JP2011075530A

JP2011075530A - サーミスタ監視装置

Info

Publication number: JP2011075530A
Application number: JP2009230472A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ozawa; 宏尾澤
Original assignee: Hanshin Electric Co Ltd
Current assignee: Hanshin Electric Co Ltd
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2011-04-14

Abstract

【課題】複数のサーミスタを切り換えるトランジスタの短絡故障を的確に判定することができるサーミスタ監視装置を提供する。
【解決手段】第１〜第３サーミスタを並列接続し、第１〜第３サーミスタ切換トランジスタのオン・オフによって測定対象のサーミスタを切り換え、第１〜第３サーミスタの両端電圧を順次取り込んで各サーミスタの温度を判定するサーミスタ監視装置が、測定対象のサーミスタを第１サーミスタから第２サーミスタへ切り換えるときに、第１サーミスタと第２サーミスタを同時にオンにして第１サーミスタと第２サーミスタの合成抵抗値を測定する合成値測定期間を設け、合成値測定期間における合成値よりも、その後に行う第２サーミスタの測定値が大きければ正常、合成値と第２サーミスタの測定値が同一であれば、第１サーミスタ切換トランジスタに短絡異常有りと判定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、温度変化に伴って抵抗値が変化するサーミスタの両端電圧を測定することで温度を監視するサーミスタ監視装置において、サーミスタ監視装置の異常により正確な温度を監視出来なくなった場合に装置の異常を検出できる技術に関する。

従来、温度変化に対して抵抗値が変化する素子であるサーミスタは、給湯機等のガス燃焼機器や調理機器、その他の家電機器等において、水温や発熱体の温度を監視するために広く用いられている。負の特性係数を有するＮＴＣサーミスタを一般にサーミスタと呼んでいる。

サーミスタの使用方法として、すでに実用化されている技術の一例は、サーミスタの一端をアースに、他端をプルアップ抵抗を介して電源に接続して分圧回路を構成し、サーミスタの両端電圧をマイコン等で構成した監視制御部で監視するものがある。すなわち、温度変化に伴うサーミスタの抵抗変化を電圧変化として監視制御部で測定し、そのサーミスタの温度特性から両端電圧に対応するサーミスタの温度を求めるのである。

負の温度係数を有するサーミスタは、低温領域では抵抗値が大きくなり、高温領域では抵抗値が小さくなる性質を有しており、低温領域ではプルアップ抵抗の抵抗値を大きく、高温領域ではプルアップ抵抗の抵抗値を小さくすることで、監視精度を向上させることができる。この原理を使い、低温領域と高温領域とでプルアップ抵抗の抵抗値を変化させることが可能なサーミスタ監視装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１に記載のサーミスタ監視装置の概要を図４に示す。サーミスタ監視装置１００は、監視制御部１１０と監視対象機器１２０に含まれる温度検出部とで構成される。監視対象機器１２０のサーミスタ１２１は一端をアースに、他端を第１プルアップ抵抗１２２ａおよび第２プルアップ抵抗１２２ｂを介して電源Ｖｃｃに接続されている。また、第２プルアップ抵抗１２２ｂの両端にはスイッチング用のトランジスタ１２３を接続し、このトランジスタ１２３がオンになるとプルアップ抵抗１２２ｂを短絡し、プルアップ抵抗の合成抵抗値を小さくすることができる。

上記のような監視対象機器１２０と接続される監視制御部１１０は、サーミスタ１２１の両端電圧を取り込むと、Ａ／Ｄ変換手段１１１によりディジタル値に変換してサーミスタ温度判定手段１１２へ供給し、サーミスタ温度判定手段１１２はプルアップ抵抗切換制御手段１１３にトランジスタ１２３のオン・オフ制御を指令し、サーミスタ１２１の温度特性から温度を判定する。

すなわち、低温領域での温度計測時には、プルアップ抵抗切換制御手段１１３がトランジスタ１２３をオフにすることで、プルアップ抵抗の合成抵抗値を高くして、サーミスタ１２１の両端電圧を取り込み、高温領域での温度計測時には、プルアップ抵抗切換制御手段１１３がトランジスタ１２３をオンにすることで、プルアップ抵抗の合成抵抗値を低くして、サーミスタ１２１の両端電圧を取り込むことで、監視制御部１１０では、各温度領域に応じた高精度の温度計測が可能となるのである。

