JP5382362B2 - 測温抵抗体回路 - Google Patents

Description

本発明は、測温抵抗体回路に関し、詳しくは、IEC61508で制定されている電気・電子・プログラマブル電子安全関連の機能安全を確保する規格に適応した安全計装システムで用いられる測温抵抗体の断線検出を含む回路の自己診断の改良に関するものである。

たとえば制御対象の温度制御を行うように構成されたプロセス制御システムで用いられている温度センサの一種に、温度と抵抗値の関数関係が既知の測温抵抗体がある。

図３は、従来の測温抵抗体回路の一例を示す回路図である。図３において、測温抵抗体１は３端子Ｔａ〜Ｔｃを有するものであり、その抵抗値をＲｔとする。各端子Ｔａ〜Ｔｃはそれぞれリード線２ａ〜２ｃを介して接続されていて、これらのリード線２ａ〜２ｃは同質線材で長さが等しくてそれぞれの抵抗値はｒで等しいものとする。

端子Ｔａ〜Ｔｃは、切替器３の固定接点ａ〜ｃに接続されている。切替器３の可動接点ｄ，ｅは連動して固定接点ａ〜ｃ間で切替駆動されるものであって、初期状態を実線で示し、切替状態を破線で示している。すなわち、初期状態では可動接点ｄは固定接点ａに接続されて可動接点ｅは固定接点ｂに接続され、切替状態では可動接点ｄは固定接点ｂに接続されて可動接点ｅは固定接点ｃに接続される。

切替器３の可動接点ｄ，ｅにはＡ／Ｄ変換器４が接続され、Ａ／Ｄ変換器４には演算部５が接続されている。端子Ｔａには駆動電流Ｉ１を出力する電流源６が接続され、端子Ｔｂには選択的にスイッチ７を介してバーンアウト検出電流Ｉｂｄを出力するバーンアウト検出電流源８が接続され、端子Ｔｃは抵抗値Ｒｂを有する抵抗９を介して共通電位点に接続されている。

このような構成において、電流源６→端子Ｔａ→リード線２ａ→測温抵抗体１→リード線２ｃ→端子Ｔｃ→抵抗９の経路を経て、電流源６から共通電位点に駆動電流Ｉ１が流れる。

Ａ／Ｄ変換器４は、切替器３の可動接点ｄ，ｅが初期状態のときに端子Ｔａの電圧Ｖａと端子Ｔｂの電圧Ｖｂとの差分電圧Ｖａ−Ｖｂをデジタル信号に変換して演算部５に出力し、切替器３の可動接点ｄ，ｅが切替状態のときに端子Ｔｂの電圧Ｖｂと端子Ｔｃの電圧Ｖｃとの差分電圧Ｖｂ−Ｖｃをデジタル信号に変換して演算部５に出力する。

ここで、各端子Ｔａ〜Ｔｃの電圧Ｖａ〜Ｖｃは、
Ｖａ＝Ｉ１（２ｒ＋Ｒｔ＋Ｒｂ） （１）
Ｖｂ＝Ｉ１（ｒ＋Ｒｂ） （２）
Ｖｃ＝Ｉ１（Ｒｂ） （３）
であることから、
Ｖａ−Ｖｂ＝（１）−（２）
＝Ｉ１（ｒ＋Ｒｔ） （４）
Ｖｂ−Ｖｃ＝（２）−（３）
＝Ｉ１（ｒ） （５）
になる。

これらから、演算部５で（４）−（５）の演算を行うことにより、測温抵抗体１の抵抗値Ｒｔのみを求めることができ、制御対象の温度を測定できる。
（４）−（５）＝Ｉ1（Ｒｔ） （６）

図３の回路構成において、リード線２ａや２ｃが断線すると、これらは駆動電流Ｉ１の経路であるため、端子Ｔａ，Ｔｂ間の電圧［Ｖａ−Ｖｂ］や端子Ｔｂ，Ｔｃ間の電圧［Ｖｂ−Ｖｃ］が、電流源側は電源電圧へ共通電位点側は共通電位点にそれぞれ振り切れることになり、測温抵抗体１の抵抗値測定中に即時検出できる。

ところが、駆動電流Ｉ１が流れないリード線２ｂが断線すると、端子Ｔｂの電圧Ｖｂが不定となるため、即時に検出することはできない。そこで、測温抵抗体１の抵抗値測定中（抵抗値測定が離散時間的な場合はその合間）に、選択的にスイッチ７を介してバーンアウト検出電流源８からリード線２ｂにバーンアウト検出電流Ｉｂｄを流し、電圧［Ｖｂ−Ｖｃ］の変化量からリード線２ｂの断線検出を行う。

図４は、従来の測温抵抗体回路の他の例を示す回路図であり、図３と共通する部分には同一の符号を付けている。図４において、端子Ｔｂには、第１の駆動電流Ｉ１と等しい第２の駆動電流Ｉ２を出力する第２の電流源１０が接続されている。

