格として要求されるのではないが、電流制限回路が、ヒューズが
切れるのを防止するため電力供給回路に対して付加されることが多い。電力供給
部の高電圧側又は低電圧側に採用される多くの電流制限トポロジが存在する。多
くの電流制限トポロジは、電流に比例するフィードバックを提供する目的で、電
流を電圧へ変換する抵抗を備えている。基準電圧に対する比較が行われる。この
比較に応じて、直列の要素のインピーダンスが調整される。電流制限回路を付加
する場合の問題は、電流を電圧へ変換すると総出力抵抗が増加してしまい、本質
的安全規格を満たすのに要求される電圧損を越える付加的な電圧損を生じること
である。

【０００８】 解決法 上記及び他の課題は、本発明に係る、一体化された電流源フィードバック・電
流制限要素を持つ電力供給部によって解決され、技術の進歩が達成される。一体
化された電流源フィードバック・電流制限要素の１つの利点は、電圧損失が、本
質的安全規格に対して制限されねばならない電圧へ最小化されることである。第
２の利点は、電力供給回路のコンポーネント数が低減されるため、電力供給部の
製造コストが下がることである。

【０００９】 本発明によれば、電力制限回路における電流変換抵抗の機能が、バリア出力抵
抗の機能と組合わされる。このため、出力抵抗は、危険物質の発火を防止するの
に必要な抵抗より大きくならない。この機能の組合わせは、電流制限回路の部品
をバリア抵抗以降の点へ移すことによって提供される。特に、可変インピーダン
ス装置がバリア抵抗以降の点へ移される。可変インピーダンス装置の一例はＭＯ
ＦＳＥＴトランジスタである。

【００１０】 ＭＯＦＳＥＴトランジスタが移されると、出力端子へ至る２つの新たな経路が
存在する。第１の経路は、演算増幅器制御出力と、バリア抵抗からのフィードバ
ックからのフィードバックである。演算増幅器に対する入力とＭＯＦＳＥＴトラ
ンジスタへのゲートは高インピーダンスであり、これら経路の各々に配置された
バリア抵抗に比して比較的大きな値の抵抗である。総出力抵抗は、経路に配置さ
れた抵抗と、ＭＯＦＳＥＴのゲート及び演算増幅器の入力との組合わせである。
これにより、電力供給部は、バリア抵抗のみよりも僅かに小さな出力抵抗へ制限
される。

【００１１】 本発明の１つの特質は、電源と、本質的に安全な負荷に取り付けられる出力端
子と、前記電源と前記ノードとの間の電圧制限回路と、演算増幅器における比較
のため電流を電圧へ変換し且つ負荷へ印加される電流を制限するバリア抵抗を含
む電流制限回路とを具備する、前記負荷に対して電力を供給する回路である。

【００１２】 本発明の第２の特質は、前記電源により前記電圧制限回路と前記電流制限回路
とへ印加される電流量を制限するヒューズである。 本発明の第３の特質は、前記電源から前記端子に至る供給線間に接続されたツ
ェナー・ダイオードである。

【００１３】 本発明の第４の特質は、電流制限回路が前記演算増幅器の前記出力に接続され
た可変インピーダンス装置を含むことにある。 本発明の第５の特質は、前記可変インピーダンス装置がＭＯＦＳＥＴトランジ
スタであることにある。

【００１４】 本発明の第６の特質は、前記ＭＯＦＳＥＴのゲートが出力端子に接続され、第
２のゲートが前記電源に接続されることにある。 本発明の第７の特質は、電流制限回路が前記演算増幅器の前記出力と前記ＭＯ
ＦＳＥＴトランジスタとの間に接続された第１の抵抗を備えることにある。

【００１５】 本発明の第８の特質は、電流制限回路が電源とＭＯＦＳＥＴトランジスタとの
間に第２の抵抗を備えることにある。 本発明の第９の特質は、電流制限回路がＭＯＦＳＥＴトランジスタと演算増幅
器の入力との間に接続された第３の抵抗を備えることにある。

【００１６】 本発明による上記の及び他の特徴は、詳細な記述と添付の図面とから理解する
ことができよう。 詳細な記述 本発明に係る電力供給部により、総出力抵抗は、危険環境における揮発性物質
の発火を防止するのに必要とされる抵抗より大きくならない。本発明に係る電力
供給部と典型的な本質的に安全な電力供給部との間の相違を示すため、図1には
典型的な本質的に安全な電力供給部１００が図示されている。

