JP5899953B2 - 電池残量検出装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一次電池の残量を検出する電池残量検出装置及び方法に関する。

プラントや工場においては、差圧伝送器や温度伝送器等のセンサ機器、流量制御弁や開閉弁等のバルブ機器、ファンやモータ等のアクチュエータ機器、その他のフィールド機器が多数設置されている。従来のフィールド機器は、プラント等に敷設された有線の通信バスに接続され、各種信号の送受信を有線通信により行うものが一般的であったが、近年では、各種信号の送受信を無線通信により行うフィールド機器（無線フィールド機器）が実現されている。

上記の無線フィールド機器は、基本的に単独でプラント等に設置され、外部からの電力供給（例えば、通信バスを介した電力供給）を受けることができないため、電源として自己放電が極めて少ない一次電池（例えば、塩化チオニルリチウム電池）が用いられる。ここで、プラント等では可燃性のガスが用いられる場合があるため、無線フィールド機器で用いられる一次電池は、防爆規格を満たす電池収納装置に収納されるのが殆どである。このような無線フィールド機器は、電池交換の手間を省く観点から、例えば間欠動作等の省電力動作を行うことで、電池交換なしに数年間の動作が可能に設計されている。

尚、以下の特許文献１には、無線通信が可能な通信中継器をフィールド機器に接続することによって、無線通信が可能な任意の場所からフィールド機器へのアクセスを可能にする技術が開示されている。以下の特許文献２には、携帯電話通信機能を備える信号変換器をフィールド機器に設けることによって、簡便な長距離のデータ通信を可能にする技術が開示されている。以下の特許文献３には、所定時期に一次電池を放電させて、放電時の電圧と基準電圧とを比較して一次電池の寿命を判定する技術が開示されている。

特開２００３−１３４０３０号公報 特開２００３−１３４２６１号公報 特開２００７−２８０９３５号公報

ところで、上述の特許文献３に開示された技術により無線フィールド機器で用いられる一次電池の寿命を判定しようとすると、一次電池の寿命判定のために放電が行われるタイミングと、無線フィールド機器の無線通信が行われるタイミングとが重なる可能性がある。すると、測定電圧が、上記のタイミングが重ならないときの測定電圧よりも低下して基準電圧を下回ってしまい、これにより寿命の誤判定が生ずる可能性があるという問題がある。

また、一次電池は、電極材料が無くなるまでは出力電圧が一定に維持され、電極材料が無くなると急激に出力電圧が低下するという特性を有する。上記の特許文献３は、測定電圧が基準電圧を下回った場合に初めて寿命を判定しているため、寿命が判定されてから電池交換の準備を行っている間に一次電池の出力電圧が大幅に低下してしまい、これにより無線フィールド機器の動作不良等の障害が生ずる虞が考えられる。