また、監視制御部１１０には、異常状態判定手段１１４を設けてあり、トランジスタ１２３がオフのときに取り込んだサーミスタ１２１の両端電圧値と、トランジスタ１２３がオンのときに取り込んだサーミスタ１２１の両端電圧値とが同じであれば、トランジスタ１２３のオン・オフ動作が正常に行われない異常な状態であると検出できる。

特開２０００−１９３５３３２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたサーミスタ監視装置では、監視対象のサーミスタ１つにつき２つのポート（電圧値取り込み用のＶＴＨ１ポート、トランジスタのオン・オフ制御用のＰ０１出力ポート）が必要となるため、監視対象機器に監視対象のサーミスタが複数設けられている場合には、監視制御部には多くのポートを用意しておかなければならない。例えば、現在市販されているガスコンロにおいては、安全性及び自動調理機能等から、全ての火口にサーミスタが取り付けられているので、特許文献１に記載されたサーミスタ監視装置で、このようなガスコンロを監視対象機器とする場合には、サーミスタ１つにつきポートが２つ必要となり、サーミスタの数（＝火口の数）が増加するほど、監視制御部に要求されるポートの数が多くなってしまう。

なお、ポート数を削減する手段として、複数のサーミスタの一端を直接アースに接続するのではなく、スイッチング用のトランジスタを介してアースへ接続するようにし、また各サーミスタの他端は並列接続し、トランジスタを１つずつ順番にオンすることで各サーミスタの両端電圧を順番に測定していく方法がある。この接続構造であれば、サーミスタが２つ以上のとき、必要なポート数＝ｎ十２（ｎはサーミスタの数）となるため、サーミスタ３つ以上でポート数を削減できるメリットがある。

しかし、複数のサーミスタを並列に接続する構造の場合、各サーミスタを順番に切り換えて測定していくため、万が一トランジスタのいずれかが短絡故障すると、短絡故障したトランジスタと接続されているサーミスタと本来測定したいサーミスタとの合成抵抗値が測定されることとなり、正確な温度を測定できなくなってしまい、特許文献１に記載の発明が備える異常状態判定手段では、サーミスタ切換用のトランジスタの異常までは判定できない。例えば、サーミスタ監視装置を搭載している機器が給湯器で、サーミスタの用途が湯温を測定するものであれば、サーミスタ切換用のトランジスタが短絡故障したとき、お湯の温度が既に高いとサーミスタ温度判定手段が判定してしまうため、異常な温度制御動作を引き起こし、クレームにも繋がりかねない。

そこで、本発明は、高温領域から低温領域まで広範囲の温度を高精度で検出できる複数のサーミスタを効率良く監視し、且つ、異常を的確に判定することができるサーミスタ監視装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、温度変化に伴って抵抗値が変化するサーミスタの両端電圧を検出して、サーミスタの温度を監視するサーミスタ監視装置において、複数個のサーミスタを並列に接続し、各サーミスタの一端はスイッチング素子を介してアースに接続し、また、全てのサーミスタの他端は共通のプルアップ抵抗を介して電源に接続する構成と成し、前記スイッチング素子のオン・オフを切り替えることで、計測用のサーミスタを選択的に切り換えるサーミスタ切換制御手段と、並列接続されたサーミスタの両端電圧を測定して、サーミスタの温度を判定するサーミスタ温度判定手段と、前記サーミスタ切換制御手段により各サーミスタを単独でオンさせて測定したサーミスタ両端電圧と、サーミスタ切換制御手段により何れか２つのサーミスタを同時にオンさせて測定したサーミスタ両端電圧値との関係に基づいて、サーミスタ切換制御手段によるオン・オフ制御が適正に行われていないサーミスタを特定し、このサーミスタと接続されているスイッチング素子が短絡故障した可能性のある異常状態を判定する異常状態判定手段と、を備えることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、複数個のサーミスタを並列に接続し、各サーミスタの一端はスイッチング素子を介してアースに接続し、また、全てのサーミスタの他端は共通のプルアップ抵抗を介して電源に接続する構成と成し、前記スイッチング素子のオン・オフを切り替えることで、計測用のサーミスタを選択的に切り換えるサーミスタ切換制御手段と、並列接続されたサーミスタの両端電圧を測定して、サーミスタの温度を判定するサーミスタ温度判定手段と、前記サーミスタ切換制御手段により各サーミスタを単独でオンさせて測定したサーミスタ両端電圧と、サーミスタ切換制御手段により何れか２つのサーミスタを同時にオンさせて測定したサーミスタ両端電圧値との関係に基づいて、サーミスタ切換制御手段によるオン・オフ制御が適正に行われていないサーミスタを特定し、このサーミスタと接続されているスイッチング素子が短絡故障した可能性のある異常状態を判定する異常状態判定手段と、を備えるものとしたので、監視対象のサーミスタが増えても、そのサーミスタのオン・オフを制御するスイッチング素子の制御用端子を１つ増やせば良いことから、複数のサーミスタを効率良く監視できるし、サーミスタと接続されているスイッチング素子が短絡故障した可能性のある異常状態を的確に判定でき、装置の信頼性を高めることができる。

