JP4573096B2 - 温度センサ及びアナログ／デジタル変換器 - Google Patents

Description

本発明は、故障診断が可能な温度センサ及びアナログ／デジタル変換器に関し、特に、フィールド機器内に用いるに好適な温度センサ及びアナログ／デジタル変換器に関する。

従来の温度センサは、ダイオードの両端に発生するアナログ電圧をディジタル値に変換する構成を備えるものもある（例えば、特許文献１参照。）。

図４は、従来の温度センサを示す構成図である。図４の従来例の構成を説明する。コンデンサＣの一端は共通電位ＣＯＭに接続する。さらに、抵抗ＲはコンデンサＣと並列に接続する。

また、比較器３の非反転入力はコンデンサＣの他端に接続し、比較器３の反転入力はダイオードＤのアノードに接続する。そして、比較器３は、コンデンサＣの電圧Ｖｃとダイオード順方向電圧Ｖｄとを比較する。

さらに、ダイオードＤのアノードは定電流源２に接続し、ダイオードＤのカソードは共通電位ＣＯＭに接続する。そして、ダイオードＤの順方向電圧Ｖｄは温度に基づいて変化する。

また、Ｄフリップフロップ４のディレイ入力は比較器３の出力に接続し、Ｄフリップフロップ４のクロック入力はクロック信号ＣＬに接続する。

さらに、論理積回路５の一方の入力はＤフリップフロップ４の出力Ｑの反転に接続し、論理積回路５の他方の入力はクロック信号ＣＬの反転に接続する。

また、このようなＤフリップフロップ４と論理積回路５とは、比較器３の出力信号ＣＯＵＴに基づき、クロック信号ＣＬを変調し周波数信号ＦＯＵＴを生成する変調手段を形成する。そして、出力信号ＣＯＵＴが変化すると、周波数信号ＦＯＵＴが変化する。

さらに、第１スイッチであるスイッチＳＷ１の入力は定電流源１に接続し、スイッチＳＷ１の一方の出力ＰはコンデンサＣの他端に接続し、スイッチＳＷ１の他方の出力Ｑは共通電位ＣＯＭに接続し、スイッチＳＷ１の制御端子は論理積回路５の出力に接続する。

また、カウンタ６は論理積回路５の出力に接続する。そして、カウンタ６は論理積回路５の出力のエッジ（例えば、立上りエッジ）を計数する。

そして、コンデンサＣの他端とスイッチＳＷ１の出力Ｐと抵抗Ｒと比較器３の非反転入力との接続点の電圧を電圧Ｖｃとする。また、定電流源２とダイオードＤのアノードと比較器３の反転入力との接続点の電圧を順方向電圧Ｖｄとする。さらに、比較器３の出力とＤフリップフロップのディレイ入力との接続点の信号を出力信号ＣＯＮＴとする。また、論理積回路５の出力とスイッチＳＷ１の制御端子とカウンタ６との接続点の信号を周波数信号ＦＯＵＴとする。

さらに、スイッチＳＷ１は、論理積回路５の出力（周波数信号ＦＯＵＴ）がハイのとき、出力Ｐを選択し、定電流源１をコンデンサＣの他端へ接続する。また、スイッチＳＷ１は、論理積回路５の出力（周波数信号ＦＯＵＴ）がロウのとき、出力Ｑを選択し、定電流源１を共通電位ＣＯＭに接続する。

このような図４の従来例の動作について図５を用いて説明する。図５は、図４の従来例の動作波形を示す図である。図５の横軸は時間を示す。そして、図５（ａ）は電圧Ｖｃと順方向電圧Ｖｄとの波形を示し、図５（ｂ）は出力信号ＣＯＵＴの波形を示し、図５（ｃ）はクロック信号ＣＬの波形を示し、図５（ｄ）は周波数信号ＦＯＵＴを示す。

電圧Ｖｃが順方向電圧Ｖｄよりも小さいとき出力信号ＣＯＵＴはロウとなり、Ｄフリップフロップ４の出力Ｑはクロック信号ＣＬと同じとなり、周波数信号ＦＯＵＴはクロック信号ＣＬの反転となる。