更に、上述した通り、無線フィールド機器で用いられる一次電池の多くは、防爆規格を満たす電池収納装置に収納されるため、電池交換を行う作業員が新旧の一次電池を見分けるのが困難である。このため、電池交換を行う際に、無線フィールド機器に装着されていた電池収納装置を再度装着してしまうという誤作業が行われる可能性がある。このような誤作業が行われた場合には、装着された直後は新品であると判定されるものの、一次電池の出力電圧が短時間で低下してしまい、これにより無線フィールド機器の動作不良等の障害が生ずる虞が考えられる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、一次電池の残量を従来よりも正確に検出することができ、これにより電圧低下に起因する障害を未然に防止することができる電池残量検出装置及び方法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、本発明の電池残量検出装置及び方法は、一次電池（Ｂ）に対して負荷（１２）を接続するか否かを切り替えるスイッチ（１３）を制御しつつ前記一次電池の電池電圧を測定して前記一次電池の残量を検出する電池残量検出装置（１）において、前記スイッチが閉状態から開状態に切り替えられたときの前記電池電圧の変化をパルス信号に変換するとともに、該パルス信号のパルス幅を拡大する変換回路（１４）と、前記スイッチを制御するとともに、前記変換回路から出力されるパルス信号（ＰＳ）のパルス幅を計測し、該計測結果に基づいて前記一次電池の残量を求める制御処理装置（１７）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、スイッチが閉状態から開状態に切り替えられたときの一次電池の電池電圧の変化が変換回路によってパルス信号に変換されるとともにパルス幅が拡大され、変換回路から出力されるパルス信号のパルス幅が制御処理装置によって計測されて一次電池の残量が求められる。
また、本発明の電池残量検出装置は、前記制御処理装置が、前記スイッチを開状態から閉状態に切り替えたときに得られる前記電池電圧の変化量（Δ）から、前記変換回路で前記電池電圧の変化をパルス信号に変換する際に前記電池電圧の変化の開始及び終了を規定する閾電圧である第１，第２電圧（ＶＴ１，ＶＴ２）をそれぞれ求め、前記変換回路が、前記制御処理装置で求められた前記第１，第２電圧を用いて前記電池電圧の変化をパルス信号に変換することを特徴としている。
また、本発明の電池残量検出装置は、前記スイッチを開状態から閉状態に切り替えたときに得られる前記電池電圧の変化量を１００％とした場合に、前記第１電圧が、前記スイッチが閉状態であるときに測定される前記電池電圧に前記変化量の２０％を加えた電圧であり、前記第２電圧が、前記スイッチが閉状態であるときに測定される前記電池電圧に前記変化量の８０％を加えた電圧であることを特徴としている。
また、本発明の電池残量検出装置は、前記制御処理装置が、前記変換回路から出力される前記パルス信号のパルス幅よりも十分短い周期を有する基準クロックのクロック数を計数することによって前記パルス信号のパルス幅を計測することを特徴としている。
また、本発明の電池残量検出装置は、前記制御処理装置が、前記基準クロックの計数値と、前記一次電池の残量との関係を示すテーブルを用いて前記一次電池の残量を求めることを特徴としている。
本発明の電池残量検出方法は、一次電池（Ｂ）に対して負荷（１２）を接続するか否かを切り替えるスイッチ（１３）を制御しつつ前記一次電池の電池電圧を測定して前記一次電池の残量を検出する電池残量検出方法であって、前記スイッチが閉状態から開状態に切り替えられたときの前記電池電圧の変化をパルス信号に変換し、該パルス信号のパルス幅を拡大する第１ステップと、前記第１ステップでパルス幅が拡大された前記パルス信号のパルス幅を計測し、該計測結果に基づいて前記一次電池の残量を求める第２ステップとを有することを特徴としている。

本発明によれば、スイッチが閉状態から開状態に切り替えられたときの一次電池の電池電圧の変化を変換回路がパルス信号に変換するとともにパルス幅を拡大し、制御処理装置が変換回路から出力されるパルス信号のパルス幅を計測して一次電池の残量を求めているため、一次電池の残量を従来よりも正確に検出することができ、これにより電圧低下に起因する障害を未然に防止することができるという効果がある。

本発明の一実施形態による電池残量検出装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態で用いられる下限閾電圧及び上限閾電圧を説明するための図である。 本発明の一実施形態におけるパルス変換回路を示す回路図である。 本発明の一実施形態におけるパルス変換回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の一実施形態による電池残量検出装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による電池残量検出装置が設けられる無線フィールド機器の要部構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による電池残量検出装置及び方法について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による電池残量検出装置の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の電池残量検出装置１は、電源部１１、負荷１２、スイッチ１３、パルス変換回路１４（変換回路）、電源スイッチ１５、温度センサ１６、及び制御処理装置１７を備えており、一次電池Ｂに対する負荷１２の接続状態を切り替えつつ一次電池Ｂの電池電圧を測定して一次電池Ｂの残量を検出する。

ここで、一次電池Ｂは、例えば塩化チオニルリチウム電池等の自己放電が極めて少ない一次電池である。この一次電池Ｂは、負荷１２が一次電池Ｂから切り離されたときの立ち上がり時間が、残量が少なくなるにつれて短くなるという性質を有する。つまり、一次電池の残量が多い場合（例えば、残量が９０％の場合）よりも、残量が少ない場合（例えば、残量が３０％の場合）の方が、立ち上がり時間が短くなる。電池残量検出装置１は、かかる性質を利用して一次電池Ｂの残量を検出するものである。

電源部１１は、一次電池Ｂに接続されており、一次電池Ｂに蓄えられた電力から電池残量検出装置１の動作に必要な電力を生成する。具体的には、一次電池Ｂの電池電圧を昇圧して電源電圧（Ｖｃｃ）を生成し、この電源電圧（Ｖｃｃ）を電源スイッチ１５及び制御処理装置１７に供給する。負荷１２は、一次電池Ｂの残量を検出するために設けられた抵抗であり、一端が一次電池Ｂの正極に接続され、他端がスイッチ１３を介して一次電池Ｂの負極に接続可能にされている。

