JP5171694B2 - 状態検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度等の物理量検出信号に重畳したノイズの影響を排除可能な状態検出装置に関するものである。

従来、熱電対等により温度等の物理量を検出する状態検出装置は、主に交流電源に起因するハムノイズの影響を排除するために、電源周波数に応じた検出周期で温度等の検出を行っていた。このような状態検出装置は、製造段階で、電源周波数の仕様に応じて、５０Ｈｚであれば検出周期を２０ｍｓ、６０Ｈｚであれば１６．７ｍｓと設定しておく。そのため、原則、設定変更はできなかった。そこで、個別に電源周波数が設定可能な複数の測定モジュールが装着されたモジュール型測定装置が、例えば特許文献１に開示されている。この測定装置では、測定モジュール毎に、電源周波数が設定できる積分型Ａ／Ｄ変換器が実装され、熱電対等が出力するアナログ信号の積分時間をユーザが任意に設定することができる。ただし、個別に設定する必要があり、取り扱いが煩雑であった。

このような設定の手間および取り扱いの煩雑さを解消するために、例えば特許文献２に開示された帰還形パルス幅変調Ａ／Ｄ変換器では、交流電源の周波数を自動的に検出し、その測定信号に基づいてアナログ信号を積分するようにしていた。これにより、アナログ信号に重畳したハムノイズを除去していた。

特開２００７−２９２５８８号公報 特開平５−６３５７５号公報

従来の状態検出装置は以上のように構成されているので、交流電源駆動型の状態検出装置であれば自動的に電源周波数を検出してハムノイズを除去することはできるが、直流電源駆動型の状態検出装置には適用されておらず従来方法ではハムノイズを除去できないという課題があった。また、従来の状態検出装置は、アナログ信号に重畳したハムノイズの周波数を検出してノイズ除去するものであって、ハムノイズを直接検出するものではなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、交流電源周波数を自動検出し、電源周波数に応じた周期で対象物の物理量を検出することができる直流電源駆動型の状態検出装置を提供することを目的とする。

この発明に係る状態検出装置は、商用電源を変換した直流電源で駆動し、対象物の物理量を検出する状態検出装置であって、電源絶縁部と、電源絶縁部の一端を入力するコンデンサ部と、コンデンサ部の出力した出力信号を増幅する増幅部と、増幅部の出力した増幅信号の周波数を算出する周波数算出部とを備えるようにしたものである。

この発明に係る状態検出装置は、周波数算出部が、所定周期のパルス信号を発生させるタイマ部と、パルス信号の所定周期間の増幅信号をカウントするか、増幅信号の所定周期間に発生したパルス信号をカウントするカウンタ部とを有して、増幅信号の周波数を算出するようにしたものである。

この発明に係る状態検出装置は、周波数算出部が任意のタイミングで算出した増幅信号の周波数を記憶する記憶部を備え、検出部は、記憶部に記憶された増幅信号の周波数に合わせて、対象物の物理量を検出するようにしたものである。

この発明に係る状態検出装置は、増幅部が、コンデンサ部の出力した出力信号を所定の電圧範囲内に制限する入力保護部と、所定の基準電位を出力する基準電位部と、出力信号と基準電位とを比較し、その差を増幅する比較部とを有するようにしたものである。

この発明に係る状態検出装置は、検出した物理量に基づいて対象物の状態を制御する状態制御部を備えるようにしたものである。

この発明によれば、直流電源とフレームグランドとの間の浮遊容量を検出して、交流の商用電源の周波数を算出するようにしたので、直流電源駆動型状態検出装置において、交流電源周波数を自動検出してこの周波数に応じた周期で対象物の物理量を検出することができる。よって、物理量検出の際にハムノイズの影響を排除することができる。

この発明によれば、タイマ部とカウンタ部を用いることにより、増幅信号の周波数を容易に算出することができる。

この発明によれば、任意のタイミングで算出した周波数に合わせて対象物の物理量を検出するようにしたので、物理量検出の際に発生しているハムノイズの周波数に合わせて物理量を検出することができる。

この発明によれば、コンデンサ部が出力する出力信号を所定の電圧範囲内に制限して比較器に入力して増幅するようにしたので、浮遊容量を安定して検出することができる。

この発明によれば、状態検出装置が交流電源周波数に応じた周期で対象物の物理量を検出するのでハムノイズの影響が排除でき、ハムノイズに影響されない物理量に基づいて状態を制御することができる。