また、電圧Ｖｃが順方向電圧Ｖｄよりも大きいとき出力信号ＣＯＵＴはハイとなり、Ｄフリップフロップ４の出力Ｑはハイとなり、周波数信号ＦＯＵＴはロウとなる。

さらに、周波数信号ＦＯＵＴがハイのとき、定電流源１はスイッチＳＷ１の出力Ｐを介してコンデンサＣを充電し、電圧Ｖｃは上昇する。

また、周波数信号ＦＯＵＴがロウのとき、スイッチＳＷ１の出力Ｐはオープンとなり、コンデンサＣは抵抗Ｒを介して放電し、電圧Ｖｃは低下する。

そして、周波数信号ＦＯＵＴがハイとなって電圧Ｖｃが上昇し、電圧Ｖｃが順方向電圧Ｖｄよりも大きくなると、周波数信号ＦＯＵＴはロウとなり、その後、電圧Ｖｃが低下する。また、周波数信号ＦＯＵＴがロウとなって電圧Ｖｃが低下し、電圧Ｖｃが順方向電圧Ｖｄよりも小さくなると、周波数信号ＦＯＵＴはクロック信号ＣＬの反転となり、その後、電圧Ｖｃが上昇する。
したがって、電圧Ｖｃはノコギリ状の波形となる。

まず、図４の従来例の正常動作を説明する。
温度が上昇すると、順方向電圧Ｖｄは低下し、電圧Ｖｃも低下し、周波数信号ＦＯＵＴのエッジの数が減少し、カウンタ６の値が減少する。また、温度が低下すると、順方向電圧Ｖｄは上昇し、電圧Ｖｃも上昇し、周波数信号ＦＯＵＴのエッジの数が増加し、カウンタ６の値が増加する。

つまり、温度が変化するとカウンタ６の値が変化する。このようにして、図４の従来例は、温度を測定する。

次に、図４の従来例において、コンデンサＣがオープンモードで故障した場合の動作を説明する。このとき、周波数信号ＦＯＵＴがハイとなると、電圧Ｖｃは直ちにハイで飽和し、出力信号ＣＯＵＴはハイとなる。また、周波数信号ＦＯＵＴがロウとなると、電圧Ｖｃは直ちにロウで飽和し、出力信号ＣＯＵＴはロウとなる。そして、周波数信号ＦＯＵＴのエッジの数はクロック信号ＣＬにおけるエッジの数の半分（１／２）となる。

特開２００４−８５３８４号公報

しかしながら、周波数信号ＦＯＵＴのエッジの数がクロック信号ＣＬのエッジにおける数の半分（１／２）となるときは、正常動作で生ずることもあり、図４の従来例は、コンデンサＣがオープンモードで故障したかどうかを判定できないという課題がある。

また、一般的に、図４の従来例において、コンデンサＣがオープンモードで故障したかどうかを判定するためには、コンデンサＣに対して特別な回路を用意する必要があり、複雑・高価という課題がある。

本発明の目的は、以上説明した課題を解決するものであり、内蔵するコンデンサが故障したかどうかを簡便に判定可能な温度センサ及びアナログ／デジタル変換器を提供することにある。

このような目的を達成する本発明は、次の通りである。
（１）コンデンサの電圧と温度に基づくダイオードの順方向電圧とを比較する比較器と、前記比較器の出力信号に基づきクロック信号を変調し周波数信号を生成する変調手段と、前記周波数信号に基づき前記コンデンサの充電と放電とを切替える第１スイッチと、前記周波数信号のエッジを計数するカウンタとを備える温度センサにおいて、前記第１スイッチの切替えの時刻から前記出力信号が変化する時刻までの長さに基づき前記コンデンサの故障を検出する検出回路を備えることを特徴とする温度センサ。
（２）前記第１スイッチを所定の時間優先的に切替える第２スイッチを備えることを特徴とする（１）記載の温度センサ。
（３）前記検出回路は、前記第２スイッチの切替えの時刻から前記周波数信号が変化する時刻までの長さに基づき前記コンデンサの故障を検出することを特徴とする（２）記載の温度センサ。
（４）前記変調回路は、ディレイ入力に前記出力信号を接続し、クロック入力に前記クロック信号を接続するＤフィリップフロップを備えることを特徴とする（３）記載の温度センサ。
（５）フィールド機器内に形成することを特徴とする（４）記載の温度センサ。
（６）コンデンサの電圧とアナログ電圧とを比較する比較器と、前記比較器の出力信号に基づきクロック信号を変調し周波数信号を生成する変調手段と、前記周波数信号に基づき前記コンデンサの充電と放電とを切替える第１スイッチと、前記周波数信号のエッジを計数するカウンタとを備えるアナログ／デジタル変換器において、前記第１スイッチの切替えの時刻から前記出力信号が変化する時刻までの長さに基づき前記コンデンサの故障を検出する検出回路を備えることを特徴とするアナログ／デジタル変換器。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
本発明によれば、内蔵するコンデンサが故障したかどうかを簡便・低コストに判定可能な温度センサ及びアナログ／デジタル変換器を提供できる。

また、本発明の温度センサ及びアナログ／デジタル変換器をフィールド機器内の回路に適用した場合は次のような効果がある。本発明によれば、安全性が高いフィールド機器を提供できる。また、本発明によれば、低いメンテナンスコストが小さいフィールド機器を提供できる。さらに、本発明によれば、製造コストが小さいフィールド機器を提供できる。