スイッチ１３は、一次電池Ｂに対して負荷１２を接続するか否かを切り替えるために設けられるＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）等の電子式のスイッチであり、制御処理装置１７からの制御信号Ｃ１によってオン状態（閉状態）又はオフ状態（開状態）が切り替えられる。尚、スイッチ１３としては、電子式のスイッチ以外に、リレー等の機械式のスイッチを用いることも可能である。

パルス変換回路１４は、一次電池Ｂ及び制御処理装置１７に接続されており、スイッチ１３がオン状態からオフ状態に切り替えられたときの一次電池Ｂの電池電圧の変化をパルス信号に変換するとともに、変換したパルス信号のパルス幅を拡大する回路である。尚、詳細は後述するが、このパルス変換回路１４は、制御処理装置１７から出力される下限閾電圧ＶＴ１（一次電池Ｂの電池電圧の変化の開始を規定する閾電圧：第１電圧）及び上限閾電圧ＶＴ２（一次電池Ｂの電池電圧の変化の終了を規定する閾電圧：第２電圧）を用いて一次電池Ｂの電池電圧の変化をパルス信号に変換する。

電源スイッチ１５は、制御処理装置１７からの制御信号Ｃ２によってパルス変換回路１４に対する電源電圧（Ｖｃｃ）の供給或いは供給停止を行うためのスイッチである。温度センサ１６は、一次電池Ｂの温度を検出するために設けられるセンサであり、その検出結果を制御処理装置１７に出力する。

制御処理装置１７は、ＩＯポート２１，２２、Ａ／Ｄコンバータ２３、Ｄ／Ａコンバータ２４、カウンタ２５、ＲＯＭ（Read Only Memory）２６、ＲＡＭ（Random Access Memory）２７、及び制御部２８を備える。かかる構成の制御処理装置１７は、電源部１１から供給される電源電圧（Ｖｃｃ）によって動作し、パルス変換回路１４から出力されるパルス信号ＰＳのパルス幅を計測し、その計測結果に基づいて一次電池Ｂの残量（寿命）を求める。

ＩＯポート２１，２２は、スイッチ１３及び電源スイッチ１５にそれぞれ接続されており、制御部２８からの制御信号（スイッチ１３を制御するための制御信号Ｃ１，電源スイッチ１５を制御するための制御信号Ｃ２）をスイッチ１３及び電源スイッチ１５にそれぞれ出力する。Ａ／Ｄコンバータ２３は、一次電池Ｂの正極に接続されており、一次電池Ｂの電池電圧をディジタル信号に変換して制御部２８に出力する。Ｄ／Ａコンバータ２４は、制御部２８からの下限閾電圧ＶＴ１及び上限閾電圧ＶＴ２を下限閾電圧信号Ｓ１及び上限閾電圧信号Ｓ２にそれぞれ変換してパルス変換回路１４に出力する。

カウンタ２５は、パルス変換回路１４から出力されるパルス信号ＰＳのパルス幅を計測する。具体的には、パルス信号ＰＳのパルス幅よりも十分短い周期を有する基準クロックを用いて、パルス信号ＰＳの１つのパルスに含まれる基準クロックの数を計数することによってパルス信号ＰＳのパルス幅を計測する。尚、カウンタ２５で用いられる基準クロックは、例えば周期が１〜２［μｓｅｃ］程度（周波数が５００［ｋＨｚ］〜１［ＭＨｚ］程度）であり、パルス信号ＰＳのパルス幅（例えば、数〜数十［ｍｓｅｃ］）よりも十分短く設定される。この程度の周期を有する基準クロックを用いるのは、カウンタ２５及び制御部２８の動作周波数を低くして消費電力を極力低減するためである。

ＲＯＭ２６は、制御部２８が一次電池Ｂの残量を求める上で必要となる各種情報を記憶する。例えば、カウンタ２５の計数値と一次電池Ｂの残量との関係を示す残量算出テーブル（テーブル）や、温度変化に起因する一次電池Ｂの特性変化に応じて残量算出テーブルを校正するための校正テーブルを記憶する。ここで、上記の残量算出テーブルや校正テーブルは、温度や一次電池Ｂの残量を変化させつつ電池電圧を測定して得られた実験結果を用いて予め作成しておく。ＲＡＭ２７は、制御部２８の処理で用いられるデータを一時的に記憶する。例えば、Ａ／Ｄコンバータ２３から出力されるディジタル信号や、制御部２８で算出された下限閾電圧ＶＴ１及び上限閾電圧ＶＴ２を一時的に記憶する。

