JPH0667118B2

JPH0667118B2 - ２線式伝送器用安全バリヤ

Info

Publication number: JPH0667118B2
Application number: JP63132883A
Authority: JP
Inventors: キャロダスハッチョオンイアン; ジョンエプトンデービット
Original assignee: メジャメントテクノロジーリミティド
Priority date: 1987-06-02
Filing date: 1988-06-01
Publication date: 1994-08-24
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: EP0294139B1; GB2205699A; US4967302A; DE3855209D1; GB2205699B; JPS6455015A; GB8812880D0; DE3855209T2; EP0294139A3; GB8712865D0; EP0294139A2

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は特にプロセス制御および同様な応用分野で使用
される２線式伝送器のための安全バリヤに関する。

〔従来の技術および発明が解決しようとする課題〕

プロセス制御および同様な応用分野において、大地に対
して正の電位を持つ単一の直流電源よりかなりの数の２
線式伝送器およびそれらに関連するセンサへ電源を供給
する必要がしばしば生じる。第１図は代表的な公知の装
置の一例を示している。各伝送器はループ内の電流を制
御する可変抵抗器のような作用をして測定変数例えば圧
力、温度、流量または液レベルのような値を表現する。
代表的にはその信号は国際的に認められた標準である４
〜２０mAの範囲の信号であり、それが制御室内で接地さ
れた250オームの抵抗に流れて指示、記録または制御機
器を動かすための１〜５Ｖの信号を発生することが要求
される。事実上すべての市販の計器システムでは大地に
対して正の電圧を発生することが必要とされる。

典型的な計器システムの電源装置は通常２４Ｖであり、
22〜28Ｖの範囲で粗く安定化されている。したがって、
伝送器と伝送線と指示器のような任意の直列に接続され
た機器に対して与えられる電圧は最大電流２０mAにおい
て最低で２２マイナス５すなわち１７Ｖである。ほとん
どの市販の伝送器は１２Ｖ（希には１０Ｖ）で動かなく
なるからこの装置において与えられる電圧は適切な値以
上である。余分な電圧は伝送器内で降下される。伝送器
ループに対して最近新たに要求されてきたことはそれら
が或る種の高性能の伝送器とでデジタルまたは周波数信
号をやりとりできることである。これらの信号は伝送器
それ自身によってあるいは受信局内の機器によってある
いは２本の伝送線にまたがって接続された携帯装置によ
って４〜２０mAの直流に重畳される。以下この種の伝送
器を「賢い」伝送器と呼ぶこととする。

石油、ガス、石油化学、化学およびその他の可燃性ガ
ス、液体あるいは粉塵（穀物サイロ）が存在するプロセ
スにおいて、固有の安全技術によって爆発の危険から保
護することがだんだんと実施されるようになってきた。
代表的には、安全バリヤが第２図に示されるように、制
御室とプロセスとの間においてそれぞれ非接地の線に直
列に挿入されている。通常の運転時には各バリヤは減衰
を伴わずに所望の信号を通すが、安全領域いおいて電気
的な障害が発生した時はプロセスへ到達することのでき
る電圧と電流をバリヤが制限する。このことにより、危
険領域においてさらに起こる障害から発生するスパーク
が発火に至る程には大きくならないことが保証される。
実用上は、２個のバリアは単一の「２チャンネル」ユニ
ットとしてパッケージ化されている。

環境はスパークの容易さによって分類されている。“Ｉ
ＩＣ”ガスの類すなわち水素及びアセチレンに対して使
用して安全なバリヤは“ＩＩＢ”または“ＩＩＡ”ガス
のみすなわちエチレンまたはプロパンに対して安全なバ
リヤよりも高い抵抗値を持っている。不幸なことに、バ
リヤを導入すると伝送ループ沿いの電圧降下が増大し、
しばしば電圧の余裕がほとんどない状態までになり、ル
ープの設計は限界ぎりぎりとなる。特に、電源装置は精
密に安定化される必要があって、そのため或る不具合が
生じそれが電圧を一時的にわずかに上昇させたとしても
ただちに多くのバリヤにおいてヒューズがとぶ危険があ
る。例えば第２図は“ＩＩＣ”ガスの類を含む任意の環
境で使用すべく設計された代表的な２チャンネルのバリ
ヤの２つのチャンネルの２０mAにおける電圧降下を示し
ている。２０mAにおける２つのチャンネルの電圧降下を
合わせると8.5Ｖになる。ヒューズをとばすことなくこ
のバリヤの流出チャンネルに印加し得る最大電圧は26.0
Ｖである。電源電圧がこの値に正確に保持されるとして
も、２０mAにおいて伝送器と伝送線に供給できる電圧は
２６マイナス（8.5＋５）すなわち12.5Ｖに過ぎない。
代表的なケースのように伝送器自身が動作のために１２
Ｖが必要であれば、この装置では長い伝送線、電源安定
化の不完全さ、共通の電源ケーブル又は直列に接続され
た機器における電圧降下、等々に対するわずかなマージ
ン（0.5Ｖ）が残るのみである。

