JP7403488B2

JP7403488B2 - 電流信号処理装置

Info

Publication number: JP7403488B2
Application number: JP2021023853A
Authority: JP
Inventors: 大輝相原; 敏光仲井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-02-18
Filing date: 2021-02-18
Publication date: 2023-12-22
Anticipated expiration: 2041-02-18
Also published as: JP2022126026A

Description

本願は、電流信号処理装置に関するものである。

放射線計測において、電離箱検出器からの電流信号は微小で、かつレンジも８桁以上と広範囲であるため、信号処理装置としてトランジスタによる対数特性を利用した対数変換回路（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。しかし、トランジスタの対数特性は温度によって変化するため、温度依存性を補償するための回路を別途設ける必要があるとともに、使用するトランジスタの特性のばらつきにより比例電圧が安定しないといった問題があった。

そこで、温度依存性のない複数の電流電圧変換抵抗により入力電流を分圧し、各電流電圧変換抵抗の出力を切り替えて変換する電流電圧変換回路（例えば、特許文献２参照。）を適用することが考えられる。

特開２０１３－９６８５１号公報（段落００１９～００３２、図１）特開２０１２－２４７２３３号公報（段落００６６～００８６、図１）

しかしながら、単に電流電圧変換抵抗で分圧しただけでは、変換した電圧を増幅するための演算増幅器に流れる電流による電圧降下の影響を受けて精度が低下することがあり、高精度が要求される放射線計測への適用は困難である。つまり、放射線計測に適した信頼性の高い電流信号処理装置を得ることは困難であった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、放射線計測に適した信頼性の高い電流信号処理装置を得ることを目的とする。

本願に開示される電流信号処理装置は、入力電流の電流域を分割した複数のレンジそれぞれに対応した抵抗値を有し、前記入力電流の接地に向かう通電経路上に直列に接続された電流電圧変換抵抗、前記電流電圧変換抵抗それぞれに対応して設けられ、一端が前記電流電圧変換抵抗の前記接地から遠い側の端子に接続され、他端が前記通電経路とは別の経路で接地され、前記電流電圧変換抵抗が変換した電圧を増幅する演算増幅器、および前記電流電圧変換抵抗のうち、最大の抵抗値を有する電流電圧変換抵抗と、前記演算増幅器の入力インピーダンスに対する前記抵抗値の比が一定値を超える電流電圧変換抵抗に対してそれぞれ並列接続して設けられたバイパスダイオード、を備えたことを特徴とする。

本願に開示される電流信号処理装置によれば、演算増幅器での電圧降下を抑制することで、微小で広範囲なレンジの電流を正確に計測できるので、放射線計測に適した信頼性の高い電流信号処理装置を得ることができる。

実施の形態１にかかる電流信号処理装置の構成を説明するための回路図である。実施の形態２にかかる電流信号処理装置の構成を説明するための回路図である。実施の形態２の変形例にかかる電流信号処理装置の演算ブロック部分の構成を説明するための回路図である。実施の形態３にかかる電流信号処理装置の構成を説明するための回路図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる電流信号処理装置の構成および動作について説明するためのものであり、図示しない電離箱検出器からの電流の入力を受け付ける入力端部分から、演算した計測値を出力する出力端部分までの回路図である。

本実施の形態１にかかる電流信号処理装置１は、図１に示すように、図示しない電離箱検出器から出力される８桁以上の広範な電流レンジ（１０ｐＡ～５ｍＡ）の入力電流Ｃｄを放射線の計測値を示す出力データＣｘに変換して出力する装置である。そのため、入力電流Ｃｄをデジタル値に変換する４つの演算ブロック７－１、７－２、７－３、７－４、および変換されたデジタル値を統合して信号処理する論理回路であるＦＰＧＡ８（field-programmable gate array）を備えている。

演算ブロック７－１、７－２、７－３、７－４は、それぞれ２桁（１００倍）ずつ入力レンジ（電流域）が異なり、それぞれを構成する部品の仕様も電流域に合わせて設定している。なお、ブロック番号を区別する場合は、「演算ブロック７－１」のように、種別を示す符号（７）の後ろに、ブロックを示す番号（１）をハイフン（－）に続けて記載する。一方、ブロックを区別しない場合は、単に「演算ブロック７」のように、ハイフンと番号の記載を省略する。後述する部品、あるいはその仕様（抵抗値等の特性）についても同様である。