本発明の実施形態に係るサーミスタ監視装置の概略構成図である。従来のトランジスタ切換制御方法による計測説明図である。本発明のサーミスタ監視装置で行うトランジスタ切換制御方法による計測説明図である。従来のサーミスタ監視装置の概略構成図である。

次に、添付図面に基づいて、本発明に係るサーミスタ監視装置の実施形態を詳細に説明する。

図１に示すのは、サーミスタ監視装置１の概略構成を示すものである。サーミスタ監視装置１には、マイコン等で構成した監視制御部１０を設け、この監視制御部１０が監視対象とする第１サーミスタ２１ａ，第２サーミスタ２１ｂ，第３サーミスタ２１ｃは一端をそれぞれスイッチング素子である第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａ，第２サーミスタ切換トランジスタ２４ｂ，第３サーミスタ切換トランジスタ２４ｃを介してアースに接続し、第１〜第３サーミスタ２１ａ〜２１ｃの他端は並列接続し、また、高温・低温領域の監視精度を切り換える第１プルアップ抵抗２２ａおよび第２プルアップ抵抗２２ｂを介して電源Ｖｃｃに接続してある。

そして、第２プルアップ抵抗２２ｂの両端に接続したスイッチング素子であるトランジスタ２３をオンすることで第２プルアップ抵抗２２ｂを短絡し、プルアップ抵抗の合成抵抗値を小さくすることができる。すなわち、低温領域での温度計測時には、トランジスタ２３をオフにしてプルアップ抵抗の合成抵抗値を高く設定し、高温領域での温度計測時には、トランジスタ１２３をオンにしてプルアップ抵抗の合成抵抗値を低く設定することで、各温度領域に応じた高精度の温度計測が可能となるのである。

一方、監視制御部１１は、第１〜第３サーミスタ２１ａ〜２１ｃの両端電圧を取り込んでディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換手段１１と、この値からサーミスタの温度を判定するサーミスタ温度判定手段１２と、サーミスタ温度判定手段１２からの指令によりトランジスタ２３のオン・オフを切り換えるプルアップ抵抗切換制御手段１３と、サーミスタ温度判定手段１２からの検出情報から異常の有無を判定する異常状態判定手段１４と、サーミスタ温度判定手段１２からの指令により第１〜第３サーミスタ切換トランジスタ２４ａ〜２４ｃのオン・オフを切換制御するサーミスタ切換制御手段１５を有する。

サーミスタ切換制御手段１５が第１〜第３サーミスタ切換トランジスタ２４ａ〜２４ｃのいずれか１つをオンすることで、オンにしたトランジスタと直列に接続されている第１〜第３サーミスタ２１ａ〜２１ｃのうち何れかの両端電圧を測定することができる。

なお、並列接続した複数のサーミスタを、各サーミスタに直列接続したスイッチング素子によって切り換えることで計測対象のサーミスタを切り換えるようにした接続構造自体は、従来より知られているものであるが、本実施形態に係るサーミスタ監視装置１では、サーミスタ温度判定手段１２によるサーミスタ切換制御と異常状態判定手段による異常状態の判定手法に特徴が存する。

本発明の実施形態を説明する前に、従来の計測手法を図２に基づき説明する。計測に際して、サーミスタ切換制御手段１５によって、第１〜第３サーミスタ切換トランジスタ２４ａ〜２４ｃを一定時間毎に順に切り換えてゆく。例えば、第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａ→第２サーミスタ切換トランジスタ２４ｂ→第３サーミスタ切換トランジスタ２４ｃ→第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａ→…の順で１つのサーミスタ切換トランジスタをオンしたら、その他の全てのサーミスタ切換トランジスタをオフにする。

第１〜第３サーミスタ２１ａ〜２１ｃは、各々別の場所に配されていれば、当然、その検出温度が異なるので、監視制御部１０にＶＴＨ１端子より取り込まれたサーミスタ両端電圧値も異なる。サーミスタ監視装置１が正常な時、各サーミスタの両端電圧が図２中の実線で示す正常時ＶＴＨ１のように変化したと仮定する。

