JP2015041808A

JP2015041808A - アナログ信号処理装置

Info

Publication number: JP2015041808A
Application number: JP2013170678A
Authority: JP
Inventors: 郷米本; Go Yonemoto
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2015-03-02

Abstract

【課題】放射線の照射があっても、簡単な構成で測定誤差を軽減することが可能なアナログ信号処理回路を提供する。
【解決手段】実施形態のアナログ信号処理装置のアナログ信号処理部は、オペアンプを含み、入力信号の信号処理を行って出力する。これと並行して、加熱部は、アナログ信号処理部のうち、少なくともオペアンプを含む所定の加熱対象回路を加熱し、当該加熱対象回路の温度を上昇させて所定温度範囲に保持する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、アナログ信号処理装置に関する。

従来耐放射線性が必要とされる原子力用途等に用いられる信号処理装置としては、アナログＩＣ等のアナログ回路で構成されたアナログ信号処理装置を用いるのが一般的となっている。

これは、ディジタル回路に用いられる電子部品のうちＣＰＵやメモリＩＣ（デジタルＩＣ）などは、放射線が低照射線量でも誤作動を起こしやすいためである。
また、ディジタルＩＣは、データを電荷により保持しているが、放射線が照射されることにより、保持している電荷の反転が起こり、突然大きな変動を与えてしまう事象も確認されている。

特開平６−２６５６０５号公報

しかしながら、アナログＩＣを用いたナログ信号処理装置においても、放射線が照射されることにより損傷を与えることが知られており、結晶欠陥、電離効果、電荷の蓄積等によるものと報告されている。

また、放射線の照射線量が増すとともにアナログＩＣの損傷が拡大し、アナログ信号処理装置における測定誤差が増大してしまっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、放射線が照射されるような環境で用いられる場合であっても、簡単な構成で測定誤差を軽減することが可能なアナログ信号処理装置を提供することを目的としている。

実施形態のアナログ信号処理装置のアナログ信号処理部は、オペアンプを含み、入力信号の信号処理を行って出力する。これと並行して、加熱部は、アナログ信号処理部のうち、少なくともオペアンプを含む所定の加熱対象回路を加熱し、当該加熱対象回路の温度を上昇させて所定温度範囲に保持する。

図１は、第１実施形態のアナログ信号処理装置としての圧力・差圧伝送器の概要構成ブロック図である。図２は、一定の照射線量で放射線を照射した場合の圧力・差圧伝送器の測定誤差と、電流信号変換回路の温度との関係を説明する図である。図３は、第２実施形態のアナログ信号処理装置としての圧力・差圧伝送器の概要構成ブロック図である。

次に実施形態について図面を参照して説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態のアナログ信号処理装置としての圧力・差圧伝送器の概要構成ブロック図である。

圧力・差圧伝送器１０は、大別すると、測定対象の圧力検出を行うセンサユニット部１１と、センサユニット部１１の出力信号を処理して電流出力信号に変換する電流信号変換回路（加熱対象回路）１２と、電流信号変換回路１２が出力した電流出力信号を安定化しつつ、伝送するための端子台部１３と、を備えている。

センサユニット部１１は、４個の歪みゲージＲ_Ｓ１〜Ｒ_Ｓ４がブリッジ接続されたホイートストンブリッジ回路２１と、ホイートストンブリッジ回路２１の温度を測定するバイポーラトランジスタで構成され、温度信号を出力する温度センサ２２と、を備えている。

電流信号変換回路１２は、ホイートストンブリッジ回路２１において圧力検出時に発生する電圧ｅとして検出される圧力信号をオペアンプＯＰ１により増幅して増幅圧力信号として出力する圧力信号増幅回路３１と、温度信号をオペアンプＯＰ２により増幅して増幅温度信号を出力する温度信号増幅回路３２と、温度増幅信号に基づいて温度補正信号を生成し出力する温度補正回路３３と、温度補正信号に基づいて圧力信号増幅回路３１のゼロ点調整を行うゼロ点調整回路３４と、増幅温度信号に基づいてオペアンプＯＰ３を制御し、ホイートストンブリッジ回路２１に印加する電圧Ｖｉｎを調整してホイートストンブリッジ回路２１が出力する圧力信号のスパン調整を行うスパン調整回路３５と、ゼロ点調整回路３４が出力した温度補正及びゼロ点調整後の増幅圧力信号をオペアンプＯＰ４を用いて電流出力信号に変換する電流出力回路３６と、電流信号変換回路１２を構成する各部に基準電源を供給する基準電源回路３７と、電流信号変換回路１２全体を所定温度に加熱する加熱回路３８と、を備えている。