各演算ブロック７には、その演算ブロック７に割り振られた電流域に応じた抵抗値Ｒに設定され、入力電流Ｃｄに応じて電圧に変換する電流電圧変換抵抗２が設けられている。そして、電流電圧変換抵抗２で変換した電圧をフィードバック抵抗５の定数（抵抗値）に応じて増幅する演算増幅器４と、増幅された電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器６を備えている。さらに、特徴的な構成として、演算増幅器４に流れる電流による電圧降下の影響を抑制するためのバイパスダイオード３を電流電圧変換抵抗２に対して並列に設けている。

なお、各演算ブロック７に設けた演算増幅器４のゲインＧは、各電流域（２桁＝１００）を網羅するため、１００とした。演算ブロック７ごとの測定電流値Ｌｃとして、２．４４ｎＡ、３１３ｎＡ、４０μＡ、５．１２ｍＡ、というように、ゲインＧ以上の比を有するように設定した。そして、電流電圧変換抵抗２の抵抗値Ｒは、その演算ブロック７の演算増幅器４における処理電圧Ｖｔ、測定電流値Ｌｃ、およびゲインＧを用いて、式（１）に基づいて設定している。
Ｒ≒Ｖｔ×Ｇ／Ｌｃ・・・（１）

演算ブロック７ごとのＡ／Ｄ変換器６は、１０ｐＡ～５ｍＡの入力電流Ｃｄに対し、２桁ごとの４分割した電流域（レンジＬ、ＬＬ、Ｈ、ＨＨ）に対応させており、デジタルフィルタ内臓のΔΣタイプで、５０／６０Ｈｚノイズ成分を除去する仕様である。そして、それぞれ同時に動作し、ＦＰＧＡ８に出力するようにしている。一方、ＦＰＧＡ８は、各Ａ／Ｄ変換器６から出力された値のうち、最適値を選択し、３２ｂｉｔデータ（ＦＳ＝５．１２ｍＡ）として出力する仕様のものを用いている。

つぎに、動作について説明する。
図示しない電離箱検出器からの微小電流の入力電流Ｃｄは、電流電圧変換抵抗２－１、２－２、２－３、および２－４を経由してアースに流れる。各電流電圧変換抵抗２の電圧降下が抵抗値Ｒ×入力電流Ｃｄの電流値となり、それぞれ演算増幅器４によりフィードバック抵抗５の定数に応じて増幅される。

演算増幅器４の出力電圧はＡ／Ｄ変換器６に入力され、デジタルデータに変換され、ＦＰＧＡ８に出力される。ＦＰＧＡ８は、各演算ブロック７からのデジタルデータの読み込みを行い、統合化処理を行うことで出力データＣｘを出力する。

これら一連の処理において、バイパスダイオード３は、それぞれ電離箱検出器からの入力電流Ｃｄが演算増幅器４に流れた際の電圧降下の影響を抑制する機能を発揮する。例えば、演算増幅器４の入力インピーダンスは無限大であることが理想的ではあるが、現実的には有限値を有する。ここで、例えば、演算増幅器４の入力インピーダンスＲｃが１ＧΩであるとする。この場合、演算増幅器４の入力インピーダンスＲｃに対する電流電圧変換抵抗２－１の抵抗値Ｒ（１０．２ＭΩ）の比（＝Ｒ／Ｒｃ）は１／１００程度になり、１／１００（＝１％）の誤差が生じることを意味する。

つまり、背景技術で説明したように、単に電流電圧変換抵抗で分圧しただけでは、レンジごとの演算増幅器に流れる電流による電圧降下の影響を受けて、上述した精度低下が生じるため、高精度が要求される放射線計測への適用は困難である。しかし、本実施の形態１、および以降の各実施の形態にかかる電流信号処理装置１では、電流電圧変換抵抗２に並列接続したバイパスダイオード３を設けることで、電圧降下の影響を抑制して微小で広範囲なレンジの電流を正確に計測することが可能となる。

なお、バイパスダイオード３は、演算増幅器４の入力インピーダンスＲｃに対する電流電圧変換抵抗２の抵抗値Ｒの比が必要とされる精度に対応して十分小さくなる電流電圧変換抵抗２に対しては省略してもよい。例えば、演算ブロック７－４における入力インピーダンスＲｃに対する電流電圧変換抵抗２－４の抵抗値Ｒ（４．９Ω）の比は、１０^－８程度と小さく、誤差は１０^－８（０．０１ｐｐｍ）程度にしかならず、演算ブロック７－４に対しては設置を省略している。