【００１７】 本質的に安全な電力供給部１００は、最悪の場合の電圧、電流及び電力を危険
物質の発火を生じるには不充分なレベルに制限しながら、負荷が適正に動作する
ことを保証するよう、充分な電力を負荷へ供給する電力供給部である。電圧制限
回路１０１は、負荷における電圧を制限する。電力供給部１００において、電圧
制限回路１０１は、経路１１０と経路１２０との間に接続されたツェナー・ダイ
オードＺ１である。当業者は認識するように、電圧の制限のため経路１１０、１
２０間には１つ以上のツェナー・ダイオードを接続することができる。ここでの
検討の目的で、電圧制限回路１０１は負荷（図示せず）における電圧をＶ_zに制
限する。

【００１８】 瞬時電流制限回路１０２は、負荷へ印加される瞬時電流を制限する。電流供給
装置１００において、瞬時電流制限回路は、出力端子Ｔ１、Ｔ２と直列に接続さ
れる抵抗Ｒｂを備える。この実施の形態においては、抵抗Ｒｂは、正の出力端子
Ｔ１と電源ＰＳとの間の経路１１０に接続される。これにより、瞬時電流はＶ_z
／Ｒ_bに制限される。ここで、Ｒ_bは抵抗Ｒｂの抵抗である。負荷（図示せず）へ
供給される電力は、電圧及び電流の限度により制限される。

【００１９】 ヒューズＦ１は、回路の故障の場合に電圧制限回路１０１と瞬時電流制限回路
１０２とを保護するため、電源Ｐｓと正の出力端子Ｔ１との間に接続される。ヒ
ューズＦ１は、電圧制限回路１０１と瞬時電流制限回路１０２とがコンポーネン
トの公称定格を越えないようにする。

【００２０】 平均電流制限回路１０３は、出力端子Ｔ１、Ｔ２が短絡された場合にヒューズ
Ｆ１がとぶのを防止する。平均電流制限回路１０３を提供するのに用いることが
できる多数の周知の電流制限トポロジが存在する。電力供給部１００において、
平均電流制限回路は下記のコンポーネントにより提供される。トランジスタＱ１
のコレクタは負の出力端子Ｔ２に接続される。トランジスタＱ１のエミッタは抵
抗Ｒｖに接続される。抵抗Ｒｖは、電流を電圧へ変換して電流に比例するフィー
ドバックを提供する。演算増幅器ＯＡに対する入力は、トランジスタＱ１のエミ
ッタと抵抗Ｒｖとの間に接続される。基準電圧ｒｅｆも演算増幅器ＯＡへ印加さ
れ、比較が行われる。演算増幅器ＯＡの出力はトランジスタＱ１のゲートに接続
され、比較に基いた電流が該ゲートへ印加されてトランジスタＱ１のインピーダ
ンスが調整される。電流限度はＩ_nm＝Ｖ_ref／Ｒ^vに設定される。ここでＩ_nmは電
流限度、Ｖ_refは基準電圧ｒｅｆ、Ｒ^vは抵抗Ｒｖの抵抗値である。

【００２１】 当業者は認識するように、電力供給部１００におけるコンポーネントの値は、
揮発性物質の発火が生じる電力とエネルギを特徴付けるテーブルと式によって限
定される。正常な動作においては、負荷（図示せず）が出力端子Ｔ１、Ｔ２に接
続されて電流を取得し、出力抵抗において電圧が失われる。電力転送を最大化す
るためには、出力抵抗を、揮発性物質の発火を防止するのに必要な抵抗に制限す
ることが望ましい。

【００２２】 問題は、平均電流制限回路１０３を付加すると、発火を防止するための電圧限
度を越える電圧損失を招くことである。電圧が失われるのは、電圧変換抵抗が総
出力抵抗に加わるためである。

【００２３】 図２に示される電力供給部２００は、この問題を本発明に従って解決する。電
力供給部２００は、負荷（図示せず）へ供給される電流、電力及び電圧を制限す
る本質的に安全な電源である。電圧制限回路２０１は負荷における電圧を制限す
る。電力供給部２００において、電圧制限回路２０１は、経路２１０、２２０間
に接続されたツェナー・ダイオードＺ１である。当業者は認識するように、電圧
の制限のため１つ以上のツェナー・ダイオードを経路２１０、２２０間に接続す
ることができる。この検討の目的で、電圧制限回路２０１は、負荷（図示せず）
における電圧をＶ_zに制限する。

