JP5382365B2 - バーンアウト検出回路 - Google Patents
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本発明は、熱電対や測温抵抗体などの温度センサを利用した温度伝送器においてバーンアウトを検出するバーンアウト検出回路に関する。
一般に、高い安全性が要求されるプラント(例えば化学プラント)には、通常のプラント操業を制御する制御・監視システムから独立して、事故を未然に防ぐための安全計装システムが導入されている。安全計装システムは、緊急時にプラントを安全側へと停止させるための専用システムであって、国際安全規格であるIEC61508に適合することが望まれている。このIEC61508では、安全度水準SIL(Safety Integrity Level)によって定量的にリスク低減度が評価される。
安全計装システムのフィールド機器としては、熱電対や測温抵抗体等の温度センサによって検出した温度情報を伝送する温度伝送器が挙げられる。上述した規格を満たすために有効な温度伝送器(特に熱電対)の自己診断技術として、特許文献1に開示されているようなバーンアウト検出回路が知られている。
かかるバーンアウト検出回路では、バイアス回路(バイアス電源)よりバーンアウト検出電流を供給する。温度伝送器の断線時には、内部のコンデンサに電荷が徐々に充電され、最終的には後段のADコンバータへの入力が上限値あるいは下限値に飽和する。これより、温度伝送器が断線しているか否かを診断する。
なお、内部のコンデンサを上限値に飽和させる方向へもっていくことをバーンアップ、下限値に飽和させる方向へもっていくことをバーンダウンと言う。温度センサが熱電対の場合には、通常バーンアップ、バーンダウンを選択可能になっており、トリップレベル(異常を検出する温度)に近づかないようにユーザがいずれかを選択可能になっている。
しかしながら、上記特許文献1に代表される従来のバーンアウト検出回路では、温度センサ(熱電対)側の故障(断線)か、これに直列に接続した回路側の故障(電気素子のオープン故障、断線等)かを判別することができない。また、自己診断時にバーンアップ、バーンダウンを選択可能とするためには、バーンアップ電源とバーンダウン電源(両方向の電源)がそれぞれ必要であった。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、温度伝送器の異常をより精細に診断可能であって、単一方向の電源でバーンアップおよびバーンダウンを選択することができるバーンアウト検出回路を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明の代表的な構成は、温度を電気信号に変換する温度センサの陽極側、陰極側にそれぞれ接続した端子ラインのバーンアウトを検出するバーンアウト検出回路において、センサ側にて陽極側、陰極側の端子ラインをそれぞれ分岐し、受信側にて反対側の端子ラインにそれぞれ合流するバイパスラインと、バイパスラインの合流点よりも受信側にて、端子ラインにバーンアウト検出電流を供給するバイアス電源と、バイパスラインの分岐点よりも受信側、かつ合流点よりもセンサ側にて、端子ラインを分岐して接続される第1コンデンサと、バイパスラインを分岐して接続される第2コンデンサと、第1コンデンサおよび第2コンデンサよりも受信側、かつバイパスラインの合流点よりもセンサ側にて、端子ラインおよびバイパスラインの導通を制御するマルチプレクサと、を含むことを特徴とする。
かかる構成によれば、異常が生じている箇所がバイパスラインの分岐点よりもセンサ側か受信側かを判別することができる。これより、継続使用(特に高温域での使用)によって消耗する熱電対側の故障(断線)か、後続する回路側の故障(電気素子のオープン故障、断線等)かを見極めることができ、適切なフィールドケアを実施することができる。また、端子ライン、バイパスラインの導通をマルチプレクサにて切り替えることで、単一方向の電源(バイアス電源)でバーンアップおよびバーンダウンを選択可能となる。
本発明によれば、温度伝送器の異常をより精細に診断可能であって、単一方向の電源でバーンアップおよびバーンダウンを選択することができるバーンアウト検出回路を提供可能である。
[実施形態]
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
