JP2006170731A - 温度伝送器における温度制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な回路で温度制御部を除く他の回路への電源供給を遮断し、能動素子が熱により破壊するのを防止し、再び復帰することができるようにする。
【解決手段】 温度センサからの電気信号を信号処理するフロントエンド部２と、このフロントエンド部２と上位システムとの間の情報を送受信する制御部４と、フロントエンド部２と制御部４とを電気的に分離する電気的絶縁部３とを備え、制御部４と上位システムとの間に制御部４への電源供給を遮断するための遮断部６と、フロントエンド部２、制御部４、電気的絶縁部３のうちの少なくとも１箇所に設けられた第２の温度センサと、第２の温度センサにて検出された検出温度が最大設定温度を越えたときに、遮断部６を駆動して上位システムから制御部４へ電源供給するための回路を開放状態にするための温度制御部７とを設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は温度センサにより物理量を電気信号に変換し、この電気信号を信号処理して上位システムに伝送する温度伝送器における温度制御システムに関する。

近年、温度センサとして、例えば熱電対または測温抵抗体により温度を電気信号に変換し、この電気信号を信号処理し、２本の伝送路を通して中央制御室としての上位システムに４−２０ｍAの電流信号にて伝送する温度伝送器がある。
以下、従来の温度伝送器の構成について図４を用いて説明する。
図４は従来の温度伝送器の構成を示す回路ブロック図である。
図４に示すように、温度伝送器は温度を電気信号に変換する温度センサ３１からの微弱な入力信号を増幅する前置増幅器３２と、増幅された入力信号を積分する積分器３３と、積分器３３からの信号が反転端子に入力される信号と非反転端子に入力される所定電圧とを比較する電圧比較器３４と、電圧比較器３４からの出力信号の電圧レベルによりバーンアウトを検出する制御部３５と、積分器３３、電圧比較器３４、制御部３５およびスイッチ３８からなる電荷平衡型ＡＤ変換器３６と、所定電流を温度センサに印加するバーンアウト部３７とから構成される。
以下、動作について説明する。
温度を電気信号に変換する温度センサ３１からの信号を前置増幅器３２により増幅し、この増幅された信号を積分器３３に入力し積分する。そしてこの積分器３３で積分された信号を電圧比較器３４に入力して所定電圧と比較する。そしてこの電圧比較器３４の出力をスイッチの制御信号として入力し、このスイッチに接続される基準電圧としてのVrefをデュティー変調する。このデュティー変調した信号を積分器３３に加える。その結果この電荷平衡型ＡＤ変換器３６で得られた信号に応じた信号を上位システム（図示せず）に伝送し、温度情報を伝えることができる。
この温度伝送器は温度センサ３１に所定の電流を供給し、前置増幅器３２の利得を一定とし、積分器３３に前置増幅器３２の出力が加えられるようにして電荷平衡型ＡＤ変換器３６で温度センサ３１のバーンアウトを検出することができる。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２０００−１０５８９０号公報

しかしながら、従来の温度伝送器の構成では測定する環境によっては周囲温度が高温になることがあり、そのような高温状態になると、バーンアウト状態（断線状態）になったり、高温状態の中で回路が通電状態であるため、回路自体が急激な温度上昇を引き起こし、特に制御部３５に備えている電子部品が、温度に対して弱いＩＣ、ＬＳＩ等の能動素子であるため、それら能動素子を破壊してしまうことがある。このように一度能動素子が破壊してしまうと、再び温度が低下して、リセットしても能動素子を復帰させることができず、新しい温度伝送器と交換しなければならず、その交換作業が煩わしいものになるだけでなく、温度伝送器全体を交換する交換費用も高いものであった。

本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、簡単な回路で構成できる温度制御部および遮断部により、温度制御部を除く他の回路への電源供給を遮断し、保存状態とすることで、耐熱特性を大幅に改善して能動素子が熱により破壊するのを防止し、温度が所定温度まで低下することにより再び復帰することができる温度伝送器における温度制御システムを提供することを目的とするのものである。

