JP2014143876A

JP2014143876A - 電子信号処理装置及び流量計

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Publication number: JP2014143876A
Application number: JP2013012109A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Sato; 敏之佐藤; Tatsumi Kameyama; 辰未亀山; Tetsuya Mikami; 哲也三上
Original assignee: Oval Corp
Current assignee: Oval Corp
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2014-08-07

Abstract

【課題】本安機器側で必要なエネルギーが大きくなっても、本安関連機器側における発熱量や基板実装面積が小さくてすみ、さらに、制限すべきピーク電圧を容易に定めることができる電子信号処理装置を提供する。
【解決手段】電子信号処理装置は、本安機器と、本安関連機器とからなる。本安関連機器は、外部電源から電力を受け取り、受け取った電力のうち少なくとも電圧を制限し、制限した電圧に基づく電力を本安機器に供給する電力制限回路１を備える。電力制限回路１は、サイリスタ４と、所定の電圧レベルを検出することによりサイリスタ４のオンとオフを制御する第１のツェナーダイオード３及び抵抗５からなる電圧レベル検出素子と、電力制限回路１におけるピーク電圧を規定するための第２のツェナーダイオード６とが並列に接続され、第２のツェナーダイオード６のツェナー電圧は、電圧レベル検出素子で検出される電圧レベル以上とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子信号処理装置及び流量計に関し、より詳細には、本質安全防爆構造を備えた電子信号処理装置及び該装置を備えた流量計に関する。

従来、流体の流量を計測する流量計として、例えば、コリオリ流量計が知られているが、このコリオリ流量計は、被測定流体の流通する流管の両端を支持し、その支持点回りに流管の流れ方向と垂直な方向に振動を加えたときに、流管（以下、振動が加えられるべき流管をフローチューブという）に作用するコリオリの力が質量流量に比例することを利用した質量流量計である。コリオリ流量計は周知のものであり、コリオリ流量計におけるフローチューブの形状により直管式と湾曲管式とに大別されている。

上記のコリオリ流量計は、被測定流体が流れる測定管を両端で支持し、支持された測定管の中央部を支持線に対し、直角な方向に交番駆動したとき、測定管の両端支持部と中央部との間の対称位置に質量流量に比例した位相差信号を検出する。この位相差信号は、質量流量に比例している量であるが、駆動周波数を一定とすると、位相差信号は、測定管の観測位置における時間差信号として検出することができる。

測定管の交番駆動の周波数を測定管の固有の振動数と等しくすると、被測定流体の密度に応じた一定の駆動周波数が得られ、小さい駆動エネルギーで駆動することが可能となることから、最近では測定管を固有振動数で駆動するのが一般的となっており、位相差信号は時間差信号として検出される。

直管式のコリオリ流量計は、両端が支持された直管の中央部直管軸に垂直な方向の振動を加えたとき、直管の支持部と中央部との間でコリオリの力による直管の変位差、すなわち位相差信号が得られ、その位相差信号に基づいて質量流量を検知するように構成されている。このような直管式のコリオリ流量計は、シンプル、コンパクトで堅牢な構造を有している。しかしながら、高い検出感度を得ることができないという問題点もあわせ持っている。

これに対して、湾曲管式のコリオリ流量計は、コリオリの力を有効に取り出すための形状を選択できる面で、直管式のコリオリ流量計よりも優れており、実際、高感度の質量流量を検出することができる。

フローチューブを駆動するための駆動手段としては、コイルとマグネットの組み合わせで用いられることが一般的になっている。そのコイルとマグネットの取り付けに関しては、フローチューブの振動方向に対してオフセットしてない位置に取り付けることが、コイルとマグネットの位置関係のズレを最小にする上で好ましい。そこで、並列二本のフローチューブを備える湾曲管式のコリオリ流量計の場合、並列二本のフローチューブがコイルとマグネットとを挟み込む状態で取り付けられている。そのため、相対する二本のフローチューブの距離が少なくともコイルとマグネットとを挟み込む分だけ離れるような設計がなされている。

二本のフローチューブがそれぞれ平行する面内に存在するコリオリ流量計であって、口径が大きいコリオリ流量計やフローチューブの剛性が高いコリオリ流量計の場合には、駆動手段のパワーを高める必要があることから、大きな駆動手段を二本のフローチューブの間に挟み込まなければならない。そのため、フローチューブの根元である固定端部においても、そのフローチューブ同士の距離が必然的に広くなるように設計されている。

図６は、一般的に知られているＵ字管のフローチューブを備えたコリオリ流量計を示す図で、図中、１００はコリオリ流量計を示す。コリオリ流量計１００は、大きく分けて、２本のＵ字管状のフローチューブ１０１，１０２と、信号ライン１０３ａ〜１０３ｄと、変換器１０４とを有して構成されている。信号ライン１０３ｂには、フローチューブ１０１，１０２を共振振動させる加振器１０５が接続され、信号ライン１０３ａには、加振器１０５によって振動したときにフローチューブ１０１，１０２の左側に生じる振動速度を検出する左速度センサ１０６が接続される。また、信号ライン１０３ｃには、加振器１０５によって振動したときにフローチューブ１０１，１０２の右側に生じる振動速度を検出する右速度センサ１０７が接続され、信号ライン１０３ｄには、振動速度検出時のフローチューブ１０１，１０２内を流れる被測定流体の温度を検出する温度センサ１０８が接続されている。これらの加振器１０５、左速度センサ１０６、右速度センサ１０７、及び温度センサ１０８は、それぞれの信号ラインを介して変換器１０４に接続されている。