この発明の実施の形態１に係る状態検出装置の構成を示す機能ブロック図である。 実施の形態１において、交流電源の周波数を検出するためのハム検出回路、ハム検出コンデンサ部およびＣＰＵロジック部の詳細構成を示すブロック図である。 図１に示すハム検出回路の構成を示す回路図である。 図１に示す状態検出装置を適用した状態検出装置の構成を示すブロック図である。 図１に示すハム検出回路のその他の構成を示す回路図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る状態検出装置１０の構成を示すブロック図である。実施の形態１では、検出対象の物理量を温度とし、センサ３に熱電対、測温抵抗体等を用いた温度検出装置を例にして説明する。図１に示す状態検出装置１０は、商用電源である交流電源１から供給される交流電力を、外部ＡＣ／ＤＣ絶縁電源２で直流電力に変換して入力するＤＣ電源駆動型装置である。この状態検出装置１０は、外部ＡＣ／ＤＣ絶縁電源２から供給される直流電力を、ロジック用トランス（変換部）１１ａでＣＰＵロジック部１２用に変換するロジック用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源（電源絶縁部）１１と、ロジック用トランス（変換部）１３ａで入力用Ａ／Ｄ変換部１４用に変換するアナログ用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源（電源絶縁部）１３とを有する。この入力用Ａ／Ｄ変換部１４は、熱電対、測温抵抗体等のセンサ３を接続し、センサ３の出力する検出信号をアナログデジタル変換し、その変換信号を絶縁Ｉ／Ｆ１５を介してＣＰＵロジック部１２へ出力する。そして、ＣＰＵロジック部１２で変換信号から温度値に換算する。

図１に示すように、状態検出装置１０は、センサ３の測温部からの熱起電力を入力し、入力用Ａ／Ｄ変換部１４等を介して対象物の温度を検出する検出部を備えた、直流電源駆動型の状態検出装置である。本装置の１次側を含めた電源回路、状態検出装置１０内部のロジック用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源１１等とフレームグランド（以下、ＦＧ）４の間にはそれぞれ所定の浮遊容量Ｃが発生するため、交流電源１とＦＧ４間に閉回路が形成され、例えば交流電源１から漏れる電流が、閉回路を流れてロジック用トランス１１ａ、ＣＰＵロジック部１２、浮遊容量結合、ＦＧ４、浮遊容量結合、交流電源１と流れる。そのため、ＦＧ４、ロジック用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源１１およびアナログ用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源１３のライン間には交流電源１の周波数成分がハムノイズとして重畳される。また、このハムノイズはセンサ３の検出信号にも重畳してしまう。
そこで、本実施の形態では、ＣＰＵロジック部１２とＦＧ４間の浮遊容量結合の場所に、ハム検出コンデンサ部１７（またはハム検出コンデンサ部１８）を接続し、ハム検出回路（増幅部）１６によってハム検出コンデンサ部１７（またはハム検出コンデンサ部１８）の出力信号から交流電源１の周波数を検出する。そして、検出した交流電源１の周波数に対応する周期でセンサ３の熱起電力を検出することによって、センサ３の検出信号に重畳したハムノイズの影響を排除する。

以下、交流電源１の周波数検出について説明する。図２は、交流電源１の周波数を検出するために用いるハム検出回路１６、ハム検出コンデンサ部１７およびＣＰＵロジック部１２の詳細構成を示すブロック図である。図２に示すように、ハム検出回路１６は、ローパスフィルタ部２１、入力保護部２２、比較部２３、および基準電位部２４から構成される。図３は、図２に示すハム検出回路１６の回路図の一例である。また、ハム検出回路１６の後段には、ＣＰＵロジック部１２が有する周波数算出部３０と、この周波数算出部３０で算出した交流電源１の周波数の情報を記憶しておく記憶部３３が接続される。

