JP4367042B2 - 歪みゲージを用いた圧力検出回路 - Google Patents

Description

本発明は、歪みゲージを用いた圧力検出回路に係わり、更に詳しくは、計測対象である歪みゲージを用いたブリッジセンサと計測機器間の配線の断線を検出可能な圧力検出回路に関する。

歪みゲージを用いた圧力センサとして、ブリッジセンサが知られている。また、かかる圧力センサを用いた計測システム（計測機器とセンサを含む）の健全性を確保するため、配線の断線検出機能が必要であり、特許文献１、２等が開示されている。

特許文献１の「断線検出機能付きブリッジセンサ」は、図５に示すように、電源端子Ｔ１、グランド端子Ｔ２および両出力端子Ｔ３，Ｔ４を有するブリッジ回路構成の抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓ４より成るセンサ５１に対して、電圧ＶＤＤの電源とセンサ５１の電源端子Ｔ１との間に介設され、電圧ＶＤＤの電源からセンサ５１に供給される電流の検出を行う電流検出部５２と、この電流検出部２の検出結果と所定の基準電流との比較を行い、この比較結果に応じてセンサ５１が断線しているか否かの検出を行う比較部５３とを設けたものである。

特許文献２の「断線検出機能付きブリッジセンサ」は、図６に示すように、電源端子Ｔ１、グランド端子Ｔ２および両出力端子Ｔ３，Ｔ４を有するブリッジ回路構成の抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓ４より成るセンサ５１に対して、電圧ＶＤＤの電源とセンサ５１の電源端子Ｔ１との間に介設され、オンまたはオフに応じてそれぞれセンサ５１を駆動または停止させるＦＥＴ６２と、このＦＥＴ６２のオフ時に基準電流として定電流を電源端子Ｔ１からセンサ５１に供給する電流発生部６３と、センサ５１に供給された定電流によりセンサ５１の電源端子Ｔ１に発生する電圧と基準電圧との比較を行い、この比較結果に応じてセンサ５１が断線しているか否かの検出を行う比較部６４とを設けたものである。

特開２００１−９１３８４号、「断線検出機能付きブリッジセンサ」 特願２００１−９１３８５号、「断線検出機能付きブリッジセンサ」

航空機用エンジン等において、例えば、エンジン制御用の油圧圧力や圧縮機の吐出圧力等の検出のため、歪みゲージを用いたブリッジセンサが圧力センサとして用いられる。この場合、ブリッジセンサは、エンジン各部の計測位置に設置され、その圧力検出装置は、ナセル内等にまとめられるため、ブリッジセンサと圧力検出装置の間隔は長く、例えば１ｍ以上に達する。

ブリッジセンサと圧力検出装置を接続するために、通常４本の配線が必要であり、この４本の配線のいずれもか断線した場合にも、その断線を検出する必要がある。しかし、上述した従来例では、センサ自体の断線は検出できるものの、各配線の断線は必ずしも検出できなかった。また、上述した特許文献１、２の場合、電流検出部や電流発生部を必要とするため、圧力検出装置が複雑化／大型化する問題点があった。

そこで、航空機用エンジン等では、図４に例示する圧力検出回路が用いられていた。この圧力検出回路は、４つの抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄよりなるブリッジセンサ１０と、ブリッジセンサの４つの接点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに４本の配線を介して接続された圧力検出装置２０とからなる。抵抗Ｒａ，Ｒｂの中間点には、接点Ａを介して直流電圧（例えば１０Ｖ）が印加され、抵抗Ｒｃ，Ｒｄの中間点は、接点Ｂを介して接地（ＣＯＭ）されている。また、抵抗Ｒｂ，Ｒｃの中間点は接点Ｃを介して、圧力検出装置２０の増幅器２０ｃに入力され、抵抗Ｒａ，Ｒｄの中間点は接点Ｄを介して、圧力検出装置２０の増幅器２０ｄに入力され、その間（接点Ｃ−Ｄ）の電圧がほぼ０となるように設定されている。
このブリッジセンサ１０は圧力を受けると４つの抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄの少なくとも１つが変化し、接点Ｃ−Ｄ間に圧力に比例した電圧が発生し、その差を増幅器２０ｃ，２０ｄ，２０ａで増幅して図示しないＡＤコンバータを介して制御装置（図示せず）に入力し、その圧力値を検出するようになっている。
さらに、この圧力検出装置２０は、接点ｃ，ｄを抵抗Ｒｅ，Ｒｆを介して接地する接地回路を有する。この抵抗Ｒｅ，Ｒｆは、ブリッジセンサ１０の抵抗Ｒａ〜Ｒｄに比べて十分大きく（例えば１０００倍程度）設定されており、接点Ｃ−ｃ間、又はＤ−ｄ間の信号線が断線した場合には、制御装置（図示せず）で検出する圧力値が正常の範囲から振り切れることにより、その断線を検出するようになっている。