これらの困難を克服するために満足のいく受動安全バリ
ヤを発明するために様々な試みがなされてきた。

１つの良く知られたそして広く使われている解決法は戻
り電流をバリヤの危険領域側で電圧信号（代表的には１
〜５Ｖ）に変換することである。電圧を返すことは電流
を返すことにより引き起こされる戻りチャンネルの電圧
降下をなくする効果がある。第２図に表わされたバリヤ
の或る形式のものはその目的で正確な250オームの抵抗
を内蔵している。電圧降下は1.7Ｖ減少し、電源が精密
に安定化されていれば伝送器および伝送線に対して14.2
Ｖを供給する。しかしながらこの構成は必ずしも満足で
きるものでなく、その理由はバリヤが搭載される母線を
基準とする電圧信号が発生されるからである。母線の電
位は実際には例えば共通ケーブルの電圧降下のためにレ
シーバ機器の０Ｖのレールの電位とは異なる。定義され
た電流信号が好まれるが、その理由はその信号がシステ
ム内の任意の接点地に対して一定の電圧を発生するから
であって、それによって配線の設置の設計と接地の実際
的問題が減少するからである。このことは特に大規模な
計器の設計において重要な考え方である。

別の提案された受動バリヤの解決法はＩＩＢおよびＩＩ
Ａガスのみで使用されるように設計されたバリヤを使用
することである。これらのガスはより大きなスパークに
耐えるので、バリヤの抵抗値はＩＩＣの場合に要求され
る抵抗値の約半分にできる。第２図に示されたバリヤが
ＩＩＢガス用として再度設計し直されるとその抵抗値は
約150オーム減少し、２０mAで３Ｖ節約される。しかし
ながら、このやり方にはそれがＩＩＣガスに対して使用
できないという明白な欠点がある。水素やアセチレンは
存在していないことが多いが、使用者は彼らの判断を最
小限で済ますため簡単で広く適用し得る解決法を望んで
いる。

さらに可能な解決法は出力電圧を減らすことであり、こ
れは最近の半導体回路の能力のおかげでより小さな信号
すなわち0.2〜1.0Ｖを正確に処理できるようになり１〜
５Ｖの信号への要求を緩和することができることによる
ものである。これは原理的には正しく、そしてしばしば
実行されるが、実用上の傲慢な考え方によれば、１〜５
Ｖは世界のほとんどの地域で受け入れられた標準であ
り、ほとんどのレシーバ機器はそれに合わせて設計され
ているということである。

純粋に受動的なバリヤを用いることによっては理想的な
解決法が見い出せないので、トランジスタのような能動
的な要素を付加して性能を向上させた設計を生むべく研
究がなされた。