このコリオリ流量計１００のフローチューブ１０１，１０２内に流れる被測定流体は、フローチューブ１０１，１０２の右側（右速度センサ１０７が設置されている側）から左側（左速度センサ１０６が設置されている側）に流れるようになっている。従って、右速度センサ１０７によって検出される速度信号は、フローチューブ１０１，１０２に流入する被測定流体の入口側速度信号となる。また、左速度センサ１０６によって検出される速度信号は、フローチューブ１０１，１０２から流出する被測定流体の出口側速度信号となる。なお、振動速度を検出する左速度センサ１０６、右速度センサ１０７は、各々加速度センサであってもよい。

変換器１０４は、位相計測部１０４_１、温度計測部１０４_２、駆動制御部１０４_３、及び電源部１０４_４によって構成されている。この変換器１０４の具体的な構成について図７に示す。図７において、電源部１０４ａ（図６の電源部１０４_４に相当）は、外部からの供給電源を内部供給電源に変換し、内部回路に電力を供給する。

変換器１０４は、入出力ポート１０４ｂを有している。この入出力ポート１０４ｂには、駆動信号出力端子１０４ｃが設けられている。駆動制御部１０４_３は、フローチューブ１０１，１０２に取り付けられた加振器１０５に対して、所定の駆動信号を駆動信号出力端子１０４ｃから出力し、フローチューブ１０１，１０２を共振振動させる。

この駆動信号出力端子１０４ｃには、増幅器１０４ｄを介して、駆動回路１０４ｅが接続されている。この駆動回路１０４ｅは、フローチューブ１０１，１０２を共振振動させる駆動信号を生成し、その駆動信号を増幅器１０４ｄに出力する。この増幅器１０４ｄでは、駆動回路１０４ｅから入力した駆動信号を増幅して、駆動信号出力端子１０４ｃに出力する。この駆動信号出力端子１０４ｃは、増幅器１０４ｄから出力された駆動信号を加振器１０５に出力する。

また、入出力ポート１０４ｂには、加振器１０５によって振動したときにフローチューブ１０１，１０２の左側に生じる振動速度の検出信号を入力する左速度信号入力端子１０４ｆが設けられており、入出力ポート１０４ｂには、加振器１０５によって振動したときにフローチューブ１０１，１０２の右側に生じる振動速度の検出信号を入力する右速度信号入力端子１０４ｇが設けられている。

位相計測部１０４_１は、加振器１０５によってフローチューブ１０１，１０２を振動したときの一対の速度センサの振動信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル変換処理をした後、変換された信号の位相差を求める。左速度信号入力端子１０４ｆには、増幅器１０４ｈが接続されており、この増幅器１０４ｈには、Ａ／Ｄ変換器１０４ｉが接続されている。このＡ／Ｄ変換器１０４ｉは、左速度信号入力端子１０４ｆから出力される振動信号を増幅器１０４ｈで増幅したアナログ信号をデジタル値に変換する。Ａ／Ｄ変換器１０４ｉには、演算器１０４ｊが接続されており、Ａ／Ｄ変換器１０４ｉから出力されるデジタル信号が演算器１０４ｊに入力される。

また、右速度信号入力端子１０４ｇには、増幅器１０４ｋが接続されており、この増幅器１０４ｋには、Ａ／Ｄ変換器１０４ｌが接続されている。このＡ／Ｄ変換器１０４ｌは、右速度信号入力端子１０４ｇから出力される振動信号を増幅器１０４ｋで増幅したアナログ信号をデジタル値に変換する。Ａ／Ｄ変換器１０４ｌには、演算器１０４ｊが接続されており、Ａ／Ｄ変換器１０４ｌから出力されるデジタル信号が演算器１０４ｊに入力される。

さらに、入出力ポート１０４ｂには、温度センサ１０８からの検出値を入力する温度信号入力端子１０４ｍが設けられている。温度計測部１０４_２は、フローチューブ１０１，１０２内に設けられフローチューブ１０１，１０２内の温度を検出する温度センサ１０８による検出温度によってチューブ温度の補償を行っている。

この温度センサ１０８には、一般に抵抗型温度センサが用いられており、抵抗値を計測することによって温度を算出している。温度信号入力端子１０４ｍには、温度計測回路１０４ｎが接続されており、この温度計測回路１０４ｎによって温度センサ１０８から出力される抵抗値に基づいてフローチューブ１０１，１０２内の温度を算出している。この温度計測回路１０４ｎで算出したフローチューブ１０１，１０２内の温度は、演算器１０４ｊに入力されるようになっている。

ここで、上記の変換器１０４は、揮発性物質を含む爆発性の環境で使用される場合がある。変換器１０４を爆発性環境内で使用するための一つの方法として、耐圧容器で変換器１０４を覆うことが考えられる。この耐圧容器は、容器内からの火花あるいは熱により容器外の環境における揮発性物質が発火しないことを保証するように設計された容器である。

また、別の方法として、変換器１０４を本質安全にする方法がある。本質安全とは、外部からのエネルギーを一定レベル以下に制限した後、その制限されたエネルギーで変換器内の回路が動作することを意味する。これにより変換器が故障した場合であっても、火花又は爆発を生じるのに十分な熱を生じないように保証される。

図８は、一般的な本質安全防爆構造の電子信号処理装置の概要を説明するための図である。本質安全防爆構造の電子信号処理装置（以下、単に電子機器という）は、外部から一般回路１１０に電力が供給され、その電力を本質安全防爆保護部１１１（電力制限回路）により電力制限し、その制限された電力によって回路が動作する。すなわち、制限電流・電圧１１２で回路が動作するものである。