ハム検出コンデンサ部１７を用いて交流電源１の周波数を検出する場合、ハム検出コンデンサ部１７の一端をロジック用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源１１の一次側電源入力線に接続し、他端をハム検出回路１６に接続して、ハム検出コンデンサ部１７の電圧をハム検出回路１６で検出する。図３に例示すように、ローパスフィルタ部２１は抵抗器Ｒ１およびコンデンサＣ１を備え、ハム検出コンデンサ部１７が検出した信号をフィルタ処理する。入力保護部２２はダイオードＤ１，Ｄ２を備える。抵抗器Ｒ２，Ｒ３により、ローパスフィルタ部２１の出力信号が電源電圧範囲に収まるようバイアス電圧を印加すると共に、過電圧をカットして後段のコンパレータＣＰへ入力する。基準電位部２４は抵抗器Ｒ４、Ｒ５を備え、基準電位をコンパレータＣＰの基準入力端子に入力する。比較部２３はコンパレータＣＰ（オペアンプ、ＭＯＳＩＣ等）を備え、ローパスフィルタ部２１および入力保護部２２を介して入力したハム検出コンデンサ部１７の電圧を基準電位部２４から入力した基準電位と比較し、その差を増幅して増幅信号として出力する。また、コンパレータＣＰには抵抗器Ｒ６が接続され、比較部２３にヒステリシス特性を与える。なお、ハム検出回路１６においてローパスフィルタ部２１は省略してもよい。

このように、ハム検出コンデンサ部１７が出力するアナログ信号、即ち交流電源１の電源周波数を示す正弦波（ハムノイズ）をハム検出回路１６で増幅してパルス信号に変換する。
なお、ハム検出コンデンサ部１７に代えて、ハム検出コンデンサ部１８を用いた場合には、このハム検出コンデンサ部１８をアナログ用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源１３の二次側電源出力線に接続し、他端をハム検出回路１６に接続して、上記同様に増幅信号を得ればよい。ハム検出コンデンサ部１７またはハム検出コンデンサ部１８のどちらを用いてもハムノイズの周波数を検出することが可能であるが、ハム検出コンデンサ部１７を接続すればセンサ３側に流れる漏れ電流が少なくなるため、センサ３の検出信号に重畳するハムノイズ成分を少なくすることができる。

ハム検出回路１６が出力する増幅信号は、図２に示すＣＰＵロジック部１２の周波数算出部３０に入力され、この周波数算出部３０が増幅信号をもとに交流電源１の周波数を算出する。本実施の形態では、周波数算出部３０をタイマ部３１およびカウンタ部３２で構成する。このタイマ部３１は、所定周期のパルス信号を発生させて、カウンタ部３２へ出力する。
カウンタ部３２は、タイマ部３１で発生したパルス信号の１周期の間に、ハム検出回路１６が出力した増幅信号の振幅をカウントして、増幅信号の周波数を算出する。または、カウンタ部３２が、ハム検出回路１６が出力した増幅信号の１周期の間に、タイマ部３１で発生したパルス信号をカウントして、増幅信号の周波数を算出してもよい。このようにしてカウンタ部３２が算出した増幅信号の周波数が、交流電源１の電源周波数である。

状態検出装置１０において、センサ３の出力値を検出する周期を、ハム検出回路１６で算出した増幅信号の周期に対応させることにより、交流電源１に起因するハムノイズの影響を排除した出力値を検出することができる。このように、ハム検出コンデンサ部１７、ハム検出回路１６および周波数算出部３０を用いて周波数を直接かつ自動的に検出できるため、交流電源１の周波数を手動で設定する必要がない。なお、増幅信号の周波数の情報を、記憶部３３に格納しておき、必要に応じて読み出すことができるように構成してもよい。

次に、上述の交流電源１の周波数検出を利用して、センサ３の検出信号に重畳したハムノイズの影響を排除可能な状態検出装置４０について説明する。図４は、この発明の実施の形態１に係る状態検出装置１０を適用した状態検出装置４０のハードウェア構成を示すブロック図であり、図１〜３と同一または相当の部分については同一の符号を付す。また、図４において点線は絶縁を示す。なお、図４では、ハム検出回路１６およびハム検出コンデンサ部１７（またはハム検出コンデンサ部１８）は図示を省略する。直流電源駆動型の状態検出装置４０は、センサ３が増幅信号の周波数に応じた周期で検出した制御対象装置の物理量に基づいてアクチュエータ４３を動作させて、制御対象装置を制御するものである。

この状態検出装置４０は、周波数算出部３０の処理内容を記述したプログラム、センサ３の物理量検出処理、アクチュエータ４３の制御処理内容を記述したプログラム等を格納しているＲＯＭ／ＲＡＭプログラム部５１と、ＲＯＭ／ＲＡＭプログラム部５１に格納されたプログラムを実行して周波数算出部３０の処理、センサ３の物理量検出処理、アクチュエータ４３の制御処理等を行うＣＰＵ５２とを有する。ＲＯＭ／ＲＡＭプログラム部５１およびＣＰＵ５２は、図１，２に示すＣＰＵロジック部１２に相当する。
また、ＣＰＵ５２は表示／操作部５４の動作を制御し、外部からの入力操作を受け付けると共に、外部への表示を行う。また、ＣＰＵ５２は通信部５５の動作を制御し、外部の上位装置等と通信を行って外部から入力情報を受け付けたり、物理量の検出結果（即ち温度検出結果）を出力したりする。

