JP6714860B2

JP6714860B2 - 測定モジュール

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Publication number: JP6714860B2
Application number: JP2016188083A
Authority: JP
Inventors: 崇之鈴木; 浩志溝田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: JP2018054361A

Description

本発明は、物理量を電気信号に変換するセンサモジュールと電源線、信号線、グランド線で接続する測定モジュールに関する。

センサモジュールと測定モジュールとで構成された測定装置では、例えば、センサモジュール側で物理量を電気信号に変換する処理が行なわれ、測定モジュール側で電気信号を読み取って測定値として出力等する処理が行なわれる。

図９は、センサモジュール５１０と測定モジュール５２０とで構成された測定装置５００の構成例を示している。本図に示すように、センサモジュール５１０は、センサ部５１１、信号出力部５１２を備え、測定モジュール５２０は、ＡＤＣ５２１、制御部５２２を備えている。また、センサモジュール５１０と測定モジュール５２０とは、電源線５３１、信号線５３２、グランド線５３３で接続されている。

センサモジュール５１０は、測定モジュール５２０から電源線５３１を介して電源Ｖｃｃが供給されており、動作電圧として用いている。また、センサモジュール５１０と測定モジュール５２０とはグラウンド線５３３により双方のグランドが接続されている。

センサモジュール５１０では、センサ部５１１が測定対象の物理量を電気信号に変換し、信号出力部５１２が増幅等して信号線５３２を介して測定モジュール５２０に出力する。信号出力部５１２は、例えば、チャージアンプを用いることができる。

測定モジュール５２０では、信号線５３２を介して入力されたアナログ信号をＡＤＣ５２１がデジタル信号に変換し、制御部５２２に入力する。制御部５２２は、ＡＤＣ５２１の検出値に基づいて所定の手順により測定値を算出等する。

ここで、センサモジュール５１０が信号線５３２に出力する電圧は、図１０（ａ）に示すように、物理量が無入力のときには、所定の定電圧値Ｖｍ（ＧＮＤ＜Ｖｍ＜Ｖｃｃ）を出力し、物理量の入力があると、物理量に対応した信号波形を出力する。このようなセンサモジュール５１０としては、例えば、圧電型加速度センサが挙げられる。

特許文献１には、信号線５３２の出力電圧が、図１０（ｂ）に示すように、一定時間グランド電圧（ＧＮＤ）を出力したり、図１０（ｃ）に示すように、一定時間電源電圧（Ｖｃｃ）を出力した場合に、電源線５３１、信号線５３２、グランド線５３３のいずれかで断線が生じていると判定することが記載されている。

特開平８−２５４４５９号公報

しかしながら、図１０（ｂ）（ｃ）に示した出力波形が得られた場合には、電源線５３１、信号線５３２、グランド線５３３のいずれかで断線が生じていると判定することができるが、例えば、信号線５３２が断線した場合には出力不定値となり、必ずしも図１０（ｂ）（ｃ）に示した出力波形になるとは限られないため、断線を検出できない状況が起こり得る。

ところで、測定モジュール５２０では、温度ドリフト等の長時間ドリフトの測定への影響を除去するため、図１１に示すように、信号線５３２を接続する信号線用端子とＡＤＣ５２１との間にコンデンサＣを挿入する場合がある。

この場合、直流成分がカットされるため、センサモジュール５１０の信号線５３２の出力電圧が、図１０（ｂ）（ｃ）に示した波形となっても、測定モジュール５２０側のＡＤＣ５２１では無入力時の波形と区別することができず、断線を検出することができない。このため、断線を検出するためには、断線検出用の専用回路を別途設けなければならず、コスト上昇を招くことになる。

