JPH039229A - 熱電対のバーンアウト回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱電対のバーンアウト回路に係り、特に熱電
対が断線したとき、熱電対を使用した温度・電気信号変
換器の出力をバーンアウト・アンプスケールになるよう
にするのに好適なバーンアウト回路に関するものである
。

〔従来の技術〕

一般のプロセス自動制御系においては、熱電対が疲労ま
たは損傷などにより断線した場合、それを検出して何等
かの処理をこうじて制御系が安全側に動作するようにし
なければならない、このため、温度・電気信号変換器に
は、熱電対の断線を検出するために出力信号を上限また
は下限のいずれかの標準信号範囲外に振り切らせる動作
をする回路を備えることが望ましい。これを一般にバー
ンアウト回路と称している。

一方、バーンアウト回路の構成として熱電対に通常動作
において入力スパン電圧に対して誤差範囲以内となるよ
う高抵抗を介して電圧を印加させ、熱電対が断線した場
合には、増幅器の入力部に設けたフィルタ回路のコンデ
ンサに上記印加電圧が高抵抗を介して印加され、コンデ
ンサの電位が上昇することにより通常動作の入力範囲外
に動作させる方法が一般的に取られており、印加電圧を
Ｅ。

高抵抗をＲ、フィルタ回路のコンデンサをＣ１入カスパ
ン電圧をＶとしたとき、断線してから通常動作の入力範
囲外となるのは、入力スパン電圧Ｖ以上変化したときで
あり、高抵抗Ｒを介してコンデンサＣに流れる電流をｉ
とすると、 となり、（１）　、　（２）式より、 が得られ、（３）式より、 ■ １−ｅＲＣ！ が得られ、を時間後に入力スパン電圧Ｖに達する印加電
圧Ｅが求められる。

次に、通常動作時、高抵抗Ｒを介して電圧を印加するこ
とによる誤差は、熱電対を電圧信号変換器に接続する補
償導線の線路抵抗をＲしとすると、高抵抗Ｒ１印加電圧
Ｅ、入力スパン電圧Ｖより、■ が誤差となり、−殻内に線路抵抗Ｒしは数百Ω以下であ
り、高抵抗Ｒを数十ＭΩとすれば、■が数ｍＶのとき、
Ｅを数百ｍＶに設定すれば、誤差は無視できる値となる
。従って、バーンアウト回路の各定数と印加電圧は、入
力スパン電圧によって決められる。

近年、マイクロコンピュータの発展がめざましい中で変
換器の分野においてもマイクロプロセッサを利用し、入
力スパン電圧を自由に選択できるものが要求されるよう
になり、バーンアウト回路は、固定電圧で熱電対に印加
した場合、入力スパン電圧が小さくなるほど通常時の熱
電対の起電力に対する誤差が（６）式により大きくなり
、無視できなくなる。また、入力スパン電圧が大きくな
るほど熱電対が断線した場合（３）式により正常動作範
囲外に振り切らせるのに時間がかかることになり、何等
かの対応が必要とされている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、入力スパン電圧によりバーンアウト回
路の定数と印加電圧が決定されることから、入力スパン
電圧が変わる毎に定数、印加電圧を変更する必要があり
、入力スパン電圧に対応させて自動的に変更することに
ついては配慮されていなかった。

本発明の目的は、増幅率の切換え状態に対応した印加電
圧によりどの入力スパン電圧に対しても通常時の印加電
圧にする誤差が一定許容値以内で、しかも、熱電対が断
線時、一定時間以内に通常動作の入力範囲外に動作させ
るようになる熱電対入力の温度・電気信号変換器のバー
ンアウト回路を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、入力スパン電圧に対応して選択される増幅
器の増幅率の切換え状態をマイクロプロセッシングユニ
ット（以下ＭＰＵと称する）に取込む入力手段と、増幅
率の切換え状態に基づいて上記ＭＰＵから上記増幅率に
対応して変化するディジタル出力信号をアナログ信号に
変換するディジタル／アナログ変換器を設け、このディ
ジタル／アナログ変換器からの上記増幅器の増幅率に対
応して変化する出力を高抵抗を介して熱電対の一端に印
加し、上記熱電対の断線時、上記増幅器の出力を一定時
間内に確実に上限に振り切らせるように動作させ、しか
も、上記熱電対が正常に接続された状態においても、上
記高抵抗からの印加電圧による上記増幅器からのアナロ
グ出力誤差がどの増幅率の設定状態においても、一定許
容値以内で動作させるようにして達成される。