不揮発メモリ５３は図２に示す記憶部３３に相当し、周波数算出部３０で算出した交流電源１の周波数の情報を格納しておく。例えば、図４に示す状態検出装置４０の電源投入時の電源確立直後、所定の周期、表示／操作部５４で手動操作による指示があったとき等に、不図示のハム検出コンデンサ部１７（またはハム検出コンデンサ部１８）、ハム検出回路１６および周波数算出部３０が上述した一連の処理を行って交流電源１の周波数を算出し、不揮発メモリ５３にその周波数の情報を記憶させておく。そして、ＣＰＵ５２がセンサ３の物理量検出処理を行う際に、不揮発メモリ５３に格納された交流電源１の周波数の情報を参照してセンサ３の検出周期を決定する。そして、ＣＰＵ５２は、その検出周期に合わせて検出した物理量に基づいてアクチュエータ４３の制御を行う。

ＣＰＵ５２が、アクチュエータ４３の動作を制御するための制御信号を出力すると、出力用Ｄ／Ａ変換部４２がこの制御信号をデジタルアナログ変換してアクチュエータ４３へと出力する。この出力用Ｄ／Ａ変換部４２は、外部ＡＣ／ＤＣ絶縁電源２から供給される直流電力をアナログ出力用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源４１で出力用Ｄ／Ａ変換部４２用に変換した直流電力で駆動する。

以上のように、実施の形態１によれば、商用電源である交流電源１を外部ＡＣ／ＤＣ絶縁電源２で変換した直流電力で駆動し、対象物の物理量を検出する状態検出装置１０であって、この直流電力をＣＰＵロジック部１２用に変換するロジック用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源１１が有するロジック用トランス１１ａの一端を入力するハム検出コンデンサ部１７と、ハム検出コンデンサ部１７の出力した出力信号を増幅するハム検出回路１６と、ハム検出回路１６の出力した増幅信号の周波数を算出する周波数算出部３０と、外部ＡＣ／ＤＣ絶縁電源２で変換した直流電源を変換するアナログ用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源１３と、このアナログ用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源１３の直流電力で駆動する入力用Ａ／Ｄ変換部１４と、対象物の物理量を検出するセンサ３とを備えるように構成した。このため、ロジック用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源１１とＦＧ４との間の浮遊容量を検出して、交流電源１の周波数を算出することができる。よって、直流電源駆動型の状態検出装置１０において、交流電源１の電源周波数を自動検出して、この周波数に応じた周期で対象物の物理量を検出することが可能となり、物理量検出の際にハムノイズの影響を排除することができる。

また、周波数算出部３０が、所定周期のパルス信号を発生させるタイマ部３１と、このパルス信号の所定周期間の増幅信号をカウントするカウンタ部３２とを有して、増幅信号の周波数を算出するように構成した。このため、増幅信号の周波数を容易に算出することができる。
なお、カウンタ部３２が、増幅信号の所定周期間にタイマ部３１が発生させたパルス信号をカウントするように構成しても、同様の効果が得られる。

また、ハム検出回路１６が、ハム検出コンデンサ部１７の出力した出力信号を所定の電圧範囲内に制限する入力保護部２２と、所定の基準電位を出力する基準電位部２４と、出力信号と基準電位とを比較し、その差を増幅する比較部２３とを有するように構成した。このため、浮遊容量を安定して検出することができる。

また、状態検出装置１０にアナログ出力用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源４１、出力用Ｄ／Ａ変換部４２、アクチュエータ４３等からなる状態制御部を組み合わせた状態検出装置４０は、ハムノイズの影響を排除したセンサ３の出力値に基づいて対象物の状態を制御することができる。なお、アナログ出力用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源４１の一端にハム検出コンデンサ部を接続して、交流電源１の周波数を検出することも可能である。

なお、ハム検出コンデンサ部１７に代えてハム検出コンデンサ部１８を用い、アナログ用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源１３の有するロジック用トランス１３ａの一端にハム検出コンデンサ部１８を接続する構成の場合にも、ハム検出コンデンサ部１７を用いた場合と同様の効果が得られる。

