JP2007051947A - 配線長測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定対象の信号線の配線長が未知であっても、その配線長の測定に最適な周波数範囲内で周波数を決定する。
【解決手段】 配線長測定装置１は、接続された信号線２の短絡箇所までの配線長を測定するものであり、所定周波数の交流信号を信号線２に送出する電流信号送出部２４と、送出した交流信号に対する受信信号を信号線２から受信する電圧信号受信部２８と、各々周波数が異なる複数の交流信号を電流信号送出部２４から順次送出させる制御部２７と、複数の交流信号に対する受信信号からインピーダンスと比例関係にある周波数のインダクタンスを求め、求めたインダクタンスを配線長に変換する配線長変換部３０とを具備する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、様々な種類のセンサが複数接続された信号線（線路）において、所望のセンサまでの配線長を測定する配線長測定装置に関するものである。

一般に、機械警備を実施している物件では、コントローラからワンループ状に配線された信号線（線路）上に様々な種類のセンサが複数接続される。そして、上記物件に異常事態が発生した場合には、その異常を検知したセンサが発報して信号線を短絡させる。コントローラは、信号線の短絡を監視し、センサが発報した事を検出すると監視センターに通報する。監視センターでは、コントローラから通報があると、対処員の派遣等を行い、異常発生に対処する。

ところで、上記センサを警備対象物件に設置工事を行う際には、プランニング通りに全てのセンサが設置された事を確認する必要がある。

そこで、本件発明者等は、設置した全てのセンサがプランニング通り設置されている事を確認する為、発報したセンサまでの信号線を含んで形成される閉回路が集中定数回路と見なせる場合には、そのセンサまでの信号線の配線長がインダクタンスに比例することを利用し、インダクタンスを測定することによって配線長を求め、予め記憶された値と比較する事により正しい位置にセンサが設置されているか否かを判定する配線長測定装置を既に提案しており、その配線長測定装置が下記特許文献１、２に開示されている。

この特許文献１、２に開示される配線長測定装置は、配線長がインダクタンスに比例することを利用し、インダクタンスを測定することによって配線長を求めるものである。
特開２００２−２９６００２号公報 特開２００３−２６３６９１号公報

ところで、配線長とインダクタンスとの間に比例関係が成り立つのは、信号線に接続されたセンサを含む回路が集中定数系と見なせる必要がある。

つまり、測定対象のセンサまでの配線長に対して信号線に送出する交流信号の波長が十分長い（周波数が低い）ことが条件となる。
一方、周波数が低いほど外乱の影響を受け易く、測定値の誤差が大きい。

従って、配線長の測定を精度良く行うには、測定用の周波数を、測定対象のセンサを含んで形成される閉回路が集中定数系と見なせる範囲内で高く設定する必要がある。

しかしながら、測定対象のセンサまでの配線長は未知であるため、測定に最適な周波数は判らない。よって、従来は人為的に決めた周波数を固定的に用いて測定していたが、測定対象のセンサまでの配線長によっては、無視できない誤差が発生するという課題があった。

そこで、本発明は、測定対象のセンサまでの信号線の配線長が未知であっても、そのセンサを含んで形成された閉回路が集中定数系と見なせる周波数範囲を求めて配線長測定に適当な周波数を決定することができる配線長測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載された配線長測定装置は、接続された信号線の短絡箇所までの配線長を測定する配線長測定装置において、
所定周波数の交流信号を前記信号線に送出する送出手段と、
前記送出した交流信号に対する受信信号を前記信号線から受信する受信手段と、
各々周波数が異なる複数の交流信号を前記送出手段から順次送出させる制御手段と、
前記複数の交流信号に対する受信信号からインピーダンスと比例関係にある周波数のインダクタンスを求めるインダクタンス抽出手段と、
前記インダクタンスを配線長に変換する変換手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項２に記載された配線長測定装置は、請求項１記載の配線長測定装置において、
前記インダクタンス抽出手段は、周波数が異なる複数の受信信号からインピーダンスと比例関係にある周波数を選択し、選択された周波数のうち少なくとも最も高い周波数の受信信号からインダクタンスを求めることを特徴とする。

請求項３に記載された配線長測定装置は、請求項１又は２記載の配線長測定装置において、
前記複数の交流信号は、周波数が高くなるほど周波数間隔が広がるように周波数を切り替えて送出されることを特徴とする。

請求項４に記載された配線長測定装置は、請求項１乃至３の何れかに記載の配線長測定装置において、
さらに、前記信号線の短絡を検出する監視手段を備え、
前記制御手段は、前記監視手段が信号線の短絡を検出したときに前記送出手段から交流信号を送出させることを特徴とする。

請求項５に記載された配線長測定装置は、請求項４記載の配線長測定装置において、
さらに、前記送出手段及び受信手段と前記監視手段との間で前記信号線の接続を切り換える切換手段を備え、
前記制御手段は、前記監視手段が信号線の短絡を検出したとき、前記切換手段を制御して前記信号線と前記送出手段及び受信手段とを接続し、前記信号線の配線長を測定した後に前記信号線と前記監視手段とを接続することを特徴とする。

本発明の配線長測定装置によれば、信号線上に複数の異なる周波数の交流信号を順次送出し、その応答信号から短絡した信号線が形成する閉回路が集中定数系と見なせる周波数範囲を自動的に求めることができる。そして、自動的に求めた周波数範囲内から最適な周波数を選択することにより、高精度な測定を行うことができる。

また、従来の方法では、発報したセンサまでの信号線の長さが全く判らない場合、周波数の設定が適切でないと全く違った配線長を出力することになるが、本発明の配線長測定装置によれば、センサまでの信号線の長さが全く判らない場合でも、所望のセンサまでの信号線の配線長を精度良く測定することができる。

以下、本発明に係る配線長測定装置について図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る配線長測定装置を含む機械警備システムの全体構成を示す配線状況の模式図、図２は本発明に係る配線長測定装置の機能ブロック図、図３は本発明に係る配線長測定装置による配線長測定時のフローチャート、図４は本発明に係る配線長測定装置の測定結果の表示例を示す図、図５は周波数とインピーダンスとの関係を示す図、図６は本発明に係る配線長測定装置によるインダクタンス算出時のフローチャート、図７は本発明に係る配線長測定装置による発報センサ確認モード時のフローチャートである。

