JP6910325B2 - 防爆機器の電源回路及び防爆機器システム - Google Patents

防爆機器の電源回路及び防爆機器システム Download PDF

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本開示は、防爆機器の電源回路及び防爆機器システムに関する。
特許文献1には、交換が可能な電池等による電源手段により駆動される半導体回路と、この半導体回路に並列接続されたショットキーバリアダイオードから成る保護回路とを備えた半導体回路が提案されている。詳細には、ショットキーバリアダイオードは小さい逆方向漏れ電流と順方向電流立上り閾値電圧特性を有し、電源手段が正常に接続されている場合には、保護すべき半導体回路に逆方向に並列接続されたショットキーバリアダイオードに逆電圧漏れ電流が流れない。一方、電源手段が逆に接続されている場合には、ショットキーバリアダイオードに大きな順方向電流が流れることにより、保護回路での電力消費を軽減する逆電圧保護機能を有する。
ところで、「工場電気設備防爆指針(国際整合技術指針2018)第2編 耐圧防爆構造”d”附属書E 耐圧防爆容器内で使用するセル及びバッテリ」に記載されている、同一バッテリ内のセルによるセルの転極、及び逆充電の防止(E.4.2.1)として、シャントダイオードによる逆極性電圧を制限する例が示されている。この例は、図7に示すように、特許文献1と同じように、シャントダイオード60を各バッテリ62に対して並列に接続することによって逆極性電圧を制限している。
特開2003-124324号公報
しかしながら、本質安全防爆構造において、特許文献1等に記載の上述の方法を採用すると、ダイオードに流れる電流を規定できない。また、電池を逆接続した場合の温度上昇により、防爆に関する条件を満たすことができない。
本開示は、上記事実を考慮して成されたもので、電池が逆接続された場合の温度上昇を防爆に関する規格内に抑制可能な防爆機器の電源回路及び防爆機器システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本開示の防爆機器の電源回路は、防爆機器を駆動する駆動回路に電力を供給する電池と、電池に対して並列に接続され、駆動回路に対する逆極性電圧を制限する制限部と、各々並列に接続された複数の抵抗を含み、電池に対して並列に接続され、かつ制限部に対して直列に接続されて、電流を制限する制限抵抗部と、を含む。
また、本開示の防爆機器の電源回路は、制限抵抗部が、複数の抵抗のうち、1以上の抵抗が故障しても放電電流に対してエネルギと温度上昇を予め定めた既定値に抑制可能な回路定数に設定されてもよい。
また、本開示の防爆機器の電源回路は、電池が、3以上が直列に接続され、各電池に対して、制限部及び制限抵抗部がそれぞれ並列に接続されてもよい。
また、本開示の防爆機器の電源回路は、防爆機器が、本質安全防爆機器であってもよい。
また、本開示の防爆機器の電源回路は、駆動回路が設けられた駆動回路基板と、防爆機器を制御する制御基板と、駆動回路基板と制御基板とを接続するコネクタと、を更に備えてもよい。
また、本開示の防爆機器の電源回路は、駆動回路基板と制御基板とが積層されてコネクタで接続されてもよい。
また、本開示の防爆機器の電源回路は、防爆機器が、測定対象に取り付けられて測定対象の状態を測定するセンサと、センサによる測定値に、識別データを付加した測定データを生成する測定データ生成部と、測定データ生成部で生成された測定データを、周期的に無線送信し、測定データの受信に応答して自端末向けに無線送信される受信確認信号を受信する通信部と、測定時刻と送信期間とが予め設定され、測定時刻の到来に応答して、センサによる測定を実行させ、送信期間の到来に応答して、通信部による測定データの無線送信を開始させ、送信期間の終了の到来または受信確認信号の受信の早いものに応答して測定データの送信を停止する動作制御部と、を備えたセンサ端末であってもよい。
また、本開示の防爆機器システムは、上述の防爆機器の電源回路と、防爆機器とを含む。
本開示によれば、電池が逆接続された場合の温度上昇を防爆に関する規格内に抑制可能な防爆機器の電源回路及び防爆システムを提供できる、という効果が得られる。