制御部２８は、制御処理装置１７の動作を統括的に制御する。具体的に、制御部２８は、スイッチ１３を制御するための制御信号Ｃ１及び電源スイッチ１５を制御するための制御信号Ｃ２をＩＯポート２１，２２にそれぞれ出力して、スイッチ１３及び電源スイッチ１５を制御する。また、制御部２８は、消費電力の低減を図るために、必要なときにのみＡ／Ｄコンバータ２３、Ｄ／Ａコンバータ２４、及びカウンタ２５を動作させる制御を行う。

また、制御部２８は、スイッチ１３をオフ状態からオン状態に切り替えたときに、Ａ／Ｄコンバータ２３から得られるディジタル信号を用いて前述した下限閾電圧ＶＴ１及び上限閾電圧ＶＴ２を求めてＲＡＭ２７に一時的に記憶させる。このような下限閾電圧ＶＴ１及び上限閾電圧ＶＴ２を求めるのは、スイッチ１３をオン状態からオフ状態に切り替えて一次電池Ｂの残量を検出する際に、電池電圧の変化に要する時間をより正確に求めるためである。

図２は、本発明の一実施形態で用いられる下限閾電圧及び上限閾電圧を説明するための図である。図２に示す通り、スイッチ１３がオフ状態（一次電池Ｂから負荷１２が切り離されている状態）のときに測定される電池電圧をＶ２とし、スイッチ１３がオン状態（一次電池Ｂに負荷１２が接続された状態）に切り替えられた後に測定される電池電圧をＶ１とする。制御部２８は、電池電圧の変化量（Δ＝Ｖ２−Ｖ１）を求め、スイッチ１３がオン状態に切り替えられた後に測定される電池電圧Ｖ１に変化量Δの２０％を加えた電圧（Ｖ１＋０．２Δ）を下限閾電圧ＶＴ１として求め、電池電圧Ｖ１に変化量Δの８０％を加えた電圧（Ｖ１＋０．８Δ）を上限閾電圧ＶＴ２として求める。

また、制御部２８は、算出した下限閾電圧ＶＴ１及び上限式電圧ＶＴ２をＤ／Ａコンバータ２４に出力し、下限閾電圧信号Ｓ１及び上限閾電圧信号Ｓ２にそれぞれ変換させてパルス変換回路１４に出力させる。更に、制御部２８は、カウンタ２５の計数値に基づいて一次電池Ｂの残量（寿命）を求める。具体的には、ＲＯＭ２６から残量算出テーブルを読み出し、残量算出テーブルを用いてカウンタ２５から出力される計数値に対応した残量を特定することによって一次電池Ｂの残量を求める。尚、一次電池Ｂの寿命は、一次電池Ｂの残量を、予め測定されている一次電池Ｂの平均消費電力で除算することによって求めることができる。

次に、前述したパルス変換回路１４の詳細について説明する。図３は、本発明の一実施形態におけるパルス変換回路を示す回路図である。図３に示す通り、パルス変換回路１４は、パルス化回路１４ａとパルス拡大回路１４ｂとからなる。パルス化回路１４ａは、コンパレータ３１ａ，３１ｂ及びＡＮＤ回路３２を備えており、制御処理装置１７からの下限閾電圧信号Ｓ１（下限電圧値ＶＴ１）及び上限閾電圧信号Ｓ２（上限電圧値ＶＴ２）を用いて一次電池Ｂの電池電圧の変化をパルス信号Ｓ３に変換する。

コンパレータ３１ａの非反転入力端及びコンパレータ３１ｂの反転入力端は、一次電池Ｂの正極に接続されている。また、コンパレータ３１ａの反転入力端には下限閾電圧信号Ｓ１が入力され、コンパレータ３１ｂの非反転入力端には上限閾電圧信号Ｓ２が入力される。これらコンパレータ３１ａ，３１ｂの出力端は、ＡＮＤ回路３２の２つの入力端にそれぞれ接続されている。尚、ＡＮＤ回路３２は、コンパレータ３１ａ，３１ｂの出力の論理積を演算し、その演算結果をパルス信号Ｓ３として出力する。

パルス拡大回路１４ｂは、抵抗３３ａ〜３３ｄ、ＦＥＴ３４、積分回路３５、及びコンパレータ３６を備えており、パルス化回路１４ａから出力されるパルス信号Ｓ３のパルス幅を拡大する。抵抗３３ａ，３３ｂ及び抵抗３３ｃ，３３ｄは参照電圧Ｖｒｅｆを分圧するための抵抗である。抵抗３３ａ，３３ｂは、互いに直列接続されるとともにＦＥＴ３４に直列接続されて参照電圧Ｖｒｅｆが供給される端子とグランドとの間に接続されている。抵抗３３ｃ，３３ｄは、互いに直列接続されて参照電圧Ｖｒｅｆが供給される端子とグランドとの間に接続されている。

