JP2006052959A - 温度伝送器 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度センサに別の金属素線を設けることを不要にし、しかも簡単な回路を追加するだけで温度センサの絶縁抵抗の低下を検出することができる温度伝送器を提供する点にある。
【解決手段】 温度を電気信号に変換する温度センサ３からの電気信号を信号処理して上位システムに伝送するための温度伝送器において、前記温度センサ３からの電気信号を信号処理するフロントエンド部４及び前記上位システムとの間の情報を送受信する制御部６と、前記フロントエンド部４と制御部６との間にそれら両者を電気的に分離する電気的分離部５とを備え、前記フロントエンド部４に温度センサ３の素線２と保護管１との間の絶縁抵抗の低下を検出する絶縁抵抗検出部を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、温度センサにより物理量を電気信号に変換し、この電気信号を信号処理して上位システムに伝送する温度伝送器に関するものである。

近年、温度センサとして、例えば熱電対または測温抵抗体が用いられ、これら温度センサにより温度を電気信号に変換し、この電気信号を信号処理し、２本の伝送路を通して中央制御室としての上位システムに４−２０ｍAの電流信号として伝送するように構成された温度伝送器が既に提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
特開２０００−１０５８９０号公報 特開平１０−３２５７５９号公報 以下、特許文献１の従来の温度伝送器の構成について図４を用いて説明する。 図４は従来の温度伝送器の構成を示す回路ブロック図である。 図４に示すように、温度伝送器は温度を電気信号に変換する温度センサ（熱電対素子）５１からの微弱な入力信号を増幅する前置増幅器５２と、前記入力信号を積分する積分器５３と、反転端子に入力される信号、つまり積分器５３からの出力電圧と非反転端子に入力される所定電圧とを比較する電圧比較器５４と、入力信号の電圧レベルによりバーンアウト（熱電対素子が劣化などにより断線する断線現象のこと）を検出する制御部５５と、積分器５３、電圧比較器５４、制御部５５およびスイッチＳＷからなる電荷平衡型AD変換器５６と、所定電流を温度センサ５１に印加するバーンアウト部５７とから構成される。 図４の動作について説明する。 温度を電気信号に変換する温度センサ５１からの信号を前置増幅器５２により増幅し、この増幅された信号を積分器５３に入力して積分する。そして、この積分器５３で積分された信号を電圧比較器５４に入力して所定電圧と比較する。そしてこの電圧比較器５４の出力をスイッチＳＷの制御信号として入力し、このスイッチＳＷに接続される基準電圧としてのＶrefをデュティー変調する。このデュティー変調した信号を積分器５３に加える。その結果、この電荷平衡型ＡＤ変換器５６で得られた信号に応じた信号を上位システム（図示せず）に伝送し、温度情報を伝えることができるようになっている。 前記構成の温度伝送器は、温度センサ５１に所定の電流を供給し、前置増幅器５２の利得を一定とし、積分器５３に前置増幅器５２の出力が加えられるようにして電荷平衡型ＡＤ変換器５６で温度センサ５１のバーンアウトを検出することができる。 また、温度センサ内に絶縁抵抗の低下を検出する手段を備えた特許文献２を、図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）は従来の測温抵抗体の構成を示す断面図、図５（ｂ）は従来の熱電対の構成を示す断面図である。 金属シース６１の内部に無機絶縁粉末６２を充填してなる温度センサである。図５（ａ）に示す測温抵抗体の導線６３又は図５（ｂ）に示す熱電対の素線６５と並列して別個に一本（複数本でもよい）の金属素線６４を配置して温度センサ内部の絶縁抵抗の低下を検出することができるように構成している。

しかしながら、特許文献１の温度伝送器の構成では、回路的にバーンアウト（断線）を検出することができるものであるが、温度センサの絶縁抵抗の低下を検出することが困難であった。
また、特許文献２では、温度センサの金属シース６１内部に、他の金属素線６４を配置して検出することができるものであるが、導線６３又は素線６５の端末の他に、別に設けた金属素線６４の端末も、受信計器に接続しなければならないため、従来の温度センサに比べ構成が複雑となると共にコスト高となるという問題点を有していた。又、導線６３又は素線６５の端末と金属素線６４の端末との間の電圧測定を行い、それら測定値に基づいて温度センサ内部の絶縁抵抗の低下を検出するための具体的な回路構成が記載されていないため、実際には温度センサの絶縁抵抗の低下を検出することができるかどうか不明であった。