また、上記実施の形態１では、ハム検出コンデンサ部１７またはハム検出コンデンサ部１８を用いて交流電源１の周波数を検出する構成であったが、これ以外にも浮遊容量を検出できる場所であればハム検出コンデンサ部を接続することができる。例えば、絶縁されたセンサ線、絶縁された通信のＧＮＤ信号等にハム検出コンデンサ部の一端を接続すれば、交流電源１の周波数を検出することが可能となる。

図５は、上記実施の形態１に示すハム検出回路のその他の構成を示す回路図である。図５において図３と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。図５の例では、状態検出装置内に、ＦＧ線として通信コネクタ用シールド６０が配線されている。この通信コネクタ用シールド６０は、一端がＦＧに接続され、他端が通信コネクタ６１に接続されている。通信コネクタ６１には通信ケーブルが接続されて、例えば図４の通信部５５が外部と通信を行うための通信信号を出力する。このように装置内にＦＧ線があれば、ＦＧ線である通信コネクタ用シールド６０に状態検出装置の金属筐体６２とハム検出コンデンサ部１９の一端とを接続し、ハム検出コンデンサ部１９の他端をハム検出回路に接続してハム検出回路で電圧を検出する。この構成の場合であっても、金属筐体６２とＦＧとの間の浮遊容量を検出して、交流電源１の周波数を得ることができる。

１ 交流電源（商用電源）
２ 外部ＡＣ／ＤＣ絶縁電源
３ センサ
４ ＦＧ
１０，４０ 状態検出装置
１１ ロジック用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源（電源絶縁部）
１１ａ ロジック用トランス（変換部）
１２ ＣＰＵロジック部
１３ アナログ用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源（電源絶縁部）
１３ａ ロジック用トランス（変換部）
１４ 入力用Ａ／Ｄ変換部
１５ 絶縁Ｉ／Ｆ
１６ ハム検出回路（増幅部）
１７，１８，１９ ハム検出コンデンサ部（コンデンサ部）
２１ ローパスフィルタ部
２２ 入力保護部
２３ 比較部
２４ 基準電位部
３０ 周波数算出部
３１ タイマ部
３２ カウンタ部
３３ 記憶部
４１ アナログ出力用ＤＣ／ＤＣ絶縁電源（電源絶縁部）
４２ 出力用Ｄ／Ａ変換部（状態制御部）
４３ アクチュエータ（状態制御部）
５１ ＲＯＭ／ＲＡＭプログラム部
５２ ＣＰＵ
５３ 不揮発メモリ
５４ 表示／操作部
５５ 通信部
６０ 通信コネクタ用シールド
６１ 通信コネクタ
６２ 金属筐体

Claims (8)

1. 商用電源を変換した直流電源で駆動し、対象物の物理量を検出する状態検出装置であって、
   電源絶縁部と、
   前記電源絶縁部の一端を入力するコンデンサ部と、
   前記コンデンサ部の出力した出力信号を増幅する増幅部と、
   前記増幅部の出力した増幅信号の周波数を算出する周波数算出部とを備えたことを特徴とする状態検出装置。
2. 電源絶縁部は、直流電源を入力し、所定の直流電圧に変換する変換部であることを特徴とする請求項１記載の状態検出装置。
3. 電源絶縁部は、グランド接続されている本装置の筐体であることを特徴とする請求項１記載の状態検出装置。
4. 周波数算出部は、所定周期のパルス信号を発生させるタイマ部と、当該パルス信号の所定周期間の増幅信号をカウントするカウンタ部とを有して、当該増幅信号の周波数を算出することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の状態検出装置。
5. 周波数算出部は、所定周期のパルス信号を発生させるタイマ部と、増幅信号の所定周期間に発生した当該パルス信号をカウントするカウンタ部とを有して、当該増幅信号の周波数を算出することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の状態検出装置。
6. 周波数算出部が任意のタイミングで算出した増幅信号の周波数を記憶する記憶部を備え、
   前記記憶部に記憶された増幅信号の周波数に合わせて、対象物の物理量を検出することを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の状態検出装置。
7. 増幅部は、コンデンサ部の出力した出力信号を所定の電圧範囲内に制限する入力保護部と、所定の基準電位を出力する基準電位部と、前記出力信号と前記基準電位とを比較し、その差を増幅する比較部とを有することを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の状態検出装置。
8. 検出した物理量に基づいて対象物の状態を制御する状態制御部を備えることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の状態検出装置。

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