ＦＥＴ３４は、ソース電極が抵抗３３ｂに接続されるとともにドレイン電極がグランドに接続されており、ゲート電極に入力されるパルス信号Ｓ３に応じて抵抗３３ｂとグランドとの間を導通状態又は開放状態にする。積分回路３５は、反転入力端が抵抗３３ａ，３３ｂの接続点Ｚ１に接続されるとともに非反転入力端が抵抗３３ｃ，３３ｄの接続点Ｚ２に接続されたオペアンプ３５ａと、オペアンプ３５ａの反転入力端と出力端との間に並列に接続されたコンデンサ３５ｂ及び電圧リミッター３５ｃとからなる。尚、電圧リミッター３５ｃは、互いに逆向きに直列接続された２つのショットキーダイオードからなる。

コンパレータ３６は、反転入力端がオペアンプ３５ａの出力端に接続されるとともに、非反転入力端が抵抗３３ｃ，３３ｄの接続点Ｚ２に接続されており、接続点Ｚ２の電位（Ｖｒ）とオペアンプ３５ａからの信号Ｓ４とを比較してパルス信号ＰＳを出力する。かかる構成のパルス拡大回路１４ｂは、コンデンサ３５ｂの容量を変えることで、パルス幅の拡大量を変えることができる。尚、パルス幅の拡大量は、例えば十数〜数十倍程度に設定される。

図４は、本発明の一実施形態におけるパルス変換回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。いま、図４の時刻ｔ０において、制御処理装置１７の制御によってスイッチ１３がオン状態からオフ状態に切り替えられ、一次電池Ｂの電池電圧が図４に示す通り、Ｖ１からＶ２に変化する場合を考える。尚、電池電圧Ｖ１は下限閾電圧ＶＴ１よりも小さく、電池電圧Ｖ２は上限閾電圧ＶＴ２よりも大きいものとする。

スイッチ１３の切り替えが行われた時刻ｔ０の直後は、一次電池Ｂの電池電圧が下限閾電圧ＶＴ１よりも小さいため、コンパレータ３１ｂの出力は「Ｈ（ハイ）」レベルであるが、コンパレータ３１ａの出力は「Ｌ（ロー）」レベルである。このため、ＡＮＤ回路３２から出力されるパルス信号Ｓ３は「Ｌ」レベルになる。これに対し、電池電圧が下限閾電圧ＶＴ１に達すると、コンパレータ３１ａ，３１ｂの出力が共に「Ｈ」レベルになり、パルス信号Ｓ３が「Ｈ」レベルになる（時刻ｔ１）。

電池電圧が下限閾電圧ＶＴ１と上限閾電圧ＶＴ２との間であるときには、コンパレータ３１ａ，３１ｂの出力が共に「Ｈ」レベルであるため、パルス信号Ｓ３が「Ｈ」レベルに維持される。これに対し、電池電圧が上限閾電圧ＶＴ２に達すると、コンパレータ３１ａの出力は「Ｈ」レベルであるが、コンパレータ３１ｂの出力は「Ｌ」レベルになり、パルス信号Ｓ３が「Ｌ」レベルになる（時刻ｔ２）。尚、電池電圧が上限閾電圧ＶＴ２に達した後は、コンパレータ３１ａの出力は「Ｈ」レベルであるが、コンパレータ３１ｂの出力は「Ｌ」レベルであるため、パルス信号Ｓ３が「Ｌ」レベルに維持される。このようにして、一次電池Ｂの電池電圧の変化がパルス信号Ｓ３に変換される。

パルス化回路１４ａから出力されるパルス信号Ｓ３がパルス拡大回路１４ｂに入力されると、積分回路３５によって積分される。これにより、積分回路３５から出力される信号Ｓ４は、パルス信号Ｓ３が「Ｈ」レベルに維持される時刻ｔ１〜ｔ２の間は電圧が徐々に増大する。ここで、パルス信号Ｓ３が「Ｌ」レベル変化する時刻ｔ２以降は、ＦＥＴ３４がオフ状態になるため、積分回路３５から出力される信号Ｓ４は、コンデンサ３５ｂの放電によって電圧が徐々に減少する。

この信号Ｓ４は、コンパレータ３６に入力されて抵抗３３ｃ，３３ｄの接続点Ｚ２の電位（Ｖｒ）と比較され、信号Ｓ４の電圧が電位（Ｖｒ）を超えている間（時刻ｔ３〜ｔ４の間）は「Ｈ」レベルとなるパルス信号ＰＳが出力される。このようにして、パルス化回路１４ａから出力されるパルス信号Ｓ３のパルス幅が拡大される。