そこで、本発明は、センサモジュールと信号線、電源線、グランド線で接続する測定モジュールにおいて、いずれかの線の断線の検出精度を簡易な構成で高めることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様である測定モジュールは、センサモジュールと信号線、電源線およびグランド線で接続し、前記センサモジュールに前記電源線を介して電源電圧Ｖｃｃを供給する測定モジュールであって、前記信号線の電圧を、第１抵抗とコンデンサを経由して検出する第１経路と、前記信号線の電圧を、前記コンデンサを経由せずに前記第１抵抗を経由して検出する第２経路とを切り換える第１スイッチと、前記電源電圧Ｖｃｃを第２抵抗と前記第１抵抗とを介して前記信号線に印加する経路の接続または切断を切り換える第２スイッチと、前記第１スイッチと前記第２スイッチとを切り換えたときの前記信号線の電圧の検出値に基づいて、少なくとも前記信号線、前記電源線および前記グランド線のいずれかの断線を検出する断線検出部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記断線検出部は、前記第１スイッチを前記第２経路に切り換え、前記第２スイッチを接続側に切り換えたときの前記検出値が、一定時間前記電源電圧Ｖｃｃにほぼ等しい場合に、前記信号線あるいは複数の線が断線していると判定することができる。
また、前記断線検出部は、前記第１スイッチを前記第２経路に切り換え、前記第２スイッチを切断側に切り換えたときの前記検出値が、一定時間グランド電圧にほぼ等しい場合に、前記電源線が断線していると判定することができる。
また、前記断線検出部は、前記第１スイッチを前記第２経路に切り換え、前記第２スイッチを切断側に切り換えたときの前記検出値が、一定時間前記電源電圧Ｖｃｃにほぼ等しい場合に、前記グランド線が断線していると判定することができる。
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様である測定モジュールは、センサモジュールと信号線、電源線およびグランド線で接続し、前記センサモジュールに前記電源線を介して電源電圧Ｖｃｃを供給する測定モジュールであって、前記信号線の電圧を、第１抵抗を経由して検出する経路と、前記電源電圧Ｖｃｃを第２抵抗と前記第１抵抗とを介して前記信号線に印加する経路の接続または切断を切り換えるスイッチと、前記スイッチを切り換えたときの前記信号線の電圧の検出値に基づいて、少なくとも前記信号線、前記電源線および前記グランド線のいずれかの断線を検出する断線検出部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、センサモジュールと信号線、電源線、グランド線で接続する測定モジュールにおいて、いずれかの線の断線の検出精度を簡易な構成で高めることができる。

本発明の測定装置の構成を示すブロック図である。スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２の切り換え状態とＡＤＣの検出対象について説明する図である。接続状態に対する第１検出状態および第２検出状態におけるＡＤＣの検出値をまとめた表である。測定と断線検出を行なう手順の一例を示すフローチャートである。測定と断線検出を行なう手順の一例を示すフローチャートである。本発明の測定装置の別構成を示すブロック図である。本発明の測定装置の別構成を示すブロック図である。測定と断線検出を行なう手順の一例を示すフローチャートである。センサモジュールと測定モジュールとで構成された測定装置の従来の構成例を示す図である。信号線の電圧波形を説明する図である。長時間ドリフトの影響を除去する測定装置の構成例を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の測定装置１０の構成を示すブロック図である。本図に示すように、測定装置１０は、センサモジュール２０と測定モジュール１００とを備えて構成されている。センサモジュール２０と測定モジュール１００とは、電源線３１、信号線３２、グランド線３３で接続されている。測定モジュール１００は、これらの線と接続するために端子を備えている。

センサモジュール２０は、例えば、圧電型加速度センサとすることができ、センサ部２１、信号出力部２２を備えている。センサモジュール２０は、測定モジュール１００から電源線３１を介して電源Ｖｃｃが供給されており、動作電圧として用いている。また、センサモジュール２０と測定モジュール１００とはグランド線３３により双方のグランドが接続されている。

センサモジュール２０の構成は、従来と同様であり、物理量が無入力のときには、所定の定電圧値Ｖｍ（ＧＮＤ＜Ｖｍ＜Ｖｃｃ）を信号線３２に出力し、物理量の入力があると、物理量に対応した信号波形を信号線３２に出力する。検出する物理量は、加速度に限られない。