このような構成において、第１の電流源６→端子Ｔａ→リード線２ａ→測温抵抗体１→リード線２ｃ→端子Ｔｃ→抵抗９の経路を経て、第１の電流源６から共通電位点に第１の駆動電流Ｉ１が流れるとともに、第２の電流源１０→端子Ｔｂ→リード線２ｂ→リード線２ｃ→端子Ｔｃ→抵抗９の経路を経て、第２の電流源１０から共通電位点に第２の駆動電流Ｉ２が流れる。

ここで、Ｉ１＝Ｉ２＝Ｉとすると、端子Ｔａ，Ｔｂの電圧Ｖａ，Ｖｂは、
Ｖａ＝Ｉ（３ｒ＋Ｒｔ＋２Ｒｂ） （７）
Ｖｂ＝Ｉ（３ｒ＋２Ｒｂ） （８）
になる。

これらから、差動のＡ／Ｄ変換器４でＶａ−Ｖｂの演算を行うことにより、測温抵抗体１の抵抗値Ｒｔのみを求めることができ、制御対象の温度を測定できる。
Ｖａ−Ｖｂ＝（７）−（８）
＝Ｉ1（Ｒｔ） （９）

なお、図３では切替器３とＡ／Ｄ変換器４を差動接続した例を示しているが、切替器３とＡ／Ｄ変換器４をシングル接続した構成でも、差動接続と同様なリード線２ｂの断線検出測定は可能である。

特許文献１には、小規模計装器における測温抵抗体の断線検出に関する技術が記載されている。

特開２０１０−４８７３３号公報

しかし、図３の回路構成によれば、電流源６の駆動電流値が一定値で測定対象の温度（＝測温抵抗体１の抵抗値Ｒｔ）も極めて安定していて一定の場合には、測温抵抗体１の電圧降下に変化が生じないことからＡ／Ｄ変換器４の出力コードも変化しなくなり、Ａ／Ｄ変換器４の出力コードが安定化しているのか固着している状態なのかの区別がつかなくなってしまう。

また、バーンアウト検出電流Ｉｂｄを流している間、リード線２ｂの抵抗値ｒｂによる電圧降下が測温抵抗体１の抵抗測定の誤差となる。

このようなバーンアウト検出電流Ｉｂｄによる測定誤差を避けるためには、バーンアウト検出電流Ｉｂｄに影響されないようにセトリングタイムや測定間隔を配慮しなければならず、測定間隔が長くなってしまう。

これに対し、図４の回路構成によれば、バーンアウト検出電流Ｉｂｄを流さないのでバーンアウト検出電流Ｉｂｄによる測定誤差は発生しないものの、Ａ／Ｄ変換器４の出力コード固着を検出できないという問題は残ってしまう。

本発明は、これらの問題点を解決するものであり、その目的は、Ａ／Ｄ変換器の出力コード固着を検出できるとともに、バーンアウト検出電流を流すことなくリード線２ｂの断線を検出できる測温抵抗体回路を実現することにある。

このような課題を達成する請求項１の発明は、
電流源から測温抵抗体に駆動電流を流したときの測温抵抗体の電圧降下をＡ／Ｄ変換器を介して取り込み測温抵抗体の電圧降下と駆動電流に基づき測温抵抗体の抵抗値を求め、この抵抗値から測温抵抗体の温度を求めるように構成された測温抵抗体回路において、
前記電流源の出力は可変であり、前記測温抵抗体の駆動電流は前記Ａ／Ｄ変換器の周期毎に異なることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の測温抵抗体回路において、
前記測温抵抗体の両端には出力が可変でそれぞれ等しい駆動電流を出力する電流源が接続されたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の測温抵抗体回路において、
前記Ａ／Ｄ変換器は、差動型であることを特徴とする。

このような測温抵抗体回路によれば、Ａ／Ｄ変換器の出力コード固着を検出できるとともに、バーンアウト検出電流を流すことなくリード線２ｂの断線を検出できる。

そして、差動型のＡ／Ｄ変換器を用いることにより、シングル型Ａ／Ｄ変換器の場合に必要な差動演算部を省略できる。

本発明の一実施例を示す回路図である。 本発明の他の実施例を示す回路図である。 従来の測温抵抗体回路の一例を示す回路図である。 従来の測温抵抗体回路の他の例を示す回路図である。

以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施例を示す回路図であり、図３と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図３の相違点は、駆動電流Ｉ１を出力する電流源６に代えて出力電流が可変の電流源１１を接続していることおよびスイッチ７とバーンアウト検出電流源８を取り除いていることである。

ここで、電流源１１の可変出力電流とは、既知の電流値を少なくとも２種類出力できることを指している。具体的には、Ａ／Ｄ変換器４の変換周期毎に電流源１１の出力電流を変えながら、測温抵抗体１の抵抗値測定を行う。測温抵抗体１の抵抗値測定方法は、前述の図３と同じである。

測温抵抗体１の抵抗値が極めて安定していたりまたは一定の場合には、電流源１１の出力電流値を異ならせて測定したときの測温抵抗体１の電圧降下の比はその電流値の比と等しくなり、測定された測温抵抗体１の抵抗値Ｒｔは一定となる。