次に、上記構成における電池残量検出装置１の動作について説明する。図５は、本発明の一実施形態による電池残量検出装置の動作を示すフローチャートである。尚、図５に示すフローチャートは、１日に数回（例えば、６時間毎に計４回）行われる。処理が開始されると、まず制御処理装置１７の制御部２８は、温度センサ１６から温度データを取得するとともにＲＯＭ２６から校正テーブルを読み出して残量算出テーブルを校正する（ステップＳ１１）。尚、温度変化によって一次電池Ｂの特性変化が大幅に変わらないのであれば、この処理を省略しても良い。

残量算出テーブルの校正を終えると、制御部２８はＡ／Ｄコンバータ２３をイネーブルにして動作させ、一次電池Ｂの電池電圧を測定する（ステップＳ１２）。ここで測定される電池電圧は、スイッチ１３がオフ状態であるため、図２中の電池電圧Ｖ２である。尚、Ａ／Ｄコンバータ２３から出力されるディジタル信号は、制御部２８の制御によってＲＡＭ２７に記憶される。

次に、制御部２８は、制御信号Ｃ１をＩＯポート２１に出力してスイッチ１３をオフ状態からオン状態に切り替える（ステップＳ１３）。これにより、一次電池Ｂに対して負荷１２が接続されて、一次電池Ｂの電池電圧が変化する。次いで、制御部２８は、再び一次電池Ｂの電池電圧を測定し、測定を終えた後でＡ／Ｄコンバータ２３をディスエーブルにして停止させる（ステップＳ１４）。ここで測定される電池電圧は、スイッチ１３がオン状態であるため、図２中の電池電圧Ｖ１である。尚、Ａ／Ｄコンバータ２３から出力されるディジタル信号は、制御部２８の制御によってＲＡＭ２７に記憶される。

以上の処理が終了すると、制御部２８はステップＳ１２，Ｓ１４でＲＡＭ２７に記憶させたディジタル信号（電池電圧Ｖ１，Ｖ２）を読み出し、電池電圧の変化量（Δ＝Ｖ２−Ｖ１）を求めて下限閾電圧ＶＴ１及び上限閾電圧ＶＴ２を算出する（ステップＳ１５）。具体的には、電池電圧Ｖ１に変化量Δの２０％を加えた電圧（Ｖ１＋０．２Δ）を下限閾電圧ＶＴ１として算出し、電池電圧Ｖ１に変化量Δの８０％を加えた電圧（Ｖ１＋０．８Δ）を上限閾電圧ＶＴ２として算出する。尚、算出された下限閾電圧ＶＴ１及び上限閾電圧ＶＴ２は、ＲＡＭ２７に記憶される。

次に、制御部２８は、制御信号Ｃ２をＩＯポート２２に出力して電源スイッチ１５を制御し、パルス変換回路１４に対して電源電圧（Ｖｃｃ）を供給させてパルス変換回路１４の動作を開始させる（ステップＳ１６）。次いで、制御部２８は、Ｄ／Ａコンバータ２４をイネーブルにして動作させた後に、ステップＳ１５で算出した下限閾電圧ＶＴ１及び上限閾電圧ＶＴ２をＲＡＭ２７から読み出してＤ／Ａコンバータ２４に出力する（ステップＳ１７）。

これにより、下限閾電圧ＶＴ１及び上限閾電圧ＶＴ２がＤ／Ａコンバータ２４で下限閾電圧信号Ｓ１及び上限閾電圧信号Ｓ２にそれぞれ変換されてパルス変換回路１４に出力される。その後、制御部２８は、カウンタ２５をイネーブルにして動作させ、パルス変換回路１４から出力されるパルス信号ＰＳの１つのパルスに含まれる基準クロックの数を計数可能な状態にする（ステップＳ１８）。

以上の処理が終了すると、制御部２８は、制御信号Ｃ１をＩＯポート２１に出力してスイッチ１３をオン状態からオフ状態に切り替える（ステップＳ１９）。これにより、一次電池Ｂに接続されていた負荷１２が切り離されて一次電池Ｂの電池電圧が変化する。すると、図３，図４を用いて説明した通り、一次電池Ｂの電池電圧の変化がパルス変換回路１４のパルス化回路１４ａでパルス信号Ｓ３に変換されるとともに、変換されたパルス信号Ｓ３のパルス幅がパルス変換回路１４のパルス拡大回路１４ｂで拡大される。これにより、パルス変換回路１４からは、パルス幅が拡大されたパルス信号ＰＳが出力される（第１ステップ）。