端子台部１３は、抵抗及びコンデンサを備えるＲＣ−ロウパスフィルタ（ＬＰＦ）として構成され、電流圧力信号のノイズ除去を行う安定化回路４１と、電流圧力信号の伝送出力を行うための端子台４２と、を備えている。

次に加熱回路３８を設けることによる作用について説明する。
加熱回路３８は、電流信号変換回路１２全体を所定温度に加熱している。

まず、耐放射線効果と温度との関係について説明する。
図２は、一定の照射線量で放射線を照射した場合の圧力・差圧伝送器の測定誤差と、電流信号変換回路の温度との関係を説明する図である。
図２においては、高照射線量ＨＲの場合における測定誤差と温度との関係及び低照射線量ＬＲの場合における測定誤差と温度との関係を示している。

すなわち、圧力・差圧伝送器１０の許容誤差をＡＥとした場合、低照射線量ＬＲの場合に許容誤差を満たす温度＝Ｔ１となっており、高照射線量ＨＲの場合に許容誤差を満たす温度＝Ｔ２よりも低い温度で許容誤差を満たしていることがわかる。

したがって、圧力・差圧伝送器１０の使用環境における照射線の照射線量が低照射線量ＬＲの場合には、加熱回路３８により、温度＝Ｔ１以上の温度に加熱するようにすれば、測定誤差を許容誤差ＡＥ以下とすることが可能となる。

同様に圧力・差圧伝送器１０の使用環境における照射線の照射線量が高照射線量ＨＲの場合には、加熱回路３８により、温度＝Ｔ２以上の温度に加熱するようにすれば、測定誤差を許容誤差ＡＥ以下とすることが可能となる。

より詳細には、加熱回路３８による加熱を行う際に、電流信号変換回路１２において保持すべき所定温度は、一般的にアナログ信号処理部（本実施形態では、電流信号変換回路１２）の温度を常温（例えば、室温で動作させた場合のアナログ信号処理部の温度）と比較して高くするように構成すればよいが、好ましくは、４０℃以上、より好ましくは、６０℃〜８０℃（上限については、オペアンプを含む加熱対象回路を構成する素子の定格使用温度範囲の上限値とするのが好ましい）とする。

ここで、加熱回路３８による効果について考察する。
放射線は、圧力・差圧伝送器１０に搭載されているアナログＩＣ（例えば、オペアンプ等）を構成するトランジスタのＰＮ接合部に特性変化を与えると考えられる。

また、シリコン（Ｓｉ）内部に結晶欠陥が発生して、特性変化を与えると考えられる。これは半導体のバルク損傷と呼ばれ、シリコン（Ｓｉ）結晶構造が壊れ（格子欠損、変位損傷）、シリコン（Ｓｉ）の基板抵抗値が変化することにより、シリコン（Ｓｉ）基板上に構成された半導体の電気的な特性が変化する。

一方、半導体のダメージ（格子欠陥やＳｉの結晶欠陥など）は、時間の経過とともに徐々に消滅する性質がある。
また、加熱回路３８により、半導体の温度を高めるほど、より早くダメージが回復するということがわかってきた。

これらを併せて考えると、半導体を加熱回路３８により熱処理することにより、半導体が回復する時間を大幅に短縮させているものと考えられる。

したがって、実施形態の圧力・差圧伝送器１０に使用しているアナログＩＣ（例えば、オペアンプ）においても加熱回路３８による熱処理は有効であり、圧力・差圧伝送器１０の耐放射線特性を向上させ、放射線による欠陥を回復しながら動作して、測定誤差を所定許容誤差ＡＥ内に維持できることとなる。

次に実施形態の概要動作を説明する。
まず、センサユニット部１１のホイートストンブリッジ回路２１には、基準電源回路３７からスパン調整回路３５を介して所定のスパンに対応する測定用の電圧Ｖｉｎが印加される。

この状態で、測定対象の圧力に応じて４個の歪みゲージＲ_Ｓ１〜Ｒ_Ｓ４の抵抗値が変化すると、検出した圧力に応じた電圧ｅとして検出される圧力信号が圧力信号増幅回路３１に出力される。

これにより圧力信号増幅回路３１は、圧力信号をオペアンプＯＰ１により増幅して増幅圧力信号としてゼロ点調整回路３４に出力する。
一方、センサユニット部１１の温度センサ２２は、ホイートストンブリッジ回路２１の温度を測定し、温度信号を温度補正回路３３及びスパン調整回路３５に出力する。

温度補正回路３３は、温度増幅信号に基づいて温度補正信号を生成しゼロ点調整回路３４に出力する。
これらにより、ゼロ点調整回路３４は、温度補正信号に基づいて圧力信号増幅回路３１のゼロ点調整を行って増幅圧力信号を電流出力回路３６に出力する。