図９は、より具体的な本質安全防爆構造の電子機器の構成を示す図である。電子機器は、大きく分けて、図９（Ａ）に示すように、非危険場所に設置される本質安全防爆関連機器（以下、本安関連機器）１２０と、危険場所に設置される本質安全防爆機器（以下、本安機器）１３０とを有する。本安関連機器１２０は、電力制限のない一般回路１２１と、電力制限素子で構成された電力制限回路１２２とが接続されている。また、本安機器１３０は、電力制限のある本安回路１３１のみで構成されている。

図９（Ａ）において、外部からの電力が本安関連機器１２０内の一般回路１２１に入力され、次に電力制限回路１２２で電力が制限されたのち、本安関連機器１２０と接続された本安機器１３０に対して、電力制限回路１２２で制限された電力が供給される。このような本質安全防爆構造を持つ電子機器は、揮発性物質を含む爆発性の環境で使用することができる。

また、図９（Ｂ）に示すように、本安関連機器１２０を耐圧容器１２３に格納することで、危険場所でも使用することができる。また、耐圧容器１２３を使用することで、本安関連機器１２０と本安機器１３０とを一体で構成し、危険場所に設置することもできる。

本安関連機器１２０内の電力制限回路１２２では、一般的にツェナーダイオードによって電圧を制限し、さらにツェナーダイオードを保護するためのツェナーダイオード保護素子として、例えば、ヒューズや抵抗などが用いられている。このようなツェナーダイオードを使用した電力制限方法はツェナーバリア方式と呼ばれる。

図１０は、ツェナーバリア方式を採用した電力制限回路の構成を示す図で、図中、１４１はツェナーダイオード保護素子、１４２はツェナーダイオード、１４３は電流制限素子を示す。ツェナーダイオード１４２にはツェナーダイオード保護素子１４１が接続されている。ツェナーダイオード保護素子１４１としては、ヒューズや抵抗などが用いられる。ツェナーダイオード保護素子１４１は、一般回路に接続されており、一般回路からの電力は、ツェナーダイオード保護素子１４１を介してツェナーダイオード１４２に供給される。ツェナーダイオード１４２は、一般回路から供給される電力が一定の電圧値以上にならないように抑制する。

また、ツェナーダイオード保護素子１４１によってツェナーダイオード１４２が一定の電流値以上にならないように抑制される。従って、ツェナーダイオード１４２の消費電力は、ツェナーダイオード１４２にかかる電圧（ツェナー電圧）と、ツェナーダイオード保護素子１４１の電流とで決定される。

ツェナーダイオード保護素子１４１とツェナーダイオード１４２には電流制限素子１４３が接続されている。この電流制限素子１４３としては、定電流ダイオードや抵抗などが用いられる。電流制限素子１４３は、後段の本安回路に接続され、この本安回路には、制限された電流と電圧が供給される。

図１１は、ツェナーバリア方式を用いた本質安全防爆構造を持つコリオリ流量計の構成を示す図である。本質安全防爆構造を持つコリオリ流量計は、本安関連機器１５０と、本安機器１７０とを備える。本安関連機器１５０は、図６の変換器としての機能を有し、電力制限回路１５１、駆動制御部１５２、位相計測部１５３、温度計測部１５４、及び電源部１５５を備える。

電力制限回路１５１は、駆動制御部１５２、位相計測部１５３、温度計測部１５４にそれぞれ接続されると共に、駆動信号出力端子１５６、左速度信号入力端子１５７、右速度信号入力端子１５８、温度信号入力端子１５９を介して本安機器１７０と接続される。本安機器１７０は、図６の各種検出器等（温度センサ、速度センサ、加振器）としての機能を有するものとする。

電源部１５５は、駆動制御部１５２、位相計測部１５３、温度計測部１５４にそれぞれ接続され、駆動電力供給ライン１６０、位相計測用電力供給ライン１６１、温度計測用電力供給ライン１６２を介して各部に電力を供給する。電源部１５５から供給される電力は、駆動制御部１５２、位相計測部１５３、温度計測部１５４をそれぞれ介して、電力制限回路１５１で一定レベルの電力に制限された後に、本安機器１７０に送られる。

図１２は、図１１に示す電力制限回路１５１の具体的な回路構成を示す図である。駆動信号出力端子１５６が電流制限素子１５１ａの一端に接続され、さらに、電流制限素子１５１ａの他端は、ツェナーダイオード１５１ｃの一端のカソードと、ツェナーダイオード保護素子１５１ｂの一端とに接続されている。また、ツェナーダイオード１５１ｃの他端のカソードは、アース端子に接続され、ツェナーダイオード保護素子１５１ｂの他端は、一般回路である駆動制御部１５２に接続される。

また、左速度信号入力端子１５７が電流制限素子１５１ｄの一端に接続され、さらに、電流制限素子１５１ｄの他端は、ツェナーダイオード１５１ｆの一端のカソードと、ツェナーダイオード保護素子１５１ｅの一端とに接続されている。また、ツェナーダイオード１５１ｆの他端のカソードは、アース端子に接続され、ツェナーダイオード保護素子１５１ｅの他端は、一般回路である位相計測部１５３に接続される。

右速度信号についても左速度信号と同様に、右速度信号入力端子１５８が電流制限素子１５１ｇの一端に接続され、さらに、電流制限素子１５１ｇの他端は、ツェナーダイオード１５１ｉの一端のカソードと、ツェナーダイオード保護素子１５１ｈの一端とに接続されている。また、ツェナーダイオード１５１ｉの他端のカソードは、アース端子に接続され、ツェナーダイオード保護素子１５１ｈの他端は、一般回路である位相計測部１５３に接続される。

また、温度信号入力端子１５９が電流制限素子１５１ｊの一端に接続され、さらに、電流制限素子１５１ｊの他端は、ツェナーダイオード１５１ｌの一端（カソード）と、ツェナーダイオード保護素子１５１ｋの一端とに接続されている。また、ツェナーダイオード１５１ｌの他端（アノード）は、アース端子に接続され、ツェナーダイオード保護素子１５１ｋの他端は、一般回路である温度計測部１５４に接続される。

