(57)【要約】【課題】本発明は、部品点数を極力減らし低価格で高速の断線検出ができる検出装置の断線診断システムを提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、検出素子部と、前記検出素子部の検出信号に含まれるノイズを除去するフィルタ回路と、前記フィルタ回路でノイズが除かれた検出信号を増幅する増幅器を有する検出装置の断線診断システムにおいて、前記検出素子部に断線検出用の印加パルスを供給する直流電圧電源と、前記印加パルスのパルス幅を前記検出素子部の入力レンジに対応させて変えるパルス幅制御機能を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出素子部と、
前記検出素子部の検出信号に含まれるノイズを除去するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路でノイズが除かれた検出信号を増幅する増幅器を有する検出装置の断線診断システムにおいて、
前記検出素子部に断線検出用の印加パルスを供給する直流電圧電源と、
前記印加パルスのパルス幅を前記検出素子部の入力レンジに対応させて変えるパルス幅制御機能を有することを特徴とする検出装置の断線診断システム。
【請求項２】
検出素子部と、
前記検出素子部の検出信号に含まれるノイズを除去するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路でノイズが除かれた検出信号を増幅する増幅器を有する検出装置の断線診断システムにおいて、
前記検出素子部に断線検出用の印加電圧を供給する直流電圧電源と、
前記印加電圧の電圧を前記検出素子部の入力レンジに対応させて変える印加電圧制御機能を有することを特徴とする検出装置の断線診断システム。
【請求項３】
検出素子部と、
前記検出素子部の検出信号に含まれるノイズを除去するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路でノイズが除かれた検出信号を増幅する増幅器を有する検出装置の断線診断システムにおいて、
前記検出素子部に断線検出用の印加パルスを供給する直流電圧電源と、
前記印加パルスのパルス幅を前記検出素子部の入力レンジに対応させて変えるパルス幅制御機能を有し、
前記検出素子部を含む前記検出信号が流れる導電路の断線の有無は、前記印加パルスの印加により前記増幅器の出力側に生じる出力電圧の変化により診断することを特徴とする検出装置の断線診断システム。
【請求項４】
検出素子部と、
前記検出素子部の検出信号に含まれるノイズを除去するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路でノイズが除かれた検出信号を増幅する増幅器を有する検出装置の断線診断システムにおいて、
前記検出素子部に断線検出用の印加パルスを供給する直流電圧電源と、
前記印加パルスのパルス幅を前記検出素子部の入力レンジに対応させて変えるパルス幅制御機能と、
前記印加パルスの印加により前記増幅器の出力側に生じる出力電圧の変化により、前記検出素子部を含む前記検出信号が流れる導電路の断線の有無を診断する断線判定機能と、
前記断線判定機能による断線判定を繰り返して最終判断をする最終断線判定機能を有することを特徴とする検出装置の断線診断システム。
【請求項５】
請求項４記載の検出装置の断線診断システムにおいて、
前述した繰り返しの断線判定は、印加パルスの幅を変えて実施することを特徴とする検出装置の断線診断システム。
【請求項６】
請求項３記載の検出装置の断線診断システムにおいて、
前記印加パルスの印加前後で前記出力電圧に変化が診られないときは、前記導電路の断線が無いものとし、前記印加パルスの印加前後で前記出力電圧に変化が診られるときは断線が有るものとすることを特徴とする検出装置の断線診断システム。
【請求項７】
熱電対を含む温度検出素子と、
前記温度検出素子の検出信号に含まれるノイズを除去するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路でノイズが除かれた検出信号を増幅する増幅器を有する温度検出装置の断線診断システムにおいて、
