JP2017133992A - 温度伝送器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電対を接続する温度伝送器において、基準接点温度を測定する温度センサが異常状態となっても、算出する測定温度データを利用できるようにする。【解決手段】熱電対を接続する端子台を備えた温度伝送器であって、端子台近傍に備えられた温度センサと、温度センサとは別個に設けられた補助温度センサと、温度センサのセンサ信号に基づいて温度センサの状態を判定する温度センサ状態判定部と、温度センサが異常状態でないと判定された場合に、温度センサが示す温度を基準接点温度として設定し、温度センサが異常状態であると判定された場合に、補助温度センサが示す温度に基づいて推定される端子台の温度を基準接点温度として設定する基準接点温度設定部と、設定された基準接点温度と熱電対のセンサ信号とに基づいて、接点温度補償により温度を演算する温度演算部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、温度伝送器に係り、特に、温度伝送器の信頼性を高める技術に関する。

温度伝送器は、接続した熱電対、測温抵抗体等からセンサ信号を入力し、４〜２０ｍＡ直流電流等の所定形式の信号に変換して出力するフィールド機器である。ここでは、熱電対を接続した場合を対象にする。

図５（ａ）は、温度伝送器４００の端子台の一例を示す図である。本図に示す例では、端子台には１〜５の番号が付された入力信号用端子が備えられており、熱電対は、２番端子と３番端子に接続するようになっている。

図５（ｂ）は、３番端子付近のＡ−Ａ断面図である。本図に示すように、３番端子付近には、基準接点温度を測定する温度センサ４１０が配置されている。温度センサ４１０は、例えば、測温抵抗体で構成される。

図６は、温度伝送器４００の測定手順を説明する図である。熱電対に接続した入力信用端子を用いて熱起電力Ｅ２３を測定するとともに、温度センサ４１０で基準接点温度ｔ２を測定する。そして、起電力表を参照して、基準接点温度ｔ２に対応する熱起電力Ｅ１２を算出する。

中間温度の法則により、熱起電力Ｅ１２と熱起電力Ｅ２３とから熱起電力Ｅ１３が求まるため、熱起電力Ｅ１３と基準温度ｔ１（０℃）とから測定温度ｔ３を算出することができる。このように基準接点温度ｔ２を利用する測定手法は、基準接点補償（ゼロ接点補償）と呼ばれる。

特開２０１３−１６０５０５号公報

温度伝送器４００は、温度センサ４１０が測定する基準接点温度ｔ２を利用する基準接点補償により、高い精度で測定温度ｔ３を算出することができるが、これは温度センサ４１０の動作が正常であることを前提としたものである。

このため、万が一、温度センサ４１０の故障等により、取得する基準接点温度ｔ２が異常値を示すと、温度伝送器４００は、正しい測定温度データを出力することができなくなり、温度伝送器４００の出力データを利用した温度制御システムの稼働が不能となる。温度制御システムの中断は生産計画等に悪影響を与えるため、温度センサ４１０が異常状態となっても、温度制御システムの稼働を継続できるようにすることが望ましい。

そこで、本発明は、熱電対を接続する温度伝送器において、基準接点温度を測定する温度センサが異常状態となっても、算出する測定温度データを利用できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の温度伝送器は、熱電対を接続する端子台を備えた温度伝送器であって、前記端子台近傍に備えられた温度センサと、前記温度センサとは別個に設けられた補助温度センサと、前記温度センサのセンサ信号に基づいて前記温度センサの状態を判定する温度センサ状態判定部と、前記温度センサが異常状態でないと判定された場合に、前記温度センサが示す温度を基準接点温度として設定し、前記温度センサが異常状態であると判定された場合に、前記補助温度センサが示す温度に基づいて推定される前記端子台の温度を基準接点温度として設定する基準接点温度設定部と、設定された基準接点温度と前記熱電対のセンサ信号とに基づいて、接点温度補償により温度を演算する温度演算部と、を備えたことを特徴とする。
前記基準接点温度設定部が、前記補助温度センサが示す温度を前記端子台の温度と推定するようにしてもよい。
あるいは、前記基準接点温度設定部が、前記補助温度センサが示す温度の変化量と、あらかじめ得られた周囲温度の変化に対する前記補助温度センサの温度変化と前記温度センサの温度変化との関係とに基づいて、前記端子台の温度を推定するようにしてもよい。
この場合、前記基準接点温度設定部が、前記補助温度センサが示す温度の所定期間の変化量が基準値以下の場合は、前記補助温度センサが示す温度を前記端子台の温度と推定することができる。
また、前記温度センサ状態判定部が、前記温度センサが異常状態であると判定した場合に、警告を出力する警告出力部をさらに備えてもよい。

