JP6300904B2 - 低電力光アイソレータを用いた産業プロセスフィールド機器 - Google Patents

Description

本発明は、産業プロセスのプロセス変数を測定又は制御するのに用いられる産業プロセスフィールド機器に関する。より詳細には本発明は、光アイソレータを含むことで当該フィールド機器内の構成要素同士を絶縁する産業プロセスフィールド機器に関する。

光アイソレータは、オプトアイソレータ、オプトカプラ又はフォトカプラとの名でも知られているが、電気回路部品の配置であって、可視光及び赤外放射を含む電磁放射を用いることにより、２つの絶縁（隔離）された回路間において電気信号を伝達するものである。当該絶縁により、大電圧の発生が防止され、あるいは一方の回路にある大電圧がもう一方の回路へと伝達される又は接続されることが防止される。光アイソレータは回路間で電力供給を行うことはできないが、当該絶縁された回路間において信号伝達することは可能である。理解されるように、光アイソレータは、絶縁が要求される種々の電子機器において広く利用されている。

光アイソレータを利用する電子機器の一つとして、フィールド機器が知られている。フィールド機器は、プロセス制御・監視産業において多様な目的のために利用されている。通常、こうしたフィールド機器はフィールド向けに強化された筐体を有することにより、比較的厳しい環境にも設置可能であり、且つ、温度、湿度、振動及び機械的衝撃に関して極端な気象条件にも耐えられるようになっている。フィールド機器はまた通常、比較的低電力で動作する。例えば、現状入手可能なフィールド機器の中には、自身の動作電力の全てを周知の4-20mAループから受信するものがある。

米国特許第7619418号 (US 7619418 B2)

フィールド機器が稼働する環境は、時によっては非常に不安定な場合がある。当該環境の中には非常に不安定であって、誤って発生したスパークや、電子部品の表面温度がかなり高くなっていることを原因として、当該環境を発火させ爆発を発生させてしまうものがある。こうした事態を起こさないようにするために、本質安全仕様が開発されている。本質安全要件に準拠することで、たとえ障害状態にあったとしても、回路又は機器そのものが不安定環境に対して発火させることができないようにすることに寄与することができる。光アイソレータを用いることで、フィールド機器内の回路を絶縁し、本質安全要件を満たすようにすることができる。フィールド機器内の構成部品の間での絶縁された高速通信には通常、高電力オプトカプラを必要とする。しかしながら、フィールド機器の多くにおいては、利用可能な電力は非常に制限されている。さらに、オプトカプラは通常では本質安全要件に即した利用に向けた設定がなされておらず、従って、オプトカプラにおける伝送器及び受信器の間に比較的大きな分離が必要となる。当該大きな間隔により、機器の動作速度が低減され、当該距離を結ぶために追加電力が必要となってしまう。

産業プロセス制御フィールド機器は、プロセス変数を検知又は制御するよう構成されたプロセス変数変換器を含む。フィールド機器回路は、プロセス変数変換器に接続し、別ロケーションへとプロセス変数に関する情報を通信するように構成されている。フィールド機器回路は光アイソレータを含み、光アイソレータは伝送回路を有し、伝送回路は、ガルバニック絶縁における第１の側にあり、当該絶縁を超えて、パルスとしてオンオフされる形での光信号を伝送するよう構成されている。受信回路はガルバニック絶縁における第２の側に設置されており、光センサを用いて光信号を受信するように構成されている。光センサは、パルスを受信した場合に「オン」となり、それ以外の場合は「オフ」状態にある。受信回路は、受信光信号に基づいて第２の側における出力を与える。受信回路は、光センサが「オフ」の状態にある場合は低電力状態となる。

磁気流量計の部分断面図である。 図１の磁気流量計の簡略化された電気回路図である。 光アイソレータ伝送回路の回路図である。 光アイソレータ受信回路の回路図である。

種々の態様において、機器の電子部品間の絶縁を行う光アイソレータを含むプロセスフィールド機器が提供される。光アイソレータは伝送回路及び受信回路を含む。電力消費を低減するため、当該伝送及び受信回路はノーマリーオフ又は低電力状態で動作するよう設定されている。当該設定の結果、オプトカプラを利用しているほとんどのフィールド機器における通常の値よりも低い電力消費となる。当該回路は異なる動作周波数、デューティサイクル及び電圧レベルに向けて最適化してもよい。以下の説明は、データが光アイソレータを通じて測定回路から出力回路へと伝送されるようなフィールド機器を対象とするものである。しかしながら、本発明はこうした構成に限定されるわけではない。さらに、磁気流量計に関連したものとして特定の実装の説明が行われる。しかしながら、本発明は光アイソレータを用いた絶縁が要求される任意のフィールド機器において実装可能である。

