JP5472745B2 - フィールド機器 - Google Patents

Description

本発明は、熱電対による温度検出信号を第１周期で測定する主入力測定と、前記熱電対の導線が接続される端子台の温度検出信号を前記第１周期よりは短い第２周期で測定するＣＪＣ測定を行うと共に、前記主入力測定と同時に前記ＣＪＣ測定を実行するフィールド機器に関するものである。

図４は、熱電対による温度測定の原理を説明する回路図である。熱電対１で温度を計測する際、導線１Ａ，１Ｂを熱電対接続用の端子台２に固定する。この時、熱電対の起電力を温度に換算するには、端子台２の温度を別途計測する必要がある。そのため、通常は端子台２の内部または直近に熱電対以外のＣＪＣ温度センサー３を配置して、端子台の温度を計測する。

図４の構成例では、最初に熱電対１の起電力の基づく温度検出信号Ｔｉを測定（以下「主入力測定」）した後、マルチプレクサ４を端子台２に設置したＣＪＣ温度センサー３側に切り替えて、端子台２の温度検出信号Ｔｃを測定（以下「ＣＪＣ（Cold Junction Compensation）測定」と呼ぶ）する。

マルチプレクサ４で切り替えられた主入力測定値とＣＪＣ測定値は、ＡＤコンバータ５でディジタル値に変換され、ＣＰＵに導かれ、冷接点補償演算されて熱電対の測定温度を算出する。

このような熱電対による温度測定手段を、プラントに配置されたフィールド機器に適用して上位装置にデータ収集する場合、フィールド機器の電源を電池駆動にしたり、エナジーハーベスト技術で収穫できる電力で供給したりする構成では、回路の消費電力は極力抑えなければならない。

電池寿命を考慮して一定の周期（第１周期）で主入力測定を実行する。この第１周期はユーザがパラメータとして設定することができ、例えば１０分に設定される。測定時、主入力測定とＣＪＣ測定を同時に測定したほうが測定温度の演算精度がよくなる。

ただし、フィールド機器には、本体温度あるいは周囲温度を監視する（温度範囲外になった場合、アラームを出す等）機能が必要であり、ＣＪＣ測定は主入力測定の測定周期と別に、第２周期によりＣＪＣのみを測定する必要がある。通常、この第２周期もユーザがパラメータとして設定することができ、３〜５分前後で測定することが望ましい。

特開平０８−２３３６６５号公報

図５は、従来のフィールド機器の動作を説明するタイムチャートである。従来の手法では、ＣＪＣ測定の第２周期が固定である。図５は、主入力測定の第１周期が１０分、ＣＪＣ測定の第２周期が３分の場合を示している。

ＣＪＣ測定の第２周期が主入力測定の第１周期とは独立で動作し、かつ主入力測定時にＣＪＣ測定もする場合には、９分の時にＣＪＣ測定して、１分後の１０分にすぐ（主入力測定＋ＣＪＣ測定）をしている。

電池の消費電力を極力小さくするという観点から見ると、ＣＪＣ測定の１分間後にまたＣＪＣ測定をするのは、直前のＣＪＣ測定の意味が薄くなり、単に消費電力を増やすにすぎない。

図６は、従来のフィールド機器の他の動作を説明するタイムチャートである。ＣＪＣ測定の第２周期が主入力測定の第１周期とは独立で動作し、かつ主入力測定時にＣＪＣ測定をしない場合には、１０分の主測定の温度測定値の冷接点補償演算で用いるＣＪＣ測定値は直前の９分の測定値を用いることになる。この場合、１分前のＣＪＣ測定の値で補正演算するため、温度値に誤差が出て測定の精度が低下する。

本発明の目的は、主入力測定とＣＪＣ測定の精度を保ちながら、ＣＪＣの測定回数を減らすことで消費電力を低減することを可能とするフィールド機器を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）熱電対による温度検出信号を第１周期で測定する主入力測定と、前記熱電対の導線が接続される端子台の温度検出信号を前記第１周期よりは短い第２周期で測定するＣＪＣ測定を行うと共に、前記主入力測定と同時に前記ＣＪＣ測定を実行するフィールド機器において、
前記第１周期と前記第２周期の相関関係に基づいて、前記第２周期のＣＪＣ測定のタイミングを変更する測定管理部を備え、
前記測定管理部は、次に予測される主測定のタイミングと、この主測定のタイミングより前に予測される次のＣＪＣ測定のタイミングの時間差が所定の閾値以下である場合には、予測される次のＣＪＣ測定を中止させることを特徴とするフィールド機器。