本実施形態に係る防爆機器を含む測定データ収集システムの概略構成を示す図である。 センサ端末の設置状態の一例を示す斜視図である。 センサ端末の構成を示すブロック図である。 センサ端末の基板構成を示すブロック図である。 センサ端末内の基板の概略配置を示す側面図である。 電源回路基板に含まれる強制放電回路を含む回路図である。 シャントダイオードによる逆極性電圧を制限する例を示す回路図である。
以下、図面を参照して、本開示の技術を実施するための形態例を詳細に説明する。なお、本実施形態は本発明を限定するものではない。
まず、図1を参照して、本実施形態に係る防爆機器を含む測定データ収集システム10の構成を説明する。
図1に示すように、測定データ収集システム10は、測定対象毎に設置された防爆機器としてのセンサ端末11と、収集端末12と、データ保存処理装置として機能するPC(パーソナルコンピュータ)13とを有している。この測定データ収集システム10では、センサ端末11が測定対象の振動を測定し、無線通信を介して収集端末12が振動の測定値を収集する。この例では、測定データ収集システム10は、測定態様の状態として工場内の生産設備に設けられた送風用ファンの軸受の状態を管理するために、送風用ファンを駆動する送風用モータの振動の大きさを収集し、PC13に転送する。
センサ端末11は、送風用モータの振動を測定する振動センサ14(図3参照)を内蔵したセンサ部11aと、センサ端末11の制御や通信のための回路などを内蔵した端末部11bとを備えている。センサ部11aとセンサ端末11とは、ケーブル11cで電気的に接続されている。センサ端末11は、測定対象となる送風用モータごとに設けられる。
センサ部11aは、図2に示すように、送風用モータ15に取り付けられ、端末部11bは送風用モータ15の近傍に設けられる。センサ部11aは、送風用モータ15の振動をセンサ部11aに正しく伝えるために、マグネットや接着剤等で送風用モータ15に直接取付けられる。また、端末部11bは、それ自体及びケーブル11cが送風用モータ15や周囲の機器の作動等に支障がない位置に設けられる。
センサ部11aの振動センサ14は、振動の大きさとして加速度を測定するものを用いており、振動の大きさ(加速度)に応じた検出信号を出力する。端末部11bは、センサ部11aからの検出信号から得られる振動の加速度の実効値を求め、この実効値を測定値として収集端末12に無線送信する。測定値を送信する際には、端末部11bは、センサ端末11に固有のデバイスID(IDentification:識別情報)を含む情報を測定値に付した測定データを生成し、これを無線送信する。収集端末12では、このデバイスIDが測定対象を特定するために用いられ、いずれのセンサ端末11からの測定データであるかが識別される。
センサ端末11には、測定を実施すべき測定時刻、測定データの送信を行う送信期間を示す送信開始時刻と送信終了時刻が予め設定され、その設定された時刻にしたがって測定し、無線送信を行う。送信開始時刻と送信終了時刻は、収集端末12から送信される。
なお、この例では、センサ端末11によって振動の加速度を測定するが、測定する内容はこれに限られるものではない。例えば、振動の振幅や周期、温度、音圧、及び電圧の少なくとも1つの物理量等を測定してもよい。また、センサとしては、その測定内容に応じたセンサを用いる。
収集端末12は、各センサ端末11からの測定データを受信して収集する。この収集端末12は、センサ端末11と通信するための回路やPC13と接続するための回路などを内蔵する。また、収集端末12は、内蔵した電池(図示省略)を電源として作動する携帯型となっている。なお、収集端末12は、作業着等のポケットなどに収容できるサイズにしてある。
収集端末12は、所定のレベル判定値よりも高い受信レベルで受信した測定データを有効と判定して取得する。これにより、収集端末12を携行して生産設備を巡回するときに、その収集端末12から有効距離以下にある各センサ端末11からの測定データだけを取得する。有効距離としては、レベル判定値、センサ端末11の送信出力の調整により、任意に設定できるが、この例では数m程度に設定してある。