本発明は、前述の課題解決のために、温度を電気信号に変換する温度センサからの電気信号を信号処理するフロントエンド部と、このフロントエンド部と上位システムとの間の情報を送受信する制御部と、前記フロントエンド部と制御部とを電気的に分離する電気的絶縁部とを備え、前記制御部と上位システムとの間に該制御部への電源供給を遮断するための遮断部と、前記フロントエンド部、制御部、電気的絶縁部のうちの少なくとも１箇所に設けられた第２の温度センサと、この第２の温度センサにて検出された検出温度が最大設定温度を越えたときに、前記遮断部を駆動して前記上位システムから前記制御部へ電源供給するための回路を開放状態にするための温度制御部とを設け、前記温度制御部を構成する電子部品を、前記フロントエンド部、制御部、電気的絶縁部に備えている電子部品のうちの最大動作保証温度が最も低い電子部品よりも高い最大動作保証温度を有する電子部品にて構成して、温度伝送器における温度制御システムを構成した。
第２の温度センサにて検出された検出温度が最大設定温度を越えたときには、温度制御部にて遮断部を駆動して制御部へ電源供給するための回路を開放状態にすることによって、温度上昇を抑制してフロントエンド部、制御部、電気的絶縁部を保存状態にし、温度に対して弱いＩＣ、ＬＳＩ等の能動素子が熱により破壊するのを防止することができる。そして、温度が低下すると、回路を閉じて再び復帰することができる。この復帰は、第２の温度センサにて検出された検出温度が設定温度以下になったことを検出したときの検出信号に基づいて、温度制御部にて遮断部を駆動して前記回路を短絡するようにしてもよいし、第２の温度センサ又は別の温度センサにて温度を検出し、その温度検出に基づいて手動操作により前記回路を短絡するようにしてもよい。そして、温度制御部を構成する電子部品を、フロントエンド部、制御部、電気的絶縁部に備えている電子部品のうちの最大動作保証温度が最も低い電子部品よりも高い最大動作保証温度を有する電子部品にて構成することによって、常に通電状態の温度制御部を構成する電子部品が熱により破壊されることを防止することができる。

前記温度制御部が、前記第２の温度センサから生成される電圧と前記最大設定温度に対応する所定電圧とを比較する電圧比較器を備え、その電圧比較器から信号を出力して前記遮断部を駆動してもよい。

前記第２の温度センサを、温度伝送器を構成するケーシングの内部または外部近傍に設けてもよい。

前記温度制御部により前記遮断部を駆動して前記回路を開放状態にした後、最大設定温度よりも低い設定温度になったときの出力電圧に基づいて、該遮断部を駆動して該回路を短絡状態に自動復帰させるための復帰手段を該温度制御部に備えさせてもよい。

前記遮断部を、前記温度制御部からの制御信号により開放または短絡するリレー、スイッチ等のメカニカルスイッチまたは半導体からなる半導体スイッチから構成してもよい。

前記最大動作保証温度が最も低い電子部品の動作保証温度を５０℃〜１３０℃の範囲としてもよい。

第２の温度センサにて検出された検出温度が最大設定温度を越えたときには、温度制御部にて遮断部を駆動して制御部へ電源供給するための回路を開放状態にすることによって、温度上昇を抑制してフロントエンド部、制御部、電気的絶縁部を保存状態にし、温度に対して弱いＩＣ、ＬＳＩ等の能動素子が熱により破壊するのを防止することができるから、温度が低下したときには、回路を閉じて再び復帰することができ、温度伝送器全体を交換するといったことが不要になり、交換に伴うコスト高を招くことがない。

温度制御部を、第２の温度センサから生成される電圧と最大設定温度に対応する所定電圧とを比較する電圧比較器からなる温度に対して弱いＩＣ、ＬＳＩ等の能動素子を含んでいない簡単な回路から構成することによって、コスト面において有利にしながらも、第２の温度センサからの検出温度に無関係に常に導通状態の温度上昇を招く温度制御部の耐熱特性を大幅に改善することができ、耐久性においても有利になる。

第２の温度センサを、温度伝送器を構成するケーシングの内部または外部近傍に設けることによって、フロントエンド部、制御部、電気的絶縁部における実際の温度を正確に測定することができ、的確に回路遮断を行うことができる。

温度制御部により遮断部を駆動して回路を開放状態にした後、最大設定温度よりも低い設定温度になったときの出力電圧に基づいて、遮断部を駆動して回路を短絡状態に自動復帰させるための復帰手段を該温度制御部に備えさせることによって、人為的に復帰させる手間が不要になり、商品価値の高いものにすることができる。

図１は、温度伝送器の構成を示す回路ブロック図である。
前記温度伝送器は、保護管１ｂおよび素線１ａからなる外気の温度を正確に検出する温度センサ１を接続するフロントエンド部２と、フロントエンド部２と他の回路とを電気的に絶縁するための電気的絶縁部３と、フロントエンド部２および上位システム（図示せず）との信号を送受信する制御部４と、上位システムに接続するための入／出力端子５と制御部４との間に設けられ、上位システムとの電源ラインを開閉する遮断部６と、温度伝送器の温度を検出し、遮断部６の開閉を制御する温度制御部７とから構成される。ここで、フロントエンド部２のＧＮＤ８と制御部４のＧＮＤ９とは絶縁された構成となっている。また温度センサ１の保護管１ｂのＧＮＤ１０は制御部４のＧＮＤ９と電気的に接続されている。前記フロントエンド部２、遮断部６、制御部４の少なくともいずれかには、ＬＳＩ又はＩＣあるいはそれら両方を備えさせてあり、前記温度センサ１からの温度検出情報を処理することができるようにしている。