つまり、最も抵抗値が高い電流電圧変換抵抗２－１に加え、入力インピーダンスＲｃに対する抵抗値Ｒの比が計測精度で許容されるレベル（例えば、１０^－６）を超える電流電圧変換抵抗２に対してはバイパスダイオード３を並列して設けるようにした。これにより、温度依存性の影響もなく、電圧降下の影響を抑制し、微小で広範囲なレンジの電流を正確に計測することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１においては、電離箱検出器から正極性の入力電流が入力される場合に対応する回路を示した。本実施の形態２においては、負極性の入力電流に対応する回路について説明する。図２は、実施の形態２にかかる電流信号処理装置の構成および動作について説明するためのものであり、図示しない電離箱検出器からの電流の入力を受け付ける入力端部分から、演算した計測値を出力する出力端部分までの回路図である。なお、本実施の形態２においては、負極性に対応するため、ダイオードの極性を逆にした以外は実施の形態１と同様であり、同様部分の説明は省略する。

本実施の形態２にかかる電流信号処理装置１は、図２に示すように、実施の形態１と同様に、入力電流Ｃｄをデジタル値に変換する４つの演算ブロック７－１、７－２、７－３、７－４、および変換されたデジタル値を統合して信号処理するＦＰＧＡ８を備えている。各演算ブロック７には、その演算ブロック７に割り振られた電流域に応じた抵抗値Ｒに設定され、入力電流Ｃｄに応じて電圧に変換する電流電圧変換抵抗２が設けられている。

そして、特徴的な構成である、演算増幅器４に流れる電流による電圧降下の影響を抑制するためのバイパスダイオード３は、電流電圧変換抵抗２に対して並列に、かつ、実施の形態１の図１で説明した状態とは逆方向に接続している。

つぎに、動作について説明する。
入力電流Ｃｄは、電流電圧変換抵抗２－１、２－２、２－３、および２－４を経由してアースに流れる。各電流電圧変換抵抗２の電圧降下が抵抗値Ｒ×入力電流Ｃｄの電流値となり、それぞれ演算増幅器４によりフィードバック抵抗５の定数に応じて増幅される。

このとき、バイパスダイオード３は、演算増幅器４の入力インピーダンスＲｃに対する電流電圧変換抵抗２の抵抗値Ｒの比に応じた誤差の発生を防止する機能を有することを説明した。しかし、図１で示した回路に負極性の入力電流Ｃｄが入った場合は、バイパス機能を発揮することができず、演算増幅器４の入力インピーダンスＲｃに対する電流電圧変換抵抗２の抵抗値Ｒの比に応じた誤差が生じることになる。

これに対し、本実施の形態２においては、バイパスダイオード３は、負極性の入力電流Ｃｄに対するバイパス機能を発揮して、演算増幅器４の入力インピーダンスＲｃに対する電流電圧変換抵抗２の抵抗値Ｒの比に応じた誤差の発生を防止することが可能となる。つまり、入力電流Ｃｄの極性に応じて図１に示す回路と図２に示す回路を適宜使い分けるようにすればよい。

変形例．
本変形例では、入力電流の極性に応じてバイパスダイオードの極性を自動的に使い分ける手段について説明する。図３は変形例にかかる電流信号処理装置の演算ブロック部分の構成を説明するための回路図である。バイパスダイオード以外の構成については実施の形態１と同様であり、同様部分の説明は省略する。

本変形例にかかる電流信号処理装置１の演算ブロック７では、図３に示すように、リレー３２等の経路切替部品を介して逆方向を向いたダイオード３ａ、３ｂを並列接続し、経路切り替え可能なバイパスダイオード回路３０を形成する。そして、形成したバイパスダイオード回路３０を電流電圧変換抵抗２と並列接続し、入力電流Ｃｄの極性に応じて、必要な向きのダイオード３ａ、３ｂを切り替えてバイパスダイオード３として使用できるようにしてもよい。

また、バイパスダイオード３として整流素子に限らずスイッチング素子を用いてもよい。スイッチング素子を用いた場合、例えば、切替回路として極性を逆向きにした対をなすスイッチング素子の導通対象を切り替えるようにしてもよい。切り替えは、図示しない制御部により、入力電流Ｃｄの極性に応じて電流電圧変換抵抗２との並列接続対象を選定し、選定した対象に自動的に切り替えるようにしてもよいし、手動で切り替えるようにしてもよい。いずれの場合でも各演算ブロック７のバイパスダイオード回路３０において、選定した向きのバイパスダイオード３に同時に切り替えるようにする。