本発明に係る配線長測定装置は、複数の各種センサが接続された信号線（線路）上に複数の異なる周波数の交流信号を送出し、この送出した交流信号の各周波数毎の応答信号より、信号線を含んで形成される閉回路（信号線に接続された測定対象のセンサを含んで形成される閉回路）が集中定数系と見なせる周波数範囲を自動的に探し出して決定し、この決定された周波数範囲内の周波数成分に対するインピーダンスの値からインダクタンスを抽出し、所望のセンサまでの配線長を測定するものである。

図１に、警備対象物件内における本発明に係る配線長測定装置１を含む機械警備システムの全体構成を示す。警備対象物件内には、平行線からなる一対の信号線（線路）２が敷設されており、警備計画に則り所定の位置に赤外線センサ、マグネットセンサなど各種センサ１１（１１−１，１１−２，１１−３，…，１１−ｎ）が設置されている。信号線２の一端（基端）には、通常コントローラ３が接続され、他端（末端）には終端抵抗４が接続され、閉回路が形成される。

各種センサ１１は、自己の設置位置で信号線２を短絡させる接点Ａ，Ｂを備えたスイッチを有し、監視対象の物理的変化を検出すると発報して信号線２を短絡させる。

設置工事の検査の際には、コントローラ３の代わりに、本例の配線長測定装置１を信号線２の一端に接続して使用する。この信号線２に対する配線長測定装置１の接続は、通常コントローラ３の端子台３ａに接続されている信号線２を一旦取り外し、この取り外した信号線２の先端を配線長測定装置１の端子台１ａの接点ａ，ｂに繋ぎ変えることで行われる。これにより、配線長測定装置１には、信号線２が終端抵抗４及び各種センサ１１を介して閉回路を形成して接続される。

そして、配線長測定装置１を信号線２の一端に接続した状態で、設置工事の際に、センサ設置物件内で測定対象のセンサ（例えばセンサ１１−２）を試験のため発報させると、センサ１１−２内部で、接点Ａ，Ｂが導通して信号線２の途中を短絡し、配線長測定装置１と信号線２とセンサ１１−２で閉回路が形成される。これにより、配線長測定装置１は、信号線２の一部が短絡された現象を利用し、追って詳述するセンサ位置測定モードにより、配線長測定装置１から所望のセンサ（例えばセンサ１１−２）までの信号線２の長さである配線長ｘを求める。

尚、警備用途では、信号線２として平行線を用いて配線することが多いため、本例では平行線を用いた例で説明する。しかし、本発明の構成及び手法は平行線への適用に限定されるものではなく、信号線２に同軸ケーブル又はツイストペア線を用いた場合であっても、同様に配線長ｘを求めることができる。

また、通常、信号線２の一端に接続されるコントローラ３は、監視対象物件内に設定され、以下に説明する機能を有している。

・警備空間の監視を行う警備モードと解除モードとを切り換える。警備モードに移行すると、各センサ１１の状態の監視を開始する。
・信号線２に接続された全てのセンサ１１の状態を監視する。即ち、信号線２が断線しているか、および、センサ１１が発報しているか否かを監視する。発報の監視は、信号線２へ監視用の電圧を印加し、終端に接続された終端抵抗４が検出されれば正常（非発報）とし、信号線２が短絡して終端抵抗４が検出されなければ発報とすることで行う。
・警備モードにおいて、警備空間へ人が侵入するなど警備空間内の物理的変化が生じると、各センサ１１が発報して信号線２を短絡させたことを検知して異常判定し、異常信号を電話回線などの通信網を介して、警備センタに送信する。
・解除モードにおいては、各センサ１１が発報して信号線２を短絡させても異常と判定しない。

次に、本例の配線長測定装置１の構成について図２を参照しながら具体的に説明する。図２に示すように、本例の配線長測定装置１は、入力部２１、発振器２２、送信信号切換部２３、電流信号送出部２４、切換Ｉ／Ｆ２５、状態監視部２６、制御部２７、電圧信号受信部２８、ピーク検出部２９、周波数決定部３０、配線長変換部３１、表示部３２、記憶部３３、出力部３４を備えて概略構成される。尚、本例では、発振器２２と送信信号切換部２３と電流信号送出部２４とによって交流信号の送出手段を構成している。

入力部２１は、例えばテンキーを含む各種キー、スイッチやボタンなどからなり、監視対象物件の物件情報（例えば物件名、ブロック番号、回路番号など）、信号線２を構成する線材のパラメータ等を入力する。また、入力部２１は、特定のボタン（例えばスタートボタン）などの操作により、後述するセンサ位置測定モードの開始を指示入力することもできる。尚、入力部２１は、予め警備図面上に記載されているセンサ種別やコントローラ３からセンサ１１までの配線長などを入力させるようにしても良い。

発振器２２は、異なる周波数ω１，ω２，ω３，ω４，…，ωｎの送信信号を発振する複数の発振器２２−１，２２−２，２２−３，２２−４，…，２２−ｎで構成される。

尚、複数の発振器２２から送出する周波数の上限値は、測定を行いたいセンサ１１までの信号線２の配線長の上限値から設定する。

また、複数の発振器２２は、図５の直線区間（領域Ａ，領域Ｂ）に示すように、角周波数ωの対数軸上でほぼ等間隔になるように配置するのが望ましい。言い換えれば、周波数が高くなるほど、その間隔が広がるように複数の発振器２２を配置する。これにより、少ない数の発振器２２で広い周波数帯域を保証することができる。

さらに、多数の発振器２２を用意することが可能な場合には、図５において、角周波数ω軸上で等間隔で密になるように配置するほど高精度な測定を行うことができる。

尚、上述した発振器２２の数を制限する他に、チャープ波やノイズ信号などの広帯域の周波数成分の信号を１回送出し、その周波数応答を求めることでも同様の効果を得ることができる。