以下、本発明の温度伝送器の動作について説明する。
保護管１ｂおよび素線１ａからなる温度センサ１により温度をアナログの電気信号に変換し、この変換されたアナログの電気信号がフロントエンド部２に入力され、増幅およびＡＤ変換される。そしてＡＤ変換されたデジタル信号が電気的絶縁部３を介して制御部４に入力され、再びＤＡ変換され、アナログ信号として出力端子５から上位システム（図示せず）に送信されるようになっている。
例えば、従来の温度伝送器において、フロントエンド部２、電気的絶縁部３および制御部４が動作的に問題ない温度（動作保証温度）で動作している場合は、正常に動作する。しかし、フロントエンド部２、電気的絶縁部３、制御部４の少なくとも１つが高温状態になると、動作的、性能的に問題が発生し、バーンアウト（断線）となる場合がある。さらに温度が上昇する場合は、高温となった回路の一部分に損傷が生じる場合や最悪の場合、回路が破壊されてしまう。
ＩＣやＬＳＩなどの半導体素子である能動素子は、電圧が印加され、電流が流れている場合の動作温度（正常に動作できる動作保証温度のこと）と電流が流れていない場合の保存保証温度とでは破壊となる限界使用温度が大きく異なる。例えば一般的に汎用ＩＣの動作保証温度は−４０℃〜＋８５℃、一方保存保証温度は―６５℃〜１５０℃と高温側で約２倍の温度範囲となる。

そこで、本発明は保存保証温度と動作保証温度に着目し、温度伝送器の全体の周囲温度、つまり温度伝送器を構成するケーシングの外部の温度又はそのケーシング自体が設定温度（最大動作保証温度）になる、またはフロントエンド部２、電気的絶縁部３、制御部４の少なくともいずれかが設定温度（ここでは最大動作保証温度としているが、最大動作保証温度よりも低い温度に設定してもよい）以上になると、上位システムから温度伝送器への電源供給を遮断する遮断部６および温度制御部７を設けることで保存状態にすることができ、半導体素子等の能動素子の損傷、破壊を防止することができる。

以下、本発明の動作について説明する。
図２は、温度制御部７の構成を示す回路図である。図２において、１１は温度伝送器の温度を検知する第２の温度センサとしてのサーミスタ、１２〜１４は抵抗素子、１５は非反転入力端子に入力される電圧と反転入力端子に入力される電圧とを比較する電圧比較器、１６は電圧比較器の出力端子、１７は電源１９からサーミスタ１１、サーミスタ１１から抵抗素子１２、抵抗素子１２からＧＮＤ１８に接続され、サーミスタ１１と抵抗素子１２とを接続するための接続点であり、２０は電源２１から抵抗素子１３、抵抗素子１３から抵抗素子１４、抵抗素子１４からＧＮＤ２２に接続され、抵抗素子１３と抵抗素子１４とを接続するための接続点であり、接続点１７は電圧比較器１５の反転入力端子、接続点２０は電圧比較器１５の非反転入力端子に接続される。ここで、温度制御部７には常に上位システムから電源が供給されている。そして、温度制御部７には、ＩＣやＬＳＩなどの能動素子を含んでいないことから、常に通電状態であっても、最大動作保証温度が高いため、能動素子などの電子部品の破壊を防止することができる。

例えば、温度伝送器のフロントエンド部２、電気的絶縁部３、制御部４の少なくともいずれかが温度伝送器を構成するケーシング（図示せず）の内部または外部近傍に設けられた第２の温度センサとしての前記サーミスタ１１が予め設定されている最大動作保証温度以上又は最大動作保証温度を超えると、図３の破線の曲線２３にて示すように、サーミスタ１１の抵抗値は温度上昇に伴って低下していく（常温に比べ低下する）。その結果、サーミスタ１１と抵抗素子１２の接続点１７の電圧が、図３の実線の曲線２４で示すように上昇していく。そして、前記接続点１７の電圧が予め設定された設定温度としての抵抗素子１３と抵抗素子１４の接続点２０の電圧より高くなり、電圧比較器１５から出力端子１６と通してＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化する。この変化により、温度伝送器のフロントエンド部２、電気的絶縁部３、制御部４の少なくともいずれかが設定温度以上になったと認識し、図１に示す遮断部６を開放し、上位システムからの電源供給を遮断する。ここで、上位システムに温度伝送器を構成するフロントエンド部２、電気的絶縁部３、制御部４のうちの少なくともいずれかが設定温度より高くなったことを通知し、そのことをディスプレイなどの表示画面に表示したり、ブザーや音声などを用いて第３者に報知するようにしてもよい。前記遮断部３１はスイッチの機能を有するものであれば、トランジスタ、リレー、メカニカルスイッチ等、いずれを用いても良い。