実施の形態３．
上記実施の形態１と２では、入力電流を２桁ずつ入力レンジが異なる４つの演算ブロックを設けた例について説明したが、これに限ることはない。本実施の形態３においては、必要とされる分解能に応じ、入力電流をｉ個の入力レンジに分けて、それに対応するｉ個の演算ブロックを設けた例について説明する。

図４は、実施の形態３にかかる電流信号処理装置の構成および動作について説明するためのものであり、実施の形態１、２と同様に、図示しない電離箱検出器からの電流の入力を受け付ける入力端部分から、演算した計測値を出力する出力端部分までの回路図である。なお、本実施の形態３においては、レンジの設定とそれに伴う演算ブロックごとの部品の仕様以外は実施の形態１と同様であり、同様部分の説明は省略する。また、実施の形態１に対する実施の形態２で説明したバイパスダイオードの向きの変更、あるいは切替の適用が可能であることについても同様である。

本実施の形態３にかかる電流信号処理装置１は、図４に示すように、入力電流Ｃｄをデジタル値に変換するためのｉ個の演算ブロック７－１、７－２、・・・、７－ｉ－１、７－ｉ、および変換されたデジタル値を統合して信号処理するＦＰＧＡ８を備えている。各演算ブロック７には、その演算ブロック７に割り振られた電流域に応じた抵抗値に設定され、入力電流Ｃｄに応じて電圧に変換する電流電圧変換抵抗２が設けられている。そして、実施の形態１、２と同様に、演算増幅器４に流れる電流による電圧降下の影響を抑制するためのバイパスダイオード３を電流電圧変換抵抗２に対して並列に設けている。

なお、各演算ブロック７に設けた演算増幅器４のゲインＧは、例えば、８桁をｉ分割する場合、各電流域（１０^８／ｉ）を網羅するため、１０^８／ｉに設定した。そして、演算ブロック７－１の測定電流値Ｌｃ１を２．４４ｎＡに設定し、以降、Ｌｃ１にゲインＧを乗じた値以上の値をＬｃ２、さらにＬｃ２にゲインＧを乗じた値以上の値をＬｃ３、というように、式（２）のようにして仕様を設定する。式（２）において、「ｉ－１」を減算と混同しないよう、下付きで表記した。
Ｌｃｉ≧Ｌｃ_ｉ－１×Ｇ・・・（２）

そして、電流電圧変換抵抗２の抵抗値Ｒは、実施の形態１で説明したのと同様に、式（１）に基づいて設定している。なお、本実施の形態３においても、最も抵抗値Ｒが低い電流電圧変換抵抗２を有する演算ブロック７－ｉのみ、バイパスダイオード３を設けていないが、これに限ることはない。必要とする精度に応じて、最も抵抗値Ｒの高い電流電圧変換抵抗２を有する演算ブロック７－１に加え、演算増幅器４の入力インピーダンスＲｃに対する抵抗値Ｒの比が一定以上となる電流電圧変換抵抗２に対して設けるようにすればよい。

つぎに、動作について説明する。
入力電流Ｃｄは、電流電圧変換抵抗２－１、２－２、２－３、および２－４を経由してアースに流れる。各電流電圧変換抵抗２の電圧降下が抵抗値Ｒ×入力電流Ｃｄの電流値となり、それぞれ演算増幅器４によりフィードバック抵抗５の定数に応じて増幅される。ここで、ｉ＞４であれば、実施の形態１、２よりも高分解能で信号処理が可能となる。

この場合も、最も抵抗値が高い電流電圧変換抵抗２－１に加え、演算増幅器４の入力インピーダンスＲｃに対する抵抗値Ｒの比が一定以上（例えば、１０^－６以上）となる電流電圧変換抵抗２に対しては並列してバイパスダイオード３を設けるようにした。これにより、電圧降下の影響を抑制し、微小で広範囲なレンジの電流を正確に計測することが可能となる。一方、ｉが３以下の場合、分解能は実施の形態１、２よりも劣るが、回路数が減じられて低コスト化が図れる。

なお、本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。したがって、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、電離箱検出器から出力される電流レンジを対象とした電流域について説明したが、これに限ることはない。電流域が広範囲で、かつ精度が要求されるものであれば、上述した効果を発揮することが可能となる。