上述したように、従来の断線検出回路は、センサの信号ラインを高抵抗でグランドに接地するのが一般的な方法であった。
しかし、ブリッジセンサ１０を構成する４つの抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄは、接点Ｃ−Ｄ間の電圧がほぼ０となるように設定されているものの、それらの抵抗値は必ずしも同一ではない。そのため、断線検出用に上述した接地回路を設けると、抵抗Ｒｅ，Ｒｆにより、２つの抵抗Ｒｃ，Ｒｄと抵抗Ｒｅ，Ｒｆとの合成インピーダンスが影響し、ブリッジセンサ１０のバランスが崩れることがあった。
すなわち、実機で使用されている歪みゲージ式の圧力センサは４線式のブリッジ抵抗で構成されているが、各辺の抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄが大きく異なる場合に、断線検出用抵抗Ｒｅ，Ｒｆとの並列接続による抵抗値の低下が一様でないため、信号電圧に誤差が生じる問題点があった。
また、この信号電圧の誤差を小さくするには、断線検出用の抵抗値Ｒｅ，Ｒｆを従来より更に大きくすると、接点Ｃ−ｃ間及びＤ−ｄ間の両方の信号線が断線した場合には、接点ｃ−ｄ間に設けられたコンデンサＣの影響で、その断線検出に数秒以上の遅れが発生する問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ブリッジセンサと圧力検出装置を接続する４本の配線のいずれが断線した場合でもその断線を検出することができ、ブリッジセンサを構成する４つの抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄが同一でない場合でも、検出する信号電圧の誤差が小さく、かつ両方の信号線が断線した場合でも、その断線検出を遅れなしに検出することができる歪みゲージを用いた圧力検出回路を提供することにある。

本発明によれば、少なくとも１つが歪みゲージからなる４つの抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄが順に環状に接続されたブリッジセンサと、該ブリッジセンサの隣接する抵抗間に４本の配線を介して接続された圧力検出装置とからなり、前記抵抗Ｒａ，Ｒｂ間に直流電圧を印加し、抵抗Ｒｃ，Ｒｄ間を接地し、抵抗Ｒｂ，Ｒｃ間と抵抗Ｒａ，Ｒｄ間の電圧差ΔＶを増幅して電圧差ΔＶに比例する圧力を検出する圧力検出回路において、抵抗Ｒｂ，Ｒｃ間と圧力検出装置を接続する配線と、抵抗Ｒａ，Ｒｄ間と圧力検出装置を接続する配線とを、接地せずに、断線検出用の抵抗Ｒを介して接続し、該抵抗の抵抗値は４つの抵抗のいずれよりも十分大きい抵抗値を有し、電圧差ΔＶから求まる圧力が所定の最低圧力を下回るときに異常を検出する異常検出器を備える、ことを特徴とする歪みゲージを用いた圧力検出回路が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記電圧差ΔＶを増幅する増幅器を備える。

上記本発明の構成によれば、抵抗Ｒｂ，Ｒｃ間と抵抗Ｒａ，Ｒｄ間の２本の信号線を、従来のように抵抗Ｒｅ，Ｒｆを介して接地しないので、ブリッジセンサの抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄが大きく異なる場合でも、断線検出用抵抗Ｒｅ，Ｒｆとの並列接続による影響がなく、信号電圧の誤差を防止することができる。
また、本発明の計測対象が、圧力であり、圧力センサはエンジンが停止していない状態でも、大気圧（約１４．７ｐｓｉａ）を計測しているため、断線がない限り大気圧に相当する電圧信号を出力している。