センサ端末11と収集端末12との間では、例えばCSMA/CA方式(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection:搬送波感知多重アクセス/衝突回避方式)による無線通信を行う。すなわち、センサ端末11は、測定データの送信タイミングで他のセンサ端末11が送信を行っていないことを検知してから、ランダムな待ち時間だけ待機してから測定データの送信を行う。このため、ほとんどの場合で混信(衝突)なく測定データの送信を行うことができる。また、仮に混信が発生した場合では、正常な受信に応答した収集端末12からの受信確認データ(受信確認信号)を含む受信応答データがセンサ端末11に受信されないため、そのセンサ端末11が所定時間の経過後に測定データの再送信を行う。このため、同一チャンネル上で、複数のセンサ端末11から測定データを短時間に順次に受信することができる。なお、通信手順は、CSMA/CA方式に限るものではない。
また、収集端末12は、有効な測定データを受信することに応答して、その測定データの送信元のセンサ端末11に、設定すべき測定時刻、送信開始時刻、送信終了時刻を受信確認データに付加した受信応答データを無線送信する。
収集端末12は、無線通信により、収集した測定データをPC13に転送する。なお、収集端末12にPC13と接続するための端子を設けて、端子に装着されるケーブルを介してPC13と接続して収集した測定データをPC13に転送してもよい。
PC13は、モニタ13aや、キーボード、マウス等の操作部13bを備えた一般的なコンピュータであり、所定のプログラムを実行することにより、データ保存処理装置として機能する。このPC13は、収集端末12で収集された測定データを含む測定レコードを蓄積し、モニタ13aに各種表示態様で表示する。また、操作部13bの操作により、センサ端末11に設定すべき測定時刻、送信開始時刻、及び送信終了時刻を入力でき、無線通信により、その入力内容が収集端末12に送られる。
図3において、センサ側制御部21は、センサ端末11の各部を制御する動作制御部である。記憶部22は、データの保持に電源が不要な不揮発性のメモリで構成されている。この記憶部22には、デバイスID、測定時刻、送信開始時刻と送信終了時刻、測定を実施したときの測定実施日時及び電源としての電池23の測定時電圧、測定で得られる測定値を記憶する。
端末部11bには、現在の年月日、時刻を計時する時計回路24が内蔵されており、この時計回路24により、センサ側制御部21は、各種時刻の到来、測定実施日時を知ることができる。また、センサ側制御部21は、この時計回路24の計時内容に基づいて、測定データの周期的な送信を行う。なお、この例では、測定時刻、送信開始時刻、送信終了時刻として、それぞれ1日のうちの任意の時刻を設定するが、例えば日や曜日などをあわせて設定し、1週間の特定の曜日や月ごとの特定の日に測定、送信が行われるようにしてもよい。また、1日のうちで、測定時刻と送信期間とを複数設定できるようにしてもよい。
センサ側制御部21は、記憶部22に保持された測定時刻の到来により振動センサ14を一定時間(例えば10秒程度)だけ作動させて振動の測定を行う。また、センサ側制御部21は、送信開始時刻の到来によって通信部25を作動させて測定データの周期的な送信を開始し、送信終了時刻の到来によってその送信を停止する制御を行う。なお、送信終了時刻の到来前に、受信確認信号を受信したときには、その時点で送信を停止する。また、センサ側制御部21は、振動センサ14で測定を行った場合には、その測定を行った測定実施日時を記憶部22に書き込む制御を行う。
振動センサ14からの検出信号は、アンプ26で増幅される。増幅された検出信号は、フィルタ部27に送られる。フィルタ部27は、検出信号に含まれる不要な周波数成分をカットする。この例では、フィルタ部27は、検出信号の低周波成分をカットする。これにより、送風用モータが設置されている装置自体の揺れや、保全点検員等の歩行による振動等の成分を検出信号から除去する。