測定モジュール１００は、ＡＤＣ１１０、制御部１２０、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、長時間ドリフトの測定への影響を除去するためのコンデンサＣを備えている。

測定モジュール１００において、信号線３２から抵抗Ｒ１、コンデンサＣ、ＡＤＣ１１０に至る経路において、スイッチＳＷ１が、コンデンサＣを経由する経路とコンデンサＣをバイパスする経路とを切り換えるために設けられている。

スイッチＳＷ２は、オン状態で、電源電圧Ｖｃｃを、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１を介して信号線３２に印加する。オフ状態では、電源電圧Ｖｃｃから抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１を介した信号線３２への経路を切断する。

制御部１２０は、測定部１２１と断線検出部１２２とを備えている。測定部１２１は、ＡＤＣ１１０の検出結果に基づいて所定の手順により測定値を算出等する。断線検出部１２２は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の切り換え制御を行ない、ＡＤＣ１１０の検出結果に基づいて、電源線３１、信号線３２、グランド線３３の断線を検出する。ここで、断線は、物理的な線の切断に限られず、端子から線が外れた状態等も含むものとする。

スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２の切り換え状態とＡＤＣ１１０の検出対象について図２を参照して説明する。

図２（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１を、コンデンサＣを経由する経路に切り換え、スイッチＳＷ２をオフにした状態を測定状態と称する。この場合、信号線３２を介してセンサモジュール２０から入力されたアナログ値がコンデンサＣを介してＡＤＣ１１０に入力されるため、長時間ドリフトの影響を除去した測定を行なうことができる。

図２（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ１を、コンデンサＣをバイパスする経路に切り換え、スイッチＳＷ２をオフにした状態を第１検出状態と称する。この場合、信号線３２を介してセンサモジュール２０から入力されたアナログ値がコンデンサＣを経由せずにＡＤＣ１１０に入力されるため、信号線３２が長時間電源電圧（Ｖｃｃ）を出力したり、長時間グランド電圧（ＧＮＤ）を出力する状況を検出することができる。

図２（ｃ）に示すように、スイッチＳＷ１を、コンデンサＣをバイパスする経路に切り換え、スイッチＳＷ２をオンにした状態を第２検出状態と称する。この場合、信号線３２の接続端子に電源電圧Ｖｃｃが印加されることになり、ＡＤＣ１１０では、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点の電圧を検出する。

図３は、接続状態に対する第１検出状態および第２検出状態におけるＡＤＣ１１０の検出値をまとめた表である。なお、ＡＤＣ１１０の検出値におけるＧＮＤ電圧は、Ｖｃｃ電圧とＧＮＤ電圧との間の範囲で、ＧＮＤ電圧とみなすことのできる十分に低い電圧を含んでいる。例えば、センサモジュールの特性の変化を考慮して、０〜０．５Ｖとする。また、Ｖｃｃ電圧は、Ｖｃｃ電圧とＧＮＤ電圧との間の範囲で、Ｖｃｃ電圧とみなすことのできる十分に高い電圧を含んでいる。例えば、３．０〜３．２Ｖとする。ここでは、ＧＮＤ電圧を０Ｖ、Ｖｃｃ電圧を３．３Ｖとしている。

すべての線が断線していないとき（Ｎｏ．１）、すなわち正常状態において、第１検出状態では信号値が検出され、第２検出状態では信号値に応じた値（電源電圧Ｖｃｃと信号値との間の電圧を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧した電圧）が検出される。

電源線３１のみが断線しているとき（Ｎｏ．２）は、センサモジュール２０の信号出力端がＧＮＤ電圧となる。このため、第１検出状態ではＧＮＤ電圧が検出され、第２検出状態では、電源電圧ＶｃｃとＧＮＤ電圧との間の電圧を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧した電圧（正常範囲内の電圧）が検出される。