一方、センサ信号ラインが断線すると、信号ライン間が抵抗Ｒで接続されているので、入力信号は０に落ちることになる。よって、通常の圧力範囲を外れ、所定の圧力検出範囲未満となるので、異常検出器でセンサ異常（断線）を検出することができる。
また、従来型の断線検出回路ではセンサ印加電圧のコモン線が断線したときは断線検出ができなかったが（断線検出抵抗を経由して擬似的に回路が形勢されるため）、本発明の回路構成とすることで、コモン断線時も異常検出できる。

さらに、両方の信号線が断線した場合でも、コンデンサＣの両端が抵抗Ｒで接続されているので、コンデンサＣが瞬時に放電して入力信号は０に落ちる。従ってその断線検出も遅れなしに検出することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の圧力検出回路図である。この図に示すように、本発明の圧力検出回路は、少なくとも１つが歪みゲージからなる４つの抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄが順に環状に接続されたブリッジセンサ１０と、ブリッジセンサ１０の隣接する抵抗間に４本の配線１，２，３，４を介して接続された圧力検出装置２０とからなる。
圧力検出装置２０は、図示しない電源から、接点ａ，配線１，接点Ａを介してブリッジセンサ１０の抵抗Ｒａ，Ｒｂ間に直流電圧を印加する。また、抵抗Ｒｃ，Ｒｄ間は接点Ｂ，配線４，接点ｂを介して接地されている。
更に、抵抗Ｒｂ，Ｒｃ間は、接点Ｃ，配線２，接点ｃを介して増幅器２０ｃの入力端子に接続され、同様に抵抗Ｒａ，Ｒｄ間は、接点Ｄ，配線３，接点ｄを介して増幅器２０ｄの入力端子に接続されている。従って、増幅器２０ｃ，２０ｄにより抵抗Ｒｂ，Ｒｃ間と抵抗Ｒａ，Ｒｄ間の電圧を増幅し、更にその差ΔＶを増幅器２０ａで増幅し、異常検出器２２を介して図示しない制御装置（図示せず）に入力し、その圧力値を検出するようになっている。

本発明の圧力検出回路は、更に、抵抗Ｒｂ，Ｒｃ間と抵抗Ｒａ，Ｒｄ間とを接地せずに接続し、その間に断線検出用の抵抗Ｒを有する。また、この抵抗の抵抗値は４つの抵抗のいずれよりも十分大きい抵抗値（後述の例では１ＭΩ）に設定されている。

また、異常検出器２２は、電圧差ΔＶが所定の最低圧力を下回るときに異常を検出するように設定されている。この所定の最低圧力は、計測対象とする圧力の最小値よりも小さい正の値に設定するのがよく、例えば、高空における大気圧を想定して、５ｐｓｉａ程度に設定するのがよい。

表１は、正常なブリッジセンサを構成する４つのＲａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄの抵抗値を実測したものである。この表に示す８つのセンサは、すべて図４の接点Ｃ−Ｄ間の電圧が無負荷時にほぼ０となるように設定されている。しかし、図４の回路において、大気圧（約１４．７ｐｓｉａ）を計測すると、検出値が大きく異なり、表に異常（有）で示すように、ＮＯ．１，２，５，６，７の５つのセンサは大気圧検出時に異常値を検出することが確認された。
この原因は、ＲａとＲｄはほぼ等しく、ＲｂとＲｃもほぼ等しいため、センサとしては本来正常であるが、ＲｃとＲｄが大きく異なっているため、このような異常が発生するものと考えられる。

この対策として、図４の回路において（１）断線検出用抵抗（ＲｅとＲｆ）を除去する、（２）逆にこれを大きくする、の２つの対策が考えられる。
しかし、（１）断線検出用抵抗を除去した場合、センサの断線検出ができなくなる。また、（２）断線検出用抵抗を大きくした場合には、センサの断線検出はできるが、ＲｃとＲｄのミスマッチの影響は小さくできるが完全には除去できない。