ここで、駆動信号、左速度信号、右速度信号、温度信号は、それぞれの信号線に接続されているツェナーダイオードによって電圧が制限され、また、電流制限素子によって電流が制限され、制限された電力のみが本安機器１７０に供給される。これにより、変換器（本安関連機器１５０）が故障した場合であっても、火花又は爆発を生じるのに十分な熱を生じないように保証される。

上記のようなコリオリ流量計の変換器の設計における問題は、口径が大きいコリオリ流量計や、フローチューブの剛性が高いコリオリ流量計の場合には、駆動手段のパワーを高める必要性や、非常に高精度な計測と高速な応答性を要求されることがしばしばあり、変換器内において非常に大きなエネルギーを消費することにある。

つまり、本安機器で必要な電圧、電流によってツェナーダイオードの電圧、定格が必然的に決まってくるが、電圧、電流が大きくなるにつれツェナーダイオードの電圧、定格が大きくなり、発熱量や実装面積が増えてしまうという問題がある。例えば、図１３（Ａ）に示すような電力制限回路を想定する。この電力制限回路は、一般回路にツェナーダイオード保護素子１８１の一端が接続され、ツェナーダイオード保護端子１８１の他端はツェナーダイオード１８２のカソードに接続され、さらに、電流制限素子１８３の一端に接続される。また、ツェナーダイオード１８２のアノードは、アース端子に接続され、電流制限素子１８３の他端は本安回路に接続される。

ツェナーダイオード１８２の定格として必要な条件は、ツェナーダイオード保護素子１８１に流れる最大電流と、ツェナーダイオード１８２のツェナー電圧によって決まる。本質安全防爆構造の場合、ツェナーダイオードの定める定格（定格電力）の２／３を超えて使用してはいけないことがＩＥＣ（国際電気標準会議）規格（例えば、Norme Internationale International Standard CEI/IEC60079-11を参照）によって定められている。

しかしながら、回路設計の条件によっては、ツェナーダイオード１８２の定格を大きくしなければならない場合があるが、ツェナーダイオード１８２の定格には物理的な限界があるため、実際には図１３（Ｂ）のような回路構成にしなくてはならない。図１３（Ｂ）の回路構成において、ツェナーダイオード１８２′は、図１３（Ａ）に示すツェナーダイオード１８２を直列に３個接続したものである。ここで、トータルの消費電力が増えると、発熱も増えるため、ツェナーダイオードの実装面積を増やすことによって放熱効果をあげなければならない。

上記において、ツェナー電圧を通常の１／３にして３つ直列に接続し、ツェナーダイオード１つ当たりの消費電力を分散させたとしても、ツェナーダイオードを取り付ける面積が同じであれば、回路基板が消費するエネルギー（発熱）はツェナーダイオード１つの場合と同じである。換言すれば、回路基板のパターン面積を３倍にしなければ、良好な放熱効果を得ることはできない。

これに対して、例えば、図１４に示すような電力制限回路が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この電力制限回路は、一般回路にツェナーダイオード保護素子１９１の一端が接続され、ツェナーダイオード保護端子１９１の他端がツェナーダイオード１９２のカソード、サイリスタ１９３のアノード、及び電流制限素子１９５の一端に接続されている。また、ツェナーダイオード１９２のアノードは、抵抗１９４の一端及びサイリスタ１９３のゲートに接続され、抵抗１９４の他端とサイリスタ１９３のカソードは、アース端子に接続される。また、電流制限素子１９５の他端は本安回路に接続されている。

一般回路からの電流は、ツェナーダイオード保護素子１９１を介してツェナーダイオード１９２に電流が流れると、抵抗１９４の両端に電位が発生し、その電位によってサイリスタ１９３がオン状態となり、ツェナーダイオード保護素子１９１を溶断する。よって、サイリスタ１９３がオン状態のときに、ツェナーダイオード保護素子１９１に電流が流れるため、ツェナーダイオード１９２自体はほとんど発熱しない。このため、発熱を抑え、基板実装面積を小さくすることができる。

特開２０１１−５１３０６５号公報

しかしながら、図１４の回路構成とした場合、サイリスタ１９３のオン特性、ツェナーダイオード保護素子１９１であるヒューズの溶断特性によって、電力制限回路のピーク電圧（サージ電圧）にばらつきが発生するという問題がある。例えば、図１５に示すように、実際に一般回路から２５０Ｖを入力し、サイリスタ１９３の電圧波形を計測すると、ピーク電圧（Ｖｏｕｔ）として、２６．８Ｖが計測された。この例では、ツェナーダイオード１９２のツェナー電圧Ｖｚを２４Ｖとしているため、２．８Ｖオーバーしていることになる。つまり、上記のばらつきにより制限すべきピーク電圧を定めることが困難であった。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、本安機器側で必要なエネルギーが大きくなっても、本安関連機器側における発熱量や基板実装面積が小さくてすみ、さらに、制限すべきピーク電圧を容易に定めることができる電子信号処理装置及び該装置を備えた流量計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、本発明の第１の技術手段は、外部電源から電力を受け取り、該受け取った電力のうち少なくとも電圧を制限し、該制限した電圧に基づく電力を本質安全防爆回路に供給する電力制限回路を備え、該電力制限回路は、半導体スイッチと、所定の電圧レベルを検出することにより前記半導体スイッチのオンとオフを制御する電圧レベル検出素子と、前記電力制限回路におけるピーク電圧を規定するためのツェナーダイオードとが並列に接続され、前記ツェナーダイオードのツェナー電圧は、前記電圧レベル検出素子で検出される電圧レベル以上としたことを特徴としたものである。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記半導体スイッチは、サイリスタであり、前記電圧レベル検出素子は、前記ツェナーダイオードと異なる他のツェナーダイオードと、該他のツェナーダイオードと直列に接続された抵抗とからなることを特徴としたものである。

