JP5888499B2 - 温度伝送器 - Google Patents

Description

本発明は、温度伝送器に関し、詳しくは、温度伝送器における消費電力削減の改良に関する。

製鉄、石油・ガス精製、化学、発電、薬品、水処理、食品などの各種プラントでは、プラントを安全に操業するとともに製品の品質を一定に維持するために、温度や圧力や流量などの物理量をプロセス量として測定する機能や自身の診断機能が実装されたフィールド機器を測定現場に取り付け、これらフィールド機器と測定現場から離れた計器室に設けられているＤＣＳ（Distributed Control System：分散制御システム）や機器管理システムなどの上位システムとの間で、有線や無線の通信回線を介して各種データの授受を行うように構成されることが一般的である（非特許文献１）。

このようなフィールド機器の一種に、図５に示すように、温度センサとしてたとえば０℃で１００Ωの抵抗値を有する白金などの測温抵抗体Ｒｔを用いた温度伝送器がある。図５において、測温抵抗体Ｒｔは、３本のリード線を備えていて、これらリード線はそれぞれ等しい抵抗値ｒを有している。

測温抵抗体Ｒｔの一端に接続された第１のリード線はマルチプレクサＭＵＸの入力端子Ａに接続され、測温抵抗体Ｒｔの他端に接続された第２のリード線はマルチプレクサＭＵＸの入力端子Ｂに接続され、測温抵抗体Ｒｔの他端に接続された第３のリード線は共通電位点に接続されるとともにマルチプレクサＭＵＸの入力端子Ｃに接続されている。

第１のリード線が接続されるマルチプレクサＭＵＸの入力端子Ａには、基準抵抗ＲｆおよびスイッチＳＷの直列回路を介して定電流Ｉｃを出力する定電流源ＣＳが接続されている。そして、基準抵抗ＲｆとスイッチＳＷの接続点は、マルチプレクサＭＵＸの入力端子Ｄに接続されている。

ここで、マルチプレクサＭＵＸの入力端子Ａの電圧をＶａとし、入力端子Ｄの電圧をＶｄとすると、測温抵抗体Ｒｔに流れる電流Ｉｃは、
Ｉｃ＝（Ｖｄ−Ｖａ）／Ｒｆ （１）
になる。なお、基準抵抗Ｒｆの抵抗値は既知で、極めて安定しているものとする。

マルチプレクサＭＵＸの入力端子Ｂの電圧をＶｂとし、入力端子Ｃの電圧をＶｃとすると、
Ｖａ−Ｖｃ＝（Ｒｔ＋２ｒ）＊Ｉｃ （２）
Ｖｂ−Ｖｃ＝ｒ＊Ｉｃ （３）
になる。

測温抵抗体Ｒｔの抵抗値は、（２）式から、（４）式のように求めることができ、
Ｒｔ＝｛（Ｖａ−Ｖｃ）／Ｉｃ｝−２ｒ （４）
リード線の抵抗値ｒは、（３）式から、（５）式のように求めることができる。
ｒ＝（Ｖｂ−Ｖｃ）／Ｉｃ （５）

（４）式のｒとして（５）式を代入すると、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値は、（６）式のように求めることができる。
Ｒｔ＝｛（Ｖａ−２Ｖｂ＋Ｖｃ）／（Ｖｄ−Ｖａ）｝＊Ｒｆ （６）

演算制御部ＣＰＵは、スイッチＳＷを開閉制御するとともに、マルチプレクサＭＵＸの入力端子Ａ〜Ｄを切替制御する。

マルチプレクサＭＵＸの入力端子Ａ〜Ｄの電圧Ｖａ〜ＶｄはＡ／Ｄ変換器ＡＤＣに順次切替入力され、それぞれデジタル信号に変換されて演算制御部ＣＰＵに入力される。

演算制御部ＣＰＵは、あらかじめ格納されている既知の基準抵抗Ｒｆの抵抗値とＡ／Ｄ変換器ＡＤＣでデジタル信号に変換されたマルチプレクサＭＵＸの入力端子Ａ〜Ｄの電圧Ｖａ〜Ｖｄを用いて前述の（６）式に基づき測温抵抗体Ｒｔの抵抗値を求めた後、測定対象の温度値を換算する。