（２）熱電対による温度検出信号を第１周期で測定する主入力測定と、前記熱電対の導線が接続される端子台の温度検出信号を前記第１周期よりは短い第２周期で測定するＣＪＣ測定を行うと共に、前記主入力測定と同時に前記ＣＪＣ測定を実行するフィールド機器において、
前記第１周期と前記第２周期の相関関係に基づいて、前記第２周期のＣＪＣ測定のタイミングを変更する測定管理部を備え、
前記測定管理部は、主測定のタイミングとＣＪＣ測定のタイミングがほぼ一致するように前記第２周期を最適化することを特徴とするフィールド機器。

（３）電源として電池を使用することを特徴とする（１）または（２）に記載のフィールド機器。

本発明によれば、ＣＪＣ測定の第２周期のデフォルト値を３分としたとき、主入力測定の第１周期が４分以上の場合には、従来、１演算周期（１０分）で３回のＣＪＣ測定を２回に減らすことができ、しかもＣＪＣ測定と主入力測定の測定精度を低下させない測定が可能となる。その結果、ＣＪＣ測定の回数を減らすことができ、消費電力を低減させることができる。

本発明を適用したフィールド機器の一実施例を示す機能ブロック図である。 図１の第１実施例の動作を説明するタイムチャートである。 図１の第２実施例の動作を説明するタイムチャートである。 熱電対による温度測定の原理を説明する回路図である。 従来のフィールド機器の動作を説明するタイムチャートである。 従来のフィールド機器の他の動作を説明するタイムチャートである。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を適用したフィールド機器の一実施例を示す機能ブロック図である。図４で説明した構成要素と同一要素には同一符号を付して示す。

図１に示すフィールド機器１０は、電池駆動型で無線手段を備え、ゲートウェイ２０及び制御バス３０を介して上位装置４０と通信し、測定されたプロセス量を周期的に上位装置４０に送信する。

フィールド機器１０は、ＣＰＵ１００、信号変換部２００、無線モジュール３００、アンテナ４００、電源管理部５００、電池６００、外部インターフェース７００よりなる。これら構成要素は防爆容器に収納されている。外部インターフェース７００の受光手段７０１は、外部の赤外線通信装置５０を介してユーザによる各種の設定信号を入力する。

ＣＰＵ１００は中央演算処理装置であって、マイクロプロセッサ等の演算手段や、ＲＡＭ，ＥＥＰＲＯＭ等の記憶手段を有し、演算処理部１０１と本発明が適用される測定管理部１０２を具備する。

信号変換部２００は、図４で示したマルチプレクサ４及びＡＤコンバータ５を含み、熱電対センサ１によって検出された温度測定値をＣＰＵ１００の演算処理部１０１に渡す。演算処理部１０１は、渡されたプロセス量を変換、補正、ユーザー指定の例えば％値等のスケーリング値に換算する等の演算を実行する。

演算処理部１０１の演算結果は、無線モジュール３００に伝達され、アンテナ４００を介して無線手段によりゲートウェイ２０を介して上位装置４０に送信される。また、上位装置４０からの要求を受信してパラメータ設定変更等を行う。

電源管理部５００は、電池６００から電源電圧を供給される。また、レギュレーションを行い、ＣＰＵ１００に必要な電圧の供給を行っている。また、ＣＰＵ１００の測定管理部１０２で指定された間欠動作周期時間に従いＯＮ／ＯＦＦ制御で電源のスイッチングを行い、所定周期毎に信号変換部２００、無線モジュール３００に間欠的な電源供給を行っている。

本発明が適用される測定管理部１０２は、主入力測定処理手段１０２ＡとＣＪＣ測定処理手段１０２Ｂを具備し、主入力測定の第１周期及びＣＪＣ測定の第２周期が、上位装置４０または赤外線通信装置５０を介してユーザによりパラメータ設定される。

測定管理部１０２の特徴は、第１周期と第２周期の相関関係に基づいて、第２周期のＣＪＣ測定のタイミングを変更する。第１の実施例では、測定管理部１０２は、次に予測される主測定のタイミングと、この主測定のタイミングより前に予測される次のＣＪＣ測定のタイミングの時間差が所定の閾値以下である場合には、予測される次のＣＪＣ測定を中止させる。

図２は、図１の第１実施例の動作を説明するタイムチャートである。この実施例の特徴は、ＣＪＣ測定の第２周期は固定とせず、一定の範囲を設けて第２周期を自動的に判断して最適化する。

