JP7116831B1

JP7116831B1 - 信号処理装置

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Publication number: JP7116831B1
Application number: JP2021127259A
Authority: JP
Inventors: 健二鷲尾
Original assignee: Oval Corp
Current assignee: Oval Corp
Priority date: 2021-08-03
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2022-08-10
Anticipated expiration: 2041-08-03
Also published as: WO2023013157A1; CN117716211A; EP4383224A4; KR20240022581A; JP2023022400A; TWI817415B; TW202307406A; EP4383224A1; US20250102341A1

Abstract

【課題】２線式の価値である２線ケーブルが使用できることおよび、４～２０ｍＡ出力が得られることは確保しつつ、性能を犠牲にせず高いパフォーマンスを出せる２線式センサ用の信号処理装置を提供する。【解決手段】センサ１０とセンサが検出した信号を変換する信号変換器１００を有する信号処理装置３００であって、センサの外部ケーブル接続部２０には、一対の半導体式パルス用の出力信号端子１２０，１３０および一対の電源端子１４０，１５０が備えられ、一対の出力信号端子の一方が所定の抵抗１６０を介して電源端子の＋側に結線されるとともに信号端子の他方と前記電源端子の－側が短絡されてセンサの電源端子より消費される電流にパルス出力回路が消費する電流が重畳された重畳電源線２１０，２２０を形成し、センサと信号変換器とは、重畳電源線によって結ばれ、信号変換器が、重畳電源線を流れる重畳電流波形からパルス出力に相当する信号３０４のみを抽出する。【選択図】図１

Description

信号処理装置に関し、詳しくは２線式センサ用の信号処理装置に関する。

センサはその用途に応じて様々な出力を備えている。例えば、コリオリ流量計は、チューブの捩れを検出するアナログ信号を検出して、その信号を電流として送出する（特許文献１参照）。

センサからの信号を送出する方式には、一般的に２本の電線のみでセンサへの電源供給とセンサからの信号出力を兼用する「２線式センサ」と電源系統と信号系統が分離された「３線以上の電線で構成されるセンサ」がある。「２線式センサ」は、工業用途において既に一般化した汎用技術であり、流量計以外にも圧力伝送器や温度伝送器などで製品化されている。「２線式」は、機器への直流電源供給を行う電源線を流れる電流、すなわち機器の消費電流を、機器の計測値に応じて計装用アナログ出力に相当する４～２０ｍＡの信号に制御するものである（特許文献２参照）。

また、センサの電子回路への電源供給と信号線を分離する「３線以上の電線で構成されるセンサ」は、受け側の回路はシンプルとすることができるが、「２線式センサ」と比較して、配線工数（配線コスト）が多くなるという課題がある。

特許第４９５２８２０号特許第３１３９５０２号

機器自体が素で消費する電流は、アナログ出力電流よりも低く、基本的には４ｍＡ以下でなければならない。したがって、特許文献１で開示された技術は、この設計的制約のため、２線式を実現できる機器は、基本的に４ｍＡの消費電流で動作できる低消費の計測器に限定される。

さらに、２線式を実現できる場合においても、特許文献１にて開示されたコリオリ流量計のような比較的大きな電流を消費する流量計においては、消費電流を抑制して２線式を実現することとなり、２線式ではないコリオリ流量計に比べ性能が犠牲になる傾向となる。

また、特許文献２にて開示された一般的な２線式の場合、得られる信号は４～２０ｍＡ信号＝瞬時値であるため、流量計においてはリアルタイムでの積算流量情報が得られないという課題もあった。しかしながら、前記したように、２線式センサは３線式やさらに線を多くしたセンサと比べて配線工数が大幅に削減されることで、装置全体のトータルコスト低減や装置の早期立ち上げを実現できる。

流量計の場合は、長い歴史を持つ外部電源不要な機械式（ギア式やタービン式）でかつ接点パルス出力を有し、積算流量に相当するパルス信号だけを２線ケーブルで伝送することができるものがある。この２線式（機械式）流量計では、リアルタイムの積算情報を得ることができる反面、外部電源が不要な機械式に限定されるため、多機能で使い勝手がよく基本的にメンテナンスフリーな最新の電子式流量計に置き換えることができないという課題もあった。