図６は、図５の動作の一例を説明するタイミングチャートである。図６において、（Ａ）はフィールド機器から上位システムに測定データを送信するデータ更新周期Ｔｄであって、１〜３６００秒の範囲で任意の値に設定できる。（Ｂ）はＡ／Ｄ変換器ＡＤＣの測定周期Ｔｍであり、たとえば１００ｍｓとする。

（Ｃ）はマルチプレクサＭＵＸの入力端子Ａに接続されている測温抵抗体Ｒｔの第１のリード線の電圧ＶａをＡ／Ｄ変換器ＡＤＣでデジタル信号に変換測定するタイミングを示し、（Ｄ）はマルチプレクサＭＵＸの入力端子Ｄに接続されている基準抵抗ＲｆとスイッチＳＷの接続点の電圧ＶｄをＡ／Ｄ変換器ＡＤＣでデジタル信号に変換測定するタイミングを示し、（Ｅ）はマルチプレクサＭＵＸの入力端子Ｂに接続されている測温抵抗体Ｒｔの第２のリード線の電圧ＶｂをＡ／Ｄ変換器ＡＤＣでデジタル信号に変換測定するタイミングを示し、（Ｆ）はマルチプレクサＭＵＸの入力端子Ｃに接続されている測温抵抗体Ｒｔの第３のリード線の電圧（グラウンド電圧ＧＮＤ）ＶｃをＡ／Ｄ変換器ＡＤＣでデジタル信号に変換測定するタイミングを示している。

Ａ／Ｄ変換器ＡＤＣは、マルチプレクサＭＵＸから順次切替出力される入力端子Ａ〜Ｄの電圧Ｖａ〜Ｖｄを、データ更新周期Ｔｄに同期してデータ更新周期ごとに間欠的に所定回数変換測定する。

非特許文献１には、ISA100.11aに準拠した無線フィールド機器に関連する技術が記載されている。

山本 周二、外３名、「世界初ISA100.11a準拠無線フィールド機器」、横河技報、横河電機株式会社、２０１０年、Ｖｏｌ．５３ Ｎｏ．２（２０１０） ｐ．１３−ｐ．１６

ところで、データ更新周期が短いときや測温抵抗体Ｒｔの両端における電圧の変動が小さいときは、測温抵抗体Ｒｔのリード線抵抗ｒや基準抵抗Ｒｆの両端の電圧は、短時間では急激な変化をしないと考えられる。

しかし、従来の温度伝送器では、任意に設定されるデータ更新周期ごとに同期して間欠的に温度の測定および演算を行っていることから、電池駆動式の伝送器や２線式伝送路を用いて電源の供給とデータの授受を行う伝送器のように使用できる電力が限られている場合には、電力の有効利用という観点からみると測定回路の駆動について改善の余地があるといえる。

本発明は、このような従来の問題点に着目したものであり、その目的は、測定結果を参照して測定回路を適切に駆動制御することにより消費電力を削減できる温度伝送器を提供することにある。

このような課題を達成する請求項１の発明は、
温度センサから出力される主信号と補助信号をマルチプレクサを介してＡ／Ｄ変換器に入力して測定データに変換し、これら主信号と補助信号の測定データに基づき測定温度を演算するように構成された温度伝送器において、
前記主信号の前回を含む過去の測定データおよび測定時刻データを格納する手段と、
前記主信号の測定データの変動量および前記主信号の測定時刻からの経過時間の少なくともいずれかに基づき前記補助信号の測定データへの変換の間引きを制御する間引き制御手段を設け、
前記主信号の測定データおよび測定時刻データの変動量が一定の範囲以内であれば、前記補助信号の測定処理を間引くことにより機器の処理時間を短縮することを特徴とする。