以下に図１に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例を示す構成図である。図４の従来例と同一の要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図１の実施例の特徴は、第２スイッチであるスイッチＳＷ２と検出回路１２とに係る構成にある。

第２スイッチであるスイッチＳＷ２の一方の入力を１に接続し、スイッチＳＷ２の他方の入力を０に接続する。そして、スイッチＳＷ２の入力は１または０の何れか一方を選択する。

また、論理和回路１１の一方の入力は論理積回路５の出力（周波数信号ＦＯＵＴ）に接続し、論理和回路１１の他方の入力はスイッチＳ２の出力に接続し、論理和回路１１の出力はスイッチＳＷ１の制御端子に接続する。つまり、第１スイッチであるスイッチＳＷ１の制御端子は、論理和回路１１を介して、論理積回路５の出力に接続する。

さらに、検出回路１２は、クロック信号ＣＬとスイッチＳ２の出力と周波数信号ＦＯＵＴとに接続する。また、検出回路１２は、スイッチＳ２の出力が変化する時刻から周波数信号ＦＯＵＴが変化する時刻までの長さ（時間）Ｔを測定する。そして、時間Ｔがクロック信号ＣＬに対して小さいときコンデンサＣが故障と判定する。

このような図１の実施例の動作を説明する。図１の実施例は、通常動作モードと故障診断動作モードとを有する。

まず、図１の実施例を定常動作させる場合の動作を説明する。このとき、スイッチＳＷ２の出力は０とし、周波数信号ＦＯＵＴと論理和回路１１の出力とは同じとなる。よって、このときの図１の実施例を動作は、図４の従来例の正常動作と同じとなる。

次に、図１の実施例を故障診断動作させる場合の動作を説明する。このとき、スイッチＳＷ２の入力を所定時間１とし、その後、スイッチＳＷ２の入力を０とする。

なお、スイッチＳＷ２の入力が１のとき、論理和回路１１の出力は１となり、スイッチＳＷ１は出力Ｐを選択し、定電流源１はコンデンサＣを充電する。つまり、スイッチＳＷ２はスイッチＳＷ１を優先的に切替える。

この場合の動作を図２及び図３を用いて詳しく説明する。図２は、図１の実施例のコンデンサＣが正常のときにおける故障診断動作の波形を示す図である。図２の横軸は時間を示す。そして、図２（ａ）はスイッチＳＷ２の出力の波形を示し、図２（ｂ）は電圧Ｖｃと順方向電圧Ｖｄとの波形を示し、図２（ｃ）は出力信号ＣＯＵＴの波形を示し、図２（ｄ）はクロック信号ＣＬの波形を示し、図２（ｅ）は周波数信号ＦＯＵＴを示す。

時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、即ち、時間（ｔ２−ｔ１）は、スイッチＳＷ２の入力を１とする。このとき、論理和回路１１の出力はハイとなり、定電流源１はスイッチＳＷ１の出力Ｐを介してコンデンサＣを充電し、電圧Ｖｃは上昇する。そして、出力信号ＣＯＵＴはハイとなり周波数信号ＦＯＵＴはロウとなる。また、時間（ｔ２−ｔ１）は、電圧Ｖｃがハイで十分飽和するようにする。

時刻ｔ２においてスイッチＳＷ２の出力を０とすると、スイッチＳＷ１の出力Ｐはオープンとなり、コンデンサＣは抵抗Ｒを介して放電し、電圧Ｖｃは緩やかに低下する。

そして、時刻ｔ３になると、電圧Ｖｃが順方向電圧Ｖｄよりも小さくなると、出力信号ＣＯＵＴはロウとなる。その後、周波数信号ＦＯＵＴはクロック信号ＣＬの反転となって時刻ｔ４にハイとなり、電圧Ｖｃは上昇する。

よって、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの長さはクロック信号ＣＬに対して長い時間を要する。そして、検出回路１２は、コンデンサＣが正常と判断する。

また、図３は、図１の実施例のコンデンサＣが故障のとき（オープンモードで故障した場合）における故障診断動作の波形を示す図である。図３の波形は図２の波形に対応している。

時間（ｔ２−ｔ１）は、スイッチＳＷ２の出力を１とする。このとき、論理和回路１１の出力はハイとなり、電圧Ｖｃは直ちにハイで飽和する。そして、出力信号ＣＯＵＴはハイとなり周波数信号ＦＯＵＴはロウとなる。

時刻ｔ２においてスイッチＳＷ２の出力を０とすると、電圧Ｖｃは直ちにロウで飽和する。そして、電圧Ｖｃが順方向電圧Ｖｄよりも小さくなり、出力信号ＣＯＵＴはロウとなる。