〔作用〕

熱電対の断線による異常状態が発生したとき、高抵抗を
介して印加している印加電圧により増幅器の前段に設け
られたフィルタ回路のコンデンサに電流を流し、しかも
、入力スパン電圧〈印加電圧とすることにより、コンデ
ンサの両端の電位、すなわち、増幅器の入力電圧が上昇
し、さらには入力スパン電圧以上となり、最終的には増
幅器の入力電圧が印加電圧に達することから、通常の動
作時の入力範囲外に入力を変化させることができる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を第１図〜第４図を用いて詳細に説
明する。

第１図は本発明の熱電対のバーンアウト回路を備えた温
度・電気信号変換器の一実施例を示すブロック図、第２
図は第１図の正常時における等価回路図、第３図は第１
図の異常時における等価回路図で、第１図において、熱
電対１の起電力による電圧信号は、抵抗ＲＬ＋コンデン
サＣｓ　より構成したフィルタ回路８により平滑され、
フィルタ回路８からの出力信号は、あらかじめ入力スパ
ン電圧により最適条件でアナログ／ディジタル変換でき
るように増幅率切換え回路４により増幅率を選択切換え
られた高入力インピーダンスの増幅器２に入力される。

増幅器２の出力は、アナログ信号をディジタル信号に変
換するアナログ／ディジタル変換器３に入力し、ディジ
タル値に変換する。

ディジタル値に変換された信号は、ＭＰＵ５により取込
まれ、所定の演算、処理、記憶等を行い、熱電対１から
の信号に対応した出力信号を出力回路７より出力する。

この動作を周期的に繰り返すことにより温度・電気信号
変換動作を行う。この動作の中で、増幅率切換え回路４
より増幅器２の増幅率の選択状態をＭＰＵ５内に取込み
、増幅率を算出し、高抵抗Ｒ２を介して印加すべき電圧
となるように一点のディジタル出力のオン時間とオフ時
間を算出し、ＭＰＵ５よりパルス幅出力を行う、パルス
＠電圧出力は、抵抗Ｒ３，コンデンサＣ２よりなるフィ
ルタ回路９により平滑を行い、増幅器６により電圧増幅
され、高抵抗Ｒ２を介して熱電対１の一端に印加される
。

次に、増幅率に対応したバーンアウト動作用印加電圧の
出力動作について第１図、第４図を用いて動作説明する
。第４図は第１図の増幅器の増幅率に対応してバーンア
ウト動作用に印加する印加電圧を可変出力するＭＰＵの
処理動作フロー図である。第４図において、ステップ１
ｏで増幅率切換え回路４の増幅率の選択状態を読み込む
。次に、ステップ１１で選択状態から増幅率Ｇを算出す
る。

次に、ステップ１２によりパルス出力オン時間ｎ／Ｇ＝
Ｘを算出する。ここで、ｎはパルス幅電圧出力周期時間
を最小パルス幅時間で割った値、つまりパルス幅の分割
数である。増幅率Ｇの最小値を１とした場合、 ｎ　　　　ｎ −＝−＝ｎ １ ・・・（７） となり、常にパルス出力はオンとなり、印加電圧が最大
となり、増幅率Ｇの最大値をｎとした場合、　　　　ｎ −＝−＝　１ ｎ ・・（８） となり、１　／　ｎの間パルス出力はオンとなり、（ｎ
−１）／ｎの間パルス出力はオフとなり、印加電圧が最
小となる。つまり、増幅率Ｇに反比例して印加電圧を可
変出力することになる。次に、ステップ１３によりパル
ス出力周期ｎとパルス出力オン＠Ｘをセットし、パルス
出力動作に入る。

まず、ステップ１４によりパルス出力であるＤ／Ａ出力
をオンとし、ステップ１５で一定時間以内ち、次に、ス
テップ１６によりカウンタ値を（Ｘ−１）→Ｘ、（ｎ−
１）→ｎに演算によりそれぞれディクリメントする０次
に、ステップ１７でＸ＝Ｏの判定を行い、Ｘ≠０の場合
、再びステップ１５に戻り、ｘ＝０になるまで繰り返し
、Ｘ＝０のとき、ステップ１８でＤ／Ａ出力をオフする
。

次に、ステップ１９でｎ＝ｏの判定を行い、ｎ≠Ｏの場
合、ステップ１５に戻り、ｎ＝０になるまで繰り返し、
ｎ＝ｏになったときステップ１３に戻り、一連の動作を
繰り返し行い、増幅率Ｇに対応したパルス幅電圧出力を
行う。このときのパルスオン時の電圧をＶ、パルスオフ
時の電圧を０としたときのフィルタ回路９の出力電圧ｅ
ｏは、となり、このときフィルタ回路９の抵抗Ｒ３，コ
ンデンサＣ２の回路時定数はｎとＴの積に比へて十分大
きくしである。