第３の技術手段は、第２の技術手段において、前記電力制限回路は、前記外部電源側に一端が接続された回路保護素子を備え、該回路保護素子の他端が、前記他のツェナーダイオードのカソードと、前記サイリスタのアノードと、前記ツェナーダイオードのカソードとに接続され、前記他のツェナーダイオードのアノードが、前記抵抗と、前記サイリスタのゲートとに接続されていることを特徴としたものである。

第４の技術手段は、第１〜第３のいずれか１の技術手段において、前記電力制限回路は、前記外部電源から受け取った電力のうち、さらに、電流を制限することを特徴としたものである。

第５の技術手段は、第１〜第４のいずれか１の技術手段における電子信号処理装置を備えた流量計である。

本発明によれば、電圧制限回路として、半導体スイッチ、電圧レベル検出素子、及びツェナーダイオードを並列に接続し、ツェナーダイオードのツェナー電圧を、電圧レベル検出素子で検出される電圧レベル以上とすることで、本安機器側で必要なエネルギーが大きくなっても、本安関連機器側における発熱量や基板実装面積が小さくてすみ、さらに、制限すべきピーク電圧を容易に定めることができる。

本発明による電子機器が備える電力制限回路の構成例を示す図である。本発明による本質安全防爆構造を持つコリオリ流量計の構成例を示す図である。図２に示す電力制限回路の具体的な回路構成例を示す図である。本発明による本質安全防爆構造を持つコリオリ流量計の他の構成例を示す図である。図４に示す電圧制限回路の具体的な回路構成例を示す図である。一般的に知られているＵ字管のフローチューブを備えたコリオリ流量計を示す図である。変換器の具体的な構成について示す図である。一般的な本質安全防爆構造の電子信号処理装置の概要を説明するための図である。より具体的な本質安全防爆構造の電子機器の構成を示す図である。ツェナーバリア方式を採用した電力制限回路の構成を示す図である。ツェナーバリア方式を用いた本質安全防爆構造を持つコリオリ流量計の構成を示す図である。図１１に示す電力制限回路の具体的な回路構成を示す図である。従来のツェナーバリア方式による電力制限回路の問題点を説明するための図である。電力制限回路にサイリスタを使用した場合の回路構成を示す図である。図１４に示す電力制限回路のサイリスタの電圧波形を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の電子信号処理装置及び該装置を備えた流量計に係る好適な実施の形態について説明する。なお、以下では、本質安全防爆構造を備えた電子信号処理装置を電子機器として説明する。また、危険場所に設置される本質安全防爆機器を本安機器、非危険場所に設置される本質安全防爆関連機器を本安関連機器とし、それぞれ別体で構成した場合を例示して説明するが、本安機器と本安関連機器とを一体で構成するようにしてもよい。すなわち、本発明による電子機器は、本安関連機器を耐圧容器に格納することにより、危険場所に設置される本安機器に、本安関連機器の電力制限回路を内蔵する形態としてもよい。

図１は、本発明による電子機器が備える電力制限回路の構成例を示す図で、図中、１は電力制限回路、２はツェナーダイオード保護端子、３は第１のツェナーダイオード、４はサイリスタ、５は抵抗、６は第２のツェナーダイオード、７は電流制限素子を示す。本例の回路構成は、前述の図１４の回路構成に、第２のツェナーダイオード６が追加されたものである。具体的には、一般回路にツェナーダイオード保護素子２の一端が接続され、ツェナーダイオード保護端子２の他端が第１のツェナーダイオード３のカソード、サイリスタ４のアノード、第２のツェナーダイオード６のカソード、及び電流制限素子７の一端に接続されている。また、第１のツェナーダイオード３のアノードは、抵抗５の一端及びサイリスタ４のゲートに接続され、抵抗５の他端，サイリスタ４のカソード，及び第２のツェナーダイオード６のアノードは、アース端子に接続される。また、電流制限素子７の他端は、後段の本安回路（本発明の本質安全防爆回路に相当）に接続されている。

ツェナーダイオード保護素子２は、例えば、ヒューズや抵抗として例示でき、電流制限素子７は、例えば、定電流ダイオードや抵抗として例示することができる。

一般回路からの電流は、ツェナーダイオード保護素子２を介して第１のツェナーダイオード３に電流が流れると、抵抗５の両端に電位が発生し、その電位によってサイリスタ４がオン状態となり、ツェナーダイオード保護素子２を溶断する。よって、サイリスタ４がオン状態のときに、ツェナーダイオード保護素子２に電流が流れるため、第１のツェナーダイオード３自体はほとんど発熱しない。このため、発熱を抑え、基板実装面積を小さくすることができる。

本発明の主たる目的は、本安機器側で必要なエネルギーが大きくなっても、本安関連機器側における発熱量や基板実装面積が小さくてすみ、さらに、制限すべきピーク電圧を容易に定めることができるようにすることにある。このための構成として、本安関連機器は、外部電源から電力を受け取り、受け取った電力のうち少なくとも電圧を制限し、制限した電圧に基づく電力を本安回路に供給する電力制限回路１を備える。電力制限回路１は、半導体スイッチの一例であるサイリスタ４と、所定の電圧レベルを検出することによりサイリスタ４のオンとオフを制御する電圧レベル検出素子と、電力制限回路１におけるピーク電圧を規定するための第２のツェナーダイオード６とが並列に接続されている。