前記温度検出素子に断線検出用の印加パルスを供給する直流電圧電源と、
前記印加パルスのパルス幅を前記温度検出素子の入力レンジに対応させて変えるパルス幅制御機能を有することを特徴とする温度検出装置の断線診断システム。
【請求項８】
請求項７記載の温度検出装置の断線診断システムにおいて、
１チップマイクロコンピュータを含むマイクロコンピュータを備え、
前記マイクロコンピュータに、前記増幅器、前記印加パルスの出力ポート、前記パルス幅を制御する制御ソフト、および断線診断の制御ソフトを備えたことを特徴とする温度検出装置の断線診断システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度測定装置の断線検出回路を含む検出装置の断線診断システムに関し、特に、マイクロコンピュータが搭載されてインテリジェント化された温度測定装置における、熱電対等の温度検出素子や電気配線の断線を検出する断線診断システムの改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プロセスの温度を検出する場合、検出器として一般に熱電対や測温抵抗体等の温度検出素子が用いられた温度測定装置が使用される。
【０００３】
熱電対は熱起電力を利用して温度測定を行い、測温抵抗体は例えば白金や銅の如き金属における周囲温度変化による抵抗値の変化を捕えて温度測定を行う。
【０００４】
温度測定装置において、熱電対の場合、数ｍＶから数１０ｍＶの微小な熱起電力を高精度の直流増幅器で増幅し、信号絶縁を施してプロセス統一信号（ＤＣ４〜２０ｍＡ又はＤＣ１〜５Ｖ）等に変換して出力したり、Ａ／Ｄ変換およびデジタル処理を施して各種の伝送信号に変換する。
【０００５】
また測温抵抗体の場合には、測温抵抗体に電流を流し、温度に対応した抵抗値の変化を電圧値に変換して取り出し、増幅を行い、各種信号処理を施す。
【０００６】
ところで、温度測定装置における熱電対や測温抵抗体は温度測定のため高温に晒されたり、温度サイクルを与えられたりするので、断線する可能性が存在する。
【０００７】
そこで、従来の温度測定装置では、プロセスの安全性を保つため、熱電対の断線が迅速に検出できるよう断線検出回路を設け、断線が起きた時には警報を発するように構成されていた。
【０００８】
従来の断線検出回路の構成例を第９図に基づいて説明する。
【０００９】
第９図において、１は熱電対、２，３は一対の入力端子であり、抵抗４（抵抗値Ｒｓ）とコンデンサ５（容量値Ｃｓ）とで入力のフィルタ回路が構成される。
【００１０】
６は断線検出用電流を制限する抵抗（Ｒｂ）、７はフィルタ回路の出力を増幅する増幅器、１１は断線検出用の電流を流すための直流電源（Ｖｂ）である。
【００１１】
以上の構成において、熱電対１又はその途中の電気配線で断線状態が発生すると、直流電圧１１からの電流が抵抗６，４を通過してコンデンサ５に与えられ、ここで充電が行われる。
【００１２】
コンデンサ５の端子電圧は徐々に上昇し、これに応じて増幅器７の出力電圧も増加する。増幅器７の出力が所定のレベルに至って断線が起きたと判断される。
【００１３】
ここで、上記の断線検出回路のフィルタ回路について説明する。
【００１４】
抵抗４とコンデンサ５からなるフィルタ回路は、信号線に重畳された誘導ノイズを除去するためのもので、通常、数１０ｍｓから数１００ｍｓの時定数を有し、温度測定装置に不可欠なものである。
【００１５】
また、フィルタ回路の後段に配設された増幅器７は、通常０〜２ｍＶの信号を０．１％以下の精度で増幅する機能が要求される。この増幅器には、近年低ドリフトでオフセット電圧の小さい演算増幅器を用いている。
【００１６】
このような演算増幅器では入力オフセット電流温度ドリフトは、例えば数１０ｐＡ／℃という低い値に抑えられている。
【００１７】
ところで、測定電圧が０〜２ｍＶで精度が０．１％である場合、演算増幅器７の入力オフセット電流温度ドリフトを例えば１０ｐＡ／℃、入力抵抗Ｒｓを２０ｋΩとすると、入力抵抗でどのように調整しても、周囲温度が１０℃変化すると２μＶの変化が生じ、上記測定範囲に対して０．１％の誤差が生じることになる。