A/D(Analog/Digital)変換器28は、フィルタ部27でフィルタリングされた検出信号を加速度データにデジタル変換する。実効値演算部29は、加速度データに所定の演算を行うことにより、振動の加速度の実効値を求める。この実効値演算部29は、求めた実効値を測定値として記憶部22に書き込む。電圧取得部31は、電源として内蔵している電池23の出力電圧を測定時に測定し、これを測定時電圧として記憶部22に書き込む。記憶部22に記憶されている測定値、測定実施日時及び測定時電圧は、新たな測定が行われるごとに新たなものに上書きされて更新される。
送信データ生成部32は、測定データ生成部に対応し、測定データを生成する。なお、測定データは、測定値に、デバイスID、測定実施日時、及び測定時電圧を付加したものである。送信データ生成部32は、測定データを生成する際に、記憶部22から測定値、デバイスID、測定実施日時、測定時電圧をそれぞれ読み出し、生成した測定データを通信部25に送る。
通信部25は、送信回路25a、受信回路25b、送受信のためのアンテナ25cを備えている。送信回路25aは、アンテナ25cを用いて測定データを送信する。受信回路25bは、収集端末12から送信される自端末宛の受信応答データを受信する。なお、受信応答データは、受信確認したことを示す受信確認データに、送信先(宛先)を示すデバイスID、送信期間を示す送信開始時刻と送信終了時刻、及び測定時刻を付加したものである。受信回路25bは、受信応答データに含まれるデバイスIDにより自端末宛であるか否かを判別する。また、受信回路25bは、受信応答データから送信開始時刻、送信終了時刻、及び測定時刻を取り出して、センサ側制御部21を介して記憶部22に書き込む。
送信回路25aは、時間t1毎に測定データを繰り返し送信する。受信回路25bは、測定データの1回の送信毎に受信応答データを受信可能な受信待機状態になる。1回の受信待機状態の期間は時間t2であり、この時間t2は、時間t1よりも短い。例えば、時間t1を10秒に、時間t2を1秒にそれぞれ設定してある。なお、厳密には、測定データの送信は、時間t1毎に他のセンサ端末11が送信を行っていない状態を検知してからランダムな待ち時間が経過した後に行っている。ランダムな待ち時間は、時間t1に比べて極めて短い時間である。
センサ側制御部21、記憶部22、時計回路24、A/D変換器28、実効値演算部29、電圧取得部31、及び送信データ生成部32は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、メモリ、各種回路を1チップ化したワンチップマイコン35により実現される。また、センサ側制御部21、実効値演算部29、送信データ生成部32は、CPUによる演算機能で実現される。
続いて、センサ端末11の基板構成について説明する。図4は、センサ端末11の基板構成を示すブロック図である。また、図5は、センサ端末11内の基板の概略配置を示す側面図である。
センサ端末11は、図4に示すように、駆動回路基板としての電源回路基板40と、センサ部11aが接続された制御基板42とを備えている。電源回路基板40と制御基板42とはコネクタ40A、42Aを介して接続され、電源回路基板40から制御基板42に電力が供給される。
図5に示すように、電源回路基板40には、電池を収納する電池収納部40Bが設けられており、電源回路基板40は、電池収納部40Bに収納された電池44を電源として制御基板42に電力を供給する。
電源回路基板40と制御基板42は、図5に示すように、制御基板42に積層して電源回路基板40が設けられている。制御基板42上にコネクタ42Aが設けられ、これに対向する位置に電源回路基板40上にコネクタ40Aが設けられて、各コネクタ40A、42Aが接続されることで、電源回路基板40と制御基板42が積層して配置される。これにより、それぞれの基板を積層しない場合に比べて、センサ端末11の筐体を小さくすることが可能となる。また、各基板上の配線間隔を広くすることが可能となり、本質安全防爆機器の要件を満たすことが可能となる。
ところで、センサ端末11は、電池により駆動されるが、本質安全防爆機器であるため、電池が誤挿入されて極性が逆接続された場合、電池への充電電流が流れることによる発熱や電解液漏れを防止する必要がある。