この結果、ゼロ点調整回路３４を介して電流出力回路３６に入力される温度補正及びゼロ点調整後の増幅圧力信号は、電流出力回路３６により、オペアンプＯＰ４を用いて電流出力信号に変換されて、端子台部１３の安定化回路４１に入力され、安定化回路４１により電流圧力信号のノイズ除去がなされる。
そして、ノイズ除去がなされた電流圧力信号は、端子台４２により外部に伝送される。

以上の説明のように、本実施形態によれば、加熱回路３８を設けるという簡単な構成で放射線の照射があっても、測定誤差を軽減することが可能となり、原子力発電所などの管理区域内のように、放射線の照射線量が高い環境で用いる場合でも、測定誤差を軽減して装置の信頼性を確保できる。

［２］第２実施形態
以上の第１実施形態においては、電流信号変換回路１２全体を所定温度に加熱する加熱回路３８を設ける構成を採っていたが、本第２実施形態は、加熱回路３８に代えて複数の加熱素子をオペアンプ等の放射線の影響の大きい回路素子（加熱対象回路）に対応させて設け、当該回路素子のみを加熱するように構成した点である。

図３は、第２実施形態のアナログ信号処理装置としての圧力・差圧伝送器の概要構成ブロック図である。
図３において、図１と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。

第２実施形態の圧力・差圧伝送器１０Ａが、第１実施形態の圧力・差圧伝送器１０と異なる点は、電流信号変換回路１２Ａにおいて、オペアンプＯＰ１〜オペアンプＯＰ４のそれぞれに対応づけて加熱素子５１を設けた点である。

そしてこの構成によれば、より放射線の影響を受けやすい増幅機能を有する素子において、放射線の照射があっても、測定誤差を軽減することが可能となり、原子力発電所などの管理区域内のように、放射線の照射線量が高い環境で用いる場合でも、測定誤差を軽減して装置の信頼性を確保できる。

このような構成を採ることにより、第１実施形態と同様の効果に加えて、温度を上げる必要が無い素子の温度劣化を抑制できるとともに、各加熱素子の熱容量はそれほど大きくする必要が無いので、装置全体の小形化、省電力化が可能となる。

［３］実施形態の変形例
以上の説明においては、加熱装置は、常時加熱を行うものとして説明したが、所定の温度範囲内に維持可能であれば、加熱対象回路を間欠加熱するように構成することも可能である。
以上の説明においては、加熱対象回路を構成し、増幅機能を有する素子として、オペアンプを例としてあげたが、ディスクリート構成で増幅回路を構成した場合でも同様に適用が可能である。
また、以上の説明においては、圧力・差圧伝送器について説明したが、物理量を電流信号に変換して出力する計器等のアナログ信号処理装置についても同様に適用が可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０、１０Ａ圧力・差圧伝送器（アナログ信号処理装置）
１１センサユニット部
１２、１２Ａ電流信号変換回路（加熱対象回路）
１３端子台部
２１ホイートストンブリッジ回路
２２温度センサ（アナログセンサ）
３１圧力信号増幅回路
３２温度信号増幅回路
３３温度補正回路
３４ゼロ点調整回路
３５スパン調整回路
３６電流出力回路
３７基準電源回路
３８加熱回路（加熱部）
４１安定化回路
４２端子台
５１加熱素子（加熱部）
ＡＥ許容誤差
ＯＰ１〜ＯＰ４オペアンプ（加熱対象回路）

Claims

オペアンプを含み、入力信号の信号処理を行って出力するアナログ信号処理部と、
前記アナログ信号処理部のうち、少なくとも前記オペアンプを含む所定の加熱対象回路を加熱し、当該加熱対象回路の温度を上昇させて所定温度範囲に保持する加熱部と、
を備えたアナログ信号処理装置。
前記加熱部は、前記アナログ信号処理装置の使用環境において想定される放射線の照射線量において、放射線に起因する前記アナログ信号処理部の出力信号の誤差が許容誤差以下となるように前記所定温度範囲が設定されている、
請求項１記載のアナログ信号処理装置。
前記加熱部は、常時加熱あるいは間欠加熱を行う、
請求項１又は請求項２記載のアナログ信号処理装置。
前記アナログ信号処理部は、前記加熱対象回路の温度に応じて温度補正を行う温度補正回路を備える、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアナログ信号処理装置。
前記オペアンプとして、アナログ量を測定するアナログセンサの出力信号を増幅するオペアンプを備えている、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアナログ信号処理装置。