【００１８】
さらに、実際面では、その他に入力オフセット電圧温度ドリフトがあり、誤差要因として一層大きな影響を与える。
【００１９】
このため、第９図で示されたフィルタ回路では、必要な時定数を得るに当って、抵抗４の抵抗値Ｒｓはできる限り小さな値を選択し、コンデンサ５の容量値Ｃｓを大きくするように構成するのが一般的である。
【００２０】
次に断線検出のために流す電流について説明する。
【００２１】
熱電対から温度計測回路までの配線は熱電対素線で行うのが望ましいが、高価であるので補償導線という線材を用いるのが普通である。
【００２２】
かかる配線が長距離で配設される場合を考慮し、温度測定装置は５００Ω程度の信号源抵抗を許容して精度を確保する必要があり、この信号源抵抗の許容値で断線検出用の電流値が決定される。
【００２３】
測定電圧の範囲が上記と同様に０〜２ｍＶで、許容値を例えば５００Ωとし、且つ断線検出用電流が４ｎＡであるとすると、信号源抵抗により２μＶの電圧降下が生じ、０．１％の誤差となる。
【００２４】
上記のように、抵抗４の抵抗値Ｒｓ、フィルタ回路の時定数、断線検出用電流値の各制限から第９図に示された回路要素Ｒｓ、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｖｂが決定される。
【００２５】
緒条件を考慮してＲｓは４．７ｋΩ、Ｃｓは約２１μＦ、Ｒｂは４７ＭΩ、Ｖｂは約０．１９Ｖに設定される。
【００２６】
このような数値に設定した状態で、熱電対が断線した場合を考える。
【００２７】
この断線では、初期状態を入力電圧０ｍＶ、測定範囲の１１０％である２．２ｍＶで断線を検出するものとする。
【００２８】
断線が発生したとき、電源１１からの電流は定電流となって、コンデンサ５に流れ込み、充電が行われる。
【００２９】
断線が検出されるまでの時間ｔは、
ｔ＝（Ｃｓ×２．２ｍＶ）／４ｎＡ  …………（１）
の式により、ｔは約１２秒となる。
【００３０】
従来の温度測定装置の断線検出回路の回路構成では、断線を検出するまで長い時間を要し、且つ断線検出のための信号が徐々に変化するという特性を有している。
【００３１】
このため、熱電対で断線が起き、これを検出すべく温度測定装置の出力が徐々に増加すると、温度測定装置の出力を取り込んで制御動作を行うプロセス制御装置は、プロセスの温度が上がったと判断し、温度を下げる操作を実行する可能性がある。
【００３２】
このような操作を実行すると、実際のプロセス温度が低下し、プロセスの動作を乱し、製品が不良となる。
【００３３】
上記課題を解決するために、プロセス制御装置の側で入力される信号に対して警報点を設定し、温度測定装置の出力が徐々に上昇したとき、この警報により上記操作を保留する等の対策を施すことが考えられる。
【００３４】
しかし、この場合にも警報点にいたる時間が長くかかるため完全な対策とはならない。
【００３５】
また、上記の断線検出方法では、温度の測定範囲が変更されたとき、入力電圧範囲も変更されることになるが、仮に、この入力電圧範囲を０〜２０ｍＶとして断線時の動作を考える。
【００３６】
この場合、回路定数は変更しないものとすると、上記（１）式から、振切れるまでの時間は、測定電圧範囲が０〜２ｍＶの場合の１０倍の１２０秒となる。
【００３７】
従って、測定範囲によって、抵抗６の抵抗値、電源１１の電圧値等を変更して、検出電流を変更しなければならないという不都合が生じる。
【００３８】
したがって、図９に示した従来例の断線検出回路では、温度検出素子の断線検出の高速化について十分配慮されておらず、且つこれが誤情報をもたらすという不具合が存在した。
【００３９】
そこで、上記問題を解決し、熱電対等の温度検出素子および電気配線の断線を迅速に且つ正確に検出可能な断線検出回路が、特許第２５１６７００号公報（特許文献１）および特開平１０−２３９１６６号公報（特許文献２）に記載されている。
【００４０】