送信信号切換部２３は、後述するセンサ位置測定モードの開始が指示されたときの制御部２７からの制御指令信号に基づき、複数の周波数ω１，ω２，ω３，ω４，…，ωｎによる送信信号を所定時間毎に順次送出するように、発振器２２−１，２２−２，２２−３，２２−４，…，２２−ｎをスイッチで順次切り換える。尚、各周波数ω１，ω２，ω３，ω４，…，ωｎの送出時間は、ピーク検出部２９によるピーク検出が十分行える程度に設定するのが好ましい。

電流信号送出部２４は、送信信号切換部２３からの異なる複数種類の周波数ω１，ω２，ω３，ω４，…，ωｎによる交流電流信号を、切換Ｉ／Ｆ２５に接続された信号線２に所定間隔で順次送出する。換言すれば、切換Ｉ／Ｆ２５における信号線２との接続端ａ，ｂ間に交流電圧を印加する。また、電流信号送出部２４は、定電流源を用いて交流信号を送出する。信号線２に送出する電流を安定化することにより、後述の如く信号線２の電圧を観測するだけで信号線２のインピーダンスの変化を見ることができる。

切換Ｉ／Ｆ２５は、信号線２の一端を接続端ａ，ｂにて接続可能であるとともに、制御部２７からの切換制御信号に応じて信号線２の接続を状態監視側と配線長測定側との間で切り換える。信号線２を状態監視側に接続する場合は、接続端ａ，ｂを状態監視部２６に接続し、状態監視部２６により信号線２に接続されたセンサ１１の状態を監視可能にする。一方、信号線２を配線長測定側に接続する場合は、接続端ａ，ｂを電流信号送出部２４および電圧信号受信部２８に接続し、電流信号送出部２４により信号線２へ交流電流を印加可能にするとともに、電圧信号受信部２８により信号線２に生じる交流電圧を計測可能にする。

状態監視部２６は、信号線２に接続されたセンサ１１が正常（非発報）か又は発報か、或いは信号線２が断線しているかの３つの状態を監視している。この状態監視は、図２に示すように、切換Ｉ／Ｆ２５が信号線２との接続端ａ，ｂを状態監視側に接続している状態で行われる。そして、制御部２７の制御により、接続端ａ，ｂ間に所定の直流電圧を印加して得られる電流値を測定し、所定の電流が生じれば（即ち終端抵抗４が観測されれば）センサ１１が正常状態と判定し、極大の電流が生じれば（即ち信号線２が短絡していれば）センサ１１が発報状態と判定し、電流が生じなければ（即ち極大の抵抗が発生していれば）信号線２が断線していると判定し、これらの判定結果を示す情報を制御部２７に送出している。尚、状態監視部２６は、配線長測定時には、制御部２７の制御により、状態監視を一時的に停止する。その際は、切換Ｉ／Ｆ２５にて信号線２との接続が切り離される。

制御部２７は、配線長測定を含む各種処理を実行するため、配線長測定装置１の全体の動作を統括制御している。例えば、制御部２７は、状態監視部２６からセンサ１１が発報しているという情報を受け取ると、切換Ｉ／Ｆ２５に切換制御信号を送信して接続端ａ，ｂの接続を配線長測定側に切り換えるように制御する。それとともに、送信信号切換部２３に制御指令信号を送信して信号線２に対して複数の発振器２２−１，２２−２，２２−３，２２−４，…，２２−ｎから周波数の異なる交流電流信号を所定間隔で順次切り換えて送出するように制御する。また、配線長変換部３０から配線長の測定終了の情報を受け取ると、切換Ｉ／Ｆ２５に切換制御信号を送信して接続端ａ，ｂの接続を再び状態監視側に切り換えるように制御し、状態監視部２６による状態監視を再開させる。その他、記憶部３２に対する各種情報の読み出しや書き込み、表示部３１への各種情報の表示、出力部３３からの各種情報の出力などを制御している。

電圧信号受信部２８は、電流信号送出部２４から送出された交流電流信号に対応して切換Ｉ／Ｆ２５に接続された信号線２に生じた交流電圧信号を受信する。換言すれば、切換Ｉ／Ｆ２５における信号線２との接続端ａ，ｂ間の交流電圧を測定する。電流信号送出部２４からは一定の交流電流が印加されているため、各センサ１１の状態に応じて異なる交流電圧が測定される。例えば、センサ１１−１が発報し信号線２を短絡させている場合は、接続端ａ，ｂからセンサ１１−１までの信号線２を流れる交流電流によって生じた交流電圧が計測され、センサ１１−ｎが発報している場合は、接続端ａ，ｂからセンサ１１−ｎまでの信号線２に流れる交流電流によって生じた交流電圧が計測される。尚、電流信号送出部２４から送出された交流電流信号の周波数が変化すると、信号線２のインダクタンスによる影響も変化するため、同じセンサ１１が発報した状態でも受信した交流電圧信号が異なる。

ピーク検出部２９は、電圧信号受信部２８が受信した受信信号（交流電圧信号）のピーク電圧を検出している。

周波数決定部３０は、ピーク検出部２９で検出されたピーク値からインピーダンスを求め、求めたインピーダンスの結果から、周波数とインピーダンスとが比例する周波数範囲を抽出する。そして、この抽出された周波数範囲内においてインダクタンスを求めるための周波数成分（測定用の周波数）を決定する。

配線長変換部３１は、周波数決定部３０が決定した周波数成分に対するインピーダンスからインダクタンス成分Ｌを抽出し、この抽出されたインダクタンス成分Ｌを用いて配線長ｘを求める。

表示部３２は、例えば液晶表示装置などで構成され、各種測定結果を表示している。例えば、信号線２に接続されたセンサ１１のうち発報したセンサの個数、発報したセンサ１１までの配線長などを表示する。

記憶部３３は、配線長変換部３１から得られた配線長ｘをセンサ１１の識別番号、検査番号、物件情報（物件名、ブロック番号、回路番号など）、時刻情報などとともに記憶している。また、記憶部３３は、入力部２１から入力された、後述するインダクタンス成分Ｌの係数部分ｐ値の算出に必要な信号線２を構成する線材のパラメータ情報（線間間隔ｄ、線の半径ａ、透磁率μ）、物件情報、回路上に設置されるセンサ数などを記憶している。

