JP2007323449A

JP2007323449A - 伝送器システム

Info

Publication number: JP2007323449A
Application number: JP2006154098A
Authority: JP
Inventors: Teruo Kobayashi; 照雄小林; Koichi Ichijo; 浩一一條; Nobuaki Seta; 信明瀬田; Makoto Kawakami; 川上　　誠
Original assignee: Hitachi High Tech Control Systems Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Control Systems Corp
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】本発明の目的は、新たな電源回路を追加することなく、小さな回路規模によってノイズに依る通信エラーや時間遅れをなくした伝送器システムを提供することにある。
【解決手段】本発明は、複数のセンサによって検出された複数の物理量を電気信号に変換し、該電気信号が伝送線を介して負荷に伝送される電流出力回路を有する伝送器システムにおいて、前記電流出力回路に適した電源電圧を出力する電源回路に接続されアナログ電圧信号に変換され選択された前記電気信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を形成する主電流出力回路と、前記電源回路から電力が供給され前記主電流出力回路に並列に接続されアナログ電圧信号に変換され選択されなかった少なくとも１つの前記電気信号を電流信号に変換して出力する第２出力用の電圧／電流変換回路とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、差圧、圧力、温度、流量などの複数のプロセス量を電気信号に変換して、ＤＣ４〜２０ｍＡの統一信号として伝送する新規な伝送器システムに関する。

複合伝送器の信号出力の形態として、特許文献１に示されている。特許文献１の図３には、複合伝送器のＤＣ４〜２０ｍＡの主出力信号に、他のプロセス量のデジタル信号を重畳させ専用の信号変換器で、デジタル信号をアナログ信号に変換し、アナログ出力信号を複数個取り出す伝送器システムである。この例の場合、ＤＣ４〜２０ｍＡの主出力信号線にデジタル信号を重畳させるため、信号ケーブルは一対で済むという利点があるが、一般の計装用電源では機能を実現できず専用の変換器を必要とした。また、デジタル通信信号を受信し変換器側で差圧、圧力、温度などの各信号をＤ／Ａ変換して再発信するシステムであったため、ノイズに依る通信エラーや時間遅れなどが指摘されている。

これらの問題を解決するため、特許文献２が提案されている。特許文献２ではその図３に示されるように、１つの伝送器内に複数のサブ出力回路を備えたものである。信号ケーブルは、出力数に応じて敷設しなければならないが、一般の計装用電源でプロセス量と１対１に対応するＤＣ４〜２０ｍＡの出力信号が得られる。しかしながら、特許文献２の図３の例では、サブ出力回路にはそれぞれ独立の電源回路を有しており、回路規模が大きいという難点があった。

特開平７−２９６２８８号公報特開２００５−２７５４９２号公報

本発明の目的は、新たな電源回路を追加することなく、小さな回路規模によってノイズに依る通信エラーや時間遅れをなくした伝送器システムを提供することにある。

本発明は、複数のセンサによって検出された複数の物理量を電気信号に変換し、該電気信号が伝送線を介して負荷に伝送される電流出力回路を有する伝送器システムにおいて、前記電流出力回路に適した電源電圧を出力する電源回路に接続されアナログ電圧信号に変換され選択された前記電気信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を形成する主電流出力回路と、前記電源回路から電力が供給され前記主電流出力回路に並列に接続されアナログ電圧信号に変換され選択されなかった少なくとも１つの前記電気信号を電流信号に変換して出力する第２出力用の電圧／電流変換回路とを有することを特徴とする。

即ち、本発明は、サブ出力回路には新たに電源回路を設けず、計装用電源回路から電源が供給される電圧／電流変換回路のみとした。ここで、追加する電圧／電流変換回路の消費電流は主回路の消費電流に含まれるので、主回路に追加しても、主回路のカットオフ電流を超えないように十分小さな値とする。

差圧、圧力、温度などの複数のプロセス量を電気信号に変換して、ＤＣ４〜２０ｍＡの統一信号として伝送する２線式伝送器に、主回路の電源回路によって駆動する補助電流出力回路を設けることにより、差圧、圧力、温度などの複数のプロセス量を独立に出力できるようにするものである。