このとき、駆動電流の変化に応じた測温抵抗体１の電圧降下の変化がＡ／Ｄ変換器４の出力コードの変化として現れるため、Ａ／Ｄ変換器４が出力コードが固着していないことが確認できる。これに対し、Ａ／Ｄ変換器４の出力コードが変化せずに一定している場合には、Ａ／Ｄ変換器４の出力コードが固着していると判断できることになる。

ただし、駆動電流源１１の出力電流の切替が正しく制御できずに電流値が一定となってしまった場合にはこの論理が成り立たなくなるため、出力電流値が正しく切り替わっていることを常に監視する必要がある。

また、このような構成により、バーンアウト電流源を用いることなくリード線２ｂの断線の有無が検出できる。

前述のように、測温抵抗体１や抵抗値および周囲環境の温度が一定の場合、電流源１１の出力電流値を異ならせて測定したときの測温抵抗体１またはリード線Ｒｃの電圧降下の比は、その電流値の比と等しくなる。したがって、リード線２ｂが断線していなければ、電流源１１の出力電流値の比と電圧降下の比が等しいことが常に観測できる。

これに対し、リード線２ｂが断線した場合には、電流源１１の出力電流値の比と電圧降下の比が等しくない状態に陥る。すなわち、この電流源１１の出力電流値の比と電圧降下の比の相違に基づいて、バーンアウト電流源を用いることなくリード線２ｂの断線の有無を判別できる。

このような本発明の構成は、安全計装システムに限るものではなく、高信頼性を要求される温度計測や各種の制御システムで使用される測温抵抗体温度検出モジュールに対しても適用可能である。

また、上記実施例では３線式の測温抵抗体回路について説明したが、４線式測温抵抗体温度検出モジュールに対しても適用できる。

なお、２線式の測温抵抗体温度検出モジュールに対しては、Ａ／Ｄ変換器の固着検出についてのみ適用可能である。

図２は本発明の他の実施例を示す回路図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。図２と図４の相違点は、駆動電流Ｉ１を出力する電流源６に代えて出力電流が可変の電流源１１を接続していることおよび第１の駆動電流Ｉ１と等しい第２の駆動電流Ｉ２を出力する第２の電流源１０に代えて出力電流が可変の電流源１２を接続していることである。

図２において、可変の電流源１１と１２は、Ａ／Ｄ変換器４の変換周期毎に、互いに等しい既知の電流値を少なくとも２種類切り替えながら出力し、測温抵抗体１の抵抗値測定を行う。測温抵抗体１の抵抗値測定方法は、前述の図４と同じである。

測温抵抗体１の抵抗値が極めて安定していたりまたは一定の場合には、電流源１１と１２の出力電流値を異ならせて測定したときの測温抵抗体１の電圧降下の比はその電流値の比と等しくなり、測定された測温抵抗体１の抵抗値Ｒｔは一定となる。

このとき、電流源１１と１２の出力電流値の変化に応じた測温抵抗体１の電圧降下の変化がＡ／Ｄ変換器４の出力コードの変化として現れるため、Ａ／Ｄ変換器４が出力コードが固着していないことが確認できる。これに対し、Ａ／Ｄ変換器４の出力コードが変化せずに一定している場合には、Ａ／Ｄ変換器４の出力コードが固着していると判断できることになる。

ただし、電流源１１と１２の出力電流の切替が正しく制御できずに電流値が一定となってしまった場合にはこの論理が成り立たなくなるため、出力電流値が正しく切り替わっていることを常に監視する必要がある。

図２の構成も、安全計装システムに限るものではなく、高信頼性を要求される温度計測や各種の制御システムで使用される測温抵抗体温度検出モジュールに対しても適用できるものである。

以上説明したように、本発明によれば、Ａ／Ｄ変換器の出力コード固着を検出できるとともに、バーンアウト検出電流を流すことなくリード線２ｂの断線を検出できる測温抵抗体回路を実現できる。

１ 測温抵抗体
２ａ〜２ｃ リード線
３ 切替器
４ Ａ／Ｄ変換器
５ 演算器
１１，１２ 可変電流源

Claims (3)

1. 電流源から測温抵抗体に駆動電流を流したときの測温抵抗体の電圧降下をＡ／Ｄ変換器を介して取り込み測温抵抗体の電圧降下と駆動電流に基づき測温抵抗体の抵抗値を求め、この抵抗値から測温抵抗体の温度を求めるように構成された測温抵抗体回路において、
   前記電流源の出力は可変であり、前記測温抵抗体の駆動電流は前記Ａ／Ｄ変換器の周期毎に異なることを特徴とする測温抵抗体回路。
2. 前記測温抵抗体の両端には出力が可変でそれぞれ等しい駆動電流を出力する電流源が接続されたことを特徴とする請求項１に記載の測温抵抗体回路。
3. 前記Ａ／Ｄ変換器は、差動型であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の測温抵抗体回路。

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