ＧＮＤ線３３のみが断線しているとき（Ｎｏ．３）は、センサモジュール２０の信号出力端がＶｃｃ電圧となる。このため、第１検出状態、第２検出状態ともＶｃｃ電圧が検出される。

その他の場合（Ｎｏ．４〜８）は、センサモジュール２０の信号出力端はハイインピーダンスとして扱うことができる。このため、第１検出状態では不定値となり、第２検出状態ではＶｃｃ電圧が検出される。図中の網掛け部分は、接続状態を判定することができる特徴的な電圧検出値を示している。

以上のことから、測定モジュール１００は、例えば、図４に示すような手順により測定と断線検出とを行なうことができる。

まず、スイッチＳＷ１を、コンデンサＣを経由する経路に切り換え、スイッチＳＷ２をオフにした測定状態とする（Ｓ１０１）。この状態でＡＤＣ１１０の測定を行なう（Ｓ１０２）。そして、この値に基づいて測定値を算出する。

次に、スイッチＳＷ１を、コンデンサＣをバイパスする経路に切り換え、スイッチＳＷ２をオフにした第１検出状態とする（Ｓ１０３）。この状態でＡＤＣ１１０の測定を行なう（Ｓ１０４）。

ＡＤＣ１１０の検出値が、一定時間ＧＮＤ電圧であれば（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、図３の（Ｎｏ．２）に該当するため、電源線３１が切断していると判定する（Ｓ１０６）。この場合、例えば、（Ｓ１０２）で得られた測定値を無効とするとともに、断線の警告を出力する処理をさらに行なう。

一定時間ＧＮＤ電圧でなければ（Ｓ１０５：Ｎｏ）、スイッチＳＷ１を、コンデンサＣをバイパスする経路のままとし、スイッチＳＷ２をオンにした第２検出状態とする（Ｓ１０７）。この状態でＡＤＣ１１０の測定を行なう（Ｓ１０８）。

ＡＤＣ１１０の検出値が、一定時間Ｖｃｃ電圧であれば（Ｓ１０９：Ｙｅｓ）、図３の（Ｎｏ．３〜８）に該当するため、いずれかの線（１つまたは複数の線）が切断していると判定する（Ｓ１１０）。この場合も、例えば、（Ｓ１０２）で得られた測定値を無効とするとともに、断線の警告を出力する処理をさらに行なう。

一定時間Ｖｃｃ電圧でなければ（Ｓ１０９：Ｎｏ）、接続状態は正常であると判定する（Ｓ１１１）。この場合は、例えば、（Ｓ１０２）で得られた測定値を有効として、測定処理を継続する。

なお、測定状態と第１検出状態と第２検出状態の順序は任意である。また、測定のたびに断線検出を行なうのではなく、複数回連続して測定した後、断線検出を行なうようにしてもよい。

図４で示した手順では、電源線３１が切断しているか（Ｓ１０６）、いずれかの線が断線しているか（Ｓ１１０）の検出が可能であるが、以下に説明する図５に示す手順により、断線している線の特定をより詳細に行なうことができる。

まず、スイッチＳＷ１を、コンデンサＣを経由する経路に切り換え、スイッチＳＷ２をオフにした測定状態とする（Ｓ２０１）。この状態でＡＤＣ１１０の測定を行なう（Ｓ２０２）。そして、この値に基づいて測定値を算出する。

次に、スイッチＳＷ１を、コンデンサＣをバイパスする経路に切り換え、スイッチＳＷ２をオフにした第１検出状態とする（Ｓ２０３）。この状態でＡＤＣ１１０の測定を行なう（Ｓ２０４）。

ＡＤＣ１１０の検出値が、一定時間ＧＮＤ電圧であれば（Ｓ２０５：Ｙｅｓ）、図３の（Ｎｏ．２）に該当するため、電源線３１が切断していると判定する（Ｓ２０６）。この場合、例えば、（Ｓ２０２）で得られた測定値を無効とするとともに、断線の警告を出力する処理をさらに行なう。