本発明において、前記主電流出力回路は、前記複数の電気信号を選択するマルチプレクサと、前記電気信号を増幅するプログラマブルゲインアンプと、前記電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記電気信号をパルス幅変調出力する１チップマイコンと、前記パルス幅変調出力を平滑にしてアナログ電圧信号を得る平滑回路と、前記アナログ電圧信号をＤＣ４〜２０ｍＡの電流信号に変換して出力する演算増幅器と、前記電流信号を出力する出力トランジスタとを有することが好ましい。

第２出力用の電圧／電流変換回路は、前記パルス幅変調出力を平滑にしてアナログ電圧信号を出力する平滑回路と、前記アナログ電圧信号をＤＣ４〜２０ｍＡの電流信号に変換して出力する演算増幅器と、前記電流信号を出力する出力トランジスタとを有することが好ましい。

アナログ電圧信号に変換された前記電気信号をＤＣ４〜２０ｍＡの電流信号に変換して出力する２線式出力を生成するデジタルアナログ変換部を有すること、又、物理量が、差圧、圧力、温度及び流量に関するプロセス量であり、該プロセス量を検出する前記センサを有することが好ましい。

１チップマイコンには複数のタイマー機能が内蔵され、該タイマーを利用してパルス幅変調出力変換することにより、複数のプロセス量をＤ／Ａ変換してアナログ電圧値とし、該アナログ電圧値を前記主電流出力回路及び第２出力用の電圧／電流変換回路に入力することが好ましい。

本発明によれば、新たな電源回路を追加することなく、小さな回路規模によってノイズに依る通信エラーや時間遅れをなくした伝送器システムを得ることができる。

図１は、本発明の伝送器システムの全体回路構成図である。図１に示すように、主電流出力回路２０は、次の構成を有する。第１センサ１が差圧センサ、第２センサ２が圧力センサ、第３センサ３が温度センサを各々示し、各センサによって検出された物理量が電気信号に変換される。マルチプレクサ（ＭＰＸ）４により第１〜第３センサ１、２、３が選択される。プログラマブルゲインアンプ（ＰＧＡ）５で、選択された第１〜第３センサ１、２、３の出力信号に適した増幅率に設定し増幅する。Ａ／Ｄ変換回路６で、第１〜第３センサ１、２、３のアナログ信号をデジタル信号に変換する。１チップマイコン７は、電気信号をパルス幅変調出力する演算機能の他、Ａ／Ｄ制御、メモリ、通信処理、タイマー機能などを有し、温度影響補正、レンジ処理などの信号処理を行う。電源回路８で、各回路に適した電源電圧を出力する。ここでは、１出力となっているが、アナログ系、デジタル系を最適化するため２出力としても良く、必要な場合、基準電圧源も有する。平滑回路９で、１チップマイコン７のＰＷＭ（ｐｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）出力（パルス幅変調出力）を平滑にしてアナログ電圧信号を得る。１チップマイコン７のＰＷＭ出力と合わせてＤ／Ａ変換回路（デジタル信号をアナログ信号に変換する変換回路）を構成するものであるが、単独のＤ／Ａ変換回路でも良い。電圧／電流変換回路の演算増幅器１０と、電流出力用の出力トランジスタ１１とで、平滑回路９で得られたアナログ電圧信号に変換された各センサからの電気信号を、ＤＣ４〜２０ｍＡの電流信号に変換して出力する。更に、本システムには、外部回路として計装用電源１２、負荷抵抗１３を有する。図中の２重マルは出力端子である。

尚、インテリジェントタイプにおける通信機能は、演算増幅器１０の入力端子に送信信号を重畳させ、電源回路の入り口から受信信号を抽出する回路に導くことにより可能であるが、この図では除いてある。

次に、本発明は、主電流出力回路２０に並列に電源回路８から電源が供給され少なくとも１つの電流出力回路を形成する第２出力用の電圧／電流変換回路３０を有する。以下、その第２出力用の電流出力回路３０の構成について説明する。

第２出力用の平滑回路２（１０９）で、第２出力信号のＤ／Ａ変換を行う。１チップマイコン７は、複数個のタイマーを有しており、部品の追加なしで、第２のＰＷＭ出力を得ることができる。そのため、簡単な平滑回路２（１０９）を追加するだけで第２出力のアナログ電圧信号を得ることができる。電源は、電源回路８を通して供給される。

