JP5178605B2

JP5178605B2 - 状態制御装置

Info

Publication number: JP5178605B2
Application number: JP2009082509A
Authority: JP
Inventors: 直紀長嶋
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP2010236902A

Description

この発明は、状態制御装置に関するものである。

ＲＴＤ（Resistance Temperature Detector）センサで温度検出する温度調節計等の制御機器では、例えば測温抵抗体に定電流を流し、測温抵抗の起電力を増幅してＡ／Ｄ変換器に取り込んで検出している。この構成において、測温抵抗体側で断線が生じると、Ａ／Ｄ変換器への入力信号が所定の閾値より上昇するため、断線を検出することができる。

また、従来の上記制御機器では、測温抵抗体と増幅器との間にＲＣフィルタを設けて外来ノイズを除去している。なお、交流電源に起因するノイズを除去するためには、時定数の大きなＲＣフィルタが必要である。一方、断線時にＲＣフィルタのコンデンサに充電された充電電荷は、断線箇所を復旧してＲＣフィルタの抵抗を介して放電させる必要がある。また、断線時には、正常時の測温抵抗体の起電力よりも大きな電圧が増幅器に入力され、増幅器がいわゆる飽和状態となっているため、断線箇所を復旧しても増幅器が飽和状態から正常状態に回復しなければ正常な検出ができない。使用条件にもよるが、汎用的な増幅器（オペアンプ）では飽和状態からの回復時間に数分要するものもあり、断線復旧後は正常な起電力検出までに時間を要するという問題がある。

そこで、定電圧源を備えた熱電対の信号処理装置において、通常時は断線検出用の電圧（＋２Ｖ）を印加して断線を検出し、断線検出後は逆電圧（−２Ｖ）を印加してコンデンサの充電電荷を速やかに放電させる構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、この特許文献１には、断線した熱電対を取り外して抵抗付きプラグに繋いで、充電電荷を放電させる手法も開示されている。

特開２００２−１７４５５５号公報

しかしながら、特許文献１に開示される従来の技術では、複数の熱電対を並列配置する場合、断線した熱電対系統と正常な熱電対系統での協調制御が別途必要となり、構成が複雑化するという課題があった。

また、ＲＴＤセンサを用いて高精度な温度検出を行うためには、定電圧源を用いた方式よりも定電流源を用いた方式が有利であり、定電流源を用いた構成に特許文献１の発明を適用すると構成が複雑になる。また、抵抗付きプラグを用いても、ＲＣフィルタの抵抗を介して放電させることに変わりはない。さらに、増幅器の飽和状態からの回復時間の短縮は考慮されていない。

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、汎用的な増幅器を用いてもＲＴＤ断線時の復帰時間を短縮できる、定電流源を用いた状態制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る状態制御装置は、測温抵抗部と、測温抵抗部の両端に所定の電流を供給する定電流源部と、測温抵抗部の検出信号に含まれるノイズを除去するＲＣフィルタ回路と、検出信号を増幅し、デジタル変換して検出する検出部と、検出部と並列に接続されたスイッチと、検出信号の値に応じてスイッチの開閉を制御する制御部とを備えるものである。

この発明によれば、測温抵抗部の測温抵抗部両端側配線が断線して定電流源からの電流によりＲＣフィルタ回路のコンデンサが充電された際、検出部と並列に接続されたスイッチを閉として当該コンデンサの電荷を放電させるので、断線箇所を復旧しなくても速やかにコンデンサの充電電荷を放電させることができる。また検出部と並列に接続されたスイッチを閉として、検出部への入力電圧を低く制限することで、断線復旧後の飽和状態からの回復時間を短縮することができるため断線復旧後の正常な検出を継続することができるという効果がある。

この発明の実施の形態１による状態制御装置の構成を示す図である。定電流源の一例を示す図である。この発明の実施の形態２による状態制御装置の構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による状態制御装置の構成を示す図である。図１において、実施の形態１による状態制御装置１は、ＲＴＤセンサ（測温抵抗部）２、定電流源３、フィルタ回路（ＲＣフィルタ回路）４、スイッチ５、検出部６、及び制御部７を備える。ＲＴＤセンサ２は、周囲温度に応じて抵抗値が変化する３線式結線の測温抵抗体である。なお、ＲＴＤセンサ２は、ラインＬ３で基準抵抗８を介して基準電位点（接地電位）に接続している。