再び、前記設定温度よりも低い温度まで低下すると、サーミスタ１１の抵抗値が高くなる。その結果、サーミスタ１１と抵抗素子１２の接続点１７の電圧は設定温度（ここでは最大動作保証温度）としての抵抗素子１３と抵抗素子１４の接続点２０の電圧よりも低くなり、電圧比較器１５から出力端子１６からの出力信号がＬＯＷレベルからＨＩＧＨレベルに変化する。この変化により、温度伝送器のフロントエンド部２、電気的絶縁部３、制御部４の全てが所定温度以下になったと認識され、図１に示す遮断部６を短絡し、温度伝送器の回路全体に上位システムから電源を供給すると共にリセット信号を上位システムを含む回路全体に送信する。また温度伝送器の温度が低下したことを上位システムに通知する。尚、リセット信号の送信は温度低下したことを上位システムに通知した後でも良い。またリセット信号を送信するのは上位システム、温度制御部７のいずれであっても良い。ここで動作保証温度範囲は、５０℃〜１３０℃が良い。

本発明の一実施の形態における温度伝送器の構成を示す回路ブロック図 本発明の一実施の形態における温度制御部の構成を示す回路図 温度制御部における温度変化に対する抵抗値変化及び電圧変化を示すグラフである。 従来の温度伝送器の構成を示す回路ブロック図

符号の説明

１ 温度センサ
１ａ 素線
１ｂ 保護管
２ フロントエンド部
３ 電気的絶縁部
４ 制御部
５ 出力端子
６ 遮断部
７ 温度制御部
８，９，１０ ＧＮＤ
１１ サーミスタ（第２の温度センサ）
１２，１３，１４ 抵抗素子
１５ 電圧比較器
１６ 出力端子
１７ 接続点
１８，２２ ＧＮＤ
１９ 電源
２０ 接続点
２１ 電源
２３，２４ 曲線
３１ 温度センサ
３１ 遮断部
３２ 前置増幅器
３３ 積分器
３４ 電圧比較器
３５ 制御部
３６ 変換器
３７ バーンアウト部
３８ スイッチ

Claims (6)

1. 温度を電気信号に変換する温度センサからの電気信号を信号処理するフロントエンド部と、このフロントエンド部と上位システムとの間の情報を送受信する制御部と、前記フロントエンド部と制御部とを電気的に分離する電気的絶縁部とを備え、前記制御部と上位システムとの間に該制御部への電源供給を遮断するための遮断部と、前記フロントエンド部、制御部、電気的絶縁部のうちの少なくとも１箇所に設けられた第２の温度センサと、この第２の温度センサにて検出された検出温度が最大設定温度を越えたときに、前記遮断部を駆動して前記上位システムから前記制御部へ電源供給するための回路を開放状態にするための温度制御部とを設け、前記温度制御部を構成する電子部品を、前記フロントエンド部、制御部、電気的絶縁部に備えている電子部品のうちの最大動作保証温度が最も低い電子部品よりも高い最大動作保証温度を有する電子部品にて構成したことを特徴とする温度伝送器における温度制御システム。
2. 前記温度制御部が、前記第２の温度センサから生成される電圧と前記最大設定温度に対応する所定電圧とを比較する電圧比較器を備え、その電圧比較器から信号を出力して前記遮断部を駆動してなる請求項１に記載の温度伝送器における温度制御システム。
3. 前記第２の温度センサを、温度伝送器を構成するケーシングの内部または外部近傍に設けた請求項１又は２に記載の温度伝送器における温度制御システム。
4. 前記温度制御部により前記遮断部を駆動して前記回路を開放状態にした後、最大設定温度よりも低い設定温度になったときの出力電圧に基づいて、該遮断部を駆動して該回路を短絡状態に自動復帰させるための復帰手段を該温度制御部に備えさせてなる請求項１に記載の温度伝送器における温度制御システム。
5. 前記遮断部を、前記温度制御部からの制御信号により開放または短絡するリレー、スイッチ等のメカニカルスイッチまたは半導体からなる半導体スイッチから構成した請求項１又は２又は４に記載の温度伝送器における温度制御システム。
6. 前記最大動作保証温度が最も低い電子部品の動作保証温度を５０℃〜１３０℃の範囲とした請求項１〜５のいずれかに記載の温度伝送器における温度制御システム。
   

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