上記特許文献１に記載の断線検出回路にあたっては、図９に示した回路において、抵抗６と入力端子２との接続点と、抵抗４との間に第１の開閉スイッチが配置されるとともに、抵抗６と入力端子２との接続点と、抵抗６との間に第２の開閉スイッチが配置される。
【００４１】
そして、第２のスイッチと抵抗６との間からの電圧出力が供給され増幅する増幅器が配置される。
【００４２】
上記特許文献１記載の断線検出回路の構成において、温度測定時には、第１の開閉スイッチはオンとされ、抵抗４およびコンデンサ５からなるフィルタ回路を介して熱電対１の熱起電力が増幅器７に供給される。
【００４３】
そして、断線検出時には、第１の開閉スイッチはオフ、第２の開閉スイッチはオンとされる。
【００４４】
この場合、断線が発生しているときには、入力端子２の電圧は、電源１１の電圧まで急速に立ち上がるため、増幅器にて迅速に断線を検出することが可能となる。
【００４５】
ところが、上記特許文献１記載の断線検出回路にあたっては、第１、第２の開閉スイッチが必要であるとともに、これら第１、第２の開閉スイッチの開閉動作を制御するための制御手段が必要となる。
【００４６】
したがって、構成およびその制御が複雑となり、高価格となってしまっていた。
【００４７】
次に、特許文献２記載の断線検出回路にあっては、図９に示した回路において、抵抗６と入力端子２の接続点と、抵抗４との間に増幅器７と同等の性能を有する第２の増幅器が配置される。
【００４８】
上記特許文献２記載の断線検出回路の構成において、温度測定時には、熱電対１の熱起電力は、第２の増幅器が１倍の増幅器として作用しインピーダンス変換され、抵抗４及びコンデンサ５からなるフィルタ回路を介して増幅器７に供給される。
【００４９】
そして、断線時には、第２の増幅器の出力は瞬時に振り切れ、第２の増幅器の出力のインピーダンスは非常に低いので抵抗４、コンデンサ５からなるフィルタ回路の出力を高速に振切らせることができる。
【００５０】
上記特許文献２記載の断線検出回路は、近年高精度の演算増幅器が低価格になったため、実現可能となったものであるが、第２の増幅器に増幅器７と同等の性能のものを採用したとしても、影響値は増幅器７の持つ影響値の２倍となり性能面で不利になっていた。
【００５１】
そして、部品点数として演算増幅器が増えていた。
【００５２】
【特許文献１】特許第２５１６７００号公報
【特許文献２】特開平１０−２３９１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００５３】
本発明は、上記の課題に鑑み、部品点数を極力減らし低価格で高速の断線検出ができる検出装置の断線診断システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００５４】
本発明は、検出素子部と、前記検出素子部の検出信号に含まれるノイズを除去するフィルタ回路と、前記フィルタ回路でノイズが除かれた検出信号を増幅する増幅器を有する検出装置の断線診断システムにおいて、前記検出素子部に断線検出用の印加パルスを供給する直流電圧電源と、前記印加パルスのパルス幅を前記検出素子部の入力レンジに対応させて変えるパルス幅制御機能を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００５５】
本発明によれば、部品点数を極力減らし低価格で高速の断線検出ができる検出装置の断線診断システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
本発明は、概略的に述べると、１チップマイクロコンピュータを使用した温度測定装置を含む検出装置の断線診断システムにおいて、１チップマイクロコンピュータの出力ポートを一定時間ＯＮに制御することで簡単に実現できる。
【００５７】
本発明の実施例について、図１〜図４を引用して説明する。
【００５８】
本実施例では、温度測定装置の断線診断システムを挙げて説明する。
【００５９】
温度測定装置には、３．６Ｖの電源で動作するＣＭＯＳ１チップマイクロコンピュータを使用した。
【００６０】
図１は回路構成、図２は正常時、図３は断線時のフィルタ回路出力波形をそれぞれ示している。
