JP6237545B2 - フィールド機器 - Google Patents

Description

本発明は、２線式フィールド機器に係り、特に、センサ部を有する２線式フィールド機器のノイズ耐性を向上させる技術に関する。

物理量を測定するセンサ部を有する２線式フィールド機器は、直流電源装置からループ配線を介して供給される一定電圧で動作し、センサ部の測定結果を直流の電流値に変換してループ配線に出力する。近年では、直流信号にデジタルデータを重畳して送受信することも広く行なわれている。

特許文献１には、図６に示すように、実効容量Ｃｅｆｆを有するフィールド機器において、容量に蓄積された電荷がループ配線に放電することを防ぐために、整流素子であるダイオードＤを入力側に直列接続したり（図６（ａ））、プラス側およびマイナス側に直列接続すること（図６（ｂ））が記載されている。また、ループ配線を流れる高周波ノイズを接地に逃がすために、コンデンサＣｈ、Ｃｌをプラス側マイナス側それぞれに接続することも記載されている。なお、ダイオードＤは冗長構造のため３段としているが、１段であってもよい。

国際公開第９５／３４０２７号

図７は、実効容量Ｃｅｆｆを含んだインピーダンス回路を実際のフィールド機器の回路ブロックで簡略的に表わした図である。すなわち、フィールド機器は、電流出力回路３１０、電源回路・制御回路等３２０、センサ回路３３０を備えている。なお、ループ配線に接続される直流電源系の素子は省略している。

図７（ａ）は、図６（ａ）に対応し、プラス側の端子部に整流素子であるダイオード３４０を接続した場合であり、図７（ｂ）は、図６（ｂ）に対応し、プラス側の端子部にダイオード３４０を接続し、かつマイナス側の端子部にダイオード３５０を接続した場合である。

電流出力回路３１０は、ループ配線に流す電流を制御する。電源回路・制御回路等３２０は、ループ配線を介して供給される電源を各回路に供給する電源回路と、センサ回路３３０からの信号を演算し、ループ配線に流す電流を決定する制御回路とを含んでいる。電流出力回路３１０のインピーダンスをＺａ、電源回路・制御回路等３２０のインピーダンスをＺｂとする。

センサ回路３３０は、物理量を測定し、制御回路に伝送する。センサ回路３３０は、基準点が接地されている接地型であるとする。このため、接地との間に浮遊容量などによるインピーダンスＺｓｈ（プラス側）、Ｚｓｌ（マイナス側）が存在する。

一般に、フィールド機器では、電源回路・制御回路等３２０とセンサ回路３３０との並列回路が、電流出力回路３１０と直列でループ配線に接続されており、電流出力回路３１０がプラス側に配置されている。

このようなフィールド機器のループ配線に、プラス側マイナス側同位相の接地に対するノイズであるコモンモードノイズＶｎが混入する場合を想定する。コモンモードノイズＶｎは、例えば、不要輻射等の電波障害により生じる。

コモンモードノイズＶｎは、ループ配線から電流出力回路３１０、センサ回路３３０のプラス側を通る経路Ａにより、センサ回路３３０のプラス側に影響を与え、ループ配線からセンサ回路３３０のマイナス側を通る経路Ｂにより、センサ回路３３０のマイナス側に影響を与える。

図７（ａ）の回路の経路Ａでは、ダイオード３４０とコンデンサＣｈによりコモンモードノイズＶｎが整流され、さらに、電流出力回路３１０のインピーダンスＺａとセンサ回路３３０のプラス側のインピーダンスＺｓｈとで分圧されたノイズがセンサ回路３３０のプラス側に印加される。電流出力回路３１０のインピーダンスＺａは一般に大きいため、センサ回路３３０に与える影響は比較的小さい。

一方、図７（ａ）の回路の経路Ｂでは、コモンモードノイズＶｎのコンデンサＣｌで除けない成分が直接センサ回路３３０のマイナス側に印加される。このため、センサ回路３３０のノイズ耐性が悪化してしまう。

これに対し、図７（ｂ）の回路では、経路Ａは、図７（ａ）と同様であり、経路Ｂは、ダイオード３５０とコンデンサＣｌにより整流されたノイズがセンサ回路３３０のマイナス側に印加される。このため、ノイズ成分がセンサ回路３３０に直接印加することはないので、ノイズ耐性の悪化を防ぐことができる。

センサ回路３３０に印加されるノイズの大きさに着目した場合、図７（ｂ）に示すように、プラス側の経路Ａ、マイナス側の経路Ｂの両方にダイオードを接続することが好ましい。