そこで、本発明はこれらの実情に鑑みてなされたものであり、２線式の価値である２線ケーブルが使用できること（電源供給と信号伝送を兼用。コスト抑制）および、４～２０ｍＡ出力が得られること（汎用的な計装用信号が得られる）」は確保しつつ、性能を犠牲にせず高いパフォーマンスを出せる２線式センサ用の信号処理装置を提供することをその目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の技術手段は、センサと該センサが検出した信号を変換する信号変換器を有する信号処理装置であって、前記センサの外部ケーブル接続部には、一対の半導体式パルス用の出力信号端子および一対の電源端子が備えられ、前記一対の出力信号端子の一方が所定の抵抗を介して前記電源端子の＋側に結線されるとともに前記信号端子の他方と前記電源端子の－側(0V)が短絡されてセンサの電源端子より消費される電流にパルス出力回路が消費する電流が重畳された重畳電源線を形成し、前記センサと前記信号変換器とは、前記重畳電源線によって結ばれ、前記信号変換器には、所定の電流検出抵抗と、周波数フィルタまたはコンパレータあるいは該周波数フィルタと該コンパレータの両方が備えられており、前記重畳電源線を流れる重畳電流波形からパルス出力に相当する信号のみを抽出し、前記電流検出抵抗、前記周波数フィルタまたはコンパレータあるいは周波数フィルタとコンパレータの両方により前記重畳電流波形からパルス信号のみを抽出するパルス信号抽出フィルタをさらに備える、ことを特徴としたものである。

上記課題を解決するため、本発明の第２の技術手段は、前記パルス信号抽出フィルタにより得られたパルス信号を所定の電流信号に変換する周波数／電流変換器をさらに備えることを特徴としたものである。

上記課題を解決するため、本発明の第３の技術手段は、前記センサは３線式もしくは４線式の流量計であることを特徴としたものである。

上記課題を解決するため、本発明の第４の技術手段は、前記パルス信号抽出フィルタにより得られたパルス信号のパルス数および周波数情報をもとに積算流量値および瞬時流量値を演算し、あらかじめ備えた表示器により積算流量値および瞬時流量値あるいは流量状態による異常警報を表示することを特徴としたものである。

上記課題を解決するため、本発明の第５の技術手段は、前記パルス信号抽出フィルタにより得られたパルス信号の周波数が所定の周波数閾値を上回った、または下回った場合に警報出力を発信することを特徴としたものである。

本発明によれば、高性能、かつ、オープンコレクタパルス出力を有する３線式（または４線式）のセンサにおいて、電源＋線とオープンコレクタの＋を所定の抵抗で接続することにより、電源線には流量計の本来の消費電流（急峻な変化はしない）にオープンコレクタパルスの消費電流（１Ｈｚ～数ｋＨ程度のパルス信号）を重畳させる。そして、上位側機器とのインターフェイスとなる信号変換器においては、所定の周波数フィルタにより、消費電流波形から、パルス信号のみを抽出するができる。さらに、パルス信号を周波数／電流（Ｆ／Ｉ）変換を行うことで、４～２０ｍＡの出力を行い、かつ、パルス出力も行うことができる。

また、本発明によれば、３線以上の電線で構成されるセンサの利点を活かしつつ、配線コストを抑えた２線式の流量計（例えば、面積式、差圧式など）で構成された既設の計装システムを提供できる。すなわち本発明に係る信号処理装置を用いれば、既設の２線ケーブルと既設の上位受信機器は変更せずに、流量計だけを２線式ではない高性能なコリオリ流量計に更新することも可能となる。

例えば、外部電源不要な機械式で、かつ、接点パルス出力（積算流量に相当）機能を有する２線式流量計は、従来、外部電源供給を必須とするコリオリ流量計に置き換えることは不可能であった。しかしながら、本発明に係る信号処理装置ではパルス出力も得られるため、既設の２線ケーブルと既設の上位受信機器は変更せずに、流量計だけを２線式ではない高性能なコリオリ流量計に更新することも可能となる。