そこで、電池の誤挿入に対応するための強制放電回路をセンサ端末11に設けている。ここで、強制放電回路を含む電源回路基板40の回路構成について詳細に説明する。図6は、電源回路基板40に含まれる強制放電回路を含む回路図である。
本実施形態では、センサ端末11は、一例として、4つの電池44を電源として駆動回路48に電力を供給する。
4つの電池44は、それぞれ直列に接続され、負極側が接地され、正極側が駆動回路48に接続されている。
駆動回路48は、コネクタ40A、42Aを介して制御基板42に接続されて、電池44を電源として制御基板42を駆動する。駆動回路48は、防爆機器としてのセンサ端末11を駆動し、例えば、制限抵抗を含み、電池44から供給される電圧を当該制限抵抗により制御基板42が必要とする電圧値に調整して、制御基板42に電力を供給する。
また、センサ端末11は、駆動回路48に対する逆極性電圧を制限する制限部としてのダイオードD、及び電流を制限する制限抵抗部50を含む強制放電回路46を備えている。強制放電回路46は、各電池44に対して並列に接続されている。
すなわち、各電池44の負極側には、並列に接続された抵抗R1、R2からなる制限抵抗部50の一端が接続され、制限抵抗部50の他端は、ダイオードDのアノードが接続されている。そして、ダイオードDのカソードは、電池44の正極側に接続されている。
なお、制限抵抗部50は、本実施形態では、並列に接続された2つの抵抗R1、R2で構成される例を示すが、それぞれ並列に接続された3以上の抵抗で構成してもよい。或いは、抵抗に代用する素子で構成してもよい。また、本実施形態では、制限部としてダイオードDを用いるが、ダイオードD以外の整流作用を有する整流器を適用してもよい。
また、制限抵抗部50は、何れかの抵抗が故障しても放電電流に対してエネルギと温度上昇を予め定めた既定値に抑制可能な回路定数に設定されている。ここで、予め定めた既定値としては、本実施形態では、本質安全防爆に適合するための値が適用される。
具体的には、誤挿入される電池44を最大電圧1.65Vと最小電圧0.9V(終止電圧)とし、正規に接続する残り3本の電池44を0.9V及び1.65Vの組み合わせ(強制放電回路46がない場合に、最大充電電流が流れる条件)とする。そして、制限抵抗部50は本質安全防爆に適合するために冗長化する必要があるため、その1本が断線故障を起こした場合(抵抗値は2倍)での放電電流に対しても、エネルギと温度情報を規定値に抑制する回路定数を決定する。
続いて、上述のように構成されたセンサ端末11の強制放電回路46の作用について説明する。
電池44が、正常に挿入された場合には、ダイオードDにより強制放電回路46には電流は流れず、駆動回路48に4つの電池44の電力が供給される。
一方、電池44が誤挿入されて極性が逆接続された場合は、誤挿入された電池44に接続された強制放電回路46に誤挿入された電池44から電流が流れ、制限抵抗部50によって誤挿入された電池44の電力が強制的に放電される。
このとき、制限抵抗部50は、放電電流に対してエネルギと温度上昇を本質安全防爆に適合するための値に抑制可能な回路定数が設定されているので、本質安全防爆の条件を満たしながら誤挿入された電池44の電力を確実に放電することができる。
また、制限抵抗部50が、並列に接続された複数の抵抗R1、R2とされ、本質安全防爆に適合するために冗長化されているため、何れかの抵抗R1、R2が断線等の故障が発生しても誤挿入された電池44の電力を確実に放電できる。また、何れかの抵抗R1、R2が故障しても、放電電流に対してエネルギと温度上昇を本質安全防爆に適合するための値に抑制可能な回路定数が設定されているため、何れかの抵抗R1、R2が故障しても本質安全防爆の条件を満たすことができる。
また、本実施形態では、電源回路基板40と制御基板42が積層されているので、それぞれの基板を積層しない場合に比べて、センサ端末11の筐体を小さくすることができる。また、基板を積層することにより、筐体を大きくすることなく各基板上の配線間隔を広くすることが可能となるので、本質安全防爆機器の要件を容易に満たすことが可能となる。