図１は、本発明の実施形態が特に役立つ磁気流量計20の部分断面図である。磁気流量計20は、低い透磁率の材質で形成されていると共に電気絶縁ライナー23を有する流管22と、コイルによって形成されている電磁石26と、強磁性コア又はシールド28と、電極30,32と、を含む。電磁石26及び電極30,32は、伝送器回路34へと配線されている。動作時には、伝送回路は電流により電磁石26を駆動し、電磁石26は流管22内部に矢印として示されているような磁場36を発生させる。プロセス液体21は当該流管22内の磁場を貫通して流れることで、当該流れによって当該液体21内に起電力（EMF、電圧）が誘導される。絶縁ライナー23により当該起電力が液体21から金属の流管22へとリーク（漏出）してしまうことが防止される。電極30,32は液体21に接触していることによって当該起電力をピックアップ又は検知するが、当該起電力はファラデーの法則により、流管22内における液体21の流量に比例するものとなる。

図２は、磁気流量計伝送器20の回路を示す図である。磁気流量計20は流管22を含み、当該流管22は流れている液体21を輸送するようになっており、当該液体21は流管22と電気的に接続されている。コイル26は流管22に近接して配置されることで、駆動回路152からの駆動信号に応答してプロセス流体に磁場を印加する。電極30及び32は流体21内に発生した起電力を検知する。当該起電力は流体21の流れ及び印加された磁場36に関係するものとなっている。電極30及び32は、差動アンプ150を通じて測定回路154へと接続されている。測定回路154は既存技術に即して流れに関する出力を与える。測定回路154は例えば、適切にプログラムされた又は設定されたマイクロプロセッサ（単数又は複数）又はデジタル信号処理（DSP）回路を含んでよい。

測定回路154の出力は出力回路158へと与えられることで、磁気流量計20からリモートに存在する制御又は監視回路へと伝送される。出力回路158は、プロセス流体21の流量を表すデジタル又はアナログの出力を与える。出力回路158の当該出力は、図示される通りプロセス制御ループ160へと接続される。ループ160は電流ループであってよく、当該電流ループ上においてアナログ及び／又はデジタル出力が、流量計20から一般にリモート配置されている制御又は監視回路へと伝送される。当該通信の技術の例には、4-20mA又はHART（登録商標）ループ、フィールドバス（FieldBus）プロトコルその他が含まれ、また、wirelessHART（登録商標、ワイヤレスHART）といったような無線通信プロトコルが含まれる。いくつかの構成においては、ループ160から受信した電力を用いて伝送器20の回路の一部又は全部に給電するようにしてもよい。

本質安全の設計要件に従い、測定された流れに関する情報は測定回路154から出力回路158へと、光接続の技術を用いたガルバニック絶縁（の箇所）180を超えることにより、送信される。絶縁180は本質安全要件に即したものとすることができ、絶縁180の部分は少なくとも部分的に、当該オプトカプラにより用いられる電磁放射に透過性を有するものである必要がある。当該絶縁は例えば、物理的バリアを用いて伝送器20のハウジングを2つの部分（セクション）に分割することにより、実現することができる。当該一方の部分は低電力であり本質安全である回路を格納してよく、当該もう一方の部分は高電力の回路を格納してよい。

この例においては、双方向通信のために２つのオプトカプラが利用されている。図２では、第１のオプトカプラは光伝送回路196によって形成され、当該回路196は光信号204を、絶縁180を超えることで光受信回路200へと伝送する。第２のオプトカプラは光伝送回路198によって形成され、当該回路198は光信号206を、絶縁180を超えることで光受信回路202へと伝送する。しかしながら、単一の伝送器／受信器回路ペアを用いることで、例えば測定回路154から出力回路158への向きのみといったような単方向通信を行うようにしてもよい。さらに、複数ペアの伝送器及び受信器の回路を用いることで、単方向又は双方向通信を行うようにしてもよい。オプトカプラの利用により、２つの回路154,158の間において当該間に電気的接続を設けることなく、データの伝送が可能となる。通常の磁気流量計の設定では、測定回路及びコイル駆動回路は外部電源を用いて電力供給される。従来技術設定のいくつかにおいては、本質安全要件を満たすべく、出力回路158は個別の絶縁された電源及び／又はその他の絶縁技術を必要とする。しかしながら、一つの設定例においては、回路158はループ160を通じて受信した電力によって給電される。