本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、温度センサに別の金属素線を設けることを不要にし、しかも簡単な回路を追加するだけで温度センサの絶縁抵抗の低下を検出することができる温度伝送器を提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、温度を電気信号に変換する温度センサからの電気信号を信号処理して上位システムに伝送するための温度伝送器において、前記温度センサからの電気信号を信号処理するフロントエンド部及び前記上位システムとの間の情報を送受信する制御部と、前記フロントエンド部と制御部との間にそれら両者を電気的に分離する電気的分離部とを備え、前記フロントエンド部に温度センサの素線と保護管との間の絶縁抵抗の低下を検出する絶縁抵抗検出部を設けたことを特徴としている。
上記のようにフロントエンド部に温度センサの素線と保護管との間に設けた絶縁抵抗検出部にて絶縁抵抗を検出することによって、絶縁抵抗が設定値よりも低下しているかを直ちに把握することが可能になる。

前記絶縁抵抗検出部を、温度センサの素線に電圧印加用のスイッチを介して所定電圧を印加する電圧印加部と、前記所定電圧が印加された温度センサの素線の電圧を別の所定電圧と比較する電圧比較器とから構成してもよい。

前記電気的分離部が、光結合素子またはトランスから構成してもよい。

前記フロントエンド部を、少なくとも前記電気的分離部のトランスからの入力により直流電圧を生成する直流電源部と、前記温度センサからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器とを備え、前記直流電源部のＧＮＤ電圧を前記ＡＤ変換器に負の基準電圧として入力する構成としてもよい。

前記電圧印加部にて所定電圧が印加される前記温度センサの素線の接続部と前記制御部のＧＮＤとをサージアブソーバ及び回路導通用のスイッチを介して接続してもよい。

前記回路導通用のスイッチのオン（閉）時間を１００μｓ以下に設定してもよい。

前記回路導通用のスイッチをオン（閉）してから、前記電圧印加用のスイッチをオン（閉）し、かつ、該オン状態の電圧印加用のスイッチをオフ（開）してから、該回路導通用のスイッチをオフ（開）するように構成してもよい。

温度を電気信号に変換する温度センサからの電気信号を信号処理するフロントエンド部と、このフロントエンド部および上位システムとの間の情報を送受信する制御部と、前記フロントエンド部と制御部とを電気的に分離する電気的分離部とを備え、前記フロントエンド部に温度センサの素線と保護管との絶縁抵抗の低下を検出する絶縁抵抗検出部を設けた温度伝送器であり、簡易な回路構成により保護管と素線との間の絶縁抵抗の低下を検出することができる。具体的には、絶縁抵抗検出部を温度センサの素線に電圧印加用のスイッチを介して所定電圧を印加する電圧印加部と、所定電圧が印加された温度センサの素線の電圧を別の所定電圧と比較する電圧比較器とからなる簡易な回路構成とすることが好ましい。

電気的分離部を、汎用の光結合素子またはトランスから構成することによって、フロントエンド部と制御部とを容易に、電気的に絶縁することができる。

フロントエンド部を、少なくとも電気的分離部のトランスからの入力により直流電圧を生成する直流電源部と、温度センサからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器とを備え、直流電源部のＧＮＤ（グランド）電圧を前記ＡＤ変換器の負の基準電圧として入力する構成とすることによって、直流電源部のＧＮＤ電圧が変化しても、その変化に応じて補正することができるから、常に正確な温度を検出することができる。

電圧印加部にて所定電圧が印加される温度センサの素線の接続部と制御部のＧＮＤとサージアブソーバ及び回路導通用のスイッチを介して接続することによって、落雷やノイズなどにより発生するサージ電圧による温度伝送器の損傷を防止することができる。

回路導通用のスイッチのオン（閉）時間を１００μｓ以下に設定することによって、直流電源部のＧＮＤ（グランド）電圧の耐電圧特性が劣化することを防止することができ、長期間に渡って良好に使用することができる温度伝送器とすることができる。

回路導通用のスイッチをオンしてから、電圧印加用のスイッチをオンし、かつ、電圧印加用のスイッチをオフして回路導通用のスイッチをオフするように構成することによって、落雷やノイズなどにより発生するサージ電圧による温度伝送器の損傷をより一層確実に防止することができながらも、絶縁抵抗の低下を確実に検出することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における温度伝送器の構成を示す回路ブロック図である。
図１に示すように、本発明の温度伝送器は、保護管１および素線２からなる温度センサ３が接続されたフロントエンド部４と、フロントエンド部４と他の回路とを電気的に絶縁する電気的分離部５と、フロントエンド部４と上位システム（図示せず）との信号を送受信する制御部６と、温度センサ３の素線２に所定電圧を印加する電圧印加部７とから構成されている。ここで、フロントエンド部４のＧＮＤ８と制御部６のＧＮＤ９とは電気的に絶縁された構成となっている。また温度センサ３の保護管１は制御部６のＧＮＤ９に電気的に接続されている。前記温度センサ３としては、測温抵抗体を用いる他、熱電対であってもよい。前記温度センサ３にて例えば原子力プラントにおける炉内温度やタービンの蒸気温度などを計測する場合に用いる。