なお、半導体スイッチとしては、サイリスタ４を例示しているが、トランジスタなどの他のスイッチング素子を用いてもよい。また、電圧レベル検出素子としては、第１のツェナーダイオード３（本発明の他のツェナーダイオードに相当）と、第１のツェナーダイオード３と直列に接続された抵抗５との組み合わせを例示しているが、電圧レベル検出機能を備えた他の素子を用いてもよい。

また、電力制限回路１は、外部電源（一般回路）側に一端が接続されたツェナーダイオード保護端子２（本発明の回路保護素子に相当）を備える。そして、上述したように、ツェナーダイオード保護素子２の他端が、第１のツェナーダイオード３のカソードと、サイリスタ４のアノードと、第２のツェナーダイオード６のカソードとに接続され、第１のツェナーダイオード３のアノードが、抵抗５と、サイリスタ４のゲートとに接続されている。

図１において、第２のツェナーダイオード６のツェナー電圧は、電圧レベル検出素子（第１のツェナーダイオード３と抵抗５の組み合わせ）で検出される電圧レベル以上としている。これにより、サイリスタ４のオン特性（例えば、サージ電圧：Ｖｏｕｔ）、及びツェナーダイオード保護素子２の特性（例えば、ヒューズの溶断特性）などに起因するサージ電圧Ｖｏｕｔのバラツキを考慮する必要がなくなる。つまり、前述の図１５に示したような電圧オーバー分を、第２のツェナーダイオード６のツェナー電圧Ｖｚ２によりクランプすることができるため、第２のツェナーダイオード６のツェナー電圧Ｖｚ２によって、電力制限回路１のピーク電圧（つまり、サージ電圧Ｖｏｕｔ）を定めることができる。

また、図１４の回路構成では、正方向からの電位に対しては、有効であるが、逆方向からの電位に対しては、電流が流れないため、効果がない。これについても、図１のように第２のツェナーダイオード６を追加することで、逆方向からの電位に対して、電流を流すことができる。つまり、逆方向から電位を受けた場合、電流が第２のツェナーダイオード６を通りツェナーダイオード保護素子２に流れる。ここで、第２のツェナーダイオード６の消費電力は、第２のツェナーダイオード６の順方向電圧（１Ｖ程度）×ツェナーダイオード保護素子２の容量（例えば、ヒューズ電流）で表すことができるため、比較的小さい定格のツェナーダイオードですむ。

このように、サイリスタなどの半導体スイッチ、第１のツェナーダイオードと抵抗の組み合わせ等からなる電圧レベル検出素子、及び回路のピーク電圧（制限電圧）を定めるための第２のツェナーダイオードを備えた電力制限回路を用いることによって、従来のツェナーバリア方式（図１０）と比べ、本安回路に供給する電力が大きくなっても回路の発熱が殆どなく、放熱のための基板実装面積を小さくすることができるため、コンパクトな機器設計が可能となり、さらに、第２のツェナーダイオードのツェナー電圧によって、電力制限回路のピーク電圧（つまり、サージ電圧）を容易に定めることができる。

（実施例１）
本発明による電子機器を流量計の一例であるコリオリ流量計に適用した場合の実施の形態について図２，３に基づいて説明する。なお、本発明を適用できる流量計は、コリオリ流量計に限定されるものではなく、本質安全防爆構造を持つ全ての流量計に適用することができる。

図２は、本発明による本質安全防爆構造を持つコリオリ流量計の構成例を示す図である。図２の基本的な構成は、前述の図１１の構成と同じだが、電力制限回路の具体的な回路構成が異なる。すなわち、本質安全防爆構造を持つコリオリ流量計は、本安関連機器１０と、本安機器３０とを備える。本安関連機器１０は、図６の変換器としての機能を有し、電力制限回路１１に加え、一般回路として、駆動制御部１２、位相計測部１３、温度計測部１４、及び電源部１５を備える。なお、前述したように、本安関連機器１０と本安機器３０とを一体構造としてもよい。

電力制限回路１１は、駆動制御部１２、位相計測部１３、温度計測部１４にそれぞれ接続されると共に、駆動信号出力端子１６、左速度信号入力端子１７、右速度信号入力端子１８、温度信号入力端子１９を介して本安機器３０と接続される。本安機器３０は、図６の各種検出器等（温度センサ、速度センサ、加振器）としての機能を有するものとする。

電源部１５は、駆動制御部１２、位相計測部１３、温度計測部１４にそれぞれ接続され、駆動電力供給ライン２０、位相計測用電力供給ライン２１、温度計測用電力供給ライン２２を介して各部に電力を供給する。電源部１５から供給される電力は、駆動制御部１２、位相計測部１３、温度計測部１４をそれぞれ介して、電力制限回路１１で一定レベルの電力に制限された後に、本安機器３０に送られる。

図３は、図２に示す電力制限回路１１の具体的な回路構成例を示す図である。電源制限回路１１は、定電流ダイオードや抵抗等の電流制限素子１１ａと、電流制限素子１１ａと二つのツェナーダイオードのアノード同士が接続された電圧制限用ツェナーダイオード１１ｂ（第２のツェナーダイオードに相当）と、サイリスタ１１ｃ，１１ｇと、サイリスタ１１ｃ，１１ｇの各ゲート及び抵抗１１ｅの両端にツェナーダイオードのアノードがそれぞれ接続された双方向電圧レベル検出用ツェナーダイオード１１ｄ（第１のツェナーダイオードに相当）と、ツェナーダイオード保護素子１１ｆとで構成される。