しかしながら、プラス側の経路Ａ、マイナス側の経路Ｂの両方にダイオードを接続すると、ダイオードの順方向降下電圧がプラス側マイナス側の両方に加わるため、フィールド機器の最低動作電圧が上がってしまう。また、プラス側、マイナス側とも整流されるため、図中のｎＡ点−ｎＢ点間に直流電圧が発生することになり、フィールド機器内の回路の耐圧を高くする必要があるといった弊害が生じる。

そこで、本発明は、プラス側、マイナス側の双方の端子部に整流素子を接続することなく、２線式フィールド機器のノイズ耐性を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のフィールド機器は、２線式ループ配線に電流出力回路とセンサ回路とが端子部を介して直列に接続されるフィールド機器であって、前記センサ回路側の端子部にのみ整流素子が接続されたことを特徴とする。
ここで、前記端子部は、前記整流素子と前記センサ回路との間に接地コンデンサが接続されているようにしてもよい。
また、前記センサ回路は基準点が接地されている接地型とすることができる。
また、前記端子部は、前記整流素子と直列にインダクタが接続されていてもよい。

本発明によれば、プラス側、マイナス側の双方の端子部に整流素子を接続することなく、２線式フィールド機器のノイズ耐性を向上させることができる。

本実施形態に係るフィールド機器の回路構成を概略的に表わしたブロック図である。 ダイオードを用いない場合のノイズを説明する図である。 ダイオードを用いた場合のノイズを説明する図である。 本実施形態に係るフィールド機器の回路構成の別例を概略的に表わしたブロック図である。 ダイオードと直列にインダクタを接続した回路を示す図である。 実効容量の放電を防ぐためにダイオードを接続した回路を示す図である。 実効容量を含んだインピーダンス回路を実際のフィールド機器の回路ブロックで簡略的に表わした図である。

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は、本実施形態に係るフィールド機器１００の回路構成を概略的に表わしたブロック図である。本図に示すようにフィールド機器１００は、２線式のループ配線に接続され、本体部として、電流出力回路１１０、電源回路・制御回路等１２０、センサ回路１３０を備え、端子部として整流素子のダイオード１４０、コンデンサＣｈ、Ｃｌを備えている。なお、本図は、ループ配線に混入するコモンモードノイズに着目しているため、ループ配線に接続される直流電源系の素子は省略している。

電流出力回路１１０は、ループ配線に流す電流を制御する。電源回路・制御回路等１２０は、ループ配線を介して供給される電源を各回路に供給する電源回路と、センサ回路１３０からの信号を演算し、ループ配線に流す電流を決定する制御回路とを含んでいる。電流出力回路１１０のインピーダンスをＺａ、電源回路・制御回路等１２０のインピーダンスをＺｂとする。

コンデンサＣｈ、Ｃｌは、ループ配線を流れる高周波ノイズを接地に逃がすためのコンデンサであり、それぞれ、プラス側マイナス側に接続されている。具体的には、端子部と本体部とのプラス側の接続点と接地との間にコンデンサＣｈが接続され、端子部と本体部とのマイナス側の接続点と接地との間にコンデンサＣｌが接続される。

センサ回路１３０は、物理量を測定し、制御回路に伝送する。センサ回路１３０は、基準点が接地されている接地型であるとする。このため、接地との間に浮遊容量などによるインピーダンスＺｓｈ（プラス側）、Ｚｓｌ（マイナス側）が存在する。

フィールド機器１００では、電源回路・制御回路等１２０とセンサ回路１３０との並列回路が、電流出力回路１１０と直列で端子部を介してループ配線に接続されており、電流出力回路１１０がプラス側に配置されている。

本実施形態では、ダイオード１４０は、センサ回路１３０が配置されているマイナス側の端子部だけに接続する。具体的には、端子部内のセンサ回路１３０と直接接続する配線経路上にダイオード１４０を配置する。このとき、ダイオード１４０は、コンデンサＣｌよりもノイズ発生側に接続する。すなわち、ダイオード１４０で整流されたノイズがコンデンサＣｌに印加されるようにする。

このようなフィールド機器１００のループ配線に、コモンモードノイズＶｎが混入すると、経路Ａについては、コンデンサＣｈで除けないノイズ成分のうち、電流出力回路１１０のインピーダンスＺａとセンサ回路１３０のプラス側のインピーダンスＺｓｈとで分圧されたノイズ成分がセンサ回路１３０のプラス側に印加される。