出力部３４は、例えばプリンタ、パソコンなどの外部端末等を接続し、センサ１１の設置時における配線毎の測定結果などを一覧形式で印刷したり、データ転送を行う。

次に、上記のように構成される配線長測定装置１のセンサ位置測定モードにおける処理の流れについて図３を参照しながら説明する。

センサ位置測定モードは、新規の警備対象物件に対する設置工事に際し、センサが正しい位置に設置してあるかどうかの確認のためのモードである。さらに説明すると、センサ位置測定モードは、（１）警備システムの新規導入、（２）センサの交換、（３）センサの追加の設置工事などが終了した際に、コントローラ３から各センサ１１までの配線長ｘを測定するモードのことである。そして、センサ位置測定モードによる配線長ｘの測定結果から、警備計画図面上のセンサ設置数、或いは予め記憶してあるセンサ位置と比較し、設置工事が正しく行われたか否かが検査される。

図３に示す処理を実行するには、まず初めに、コントローラ３が接続されるべき位置に、配線長測定装置１を繋ぎ変えて接続する。

尚、インダクタンス成分Ｌの係数部分ｐの値は、後述する式（５）により計算できる。通常、センサ１１の配線に用いる線材は決まっているか、あるいは数種類に限定されているので、事前に求めた値を内部に記憶しておき、ディップスイッチ等により線材に応じて選択することも可能である。

図３に示すセンサ位置測定モードは、例えばスタートボタン、ディップスイッチの変更等により開始される。また、センサ位置測定モード時の処理は、例えばリセットボタン、出力要求等の操作で終了する。

まず、信号線２に接続されたセンサ１１をカウントするためのカウンタの値を０にリセットする（ＳＴ１）。このカウンタのリセット後、状態監視部２６により信号線２が断線しているか否かを判定する（ＳＴ２）。信号線２が断線であると判定された場合は（ＳＴ２−Ｙ）、その履歴を記録し（ＳＴ３）、ＳＴ２へ戻る。

尚、信号線２が断線の場合（ＳＴ２−Ｙ）、断線箇所が修復されて正常状態に復旧しない限り、配線長測定装置１は、断線信号を出力し続けることになる。このため、信号線２が断線の場合、断線した時刻情報とともにその履歴の記録は最初の１回のみ行うなどとしても良い。

信号線２が断線でないと判定した場合には（ＳＴ２−Ｎ）、いずれかのセンサ１１が発報しているか否かを判定する（ＳＴ４）。具体的には、信号線２が短絡しているかどうかによりセンサ１１の発報を判定する。センサ１１が発報していなければ（ＳＴ４−Ｎ）、正常と判定してＳＴ２に戻る。

センサ１１が発報していると判定された場合には（ＳＴ４−Ｙ）、切換Ｉ／Ｆ２５にて信号線２の接続を配線長測定側に切り換え（ＳＴ５）、センサ位置測定モードによる測定を開始する。本例では、測定対象となる一つのセンサ１１を試験的に発報させて信号線２を短絡させることにより、そのセンサ１１までの信号線２の配線長を測定する。

次に、送信信号切換部２３を複数の発振器２２−１，２２−２，２２−３，２２−４，…，２２−ｎの何れか一つの発振器２２側に接続し、電流Ｉ、周波数ω（ω＝２πｆ）の交流電流信号ｆを電流信号送出部２４から信号線２に送出する（ＳＴ６）。そして、送出した交流電流信号ｆに対応してセンサ１１により短絡された信号線２に生じた交流電圧信号ｆを電圧信号受信部２８で受信し、そのピーク電圧Ｖを検出する（ＳＴ７）。

例えば送信信号切換部２３を発振器２２−１側に接続した場合には、電流Ｉ、周波数ω１（ω１＝２πｆ１）の交流電流信号ｆ１が電流信号送出部２４から信号線２に送出される。そして、送出した交流電流信号ｆ１に対応して信号線２に生じた交流電圧信号ｆ１を電圧信号受信部２８で受信し、そのピーク電圧Ｖ１を検出する。

そして、用意された全ての数の周波数ω１，ω２，ω３，ω４，…，ωｎの交流電流信号ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，…，ｆｎを送出したか否かを判定する（ＳＴ８）。全ての数の周波数ω１，ω２，ω３，ω４，…，ωｎの交流電流信号ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，…，ｆｎを送出していないと判定すると（ＳＴ８−Ｎ）、送信信号切換部２３によって発振器２２が送出する交流電流信号ｆの周波数ωを切り換え（ＳＴ９）、上述したＳＴ６，ＳＴ７の処理を行う。すなわち、送信信号切換部２３により複数の発振器２２−１，２２−２，２２−３，２２−４，…，２２−ｎを順次切り換えて全ての周波数ω１，ω２，ω３，ω４，…，ωｎの交流電流信号ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，…，ｆｎを送出し、これら各周波数ω１，ω２，ω３，ω４，…，ωｎの受信信号である交流電圧信号ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，…，ｆｎからピーク電圧を検出する。

尚、信号線２に送出される各周波数ω１，ω２，ω３，ω４，…，ωｎの交流電流信号ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，…，ｆｎの電流は、常に同じ値Ｉとなるように制御される。

そして、全ての数の周波数ω１，ω２，ω３，ω４，…，ωｎの交流電流信号ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，…，ｆｎを送出した判定すると（ＳＴ８−Ｙ）、検出された複数のピーク電圧値から、発報したセンサ１１までの信号線２を含んで形成される閉回路が集中定数回路と見なせる周波数帯域を選択して抽出し、この抽出された周波数帯域内から測定用の周波数を決定する（ＳＴ１０）。そして、決定した周波数成分に対応するピーク電圧値からインダクタンス成分Ｌを算出する（ＳＴ１１）。