【００２４】 本発明によれば、瞬時電流及び平均電流を制限する機能が１つの回路に統合さ
れる。両機能のために１つの回路を使用することで、総出力抵抗を揮発性物質の
発火の防止に必要な抵抗値へ低減することが可能になる。これは、平均電流制限
回路のコンポーネントを瞬時電流制限回路以降の点へ移すことによって達成され
る。特に、可変インピーダンス装置であるトランジスタＱ１はバリア回路以降の
点へ移動される。可変インピーダンス装置の移動により、出力端子Ｔ１、Ｔ２に
至る２つの新たな経路が作られる。この新たな経路は、演算増幅器ＯＡの出力と
変換抵抗からのフィードバックである。従って、総出力抵抗は、この２つの新た
な経路と電源ＰＳに至る経路２１０とにおける抵抗の並列の組み合わせである。

【００２５】 電力供給部２００において、本発明による電流制限回路２０２は、下記のよう
に設けられる。ＭＯＦＳＥＴトランジスタＱ１のコレクタは負の出力端子Ｔ２に
接続される。経路２２０におけるバリア抵抗Ｒ３は、トランジスタＱ１と電源Ｐ
Ｓとの間に接続される。第２のトランジスタＲ２は、トランジスタＱ１のエミッ
タと演算増幅器ＯＡの入力との間に接続されて比較電圧を生じる。演算増幅器Ｏ
Ａは、抵抗Ｒ２に接続された入力を有し、基準電圧Ｒｅｆを受け取る。演算増幅
器ＯＡは比較を行ってトランジスタＱ１のゲートへ電流を印加し、トランジスタ
Ｑ１のインピーダンスを調整する。抵抗Ｒ１は演算増幅器ＯＡとトランジスタＱ
１のゲートとの間に接続される。当業者は認識するように、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ
３の値は大きく、総出力抵抗はバリア抵抗の値より僅かに小さい、３つの抵抗の
並列な組合わせである。このようにして電力転送が最適化される。

【００２６】 電力供給部２００が必要とされる１つの装置は、危険な環境で動作するコリオ
リ流量計における電子装置のための電力供給部である。図３は、電力供給部２０
０を内蔵するコリオリ流量計３００を示している。コリオリ流量計３００は、流
量計組立体３１０と計器電子装置３５０とを備える。計器電子装置３５０は、リ
ード線３２０により流量計組立体３１０に接続され、例えば、密度、質量流量、
体積流量及び総合的な質量流量の情報を含む情報を経路３７５により提供する。
コリオリ流量計の構造について記述するが、当業者には明らかなように、本発明
は、本質的に安全な電力供給部を必要とする本質的に安全な回路を有する任意の
装置と関連して実施することができる。

【００２７】 コリオリ流量計の構造について記述するが、当業者には明らかなように、本発
明は、管路を通って流れる物質の特性を計測する振動管を備える任意の装置と関
連して実施することができる。このような装置の第２の例は、コリオリ質量流量
計により提供される付加的な計測能力を持たない振動管密度計である。

【００２８】 流量計組立体３１０は、１対のフランジ３０１、３０１′、マニフォールド３
０２及び管路３０３Ａ、３０３Ｂを備える。駆動装置３０４、ピックオフ・セン
サ３０６、３０６′及び温度センサ３０７が管路３０３Ａ、３０３Ｂに接続され
る。ブレース・バー３０５、３０５′は、各管路がそれに関して振動する軸Ｗ、
Ｗ′を規定するように働く。

【００２９】 計測されている処理物質を搬送するパイプライン系統（図示せず）にコリオリ
流量計３００が挿入されると、物質はフランジ３０１を経て流量計組立体３１０
へ入り、マニフォールド３０２を通り、ここで向きを変えて管路３０３Ａ、３０
３Ｂに入る。次いで、物質は管路３０３Ａ、３０３Ｂを通り、再びマニフォール
ド３０２へ戻り、これからフランジ３０１′を経て流量計組立体３１０から流出
する。