駆動信号出力端子１６が電流制限素子１１ａの一端に接続され、さらに、電流制限素子１１ａの他端は、電圧制限用ツェナーダイオード１１ｂの一端のカソード、サイリスタ１１ｃのアノード、双方向電圧レベル検出用ツェナーダイオード１１ｄの一端のカソード、サイリスタ１１ｇのカソード、及びツェナーダイオード保護素子１１ｆの一端にそれぞれ接続されている。

また、ツェナーダイオード保護素子１１ｆの他端は、一般回路である駆動制御部１２に接続されている。電圧制限用ツェナーダイオード１１ｂの他端のカソードは、アース端子に接続されており、この電圧制限用ツェナーダイオード１１ｂによって本安機器３０の電圧が制限される。サイリスタ１１ｃのカソード、サイリスタ１１ｇのアノードはアース端子に接続されている。

サイリスタ１１ｃ，１１ｇのゲートは、双方向電圧レベル検出用ツェナーダイオード１１ｄの間に配置された抵抗１１ｅの両端に接続され、双方向電圧レベル検出用ツェナーダイオード１１ｄに電流が流れ、抵抗１１ｅの両端の電圧が一定のレベルに達するとサイリスタ１１ｃ、１１ｇがオン状態となる。これらサイリスタ１１ｃ、１１ｇがオン状態となることによって、電圧制限用ツェナーダイオード１１ｂに流れる電流を抑えることが出来る。

また、左速度入力端子１７が電流制限素子１１ｈの一端に接続され、さらに、電流制限素子１１ｈの他端は、ツェナーダイオード１１ｉの一端のカソードと、ツェナーダイオード保護素子１１ｊとに接続されている。ツェナーダイオード１１ｉの他端のカソードは、アース端子に接続され、ツェナーダイオード保護素子１１ｊの他端は、一般回路である位相計測部１３に接続されている。

右速度信号ついても左速度信号と同様に、右速度入力端子１８が電流制限素子１１ｋの一端に接続され、さらに、電流制限素子１１ｋの他端は、ツェナーダイオード１１ｌの一端のカソードと、ツェナーダイオード保護素子１１ｍの一端とに接続されている。ツェナーダイオード１１ｌの他端のカソードは、アース端子に接続され、ツェナーダイオード保護素子１１ｍの他端は、一般回路である位相計測部１３に接続されている。

また、温度信号入力端子１９が電流制限素子１１ｎの一端に接続され、さらに、電流制限素子１１ｎの他端は、ツェナーダイオード１１ｏのカソードと、ツェナーダイオード保護素子１１ｐの一端とに接続されている。ツェナーダイオード１１ｏのアノードは、アース端子に接続され、ツェナーダイオード保護素子１１ｐの他端は、一般回路である温度計測部１４に接続されている。

このように、大きな電力を必要とする駆動制御部１２を含む駆動回路に対して、本発明による電力制限回路を適用することによって、部品の発熱量をより抑えることが可能となり、放熱のための基板スペースを大幅に削減することが出来る。

（実施例２）
本発明による電子機器を流量計の一例であるコリオリ流量計に適用した場合の他の実施の形態について図４，５に基づいて説明する。

図４は、本発明による本質安全防爆構造を持つコリオリ流量計の他の構成例を示す図である。本例のコリオリ流量計は、本安関連機器４０と、本安機器６０とを備える。本安関連機器４０は、図６の変換器としての機能を有し、電圧制限回路４１、駆動制御部４２、位相計測部４３、温度計測部４４、電源部４５、及び電流制限回路４６を備える。

電圧制限回路４１の一端は、駆動用電源ライン５１を介して駆動制御部４２の一端に接続され、計測用電源ライン５２を介して位相計測部４３、温度計測部４４の一端にそれぞれ接続され、電圧制限回路４１の他端は、電源部４５の一端に接続されている。電源部４５の他端は、外部供給電源に接続される。

駆動制御部４２、位相計測部４３、及び温度計測部４４の各他端は、電流制限回路４６の一端に接続され、さらに、電流制限回路の４６の他端は、駆動信号出力端子４７、左速度信号入力端子４８、右速度信号入力端子４９、温度信号入力端子５０をそれぞれ介して本安機器６０と接続される。このように、本例の場合、電圧制限回路４１及び電流制限回路４６により電力制限回路が構成される。

図５は、図４に示す電圧制限回路４１の具体的な回路構成例を示す図である。電圧制限回路４１は、駆動用電源側回路と計測用電源側回路とにわかれ、駆動用電源側回路は、電圧制限用ツェナーダイオード４１ａと、サイリスタ４１ｂと、抵抗４１ｄがアノードに接続された電圧レベル検出用ツェナーダイオード４１ｃと、ツェナーダイオード保護素子４１ｅとで構成される。また、計測用電源側回路は、電圧制限用ツェナーダイオード４１ｆと、サイリスタ４１ｇと、抵抗４１ｉがアノードに接続された電圧レベル検出用ツェナーダイオード４１ｈと、ツェナーダイオード保護素子４１ｊとで構成される。

駆動用電源ライン５１は、電圧制限用ツェナーダイオード４１ａのカソードと、サイリスタ４１ｂのアノードと、電圧レベル検出用ツェナーダイオード４１ｃのカソードと、ツェナーダイオード保護素子４１ｅの一端とに接続されている。また、電圧制限用ツェナーダイオード４１ａのアノード、サイリスタ４１ｂのカソード、及び電圧レベル検出用ツェナーダイオード４１ｃのアノードは、アース電極に接続されている。ツェナーダイオード保護素子４１ｅの他端は、電源部４５に接続されている。