図1は、本発明のバーンアウト検出回路100の一実施の形態を示す回路図である。図1に示すように、バーンアウト検出回路100は、温度を電気信号に変換する温度センサの陽極側、陰極側にそれぞれ接続した端子ライン(第1端子ラインL1、第2端子ラインL2)のバーンアウトを検出するための回路である。第1端子ラインL1、第2端子ラインL2とは、熱電対120の陽極側、陰極側(端子)に直列にそれぞれ接続したラインであって、例えば補償導線、ターミナルボード、コネクタ等を含む。
本実施形態では、温度センサとして、熱電対120を例示して説明する。熱電対120は、異なる2種の金属を接合することにより形成され、それぞれの熱電能の違いから生じる熱起電力に基づき温度を測定する。かかる熱起電力に基づき、熱電対120には一定の方向に電流I1が流れる。
バーンアウト検出回路100には、センサ側にて第2端子ラインL2を分岐し、受信側(センサの反対側)にて反対側の第1端子ラインL1に合流する第1バイパスラインL3が備えられる。同様に、センサ側にて第1端子ラインL1を分岐し、受信側にて反対側の第2端子ラインL2に合流する第2バイパスラインL4が備えられる。
第1バイパスラインL3および第2バイパスラインL4の分岐点よりも受信側、かつ合流点よりもセンサ側にて、第1端子ラインL1および第2端子ラインL2の間には、第1コンデンサC1が接続される。第1コンデンサC1の手前側(センサ側)には、第1端子ラインL1に第1抵抗素子R1が、第2端子ラインL2に第2抵抗素子R2が備えられる。これより、第1抵抗素子R1と第1コンデンサC1との間、第2抵抗素子R2と第1コンデンサC1との間でローパスフィルタ(以下、「第1フィルタ部122」と称する)が形成され、電気信号に重畳するノイズが除去される。なお、第1コンデンサC1は必ずしも、第1端子ラインL1、第2端子ラインの間に接続される必要はなく、片側より分岐して接続されてもよい。
第1バイパスラインL3および第2バイパスラインL4の間には、第2コンデンサC2が接続される。第2コンデンサC2の手前側(センサ側)には、第1バイパスラインL3に第3抵抗素子R3が、第2バイパスラインL4に第4抵抗素子R4が備えられる。これより、第3抵抗素子R3と第2コンデンサC2との間、第4抵抗素子R4と第2コンデンサC2との間でローパスフィルタ(以下、「第2フィルタ部124」と称する)が形成され、電気信号に重畳するノイズが除去される。なお、第2コンデンサC2は必ずしも、第1バイパスラインL3、第2バイパスラインL4の間に接続される必要はなく、片側より分岐して接続されていてもよい。
第1コンデンサC1よりも受信側、かつ第1バイパスラインL3、第2バイパスラインL4の合流点よりもセンサ側では、第1端子ラインL1に第1スイッチング素子SW1が備えられ、第2端子ラインL2に第2スイッチング素子SW2が備えられる。同様に、第2コンデンサC2よりも受信側、かつ第1バイパスラインL3、第2バイパスラインL4の合流点よりもセンサ側では、第1バイパスラインL3に第3スイッチング素子SW3が備えられ、第2バイパスラインL4に第4スイッチング素子SW4が備えられる。
第1スイッチング素子SW1〜第4スイッチング素子SW4をそれぞれ独立に構成してもよいが、本実施形態ではこれらをマルチプレクサ132にて実現する。かかるマルチプレクサ132は、中央処理装置(CPU:Central Processing Unit)を含む半導体集積回路で構成される制御部134の制御を受け、各々のスイッチング素子SW1〜SW4を開閉する(端子ライン、バイパスラインの導通を制御する)。
第1バイパスラインL3、第2バイパスラインL4の合流点よりも受信側には、第1端子ラインL1または第2端子ラインL2にバーンアウト検出電流を供給するバイアス電源130が備えられる。バイアス電源130には、バーンアウト検出電流の供給を制御するスイッチング素子が含まれる。これらよりもさらに受信側には、熱電対120から発信された電気信号を受信するプログラマブルゲインアンプ、およびA/Dコンバータが接続される(以下、「PGA/AD136」と略称する)。
図2は、バーンアウト検出回路100のバーンアップおよびバーンダウンについて説明する回路図である。図2(a)はバーンアップ選択時の回路図であり、図2(b)がバーンダウン選択時の回路図である。
図2(a)に示すように、バーンアップは、マルチプレクサ132の第1スイッチング素子SW1および第2スイッチング素子SW2をONして、第3スイッチング素子SW3および第4スイッチングSW4をOFFすることで実現される。第1抵抗素子R1および第2抵抗素子R2にはバーンアウト検出電流I2が流れて、測温接点との温度差を拡大するように(測温接点の温度を高める方向に)作用する。