図３及び４はそれぞれ、図２に示す光伝送回路196及び光受信回路200の簡略化された回路図である。以下に説明するように、伝送及び受信回路は常時「オフ」（ノーマリーオフ）又は低電力状態で動作することにより、必要時において電力使用するようなアーキテクチャ（構成）を用いて実装されている。より詳細には、当該回路は、伝送及び受信回路196,200が実質的な電力を消費するのが、論理レベル値の低い方（例えば、論理値「０」）を当該回路間で伝送する場合のみとなるように、構成されている。高い側の論理レベル、すなわち、論理値「１」は、光信号204が存在しない場合に、回路196及び200の間において伝送される。こうして、デジタルの「高」（「ハイ」）の値を伝送する場合は、伝送回路196はオフとなる。さらに、受信回路200は、光信号204を受信していない場合には低電力状態で動作するよう設定されている。こうした構成においては、信号のひずみを防止するために、信号における等しい立ち上がり及び立ち下りの時間を考慮する必要があることに注意されたい。

図３に示す実施形態では、赤外ダイオード220はゲート222によって抵抗224を通じて駆動される。アイドル状態（待機状態）にある間、すなわち、ゲート222がロジック値「高」（「ハイ」）にある場合には、ダイオード220は電流を伝導しない。通信している際は、ダイオード220は必要な電流によって、この場合は各「０」ビットの際における約3mAの電流によって、駆動される。従って、例えば最大のデューティサイクルが5%であれば、平均の電流は約150μAである。ゲート222は測定回路154よりデジタルビットストリームの信号を受信し、これに応答して光源（ダイオード）220に給電する。給電を受けると、ダイオード220は光信号204を受信回路200へと伝送する。

図４に示す実施形態では、信号204は光センサ（ダイオード）240によって受信される。図４に示すように、ダイオード240は電源及びトランジスタ242のベースに接続されている。トランジスタ242は抵抗244を通じて電源へと接続されている。さらに、トランジスタ242のコレクタはショットキーダイオード246を通じてダイオード240へと接続されている。トランジスタ242のコレクタはキャパシタ252を通じて差動コンパレータ250の非反転入力に接続されている。コンパレータ250の非反転入力はまた、抵抗254及び256を通じてグランド接地されている。コンパレータ250の反転入力は、抵抗270を通じて電源に接続されると共に、抵抗272を通じてグランド接地されている。抵抗280を通じて正のフィードバックが与えられる。

動作時においては、ダイオード240は常時、アイドル状態にあって信号204を受信しないことから、電流の導通が行われない。当該アイドル状態（論理値が「１」すなわち高い状態）にある際は、回路200により流れる電流は、抵抗270,272を通る電流と、抵抗280,256を通る電流と、コンパレータ250を通る電流と、である。当該特定の例においては、これら電流はそれぞれ、約10μA、20μA及び130μAであって、合計で約160μAである。

「０」ビットを受信した場合は、受信回路200はダイオード220,240間の電流伝達率（CTR）の関数として電流を流す。例えば、図３のダイオード220に3mAの駆動電流が加えられており、電流伝達率が60%であるものと仮定すると、トランジスタ242によるゲインを経た後の、抵抗244を流れる電流は約1.8mAとなる。上記言及したように5%のデューティサイクルを仮定すると、平均電流は約90μAとなる。従って、受信回路200において流れている平均電流は約250μAとなる。

当該実施形態によれば、受信回路200は４つの主要な部分（セクション）を含む。ダイオード240は、光センサを提供する。増幅処理部分は、トランジスタ242によって提供される。交流接続部分は、キャパシタ252によって実装される。ヒステリシス及びコンパレータ部分は、コンパレータ250及び抵抗256,280によって実装される。当該部分は、ヒステリシスを有するコンパレータとして動作し、受信したデータビットをラッチ（latch）する。