請求項２の発明は、
温度センサから出力される主信号と補助信号をマルチプレクサを介してＡ／Ｄ変換器に入力して測定データに変換し、これら主信号と補助信号の測定データに基づき測定温度を演算するように構成された温度伝送器において、
前記Ａ／Ｄ変換器で変換された主信号と補助信号の測定データを測定時刻データとともに格納する測定データ格納部と、
この測定データ格納部に格納されている前記主信号の測定データの変動量を監視する測定データ変動監視部と、
前記測定データ格納部に格納されている前記主信号の測定時刻からの経過時間を監視する測定時間監視部と、
前記測定データ変動監視部における前記主信号の測定データの変動量および前記測定時間監視部における前記主信号の測定時刻からの経過時間の少なくともいずれかに基づき前記補助信号の測定データへの変換間引きを制御する間引き制御部を設け、
前記主信号の測定データおよび測定時刻データの変動量が一定の範囲以内であれば、前記補助信号の測定処理を間引いて機器の処理時間を短縮するとともに、回路への給電を停止するスリープ時間を設けることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の温度伝送器において、
前記温度センサは測温抵抗体であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１または請求項２記載の温度伝送器において、
前記温度センサは熱電対であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の温度伝送器において、
駆動電源は電池で、無線通信形であることを特徴とする。

これらにより、所定の条件を満たす場合には補助信号の測定データへの変換を間引くことができ、省電力化が図れる。

本発明の実施の形態例を示す基本ブロック図である。 図１の具体例を示すブロック図である。 図２の動作を説明するタイミングチャートである。 本発明で用いる熱電対回路の一例を示す回路図である。 従来から用いられている測温抵抗体回路の一例を示す回路図である。 図５の動作を説明するタイミングチャートである。

以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態例を示す基本ブロック図、無線通信形温度伝送器の例を示している。図１において、温度センサ１０は、測定データ変換部２０を介して演算制御部３０に接続されている。演算制御部３０には、メモリ４０、無線通信部５０、表示部６０などが接続されている。電源部７０は、各部に所定の電源を供給する。

図２は図１の具体例を示すブロック図である。図２において、温度センサ１０は主信号と補助信号を出力するものであり、たとえば図５に示す従来と同様な測温抵抗体Ｒｔを用いる。図５に示す測温抵抗体Ｒｔにおける主信号は、測定温度に応じて変化する測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に関連した電圧Ｖａである。補助信号は、基準抵抗Ｒｆを介して測温抵抗体Ｒｔに流れる電流Ｉｃに関連した電圧Ｖｄ、リード線の抵抗値ｒに関連した電圧Ｖｂ、測温抵抗体Ｒｔの共通電位点の電圧Ｖｃである。

測定データ変換部２０は、たとえば図５に示す従来と同様なマルチプレクサ２１とＡ／Ｄ変換器２２で構成されていて、デジタル信号への変換測定動作は演算制御部３０により制御され、デジタル信号に変換された測定データは測定時刻データとともに演算制御部３０を介してメモリ４０に格納される。

演算制御部３０は、各部を統括制御するとともに、測定データ変換部２０から変換出力される測定データに基づいて測定対象の温度値を演算する機能を有するものであり、ＣＰＵ３１、タイマ３２、測定周期管理部３３、測定値変動監視部３４、測定時間監視部３５、間引き制御部３６、温度演算部３７などで構成されている。

メモリ４０には、測定データ変換部２０から変換出力される過去の測定値が、それぞれの測定時刻データとともに格納される。

無線通信部５０は、図示しない上位システムなどとの間で、温度信号をはじめ、機器の診断情報、設定信号などを含む各種データの授受を行う。

出力部６０は、温度測定結果を外部に可視化して表示するものであり、測定結果出力部６１とＬＣＤなどの表示部６２とで構成されている。

図３は図２の動作を説明するタイミングチャートであり、図６と共通する部分には同一の符号を付けている。図６との相違点は、任意に設定される所定の条件を満たしている場合には補助信号の測定データへの変換をデータ更新周期ごとに行うように間引き、所定の条件を満たさなくなった場合には補助信号の測定データへの変換の間引きを停止して補助信号の測定データへの変換を再開することにある。

１）タイマ３２は、装置としての測定精度を保証するために固定化されている（Ａ）に示す最大測定周期Ｔｍａｘ６０秒の経過時間をカウントするとともに、ユーザーによりたとえば１〜３６００秒の範囲で任意に設定される（Ｂ）に示すデータ更新周期Ｔｄの経過時間を繰り返してカウントする。