（２）の対策の効果を確認するため、従来の断線検出用抵抗（ＲｅとＲｆ）を、従来の１ＭΩから、２５ＭΩ、４７ＭΩ、１００ＭΩの３通りに変化させたものと、（１）の対策の効果を確認するため、断線検出用抵抗を除去したもの（ｏｐｅｎ）と、本発明において、断線検出用の抵抗Ｒの抵抗値を１ＭΩにしたものをそれぞれ試験した。試験結果を図２と図３に示す。なお、この試験は、ＲｃとＲｄが大きく異なる３種のブリッジセンサを用いて実施した。
図２は、実施した抵抗値と検出圧力の関係図である。この図は、大気圧（１４．７ｐｓｉａ）を計測したときの計測値を示している。この図に示すように、従来例では、ＲｃとＲｄが大きく異なるため、検出結果が異常に大きくなっているが、その他の例では、ほぼ大気圧に一致しており、（１）（２）の対策及び本発明のいずれも、検出圧力の点では大幅に改善されていることがわかる。
図３は、実施した抵抗値と検出遅れの関係図である。この図は、２本の信号線を切断（断線）した時の検出遅れを示している。この図から、（１）（２）の対策のどちらも検出遅れが大きく、実用性がないことがわかる。
これに対して、本発明の例では、電圧差ΔＶが所定の最低圧力を下回るときに異常を検出するので、ほとんど瞬時に異常検出ができることが確認された。

上述したように、本発明の構成によれば、抵抗Ｒｂ，Ｒｃ間と抵抗Ｒａ，Ｒｄ間の２本の信号線を、従来のように抵抗Ｒｅ，Ｒｆを介して接地しないので、ブリッジセンサの抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄが大きく異なる場合でも、断線検出用抵抗Ｒｅ，Ｒｆとの並列接続による影響がなく、信号電圧の誤差を防止することができる。
また、本発明の計測対象が、圧力であり、圧力センサはエンジンが停止していない状態でも、大気圧（約１４．７ｐｓｉａ）を計測しているため、断線がない限り大気圧に相当する電圧信号を出力している。

一方、センサ信号ラインが断線すると、信号ライン間が抵抗Ｒで接続されているので、入力信号は０に落ちることになる。よって、通常の圧力範囲を外れ、所定の圧力検出範囲未満となるので、異常検出器でセンサ異常（断線）を検出することができる。
また、従来型の断線検出回路ではセンサ印加電圧のコモン線が断線したときは断線検出ができなかったが（断線検出抵抗を経由して擬似的に回路が形勢されるため）、本発明の回路構成とすることで、コモン断線時も異常検出できる。

さらに、両方の信号線が断線した場合でも、コンデンサＣの両端が抵抗Ｒで接続されているので、コンデンサＣが瞬時に放電して入力信号は０に落ちる。従ってその断線検出も遅れなしに検出することができる。

本発明の圧力検出回路図である。 実施した抵抗値と検出圧力の関係図である。 実施した抵抗値と検出遅れの関係図である。 従来の航空機用エンジン等の圧力検出回路図である。 特許文献１の模式図である。 特許文献２の模式図である。

符号の説明

１，２，３，４ 配線、
１０ ブリッジセンサ、
２０ 圧力検出装置、
２０ｃ，２０ｄ，２０ａ 増幅器、
２２異常検出器

Claims (2)

1. 少なくとも１つが歪みゲージからなる４つの抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄが順に環状に接続されたブリッジセンサと、該ブリッジセンサの隣接する抵抗間に４本の配線を介して接続された圧力検出装置とからなり、
   前記抵抗Ｒａ，Ｒｂ間に直流電圧を印加し、抵抗Ｒｃ，Ｒｄ間を接地し、抵抗Ｒｂ，Ｒｃ間と抵抗Ｒａ，Ｒｄ間の電圧差ΔＶを増幅して電圧差ΔＶに比例する圧力を検出する圧力検出回路において、
   抵抗Ｒｂ，Ｒｃ間と圧力検出装置を接続する配線と、抵抗Ｒａ，Ｒｄ間と圧力検出装置を接続する配線とを、接地せずに、断線検出用の抵抗Ｒを介して接続し、該抵抗の抵抗値は４つの抵抗のいずれよりも十分大きい抵抗値を有し、
   電圧差ΔＶから求まる圧力が所定の最低圧力を下回るときに異常を検出する異常検出器を備える、ことを特徴とする歪みゲージを用いた圧力検出回路。
2. 前記電圧差ΔＶを増幅する増幅器を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の歪みゲージを用いた圧力検出回路。

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