以上のように、本願の電流信号処理装置１によれば、入力電流Ｃｄの電流域を分割した複数のレンジそれぞれに対応した抵抗値Ｒを有し、入力電流Ｃｄの通電経路上に直列に接続された電流電圧変換抵抗２、電流電圧変換抵抗２それぞれに対応して設けられ、電流電圧変換抵抗２が変換した電圧を増幅する演算増幅器４、および電流電圧変換抵抗２のうち、最大の抵抗値Ｒを有する電流電圧変換抵抗２－１と、演算増幅器４の入力インピーダンスＲｃに対する抵抗値Ｒの比（Ｒ／Ｒｃ）が一定値を超える電流電圧変換抵抗２に対してそれぞれ並列接続して設けられたバイパスダイオード３、を備えるように構成したので、電流電圧変換抵抗２との抵抗値Ｒが高いために生じる演算増幅器４での電圧降下を抑制することができる。その結果、微小で広範囲なレンジの電流を正確に計測できるので、放射線計測に適した信頼性の高い電流信号処理装置１を得ることができる。

入力電流Ｃｄは、１０ｐＡ以上、５ｍＡ以下の電流域を有する電離箱検出器から出力される電流であり、電流電圧変換抵抗２は電流域を４分割以上に分割した複数のレンジそれぞれに対応して設けられているので、電離箱検出器による放射線計測の電流域に適した信頼性の高い電流信号処理装置１を得ることができる。

その際、バイパスダイオード３の設置基準となる一定値は、電離箱検出器による放射線計測で求められる計測精度に基づいて設定されるので、放射線計測で要求される精度を確実に満たすことができる。

入力電流Ｃｄの極性に応じて、バイパスダイオード３の極性を切り替える切替回路（例えば、互いに逆方向を向いた対をなすダイオード３ａ、３ｂと、そのいずれか一方を電流電圧変換抵抗２との並列接続の対象に切り替えるリレー３２）、を備えるようにすれば、いずれの極性の入力電流Ｃｄに対しても微小で広範囲なレンジの電流を正確に計測できる。

演算増幅器４それぞれに対応して設けられ、演算増幅器からの出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器６、およびＡ／Ｄ変換器６それぞれから出力されたデジタルデータのうち最適値を選択して出力する論理回路（ＦＰＧＡ８）を備えれば、容易に最適なデータを得ることができる。

１：電流信号処理装置、２：電流電圧変換抵抗、３：バイパスダイオード、３０：バイパスダイオード回路（切替回路）、３２：リレー（切替回路）、４：演算増幅器、５：フィードバック抵抗、６：Ａ／Ｄ変換器、７：演算ブロック、８：ＦＰＧＡ（論理回路）、Ｃｄ：入力電流、Ｇ：ゲイン、Ｌｃ：測定電流値、Ｒ：抵抗値、Ｒｃ：（演算増幅器の）入力インピーダンス、Ｖｔ：処理電圧。

Claims

入力電流の電流域を分割した複数のレンジそれぞれに対応した抵抗値を有し、前記入力電流の接地に向かう通電経路上に直列に接続された電流電圧変換抵抗、
前記電流電圧変換抵抗それぞれに対応して設けられ、一端が前記電流電圧変換抵抗の前記接地から遠い側の端子に接続され、他端が前記通電経路とは別の経路で接地され、前記電流電圧変換抵抗が変換した電圧を増幅する演算増幅器、および
前記電流電圧変換抵抗のうち、最大の抵抗値を有する電流電圧変換抵抗と、前記演算増幅器の入力インピーダンスに対する前記抵抗値の比が一定値を超える電流電圧変換抵抗に対してそれぞれ並列接続して設けられたバイパスダイオード、
を備えたことを特徴とする電流信号処理装置。
前記入力電流は、１０ｐＡ以上、５ｍＡ以下の電流域を有する電離箱検出器から出力される電流であり、
前記電流電圧変換抵抗は前記電流域を４分割以上に分割した複数のレンジそれぞれに対応して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電流信号処理装置。
前記一定値は、前記電離箱検出器による放射線計測で求められる計測精度に基づいて設定されることを特徴とする請求項２に記載の電流信号処理装置。
前記入力電流の極性に応じて、前記バイパスダイオードの極性を切り替える切替回路、を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電流信号処理装置。
前記演算増幅器それぞれに対応して設けられ、前記演算増幅器からの出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器、および
前記Ａ／Ｄ変換器それぞれから出力されたデジタルデータのうち最適値を選択して出力する論理回路、
を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電流信号処理装置。