すなわち、センサ回路１３０のプラス側に印加されるノイズをＶｎｏｉｚｅとすると、Ｖｎｏｉｚｅ≒Ｚｓｈ／（Ｚｓｈ＋Ｚａ）・Ｖｎとなる。

通常、電流出力回路１１０は、カレントミラー回路や定電流回路で実現され、一般に、Ｚａは１００ｋΩ〜１０ｋΩ程度のインピーダンスとなる。また、センサ回路１３０のプラス側のインピーダンスＺｓｈは、１００ｋΩ程度であるため、センサ回路１３０に印加されるノイズは１／２程度になり、センサ回路１３０に与える影響は比較的小さくなる。

経路Ｂについては、ダイオード１４０とコンデンサＣｌにより整流されたノイズがセンサ回路１３０のマイナス側に印加される。すなわち、経路Ａ、経路Ｂともノイズが直接センサ回路１３０に印加されることはない。

例えば、図２（ａ）に示すように、コモンモードノイズＶｎを５Ｖｐｐ、１０ｋＨｚとし、コンデンサＣｌを１μＦの場合に、経路Ｂにダイオード１４０を接続しないときには、図２（ｂ）に示すような振幅５Ｖのノイズがセンサ回路１３０に印加されるため、大きなノイズ電流が流れる。

一方、図３（ａ）に示すように、経路Ｂにダイオード１４０を接続した場合には、センサ回路１３０に印加されるのは、図３（ｂ）に示すような振幅の小さい交流ノイズとなるため、センサ回路１３０に与える影響は小さくなる。

本図の例では、コモンモードノイズＶｎを５Ｖｐｐ、１０ｋＨｚとし、コンデンサＣｌを１μＦ、ダイオード１４０の飽和電流を１００ｎＡとしている。ダイオード１４０の順方向電流は大きいため、コンデンサＣｌの充電時間はごく短時間で、周期のほとんどは放電時間となり、このときに流れる電流は飽和電流となる。コモンモードノイズの周期は１０ｋＨｚとしたため、飽和電流が流れる時間はほぼ１００ｕｓとなる。コンデンサに一定の電流ｉがｔ時間流れるときのコンデンサの電圧変化Ｖは、Ｖ＝１／Ｃ・ｉ・ｔで得られるため、この場合、ノイズ振幅は０．１５Ｖとなる。

このように、本実施形態のフィールド機器１００では、電流出力回路１１０とセンサ回路１３０とが直列に接続されている内部回路において、センサ回路１３０側の端子部にのみ整流素子を接続している。このため、一方の経路では、センサ回路１３０と電流出力回路１１０とで分圧されたノイズがセンサ回路１３０に印加され、他方の経路では、整流素子で整流されたノイズがセンサ回路１３０に印加されることになり、最低動作電圧を高くしたり、内部回路の耐圧を高くすることなくフィールド機器１００のノイズ耐性を向上させることができる。整流素子は、ダイオードのみならず、バイポーラトランジスタやＣＭＯＳトランジスタを用いて構成してもよい。

なお、図１に示した例では、電流出力回路１１０がプラス側に配置されていたため、マイナス側の端子部にダイオード１４０を接続していたが、図４に示すように、電流出力回路１１０がマイナス側に配置されている場合には、プラス側の端子部にダイオード１４０を接続すればよい。具体的には、端子部内のセンサ回路１３０と直接接続する配線経路上にダイオード１４０を配置する。

また、図５に示すようにダイオード１４０と直列にインダクタを接続したり、フェライトビーズを接続するようにしてもよい。これにより、ノイズを低減する帯域を拡げ、ノイズ耐性を一層向上させることができる。具体的には、高い周波数帯域のノイズをインダクタで制限し、それより低い周波数帯域のノイズをダイオード１４０で制限する。また、ダイオード１４０とインダクタとを組み合わせることにより、大きなインダクタを用いることなくノイズを低減することが可能となる。

１００…フィールド機器、１１０…電流出力回路、１２０…電源回路・制御回路等、１３０…センサ回路、１４０…ダイオード

Claims (4)

1. ２線式ループ配線に、物理量を測定するセンサ回路と、前記センサ回路の測定結果に応じた電流を前記２線式ループ配線に流す電流出力回路とが端子部を介して直列に接続されるフィールド機器であって、
   前記センサ回路側の端子部にのみ整流素子が接続されたことを特徴とするフィールド機器。
2. 前記端子部は、前記整流素子と前記センサ回路との間に接地コンデンサが接続されていることを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。
3. 前記センサ回路は基準点が接地されている接地型であることを特徴とする請求項１または２に記載のフィールド機器。
4. 前記端子部は、前記整流素子と直列にインダクタが接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィールド機器。