能動バリヤは核心部である「制限抵抗」が２又は３個の
トランジスタを用いた電流制限回路で置換されたものと
して知られている。これは与えられた最大電流に対する
電圧降下を減少せしめる。しかしながら公式の認定では
このようなバリヤには区域１および２の装置についての
使用に対して“ｉｂ”の信頼性定格しか与えられていな
い。その理由はそれらが発火を引き起こす恐れのある短
かい期間の過渡現象を通過させることがあるからであっ
て、市場の大多数はそれらが使用し得る区域０への適用
が比較的多いにもかかわらず“ｉａ”の定格を期待して
いる。現在の“ｉａ”への解決法は第２のバリヤチャン
ネル経由で危険区域から電流を戻すのでなく、負荷をバ
リヤの安全区域側で直接的に駆動することによってい
る。そして流出チャンネルは伝送器と伝送線のみに電源
を供給する。それはもはや負荷および第２のチャンネル
に必要な電圧をさらに供給する必要はない。流出チャン
ネル間の漏れ電流が誤差を生まないように、これらの装
置にはチャンネルに印加される電圧がツェナーダイオー
ドが著しく導通し始めるレベル以下に自動的に保たれる
ことを保証するための或る形式の安定化回路が通常組込
まれている。この事には問題はないが、もちろんバリヤ
に直接接続されている監視用（コンパレータ）アンプに
よって引かれる電流は２０mAに対して無視できる大きさ
でなければならない。例えばそれは数マイクロアンペア
を超えてはならない。

この形式の能動的な“ｉａ”のバリヤの１つはカレント
ミラー装置として知られている。第３図に示すようにこ
の方式では第２の「並列」電流１２が安全領域の負荷を
駆動すべく共通の電源から供給される。それは２個の公
称値の等しい抵抗Ｒ１およびＲ２と高利得、低ドリフ
ト、直流コンパレータＡ１の作用により伝送器の電流Ｉ
１と等しくなる。回路は電圧増幅器Ｊ１及びＪ２もまた
含んでいる。バリヤには正の電位が与えられている。第
２のコンパレータＡ２はバリヤの入力間の電圧を伝送器
の電流または供給電圧の如何にかかわらずバリヤ内のツ
ェナーダイオードが導通し始める値よりも幾分低い電圧
レベル（Vref）に維持する。

このアンプによって引かれる電流は２０mAと比べて無視
できる値すなわち数マイクロアンペアでなければならな
い。危険領域の伝送線間が短絡してヒューズがとんだり
電源が過負荷になることを防ぐため、第４図のような電
流制限回路が含まれる場合もある。電流が２０mAを著し
く超えると、この回路は電圧アンプＪ１の制御信号に打
ち勝ってアンプＪ１をオフにする。ほとんどすべての応
用上の問題を非常に満足がいく程に解決するにもかかわ
らず、カレントミラー装置には次の様ないくつかの欠点
がある。

(a)伝送器の電流の繰り返しの精度は高いが不可避的に
完全ではない。

(b)２つのアンプと基準電圧の「オーバーヘッド」的な
要求のために最大出力における消費電流は４０mA以下で
なく、実際、３５Ｖでは６０mAにも達する。

(c)バリヤは「賢い」伝送器からデジタル信号又は周波
数信号を受けても他の方向へそれらを送信することがで
きない、すなわちそれは本質的に双方向でない。

(d)仮に２２Ｖの電源から１４Ｖの出力を得るためにバ
リヤは実際標準的でない「安全記述(safety descriptio
n)」（最大出力電圧および最小制限抵抗）を有してい
る。

(e)２つの演算増幅器とＲ１とＲ２の間の値の差および
製造時のアンプのオフセットを小さくするための調整工
程が必要なので非常にコストが高い（１チャンネルの受
動バリヤの約２倍）。

〔課題を解決するための手段および作用〕

本発明の目的は従来技術の前述のような欠点を克服ある
いは最小限にする改良された安全バリヤを提供すること
にある。

本発明の安全バリヤはフローティング電源またはその等
価物を用いる考えに基づいている。

広くには、本発明によれば２線式伝送器にエネルギを供
給する安全バリヤであって、バリヤは伝送器より引き出
される電流と実質的に等しい直流電流を接地した負荷へ
バリヤが配給することを可能とするためのフローティン
グ直流電源またはその等価物を含む安全バリヤが提供さ
れる。

好ましくは、フローティング直流電源はバリヤ内に設置
されフローティング電源を発生する手段を伴う外部直流
電源より誘導される。

前記手段は発振器、トランスと整流および平滑回路とを
すべてバリヤ内に具備する。

トランスは好ましくは昇圧トランスである。

また、発振器は１つまたはそれ以上のダイオードポンプ
回路を駆動してトランスの必要なしで同一の機能を達成
しても良い。

或る具体例において、１つまたはそれ以上の開閉される
インダクタが得られる電圧をブーストするために設けら
れる。スイッチのオン時間は必要な電圧ブーストを提供
すべく用いられる。オン時間は例えば１周期の0.25倍で
ある。開閉されるインダクタはダイオードポンプ回路に
対して交流駆動を直接提供する。