次に、算出したインダクタンス成分Ｌと、予め求めた係数成分ｐとを、配線長ｘ＝ｐＬ…式（１）に代入して発報したセンサ１１までの信号線２の配線長ｘを求める（ＳＴ１２）。尚、配線長ｘは、図３の処理におけるＳＴ６〜ＳＴ１１のステップを複数回繰り返して行い、その平均値を求めるようにしても良い。

次に、測定された配線長ｘが測定済で記憶部３３に記憶されているか否かを判定する（ＳＴ１３）。記憶部３３には、一度測定したセンサ１１に対し、ラベルを振って測定距離情報、検査番号とともに記憶してあり、配線長ｘに基づき比較を行う。

測定された配線長ｘの値が、今まで測定した値と一致、又は所定の誤差範囲（例えば±１ｍなど）内であるか否か判定し、記憶部３３に記憶されていなければ（ＳＴ１３−Ｎ）、新たにラベルを振って配線長ｘの情報とともに記憶部３３に記憶する（ＳＴ１４）。既に記憶されていれば、何もしないが、前回測定値との平均値を求めて新たに記憶部３３に記憶しても良い。

そして、新たにセンサ１１の位置を記憶した場合はカウンタを１つＵＰする（ＳＴ１５）。その後、切換Ｉ／Ｆ２５にて信号線２の接続を状態監視側に切り換え（ＳＴ１６）、再び信号線２の状態を監視する。以上の処理を信号線２に接続してある全てのセンサ１１を繰り返し試験的に発報させ、測定する。そして、全てのセンサ１１の測定が終了すると、測定結果を紙面あるいは表示部３２のモニタ画面上に出力する。

図４は上述した測定を行ったときの出力結果の一例を示している。図４の例では、センサ１１の合計数、センサ１１固有の番号（Ｎｏ）、配線長測定装置１（コントローラ３）からの信号線２の配線長測定値が表示される。センサ１１の設置工事を行った際、この配線長測定装置１の測定結果を見て、センサ１１の合計数が予定数と異なっていれば、何らかの工事ミスがあったと判断できる。また、測定結果は検査番号とともに参照用テーブルとして記憶部３３に記憶される。

さらに、予め警備図面上に記載されている各センサ１１の種別あるいは番号及び配線長測定装置１からの各センサ１１までの配線長を入力部２１からテンキー等により入力し、参照用テーブルとして記憶部３３に記憶しておくようにしておき、実際の配線長ｘの測定結果と参照用テーブルの値とを比較して、設置工事が正しく行われたかを確認するようにしても良い。

そして、不良センサの交換時などは、上記参照用テーブルとの比較を行い、動作確認を行う。

ところで、上述したセンサ位置測定モードにおいて、信号線２が短絡した時に切換Ｉ／Ｆ２５にて信号線２との接続を配線長測定側に切り換え、一つのセンサ１１の測定が終了すると、切換Ｉ／Ｆ２５にて信号線２との接続を状態監視側に再び切り換え、信号線２の状態監視に一旦復旧させる。これは、配線長ｘを測定するタイミングを固定にするためである。即ち、信号線２が短絡した瞬間など信号線２の状態が安定していなくても配線長ｘの値は得られるが、その値は不安定な値となり、実際の値とは大きく異なる。よって測定のタイミングをセンサ１１が正常から発報に移行したタイミングに基づいて信号線２が安定した状態に設定することで、正確な測定を可能とする。また、測定後、再び状態監視に復旧する事により、次のセンサ１１の測定を行う前に信号線２が正常か否かの確認をしてから行うことができる。

次に、図３のＳＴ１０における測定用の周波数の決定方法について説明する。測定対象の信号線２の長さに対して交流信号の波長が十分長い（周波数が十分に低い）場合、信号線２を含んで形成される閉回路は、抵抗とインダクタンスとで構成される集中定数系の等価回路と仮定できる。この場合の信号線２のインピーダンスは、Ｒ＋ｊωＬとなり、周波数に比例する。

しかし、周波数がある値ｆＴ以上に高くなると、この仮定が成り立たなくなり、インピーダンスと周波数との比例関係が成り立たなくなる。しかも、ｆＴは測定したい配線長（測定対象の信号線２の長さ）に依存する。

本例の配線長測定装置１は、センサ１１までの配線長が未知の場合においても、配線長計算に最適な周波数を求め、発報したセンサ１１までの信号線２の配線長を測定する。

詳しくは、短絡箇所までの信号線２を含んで形成される閉回路が集中定数回路と見なせる周波数範囲を求め、選択された周波数範囲に含まれる複数の周波数成分からインダクタンスを求めるための周波数を決定する。

以下、発報したセンサ１１まで（短絡箇所まで）の信号線２を含んで形成される閉回路が集中定数系と見なせる周波数選択の方法について図５及び図６を参照しながら説明する。

図５は発報したセンサ１１までの配線長が異なる場合の角周波数とインピーダンスとの関係を示している。図５において横軸は角周波数ωを示し、縦軸は最大値が１になるように正規化したインピーダンスの絶対値である。

図５において、●はセンサ１１までの配線長が長い場合の例として、図１及び図２のセンサ１１−ｎを発報させて信号線２を短絡させたときの測定点を示している。この●の測定点を得る場合は、切換Ｉ／Ｆ２５にて信号線２が配線長測定側に接続される。これにより、電流信号送出部２４および電圧信号受信部２８が、信号線２を短絡させたセンサ１１−ｎまでの信号線２、センサ１１−ｎの接点Ａ，Ｂとの間で閉回路を形成する。そして、センサ１１−ｎを発報させた場合には、図２における切換Ｉ／Ｆ２５の接続端ａ，ｂとセンサ１１−ｎの接点Ａ，Ｂとの間の信号線２の長さが配線長ｘとして測定される。

また、○はセンサ１１までの配線長が短い場合の例として、図１及び図２のセンサ１１−１を発報させて信号線２を短絡させたときの測定点を示している。この○の測定点を得る場合にも、同様に切換Ｉ／Ｆ２５にて信号線２が配線長測定側に接続される。これにより、電流信号送出部２４および電圧信号受信部２８が、信号線２を短絡させたセンサ１１−１までの信号線２、センサ１１−１の接点Ａ，Ｂとの間で閉回路を形成する。そして、センサ１１−１を発報させた場合には、図２における切換Ｉ／Ｆ２５の接続端ａ，ｂとセンサ１１−１の接点Ａ，Ｂとの間の信号線２の長さが配線長ｘとして測定される。