次に、第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａが短絡故障していた場合を考えると、第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａが常時オンしている状態（図２中、一点鎖線で示す）となるため、第１サーミスタ測定から第２サーミスタ測定に切り換えて第２サーミスタ切換トランジスタ２４ｂをオンにすると、実質的に第１，第２サーミスタ切換トランジスタ２４ａ，２４ｂが共にオンになった状態であるため、第１サーミスタ２１ａと第２サーミスタ２１ｂが並列に接続された状態になってしまい、正常時の第２サーミスタ測定における測定値とは異なる両端電圧の値となる（図２中、一点鎖線で示す）。同様に、第３サーミスタ測定に切り換えて第３サーミスタ切換トランジスタ２４ｃをオンにした場合も、第１サーミスタ２１ａと第３サーミスタ２１ｃが並列接続された状態となるため、正常時の第３サーミスタ測定における測定値とは異なる両端電圧の値となる。

このようなサーミスタ切換トランジスタの短絡異常による異常値を異常と認識できなければ、サーミスタ監視装置１を搭載した機器は、正しい制御ができなくなるため安全上大きな問題を起こしかねない。しかしながら、第１〜第３サーミスタ２１ａ〜２１ｃは、各々異なる環境で異なる温度となるため、ＶＴＨ１端子から取り込んだ値が正常か異常かを判断することは困難である。

これに対して、本発明の実施形態に係るサーミスタ監視装置１によれば、ＶＴＨ１端子から取り込んだ値に基づいて、その値が正常か異常かを判断することが可能である。以下、図３に基づいて本発明での計測手法を説明する。なお、プルアップ抵抗切換用のトランジスタ２３の短絡異常は、従来手法と同様であるから、以下では第１〜第３サーミスタ切換トランジスタ２４ａ〜２４ｃの短絡異常の検出手法についてのみ説明する。

第１〜第３サーミスタ２１ａ〜２１ｃの測定は、第１サーミスタ２１ａ→第２サーミスタ２１ｂ→第３サーミスタ２１ｃ→第１サーミスタ２１ａ→…の順に行うものとし、第１〜第３サーミスタ切換トランジスタ２４ａ〜２４ｃのオン・オフを切り換えてゆくのであるが、前述した従来手法と異なるのは、何れかのサーミスタ切換トランジスタをオフにする前に次のサーミスタ切換トランジスタをオンにした合成値測定期間を設けることである。すなわち、第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａのみをオンにした第１サーミスタ測定期間の後には、第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａと第２サーミスタ切換トランジスタ２４ｂが同時にオンになって第１サーミスタ２１ａと第２サーミスタ２１ｂの合成抵抗値が測定される期間を設け、その後に第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａをオフにすることで第２サーミスタ切換トランジスタ２４ｂのみをオンにした第２サーミスタ測定期間となるように、サーミスタ切換制御手段１５は第１〜第３サーミスタ切換トランジスタ２４ａ〜２４ｃへのオン・オフ制御を行うのである。

このように、２つのサーミスタ切換トランジスタをオンにして２つのサーミスタを並列接続した状態でサーミスタ両端電圧を測定し、サーミスタ単独状態で測定した両端電圧と比較すれば、サーミスタ監視装置の故障を判定できるのである。

図３に示すように、まず、第１〜第３サーミスタ切換トランジスタ２４ａ〜２４ｃのいずれも故障しておらず、正常動作している場合（図３中、実線で示す）、第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａが単独でオンしている状態１にあるとき、第１サーミスタ２１ａの両端電圧を測定することで、監視制御部１０のサーミスタ温度判定手段１２では第１サーミスタ２１ａの温度を判定できる。

続いて、第２サーミスタ２１ｂの両端電圧を測定する前に、第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａがオンしている状態で第２サーミスタ切換トランジスタ２４ｂをオンにする。これにより、第１サーミスタ２１ａと第２サーミスタ２１ｂが並列接続された状態２となり、第１サーミスタ２１ａと第２サーミスタ２１ｂの合成抵抗値がＶＴＨ１より取り込まれ、第１サーミスタ６３ａ単独時に測定した両端電圧よりも低い電圧値になる。この状態２における電圧値をＶ１とする。