パルス変換回路１４からのパルス信号ＰＳが制御処理装置１７のカウンタ２５に入力されると基準クロックの計数が開始される。すると、制御部２８は、カウンタ２５の計数が終了したか否かを判断する（ステップＳ２０）。カウンタ２５の計数が終了していないと判断した場合（ステップＳ２０判断結果が「ＮＯ」の場合）には、制御部２８は、ステップＳ２０の判断処理を繰り返す。

これに対し、カウンタ２５の計数が終了したと判断した場合（判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、制御部２８は、制御信号Ｃ２をＩＯポート２２に出力してパルス変換回路１４に対する電源電圧（Ｖｃｃ）の供給を停止させるとともに、Ｄ／Ａコンバータ２４をディスエーブルにして停止させる（ステップＳ２１）。そして、制御部２８は、カウンタ２５の計数値をＲＡＭ２７に記憶させる（ステップＳ２２）。

次に、制御部２８は、ＲＯＭ２６から残量算出テーブルを読み出し、残量算出テーブルを用いてＲＡＭ２７に記憶されているカウンタ２５の計数値に対応した残量を特定することによって一次電池Ｂの残量を求める（第２ステップ）。そして、一次電池Ｂの残量を予め測定されている一次電池Ｂの平均消費電力で除算することによって一次電池Ｂの寿命を予測する（ステップＳ２３）。

以上の処理が終了すると、制御部２８は、ステップＳ２３で算出した予測寿命が、予め規定された閾寿命（一次電池Ｂの交換が必要となる寿命）よりも短いか否かを判断する（ステップＳ２４）。予測寿命が閾寿命以上であると判断した場合（ステップＳ２４の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、図５に示す一連の処理が終了する。これに対し、予測寿命が閾寿命よりも短いと判断した場合（ステップＳ２４の判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、制御処理装置１７は、一次電池Ｂの交換が必要である旨を示す警告情報を報知する。例えば、液晶表示装置に対して上記の警告情報を表示し、或いは通信機能を用いて警告情報を送信する（ステップＳ２５）。このような警告情報の表示又は送信が行われることにより、作業者は一次電池Ｂの交換が必要であることを知ることができる。

以上の通り、本実施形態では、スイッチ１３がオン状態からオフ状態に切り替えられたときの一次電池Ｂの電池電圧の変化をパルス変換回路１４でパルス信号Ｓ３に変換するとともにパルス信号Ｓ３のパルス幅を拡大してパルス信号ＰＳを生成し、このパルス信号ＰＳのパルス幅をカウンタ２５で計数して一次電池Ｂの残量を求めている。このため、一次電池Ｂの残量を従来よりも正確に検出することができる。その結果として、一次電池Ｂの電圧低下に起因する障害を未然に防止することができる。

以上説明した電池残量検出装置１は、プラントや工場に設置される無線フィールド機器に設けられる。図６は、本発明の一実施形態による電池残量検出装置が設けられる無線フィールド機器の要部構成を示す図である。尚、ここでは無線フィールド機器の一種である差圧伝送器を例に挙げて説明する。図６に示す通り、無線フィールド機器としての差圧伝送器４０は、センサ部４１ａ，４１ｂ、ＣＰＵ（中央処理装置）４２、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ＲＯＭ）４３、ＲＡＭ４４、表示装置４５、ＲＦモジュール４６、及びアンテナ４７を備えており、センサ部４１ａ，４１ｂの検出結果をＣＰＵ４２で処理して差圧を求め、求めた差圧を表示装置４５に表示し、又はＲＦモジュール４６からアンテナ４７を介して送信する。

センサ部４１ａ，４１ｂは、Ｈ型の振動式センサと、この振動式センサを駆動する駆動回路とからなり、振動式センサの検出結果を増幅するとともに整形したパルス信号をＣＰＵ４２に出力する。ＣＰＵ４２は、センサ部４１ａ，４１ｂからのパルス信号を計数し、その計数結果からセンサ部４１ａ，４１ｂの固有振動数（共振周波数）を求めてセンサ部４１ａ，４１ｂが設置された部位の圧力（プロセス圧）を算出する。ＥＥＰＲＯＭ４３及びＲＡＭ４４は、ＣＰＵ ４２がプロセス圧を算出する際に用いる補正係数や、プロセス圧の中間値、電池の寿命管理データ等を記憶する。