その後、周波数信号ＦＯＵＴはクロック信号ＣＬの反転となって時刻ｔ５にハイとなる。また、周波数信号ＦＯＵＴがハイとなると、電圧Ｖｃは直ちにハイで飽和し、出力信号ＣＯＵＴはハイとなる。そして、周波数信号ＦＯＵＴのエッジの数はクロック信号ＣＬのエッジの数の半分（１／２）となる。

よって、時刻ｔ２から時刻ｔ５までの長さはクロック信号ＣＬに対して短い時間を要する。そして、検出回路１２は、コンデンサＣが故障と判断する。

このようにして、図１の実施例は、コンデンサＣの故障を診断する。

そして、図１の実施例は、定電流源１、スイッチＳＷ１、比較器３等をコンデンサの故障の検出に有効に利用する。したがって、図１の実施例は、簡便・低コストに温度センサを形成できる。また、図１の実施例は、部品点数が少なく、消費電力が小さい。

また、フィールド機器内の回路に図１の実施例を適用すると、好適な特性となる。詳しくは、コンデンサＣの診断が遠隔から簡便にできる。また、フィールド機器（伝送器）の安全性が向上する。さらに、メンテナンスコストが容易となり、コストを小さくする。また、製造において不具合個所の特定を容易とする。

さらに、コンデンサＣの診断の結果を、上位のシステム（図示せず）に簡便に通知することが可能となる。

また、前述の実施例では、検出回路１２はスイッチＳＷ２の出力をトリガとして動作する構成であったが、これとは別に、検出回路１２はスイッチＳＷ１の切替えをトリガとして動作する構成であっても実質的に同等であり、同様の作用効果が得られる。

さらに、前述の実施例では、検出回路１２は周波数信号ＦＯＵＴをトリガとして動作する構成であったが、これとは別に、検出回路１２は出力信号ＣＯＵＴをトリガとして動作する構成であっても実質的に同等であり、同様の作用効果が得られる。

また、前述の実施例では、温度センサの場合を説明したが、これとは別に、図１の実施例において、ダイオードＤの順方向電圧Ｖｄを一般的なアナログ電圧とすれば、アナログ／デジタル変換器の場合であっても、実質的に同等となり、同様の作用効果が得られる。

以上のように、本発明は、前述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲でさらに多くの変更及び変形を含むものである。

本発明の一実施例を示す構成図である。 図１の実施例のコンデンサＣが正常のときにおける故障診断動作の波形を示す図である。 図１の実施例のコンデンサＣが故障のときにおける故障診断動作の波形を示す図である。 従来の温度センサを示す構成図である。 図４の従来例の動作波形を示す図である。

符号の説明

１，２ 定電流源
３ 比較器
４ Ｄフリップフロップ
５ 論理積回路
６ カウント
１１ 論理和回路
１２ 検出回路
Ｃ コンデンサ
Ｄ ダイオード
Ｒ 抵抗
ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチ
ＣＬ クロック信号
ＦＯＵＴ 周波数信号
Ｖｄ 順方向電圧

Claims (6)

1. コンデンサの電圧と温度に基づくダイオードの順方向電圧とを比較する比較器と、
   前記比較器の出力信号に基づきクロック信号を変調し周波数信号を生成する変調手段と、
   前記周波数信号に基づき前記コンデンサの充電と放電とを切替える第１スイッチと、
   前記周波数信号のエッジを計数するカウンタと
   を備える温度センサにおいて、
   前記第１スイッチの切替えの時刻から前記出力信号が変化する時刻までの長さに基づき前記コンデンサの故障を検出する検出回路を備えることを特徴とする温度センサ。
2. 前記第１スイッチを所定の時間優先的に切替える第２スイッチを備えることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。
3. 前記検出回路は、前記第２スイッチの切替えの時刻から前記周波数信号が変化する時刻までの長さに基づき前記コンデンサの故障を検出することを特徴とする請求項２記載の温度センサ。
4. 前記変調回路は、ディレイ入力に前記出力信号を接続し、クロック入力に前記クロック信号を接続するＤフィリップフロップを備えることを特徴とする請求項３記載の温度センサ。
5. フィールド機器内に形成することを特徴とする請求項４記載の温度センサ。
6. コンデンサの電圧とアナログ電圧とを比較する比較器と、
   前記比較器の出力信号に基づきクロック信号を変調し周波数信号を生成する変調手段と、
   前記周波数信号に基づき前記コンデンサの充電と放電とを切替える第１スイッチと、
   前記周波数信号のエッジを計数するカウンタと
   を備えるアナログ／デジタル変換器において、
   前記第１スイッチの切替えの時刻から前記出力信号が変化する時刻までの長さに基づき前記コンデンサの故障を検出する検出回路を備えることを特徴とするアナログ／デジタル変換器。
   

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