本システムには、第２出力用の電圧／電流出力回路３０の演算増幅器１１０、第２出力回路の出力トランジスタ１１１を有し、外部回路として第２出力用の計装電源１１２、負荷抵抗１１３を有する。

図１においては、第２出力用の電圧／電流変換回路３０は１つであるが、前述のセンサの数と同じ数の複数の第２出力用の電圧／電流変換回路を設けることができ、この追加の第２出力用の電圧／電流変換回路は第２出力用の電圧／電流変換回路３０と全く同じ電圧／電流変換回路からなり、それを電源回路８から電源が供給され主電流出力回路２０に並列に複数の第３出力用、第４出力用の電圧／電流変換回路を形成することができる。

図２は、第２出力用の電圧／電流変換回路の消費電流を説明するための回路構成図である。図２において、第２出力用の電圧／電流変換回路への供給電源電流は、演算増幅器１１０への供給電流Ｉｓである。演算増幅器１１０に供給された電流Ｉｓは、演算増幅器１１０自身の動作電流Ｉｓｓ、出力トランジスタを駆動するための出力電流Ｉｏ、そして入力バイアス電流Ｉｂ＋、Ｉｂ−に分流される。演算増幅器１１０自身の動作電流は、演算増幅器１１０のマイナス電源端子から主回路の電源マイナスに戻る。

出力電流Ｉｏは、出力トランジスタ１１１のベース電流として流れ、エミッタから出てエミッタ抵抗Ｒｅを経由して、主回路電源マイナスに戻る。そして、入力バイアス電流のうちＩｂ−は、入力マイナス端子から出て、主回路電源マイナスに戻る。入力バイアス電流Ｉｂ＋は、入力抵抗Ｒｓに流れ込むものＩｂ＋１と、帰還抵抗Ｒｆに流れ込むものＩｂ＋２に分流するが、Ｒｓに流れ込む電流Ｉｂ＋１は平滑回路を経由して主回路電源マイナスに戻り、Ｒｆに流れ込む電流Ｉｂ＋２は出力電流検出抵抗Ｒｏを経由して主回路電源マイナスに戻る。以上のようにして、演算増幅器１１０への供給電流は、図中の点線のように、すべて主回路電源マイナスに戻り、電流の収支バランスがとられる。

したがって、第２出力用の電圧／電流変換回路３０を設けた場合、演算増幅器１１０への電源電流が増加するだけで、主電流出力回路２０の出力電流値へ影響を与えることはない。そして、第２出力用の電圧／電流変換回路３０の消費電流は、高々１００μＡで構成することができるので、従来形の回路に容易に回路を追加して、複数の電流出力回路を有する伝送器を構成することができる。

本実施例においては、従来の２線式伝送器の回路に第２出力用の電圧／電流変換回路３０を付加するだけで、容易に追加の電流出力回路を構成できるという利点がある。又、２線式伝送器の信号処理には、汎用のワンチップマイコン７が使用される。そして、汎用のワンチップマイコン７には、複数のタイマー機能が内蔵されているので、このタイマーを利用してＰＷＭ変換することにより、他のプロセス量を容易にＤ／Ａ変換してアナログ電圧値とすることができる。このアナログ電圧値となった他のプロセス量を、第２出力用の電圧／電流変換回路に入力することにより、複数の電流出力回路を持つ伝送器とすることができる。

ここで、主電流出力回路２０における電圧／電流変換回路の消費電流は、使用する演算増幅器１０の消費電流と出力トランジスタ１１を駆動するためのベース電流である。演算増幅器１０については、低消費電流タイプのものが使用され、例えば、５０μＡとする。