このように、本発明は、２線式の価値である２線ケーブルが使用できること（電源供給と信号伝送を兼用できることからコスト抑制できる）および、４～２０ｍＡ出力が得られること（汎用的な計装用信号を得ることができる）は確保しつつ、性能を犠牲にせず高いパフォーマンスを出せる２線式センサ用の信号処理装置を提供することができる。

本発明の一実施形態における電源に重畳して信号伝送を行う場合のブロック図である。従来技術における３線式センサの信号伝送を行う場合のブロック図である。本発明の一実施形態におけるセンサ／電源／信号変換を含む信号処理装置の全体構成を説明するブロック図である。本発明の一実施形態における既設された２線式センサから置き換え例（その１）である。本発明の一実施形態における既設された２線式センサから置き換え例（その２）である。

以下、図面を参照しながら本発明の信号処理装置の好適な一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態における電源に重畳して信号伝送を行う場合のブロック図である。図２は、従来技術における３線式センサの信号伝送を行う場合のブロック図である。図３は、本発明の一実施形態におけるセンサ／電源／信号変換を含む信号処理装置の全体構成を説明するブロック図である。

まず、従来の２線式センサの回路においては自身を駆動する電源の供給と信号線を共用しているため、信号としては最も単純で取り扱いやすい接点ＯＮ／ＯＦＦ信号と比較した場合、本来電流が流れない状態であるべきＯＦＦの状態でも回路駆動電流が流れることとなる。

また、なるべく抵抗ゼロ、残留電圧ゼロとなってほしいＯＮの状態でも回路駆動が可能なだけの残留電圧を確保する必要があった。すなわち、センサにつなげる負荷や並列直列などの複数センサのつなげ方に対し、制限事項が色々と発生している。

また、センサの素の消費電流は制御電流以下（通常４ｍＡ以下）としなければならない制約も生じるため、大きな電流を消費するセンサにおいては、２線式を実現できない、もしくは性能を犠牲にして消費電流を下げなければならない傾向となる。

次に図２に示す従来技術である３線式において、信号線は、通常オープンコレクタになっていてセンサ電源とは別の電源でも可能となることから、従来の２線式と比べて制限事項を少なくすることができる。しかしながら、図２に示すように３線ケーブルによる配線が必要となり、配線工数が増加していた。

詳しくは後述するが、図１の本発明に係る実施形態に係る回路はセンサからの出力については、図２の３線式と同様に、センサ５１０の外部ケーブル接続部５２０から一対の半導体式パルス用の信号端子６２０，６３０と一対の電源端子６４０，６５０を備えるものとしている。なお、端子については、機械的接点でもオープンコレクタのいずれでも良い。なお、図２において外部ケーブル接続部６１０は模式的に描いており、実態は上記端子が含まれていて、それぞれの参照番号を付した変換器６００内の電線に結線されている。

このように外部ケーブル接続部５２０を介して、センサ５１０の出力は変換器６００に送出される。図２の従来技術である３線式においては、変換器６００からは、オープンコレクタの信号線６２０を独立したケーブルとしている。

変換器６００と電源／信号処理装置８００とは、電源線７１０，７３０と、オープンコレクタ７２０によって結線されている。信号を受け取った電源／信号処理装置８００は、これらの信号を、例えば、アナログ出力８０２、パルス出力８０４に複合処理する。

一方、本発明の一実施形態に係る図１の変換器１００では、一対の出力信号端子の一方であるオープンコレクタとなっている出力信号端子１２０が、所定の抵抗１６０を介して、＋側の電源端子１５０に結線される。さらに他方の信号端子１３０と－０側の電源端子１４０とを短絡している。

係る回路構成によって、一対の電源端子１４０，１５０に接続されたそれぞれのケーブル２１０，２２０は、センサの電源端子より消費される電流にパルス出力回路が消費する電流が重畳された重畳電源線２１０，２２０となる。

変換器１００と電源／信号処理装置３００とは、２本の重畳電源線２１０，２２０とによって結線されている。信号を受け取った電源／信号処理装置３００は、これらの信号をアナログ出力３０２、パルス出力３０４等に処理する。