次に、本発明の温度伝送器の動作について説明する。
温度センサ３により温度をアナログの電気信号に変換し、この変換されたアナログの電気信号がフロントエンド部４に入力され、増幅及びＡＤ変換される。そしてＡＤ変換されたデジタル信号が電気的分離部５を介して制御部６に入力され、そこで再びＤＡ変換され、アナログ信号として出力端子１０，１０から上位システム（図示せず）に送信される。

例えば、温度センサ３の保護管１と素線２との間の絶縁抵抗が低下している場合に、電圧印加部７を構成する電圧印加用のスイッチ７Ａが上位システムからの指令信号（設定された時間に送られる指令信号や人為操作により任意の時間に送られる指令信号であってもよい）によりオン（閉）されることにより、制御部６の電源電圧より生成された所定電圧（別の電源から生成された電圧であってもよい）を温度センサ３の素線２に印加する。その結果、温度センサ３の素線２、絶縁抵抗（図示せず）、保護管１、フロントエンド部４のＧＮＤ８により、電流ループが形成され、素線２の電位が変化する。この変化を検出することにより温度センサ３の絶縁抵抗の低下を検出することができる。ここで電位の変化領域は、絶縁抵抗が高い場合の温度センサの素線２の電位と重ならない領域である。

さらに図２を用いて詳しく説明する。
図２は本発明の一実施の形態における温度伝送器の構成の詳細を示す回路ブロック図である。
図２に示すように、本発明の温度伝送器は、保護管１及び素線２からなる温度センサ３の少なくともアナログ信号をデジタル信号に変換し電源入力端子１１および負の基準電圧端子１２を備えたＡＤ変換器１３と、安定した直流電圧を生成する電源部１４と、素線２の電圧と所定電圧（図示していないラインから供給される電圧）とを比較する電圧比較器１５とからなるフロントエンド部４と、フロントエンド部４の全体と他の回路（制御部６内の回路）とを電気的に絶縁する光カプラ（光結合素子）１６及びトランス１７からなる電気的分離部５と、フロントエンド部４と上位システム（図示せず）との信号を送受信する制御部６と、温度センサ３の素線２に所定電圧を印加する電圧印加部７とから構成される。ここで、フロントエンド部４のＧＮＤ８と制御部６のＧＮＤ９とは電気的に絶縁された構成となっている。

図２の温度伝送器の動作について詳細に説明する。
温度センサ３により温度をアナログの電気信号に変換し、この変換されたアナログの電気信号がフロントエンド部４のＡＤ変換器１３と電圧比較器１５に入力される。そして制御部６からの電源電圧が電気的分離部５のトランス１７を介して電源部１４に入力され、安定した直流電源電圧が生成される。そして、この電源部１４から安定した直流電源電圧がＡＤ変換器１３の電源端子１１に入力される。また、電源部１４のＧＮＤ８は負の基準電圧端子１２に入力される。
ＡＤ変換器１３に入力されたアナログの電気信号は、増幅されると共にデジタル信号に変換され、電気的分離部５の光カプラ１６を介して制御部６に入力される。一方、電圧比較器１５の出力信号も電気的分離部５の光カプラ１６を介して制御部６に入力される。ここで、電源部１４のＧＮＤ８をＡＤ変換器１３の負の基準電圧端子１２に入力することにより、電源部１４のＧＮＤ８の電位が変化しても、その変化した電位だけＡＤ変換器１３の基準電圧を変化させることができるため、常に正確にＡＤ変換することができる。
制御部６は、フロントエンド部４のＡＤ変換器１３から電気的分離部５の光カプラ１６を介して入力されたデジタル信号が信号処理され、再びアナログ信号として出力端子１０から上位システム（図示せず）に送信される。