ＣＪＣ測定の第２周期をＴとする。Ｔは固定ではなく、Ｔの範囲はTMin <= T < TMaxとする。測定管理部１０２は、次のように自動的に判断し、最適なＣＪＣ測定の第２周期周期を決める。

（１）主入力測定の第１周期 <= TMax の場合には、毎回「主入力測定＋ＣＩＣ測定」する。
（２）主入力測定の第１周期 > TMax の場合、前回のＣＪＣ測定からTMax時間内に主入力測定があれば、ＣＪＣ測定は主入力測定と一緒に測定する。前回のCJC測定からTMax以内に主入力測定がなければ、TMin後に、ＣＪＣ測定のみを実行する。

図３は、図１の第２実施例の動作を説明するタイムチャートである。この実施例の特徴は、主測定のタイミングとＣＪＣ測定のタイミングがほぼ一致するように第２周期を最適化する。測定管理部１０２は、次のように自動的に判断し、最適なＣＪＣ測定の第２周期周期を決める

（１）主入力測定の第１周期 <= TMax の場合、毎回主「入力測定＋ＣＪＣ測定」を実行する。
（２）主入力測定の第１周期 > TMax の場合、主入力測定の１周期（Ｔ）期間中に、ＣＪＣ測定周期範囲内（TMin〜TMax）で、測定点を均一になるように、ＣＪＣ測定の測定点を決める。
（３）主入力測定周期がＴ、Ｔの期間でＣＪＣの測定がＮ回とする。Ｔ／ＮがＣＪＣ測定の第２周期である。TMax >（T/N）>= TMinで、Ｎの範囲を求める。Ｎの範囲中の最大整数値ｎを決める。

例えば、主入力測定の第１周期がＴ＝１０分、ＣＪＣ測定の第２周期が、3分 <= T < 4分 とする時に、3分 <=（T/N）< 4分により、3.33 >= N > 2.5になる。Nの最大整数値n＝3となる。即ち、１０分間の間にＣＪＣ測定を３回均一に測定する。

図１に示した実施例は、熱電対による温度測定信号を上位装置に渡すフィールド機器を示したが。本発明は、機器の周囲温度を測定して、自分自身の温度補正を必要とする全ての機器、例えば、高精度電圧計、電流計、電力計などに応用し、省エネ設計に貢献することが可能である。

１ 熱電対
２ 端子台
３ ＣＪＣ温度センサー
１０ フィールド機器
２０ ゲートウェイ
３０ 制御バス
４０ 上位装置
５０ 赤外線通信装置
１００ ＣＰＵ
１０１ 演算処理部
１０２ 測定管理部
１０２Ａ 主入力測定処理手段
１０２Ｂ ＣＪＣ測定処理手段
２００ 信号変換部
３００ 無線モジュール
４００ アンテナ
５００ 電源管理部
６００ 電池
７００ 外部インターフェース
７０１ 受光手段

Claims (3)

1. 熱電対による温度検出信号を第１周期で測定する主入力測定と、前記熱電対の導線が接続される端子台の温度検出信号を前記第１周期よりは短い第２周期で測定するＣＪＣ測定を行うと共に、前記主入力測定と同時に前記ＣＪＣ測定を実行するフィールド機器において、
   前記第１周期と前記第２周期の相関関係に基づいて、前記第２周期のＣＪＣ測定のタイミングを変更する測定管理部を備え、
   前記測定管理部は、次に予測される主測定のタイミングと、この主測定のタイミングより前に予測される次のＣＪＣ測定のタイミングの時間差が所定の閾値以下である場合には、予測される次のＣＪＣ測定を中止させることを特徴とするフィールド機器。
2. 熱電対による温度検出信号を第１周期で測定する主入力測定と、前記熱電対の導線が接続される端子台の温度検出信号を前記第１周期よりは短い第２周期で測定するＣＪＣ測定を行うと共に、前記主入力測定と同時に前記ＣＪＣ測定を実行するフィールド機器において、
   前記第１周期と前記第２周期の相関関係に基づいて、前記第２周期のＣＪＣ測定のタイミングを変更する測定管理部を備え、
   前記測定管理部は、主測定のタイミングとＣＪＣ測定のタイミングがほぼ一致するように前記第２周期を最適化することを特徴とするフィールド機器。
3. 電源として電池を使用することを特徴とする請求項１または２に記載のフィールド機器。

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