次に図３も併せて参照して、電源／信号処理装置３００について詳しく説明する。センサ１０から出力された信号は、外部ケーブル接続部２０、変換器１００を介して、重畳電源線２１０，２２０によって、電源／信号処理装置３００へ送出される。

電源／信号処理装置３００は、所定の電流検出抵抗３１０と、周波数フィルタまたはコンパレータあるいは周波数フィルタとコンパレータの両方が備える構成とすることができる。図３に示す実施形態では、波形フィルタ３３０として、周波数フィルタまたはコンパレータのいずれか、もしくはその両方を表している。また、重畳電源線２１０，２２０は、センサへの電源供給ための電源３２０と結線している。

波形フィルタ３３０の前後での波形は例えば、波形３１２、波形３３２に示すように波形フィルタ３３０により適宜フィイルタリングされる。

波形フィルタ３３０の出力は、演算・制御部３４０に送出されるものと、そのままパルス出力３０４とするものとしている。パルス出力３０４は、計測システムの上位機器へ出力して、種々の処理・分析を行うことができる。

本実施形態における演算・制御部３４０は、例えば、周波数／電流（Ｆ／Ｉ）変換３４２によって４～２０ｍＡの電流出力３０２を出力したり、警報制御３４４によってセンサ１０のアラート情報等の警報出力３０６を出力したり、表示器制御３４６によって流量表示器３５０に流量を表示させることができる。

すなわち、この構成によれば、重畳電源線を流れる重畳電流波形からパルス出力に相当する信号のみを抽出することで種々の出力に変換することができる。

このように、本発明に係る一実施形態は、高性能、かつ、オープンコレクタパルス出力を有する３線式（または４線式）のセンサの構成を維持しつつ、電源＋線とオープンコレクタの＋を所定の抵抗で接続する。

こうすることで、急峻な変化はしない消費電流にオープンコレクタのパルスの消費電流が重畳する。そして電源／信号処理装置３００は、周波数フィルタやコンパレータを備えることで、消費電流波形から、パルス信号のみを抽出する。さらに、パルス信号を周波数／電流（Ｆ／Ｉ）変換を行うことで、４～２０ｍＡの出力を行い、かつ、パルス出力も行うことができる。

本発明は、２線式の価値である２線ケーブルが使用できること（電源供給と信号伝送を兼用。コスト抑制）および、４～２０ｍＡ出力が得られること（汎用的な計装用信号が得られる）」は確保しつつ、性能を犠牲にせず高いパフォーマンスを出せる２線式センサ用の信号処理装置を提供することができる。

通常の４～２０ｍＡ出力の２線式センサについては、２０ｍＡまでで駆動させ、センサ駆動（演算・制御含む）に使用できる電流とすれば、４ｍＡまでの間で処理する事となる。しかしながら、本発明に係る一実施形態では、駆動電流が４ｍＡを超え、本来は２線式を構成できない高性能且つ汎用性の高いセンサを用いて２線伝送システムを構築することができる。

例えば、３線以上の電線で構成されるセンサの一つである高性能コリオリ流量計では、公称消費電流が約４００ｍＡのものがある。この公称消費電流が大きな高性能コリオリ流量計を従来の２線式に対応させる、ずなわち、このセンサを４ｍＡで駆動させるためには、使用するエネルギーを約１／１００まで減らす構成とする必要がある。一般的に消費電流を減らすためによく行われる方策は、・デジタル的な処理の分解能を落とす(精度を下げる)、・計算頻度を減らす（応答性を悪くする）などであるが、これらは基本的に性能を下げる処置となる。一方、本発明は、性能を落とさずに従来（今現在も販売している）の３線以上の電線で構成される高性能コリオリ流量計を２線システムに適用することを可能とする。

さらに、一般的にコリオリ流量計などのアナログメータであれば、通常動作時の消費電流変化は、緩やかであり急峻な変化はしない。そのため、本発明のように、周波数フィルタを用い、パルス信号を分離・復元することは、一般的な技術で比較的容易に実現が可能である。このように、本発明において、一旦重畳した信号を分離複合した後であっても、複合された信号の品質が劣化する可能性は少ない。