温度センサ３の素線２と保護管１との間の絶縁抵抗が高い場合に、電圧印加部７を構成する電圧印加用のスイッチ７Ａが前述したように上位システムからの指令信号（設定された時間に送られる指令信号や人為操作により任意の時間に送られる指令信号であってもよい）によりオンされることにより、制御部６の電源電圧より生成された所定電圧（別の電源からの電圧であってもよい）を温度センサ３の素線２に印加すると、温度センサ３の素線２と保護管１との間の絶縁抵抗が非常に高いため、電流の流れる経路が無い（形成されない）ため、電圧比較器１５にて素線２からの高い入力電圧と所定電圧とを比較することにより、絶縁抵抗の低下が発生していないと認識し、電圧比較器１５からＨＩＧＨレベルの信号を出力する。そして、電圧比較器１５からの出力信号が電気的分離部５を介して制御部６に入力されデジタル信号として処理される。この処理された絶縁抵抗の情報であるデジタル信号は、出力端子からアナログの電気信号に重畳されて上位システムに送信され、上位システム（図示せず）は温度センサ３の絶縁抵抗が正常だと認識することができる。前記電圧印加部７は、電圧印加用のスイッチ７Ａと抵抗７Ｂとを直列に接続したものから構成しているが、他の構成であってもよい。

前述の場合とは反対に、温度センサ３の素線２と保護管１との間の絶縁が低くなっている場合に、電圧印加用のスイッチ７Ａが前述したように上位システムからの指令信号によりオンされることにより、制御部６の電源電圧より生成された所定電圧を温度センサ３の素線２に印加すると、温度センサ３の素線２と保護管１との間の絶縁抵抗が低くなっているため、温度センサ３の素線２から絶縁抵抗（図示せず）を介して保護管１、フロントエンド部４のＧＮＤ８に電流の流れる経路が形成される。そして、素線２からの低い入力電圧と所定電圧とを電圧比較器１５にて比較することにより、絶縁抵抗の低下が発生していると認識し、電圧比較器１５からＬＯＷレベルの信号を出力する。そして電圧比較器１５からの出力信号が電気的分離部５を介して制御部６に入力されデジタル信号として処理される。この処理された絶縁抵抗の情報であるデジタル信号は出力端子１０からアナログの電気信号に重畳されて上位システムに送信され、上位システムは絶縁抵抗が低下したと認識することができる。
図示していないが、前記所定電圧とは異なる第２の所定電圧と素線２からの入力電圧とを比較してＬＯＷ信号又はＨＩＧＨ信号を出力するための第２の電圧比較器を設けておけば、温度センサ３の素線２がバーンアウト（断線）している場合に、それを第２の電圧比較器にて検出することによって、素線２がバーンアウト（断線）していることを認識することができるようにしてもよいし、他の構成にてバーンアウト（断線）を検出することができるようにしてもよい。

また、前記構成の温度伝送器に高電圧を加えることにより、耐電圧試験を行うことがある。具体的には温度センサ３の素線２を入力する端子間を短絡したフロントエンド部４の短絡端子（図示せず）の間と、制御部６の出力端子１０，１０間を短絡した出力短絡端子の間のそれぞれに、ＡＣ１５００Ｖ〜３０００Ｖの電圧を印加して温度伝送器に破壊または損傷がないかを試験するようにしている。

例えば、耐電圧試験中に電圧印加部７のスイッチ７Ａがオフ（開）の場合は、ＡＣ１５００〜３０００Ｖの電圧を、フロントエンド部４の短絡端子と出力短絡端子との間に印加しても、フロントエンド部４は他の回路と電気的分離部５により電気的に絶縁されているため、電流の経路がなく破壊または損傷を生じない。しかし、電圧印加部７の電圧印加用のスイッチ７Ａをオン（閉）して温度センサ３の素線２に制御部６の電源電圧から生成する所定電圧が印加された場合、ＡＣ１５００Ｖ〜３０００Ｖの電圧による電流が抵抗７Ｂ及び電圧印加用のスイッチ７Ａを介して制御部６に流れる電流の経路が形成され、温度伝送器が破壊または損傷する。

図３はスイッチの制御信号を示すタイミングチャートである。
図２に示すように、温度センサ３の素線２、つまりフロントエンド部４の入力端子からスイッチ１８を介してサージ（落雷やノイズなど）から発生するサージ電圧により電子部品などが破壊されることを阻止するためのサージアブソーバ１９が直列に接続され、このサージアブソーバ１９から制御部６のＧＮＤ９に接続されている。

