JP4902476B2 - アナログ信号入力装置 - Google Patents

Description

この発明は、各種センサーなどのアナログ信号を入力してこれを処理するアナログ信号入力装置に関し、特に電圧計測と電流計測の２つの動作が可能な３端子型のアナログ信号入力機器を備えたアナログ信号入力装置に関するものである。

このようなアナログ信号入力装置は、主として工業用計測の分野で使用され、現場に設置された各種センサーのアナログ信号をシーケンサなどの上位コントローラに取り込む場合に使用される。

電圧入力端子、電流入力端子およびコモン端子の３端子を有する３端子型のアナログ信号入力機器は、電圧信号を入力してこれを計測する電圧計測動作と電流信号を入力してこれを計測する電流計測動作の二つの計測動作をすることができるようにされており、いずれかを選択して使用する。

図４は３端子型のアナログ信号入力機器の電圧計測の際の接続の様子を示す回路図である。図５は同じく電流計測の際の接続の様子を示す回路図である。外部信号出力機器４０は、外部配線２０を介してアナログ信号入力機器３０に接続されている。アナログ信号入力機器３０は、電圧入力端子（Ｖａ端子）、電流入力端子（Ｉａ端子）、およびコモン端子（Ｃａ端子）の３端子を有している。また、アナログ信号入力機器３０は、Ｖａ端子−Ｃａ端子間に接続された内部入力回路（電圧計測回路）３３と、Ｉａ端子−Ｃａ端子間に接続された受信抵抗（シャント抵抗）３２とを有している。

図４において、アナログ信号入力機器３０で電圧信号を計測する場合は、外部入力プラス側をＶａ端子に、外部入力マイナス側をＣａ端子に接続して使用する。そして、内部入力回路３３はＶａ端子−Ｃａ端子間の電圧を計測する。

一方、図５において、電流信号を計測する場合は、Ｖａ端子とＩａ端子とを短絡用ケーブル３で短絡し、外部入力プラス側をＩａ端子に、外部入力マイナス側をＣａ端子に接続して使用する。そして、Ｉａ端子を介して入力された計測電流は受信抵抗３２で電圧に変換される。内部入力回路３３はこの電圧を計測する（例えば、非特許文献１参照）。このとき、計測される計測電圧は、概略計測電流と受信抵抗３２の積である。

図６は従来のアナログ信号入力装置を示す回路図である。近年、制御盤内の機器削減や配線工数の低減のために、アナログ信号入力機器３０の信号入力部３１については小型端子台やコネクタ接続などを採用して、中継端子台１０を使用して外部信号出力機器４０との接続を行う装置が提案されている。中継端子台１０は、中継端子台外部接続端子１として電圧入力端子（Ｖｂ端子）、電流入力端子（Ｉｂ端子）、およびコモン端子（Ｃｂ端子）の３端子を有している。この３端子は、変換コネクタ２内に設けられて１対１に接続されたコネクタ端子とともに中継端子を構成している。中継ケーブル４は、中継端子台１０とアナログ信号入力機器３０との間をストレートに接続する。短絡用ケーブル３は、中継端子台外部接続端子１にて、Ｖｂ端子とＩｂ端子とを短絡する。

三菱電機株式会社、「チャンネル間絶縁アナアログ−ディジタル変換ユニット チャンネル間絶縁ディストリビュータ ユーザーズマニュアル（詳細編）」、２００６年１０月作成、４−７ページ

図６の構成において、電流信号計測時の計測電圧Ｖｉｎは下記のようになる。

そして、このとき計測されるべき計測電圧の値は、上記のように概略計測電流と受信抵抗３２の積である。つまり、Ｖｉｎ≒Ｉｉｎ２×Ｒｓｅｎｃｅである。ここで、Ｉｉｎ１≒０よりＩｉｎ≒Ｉｉｎ２となるので、Ｖｉｎ≒Ｉｉｎ×Ｒｓｅｎｃｅとなる。これに対して、図６に示す装置は、上記のように、Ｖｉｎ＝Ｉｉｎ×（Ｒｓｅｎｃｅ＋ｒ２）であるので、ケーブルの配線抵抗ｒ２が計測電圧に誤差として影響しており、改善が望まれていた。