本発明によれば、熱電対を接続する温度伝送器において、基準接点温度を測定する温度センサが異常状態となっても、算出する測定温度データを利用できるようになる。

本実施形態の温度伝送器の構成を示す図である。 温度伝送器の機能構成を説明するブロック図である。 本実施形態の温度伝送器の温度測定動作について説明するフローチャートである。 端子台温度の推定方法を説明する図である。 温度伝送器の端子台の一例を示す図である。 温度伝送器の測定手順を説明する図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）は、本実施形態の温度伝送器１００の構成を示す分解斜視図である。本図に示すように、温度伝送器１００は、本体１１０、基板１２０、表示装置１３０、基板部カバー１４０、端子部カバー１５０を備えている。

本体１１０の裏側には図１（ｂ）に示すように、入力信号用端子１１２と出力信号用端子１１３とを備えた端子台が配置されている。また、本体には、配線接続口（入力信号側）１１１ａ、配線接続口（出力信号側）１１１ｂが形成されている。従来と同様に、端子台の３番端子付近には、基準接点温度を測定するための温度センサ１１４が配置されている。

また、温度伝送器１００は、基板１２０に補助温度センサ１２１を備えている。補助温度センサ１２１は、測温抵抗体、サーマル・ダイオード等を用いることができ、基板１２０周辺の温度を測定する。ただし、補助温度センサ１２１は、基板１２０以外の箇所に配置してもよい。

図２は、温度伝送器１００の機能構成を説明するブロック図である。本図示すように、温度伝送器１００の基板１２０には、補助温度センサ１２１に加え、信号入力部１２２、メモリ１２３、温度センサ状態判定部１２４、基準接点温度設定部１２５、温度演算部１２６、信号出力部１２７、警告出力部１２８を備えている。

信号入力部１２２は、熱電対からのセンサ信号、端子台に配置された温度センサ１１４からのセンサ信号、基板１２０に配置された補助温度センサ１２１からのセンサ信号を入力し、所定の間隔でデジタル変換してメモリ１２３に格納する。センサ信号はリングバッファ等を用いて、ある程度の期間分の履歴情報を保持するようにする。

温度センサ状態判定部１２４は、メモリ１２３に格納された温度センサ１１４からのセンサ信号に基づいて温度センサ１１４が異常状態であるかどうかを判定する。例えば、温度センサ１１４からセンサ信号を取得できない場合、温度センサ１１４からのセンサ信号が所定の温度範囲外を示している場合、温度センサ１１４からセンサ信号が不安定の場合等に温度センサ１１４が異常状態であると判定することができる。

基準接点温度設定部１２５は、基準接点補償手法における基準接点温度を設定する。具体的には、温度センサ状態判定部１２４により、温度センサ１１４が異常状態でないと判定された場合には、従来通り、端子台付近に配置された温度センサ１１４が示す温度を基準接点温度として設定する。

一方、温度センサ１１４が異常状態であると判定された場合には、温度センサ１１４のセンサ信号は利用せずに、基板１２０に配置された補助温度センサ１２１が示す温度に基づいて端子台の温度を推定し、推定された温度を基準接点温度として設定する。端子台温度の推定方法の例について後述する。