表示装置４５は、液晶表示装置等の表示装置であり、ＣＰＵ４２で算出されたプロセス圧やアラームを周期的に表示することが可能である。ＲＦモジュール４６は、アンテナ４７を介した無線通信が可能であり、例えばＣＰＵ４２で算出されたプロセス圧を示す情報を、アンテナ４７を介して上位の装置に送信する。

以上の構成の差圧伝送器４０において、電力を供給する一次電池Ｂは、例えば防爆規格を満たす電池収納装置に収納された状態で差圧伝送器４０に取り付けられている。尚、図１に示す電池残量検出装置１をなす電源部１１〜制御処理装置１７は、例えば無線フィールド機器の内部に設けられている。このため、一次電池Ｂの残量を従来よりも正確に検出することができ、これにより電圧低下に起因する差圧伝送器４０の動作不良等の障害を未然に防止することができる。

以上、本発明の一実施形態による電池残量検出装置及び方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、図５に示すフローチャートに示される処理が１日に数回行われる場合を例に挙げて説明したが、作業者が一次電池の交換を行う場合に必ず図５に示されるフローチャートの処理が行われるようにしても良い。このようにすると、作業者が一次電池の交換を行う場合に、交換を行った一次電池の残量を確認することができ、無線フィールド機器に装着されていた電池収納装置を再度装着してしまうという誤作業を防止することができる。

１ 電池残量検出装置
１２ 負荷
１３ スイッチ
１４ パルス変換回路
１７ 制御処理装置
Ｂ 一次電池
ＰＳ パルス信号
ＶＴ１ 下限閾電圧
ＶＴ２ 上限閾電圧
Δ 電池電圧の変化量

Claims (5)

1. 一次電池に対して負荷を接続するか否かを切り替えるスイッチを制御しつつ前記一次電池の電池電圧を測定して前記一次電池の残量を検出する電池残量検出装置において、
   前記スイッチが閉状態から開状態に切り替えられたときの前記電池電圧の変化をパルス信号に変換するとともに、該パルス信号のパルス幅を拡大する変換回路と、
   前記スイッチを制御するとともに、前記変換回路から出力されるパルス信号のパルス幅を計測し、該計測結果に基づいて前記一次電池の残量を求める制御処理装置と
   を備え、
   前記制御処理装置は、前記スイッチを開状態から閉状態に切り替えたときの前記電池電圧の変化量を求め、該変化量から前記変換回路で前記電池電圧の変化をパルス信号に変換する際に前記電池電圧の変化の開始及び終了を規定する閾電圧である第１，第２電圧をそれぞれ求め、
   前記変換回路は、前記制御処理装置で求められた前記第１，第２電圧を用いて前記電池電圧の変化をパルス信号に変換する
   ことを特徴とする電池残量検出装置。
2. 前記スイッチを開状態から閉状態に切り替えたときに得られる前記電池電圧の変化量を１００％とした場合に、
   前記第１電圧は、前記スイッチが閉状態であるときに測定される前記電池電圧に前記変化量の２０％を加えた電圧であり、
   前記第２電圧は、前記スイッチが閉状態であるときに測定される前記電池電圧に前記変化量の８０％を加えた電圧である
   ことを特徴とする請求項１記載の電池残量検出装置。
3. 前記制御処理装置は、前記変換回路から出力される前記パルス信号のパルス幅よりも十分短い周期を有する基準クロックのクロック数を計数することによって前記パルス信号のパルス幅を計測することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電池残量検出装置。
4. 前記制御処理装置は、前記基準クロックの計数値と、前記一次電池の残量との関係を示すテーブルを用いて前記一次電池の残量を求めることを特徴とする請求項３記載の電池残量検出装置。
5. 一次電池に対して負荷を接続するか否かを切り替えるスイッチを制御しつつ前記一次電池の電池電圧を測定して前記一次電池の残量を検出する電池残量検出方法であって、
   前記スイッチを開状態から閉状態に切り替えたときの前記電池電圧の変化量を求め、該変化量から前記電池電圧の変化の開始及び終了を規定する閾電圧である第１，第２電圧をそれぞれ求めるステップと、
   前記第１，第２電圧を用いて、前記スイッチが閉状態から開状態に切り替えられたときの前記電池電圧の変化をパルス信号に変換し、該パルス信号のパルス幅を拡大するステップと、
   パルス幅が拡大された前記パルス信号のパルス幅を計測し、該計測結果に基づいて前記一次電池の残量を求めるステップと
   を有することを特徴とする電池残量検出方法。

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