受信回路200では、ショットキーダイオード246が動作することにより、受信信号204が大きすぎる場合にトランジスタ242が飽和するのを防止する。トランジスタ242のこのような飽和はビットパターンを歪めてしまい受信信号のエラーにつながることがある。トランジスタ242からの増幅電流は抵抗244を流れることで電圧を生成し、当該電圧はキャパシタ252を通じてコンパレータ250へと交流接続される。キャパシタ252の容量は、接続信号の振幅と減衰時間との間でバランスを取るように選択する必要がある。（５）抵抗256の値を小さくすることは減衰時間の低減に役立つが、当該小さくすることはまた、交流接続信号に負荷を与えることにつながる。抵抗256の両端に渡って発生する交流接続信号は、コンパレータ250の反転入力における電圧を超える必要がある。コンパレータ250の反転入力におけるバイアス電圧は、当該閾値に到達するように所望の値を設定することができる。キャパシタ252を通る信号の信号強度は、コンパレータ250のオフセット電圧及び所望のノイズ除去機能に基づいて選択する必要がある。例えば、コンパレータ250のオフセット電圧が10mVであり、ノイズ除去マージンとして20mAを所望する場合、反転入力におけるバイアスは約30mVである必要がある。コンパレータ250に与えられるヒステリシスフィードバックは約60mVである。当該フィードバックは、反転入力の値の2倍として選択されることで、立ち上がり信号及び立ち下がり信号の両方において到達する閾値が等しくなるようになっている。コンパレータ250の出力が「低」（「ロー」）である場合は、非反転入力は約0ボルトにある。コンパレータ250の出力が「高」（「ハイ」）である場合は、非反転入力は約60mVにある。負遷移(negative transition)によってグランドレベルを下回った際に、抵抗254はコンパレータ250が受信する電流を制限する。

上記説明した通り、当該回路は常時オフ（ノーマリーオフ）状態を保ち、必要な場合にのみ相当の電力を使用することにより、電力消費を低減するように設定されている。当該回路は、光アイソレータ間で例えば論理レベル「０」のデータ伝送をする際にのみ相当の電力を消費するが、論理レベル「１」を伝送する際には実質的な電力の使用を行わない。伝送回路196から受信回路200へとビットが伝送された後、受信回路200は当該受信した信号をトランジスタ242を用いて増幅し、キャパシタ252を用いて当該受信した信号をコンパレータ250へと交流接続する。コンパレータ250はヒステリシスを有するゼロ点交差検出器として動作する。当該構成においては、コンパレータ250はデータビットをラッチする。当該回路は１つの論理レベルのみを増幅し、当該増幅された論理レベルは続きの処理段（段：ステージ）へと交流接続されるので、動的な電力消費は実質的に、当該増幅段のみに限定される。上記説明の通り、立ち上がり及び立ち下がりの時間を対称に保つべく、線形増幅を利用する必要がある。対称な伝搬遅延が必要である場合、ゲイン増幅段が飽和しないことが重要である。さらに、使用電力は、データが伝送される周波数に反比例で関係している。より高い周波数であれば、消費電力はより少ない。データパケット毎のビット数もまた、電力消費に直接的に影響する。伝送パケット毎のデータビット数が多いほど、電力消費も多く必要となる。

上記のようなアーキテクチャ（設計）によれば、各段を個別に最適化することができる。好ましくは、ゲインを最適化することにより、光部品の低い電流伝達率を克服するようにする。さらに、当該ゲイン段を最適化することで、電流伝達率の変動、温度影響及び絶縁効果を調整するようにしてもよい。交流接続段を調整することにより、所望の動作周波数とし、また、電力消費を最小化することができる。ゼロ点検出器でありヒステリシスを有するコンパレータは、最小の閾値に設定して信号としての合格判定（accept）及びノイズとしての失格判定（reject）を行うようにすることができる。好ましくは、コンパレータは電力消費を最小化するよう選択することができる。

本発明は好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明の考え方及び範囲から逸脱することなく、形式及び詳細に変更を加えうることを理解できるはずである。要素30及び32は具体的には電極であるものとして説明したが、これら要素はプロセス変数を検知または制御するよう設定された任意タイプのプロセス変数変換器であってよい。従って、図２の回路154は、制御又は測定回路であってよい。本明細書にて用いた「光（の）」（optical）という用語は、可視領域並びにその他の赤外及び紫外を含む領域における電磁放射を含む。上記説明したように、「ループ」及び「プロセス制御ループ」という用語は、有線及び無線の両方の通信技術を含む。従って、図２の回路158からの出力160は無線出力であってもよい。

20…産業プロセス制御フィールド機器、30,32…プロセス変数変換器、180…ガルバニック絶縁、196…伝送回路、200…受信回路、240…光センサ

Claims (16)