２）測定周期管理部３３は、タイマ３２のカウントデータに基づいて次の測定周期が到来したことを認識し、ＣＰＵ３１に対して測定データの変換を要求する。

３）ＣＰＵ３１は、間引き制御部３６を介して、測定データ変換部２０に測定データの変換を指示する。

４）測定データ変換部２０において、マルチプレクサ２１は（Ｄ）に示すように主信号である測温抵抗体Ｒｔの第１のリード線の電圧Ｖａを選択し、Ａ／Ｄ変換器２２でデジタル信号に変換測定する。これらＡ／Ｄ変換器２２で変換測定された主信号の今回の測定データと測定時刻データは、たとえば間引き制御部３６に保持される。

５）測定値変動監視部３４は、メモリ４０から主信号の前回の測定データを取得してＡ／Ｄ変換器２２で変換測定された主信号の今回の測定データと比較し、比較結果を間引き制御部３６に出力する。

６）測定時間監視部３５は、メモリ４０から主信号の前回の測定時刻データを取得してＡ／Ｄ変換器２２で変換測定された主信号の今回の測定時刻データと比較し、比較結果を間引き制御部３６に出力する。

７）間引き制御部３６は、５）の測定値変動監視部３４における主信号の比較結果があらかじめ設定している所定の範囲（たとえば３％）を超えて変動している場合、または６）の測定時間監視部３５における主信号の測定時刻データの比較結果があらかじめ設定している最大測定周期Ｔｍａｘを超えて変動している場合には、補助信号の測定データへの変換の間引きを停止して補助信号の測定データへの変換を再開する。すなわち、（Ｅ）に示す基準抵抗ＲｆとスイッチＳＷの接続点の電圧Ｖｄ、（Ｆ）に示す測温抵抗体Ｒｔの第２のリード線の電圧Ｖｂおよび（Ｇ）に示す測温抵抗体Ｒｔの第３のリード線の電圧（グラウンド電圧ＧＮＤ）Ｖｃを順次Ａ／Ｄ変換器２２に選択出力してデジタル信号に変換する。

８）ＣＰＵ３１は、間引き制御部３６に保持されている主信号の今回の測定データおよび測定時刻データをメモリ４０に転送格納するとともに、今回の測定結果を温度演算部３７に転送する。

９）温度演算部３７は、（Ｈ）に示す演算時間に、主信号および補助信号に基づく測定結果を前述の（６）式に代入して測温抵抗体Ｒｔの抵抗値を求めるとともに、リニアライズ処理なども行い、抵抗値を温度値に換算する。

１０）ＣＰＵ３１は、温度演算部３７で演算された温度値の演算結果を無線通信部５０および出力部６０に転送する。

１１）無線通信部５０は、転送されてきた温度値の演算結果を、図示しない上位システムなどに無線通信回線を介して伝送する。

１２）出力部６０は、転送されてきた温度値の演算結果を、測定結果出力部６１を介して、ユーザーが目視確認できるように、表示部６２に表示する。

なお、主信号の今回の測定データと測定時刻データの保持先は、間引き制御部３６に限るものではなく、測定値変動監視部３４および測定時間監視部３５に転送できるように接続されているデータ格納領域であればよく、演算制御部３０の他の部分であってもよいし、測定データ変換部２０でもよいし、メモリ４０であってもよい。

このように主信号の前回を含む過去の測定データおよび測定時刻データを内部のメモリ４０に格納しておくことにより、測定値変動監視部３４および測定時間監視部３５で測定値および測定時刻の変動量を的確に把握でき、間引き制御部３６による適切な間引き制御が行える。

測定値と測定時刻の変動量が所定の値を上回った場合には、温度センサ１０における主信号の測定値、図５の場合には測温抵抗体Ｒｔの抵抗値が変化したと考えられ、その他の補助信号も大きく変動しているおそれがあるので、間引き制御部３６による補助信号の間引きは行わず、測定データ変換部２０は、図６に示した従来例と同様に、毎回、主信号と補助信号を順次変換出力する。