ＡＤＣ１１０の検出値が、一定時間ＧＮＤ電圧でなくても（Ｓ２０５：Ｎｏ）、一定時間Ｖｃｃ電圧であれば（Ｓ２０７：Ｙｅｓ）、図３の（Ｎｏ．３）に該当するため、ＧＮＤ線３３が切断していると判定する（Ｓ２０８）。この場合も、例えば、（Ｓ２０２）で得られた測定値を無効とするとともに、断線の警告を出力する処理をさらに行なう。

一定時間Ｖｃｃ電圧でなければ（Ｓ２０７：Ｎｏ）、スイッチＳＷ１を、コンデンサＣをバイパスする経路のままとし、スイッチＳＷ２をオンにした第２検出状態とする（Ｓ２０９）。この状態でＡＤＣ１１０の測定を行なう（Ｓ２１０）。

ＡＤＣ１１０の検出値が、一定時間Ｖｃｃ電圧であれば（Ｓ２１１：Ｙｅｓ）、図３の（Ｎｏ．４〜８）に該当するため、信号線３２か複数の線が切断していると判定する（Ｓ２１２）。この場合も、例えば、（Ｓ２０２）で得られた測定値を無効とするとともに、断線の警告を出力する処理をさらに行なう。

一定時間Ｖｃｃ電圧でなければ（Ｓ２１１：Ｎｏ）、接続状態は正常であると判定する（Ｓ２１３）。この場合は、例えば、（Ｓ２０２）で得られた測定値を有効として、測定処理を継続する。

なお、上述の例では、スイッチＳＷ１がコンデンサＣを経由する経路とコンデンサＣをバイパスする経路とを切り換えるために設けられていたが、図６に示すように、ＡＤＣ１１０に加えてサブＡＤＣ１１１を設け、スイッチＳＷ１がコンデンサＣを経由してＡＤＣ１１０に至る経路とサブＡＤＣ１１１に至る経路とを切り換えるようにしてもよい。

この場合、測定状態におけるＡＤＣ測定はＡＤＣ１１０を用い、第１検出状態および第２検出状態におけるＡＤＣ測定はサブＡＤＣ１１１を用いるようにする。

また、本発明は、コンデンサＣを用いない測定モジュールに適用することもできる。この場合、図７に示すようにＳＷ１を省いた構成とし、図８に示すような手順で測定処理と断線検出処理を行なうことができる。

まず、スイッチＳＷ２をオフにする（Ｓ３０１）。この状態でＡＤＣ１１０の測定を行なう（Ｓ３０２）。そして、この値に基づいて測定値を算出する。なお、図７に示した測定モジュールは、温度ドリフト等の長時間ドリフトの測定への影響がない、または少ない場合に適用することが好ましい。

さらに、ＡＤＣ１１０の検出値が一定時間ＧＮＤ電圧であるかどうかを調べ（Ｓ３０３）、一定時間ＧＮＤ電圧であれば（Ｓ３０３：Ｙｅｓ）、図３の（Ｎｏ．２）に該当するため、電源線３１が切断していると判定する（Ｓ３０４）。この場合、例えば、（Ｓ３０２）で得られた測定値を無効とするとともに、断線の警告を出力する処理をさらに行なう。

一定時間ＧＮＤ電圧でなくても（Ｓ３０３：Ｎｏ）、一定時間Ｖｃｃ電圧であれば（Ｓ３０５：Ｙｅｓ）、図３の（Ｎｏ．３）に該当するため、グランド線３３が切断していると判定する（Ｓ３０６）。この場合も、例えば、（Ｓ３０２）で得られた測定値を無効とするとともに、断線の警告を出力する処理をさらに行なう。

一定時間Ｖｃｃ電圧でなければ（Ｓ３０５：Ｎｏ）、スイッチＳＷ２をオンにする（Ｓ３０７）。この状態でＡＤＣ１１０の測定を行なう（Ｓ３０８）。

ＡＤＣ１１０の検出値が、一定時間Ｖｃｃ電圧であれば（Ｓ３０９：Ｙｅｓ）、図３の（Ｎｏ．４〜８）に該当するため、信号線３２か複数の線が切断していると判定する（Ｓ３１０）。この場合も、例えば、（Ｓ３０２）で得られた測定値を無効とするとともに、断線の警告を出力する処理をさらに行なう。