この対策として、アナログ信号入力機器３０の信号入力部３１において、Ｖａ端子とＩａ端子の短絡を行う方法がある。しかしながら、信号入力部３１がコネクタの場合は、コネクタハウジング内で短絡する必要があり、作業性が悪い上に、後で電圧入力に変更したい場合には変更が容易に行えなくなる、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、中継端子台を使用して外部信号出力機器との接続を行うことにより、制御盤内の機器削減や配線工数の低減を可能とするとともに、ケーブルの配線抵抗の影響を無くすことができるアナログ信号入力装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のアナログ信号入力装置は、３つの入力端子（Ｖａ，Ｉａ，Ｃａ）、Ｖａ端子とＣａ端子との間に接続された電圧計測回路、及びＩａ端子とＣａ端子との間に接続されたシャント抵抗を有し、Ｖａ端子−Ｃａ端子間に印加された電圧を計測する電圧計測動作と、Ｉａ端子−Ｖａ端子間が短絡された状態でＩａ端子に入力された電流をシャント抵抗にて電圧に変換して計測する電流計測動作とで切り替るアナログ信号入力機器と、信号を中継する４つの中継端子（Ｖｂ，Ｉｓ，Ｉｂ，Ｃｂ）を有する中継端子台と、Ｖｂ端子−Ｖａ端子間をケーブルで接続し、Ｉｓ端子からのケーブルとＩｂ端子からのケーブルをＩａ端子で共通に接続し、Ｃｂ端子−Ｃａ端子間をケーブルで接続する中継ケーブルとを備え、電流計測動作の際に、Ｖｂ端子−Ｉｓ端子間が短絡され、Ｉｂ端子−Ｃｂ端子間に計測対象の入力電流を供給されることを特徴とする。

この発明によれば、中継端子台と中継ケーブルとを備えているので、制御盤内の機器削減や配線工数の低減を可能とするという効果を奏する。また、ケーブルの配線抵抗の影響を無くすことができるので、中継ケーブルの配線抵抗の影響のない正確な電流値を計測できるという効果を奏する。さらには、電圧計測と電流計測の切り替えの短絡を中継端子台で行うので、作業性が良いとともに、切り替えの作業が容易である。

以下に、本発明にかかるアナログ信号入力装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１はこの発明にかかるアナログ信号入力装置の実施の形態１を示す回路図である。アナログ信号入力装置は、アナログ信号を入力して電流および電圧の計測を行うアナログ信号入力機器３０と、各種センサーなどの外部信号出力機器４０から延びる出力線が接続されて当該外部信号出力機器４０からのアナログ信号を中継する中継端子台１０と、アナログ信号入力機器３０と中継端子台１０との間を接続する中継ケーブル４とを備えている。外部信号出力機器４０は、外部配線２０を介して中継端子台１０に接続されている。

アナログ信号入力装置は、主として工業用計測の分野で使用されるもので、例えば現場に設置された各種センサーのアナログ信号を取り込んでこれを計測する装置であって、アナログ信号入力機器３０は、具体的にはプログラマブルコントローラ（シーケンサ）のアナログユニット等である。各種センサーとは、温度センサー、圧力センサー、流量センサーなどである。

アナログ信号入力機器３０は、従来のものと概略同様の構成を成しており、コネクタが接続される信号入力部３１に、電圧入力端子（Ｖａ端子）、電流入力端子（Ｉａ端子）、およびコモン端子（Ｃａ端子）の３つの入力端子を有している。Ｖａ端子−Ｃａ端子間に内部入力回路（電圧計測回路）３３が接続されている。シャント抵抗である受信抵抗（Ｒｓｅｎｃｅ）３２は、Ｉａ端子−Ｃａ端子間に接続され、さらにＣａ端子間ともにグランドに落とされている。

アナログ信号入力機器３０が電圧信号を計測する場合は、後述の中継端子台１０および中継ケーブル４を介して、外部入力プラス側がＶａ端子に、外部入力マイナス側がＣａ端子に接続されるようにして使用する。そして、内部入力回路３３はＶａ端子−Ｃａ端子間の電圧を計測する。一方、電流信号を計測する場合は、Ｖａ端子とＩａ端子との間を中継端子台１０にて短絡し、外部入力プラス側がＩａ端子に、外部入力マイナス側がＣａ端子に接続されるようにして使用する。つまり、図１はこの電流信号を計測する場合の接続を示している。そして、この接続において、Ｉａ端子を介して入力された計測電流は受信抵抗３２で電圧に変換され、Ｖａ端子−Ｃａ端子間に計測電圧として印加する。内部入力回路３３はこの電圧を計測する。