１つの好適な具体例において、バリヤは大地に対して負
の極性の信号を通過させるように電位が与えられ負荷に
配給される電流は大地に対して正である。バリヤに印加
される電圧は好ましくはバリヤが導通し始めるレベル以
下のレベルに自動的に保たれ、その手段は安定化回路で
あり、それは電源電圧と負荷の電圧降下における変動を
補償する。安定化回路はスイッチングレギュレータで良
い。

負荷の電圧における変動の補償は好ましくはバリヤが
「賢い」伝送器へ及びそれからの双方向において重畳さ
せたデジタルまたは周波数信号を通過させる程度の時間
で遅延される。

望ましくは、外部電源から引き出される電流はバリヤ内
のヒューズをとばさないかまたは電源が過負荷にならな
いレベルに自動的に制限される。

本発明の安全バリヤは次の利点を有している。

(a)伝送器と負荷の電流は同一の電流はものであるので
非常に精度が高い。

(b)唯１つの電流が存在するのみで余分な電力は供給さ
れないので、電流消費が小さく、代表的には４０mAの領
域にある。

(c)賢い伝送器からのデジタル又は周波数信号を受ける
能力ばかりかそれらを他の方向へ通過させる能力もあ
る。

(d)安全記述（最大出力電圧、最小制限抵抗）は例えば
２８Ｖ、３００オームというように標準的である。

(e)カレントミラー装置と比べて低コストであり、その
理由はそれが１つ以上のコンパレータアンプ（その電圧
ドリフトが問題）および製造中の校正を必要としないか
らである。

〔実施例〕

第５図はフローティング電源が負の電位を与えられたバ
リヤと共働して伝送器からの電流で直接的に負荷を駆動
するバリヤを示している。

フローティング電源は共通電源（20〜25Ｖ）から公知の
手段で誘導され、これらの手段は例えば電流制限回路１
０、電圧安定化回路１２、高周波発振器１４、および小
形の昇圧トランスＴＲと整流平滑回路ＲＳとを具備する
ユニット１６とを含んでいる。

コンパレータアンプＡはフローティング電源電圧を制御
することによりバリヤの入力間の電圧をバリヤ内のツェ
ナーダイオードが導通し始める電圧よりも幾分低い電圧
レベル（Vref）に維持する。原理的にはこのことは絶縁
されたトランスＴＲの別の側でなされる。

制御ループは電流が増加するにつれてフローティング電
流の電圧を増加させて、負荷の電圧降下の増加を中和す
る効果を有している。言い換えれば、電源は上昇する電
圧／電流特性を有している。電圧安定化回路１２の周波
数応答はコンデンサＣ１によって制限されている。この
ことは「賢い」伝送器からデジタルまたは周波数信号を
受け取るばかりでなく他の方向へそれらを通過させるこ
とを可能にする。

第６図は第５図と等価な回路であって、トランスＴＲが
ダイオードポンプ回路で置換されたものを表わしてい
る。ポンプはダイオードＤ１およびＤ２、コンデンサＣ
２および共通の電源で動く発振器を具備し、フローティ
ング電源と同様な形で作用して、バリヤから流れ出る電
流に正確に等しい電流で負荷を駆動する。この等値性を
成り立たせるために必要なことはコンデンサＣ２が直流
の漏れ電流を生じないことのみである。ダイオードの漏
れ電流、ダイオード自身の容量および発振器の波形には
無関係である。前と同様に、コンパレータアンプＡは電
源電圧あるいは負荷の電圧降下の如何にかかわらず正し
い電圧がバリヤの入口に印加されることを保証するため
に電圧安定化回路１２を制御する。バリヤから出て負荷
へ供給される電流はパルス化された直流であるから、こ
の回路には平滑（蓄電）コンデンサが必要であり、それ
は著しい漏れがあってはならない。必要があればこの実
用上の問題はより小さな平滑コンデンサでも適するよう
に逆位相で作用する２つの独立したダイオードポンプ回
路を採用することで大きく減少することができる。発振
器の電圧の波高値はバリヤへ印加される電圧（たとえば
２１Ｖ）と負荷へ配給される電圧（たとえば５Ｖ）と２
つのポンプダイオードの電圧降下（仮に１Ｖ）との和す
なわち28.5Ｖを超えなければならない。これは代表的な
供給電圧の最低値（２２Ｖ）を超えているので何らかの
手段で昇圧することが望ましい。これは第７図で示され
る例で達成し得る。

