JPH025335B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は例えばプロセス制御装置に用いられ
るアナログ入力装置に関し、特に簡単な構造によ
りセンサ断線検出機能を付加することができるア
ナログ入力装置を提供しようとするものである。

＜発明の背景＞ 例えば複数の熱電対からの信号を受信するアナ
ログ受信装置は一般に第１図に示すように構成さ
れる。図中１ａ，１ｂ，１ｃ……１ｎはそれぞれ
熱電対のようなアナログ信号源、１００はこれら
アナログ信号源１ａ〜１ｎからのアナログ信号を
入力部に導く信号入力線、１０は絶縁形アナログ
信号入力部、２０はマルチプレクサ、３０は増幅
部、３０１はこの増幅部３０の利得を設定する利
得設定手段を示す。

絶縁形アナログ信号入力部１０は入力アナログ
プロセスを交流信号に変換する直流−交流変換器
１０ａと、この直流−交流変換器１０ａの変換出
力が１次巻線に与えられる絶縁トランス１０ｂ
と、絶縁トランス１０ｂの２次巻線に得られる交
流信号を同期整流し、入力アナログ信号と等価な
信号を再現する同期整流回路１０ｃとにより構成
される。

このように絶縁形アナログ信号入力部１０では
絶縁トランス１０ｂによりプロセス制御装置とプ
ロセスフイールドとの直流的な結合を絶縁し、ア
ナログ信号源１ａ〜１ｎの対地電位を自由に設定
できるようにしている。

ところでアナログ信号源１ａ〜１ｎ乃至は信号
入力線１００の断線を検出するには例えば第２図
に示すように信号入力線１００に電流源１０１か
ら微少電流を与えることにより目的が達せられ
る。このことは従来からよく知られている事項で
ある。ここで特に各信号入力線１００は相互にお
いて直流的に分離されている必要があるため電流
源１０１は各信号入力線１００毎に設けることが
要求される。

各信号入力線１００毎に断線検出用の電流源１
０１を設けることの経済的負担を軽減する構造が
従来から各種提案されている。

＜従来の説明＞ 第３図に従来の一つの構造を示す。第３図にお
いて第１図及び第２図と対応する部分には同一符
号を付して示す。この例ではパルス信号源１０４
から駆動回路１０３にパルス信号を与え、駆動回
路１０３の出力により直流−交流変換器１０ａと
同期整流回路１０ｃを駆動するように構成すると
共に、駆動信号源１０３から直流−交流変換器１
０ａに供給する駆動信号を整流平滑回路１０２に
与え、この整流平滑回路１０２において、駆動信
号を整流平滑し、その整流平滑出力を電流源構造
とするための抵抗器１０１ａを通じて信号入力線
１００に供給する構造としたものである。尚１
１，１２は直流−交流変換器１０ａ及び同期整流
回路１０ｃを構成するスイツチ素子、１３は低域
通過フイルタを示し、これは一般にインピーダン
ス素子１４とキヤパシタ１５によつて構成され
る。

この回路構造によれば各信号入力線１００毎に
整流平滑回路１０２と電流源化のための抵抗器１
０１ａを設けて断線検出機能を付加するものであ
り、各信号入力線１００毎に電流源を設ける場合
と比較して大幅なコストダウンは期待できない。

第４図は従来考えられている他の回路構造を示
す。この例では各信号入力線１００毎に光電変換
素子１６を設け、この光電変換素子１６に共通の
光源１７から光を与えその光電変換出力を抵抗器
１０１ａを通じて信号入力線１００に供給するよ
うに構成した場合を示す。

この第４図の構造による場合も各信号入力線１
００毎に光電変換素子１６を必要とし、また場合
によつては光源１７も各信号入力線１００毎に設
けなければならないためコスト的には第３図の場
合と同様に大幅なコストダウンは期待できない。
更に光電変換素子１６の劣化或は信号入力線１０
０に誘起される衝撃的な電圧によつて光電変換素
子１６が破損することも考えられるため信頼性に
欠ける欠点がある。