一定時間Ｖｃｃ電圧でなければ（Ｓ３０９：Ｎｏ）、接続状態は正常であると判定する（Ｓ３１１）。この場合は、例えば、（Ｓ３０２）で得られた測定値を有効として、測定処理を継続する。

１０…測定装置、２０…センサモジュール、２１…センサ部、２２…信号出力部、３１…電源線、３２…信号線、３３…グランド線、１００…測定モジュール、１１０…ＡＤＣ、１２０…制御部、１２１…測定部、１２２…断線検出部
Ｃ…コンデンサ、Ｒ１…抵抗、Ｒ２…抵抗、ＳＷ１…スイッチ、ＳＷ２…スイッチ

Claims

センサモジュールと信号線、電源線およびグランド線で接続し、前記センサモジュールに前記電源線を介して電源電圧Ｖｃｃを供給する測定モジュールであって、
前記信号線の電圧を、第１抵抗とコンデンサを経由して検出する第１経路と、前記信号線の電圧を、前記コンデンサを経由せずに前記第１抵抗を経由して検出する第２経路とを切り換える第１スイッチと、
前記電源電圧Ｖｃｃを第２抵抗と前記第１抵抗とを介して前記信号線に印加する経路の接続または切断を切り換える第２スイッチと、
前記第１スイッチと前記第２スイッチとを切り換えたときの前記信号線の電圧の検出値に基づいて、少なくとも前記信号線、前記電源線および前記グランド線のいずれかの断線を検出する断線検出部と、
を備えたことを特徴とする測定モジュール。
前記断線検出部は、
前記第１スイッチを前記第２経路に切り換え、
前記第２スイッチを接続側に切り換えたときの前記検出値が、一定時間前記電源電圧Ｖｃｃにほぼ等しい場合に、前記信号線、前記電源線および前記グランド線のいずれかが断線していると判定することを特徴とする請求項１に記載の測定モジュール。
前記断線検出部は、
前記第１スイッチを前記第２経路に切り換え、
前記第２スイッチを切断側に切り換えたときの前記検出値が、一定時間グランド電圧にほぼ等しい場合に、前記電源線が断線していると判定することを特徴とする請求項１または２に記載の測定モジュール。
前記断線検出部は、
前記第１スイッチを前記第２経路に切り換え、
前記第２スイッチを切断側に切り換えたときの前記検出値が、一定時間前記電源電圧Ｖｃｃにほぼ等しい場合に、前記グランド線が断線していると判定することを特徴とする請求項１に記載の測定モジュール。
前記断線検出部は、
前記第１スイッチを前記第２経路に切り換え、
前記第２スイッチを切断側に切り換えたときの前記検出値が、一定時間グランド電圧および前記電源電圧Ｖｃｃのいずれともほぼ等しくなく、前記第２スイッチを接続側に切り換えたときの前記検出値が、一定時間前記電源電圧Ｖｃｃにほぼ等しい場合に、前記信号線あるいは複数の線が断線していると判定することを特徴とする請求項１または４に記載の測定モジュール。
センサモジュールと信号線、電源線およびグランド線で接続し、前記センサモジュールに前記電源線を介して電源電圧Ｖｃｃを供給する測定モジュールであって、
前記信号線の電圧を、第１抵抗を経由して検出する経路と、
前記電源電圧Ｖｃｃを第２抵抗と前記第１抵抗とを介して前記信号線に印加する経路の接続または切断を切り換えるスイッチと、
前記スイッチを切り換えたときの前記信号線の電圧の検出値に基づいて、少なくとも前記信号線、前記電源線および前記グランド線のいずれかの断線を検出する断線検出部と、
を備えたことを特徴とする測定モジュール。