【００３０】 管路３０３Ａ、３０３Ｂは、曲げ軸Ｗ、Ｗ′に関して実質的に同じ質量分布、
慣性モーメント及び弾性率をそれぞれ持つように選択され、マニフォールド３０
２に適切に取付けられる。管路３０３Ａ、３０３Ｂは、マニフォールドから実質
的に平行に外方へ延びている。

【００３１】 管路３０３Ａ、３０３Ｂは、それぞれの曲げ軸Ｗ、Ｗ′に関して反対方向に、
いわゆる流量計の第１位相ずれ曲げモードで駆動装置３０４によって駆動される
。駆動装置３０４は多くの周知の装置のうちの任意のもの、例えば、管路３０３
Ａに取付けた磁石と、管路３０３Ｂに取付けられ且つ両管路を振動させるため交
流が流される対向コイル等、を備える。適切な駆動信号が、計器電子装置３５０
により経路３１２を介して駆動装置３０４へ印加される。

【００３２】 ピックオフ・センサ３０６、３０６′は、管路３０３Ａ、３０３Ｂのうちの少
なくとも一方の両端部に固定され、管路の振動を計測する。管路３０３Ａ、３０
３Ｂが振動すると、ピックオフ・センサ３０６、３０６′が第１のピックオフ信
号及び第２のピックオフ信号を生じる。第１のピックオフ信号及び第２のピック
オフ信号は経路３１１、３１１′へ印加される。駆動装置速度信号は経路３１０
へ印加される。

【００３３】 温度センサ３０７は、少なくとも一方の管路３０３Ａ及び／又は３０３Ｂに固
定される。温度センサ３０７は、システムの温度に対する式を修正するために管
路の温度を計測する。経路３１１″は、温度センサ３０７からの温度信号を計器
電子装置３５０へ搬送する。

【００３４】 計器電子装置３５０は、経路３１１に現われる第１のピックオフ信号と経路３
１１′に現われる第２のピックオフ信号を受け取る。計器電子装置３５０は第１
の速度信号及び第２の速度信号を処理して、流量計組立体１０を通過する物質の
質量流量、密度その他の特性を計算する。この計算された情報は、計器電子装置
３５０により経路３７５を経て利用手段（図示せず）へ印加される。

【００３５】 当業者には公知のように、コリオリ流量計３００は振動管型密度計と構造が極
めて類似している。振動管型密度計も、流体が通過する振動管を用い、サンプル
型密度計の場合には流体が保持される振動管を用いる。また、振動管型密度計は
、管を振動するよう励振するための駆動システムを用いる。振動管型密度計は、
典型的には、１つのフィードバック信号しか用いない。これは、密度の計測が振
動数の計測のみを必要とし、位相の計測は必要でないからである。本発明の記述
は、振動管型密度計に対しても等しく当てはまる。

【００３６】 コリオリ流量計３００において、計器電子装置３５０は、ホスト・システム３
７０と信号調整装置３６０との２つの構成要素へ物理的に分けられる。従来の流
量計の電子装置においては、これらの構成要素は一つのユニットの中に収容され
る。

【００３７】 信号調整装置３６０は、駆動回路３６３とピックオフ調整回路３６１とを備え
ている。当業者は認識するように、駆動回路３６３とピックオフ調整回路３６１
とは、実際は、個別のアナログ回路であっても、ディジタル信号プロセッサその
他のディジタル・コンポーネントにより提供される個別の機能であってもよい。
駆動回路３６３は駆動信号を生成し、この駆動信号を経路３２０のうちの経路３
１２を介して駆動装置３０４へ印加する。実際に、経路３１２は第１及び第２の
リード線である。駆動回路３６３は経路３６２を介してピックオフ信号調整回路
３６１に接続される。経路３６２により、駆動回路は到来するピックオフ信号を
監視して駆動信号を調整することができる。駆動回路３６３及びピックオフ信号
調整回路３６１を動作させる電力は、第１のワイヤ３７３及び第２のワイヤ３７
４を介してホスト・システム３７０から供給される。第１のワイヤ３７３と第２
のワイヤ３７４は、従来の２芯、４芯のケーブルの一部であっても、多芯ペアケ
ーブルの一部であってもよい。