温度演算部１２６は、熱電対からのセンサ信号が示す温度と設定された基準接点温度とに基づいて、基準接点補償手法により測定温度を算出する。算出された測定温度は、信号出力部１２７により４−２０ｍＡ等の所定フォーマットのアナログ物理量に変換されて外部に出力される。

警告出力部１２８は、温度センサ状態判定部１２４により、温度センサ１１４が異常状態であると判定された場合に、温度センサの故障通知を上位装置等の外部に出力する。

次に、本実施形態の温度伝送器１００の温度測定動作について図３のフローチャートを参照して説明する。まず、温度センサ状態判定部１２４がメモリ１２３に格納されている温度センサ１１４からのセンサ信号を参照し（Ｓ１０１）、温度センサ１１４が異常状態であるかどうかを判定する（Ｓ１０２）。

上述のように、温度センサ１１４からセンサ信号を取得できない場合、温度センサ１１４からのセンサ信号が所定の温度範囲外を示している場合、温度センサ１１４からセンサ信号が不安定の場合等に温度センサ１１４が異常状態であると判定することができる。

その結果、「温度センサ１１４が異常状態ではない」と判定した場合（Ｓ１０２：Ｎｏ）は、基準接点温度設定部１２５が、温度センサ１１４のセンサ信号に基づく温度を基準接点温度に設定し（Ｓ１０３）、温度演算部１２６が熱電対からのセンサ信号と設定された基準接点温度とに基づいて基準接点補償による温度演算を行なう（Ｓ１０４）。算出結果は、信号出力部１２７が、４−２０ｍＡ等の所定フォーマットのアナログ物理量に変換して上位装置等の外部に出力する（Ｓ１０５）。

一方、温度センサ状態判定部１２４が「温度センサ１１４が異常状態である」と判定した場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）は、警告出力部１２８が警告を上位装置等に出力し、温度センサ１１４が故障したことを通知する（Ｓ１０６）。

温度伝送器１００は、温度センサ１１４が異常状態の場合であっても、測定温度の出力を中断しないように、以下の処理を行なう。すなわち、基準接点温度設定部１２５が、補助温度センサ１２１のセンサ信号に基づいて端子台の温度を推定し（Ｓ１０７）、推定した温度を基準接点温度に設定する（Ｓ１０８）。

そして、温度演算部１２６が熱電対からのセンサ信号と設定された基準接点温度とに基づいて基準接点補償による温度演算を行なう（Ｓ１０４）。算出結果は、信号出力部１２７が、４−２０ｍＡ等の所定フォーマットのアナログ物理量に変換して上位装置等の外部に出力する（Ｓ１０５）。

次に、基準接点温度設定部１２５が行なう端子台温度の推定処理（Ｓ１０７）について説明する。

温度伝送器１００の周囲温度が安定しておれば、正常な温度センサ１１４と正常な補助温度センサ１２１とが示す温度は等しいものと想定される。このため、簡易的には、温度センサ１１４が異常状態であれば、補助温度センサ１２１が示す温度を端子台温度と推定することができる。

ただし、本実施例では、温度センサ１１４は端子台の内部に配置され、補助温度センサ１２１は基板１２０上に配置されており、周囲温度の伝わり方は同一ではない。このため、周囲温度が変化した場合には、安定状態になるまでは、両者が示す温度が相違することが想定される。

例えば、図４に示すように、周辺温度がＴｃ１からＴｃ２に変化したときに、温度センサ１１４の温度変化の態様と補助温度センサの温度変化の態様とが異なる場合等である。

そこで、温度センサ１１４が異常状態のときに、周囲温度が変化している場合であっても端子台温度の推定精度を高めるために、あらかじめ実験的に周囲温度変化に対する温度センサ１１４の温度と補助温度センサ１２１の温度との関係を求めておいて、補助温度センサ１２１の温度変化に基づいて、端子台の温度を推定するようにしてもよい。