図2(b)に示すように、バーンダウンは、マルチプレクサ132の第1スイッチング素子SW1および第2スイッチング素子SW2をOFFして、第3スイッチング素子SW3および第4スイッチングSW4をONすることで実現される。第3抵抗素子R3および第4抵抗素子R4にはバーンアウト検出電流I3(バーンアウト検出電流I2とは逆方向)が流れて、測温接点との温度差を縮小するように(測温接点の温度を低くする方向に)作用する。
これより、第1スイッチング素子SW1および第2スイッチング素子SW2と、第3スイッチング素子SW3および第4スイッチング素子SW4とを組として切り替えることで、バーンアップとバーンダウンとを切り替えることが可能である。したがって、単一方向の電源でトリップレベル(異常を検出する温度)に近づかないように、バーンアップおよびバーンダウンを選択することができる。
図3および図4は、バーンアウト検出回路100の異常の検出について説明する回路図である。図5は、バーンアウト検出回路100の異常の検出の動作を示すフローチャートである。本実施形態では、第1バイパスラインL3、第2バイパスラインL4を設けたことにより、バーンアウトが検出された際に、より精細な診断を下すことができる。
詳細には、図3および図4に示すように、異常が生じている箇所が、第1バイパスラインL3、第2バイパスラインL4の分岐点(センサに近い分岐点)よりもセンサ側Xか受信側Yかを診断することができる。これより、継続使用(特に高温域での使用)によって消耗する熱電対120側の故障(断線)か、後続する回路側の故障(電気素子のオープン故障、断線等)かを見極めることができる。そのため、適切なフィールドケアを実施することができる。
以下、図5のフローチャートに則り、バーンアウト検出回路100による自己診断方法について説明する(なお、かかるフローチャートにおける主体は、CPUすなわち制御部134である)。図3では、第1バイパスラインL3、第2バイパスラインL4の分岐点よりもセンサ側X(熱電対120)で断線した例を示している。
まず、図3(a)に示すように、第1スイッチング素子SW1および第2スイッチング素子SW2をON、第3スイッチング素子SW3および第4スイッチング素子SW4をOFFした状態で(ステップS200)、バーンアウト検出電流を供給する(ステップS202)。すると、第1コンデンサC1および第2コンデンサC2に電圧がかかって、電荷が蓄積される。しかし、電荷が放出される経路はない。
そのため、バーンアウト検出電流が停止され、PGA/AD136によって電圧が検出されると電圧が飽和していること(バーンアウト)が確認される(ステップS204のYes)。ここで、電圧が飽和していない(熱電対120の正常な起電圧である)場合には(ステップS204のNo)、熱電対120および後続する回路が正常であると判断される(ステップS212)。
電圧が飽和していた(バーンアウトが検出された)場合には(ステップS204のYes)、バーンアウト検出電流を停止したまま、第1スイッチング素子SW1および第2スイッチング素子SW2をOFF、第3スイッチング素子SW3および第4スイッチング素子SW4をONする(ステップS206)。そして、第2コンデンサC2に電荷が蓄積されているかどうかを確認する。
ここで、図3(b)に示すように、センサ側X(熱電対120)で断線していたのであれば第2コンデンサC2にも電荷が蓄積されているため、ステップS204とは正負が逆の電圧が飽和していることが検出される(ステップS208のYES)。これにより、分岐点よりもセンサ側Xで故障が発生していることを判断することができる(ステップS210)。
図4では、分岐点よりも受信側Yの第1抵抗素子R1がオープン故障した例を示している。まず、図4(a)に示すように、第1スイッチング素子SW1および第2スイッチング素子SW2をON、第3スイッチング素子SW3および第4スイッチング素子SW4をOFFした状態(ステップS200)で、バーンアウト検出電流を供給する(ステップS202)。
すると、第1コンデンサC1に電荷が蓄積されるが、第1抵抗素子R1で回路が切れているため第2コンデンサC2には電荷が蓄積されない。そして、第1コンデンサC1に蓄積された電荷は放出される経路がない。そのため、バーンアウト検出電流が停止され、PGA/AD136によって電圧が検出されると電圧が飽和していること(バーンアウト)が確認される(ステップS204のYes)。
これより、バーンアウト検出電流を停止したまま、第1スイッチング素子SW1および第2スイッチング素子SW2をOFF、第3スイッチング素子SW3および第4スイッチング素子SW4をONして(ステップS206)、第2コンデンサC2に電荷が蓄積されているかどうかを確認する。