第７図は断続的にクランプされるインダクタＬによって
必要な電圧ブーストを得るダイオードポンプ回路を示し
ている。このようなインダクタは広く用いられており低
コストで多量に容易に得ることができる。発振器１８は
必要な電圧ブーストを得るに充分な「オン時間」、代表
的には１周期の２５％のオン時間でトランジスタスイッ
チＳを駆動する。スイッチＳがクランプされる間、イン
ダクタＬの電流は増加し、コンデンサＣ２はバリヤの蓄
電コンデンサＣ３からダイオードＤ１を経て電流を引き
出す。スイッチＳが開となると、インダクタＬとコンデ
ンサＣ２の接続点は正の電位へ浮き、ダイオードＤ２を
経て蓄電コンデンサＣ４へ電流を流し負荷へ供給する。
その間にインダクタＬを流れる電流は減少する。コンデ
ンサＣ２にも２つの蓄電コンデンサ３，Ｃ４にも漏れが
ないとすれば、負荷に流れる電流はバリヤを流れる電流
と等しくなるはずである。コンデンサＣ２間の電圧はそ
のために自動的に調節される。インダクタＬの両端の電
圧は直流抵抗による電圧降下を無視すれば１サイクルに
わたってゼロであるはずであるから（換言すればコア内
の磁束の変化は連続的であるから）、必要な供給電圧は
Ｖ＝（Vref＋ｖ＋0.75＋0.75）（１−0.25）であり、た
だしＤ１とＤ２の電圧降下は共に0.75でスイッチＳのオ
ン時間は１周期の１／４である。したがってこの例にお
いて必要な供給電圧は（21＋５＋１＋1.5）（0.75）＝2
1.4Ｖであり、通常得られる最低電圧２２Ｖよりもわず
かに低い。

電圧ブーストの程度は発振器１８のデューティー比を選
択することにより要求される値に適合させ得る。記述さ
れた簡単な回路は単一のスイッチＳによってブーストの
程度を定める機能とポンプを駆動するための交流信号を
供給する機能との組み合わせを実現している。これらの
機能を組み合わせない別の同様な回路も可能である。特
に第８図に示されるように、２つのスイッチＳ１および
Ｓ２を使用することができて、昇圧された電圧はフロー
ティングではなく接地されたコンデンサに貯えられ、安
定化回路（レギュレータ）はスイッチングレギュレータ
である。

バリヤ間に適切な一定電圧Vrefを維持する別の方法は第
９図に示されている。本図にはフローティング直流電源
が描かれているが、同じ原理がダイオードポンプ回路に
も等しく適用される。電源の電圧は通常の手段で一定に
保たれ、実質的に１の電流利得を持つ電圧アンプＪを介
して負荷を駆動する。実際にはＪはカスケード接続した
２〜３個のトランジスタで良い。Ｊのベースは一定電位
に保たれているから、Vrefもまた一定となる。負荷によ
る電圧降下の変動に対する補償はアンプＪの両端の電圧
における絶対値が等しく極性が逆である変動によって自
動的に達成される。

本装置は賢い伝送器と共に使用することを意図したバリ
ヤにおいて特別な利点を有している。すべての分流ダイ
オード（shunt-diode）を使ったバリヤは通常デジタル
信号または少なくとも数ｋHzまでの周波数信号を受け入
れる。しかしながら、前述のようなフローティング電源
装置は電圧補償回路すなわち第９図のアンプＪの応答が
適切に遅延または禁止されなければそれらを反対方向へ
通過させない。不幸なことにこれは４〜２０mAの測定信
号の変動に対するバリヤの応答を遅くするかあるいは換
言するれば応答性を悪くする。したがって、問題は２つ
の周波数を識別することと妥協点を見い出すことの１つ
である。示された形式の回路の特別な利点はアンプＪの
ベース端子が高インピーダンスであるので小形で安価な
要素を用いてフィルタまたはその他の回路を組み込むこ
とが可能であるということである。第９図のＣ11，Ｒ1
1；Ｃ12，Ｒ12によって例示されるような多段フィルタ
は通信周波数と要求される測定の応答周波数が大きく異
なっていなければ有益である。