定電流源３は、ＲＴＤセンサ２の一方の端子に電流供給ラインＬ１を介して接続し、ＲＴＤセンサ２の他方の端子に電流供給ラインＬ２を介して接続して、所定の一定電流をそれぞれ供給する電流源である。定電流源３は、例えば図２に示すように電源（電圧Ｖｃｃ）に接続された抵抗Ｒ、トランジスタ及びこのトランジスタのゲート電圧を調整する演算増幅器で構成され、トランジスタを流れる電流Ｉを出力電流として供給する。なお、図２において、例えば、Ｖｃｃ＝５Ｖ、Ｖｒｅｆ＝０．５Ｖ、Ｒ＝５００Ωとすれば、１ｍＡの定電流を流すことができる。

フィルタ回路４は、抵抗４１及びコンデンサ４２から構成されたＲＣフィルタであり、ＲＴＤセンサ２の検出信号である、電流供給ラインＬ１，Ｌ２間の電圧値信号に含まれるノイズを除去する。なお、抵抗４１は、電流供給ラインＬ１とコンデンサ４２の一端に接続しており、コンデンサ４２は、電流供給ラインＬ１と検出部６との間の経路及び電流供給ラインＬ２と検出部６との間の経路のそれぞれに跨って検出部６と並列に接続されている。

スイッチ５は、コンデンサ４２と同様に、電流供給ラインＬ１と検出部６との間の経路及び電流供給ラインＬ２と検出部６との間の経路のそれぞれに跨って検出部６と並列に接続されており、これら経路間の接続を開閉する。

検出部６は、増幅部６１及びＡ／Ｄ変換部６２を備え、ＲＴＤセンサ２の検出信号である、電流供給ラインＬ１，Ｌ２間の電圧値信号をデジタル信号として検出して制御部７へ出力する構成部である。増幅部６１は、電流供給ラインＬ１，Ｌ２間の電圧値信号を増幅してＡ／Ｄ変換部６２へ出力する。Ａ／Ｄ変換部６２は、増幅部６１で増幅された電圧値信号をデジタル信号に変換して制御部７へ出力する。制御部７は、検出部６からの検出信号の値（電流供給ラインＬ１，Ｌ２間の電圧値）に応じて、スイッチ５の開閉を制御する構成部である。

次に動作について説明する。
定電流源３からの一定電流は、電流供給ラインＬ１からＲＴＤセンサ２、ラインＬ３及び基準抵抗８を介して基準電位点へ流れ、電流供給ラインＬ２からＲＴＤセンサ２、ラインＬ３及び基準抵抗８を介して基準電位点へ流れる。ここで、周囲温度が変化してＲＴＤセンサ２の抵抗値が変化し、これに応じて値が変化した電流供給ラインＬ１，Ｌ２間の電圧値信号が検出部６を介して制御部７へ出力される。

制御部７では、検出部６からの検出信号の値（電流供給ラインＬ１，Ｌ２間の電圧値）と所定の範囲を比較し、当該検出信号の値が所定の範囲内であると、ＲＴＤセンサ２側のラインに断線がなく、通常動作時であるものとしてスイッチ５を開とする。このとき、電流供給ラインＬ１，Ｌ２間の電圧値によって、制御部７がＲＴＤセンサ２の周囲温度を計測する。

ＲＴＤセンサ２側のラインＬ１，Ｌ２のいずれかが断線すると、基準電位点への経路が絶たれた定電流源３からの電流が抵抗４１を介してコンデンサ４２に与えられて充電が行われる。コンデンサ４２が充電されると、コンデンサ４２の端子電圧が徐々に上昇し、これに応じて増幅部６１の出力電圧も増加する。この電圧信号がＡ／Ｄ変換部６２によりデジタル信号に変換されて制御部７へ出力される。