ここで、図4(b)に示すように、第1抵抗素子R1がオープン故障している場合には、第2コンデンサC2には電荷が蓄積されていないため、PGA/AD136にて電圧が検出されない(ステップS208のNo)。これにより、分岐点よりも受信側Yが故障していることを判断することができる(ステップS214)。
本実施形態に対応する各図面は簡略化して図示しており、実際には熱電対120の受信側(分岐点よりも受信側Y)には抵抗素子、インダクタ等が複数実装され得る。そのため、分岐点よりも受信側Yが故障していることを判断した場合には、各電気素子のオープン故障が疑われる。
なお、第1コンデンサC1よりも受信側にオープン故障した電気素子が実装されていた場合には、電荷が蓄積されるコンデンサが存在しない。かかる場合には、バイアス電源130から供給されるバーンアウト検出電流の電圧と、検出される電圧が一致することとなるので、これらを比較することによって第1コンデンサC1よりも受信側に異常が生じているか否かを検出するようにしてもよい。
熱電対120に直列に接続された抵抗素子、インダクタ等の精度変化を検出するために、バイアス電源130の出力を変動させてこれらの健全性を確認する活性化診断を取り入れるとよい。具体的には、本実施形態ではバーンアウトが検出されない場合、熱電対120の熱起電圧に、「バーンアウト検出電流×(第1抵抗素子R1+第2抵抗素子R2)」に等しいバイアス電源130の電圧を加えたものが、PGA/AD136に出力されるはずである。
これより、上記に基づき熱起電圧に加えられるバイアス電源130の電圧変化を導出し、対象とする電気素子の精度変化(例えば、第1抵抗素子R1の抵抗値の増減)を確認することができる。また、PGA/AD136への出力電圧が正常かどうかに基づいて、マルチプレクサ132の固着故障(例えば、隣接するチャネルへの固着)を診断することも可能である。
図6は、バーンアウト検出回路100の応用例(バーンアウト検出回路102)を示す回路図である。図6に示すように、バーンアウト検出回路102では、第1端子ラインL1、第2端子ラインL2が第1バイパスラインL3、第2バイパスラインL4に加えて、第3バイパスラインL5、第4バイパスラインL6によっても分岐されている。さらに、第3バイパスラインL3、第4バイパスラインL4が後述する第3フィルタ部126のセンサ側にて、第5バイパスラインL7、第6バイパスラインL8により分岐されている。各ラインの導通は、第1スイッチング素子SW1〜第8スイッチング素子SW8を含み、制御部134によって制御されるマルチプレクサ132に基づく。
第1バイパスラインL3、第2バイパスラインL4は、ターミナルボード(図5中のTurminal board)と、コネクタ(図5中のConnector)との間から分岐する。これにより、バーンアウトが検出された際に、第1バイパスラインL3、第2バイパスラインL4の分岐点よりもセンサ側Xの熱電対120、補償導線、ターミナルボードの故障か、これよりも受信側Yのコネクタ等の故障かを判別することができる。
第3バイパスラインL5、第4バイパスラインL6は、熱電対120(図5中のTC)と、補償導線(図5中のConpensation wire)との間から分岐する。これにより、バーンアウトが検出された際に、第3バイパスラインL5、第4バイパスラインL6の分岐点よりもセンサ側Zの熱電対120の故障か、これよりも受信側Aの補償導線、ターミナルボード、コネクタ等の故障かを判別することができる。
第3バイパスラインL5には第5抵抗素子R5が備えられ、第4バイパスラインL6には第6抵抗素子R6が備えられる。第3バイパスラインL5の第5抵抗素子R5よりも受信側と、第4バイパスラインL6の第6抵抗素子R6よりも受信側とには、第3コンデンサC3が接続される。これより、第5抵抗素子R5と第3コンデンサC3との間、および第6抵抗素子R6と第3コンデンサC3との間でローパスフィルタ(以下、「第3フィルタ部126」と称する)が形成され、電気信号に重畳するノイズが除去される。
第5バイパスラインL7、第6バイパスラインL8は、第3フィルタ部126のセンサ側より分岐するため、第3フィルタ部126の故障を判別することができる。すなわち、第5抵抗素子R5、第6抵抗素子R6、第3コンデンサC3が故障しているか否かを判別することができる。