【００３８】 ピックオフ信号調整回路３６１は、第１のピックオフ装置３０５、第２のピッ
クオフ装置３０５′及び温度センサ３０７から経路３１１、３１１′及び３１１
″を介して入力信号を受け取る。ピックオフ回路３６１はピックオフ信号の周波
数を決定し、また管路３０３Ａ、３０３Ｂを通って流れる物質の特性を決定する
。ピックオフ・センサ３０５、３０５′からの入力信号の周波数と物質の特性と
が決定されると、この情報を運ぶパラメータ信号が生成され、経路３７６を介し
てホスト・システム３７０の二次処理装置３７１へ送られる。望ましい実施の形
態においては、経路３７６は２本のリード線を備える。しかし、当業者は認識す
るように、経路３７６は、第１のワイヤ３７３と第２のワイヤ３７４によって媒
介されても、任意の他の本数のワイヤによって媒介されてもよい。

【００３９】 ホスト・システム３７０は、電力供給部３７２と処理システム３７１とを備え
る。電力供給部３７２は電源から電力を受取り、この受取った電力をシステムが
必要とする適正な電力へ変換する。処理システム３７１はピックオフ信号調整回
路３６１からパラメータ信号を受け取り、次いで、ユーザが必要とする、管路３
０３Ａ、３０３Ｂを流れる物質の特性を提供するのに必要な処理を行う。このよ
うな特性は密度、質量流量及び体積流量を含むが、これに限定されるものではな
い。

【００４０】 この実施の形態においては、電力供給部３７２は、図２に示した電力供給部２
００の回路を備える。これにより、電力供給部３７２は、本質的安全規格を満た
す回路を含む信号調整装置３６０に対して、本質的に安全な限度を満たす電力を
提供することができる。

【００４１】 以上は、本発明に係る、一体化された電流源フィードバック・電流制限要素を
有する電力供給回路の記述である。当業者であれば、請求項に記載された発明を
文言どおりに或いは均等論により侵害する代替システムを設計することが可能で
あると考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本質的に安全な負荷に対する従来技術の電力供給部を示す図である。

【図２】 本発明係る、本質的に安全な負荷に対する電力供給部を示す図である。

【図３】 本発明に係る電力供給部を計器電子装置に組み込んだコリオリ流量計を示す図
である。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 本質的に安全な負荷に電力を供給する回路であって、 電源（ＰＳ）と、 前記本質的に安全な負荷に取り付けられる出力端子（Ｔ１−Ｔ２）と、 前記電源と前記出力端子との間の電圧制限回路（Ｚ１）と、 演算増幅器（ＯＡ）における比較のため電流を電圧へ変換し、且つ、前記負荷
   へ印加される電流を制限するバリア抵抗を含む電流制限回路（２０２）と、 を備える回路（２００）。
2. 【請求項２】 前記電圧制限回路と前記電流制限回路とに対し前記電源によ
   り印加される電流量を制限するヒューズ（Ｆ１）を更に備える、請求項１記載の
   回路（２００）。
3. 【請求項３】 前記電圧制限回路が、前記電源から前記出力端子に至る供給
   線（２１０）間に接続されるダイオード（Ｚ１）を備える、請求項１記載の回路
   （２００）。
4. 【請求項４】 前記電流制限回路（２０２）が、前記演算増幅器（ＯＡ）の
   前記出力に接続された可変インピーダンス装置（Ｑ１）を備える、請求項１記載
   の回路（２００）。
5. 【請求項５】 前記可変インピーダンス装置（Ｑ１）がＭＯＦＳＥＴトラン
   ジスタである、請求項４記載の回路（２００）。
6. 【請求項６】 前記ＭＯＦＳＥＴのゲートが前記出力に接続され、別のゲー
   トが前記電源に接続される、請求項５記載の回路（２００）。
7. 【請求項７】 前記電流制限回路が、前記演算増幅器の前記出力と前記ＭＯ
   ＦＳＥＴトランジスタとの間に接続された第１の抵抗（Ｒ１）を更に備える、請
   求項６記載の回路。
8. 【請求項８】 前記電流制限回路が、前記電源と前記ＭＯＦＳＥＴトランジ
   スタとの間に接続された第２の抵抗（Ｒ３）を更に備える、請求項７記載の回路
   。
9. 【請求項９】 前記電流制限回路が、前記ＭＯＦＳＥＴトランジスタと前記
   演算増幅器の前記入力との間に接続された第３の抵抗（Ｒ２）を更に備える、請
   求項８記載の回路。
10. 【請求項１０】 前記負荷がコリオリ流量計に対する計器電子装置である、
    請求項９記載の回路。