続いて、第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａはオフにし、第２サーミスタ切換トランジスタ２４ｂはオンのままにした状態３にあるとき、第２サーミスタ２１ｂの両端電圧を測定することで、監視制御部１０のサーミスタ温度判定手段１２は第２サーミスタ２１ｂの温度を判定する。この状態３のときに取得した電圧をＶ２とすると、必ずＶ１＜Ｖ２となる。

一方、第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａが短絡故障をした場合（図３中、一点鎖線で示す）、状態１においては、サーミスタ切換制御手段１５が第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａをオンするが、すでにサーミスタ切換トランジスタ２４ａはオンした（短絡した）状態である。そして、その他の第２，第３サーミスタ切換トランジスタ２４ｂ，２４ｃがオフであるから、第１サーミスタ２１ａの両端電圧が正しく測定され、短絡故障の判定はできない。

次に、状態２として、第１サーミスタ切換トランジスク２１ａをオンに保持したまま第２サーミスタ切換トランジスタ２１ｂをオンすると、第１サーミスタ２１ａと第２サーミスタ２１ｂが並列の状態となっているため、サーミスタ切換トランジスタ２４ａのみオンした状態よりも低い両端電圧となる。この短絡故障時における状態２の電圧をＶ１′とする。電圧Ｖ１′＝Ｖ１であり、この時点では第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａが短絡故障していない状態と同じ結果となっており、短絡故障の判定はできない。

続いて、第２サーミスタ２１ｂ単独の測定を行う状態３においては、第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａをオフにするようサーミスタ切換制御手段１５が指示するものの、第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａは短絡故障しているためオフにはできず、依然として第１サーミスタ２１ａと第２サーミスタ２１ｂの合成抵抗値が測定されることとなってしまう。すなわち、短絡故障時における状態３の電圧Ｖ２′＝Ｖ１′となる。

このように、第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａが短絡故障していない場合には、Ｖ１＜Ｖ２が満たされるべき絶対条件であったが、第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａが短絡故障していると、Ｖ１′＝Ｖ２′となることから、第１サーミスタ切換トランジスタ２４ａの短絡故障を異常状態判定手段１４によって判定できるのである。

なお、第２サーミスタ切換トランジスタ２４ｂや第３サーミスタ切換トランジスタ２４ｃに短絡異常が生じていた場合でも、同様の判定手法により、短絡異常を判定できる。また、本実施形態では、３つのサーミスタを備えるものとしたが、サーミスタが２つ以上であれば本発明を適用できる。また、サーミスタ切換トランジスタをオンにする順番や時間は特に限定されるものではなく、２つのサーミスタを同時にオンにする合成値測定期間を設けて電圧測定できれば良い。

以上、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、公知既存の等価な技術手段を転用することにより実施しても構わない。

１サーミスタ監視装置
１０監視制御部
１１Ａ／Ｄ変換手段
１２サーミスタ温度判定手段
１３プルアップ抵抗切換手段
１４異常得状態判定手段
１５サーミスタ切換制御手段
２１ａ第１サーミスタ
２１ｂ第２サーミスタ
２１ｃ第３サーミスタ
２２ａ第１プルアップ抵抗
２２ｂ第２プルアップ抵抗
２３トランジスタ
２４ａ第１サーミスタ切換トランジスタ
２４ｂ第２サーミスタ切換トランジスタ
２４ｃ第３サーミスタ切換トランジスタ

Claims

温度変化に伴って抵抗値が変化するサーミスタの両端電圧を検出して、サーミスタの温度を監視するサーミスタ監視装置において、
複数個のサーミスタを並列に接続し、各サーミスタの一端はスイッチング素子を介してアースに接続し、また、全てのサーミスタの他端は共通のプルアップ抵抗を介して電源に接続する構成と成し、
前記スイッチング素子のオン・オフを切り替えることで、計測用のサーミスタを選択的に切り換えるサーミスタ切換制御手段と、
並列接続されたサーミスタの両端電圧を測定して、サーミスタの温度を判定するサーミスタ温度判定手段と、
前記サーミスタ切換制御手段により各サーミスタを単独でオンさせて測定したサーミスタ両端電圧と、サーミスタ切換制御手段により何れか２つのサーミスタを同時にオンさせて測定したサーミスタ両端電圧値との関係に基づいて、サーミスタ切換制御手段によるオン・オフ制御が適正に行われていないサーミスタを特定し、このサーミスタと接続されているスイッチング素子が短絡故障した可能性のある異常状態を判定する異常状態判定手段と、
を備えることを特徴とするサーミスタ監視装置。