また、本実施形態では、電源回路基板40と制御基板42とをコネクタ40A、42Aで接続しているので、他の機種の制御基板42に強制放電回路46を備えた電源回路基板40を流用することも可能となる。
なお、本実施形態では、センサ端末11は4つの電池44を用いる例を説明したが、これに限るものではない。例えば、2つ以上の電池44を用いてもよい。なお、電池44が2つの場合には一方の電池44が誤挿入された際には、双方が同一電位となり、電池に充電電流が流れることがないので、特に3つ以上の電池44を用いる場合に強制放電回路46が有効に作用する。
その他、上記の実施形態で説明したセンサ端末11等の構成、動作等は一例であり、本開示の主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更可能であることは言うまでもない。
10 測定データ収集システム
11 センサ端末
11a センサ部
11b 端末部
11c ケーブル
12 収集端末
12a 端子
13 PC
13a モニタ
13b 操作部
14 振動センサ
15 送風用モータ
21 センサ側制御部
22 記憶部
23 電池
24 時計回路
25 通信部
25a 送信回路
25b 受信回路
25c アンテナ
26 アンプ
27 フィルタ部
28 A/D変換器
29 実効値演算部
31 電圧取得部
32 送信データ生成部
35 ワンチップマイコン
40 電源回路基板
40A コネクタ
40B 電池収納部
42 制御基板
42A コネクタ
44 電池
46 強制放電回路
48 駆動回路
50 制限抵抗部
60 シャントダイオード
62 バッテリ
D ダイオード
R1、R2 抵抗

Claims (8)

  1. 防爆機器を駆動する駆動回路に電力を供給する電池と、
    前記電池に対して並列に接続され、前記駆動回路に対する逆極性電圧を制限する制限部と、
    各々並列に接続された複数の抵抗を含み、前記電池に対して並列に接続され、かつ前記制限部に対して直列に接続されて、電流を制限する制限抵抗部と、
    を含む防爆機器の電源回路。
  2. 前記制限抵抗部は、前記複数の抵抗のうち、1以上の抵抗が故障しても放電電流に対してエネルギと温度上昇を予め定めた既定値に抑制可能な回路定数に設定された請求項1に記載の防爆機器の電源回路。
  3. 前記電池は、3以上が直列に接続され、各電池に対して、前記制限部及び前記制限抵抗部がそれぞれ並列に接続された請求項1又は請求項2に記載の防爆機器の電源回路。
  4. 前記防爆機器は、本質安全防爆機器である請求項1〜3の何れか1項に記載の防爆機器の電源回路。
  5. 前記駆動回路が設けられた駆動回路基板と、前記防爆機器を制御する制御基板と、前記駆動回路基板と前記制御基板とを接続するコネクタと、を更に備えた請求項1〜4の何れか1項に記載の防爆機器の電源回路。
  6. 前記駆動回路基板と前記制御基板とが積層されて前記コネクタで接続された請求項5に記載の防爆機器の電源回路。
  7. 前記防爆機器は、
    測定対象に取り付けられて測定対象の状態を測定するセンサと、
    前記センサによる測定値に、識別データを付加した測定データを生成する測定データ生成部と、
    前記測定データ生成部で生成された前記測定データを、周期的に無線送信し、前記測定データの受信に応答して自端末向けに無線送信される受信確認信号を受信する通信部と、
    測定時刻と送信期間とが予め設定され、前記測定時刻の到来に応答して、前記センサによる測定を実行させ、前記送信期間の到来に応答して、前記通信部による前記測定データの無線送信を開始させ、前記送信期間の終了の到来または前記受信確認信号の受信の早いものに応答して前記測定データの送信を停止する動作制御部と、
    を備えたセンサ端末である請求項1〜6の何れか1項に記載の防爆機器の電源回路。
  8. 請求項1〜7の何れか1項に記載の防爆機器の電源回路と、
    前記防爆機器と
    を含む防爆機器システム。
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