第５図は従来の更に他の構造を示す。この例で
は断線検出用電流源１０１をマルチプレクサ２０
の出力側に設けた場合を示す。このようにマルチ
プレクサ２０の出力側に断線検出用電流の注入点
を採るときは信号入力線１００の本数に関係なく
電流源１０１を１個で済ませることができ大幅な
コストダウンが期待できる。

然し乍らこの回路構造を採るときはマルチプレ
クサ２０において入力を選択しアナログ量を取込
むタイミングと、電流源１０１を回路に接続しマ
ルチプレクサ２０によつて選択された信号入力線
１００に断線検出用電流を注入するタイミングを
別々に行わなくてはならない。このため入力アナ
ログ信号の高速読込み操作には適していない。

つまり最近のプロセス制御装置はマイクロコン
ピユータ機能を内蔵することから高速処理能力を
持つている。従つてアナログ入力装置にも高速化
が要求されるようになつた。この点から第５図の
断線検出付加構造は不適格である。更に要求する
ならば第３図に示した従来技術にも不満がある。
第３図に示した絶縁形アナログ信号入力部１０で
は直流−交流変換器１０ａ及び同期整流回路１０
ｃは一つのスイツチ素子１１及び１２によつて構
成している。この単極スイツチ形の直流−交流変
換器１０ａ及び同期整流回路１０ｃも高速絶縁伝
送に適していない。

つまり単極スイツチ形の絶縁形アナログ信号入
力部１０によれば、スイツチ素子１１及び１２が
同時にオン、オフ動作する。従つてスイツチ素子
１１がオンしている間に絶縁トランス１０ｂに入
力側からエネルギが注入される。このは磁気的な
エネルギとして絶縁トランス１０ｂに蓄えられ
る。スイツチ素子１１，１２がオフになると、こ
の磁気的なエネルギは放出路を失ない自然放出に
より減衰する。この自然放出による減衰は時間が
掛り減衰が完全に終了するまでは次の絶縁伝送を
行うことはできない。このような理由から単極ス
イツチを用いた絶縁形アナログ信号入力部１０は
伝送毎比較的長い休止時間を必要とし、高速伝送
に適していない。

このため第６図に示すような絶縁形アナログ信
号入力部が既に本出願人により「実公昭52−
38897号公報」に開示するように提案している。
第６図に示すように直流−交流変換器１０ａ及び
同期整流回路１０ｃはそれぞれ互に相補動作する
一対のスイツチ素子１１ａ，１１ｂ及び１２ａ，
１２ｂと、補助コンデンサ１１ｃ，１２ｃとによ
つて構成される。

この絶縁形アナログ信号入力部１０によれば直
流−交流変換器１０ａにおいてスイツチ素子１１
ａがオンのときフイルタ１３を構成するキヤパシ
タ１５に蓄えられた入力アナログ電圧e_iは絶縁ト
ランス１０ｂの１次巻線に与えられ、絶縁トラン
ス１０ｂに磁気エネルギとして蓄えられる。スイ
ツチ素子１１ａがオフになるとスイツチ素子１１
ｂがオンとなる。スイツチ素子１１ｂがオンにな
るとにより絶縁トランス１０ｂに蓄えられた磁気
エネルギは逆起動−e_iとして補助キヤパシタ１１
ｃに吸引される。このとき補助キヤパシタ１１ｃ
にはキヤパシタ１５が直列接続されるため、この
キヤパシタ１５に蓄えられた電圧e_iと絶縁トラン
ス１０ｂに蓄えられた磁気エネルギによる逆起動
−e_iとが加算されて印加され、補助キヤパシタ１
１ｃには２e_iが蓄えられる。この結果絶縁トラン
ス１０ｂの１次巻線には第７図に示すようにコモ
ン電圧e_cを中心に正と負方向にe_iずつ振れる矩形
波が与えられる。

この矩形波は絶縁トランス１０ｂの２次巻線に
伝送され、同期整流回路１０ｃにより同期整流さ
れキヤパシタ１２ｄに入力アナログ信号の電圧e_i
と等価な電圧が再現される。尚同期整流回路１０
ｃの補助キヤパシタ１２ｃには直流−交流変換器
１０ａの補助キヤパシタ１１ｃに蓄えられた電圧
と等価な電圧が蓄えられる。