図５に示すように、配線長が長い場合の例としてセンサ１１−ｎを動作させた場合は、低い周波数の領域（図５のＡの領域）では周波数とインピーダンスとが比例するが、周波数が高くなるに連れて比例関係が成立しなくなる。このため、配線長が長い場合には、周波数がある程度高くなると、比例関係が成り立たなくなり、集中定数系と見なせなくなることが判る。

また、図５に示すように、配線長が短い場合の例としてセンサ１１−１を動作させた場合には、高い周波数の領域（図５のＢの領域）で周波数とインピーダンスとの比例関係が成り立つが、周波数が低くなるに連れてインピーダンスの値が小さくなっている。このため、配線長が短い場合には、周波数がある程度低くなると、外乱の影響を受けやすくなり、測定精度が取れないことが判る（図５の斜線領域）。尚、図５における斜線領域は、インピーダンスの値が小さくて精度が取れない領域を示している。

従って、測定対象となる配線長が長い場合は配線長が短い場合と比較して低い周波数を選択し、測定対象となる配線長が短い場合には逆に高い周波数を選択すれば、その周波数のインピーダンスから配線長を精度良く求めることが可能となる。

尚、上記比例関係は、交流信号の送出に定電流源を用いることによりピーク電圧と周波数に関しても成り立つ。本実施形態では、ピーク電圧と周波数との関係を用いて測定用周波数を決定する。

図６は、周波数決定部３０による測定用周波数の決定（図３のＳＴ１０）の詳細処理を示すフローチャートである。図３のＳＴ６〜ＳＴ９にて、信号線２へ送出した交流信号（交流電流信号）に対する信号線２からの受信信号（交流電圧信号）に基づき、各周波数毎にピーク電圧値が測定されている。そして、最も低い周波数成分のピーク電圧の値が所定の値（Ｔｈｖ）を超えているか否か判定する（ＳＴ２１）。前述したように、配線長が短い位置のセンサ（図１のセンサ１１−１）を発報させた場合、低い周波数においては、ピーク電圧値が小さいため、低い周波数を始点として「直線の当てはめ」を行っても良い結果が得られない。そのため、ピーク電圧の値が所定値（Ｔｈｖ）以上か否かを判定し、所定値（Ｔｈｖ）以下であれば（ＳＴ２１−Ｎ）、次の高い周波数成分に始点を変更し（ＳＴ２２）、この周波数成分のピーク電圧の値が所定値（Ｔｈｖ）以上か否かを判定し（ＳＴ２１）、「直線の当てはめ」を行う始点を決定する（ＳＴ２３）。

尚、「直線の当てはめ」を行う上では、測定点は２点以上必要であるが、所定値（Ｔｈｖ）を越える測定点の数が満たない場合は「測定不能」として終了する。Ｔｈｖの値は、線材のパラメータ等を考慮して実験的に定める。

「直線の当てはめ」を行う始点が決定すると、最小二乗法を用いて測定点をＺ＝Ａω＋Ｂと近似する（ＳＴ２４）。「直線の当てはめ」は、まず始点の周波数から２つの測定点を用いて行う。そして、二乗誤差の平均値が所定値（Ｔｈｅｒ）以下であるか否か判定し（ＳＴ２５）、所定値（Ｔｈｅｒ）以下かつ測定点の上限値でなければ（ＳＴ２５−Ｙ）、「直線の当てはめ」に用いるデータ数を加算し（ＳＴ２６）、最小二乗近似を行う測定点を増やしていく。そして、最終的に「直線の当てはめ」ができた周波数範囲を、集中定数系と見なせる周波数帯域として抽出し決定する（ＳＴ２７）。Ｔｈｅｒは、測定データのばらつきを考慮し、実験的に定める。

図５の例では、配線長が長い例としてセンサ１１−ｎを発報させた場合、３点（ＰＡ１，ＰＡ２，ＰＡ３）の周波数が選択され、この下限から上限の周波数範囲が集中定数系と見なせる周波数となる。

また、図５の例において、配線長が短い例としてセンサ１１−１を動作させた場合は、３点（ＰＢ１，ＰＢ２，ＰＢ３）の周波数が選択され、この下限から上限の周波数範囲が集中定数系と見なせる周波数となる。

尚、図５において、測定点の周波数間隔は高くなるほど広がるように設定してある。比例関係の推定において、配線長が短い場合は、インピーダンスの変化が測定し易いように周波数間隔を広く設定してある。例えば図５における角周波数の対数軸上で等間隔になるように設定すれば良い。

また、本実施例では、前述のように定電流源を用いて信号線に送出する電流を一定にしている為、インピーダンスの代わりにピーク電圧のまま測定対象の信号線２が集中定数系と見なせる周波数範囲を求める事ができる。

そして、上述した図６のＳＴ２１〜ＳＴ２７の処理によって決定された周波数範囲において、インダクタンスを求めるための周波数を選択する（ＳＴ２８）。前述したように、選択された周波数帯域内で高い周波数を用いると、大きなインピーダンスの影響を受けたピーク電圧を測定でき、相対的に外乱の影響が少なくなり、測定誤差を小さくすることができる。

以上の如く配線長の測定用周波数を決定することで、未知の配線長である測定対象の信号線２に対し、最適な測定用周波数を用いて配線長を測定可能とする。
また、測定用の周波数は、上述の如く抽出した周波数範囲内で高い方が良いが、インダクタンスの算出方法によって選択する測定用周波数は異なる。

ここでは、決定された周波数範囲から、２つの周波数を選択してインダクタンスを求める方法について説明する。

発報したセンサ１１までの信号線２を含んで形成される閉回路が集中定数系と仮定できる場合の等価回路は抵抗とインダクタンスとで表される。よって、集中定数系と見なされる周波数帯域において、印加した電流Ｉ、測定したピーク電圧Ｖ１，Ｖ２とすると、異なる２つの周波数成分に対して、下記式（２），（３）が成り立つ。