次に、増幅器６の増幅率をＡとすると、印加電圧Ｅは、 となり、ここで。

Ｘ＝− ・・・（１１） であるから、　（１１）式を（１０）式に代入すると、
となり、増幅率Ｇが小さいはどＥは大きくなる。

このことは、増幅器２の増幅率が小さいことであり、入
力スパン電圧が大きいこととなり、入カスパ：ノ電圧に
対応したバーンアウト動作印加電圧が自動的に可変動作
することができる。つまり入力スパン電圧に対して一定
比率で印加電圧が決定されて印加されることにより、熱
電対１が正常動作時にはどの入力スパン電圧に対しても
一定誤差範囲以内であり、熱電対１断線時にも一定時間
以内に入力スパン電圧以上に入力を変化させ、正常動作
入力範囲外に動作させることができる。

次に、第１図の実施例において、熱電対１が正常に接続
された状態における動作を第２図を用いて説明するにこ
で、第１図に示した熱電対は。

起電力をＶ′とし、補償導線の線路抵抗をｒとしたもの
が示してあり、その他の記号は第１図と同一である。増
幅器６のアナログ電圧出力により高抵抗Ｒ２を介して熱
電対の一端に印加する印加電圧Ｅにより電流ｊ１が高抵
抗Ｒｚ、線路抵抗ｒ、熱電対、＃！路抵抗ｒを通して流
れる。このときの電流１１が流れる条件は、 Ｅ　＞　ｖ　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（
１３）であり、電流１１は、 となる。さらに印加電圧Ｅによる増幅器２に入力される
電圧誤差ｅ′は、 となり、上記のように補償導線の線路抵抗２ｒは数百Ω
以下であり、Ｒ２を数十ＭΩに設定すれば、ｖ’３＞ｅ
’　となり、十分無視することができる。

次に、第１図の実施例において、熱電対１が断線した場
合の動作について第３図を用いて説明する。補償導線を
含む熱電対のどこか一点以上に断線が生じた場合、（１
４）式の１ｓ＝ｏ　　となり、高抵抗ＲＺ、フィルタ回
路８の抵抗Ｒ１＋コンデンサＣ１に電流ｉｚが流れる。

電流ｉｚは（４）式に同じであり、ｉ−＋ｉｚ、Ｒ→Ｒ
２＋Ｒ１が異なるのみである。従って、 Ｅ（１−８−扉缶τ・）＞ｖ　’　−ａｘ　　−（１６
）となったとき、つまりｔ時間後に入力スパン電圧以上
となり、確実に通常の入力範囲外に入力を動作させるこ
とができ、その結果、温度・電気信号変換動作において
熱電対が断線した場合、出力を正常動作範囲外に振り切
らせることができる。

また、本実施例では、増幅器２の増幅率の切換え状態を
ＭＰＵ５が取込むことにより増幅率を知り、対応した熱
電対１に印加する印加電圧を可変する方法としたが、こ
れに限定されるものでなく、ＭＰＵ５からの出力で増幅
器６の増幅率を切換えできる回路構成とし、ＭＰＵ５に
指定された入力零及びスパン電圧によりアナログ／ディ
ジタル変換が最適条件にて行えるように増幅率を算出し
、制御出力するような所定の処理をＭＰＵ５にて行うこ
とにより、得られた増幅率をもとにバーンアウト動作用
に印加する電圧を決定する方法としてもよい。

また、本実施例では、バーンアウト動作用に印加する印
加電圧をＭＰＵ５により可変出力する手段として安価に
実現できるパルス幅制御出力を行い、その出力をフィル
タ回路９にて平滑して増幅器６にて増幅する方法とした
が、これに限定されるものではなく、基準電圧を発生し
、その出力を抵抗ラダーにて分割し、スイッチにより切
換えて抵抗ラダーの分割した電圧を取り出す方法とし、
スイッチの切換え動作をＭＰＵ５より行うことにより印
加電圧を可変する方法としてもよい。

また、本実施例では、熱電対１が断線したとき、増幅器
２の入力電圧を正常動作時の入力スパン電圧より上昇さ
せる、いわゆる、バーンアウト・アップスケールとした
が、これに限定されるものではなく、バーンアウト動作
用に印加する電圧が負電圧となるような、例えば、第１
図において、増幅器６を反転形増幅器の構成とすれば、
高抵抗Ｒｚを介して通常動作時は熱電対１からの起電力
に対して負方向の誤差となり、熱電対１が断線した場合
は、入力零電圧〉印加電圧とすれば、入力零電圧以下と
なるように動作するので、入力電圧を正常動作範囲以下
に下降させることができる。