制御部７では、検出部６からの検出信号値（電流供給ラインＬ１，Ｌ２間の電圧値）が所定の範囲を外れると、ＲＴＤセンサ２側のラインが断線したものと判断してスイッチ５を閉とする。このとき、定電流源３からの一定電流は所定の抵抗を有するスイッチ５に流れ、スイッチ５の抵抗によってコンデンサ４２の充電電荷が放電される。これにより、断線箇所を復旧しなくても、コンデンサ４２に蓄えられた電荷を放電させることができる。
また、増幅部への入力電圧を所定の範囲に制限させるため、断線復旧後の飽和状態からの回復時間を短縮することができ、断線復旧後の正常な検出を継続することができる。

制御部７で比較される所定の範囲は、定電流源３、ＲＴＤセンサ２、基準抵抗８等に基づいて、０又は負値から正値の範囲として設定する。これは、ラインＬ１が断線した場合はラインＬ１，Ｌ２間の電位は正となるが、一方、ラインＬ２が断線した場合にはラインＬ１，Ｌ２間の電位が負となるからである。例えば、正値として測温対象の上限温度が設定される。具体的には、定電流源３からの定電流を１ｍＡ、ＲＴＤセンサ２をＰｔ１００Ωとし、上限８５０℃までの測定であれば、０．４Ｖ程度に設定すればよい。

従来の構成として、図１の構成においてスイッチ５がなく、定電流源３への入力電圧を５Ｖ、定電流を１ｍＡ、ＲＴＤセンサ２をＰｔ１００Ω、基準抵抗８を１ｋΩとしたものを例に挙げる。
本構成において、ラインＬ１が断線した場合、ラインＬ１の電位は約５Ｖまで上昇し、ラインＬ２の電位は約１Ｖとなり、コンデンサ４２と増幅部６１に４Ｖの電圧が入力される。増幅部６１は、この入力電圧を増幅する動作を行うため、いわゆる飽和状態となり、この状態で断線箇所を復旧しても、増幅部６１が汎用的なオペアンプの場合、正常状態に回復するまでに数十秒以上要する。この間にコンデンサ４２の充電電荷を放電させることができても、結局は増幅部６１が回復するまで正常な検出を行うことができない。

一方、本実施の形態では、例えばスイッチ５を閉とする閾値範囲の正値を０．４Ｖとすれば、コンデンサ４２には０．４Ｖ充電されるのみで、増幅部（オペアンプ）６１への入力電圧も０．４Ｖに制限することができ、飽和状態となるのを防ぐことができる。また、スイッチ５の抵抗値は抵抗４１よりも一般的に小さいので、コンデンサ４２の充電電荷を従来よりも早く放電させることができる。

次に、上記従来の構成において、ラインＬ２が断線した場合、ラインＬ１の電位は約１Ｖとなり、一方、ラインＬ２の電位は約５Ｖまで上昇し、コンデンサ４２と増幅部６１とに−４Ｖの電圧が入力される。増幅部６１は、この入力電圧を増幅する動作を行うため、いわゆる飽和状態となり、この状態で断線箇所を復旧しても、増幅部６１が汎用的なオペアンプである場合、正常状態に回復するまでに数十秒以上要する。この間にコンデンサ４２の充電電荷を放電させることができても、結局は増幅部６１が回復するまで正常な検出を行うことができない。

これに対し、本実施の形態では、例えばスイッチ５を閉とする閾値範囲の負値を０Ｖとすれば、制御部７が、増幅部への入力電圧が０Ｖ未満（マイナス領域）に入った段階で、スイッチ５を閉とするため、増幅部（オペアンプ）６１への入力電圧もほぼ０Ｖ程度に制限することができ、飽和状態となるのを防ぐことができる。
なお、検出部６からの検出信号値が所定の範囲を外れた際、制御部７が、不図示の警報装置を制御して断線が発生した旨を警報するように構成してもよい。