【００６１】
図１において、１は熱電対、２，３は入力端子、４は抵抗、５はコンデンサ、６は抵抗、７は１チップマイクロコンピュータに内蔵の増幅器、８は１チップマイクロコンピュータの出力ポート、９は１チップマイクロコンピュータを示す。
【００６２】
直流電圧電源（図示せず）は１チップマイクロコンピュータ９の外部に備えられる。直流電圧電源は、１チップマイクロコンピュータ９に電気を供給するとともに、出力ポート８、抵抗６を通じて、検出素子部としての熱電対１に電気を供給する。供給する電圧は、３．６Ｖである。
【００６３】
１チップマイクロコンピュータ９は、印加するパルス幅を制御する制御ソフト、断線診断の制御ソフトや各種の演算を行う演算機能を備えている。
【００６４】
図２は、信号源抵抗を１５０Ω、抵抗４を１０ｋΩ、コンデンサ５を１０μＦ、抵抗６を４．３ＭΩとし、１チップマイクロコンピュータ９の出力ポート８を１００ｍｓ間論理１として断線検出用パルスを印加したときの正常時のフィルタ回路出力波形を示す。
【００６５】
図３は、同じ条件で断線検出用パルスを印加したときの断線時のフィルタ回路出力波形を示す。
【００６６】
図２、図３から分るように、同じ断線検出パルスを印加した場合において、正常時のフィルタ回路出力波形の最大値は約８０μＶであるのに対し、断線時には、約８．３ｍＶと１００倍以上の大きさとなる。
【００６７】
図４は、印加するパルス幅を変えて正常時、断線時のフィルタ回路出力を計算した内容を示すものであるが、正常時と断線時の比が約７０以上確保できる。
【００６８】
パルス幅１ｍｓとしたときの、断線検出動作を以下説明する。
【００６９】
信号源抵抗を１５０Ωとしたとき、信号源抵抗による影響値を精度０．１％の１／３の０．０３％まで許容するものとする。
【００７０】
印加パルスのパルス幅は、熱電対１の個別的な仕様や１チップマイクロコンピュータ９の個別的な仕様に適合する入力レンジを選択することにより、温度測定装置としての本来の測定精度に影響を及ぼすことなく、適正な断線診断ができる。
【００７１】
パルス幅１ｍｓのとき正常時のフィルタ回路出力は、１．３６μＶであるから入力レンジは４．５ｍＶ以上とすれば、影響値は０．０３％以下となる。
【００７２】
そこで、入力レンジを例えば４．５ｍＶとする。そして、このとき断線が起こったとすると、フィルタ回路出力は９１．９μＶとなる。
【００７３】
入力レンジ４．５ｍＶに対し、９１．９μＶは、約２％に相当し、温度測定装置の測定精度を越えて容易に検出可能な信号レベルである。
【００７４】
このようにして、入力レンジにより断線検出用パルスのパルス幅を変えることにより、正常時には精度に影響を与えることなく、そして断線時には、入力レンジの２％程度の信号として容易に断線検出可能な信号レベルに設定可能である。
【００７５】
そして、図３から分るように、約０．１ｓで断線検出ができる。
【００７６】
入力信号は、１チップマイクロコンピュータにＡ／Ｄ変換して取り込まれるが、断線検出用パルスを発生させたのち、入力信号レベルの約２％の変化を捉えたとき断線と判断することにより、断線検出することができる。
【００７７】
この断線検出は、熱電対１の内部はもちろん、検出信号が流れる熱電対１から１チップマイクロコンピュータ９に亘る導電路が検出対象になる。
【００７８】
この本発明の実施例によれば、１チップマイクロコンピュータ内にパルス幅を制御する制御ソフト、断線診断の制御ソフトを備えることにより、既存のノイズ除去用のフィルタ回路を利用して断線の診断ができるので、部品点数を極力減らした検出装置の断線診断システムを提供できる。
【００７９】
また、約０．１ｓの微少時間で断線検出ができるので、プロセス側に与える影響がほとんどなく、掲げた本発明の課題を克服できた。
【００８０】
また、断線検出をより確実に行うには、出力をホールド状態にして、上記動作を２〜３回繰り返しても良く、あるいは、１回検出後、パルス幅を大きくして信号レベルを拡大する等のパルス幅を変えるようにしても良い。
【００８１】
この様子を図６、図７を用いて他の実施例として説明する。