駆動回路１０３は２個の絶縁トランス６０１，
６０２と、ツエナーダイオードを用いた波形整形
回路６０３，６０４によつて構成し、波形整形回
路６０３，６０４を構成するツエナーダイオード
の接続中点からコモン電位出力を得るようにし、
このコモン電位出力をアナログ信号路のコモン電
位側に接続することにより、この例では第８図に
示すようにコモン電位e_cを基準に負方向に互に逆
位相で振れる駆動信号８０１，８０２を得るよう
にし、この駆動信号８０１，８０２をスイツチ素
子１１ａ，１１ｂ及び１２ａ，１２ｂの各ゲート
電極に与えるように構成した場合を示す。

この絶縁形アナログ入力部によれば、先に説明
したように絶縁トランス１０ｂの１次巻線に正と
負方向に対称に振れる矩形波電圧が印加され連続
的に駆動されるため絶縁トランス１０ｂには磁気
エネルギが畜積されることがない。よつて入力ア
ナログ信号は連続的に伝送され高速読取操作に適
している。

＜発明の目的＞ この発明はこの高速伝送が可能なアナログ入力
装置に簡単な構造を付加することにより断線検出
機能を持たせるように構成したものである。

従つてこの発明によれば断線検出機能を安価に
付加することができる。

＜発明の実施例＞ 第９図はこの発明の一実施例を示す。この発明
においては直流−交流変換器１０ａ及び同期整流
回路１０ｃを第６図に示した互に相補動作する一
対のスイツチ素子１１ａ，１１ｂ及び１２ａ，１
２ｂを用いた双極スイツチ構造とすると共に直流
−交流変換器１０ａを駆動する駆動信号を電流源
化抵抗器１０１ａを通じてアナログ信号源１ａ又
は１ｂ〜１ｎとフイルタ１３を構成するインピー
ダンス素子１４との間に抵抗を介して供給するよ
うに構成するものである。

＜発明の作用＞ このように構成することにより抵抗器１０１ａ
を通じて第８図Ａ又はＢに示すような駆動信号８
０１又は８０２が信号入力線１００に供給され
る。ここで特に駆動信号８０１，８０２はコモン
電位e_cに対して直流的に偏倚しているから信号入
力線１００に直流電流を重畳させたのと等価とな
り、アナログ信号源１ａ又は１ｂ〜１ｎが断線し
たときはこの直流重畳電流より同期整流回路１０
ｃの出力電圧を負方向（又は正方向）に振り切ら
せることができる。

ここで断線検出の原理とそのとき発生する誤差
値は次の如くである。熱電対のような信号源イン
ピーダンスは通常数百オームであり、これが断線
すると信号入力線１００の線間インピーダンスは
数百メグオームに変化し、このインピーダンス変
化を断線検出に利用する。

断線検出のための電位を重畳させるとき生じる
誤差値は、信号：100ミリボルト／フルスケール、
信号系インピーダンス：500オーム、受信部入力
インピーダンス：２メグオーム、電流供給回路の
出力インピーダンス：50メグオーム、電流供給源
の電圧：５ボルト、この動作例において正常使用
時の断線検出用供給電流による誤差値e_rは E_er＝５×500／（50×10⁶＋500）＝50×10^-6 すなわち50μVとなる。

断線時の受信部入力端電圧E_BQは E_BQ＝（５×２×10⁶）／（50×10⁶）＝200×10^-8 すなわち200ミリボルトである。このように断
線検出のための電流による誤差値は上記例では
0.05パーセント／フルケースで充分に小さいこと
及び充分な大きさのスケールアウト電圧が得られ
ること、上記例では200パーセント／フルケース
が得られ、正常時の測定を正確に行える点を断線
を確実に検出できる機能を持つ。