〔発明の効果〕

前述した如く本発明の安全バリヤは次の様な利点を有し
ている。

(a)伝送器と負荷の電流は同一のものであるから非常に
精度が高い。

(b)唯１つの電流が存在するのみで余分な電力は供給さ
れないので、消費電流が小さく、代表的には４０mAの領
域にある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は先行技術の安全バリヤを表わす図、第５図はトランス結合したフローティング電源を用いた
本発明の係る安全バリヤの第１の具体例を表わす図、第６図はダイオードポンプによる電源を用いた本発明に
係る安全バリヤの第２の具体例を表わす図、第７図は本発明に係る安全バリヤの第３の具体例を表わ
す図、第８図は第７図に示されたバリヤを使用した回路の変形
を表わす図、第９図は本発明に係る安全バリヤの第４の具体例を表わ
す図である。図において、ＴＲ…昇圧トランス、ＲＳ…整流平滑回路、ＴＸ…伝送器、Ａ…コンパレータアンプ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２線式伝送器にエネルギを供給する安全バ
リヤであって、該バリヤは該伝送器より引き出される電
流と実質的に等しい直流電流を接地した負荷へ該バリヤ
が配給することを可能とするフローティング直流電源ま
たはダイオードポンプ回路を含み、該フローティング直
流電源またはダイオードポンプ回路は外部直流電源に接
続され、少なくとも１つの安定化回路を含み、そこにお
いて、該安定化回路はバリヤに印加される電圧をバリヤ
が導通し始めるレベル以下のレベルに自動的に保ち、電
源電圧と負荷の電圧降下における変動を補償することを
特徴とする２線式伝送器用安全バリヤ。
【請求項２】前記少なくとも１つの安定化回路はスイッ
チングレギュレータを具備する請求項１記載の安全バリ
ヤ。
【請求項３】単一チャンネルの分流ダイオードの安全バ
リアである請求項１又は２記載の安全バリヤ。
【請求項４】フローティング電源を発生する前記手段は
バリヤ内にあり、発振器、トランスと整流および平滑回
路とを具備する請求項１，２又は３記載の安全バリヤ。
【請求項５】前記トランスは昇圧トランスである請求項
４記載の安全バリヤ。
【請求項６】前記ダイオードポンプ回路は発振器で駆動
され、該ダイオードポンプ回路はバリヤから引き出され
る電流と等しい電流で負荷を駆動する請求項１，２又は
３記載の安全バリヤ。
【請求項７】前記発振器の波高値電圧をブーストするた
めであり前記ダイオードポンプ回路と組み合わされた少
なくとも１つの開閉されるインダクタを含む請求項６記
載の安全バリヤ。
【請求項８】前記少なくとも１つのインダクタは必要な
電圧ブーストを提供するオン時間を有するスイッチ手段
により制御される請求項７記載の安全バリヤ。
【請求項９】前記オン時間は１周期の１／４である請求
項８記載の安全バリヤ。
【請求項１０】前記少なくとも１つの開閉されるインダ
クタは前記ダイオードポンプ回路に対して交流駆動を直
接提供する請求項７，８又は９記載の安全バリヤ。
【請求項１１】バリヤ間の電圧を一定に維持する手段を
含み、該手段は一方のフローティング直流電源又はダイ
オードポンプ回路と他方の駆動される負荷との間に接続
され電流利得が１である電圧増幅手段を具備する電圧補
償回路を具備する請求項１，２又は３記載の安全バリ
ヤ。
【請求項１２】バリヤは大地に対して負の極性の信号を
通過させるように電位が与えられ負荷に配給される電流
は大地に対して正である請求項１〜11のいずれか１項記
載の安全バリヤ。
【請求項１３】負荷の電圧における変動に対する補償は
バリヤが双方向において重畳されたデジタルまたは周波
数信号を通過させる程度の時間で遅延される請求項１〜
12のいずれか１項記載の安全バリヤ。