また、制御部７は、検出部６からの検出信号値が所定の範囲を外れた場合、スイッチ５を閉とし、所定の周期毎に、スイッチ５を開として、検出部６に検出信号を検出させた後にスイッチ５を閉とする操作を繰り返し行い、当該検出信号の値が所定の範囲内になると、以後、スイッチ５を開とするようにしてもよい。制御部７は、検出部６からの検出信号値が所定の範囲を外れると、スイッチ５を閉とし、所定時間経過後にスイッチ５を開として、検出部６に検出信号を検出させ、当該検出信号の値が所定の範囲内であるとスイッチ５を開とするようにしてもよい。

さらに、制御部７は、検出部６からの検出信号値が所定の範囲を外れた場合、スイッチ５を閉とすると共に警報信号を出力し、外部入力により、スイッチ５を開として、検出部６により検出信号を検出し、当該検出信号の値が所定の範囲外であると、スイッチ５を閉とするようにしてもよい。なお、外部入力は、上位機器等からの入力信号や本状態制御装置の操作入力によるものなど何でもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、ＲＴＤセンサ２側のラインＬ１，Ｌ２のいずれかが断線して定電流源３からの電流によりフィルタ回路４のコンデンサ４２が充電された際、検出部６と並列に接続されたスイッチ５を閉として、増幅部６１への入力電圧が所定の範囲に制限されるため、増幅部６１の断線復旧後の飽和状態からの回復時間を短縮することができる。また、断線箇所を復旧しなくてもＲＴＤセンサ２側の断線により生じたコンデンサ４２の充電電荷を速やかに放電させることができ、断線復旧後の正常な検出を継続することができる。

なお、ＲＴＤセンサ２側のＬ３が断線した場合は、例えば、図示しない別の検出部にてラインＬ２の電位を検出し、制御部７は、この検出信号の値が所定の閾値より超過している場合は、不図示の警報装置を制御して断線が発生した旨を警報するように構成してもよい。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２による状態制御装置の構成を示す図である。図２において、実施の形態２による状態制御装置１Ａは、ＲＴＤセンサ２、定電流源３、ＲＣフィルタ回路４、スイッチ５ａ，５ｂ、検出部６及び制御部７を備える。スイッチ５ａは、電流供給ラインＬ１と一端が接続し、他端が直流電源９ａを介して基準電位点（接地電位）に接続しており、スイッチ５ｂは、電流供給ラインＬ２と一端が接続し、他端が直流電源９ｂを介して基準電位点（接地電位）に接続している。なお、図２において、スイッチ５ａ，５ｂ以外の構成要素については、図１と同一若しくはそれに相当する構成要素であるので、同一符号を付して説明を省略する。

次に動作について説明する。
通常時（断線していない時）の動作は、上記実施の形態１と同様であるので、断線時の動作を詳細に説明する。
制御部７では、ＲＴＤセンサ２側のラインＬ１，Ｌ２のいずれかが断線し、検出部６からの検出信号値（電流供給ラインＬ１，Ｌ２間の電圧値）が所定の範囲を外れると、ＲＴＤセンサ２側のラインが断線したものと判断してスイッチ５ａ，５ｂを閉とする。このとき、定電流源３からの一定電流は所定の抵抗を有するスイッチ５ａ，５ｂ、直流電源９ａ，９ｂ側に流れると共に、スイッチ５ａと５ｂの抵抗値及び直流電源９ａと９ｂの電圧を同一とすれば、ラインＬ１とラインＬ２の電位は同電位となり、増幅部６１への入力電圧を下げることができる。また、抵抗４１によってコンデンサ４２の充電電荷が放電される。これにより、増幅部６１の断線復旧後の飽和状態からの回復時間を短縮することができる。また断線箇所を復旧しなくてもコンデンサ４２に蓄えられた電荷を放電させることができ、断線復旧後の正常な検出を継続することができる。なお、検出部６からの検出信号値が所定の範囲を外れた際、制御部７が、不図示の警報装置を制御して断線が発生した旨を警報するように構成してもよい。

また、直流電源９ａ，９ｂの代わりに、同一抵抗値の基準抵抗を入れてもよい。この場合も、スイッチ５ａと５ｂの抵抗値を同一とすれば、ラインＬ１とラインＬ２の電位は同電位となり、増幅部への入力電圧を下げることができる。