そして、上記式（２），（３）からＬについて変形し、Ｒを消去すると、下記式（４）に示すように、簡単な式でインダクタンス成分Ｌを求めることができる。

前述した「直線の当てはめ」を行うことにより、最低２つの周波数が選択される。周波数が２つしか選択されない場合は、式（４）に各々の周波数を代入してインダクタンスを求めることができる。

これに対し、集中定数系と見なせる周波数帯域内において、３つ以上の周波数成分が存在する場合には、周波数が高いほど測定精度が得られるので、少なくとも１つは最も高い周波数成分を選択すると良い。

尚、発振器２２を多数用いて周波数の間隔が密である場合には、上記のように高い方から２つの成分を選択すると、電圧成分の差が小さな値となり、インダクタンスの測定精度が低くなる。従って、その場合には、発振器２２の周波数間隔に応じて選択する周波数を決定するのが好ましい。

ところで、上述したインダクタンスを求める方法は、２つの周波数成分を用いるものに限定されることなく、（１）選択された周波数範囲内における１つの周波数成分を選択する方法、（２）「直線の当てはめ」を行い、当てはめた直線の「傾き」を利用する方法などが考えられる。

（１）の方法は、例えば特許文献１にも記載されているように、９０°位相検波方式を用いる方法である。これは無線通信などにおいて用いられている検波技術であり、位相が９０°ずれた２つの信号が存在するときに、片方のみを抽出することができる。従って、選択された周波数の複素インピーダンスより、９０°位相がずれている成分のみを抽出することにより、抵抗成分とインダクタンス成分を分離し、インダクタンス成分のみを求めることができる。

（２）の方法は、インピーダンスの傾きがインダクタンスに相当することを利用するものである。一次直線で近似して、直線が当てはめられた区間の傾きの値そのものをインダクタンスに換算することができる。この方法では、上述した（１）の方法のように位相成分を求めることなくインダクタンスを求めることが可能となる。

さらに、送信信号としてチャープ波などの広い周波数成分を含む信号を用いた場合は、受信信号をＡ／Ｄ変換した後、ＦＦＴ（高速フーリエ変換：信号の中にどの周波数成分がどれだけ含まれているかを抽出する処理）を計算し、周波数応答から集中定数と見なせる周波数帯域を求めることも可能である。その場合でも各周波数成分の値から最小二乗法などを用いて周波数とインピーダンスが比例関係を持つ周波数帯域を求める方法が適用できる。

そして、発報したセンサ１１までの信号線２の配線長ｘは、上記のようにして求めたインダクタンス成分Ｌを前述した式（１）のｘ＝ｐＬに代入して求める。

尚、インダクタンス成分Ｌの係数部分ｐは下記式（５）で与えられ、式（５）中におけるμは透磁率、ａは半径、ｄは線間間隔で、線材の定数であり、係数部分ｐは線材の種類が決まれば一意に決まる量である。

ところで、上述した実施形態では、コントローラ３の設置位置に配線長測定装置１を繋ぎ変えて測定対象のセンサ１１までの信号線２の長さ（配線長ｘ）を測定する構成として説明したが、前述した機能を有する配線長測定装置１をコントローラ３に内蔵する構成としても良い。

この場合、コントローラ３は、配線長測定装置１、信号線２を介して接続されたセンサ１１の状態を監視する状態監視部、センサ１１が発報した旨を監視センターへ通報する通信部、警備モードの種類、通報先などを記憶する記憶部、モード切換を入力するための入力部、センサ１１の発報等の情報を表示する表示部、全体の制御を統括する制御部などで構成される。

そして、コントローラ３に配線長測定装置１が内蔵される場合は、図２における、配線長測定装置１の状態監視部２６はコントローラ３の状態監視部でその機能を代替させる。

この場合、配線長測定装置１は、ディップスイッチなどにより稼動状態とされ、信号線２に接続されたセンサ１１が発報し、コントローラ３の状態監視部がセンサ１１が信号線２を短絡させたことを検出すると、短絡したことを配線長測定装置１の制御部２７に伝え、該制御部２７は切換Ｉ／Ｆ２５にて信号線２の接続を配線長測定側に切り換え、上述のセンサ位置測定モードによる配線長測定を開始する。そして、測定結果より特定されるセンサ固有の番号（Ｎｏ）などの情報が出力部３４からコントローラ３本体の制御部に送られる。

また、各種表示を行う表示部３２は、コントローラ３本体側のものと共通に使用することもできる。この場合には、発報したセンサ１１の情報がコントローラ３本体に送られ、コントローラ３本体側の表示部に表示される。また、入力部２１、記憶部３３もコントローラ３と共用できる。

さらに、配線長測定装置１をコントローラ３に内蔵した構成では、前述したセンサ位置測定モードに加え、発報センサ識別モードによる処理を実行することができる。

発報センサ識別モードとは、前述した警備モードにおいてセンサ１１が異常を感知した際に、発報したセンサ１１の位置及び種類を特定し、コントローラ３に出力すると共にモニタ画面に表示するモードのことである。

コントローラ３本体において、各センサ１１の状態監視を開始する警備モードに変更されると、これと同時に発報センサ識別モードに移行する。図７は発報センサ識別モード時のフローチャートを示している。尚、図３のセンサ位置測定モード時のフローチャートと同一のステップには同一符号を付している。

図７に示すように、この発報センサ識別モードでは、まず前述したセンサ位置識別モードのＳＴ２，ＳＴ４〜ＳＴ１２と同様の処理が実行される。ＳＴ２，ＳＴ４〜ＳＴ１２の処理によって配線長ｘが測定されると、配線長測定装置１を内蔵したコントローラ３は、発報したセンサ１１に対し測定した配線長ｘの結果より、予め記憶部３３に記憶されている参照用テーブル内に該当する配線長ｘのセンサ１１があるか否かを判断する（ＳＴ３１）。尚、参照用テーブルには、センサ１１毎に個々のセンサを特定する固有の情報（例えばＮｏ．０１からの通し番号）が配線長と関連付けされて記憶されている。例えば配線長２０ｍ：センサＮｏ．０１、配線長２５ｍ：センサＮｏ．２といったように配線長とセンサ番号とが関連付けされて参照用テーブルに記憶される。