＜発明の効果＞ 以上説明したようにこの発明によれば第６図に
示した絶縁形アナログ入力部に対して抵抗器１０
１ａを１本追加するだけで断線検用機能を付加す
ることができる。よつて第１図乃至第４図に示し
た構造と比較して大幅なコストダウンが期待でき
る。然も高速伝送機能を持つことから最近のプロ
セス制御装置に充分対応することができる。

尚上述では断線検出のための電流をアナログ信
号源とフイルタ１３の間に規定したが、その理由
この注入点が最も誤差値を小さくできるからであ
る。つまりフイルタ１３と直流−交流変換器１０
ｂとの間に選択することもできるが、この場合に
はフイルタ１３のインピーダンス素子１４に発生
する電圧降下が誤差の発生要因となり、誤差値が
大きくなる。従つて第９図の実施例が最も望まし
いものである。

また上述では駆動信号８０１，８０２を負極性
のパルスとして説明したが、これは次の理由によ
り選択されるべきである。つまりアナログスイツ
チの操作信号は必要な範囲で小さい方が信号系回
路へ洩れ出す成分が少なくなり、高精度受信に適
するものであることからアナログスイツチへのオ
フモードへの過大なゲートドライブは抑制する方
が好ましい。すなわちＰチヤネルMOS・FETを
アナログスイツチとして用いる場合は、第８図の
波形のように負へ偏倚させた操作パルスを選ぶべ
きであり、ＮチヤネルMOS・FETを用いるとき
は正に偏倚した操作パルスを選ぶ方がよい。

また上述の実施例のようにツエナーダイオード
を用いた波形整形回路６０３，６０４により駆動
信号を得るように構成した場合は駆動回路１０３
を構成する絶縁トランス６０１と６０２を小形化
できる利点が得られる。つまり一般にトランスを
小形化すると２次側に誘起される電圧波形は歪を
受ける。よつて１次側から正規の波形を持つ矩形
波を与えても２次側に誘起される電圧波形は微分
波形に近くなる。このため一般には必要な磁気容
量を持つコアを用いたトランスを用いることが常
識であるが、ここではツエナーダイオードを用い
た波形整形回路６０３，６０４を設けたことによ
り２次側に誘起される電圧波形が多少微分波形に
近ずいたとしても、その微分波形をクリツプして
矩形波を得ることができる。よつて波形整形回路
６０３，６０４を設けたことにより絶縁トランス
６０１と６０２を小形にすることができ、この点
でもコストダウンが期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は従来の断線検用機能を持つ
アナログ入力装置を説明するためのブロツク図、
第６図は高速伝送が可能な絶縁形アナログ信号入
力部を説明するための接続図、第７図及び第８図
はその動作を説明するための波形図、第９図はこ
の発明の一実施例を示す接続図である。 １ａ〜１ｎ：アナログ信号源、１００：信号入
力線、１３：インピーダンス素子、１０ａ：直流
−交流変換器、１０ｂ：絶縁トランス、１０ｃ：
同期整流回路、１０３：駆動信号源、６０３，６
０４：波形整形回路、１０１：断線検用電流供給
手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ａ アナログ信号源からのアナログ信号をイ
   ンピーダンス素子を介して受信し、この受信信
   号を交流信号に変換し、相補動作する一対のス
   イツチ素子によつて構成された直流−交流変換
   器と、 Ｂ この直流−交流変換器の変換出力が１次巻線
   に与えられ、２次巻線に上記直流−交流変換器
   の出力信号と等価な信号を得る絶縁トランス
   と、 Ｃ この絶縁トランスの２次巻線に得られる信号
   を上記直流−交流変換器のスイツチ素子と同等
   の一対のスイツチ素子の相補動作により同期整
   流し、上記直流−交流変換器に入力されたアナ
   ログ信号と等価な信号を再現する同期整流回路
   と、 Ｄ 上記直流−交流変換器と同期整流回路を駆動
   するコモン電位から直流的に偏倚した出力を持
   つ駆動信号源と、 Ｅ この駆動信号源から上記直流−交流変換器に
   与えられる駆動信号の何れか一方を上記インピ
   ーダンス素子とアナログ信号源との間に抵抗を
   介して供給する断線検知用電流供給手段と、 から成るアナログ入力装置。