具体的には、補助温度センサ１２１の温度が所定期間変化しない場合には、補助温度センサ１２１の温度を端子台の温度と推定する。一方、補助温度センサ１２１の温度が所定期間でΔＴｓ変化した場合には、
端子台推定温度＝補助温度センサ１２１の温度−ｋｔ×ΔＴｓ
とすることができる。ここで、ｋｔは、実験的に得られた温度変化係数である。補助温度センサ１２１の温度上昇時と温度下降時とで温度係数を変化させてもよい。

さらには、温度センサ１１４の温度変化および補助温度センサ１２１の温度変化は、周囲温度の変化に対して１次遅れの関係にあると想定される。このため、あらかじめ実験により、周囲温度変化に対する温度センサ１１４の温度変化の時定数、補助温度センサ１２１の温度変化の時定数、補助温度センサ１２１の温度変化に対する温度センサ１１４の温度変化の無駄時間τ等をパラメータとして求めておいて、温度推定の精度をより高めるようにしてもよい。パラメータは、補助温度センサ１２１の所定時間における変化量ΔＴｓ毎に作成してもよい。

この場合、補助温度センサ１２１の示す温度と温度変化量ΔＴｓと時定数とから周囲温度の変化を逆算し、得られた周囲温度の変化と温度センサ１１４の時定数と無駄時間とから温度センサ１１４の温度変化を算出して、端子台の温度を推定することができる。ただし、端子台温度の推定方法は、上述の例に限られず、種々の手法を用いることができる。

以上説明したように、本実施形態の温度伝送器１００によれば、端子台に配置された温度センサ１１４が異常状態であっても、補助温度センサ１２１のセンサ信号を利用して端子台温度を推定することで、利用可能な測定温度を出力することができる。このため、温度伝送器１００の出力を利用したシステム制御の中断を防ぐことができ、温度伝送器１００の信頼性を高めることができる。また、温度センサ１１４が異常状態であることが上位装置等の外部に通知されるため、修理、交換等の対応を迅速に行なうことができる。

１００…温度伝送器、１１０…本体、１１１…配線接続口、１１２…入力信号用端子、１１３…出力信号用端子、１１４…温度センサ、１２０…基板、１２１…補助温度センサ、１２２…信号入力部、１２３…メモリ、１２４…温度センサ状態判定部、１２５…基準接点温度設定部、１２６…温度演算部、１２７…信号出力部、１２８…警告出力部、１３０…表示装置、１４０…基板部カバー、１５０…端子部カバー

Claims (5)

1. 熱電対を接続する端子台を備えた温度伝送器であって、
   前記端子台近傍に備えられた温度センサと、
   前記温度センサとは別個に設けられた補助温度センサと、
   前記温度センサのセンサ信号に基づいて前記温度センサの状態を判定する温度センサ状態判定部と、
   前記温度センサが異常状態でないと判定された場合に、前記温度センサが示す温度を基準接点温度として設定し、前記温度センサが異常状態であると判定された場合に、前記補助温度センサが示す温度に基づいて推定される前記端子台の温度を基準接点温度として設定する基準接点温度設定部と、
   設定された基準接点温度と前記熱電対のセンサ信号とに基づいて、接点温度補償により温度を演算する温度演算部と、
   を備えたことを特徴とする温度伝送器。
2. 前記基準接点温度設定部が、前記補助温度センサが示す温度を前記端子台の温度と推定することを特徴とする請求項１に記載の温度伝送器。
3. 前記基準接点温度設定部が、前記補助温度センサが示す温度の変化量と、あらかじめ得られた周囲温度の変化に対する前記補助温度センサの温度変化と前記温度センサの温度変化との関係とに基づいて、前記端子台の温度を推定することを特徴とする請求項１に記載の温度伝送器。
4. 前記基準接点温度設定部が、前記補助温度センサが示す温度の所定期間の変化量が基準値以下の場合は、前記補助温度センサが示す温度を前記端子台の温度と推定することを特徴とする請求項３に記載の温度伝送器。
5. 前記温度センサ状態判定部が、前記温度センサが異常状態であると判定した場合に、警告を出力する警告出力部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の温度伝送器。