さらに、制御部７は、検出部６からの検出信号値が所定の閾値を超過すると、スイッチ５ａ，５ｂを閉とし、所定時間経過後にスイッチ５ａ，５ｂを開として、検出部６に検出信号を検出させ、当該検出信号の値が所定の閾値以内であると、スイッチ５ａ，５ｂを開とするようにしてもよい。

さらに、制御部７は、検出部６からの検出信号値が所定の範囲を超過した場合、スイッチ５ａ，５ｂを閉とすると共に警報信号を出力し、外部入力により、スイッチ５ａ，５ｂを開として、検出部６により検出信号を検出し、当該検出信号の値が所定の範囲外であると、スイッチ５ａ，５ｂを閉とするようにしてもよい。なお、外部入力は上位機器等からの入力信号や本状態制御装置の操作入力によるものなど何でも良い。

以上のように、この実施の形態２によれば、ＲＴＤセンサ２側が断線して定電流源３からの電流によりフィルタ回路４のコンデンサ４２が充電された際、ＲＴＤセンサ２の両端と所定の基準電位点との間にそれぞれ接続されたスイッチ５ａ，５ｂを閉として、増幅部６１への入力電圧を制限できるため、増幅部６１の断線復旧後の飽和状態からの回復時間を短縮することができる。また断線箇所を復旧しなくてもＲＴＤセンサ２側の断線により生じたコンデンサ４２の充電電荷を速やかに放電させることができ、断線復旧後の正常な検出を継続することができる。

また、上記実施の形態１，２では、測温抵抗部としてＲＴＤセンサ２を利用する場合を示したが、ラインＬ１，Ｌ３に熱電対を接続した構成としても、同様の効果を得ることができる。なお、熱電対を接続する場合は、定電流源３の構成をラインＬ２からの電流を吸い込む構成に変更することは言うまでもない。

１，１Ａ状態制御装置
２ＲＴＤセンサ（測温抵抗部）
３定電流源
４フィルタ回路（ＲＣフィルタ回路）
５，５ａ，５ｂスイッチ
６検出部
７制御部
８基準抵抗
９，９ａ，９ｂ直流電源
４１抵抗
４２コンデンサ
６１増幅部
６２Ａ／Ｄ変換部

Claims

測温抵抗部と、
前記測温抵抗部の両端に所定の電流を供給する定電流源部と、
前記測温抵抗部の検出信号に含まれるノイズを除去するＲＣフィルタ回路と、
前記検出信号を増幅し、デジタル変換して検出する検出部と、
前記検出部と並列に接続されたスイッチと、
前記検出信号の値に応じて前記スイッチの開閉を制御する制御部とを備えた状態制御装置。
測温抵抗部と、
前記測温抵抗部の両端に所定の電流を供給する定電流源部と、
前記測温抵抗部の検出信号に含まれるノイズを除去するＲＣフィルタ回路と、
前記検出信号を増幅し、デジタル変換して検出する検出部と、
前記測温抵抗部の両端と所定の基準電位点との間にそれぞれ接続されたスイッチと、
前記検出信号の値に応じて前記スイッチの開閉を制御する制御部とを備えた状態制御装置。
制御部は、検出信号の値が所定の範囲内であるとスイッチを開とし、前記検出信号の値が前記所定の範囲を外れると前記スイッチを閉とすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の状態制御装置。
制御部は、検出信号の値が所定の閾値を外れると、スイッチを閉とし、所定の周期毎に、前記スイッチを開として、検出部により前記検出信号を検出した後に前記スイッチを閉とする操作を繰り返し行い、当該検出信号の値が前記所定の範囲内になると、前記スイッチを開とすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の状態制御装置。
制御部は、検出信号の値が所定の範囲を外れると、スイッチを閉とし、外部入力により前記スイッチを開として、検出部により検出信号を検出し、当該検出信号の値が前記所定の範囲外であると、前記スイッチを閉とすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の状態制御装置。