中継端子台１０は、中継端子台外部接続端子１として電圧入力端子（Ｖｂ端子）、電流入力端子（Ｉｂ端子）、コモン端子（Ｃｂ端子）および電流／電圧切換え用端子（Ｉｓ端子）の４つの中継端子を有している。この４中継端子は、変換コネクタ２内に設けられて１対１に接続されたコネクタ端子とともに中継端子を構成している。

アナログ信号入力機器３０と中継端子台１０間を接続する中継ケーブル４は、両端にコネクタを有する多芯線で構成さており、Ｖｂ端子−Ｖａ端子間をケーブルで接続し、Ｃｂ端子−Ｃａ端子間をケーブルで接続し、Ｉｓ端子からのケーブルとＩｂ端子からのケーブルをＩａ端子で共通に接続している。なお、Ｉｓ端子からのケーブルとＩｂ端子からのケーブルは具体的にはコネクタ内ではんだ付け等により結線されている。

このような構成のアナログ信号入力装置は、電流計測動作の際には、中継端子台外部接続端子１においてＶｂ端子−Ｉｓ端子間が短絡用ケーブル３にて短絡され、Ｉｂ端子−Ｃｂ端子間に外部信号出力機器４０が接続されて、計測対象の入力電流を供給される。なお、短絡用ケーブル３の抵抗は計測電圧の誤差の原因となるので小さいことが望ましい。
この構成によればアナログ信号入力機器３０の計測電圧Ｖｉｎは下記のようになる。

そして、このとき計測されるべき計測電圧の値は、従来技術にて述べたように概略計測電流と受信抵抗３２の積であり、Ｖｉｎ≒Ｉｉｎ×Ｒｓｅｎｃｅであるので、本実施の形態のアナログ信号入力装置は、ケーブルの配線抵抗ｒ２が計測電圧に誤差として影響してないことが解る。

ここで、具体的に数値を挙げて従来のものと詳細に比較する。
内部入力回路の抵抗： Ｒｉｎｐｕｔ＝１ＭΩ
各ケーブルの抵抗： ｒ１≒ｒ２≒ｒ３≒ｒ４＝２Ω以下
計測電流： Ｉｉｎ＝２０ｍＡ以下
受信抵抗： Ｒｓｅｎｃｅ＝２５０Ω
とし、これを従来の装置の上記式１と本実施の形態の装置の上記式２に代入して、両者を比較すると、従来のものが、
計測電圧（従来）： Ｖｉｎ＝５．０３８Ｖ
であるのに対して、本実施の形態のものは、
計測電圧（本実施の形態）： Ｖｉｎ＝４．９９８Ｖ
である。

つまり、本来計測されるべき計測電圧が、
Ｖｉｎ≒Ｉｉｎ×Ｒｓｅｎｃｅ
＝５Ｖ
であるのに対して、従来のものは３８ｍＶの誤差であり、本実施の形態のものは、２ｍＶの誤差である。これにより、本実施の形態のアナログ信号入力装置が、従来のものより格段に計測誤差が少なくなっていることが解る。

以上のように、本実施の形態のアナログ信号入力装置は、３つの入力端子（Ｖａ，Ｉａ，Ｃａ）、Ｖａ端子とＣａ端子との間に接続された内部入力回路（電圧計測回路）３３、及びＩａ端子とＣａ端子との間に接続された受信抵抗（シャント抵抗）３２を有し、Ｖａ端子−Ｃａ端子間に印加された電圧を計測する電圧計測動作と、Ｉａ端子−Ｖａ端子間が短絡された状態でＩａ端子に入力された電流を受信抵抗（シャント抵抗）３２にて電圧に変換して計測する電流計測動作とで切り替るアナログ信号入力機器３０と、信号を中継する４つの中継端子（Ｖｂ，Ｉｓ，Ｉｂ，Ｃｂ）を有する中継端子台１０と、Ｖｂ端子−Ｖａ端子間をケーブルで接続し、Ｉｓ端子からのケーブルとＩｂ端子からのケーブルをＩａ端子で共通に接続し、Ｃｂ端子−Ｃａ端子間をケーブルで接続する中継ケーブル４とを備えている。そして、電流計測動作の際には、Ｖｂ端子−Ｉｓ端子間が短絡され、Ｉｂ端子−Ｃｂ端子間に計測対象の入力電流を供給される。

この構成によれば、中継端子台１０と中継ケーブル４とを備えているので、制御盤内の機器削減や配線工数の低減を可能とするという効果を奏する。また、ケーブルの配線抵抗の影響を無くすことができるので、中継ケーブルの配線抵抗の影響のない正確な電流値を計測できるという効果を奏する。さらには、電圧計測と電流計測の切り替えの短絡を中継端子台１０で行うので、作業性が良いとともに、切り替えの作業が容易である。