また、電流出力トランジスタ１１のベース電流は、使用するトランジスタの電流増幅率に依存するが、電流出力トランジスタはダーリントンタイプあるいはハイβ（高電流増幅率）タイプのものが使用され、電流増幅率は１,０００以上である。すると、出力電流２０ｍＡのときのベース電流は、２０μＡとなる。ただし、出力端子に電源が接続されない場合、出力回路にループ電流は流れないが、第２出力用の電圧／電流変換回路３０の演算増幅器１１０は、フィードバック制御の安定点まで電流を流そうとする動作をするため、出力端子の電圧は最大値まで振り切れる。このとき、ベース電流は最大値となり、出力トランジスタのベース抵抗とＶｂｅそして演算増幅器の最大出力電圧で決まる電流が流れる。例えば、演算増幅器の電源電圧が５Ｖ、最大出力電圧が４．５Ｖ、出力トランジスタの電流増幅率が１,０００、Ｖｂｅが０．７Ｖのとき、ベース抵抗は１９０ｋΩ以下であれば最大出力電流２０ｍＡを駆動できる。余裕をみて１００ｋΩとした場合、出力端子開放時のベース電流は、３８μＡとなる。したがって、演算増幅器の動作電流５０μＡと合わせて、８８μＡの消費電流となる。以上のようにして、第２出力用の電圧／電流変換回路３０の消費電流は１００μＡ程度で設計することができる。

以上、本実施例によれば、新たな電源回路を追加することなく、小さな回路規模によってノイズに依る通信エラーや時間遅れをなくした伝送器システムを得ることができる。

本発明の伝送器システム全体の回路構成図である。本発明の電圧／電流変換回路の消費電流を説明する回路構成図である。従来の伝送器システム全体の回路構成図である。従来の伝送器システム全体の回路構成図である。

符号の説明

１…第１センサ、２…第２センサ、３…第３センサ、４…マルチプレクサ（ＭＰＸ）、５…プログラマブルゲインアンプ（ＰＧＡ）、６…Ａ／Ｄ変換回路、７…１チップマイコン、８…電源回路、９…平滑回路１、１０,１１０…演算増幅器、１１…出力トランジスタ、１２…計装用電源、１３…負荷抵抗、２０…主電流出力回路、３０…第２出力用の電圧／電流変換回路、１０９…平滑回路２、１１１…出力トランジスタ、１１２…計装用電源、１１３…負荷抵抗、１２２…切り換え手段。

Claims

複数のセンサによって検出された複数の物理量を電気信号に変換し、該電気信号が伝送線を介して負荷に伝送される電流出力回路を有する伝送器システムにおいて、前記電流出力回路に適した電源電圧を出力する電源回路に接続されアナログ電圧信号に変換され選択された前記電気信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を形成する主電流出力回路と、前記電源回路から電力が供給され前記主電流出力回路に並列に接続されアナログ電圧信号に変換され選択されなかった少なくとも１つの前記電気信号を電流信号に変換して出力する第２出力用の電圧／電流変換回路とを有することを特徴とする伝送器システム。
請求項１において、前記主電流出力回路は、前記複数の電気信号を選択するマルチプレクサと、前記電気信号を増幅するプログラマブルゲインアンプと、前記電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記電気信号をパルス幅変調出力する１チップマイコンと、前記パルス幅変調出力を平滑にしてアナログ電圧信号を得る平滑回路と、前記アナログ電圧信号をＤＣ４〜２０ｍＡの電流信号に変換して出力する演算増幅器と、前記電流信号を出力する出力トランジスタとを有することを特徴とする伝送器システム。
請求項１又は２において、前記第２出力用の電圧／電流変換回路は、前記パルス幅変調出力を平滑にしてアナログ電圧信号を出力する平滑回路と、前記アナログ電圧信号をＤＣ４〜２０ｍＡの電流信号に変換して出力する演算増幅器と、前記電流信号を出力する出力トランジスタとを有することを特徴とする伝送器システム。
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記アナログ電圧信号に変換された前記電気信号をＤＣ４〜２０ｍＡの電流信号に変換して出力する２線式出力を生成するデジタルアナログ変換部を有することを特徴とする伝送器システム。
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記物理量が、差圧、圧力、温度及び流量に関するプロセス量であり、該プロセス量を検出する前記センサを有することを特徴とする伝送器システム。
請求項２〜５のいずれかにおいて、前記１チップマイコンに複数のタイマー機能が内蔵され、該タイマーを利用してパルス幅変調出力変換することにより、複数のプロセス量をＤ／Ａ変換してアナログ電圧値とし、該アナログ電圧値を前記主電流出力回路及び第２出力用の電圧／電流変換回路に入力することを特徴とする伝送器システム。