さらには、バーンアウト動作用印加電圧を正電圧。

負電圧両方出力し、それぞれの出力のいずれか一方の出
力を高抵抗Ｒ２を介して熱電対１の一端に印加できるよ
うにして、その切換えをＭＰＵ５からの出力制御信号で
正電圧、負電圧に切換えて印加する回路構成として、Ｍ
ＰＵ５にバーンアウトの動作方向を指定することにより
、自動的に印加電圧の極性を切換える方法としてもよい
。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によれば、熱電対からの起電力信号
を増幅する増幅器の増幅率に対応してバーンアウト動作
用に高抵抗を介して印加する印加電圧をＭＰＵにより自
動的に演算し、可変出力することができるので、どの入
力スパン電圧においても熱電対が断線した場合、一定時
間以内に正常動作の入力電圧範囲外の上限に振り切らせ
ることができ、しかも、熱電対が正常に接続されて動作
しているときも、どの入力スパン電圧においても高抵抗
を介して印加する印加電圧による誤差が一定許容値以下
にすることができ、また、ＭＰＵによって印加電圧を可
変する方法も、ＭＰＵからのただ一点のオン／オフ出力
によるパルス幅可変電圧出力を抵抗、コンデンサ各１個
のフィルタ回路で平滑し、増幅器で増幅し、その出力電
圧を高抵抗を介して熱電対の一端に印加する簡単な回路
構成で実現でき、工業計測上有益であるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の熱電対のバーンアウト回路を備えた温
度・電気信号変換器の一実施例を示すブロック図、第２
図は第１図の正常時における等価回路図、第３図は第１
図の異常時における等価回路図、第４図は第１図の増幅
器の増幅率に対応してバーンアウト動作用に印加する印
加電圧を可変出力するＭＰＵの処理動作フロー図である
。 １・・・熱電対、２．６・・・増幅器、３・・アナログ
／ディジタル変換器、４・・・増幅率切換え回路、５・
・・８ｑ フイ１しヌ日τを

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、温度に対応した起電力を発生する熱電対と、該熱電
   対の起電力を増幅する高入力インピーダンス増幅器と、
   該増幅器の出力信号をアナログ／ディジタル変換するア
   ナログ／ディジタル変換器と、該アナログ／ディジタル
   変換器の出力データにもとづき演算、記憶、出力等の所
   定の処理を行うマイクロプロセッシングユニットとから
   なり、前記熱電対の起電力の信号レベルに応じて前記増
   幅器の増幅率を自動的に切換え可能とした温度、電気信
   号変換器において、前記増幅器の増幅率の切換え状態を
   前記マイクロプロセシングユニットに切込む入力手段と
   、前記切換え状態に基づいて前記マイクロプロセシング
   ユニットから前記増幅器の増幅率に対応して変化する前
   記アナログ／ディジタル変換器からのディジタル信号を
   アナログ信号に変換するディジタル／アナログ変換器を
   設け、該ディジタル／アナログ変換器からの前記増幅器
   の増幅率に対応して出力を高抵抗を介して前記熱電対の
   一端に印加し、前記熱電対の断線時前記増幅器の出力を
   所定時間内確実に上限に振り切らせるように動作させ、
   しかも、前記熱電対が正常に接続された状態においても
   前記高抵抗からの印加電圧による前記増幅器からのアナ
   ログ出力誤差がどの増幅率の設定状態においても一定許
   容値以内で動作させる構成にしたことを特徴とする熱電
   対のバーンアウト回路。 ２、前記ディジタル信号に対応したアナログ信号に変換
   する変換手段として、前記マイクロプロセシングユニッ
   トより１点のオン／オフ出力により出力オン時の電圧と
   出力オフ時の電圧の電圧差と、所定周期毎に出力オン時
   間と出力オフ時間を可変されるいわゆるパルス幅制御に
   よるディジタル可変出力と、該ディジタル可変出力を平
   滑するフィルタ回路と、該フィルタ回路の出力信号を増
   幅する増幅器によりディジタル／アナログ変換器を構成
   し、該ディジタル／アナログ変換器の出力を前記高抵抗
   を介して前記熱電対の一端に印加することにより前記熱
   電対の起電力を増幅する前記増幅器の増幅率に対応した
   電圧を印加する特許請求の範囲第１項記載の熱電対のバ
   ーンアウト回路。