これに対し、測定値と測定時刻の変動量が微少であれば、その他の補助信号もそれほど大きな変動がないと判断でき、前回の補助信号の値を代用して温度演算部３０で演算処理させても、出力値に大きな誤差は含まれない。そこで、主信号の変動量が一定の範囲以内であれば、補助信号の測定処理を間引いて機器の処理時間を短縮することにより、図３の（Ｉ）に示すように回路への給電を停止するスリープ時間を設けることができ、消費電流を削減できる。この結果、たとえば電池を駆動電源とする場合には、電池の使用期間を消費電流の削減量に応じて延ばすことができる。

なお、主信号が大きく変動しなくても、前回の測定時刻から一定時間が経過している場合は補助信号を無条件で測定変換するようにし、機器の自己診断や測定精度を保証できるようにする。

温度演算部３０は、間引きが行われている状態でも温度値を演算する機能を有するとともに、演算に使用している温度センサ１０の出力信号が測定範囲外になっていないかを判断する自己診断機能を有している。また、この自己診断機能は、機器の他の部分で発見した自己診断結果を参照する機能も有しており、たとえば電源異常やデバイス異常などによるＡ／Ｄ変換に対する影響の有無を判断することもできる。

機器に異常の可能性がある場合や、Ａ／Ｄ変換出力や演算値が異常となっている可能性がある場合を発見したときは、信頼性を最大限に確保するため、電池寿命のための間引き処理を中止する。初回発生時は、Ａ／Ｄ変換および演算処理を再起動することで対処し、以降の変換では間引き処理を停止する。

複数の温度センサ１０を搭載した場合には、補助信号をセンサ間で共用できる場合があり、共用するセンサの補助信号についてはあらかじめ測定データ変換部２０変換対象から外しておくことができる。そして、使用する温度センサ１０のタイプを分析し、必要な補助信号のみをＡ／Ｄ変換の対象として間引き処理することで、より一層処理時間を短縮することができ、その結果消費電力をさらに低減させることができる。

各入力点のＡ／Ｄ変換出力に注目すると、温度センサ１０の劣化による断線や結線不良などにより値が最大最小値や設計上あり得ない数値などの異常値となることがある。たとえば商用周波数のノイズの影響は、変換時間を５０ｍｓ以上確保することで相殺されて除去可能となるが、上記のように異常がある場合は、無駄なＡ／Ｄ変換を行ってしまうことになる。

そこで、高分解でノイズ除去可能な主変換を行う前に、ノイズ耐性は弱くなるがサンプリングレートを高速化し、短時間で変換点が正常な状態になっているか否かを確認するための補助変換を行うようにしてもよい。補助変換は数ｍｓ程度で行うことができ、変換値が異常とわかれば主変換を省略して機器全体の処理時間を短縮する。これにより、消費電力を削減できる。

上記実施例のようにマルチプレクサ２１でアナログ入力点を切り替えたり、測定対象デバイスのスイッチを入れたりしてＡ／Ｄ変換を行う場合、切り替え直後は測定信号が不安定であることから直ちにＡ／Ｄ変換することができず、一定の待ち時間が必要になる。この待ち時間中に上記の補助変換を行うことで、消費電力を削減できる。

上記実施例における測温抵抗体Ｒｔの測定においても、測定電流Ｉｃを流すスイッチＳＷが搭載されているので一定の待ち時間が必要であり、この待ち時間を利用して入力側の異常の有無を確認することで機器の処理時間を短縮でき、消費電力を低減させることができる。

無線通信においては、接続先となるゲートウェイ機器に接続したいフィールド機器を認知させて、その後通信の帯域を確保するコントラクト機能を確立する手順が必要になる。すなわち、フィールド機器を上位システムがフィールド機器の出力を定期的に受信するオンライン状態にするための立ち上げ中は、このような前処理時間が発生し、数百、数千台を制御する場合には、数時間から数日かかる場合がある。

そこで、フィールド機器がオンライン状態で動作するまでの間、Ａ／Ｄ変換は補助変換のみを行うことで、機器全体の変換時間を短縮できる。フィールド機器がオンライン状態に移行するまでは、正確な出力値を算出したとしても有効に利用されることはない。単に機器の自己診断や表示器に示される程度であるため、この期間のＡ／Ｄ変換は、補助変換値を利用して演算処理を行う。この結果、Ａ／Ｄ変換時間を大幅に削減できることから圧倒的に処理時間を短縮でき、消費電力を大幅に低減できる。