図３に示すスイッチの制御信号の動作について説明する。
例えば耐電圧試験中に、フロントエンド部４の入力端子からサージアブソーバ１９に接続されるスイッチ１８をオン（閉）してから所定時間経過した後、電圧印加部７の電圧印加用のスイッチ７Ａをオン（閉）する。その結果ＡＣ１５００Ｖ〜３０００Ｖの電圧を加えたとしても、サージアブソーバ１９を介して制御部６のＧＮＤ９への電流の経路が形成されるため、その後、電圧印加用のスイッチ７Ａをオンしても温度伝送器には破壊または損傷を生じることはない。
また、一般的なサージアブソーバ１９の特性として過大電圧に耐え得る時間は非常に短いため、サージアブソーバ１９に接続される回路導通用のスイッチ１８のオン（閉）時間Ｓを１００μＳ以下とすることにより、サージアブソーバ１９の耐電圧特性の劣化を防止することができる。また、回路導通用のスイッチ１８をオン（閉）してから、電圧印加用のスイッチ７Ａをオン（閉）し、かつ、オン（閉）状態の電圧印加用のスイッチ７Ａをオフ（開）してから、回路導通用のスイッチ１８をオフ（開）することにより、温度伝送器への損傷を防止することができる。

以上のように本発明の温度伝送器は、温度を電気信号に変換する温度センサ３からの電気信号を信号処理するフロントエンド部４と、このフロントエンド部４及び上位システムとの間の情報を送受信する制御部６と、前記フロントエンド部４と制御部６とを電気的に分離する電気的分離部５とを備え、前記フロントエンド部４に温度センサ３の素線２と保護管１との間の絶縁抵抗の低下を検出するために電圧印加部７と電圧比較部１５とからなる絶縁抵抗検出部を設けて、構成することによって、簡易な電気回路により保護管と素線との間の絶縁抵抗の低下を確実に検出することができるのである。

温度伝送器の構成を示す回路ブロック図である。 温度伝送器の詳細な構成を示す回路ブロック図である。 回路導通用のスイッチ及び電圧印加用のスイッチの制御信号を示すタイミングチャートである。 従来の温度伝送器の構成を示す回路ブロック図である。 （ａ）従来の測温抵抗体の構成を示す断面図、（ｂ）従来の熱電対の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 保護管
２ 素線
３ 温度センサ
４ フロントエンド部
５ 電気的分離部
６ 制御部
７Ａ スイッチ
７Ｂ 抵抗
７ 電圧印加部
１０ 出力端子
１１ 電源端子
１２ 基準電圧端子
１３ 変換器
１４ 電源部
１５ 電圧比較器
１６ 光カプラ
１７ トランス
１８ スイッチ
１９ サージアブソーバ
５１ 温度センサ
５２ 前置増幅器
５３ 積分器
５４ 電圧比較器
５５ 制御部
５６ 変換器
５７ バーンアウト部
６１ 金属シース
６２ 無機絶縁粉末
６３ 導線
６４ 金属素線
６５ 素線
Ｓ オン時間
ＳＷ スイッチ

Claims (7)

1. 温度を電気信号に変換する温度センサからの電気信号を信号処理して上位システムに伝送するための温度伝送器において、前記温度センサからの電気信号を信号処理するフロントエンド部及び前記上位システムとの間の情報を送受信する制御部と、前記フロントエンド部と制御部との間にそれら両者を電気的に分離する電気的分離部とを備え、前記フロントエンド部に温度センサの素線と保護管との間の絶縁抵抗の低下を検出する絶縁抵抗検出部を設けたことを特徴とする温度伝送器。
2. 前記絶縁抵抗検出部を、温度センサの素線に電圧印加用のスイッチを介して所定電圧を印加する電圧印加部と、前記所定電圧が印加された温度センサの素線の電圧を別の所定電圧と比較する電圧比較器とから構成してなる請求項１に記載の温度伝送器。
3. 前記電気的分離部が、光結合素子またはトランスから構成してなる請求項１又は２に記載の温度伝送器。
4. 前記フロントエンド部を、少なくとも前記電気的分離部のトランスからの入力により直流電圧を生成する直流電源部と、前記温度センサからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器とを備え、前記直流電源部のＧＮＤ電圧を前記ＡＤ変換器に負の基準電圧として入力する構成としてなる請求項１〜３のいずれかに記載の温度伝送器。
5. 前記電圧印加部にて所定電圧が印加される前記温度センサの素線の接続部と前記制御部のＧＮＤとをサージアブソーバ及び回路導通用のスイッチを介して接続してなる請求項１〜４のいずれかに記載の温度伝送器。
6. 前記回路導通用のスイッチのオン（閉）時間を１００μｓ以下に設定してなる請求項５に記載の温度伝送器。
7. 前記回路導通用のスイッチをオンしてから、前記電圧印加用のスイッチをオンし、かつ、該オン状態の電圧印加用のスイッチをオフしてから、該回路導通用のスイッチをオフするように構成してなる請求項５または６に記載の温度伝送器。
   

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