【００８２】
図６は、断線時に断線検出用パルス電圧を１秒置きに５回発生させた場合のフィルタ回路出力を示す。
【００８３】
このように、フィルタ回路出力は階段状に大きくなるので、より確実に検出できる。また、図７は、断線検出用パルス電圧をパルス状ではなく、連続で出し続けた場合のフィルタ回路出力を示す。このように連続駆動の場合は、より大きな検出電圧を得ることができるため、より確実な断線検出が可能である。
【００８４】
なお、本発明の断線検出回路では、マイクロコンピュータ自身でパルスを発生し、その応答波形で断線検出を行うため、因果関係が明確である。このような断線検出回路では、プロセスの外乱や、ノイズにより誤検出しないことが非常に重要であるが、上記のとおり自身で発生した応答波形で断線検出するため、プロセスの外乱や、ノイズによる信号変化とは区別することができるという特徴を持つ。
【００８５】
図８は、正常時に断線検出パルスを１秒置きに発生させた場合のフィルタ回路出力を示す。パルス発生に１秒の間隔を置くことにより、フィルタ回路出力が階段状に上昇することはなく、計測誤差とはならない。
【００８６】
図５に示す他の実施例について説明する。
【００８７】
定電圧でパルス幅を入力レンジの合わせて設定するのではなく、パルス幅を一定として、印加電圧を入力レンジに合わせて変更する方式である。
【００８８】
近年の１チップマイクロコンピュータには、１２ビット程度のＤ／Ａコンバータを内蔵したものもあり、これを利用したときの構成である。
【００８９】
このときの回路構成図を図５に示す。図１で示したパルス幅可変形の断線検出回路と同様の作動をすることは明白であるため、説明は省略する。
【００９０】
以上のようにして、マイクロコンピュータの出力ポートあるいはＤ／Ａコンバータを利用して、安価で高速検出が可能な温度測定装置の断線検出システムを提供できる。
【００９１】
なお、上記実施例では温度測定装置の断線検出システムを例示したが、本発明は、風量、流量、風速等を含む各種の検出装置の断線診断システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の実施例に係わるもので、温度測定装置の断線検出システムの回路図である。
【図２】本発明の実施例に係わるもので、断線していないとこの動作を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例に係わるもので、断線しているときの動作を説明するための図である。
【図４】本発明の実施例に係わるもので、断線時と非断線の検出電圧比をパルス幅を変えて表した図である。
【図５】本発明の他の実施例に係わるもので、温度測定装置の断線検出システムの回路図である。
【図６】本発明の他の実施例に係わるもので、複数の断線検知用パルスを繰り返す診断を示す図である。
【図７】本発明の他の実施例に係わるもので、連続した長い断線検知用パルスによる診断を示す図である。
【図８】本発明の他の実施例に係わるもので、複数の断線検知用パルスを繰り返す場合の断線検知用パルス電圧とフィルタ回路出力を示した図である。
【図９】従来例に係わる温度測定装置の断線検出システムの回路図である。
【符号の説明】
【００９３】
１…熱電対、２，３…入力端子、４…抵抗、５…コンデンサ、６…抵抗、７…１チップマイクロコンピュータに内蔵の増幅器、８…１チップマイクロコンピュータの出力ポート、９…１チップマイクロコンピュータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008249585.tif 000005
【図４】
2008249585.tif 000006
【図５】
2008249585.tif 000007
【図６】
2008249585.tif 000008
【図７】
2008249585.tif 000009
【図８】
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【図９】
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