そして、参照用テーブル内に該当するセンサ１１が存在しないと判断した場合には（ＳＴ３１−Ｎ）、機器異常、又は機械警備を妨害する画策行為が行われたものと判断し、不図示の監視センターに機器異常信号を送出する（ＳＴ３２）。その後、切換Ｉ／Ｆ２５にて信号線２の接続を状態監視側に切り換え（ＳＴ３３）、ＳＴ２の処理に戻る。これに対し、参照用テーブル内に該当するセンサ１１が存在すると判断した場合には（ＳＴ３１−Ｙ）、そのセンサ１１固有の情報（番号）を含んだ異常信号を監視センターに送出する（ＳＴ３４）と共に、モニタ画面に表示する。その後、切換Ｉ／Ｆ２５にて信号線２の接続を状態監視側に切り換え（ＳＴ３３）、ＳＴ２の処理に戻る。また、断線検出時（ＳＴ２）も同様にコントローラ３から監視センターに断線検知信号を送出する（ＳＴ３５）。

このように、本例の配線長測定装置によれば、信号線上に複数の異なる周波数の交流信号（交流電流信号）を順次送出し、その応答信号（交流電圧信号）から、信号線を含んで形成される閉回路が集中定数系と見なせる周波数範囲を自動的に求めることができる。そして、自動的に求めた周波数範囲内から最適な周波数を選択することにより、対象とするセンサ１１までの信号線の配線長を正確に測定することができる。

また、従来の方法では、センサまでの配線長が全く判らない場合、下手に周波数を設定すると、測定自体が失敗する恐れがあり、失敗した場合には全く違った配線長を出力することになる。これに対し、本例の配線長測定装置によれば、センサまでの配線長が全く判らない場合でも、上記のような問題を生じることなく、測定対象である発報したセンサ１１までの信号線を含んで形成される閉回路が集中定数系と見なせる周波数範囲を求めて設定し、この設定された周波数範囲内の周波数成分に対応するインピーダンスの値からインダクタンスを求めて所望のセンサまでの配線長を測定することができる。

本例では、通常、信号線２に接続されたセンサ１１が正常か又は発報か、或いは信号線２が断線しているかの３つの状態を監視し、センサ１１が発報していると判定したときのみ信号線２上に複数の異なる周波数の交流信号を順次送出するので、測定のタイミングを正常から発報に移行したタイミングに基づいて設定でき、常に安定した正確な測定が可能となる。

また、特に配線長測定装置１をコントローラ３に内蔵した構成では、センサ１１の発報時に、どのセンサ１１が発報したかを、測定した配線長ｘから判断して即座に監視センターに通報することができる。

尚、上記実施形態における電流信号送出部２４と電圧信号受信部２８は、電圧信号送出部と電流信号受信部に置き換えられることは自明である。この場合、電圧信号送出部は、定電圧源を用いればよい。

本発明に係る配線長測定装置を含む機械警備システムの全体構成を示す配線状況の模式図である。 本発明に係る配線長測定装置の機能ブロック図である。 本発明に係る配線長測定装置による配線長測定時のフローチャートである。 本発明に係る配線長測定装置の測定結果の表示例を示す図である。 センサまでの配線長が異なる場合の角周波数とインピーダンスとの関係を示す図である。 本発明に係る配線長測定装置による測定用周波数決定のフローチャートである。 本発明に係る配線長測定装置による発報センサ確認モード時のフローチャートである。

符号の説明

１ 配線長測定装置
１ａ，３ａ 端子台
２ 信号線（線路）
３ コントローラ
４ 終端抵抗
１１（１１−１，１１−２，１１−３，…，１１−ｎ） センサ
２１ 入力部
２２（２２−１，２２−２，２２−３，…，２２−ｎ） 発振器
２３ 送信信号切換部
２４ 電流信号送出部
２５ 切換Ｉ／Ｆ
２６ 状態監視部
２７ 制御部
２８ 電圧信号受信部
２９ ピーク検出部
３０ 周波数決定部
３１ 配線長変換部
３２ 表示部
３３ 記憶部
３４ 出力部

Claims (5)

1. 接続された信号線の短絡箇所までの配線長を測定する配線長測定装置において、
   所定周波数の交流信号を前記信号線に送出する送出手段と、
   前記送出した交流信号に対する受信信号を前記信号線から受信する受信手段と、
   各々周波数が異なる複数の交流信号を前記送出手段から順次送出させる制御手段と、
   前記複数の交流信号に対する受信信号からインピーダンスと比例関係にある周波数のインダクタンスを求めるインダクタンス抽出手段と、
   前記インダクタンスを配線長に変換する変換手段と、
   を備えることを特徴とする配線長測定装置。
2. 前記インダクタンス抽出手段は、周波数が異なる複数の受信信号からインピーダンスと比例関係にある周波数を選択し、選択された周波数のうち少なくとも最も高い周波数の受信信号からインダクタンスを求めることを特徴とする請求項１記載の配線長測定装置。
3. 前記複数の交流信号は、周波数が高くなるほど周波数間隔が広がるように周波数を切り替えて送出されることを特徴とする請求項１又は２記載の配線長測定装置。
4. さらに、前記信号線の短絡を検出する監視手段を備え、
   前記制御手段は、前記監視手段が信号線の短絡を検出したときに前記送出手段から交流信号を送出させることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の配線長測定装置。
5. さらに、前記送出手段及び受信手段と前記監視手段との間で前記信号線の接続を切り換える切換手段を備え、
   前記制御手段は、前記監視手段が信号線の短絡を検出したとき、前記切換手段を制御して前記信号線と前記送出手段及び受信手段とを接続し、前記信号線の配線長を測定した後に前記信号線と前記監視手段とを接続することを特徴とする請求項４記載の配線長測定装置。

Images