実施の形態２．
図２はこの発明にかかるアナログ信号入力装置の実施の形態２を示す中継端子台の部分的な拡大図である。本実施の形態のアナログ信号入力装置においては、中継端子台１０の中継端子台外部接続端子１において、Ｖｂ端子とＩｓ端子が上段１ａに隣り合わせに配置されている。なお、本実施の形態のように、上段１ａと下段１ｂとの間に段差を有する端子台であるならば、段差を挟まないように隣り合うことが好ましい。

このような中継端子台１０とすることで、電流計測時のＶｂ端子−Ｉｓ端子間の短絡を、例えばＹ接続部を２箇所有する短尺の短絡板３ａを使用して短絡することが可能となり、Ｖｂ端子−Ｉｓ端子間の抵抗を小さくできるとともに、短絡用ケーブルの製作に要する工数が低減される。

実施の形態３.
図３はこの発明にかかるアナログ信号入力装置の実施の形態３を示す回路図である。本実施の形態のアナログ信号入力装置は、中継端子台１０の中継端子台外部接続端子１において、Ｉｓ端子及び短絡導体に替えてディップスイッチ５が設けられている。

このような中継端子台１０とすることで、電圧計測及び電流計測の切り替えを容易に行えるとともに、短絡用ケーブルを必要としないので短絡用ケーブルの製作に要する工数が低減される。

以上のように、本発明にかかるアナログ信号入力装置は、例えば現場に設置された各種センサーのアナログ信号を取り込んでこれを計測する装置に適用して有用であり、特に電圧計測と電流計測の二つの計測動作を切り替えて使用することができる３端子型のアナログ信号入力機器を搭載するアナログ信号入力装置に適用して最適なものである。

この発明にかかるアナログ信号入力装置の実施の形態１を示す回路図である。 この発明にかかるアナログ信号入力装置の実施の形態２を示す中継端子台の部分的な拡大図である。 この発明にかかるアナログ信号入力装置の実施の形態３を示す回路図である。 ３端子型のアナログ信号入力機器の電圧計測の際の接続の様子を示す回路図である。 ３端子型のアナログ信号入力機器の電流計測の際の接続の様子を示す回路図である。 従来のアナログ信号入力装置を示す回路図である。

符号の説明

１ 中継端子台外部接続端子
２ 変換コネクタ
３ 短絡用ケーブル
３ａ 短絡板
４ 中継ケーブル
５ 切り換えスイッチ
１０ 中継端子台
２０ 外部配線
３０ アナログ信号入力機器
３１ 信号入力部
３２ 受信抵抗（シャント抵抗）
３３ 内部入力回路（電圧計測回路）
４０ 外部信号出力機器

Claims (3)

1. ３つの入力端子（Ｖａ，Ｉａ，Ｃａ）、Ｖａ端子とＣａ端子との間に接続された電圧計測回路、及びＩａ端子とＣａ端子との間に接続されたシャント抵抗を有し、Ｖａ端子−Ｃａ端子間に印加された電圧を計測する電圧計測動作と、Ｉａ端子−Ｖａ端子間が短絡された状態でＩａ端子に入力された電流を前記シャント抵抗にて電圧に変換して計測する電流計測動作とで切り替るアナログ信号入力機器と、
   信号を中継する４つの中継端子（Ｖｂ，Ｉｓ，Ｉｂ，Ｃｂ）を有する中継端子台と、
   Ｖｂ端子−Ｖａ端子間をケーブルで接続し、Ｉｓ端子からのケーブルとＩｂ端子からのケーブルをＩａ端子で共通に接続し、Ｃｂ端子−Ｃａ端子間をケーブルで接続する中継ケーブルとを備え、
   電流計測動作の際に、Ｖｂ端子−Ｉｓ端子間が短絡され、Ｉｂ端子−Ｃｂ端子間に計測対象の入力電流を供給される
   ことを特徴とするアナログ信号入力装置。
2. 前記Ｖｂ端子と前記Ｉｓ端子とが、前記中継端子台にて隣接した位置に設けられている ことを特徴とする請求項１に記載のアナログ信号入力装置。
3. 前記Ｖｂ端子と前記Ｉｓ端子の間の短絡／開放を切り替えるスイッチが設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のアナログ信号入力装置。

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