図４は本発明の他の実施例を示すブロック図であり、図１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、マルチプレクサＭＵＸには測温抵抗体Ｒｔに代えて、熱電対ＴＣと基準接点補償用の温度センサＳが接続されている。マルチプレクサＭＵＸの入力端子Ａには熱電対ＴＣの測温接点側の導線が接続され、入力端子Ｂには熱電対ＴＣの基準接点側の導線が接続され、入力端子Ｃには入力端子Ｂの近傍に設けられている基準接点補償用の温度センサＳが接続されている。

図４の熱電対測定の場合、基準接点補償のために、基準接点側の導線が接続される入力端子Ｂの温度を検出する必要があるが、図３のタイミングチャートで説明した補助信号の変換間引きと同様に、基準接点補償のための端子温度測定信号の変換を適切に間引くことにより、図２と同等の消費電力削減効果が期待できる。

なお、上記実施例では、駆動電源が電池の場合について説明したが、これに限るものではなく、２線式伝送路を用いて電源の供給とデータの授受を行う場合にも限られた電源容量を有効に利用できるという効果が得られる。

以上説明したように、本発明によれば、測定結果を参照して測定回路を適切に駆動制御することにより補助信号の測定データへの変換を間引くことができ、温度伝送器の消費電力を削減できる。

１０ 温度センサ
２０ 測定データ変換部
２１ マルチプレクサ
２２ Ａ／Ｄ変換器
３０ 演算制御部
３１ ＣＰＵ
３２ タイマ
３３ 測定周期管理部
３４ 測定値変動監視部
３５ 測定時間監視部
３６ 間引き制御部
３７ 温度演算部
４０ メモリ
５０ 無線通信部
６０ 出力部
７０ 電源部
Ｔｒ 測温抵抗体
ＴＣ 熱電対
Ｒｆ 基準抵抗
Ｓ 温度センサ
ＭＵＸ マルチプレクサ
ＡＤＣ Ａ／Ｄ変換器

Claims (5)

1. 温度センサから出力される主信号と補助信号をマルチプレクサを介してＡ／Ｄ変換器に入力して測定データに変換し、これら主信号と補助信号の測定データに基づき測定温度を演算するように構成された温度伝送器において、
   前記主信号の前回を含む過去の測定データおよび測定時刻データを格納する手段と、
   前記主信号の測定データの変動量および前記主信号の測定時刻からの経過時間の少なくともいずれかに基づき前記補助信号の測定データへの変換の間引きを制御する間引き制御手段を設け、
   前記主信号の測定データおよび測定時刻データの変動量が一定の範囲以内であれば、前記補助信号の測定処理を間引くことにより機器の処理時間を短縮することを特徴とする温度伝送器。
2. 温度センサから出力される主信号と補助信号をマルチプレクサを介してＡ／Ｄ変換器に入力して測定データに変換し、これら主信号と補助信号の測定データに基づき測定温度を演算するように構成された温度伝送器において、
   前記Ａ／Ｄ変換器で変換された主信号と補助信号の測定データを測定時刻データとともに格納する測定データ格納部と、
   この測定データ格納部に格納されている前記主信号の測定データの変動量を監視する測定データ変動監視部と、
   前記測定データ格納部に格納されている前記主信号の測定時刻からの経過時間を監視する測定時間監視部と、
   前記測定データ変動監視部における前記主信号の測定データの変動量および前記測定時間監視部における前記主信号の測定時刻からの経過時間の少なくともいずれかに基づき前記補助信号の測定データへの変換間引きを制御する間引き制御部を設け、
   前記主信号の測定データおよび測定時刻データの変動量が一定の範囲以内であれば、前記補助信号の測定処理を間引いて機器の処理時間を短縮するとともに、回路への給電を停止するスリープ時間を設けることを特徴とする温度伝送器。
3. 前記温度センサは測温抵抗体であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の温度伝送器。
4. 前記温度センサは熱電対であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の温度伝送器。
5. 駆動電源は電池で、無線通信形であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の温度伝送器。

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