計測用電源ライン５２についても同様の回路構成となっており、計測用電源ライン５２は、電圧制限用ツェナーダイオード４１ｆのカソードと、サイリスタ４１ｇのアノードと、電圧レベル検出用ツェナーダイオード４１ｈのカソードと、ツェナーダイオード保護素子４１ｊの一端とに接続されている。また、電圧制限用ツェナーダイオード４１ｆのアノード、サイリスタ４１ｇのカソード、及び電圧レベル検出用ツェナーダイオード４１ｈのアノードは、アース電極に接続されている。ツェナーダイオード保護素子４１ｊの他端は、電源部４５に接続されている。

駆動用電源ライン５１の電圧が一定レベルを超えると、電圧レベル検出用ツェナーダイオード４１ｃに電流が流れ、抵抗４１ｄにかかる電圧値が上昇し、サイリスタ４１ｂがオン状態になる。サイリスタ４１ｂがオン状態になることにより、電圧制限用ツェナーダイオード４１ａに流れる電流を抑えることが出来る。また、信号用電源ライン５２についても同様に、信号用電源ライン５２の電圧が一定レベルを超えると、電圧レベル検出用ツェナーダイオード４１ｈに電流が流れ、抵抗４１ｉにかかる電圧値が上昇し、サイリスタ４１ｇがオン状態になる。サイリスタ４１ｇがオン状態になることにより、電圧制限用ツェナーダイオード４１ｆに流れる電流を抑えることが出来る。

上記において、電圧制限回路として、半導体スイッチ、電圧レベル検出素子、及びツェナーダイオードを並列に接続し、ツェナーダイオードのツェナー電圧を、電圧レベル検出素子で検出される電圧レベル以上とすることで、本安機器側で必要なエネルギーが大きくなっても、本安関連機器側における発熱量や基板実装面積が小さくてすみ、さらに、制限すべきピーク電圧を容易に定めることができる。

また、従来の技術では、消費電力の大きい電源ラインには発熱の問題によって電力制限回路を設けることが非常に困難であったが、本発明によれば、電力消費が大きな信号ラインでも発熱量を抑え、基板実装面積を小さくすることができるため、例えば、コリオリ流量計に使用される変換器をコンパクトに設計することが可能となる。

また、コリオリ式流量計には、様々なフローチューブの形状や口径、高い剛性をもったものがあり、駆動手段のパワーを高める必要や、さらには、非常に高精度な計測と高速な応答性を要求されることがしばしばあり、非常に大きなエネルギーが必要とされる。このため、本質安全防爆構造とするに際して電圧制限、電流制限、また発熱の制限の問題を解決するため、どうしても変換器が大きくなったり、また、大口径、高い剛性をもったフローチューブを駆動するために、駆動エネルギーを増幅するためのブースターアンプを外部に設ける必要があった。

これに対して、本発明によれば、電圧、電流を必要以上に制限することなく、本安関連機器を構成することができ、大口径、高い剛性をもったフローチューブを駆動するためのブースターアンプを必要とせず、発熱や実装面積を小さく抑えた小型でコンパクトなコリオリ流量計の変換器を実現することができる。

１，１１…電力制限回路、２，１１ｆ，１１ｊ，１１ｍ，１１ｐ，４１ｅ，４１ｊ…ツェナーダイオード保護素子、３…第１のツェナーダイオード、４，１１ｃ、１１ｇ，４１ｂ，４１ｇ…サイリスタ、５，４１ｄ，４１ｉ，１１ｅ…抵抗、６…第２のツェナーダイオード、７，１１ａ，１１ｈ，１１ｋ，１１ｎ…電流制限素子、１０，４０…本安関連機器、１１ｂ，４１ａ，４１ｆ…電圧制限用ツェナーダイオード、１１ｄ…双方向電圧レベル検出用ツェナーダイオード、１１ｉ，１１ｌ，１１ｏ…ツェナーダイオード、１２，４２…駆動制御部、１３，４３…位相計測部、１４，４４…温度計測部、１５，４５…電源部、１６，４７…駆動信号出力端子、１７，４８…左速度信号入力端子、１８，４９…右速度信号入力端子、１９，５０…温度信号入力端子、２０…駆動電力供給ライン、２１…位相計測用電力供給ライン、２２…温度計測用電力供給ライン、３０，６０…本安機器、４１ｃ，４１ｈ…電圧レベル検出用ツェナーダイオード、４６…電流制限回路、５１…駆動用電源ライン、５２…計測用電源ライン。

Claims

外部電源から電力を受け取り、該受け取った電力のうち少なくとも電圧を制限し、該制限した電圧に基づく電力を本質安全防爆回路に供給する電力制限回路を備え、
該電力制限回路は、半導体スイッチと、所定の電圧レベルを検出することにより前記半導体スイッチのオンとオフを制御する電圧レベル検出素子と、前記電力制限回路におけるピーク電圧を規定するためのツェナーダイオードとが並列に接続され、
前記ツェナーダイオードのツェナー電圧は、前記電圧レベル検出素子で検出される電圧レベル以上としたことを特徴とする電子信号処理装置。
前記半導体スイッチは、サイリスタであり、前記電圧レベル検出素子は、前記ツェナーダイオードと異なる他のツェナーダイオードと、該他のツェナーダイオードと直列に接続された抵抗とからなることを特徴とする請求項１に記載の電子信号処理装置。
前記電力制限回路は、前記外部電源側に一端が接続された回路保護素子を備え、該回路保護素子の他端が、前記他のツェナーダイオードのカソードと、前記サイリスタのアノードと、前記ツェナーダイオードのカソードとに接続され、前記他のツェナーダイオードのアノードが、前記抵抗と、前記サイリスタのゲートとに接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電子信号処理装置。
前記電力制限回路は、前記外部電源から受け取った電力のうち、さらに、電流を制限することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子信号処理装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子信号処理装置を備えた流量計。