第5バイパスラインL7には第7抵抗素子R7が備えられ、第6バイパスラインL8には第8抵抗素子R8が備えられる。第5バイパスラインL7の第7抵抗素子R7よりも受信側と、第4バイパスラインL8の第8抵抗素子R8よりも受信側とには第4コンデンサC4が接続される。これより、第7抵抗素子R7と第4コンデンサC4との間、および第8抵抗素子R8と第4コンデンサC4との間でローパスフィルタ(以下、「第4フィルタ部128」と称する)が形成され、電気信号に重畳するノイズが除去される。
上述した構成のように、本発明の概念を適用してバイパスラインを設けるほど、より精細な診断を下すことができる。換言すれば、異常が生じる可能性がある箇所にバイパスラインを設けることで、バーンアウトが検出された際にその部分の異常か否かを判別することができる。
[実施形態の効果]
図7は、比較例としてのバーンアウト検出回路110を示す回路図である。図7に示すように、このようなバーンアウト検出回路110では、バーンアウトが検出された際に、熱電対120の断線か、これに直列に接続(後続)する第1フィルタ部122等の故障かを判別することができなかった。また、バーンアップ、バーンダウンを選択可能にするためには、バーンアップ電源130a、バーンダウン電源130bがそれぞれ必要であった。
図7は、比較例としてのバーンアウト検出回路110を示す回路図である。図7に示すように、このようなバーンアウト検出回路110では、バーンアウトが検出された際に、熱電対120の断線か、これに直列に接続(後続)する第1フィルタ部122等の故障かを判別することができなかった。また、バーンアップ、バーンダウンを選択可能にするためには、バーンアップ電源130a、バーンダウン電源130bがそれぞれ必要であった。
これに対し、本実施形態にかかるバーンアウト検出回路100、102によれば、異常が生じる可能性のある箇所にバイパスラインを設けて多重化を図ることで、バイパスラインのセンサ側で故障が生じているのか、受信側で故障が生じているのかを判別することができる。また、単一方向のバイアス電源130でバーンアップおよびバーンダウンを選択することができる。さらに、活性化診断を取り入れることで、より正確な自己診断を実施することができる。
なお、上記実施形態では、温度センサとして熱電対120を挙げて説明した。しかし、熱電対120に換えて測温抵抗体を採用してもよく、上記と同様の効果を奏することが可能である。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は、熱電対や測温抵抗体などの温度センサを利用した温度伝送器においてバーンアウトを検出するバーンアウト検出回路として利用することができる。
100、102…バーンアウト検出回路、120…熱電対、122…第1フィルタ部、124…第2フィルタ部、126…第3フィルタ部、128…第4フィルタ部、130…バイアス電源、132…マルチプレクサ、134…制御部、136…PGA/AD、SW1…第1スイッチング素子、SW2…第2スイッチング素子、SW3…第3スイッチング素子、SW4…第4スイッチング、SW5…第5スイッチング素子、SW6…第6スイッチング素子、SW7…第7スイッチング素子、SW8…第8スイッチング素子、L1…第1端子ライン、L2…第2端子ライン、L3…第1バイパスライン、L4…第2バイパスライン、L5…第3バイパスライン、L6…第4バイパスライン、R1…第1抵抗素子、R2…第2抵抗素子、R3…第3抵抗素子、R4…第4抵抗素子、R5…第5抵抗素子、R6…第6抵抗素子、R7…第7抵抗素子、R8…第8抵抗素子、C1…第1コンデンサ、C2…第2コンデンサ、C3…第3コンデンサ、C4…第4コンデンサ
Claims (2)
- 温度を電気信号に変換する温度センサの陽極側、陰極側にそれぞれ接続した端子ラインの断線を検出するバーンアウト検出回路において、
センサ側にて前記陽極側、陰極側の端子ラインをそれぞれ分岐し、受信側にて反対側の端子ラインにそれぞれ合流するバイパスラインと、
前記バイパスラインの合流点よりも受信側にて、前記端子ラインにバーンアウト検出電流を供給するバイアス電源と、
前記バイパスラインの分岐点よりも受信側、かつ前記合流点よりもセンサ側にて、前記端子ラインを分岐して接続される第1コンデンサと、
前記バイパスラインを分岐して接続される第2コンデンサと、
前記第1コンデンサおよび第2コンデンサよりも受信側、かつ前記バイパスラインの合流点よりもセンサ側にて、前記端子ラインおよび前記バイパスラインの導通を制御するマルチプレクサと、
を含むことを特徴とするバーンアウト検出回路。 - 前記温度センサは、2種の金属線を接合することにより構築された熱電対であることを特徴とする請求項1に記載のバーンアウト検出回路。
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