1. 産業プロセス制御フィールド機器であって、
   プロセス変数を検知又は制御するよう構成されているプロセス変数変換器と、
   前記プロセス変数変換器に接続され、産業プロセス制御ループで通信し、光アイソレータを含むフィールド機器回路と、を備え、
   前記光アイソレータが、
   ガルバニック絶縁における第１の側にあり、当該絶縁を超えて、パルスとしてオン及びオフされる光信号を伝送するように構成された伝送回路と、
   ガルバニック絶縁における第２の側にあり、前記光信号を受信して、これに応答して当該光信号に基づく第２の側の出力を与えるように構成された受信回路と、を備え、
   前記受信回路が、
   前記光信号におけるパルスを受信した場合に「オン」の状態となり、当該受信した場合以外には「オフ」の状態にある光センサと、
   前記光センサに接続されており、前記光センサが「オン」の状態にある場合にのみ前記第２の側の出力を増幅することで電力消費を低減する増幅器と、
   前記光センサからの出力に基づく出力を与えるコンパレータと、を含み、
   前記光センサからの出力が前記コンパレータへと交流接続されることで電力消費を低減する産業プロセス制御フィールド機器。
2. 前記伝送回路が、常時は低電力状態にあり、パルスを伝送する際には高電力状態となる請求項１に記載の産業プロセス制御フィールド機器。
3. 前記コンパレータは、前記増幅器により増幅された出力に基づく出力を与えるようにバイアス電圧の閾値が設定されている請求項１または２に記載の産業プロセス制御フィールド機器。
4. 前記光センサからの出力を前記コンパレータへと交流接続するためのキャパシタを含む請求項１ないし３のいずれかに記載のプロセス制御フィールド機器。
5. 前記コンパレータがヒステリシスを有して動作し、出力ビットをラッチするよう設定されている請求項１ないし４のいずれかに記載の産業プロセス制御フィールド機器。
6. 前記光センサからの出力が前記コンパレータへとキャパシタを通して接続される請求項１ないし５のいずれかに記載の産業プロセス制御フィールド機器。
7. 前記増幅器へと接続され、当該増幅器が飽和するのを防止するよう設定されているダイオードを含む請求項１ないし６のいずれかに記載の産業プロセス制御フィールド機器。
8. プロセス流体の流れに対して磁場を印加するよう設定されている磁気コイルを含み、
   前記プロセス変数変換器が、流量に関係するものとして前記プロセス流体の流れに発生する起電力を検知するよう設定されている検知電極を備える請求項１ないし７のいずれかに記載の産業プロセス制御フィールド機器。
9. 産業プロセス制御フィールド機器のデータを通信する方法であって、
   プロセス変数変換器を用いてプロセス変数を検知又は制御することと、
   産業プロセス制御ループにより、前記検知又は制御することに関係した通信を行うことと、
   ガルバニック絶縁における第１の側から、パルスとしてオン及びオフされる光信号を用いてデータ伝送することと、
   ガルバニック絶縁における第２の側において、受信回路により前記光信号を受信することと、
   当該受信することに応答して、前記光信号に基づいて受信回路出力を与えることと、を備え、
   前記受信することは、光センサが前記光信号におけるパルスを受信した場合に当該光センサを「オン」状態となし、当該受信した場合以外には当該光センサを「オフ」状態に保つようにすることによってなされると共に、前記光センサが「オン」状態にある場合にのみ増幅器を用いて前記光センサからの出力を増幅することで電力消費を低減することによってなされ、
   さらに、コンパレータを用いて前記増幅器からの出力を比較することと、
   前記光センサからの出力を前記コンパレータへと交流接続することによって電力消費を低減することと、を備える方法。
10. 前記データ伝送することが、常時は低電力状態にあり、パルスを伝送する場合には高電力状態となる伝送回路を用いてなされる請求項９に記載の方法。
11. 前記コンパレータは、前記増幅器からの前記増幅された出力を比較することがなされるように、バイアス電圧の閾値が設定されている請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記光センサからの出力を前記コンパレータへと交流接続するためにキャパシタを用いることを含む請求項９ないし１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記コンパレータがヒステリシスを有して動作し、出力ビットをラッチするよう設定されている請求項９ないし１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記光センサからの出力を前記コンパレータへとキャパシタを通して接続することを含む請求項９ないし１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記光センサが飽和するのを防止することを含む請求項９ないし１４のいずれかに記載の方法。
16. プロセス流体の流れに磁場を印加することを含み、
    前記プロセス変数変換器が、流量に関係している、前記プロセス流体の流れ内における起電力を検知するよう構成された電子を備える、請求項９ないし１５のいずれかに記載の方法。