次に、２線式センサが既設されている場合に、本発明を適用して３線以上の電線で構成されるセンサに置き換える例について図４、５を参照して説明する。

図４を参照すると、（Ａ）に示すように、例えばギア式などの２線式流量計５１２が既に設置されている場合であっても、（Ｂ）に示す４線式の高性能コリオリ流量計１２へ容易に置き換えることができる。

図４（Ａ）では、ギア式などの２線式流量計５１２から２線ケーブル９１０，９２０を介して上位システム９００へパルス信号９３０を出力する従来、一般的な手段である。一方、図４（Ｂ）では、図示しない変換器１００を備えた高性能コリオリ流量計１２を２線式流量計５１２に置き換える。そして、図４（Ａ）の２線ケーブル９１０，９２０は、重畳電源線２１０，２２０として利用する。

重畳電源線２１０，２２０からの信号（電源）は本実施形態に係る電源／信号処理装置３００に送出される。電源／信号処理装置３００は、パルス出力３０４（電流出力３０２，警報出力３０６等も可能）に変換され、既設の上位システム９００に出力される。このように既設の２線ケーブル９１０，９２０（重畳電源線２１０，２２０）及び上位システム９００はそのままに、高性能コリオリ流量計１２へ置き換えることができる。

次に、図５（Ａ）では、面積式、差圧式などの２線式流量計５１４から２線ケーブル９１０，９２０を介して上位システム９００へ４～２０ｍＡの電流信号９４０を出力する従来、一般的な手段である。一方、図５（Ｂ）では、図示しない変換器１００を備えた高性能コリオリ流量計１２を２線式流量計５１４に置き換える。そして、図５（Ａ）の２線ケーブル９１０，９２０は、重畳電源線２１０，２２０として利用する。

重畳電源線２１０，２２０からの信号（電源）は本実施形態に係る電源／信号処理装置３００に送出される。電源／信号処理装置３００は、電流出力３０２（パルス出力３０４，警報出力３０６等も可能）に変換され、既設の上位システム９００に出力される。このように既設の２線ケーブル９１０，９２０（重畳電源線２１０，２２０）及び上位システム９００はそのままに、高性能コリオリ流量計１２へ置き換えることができる。

このように、本発明では、従来の２線式伝送（４～２０ｍＡ出力やパルス出力＝センサから上位側へ一方通行の信号伝送）が持つ課題の解決を行うものである。すなわち、本発明は、既設の配線を利用して、２線式の価値である２線ケーブルが使用できること（電源供給と信号伝送を兼用。コスト抑制）および、４～２０ｍＡ出力が得られること（汎用的な計装用信号が得られる）」は確保しつつ、性能を犠牲にせず高いパフォーマンスを出せる２線式センサ用の信号処理装置を提供する。

本発明は、センサより出力されるオープンコレクタパルス信号を電流信号に変換し電源線に重畳することで２線による情報伝送を行うが、伝送された信号は電源／信号処理装置３００により、汎用的な計装用信号（４～２０ｍＡ電流信号やパルス信）に復元されるため、ＰＬＣなどの汎用的な上位機器に対して既設の配線を利用して情報を取り込むことも可能としている。なお、本発明に係るいくつかの実施形態について説明したが、これらに限定されるものではない。

１０，１２，５１０，５１２，５１４・・・センサ
２０，５２０・・・外部ケーブル接続部
１００，６００・・・変換器
１２０，１３０，６２０，６３０・・・出力信号端子
１４０，１５０，６４０，６５０・・・電源端子
１６０・・・抵抗
２１０，２２０・・・重畳電源線
３００，８００・・・電源／信号処理装置
３０２，８０２・・・アナログ出力
３０４，８０４，９３０・・・パルス出力
３０６・・・警報出力
３１２，３３２・・・波形
３１０・・・電流検出抵抗
３２０・・・電源
３３０・・・波形フィルタ
３４０・・・演算・制御部
３４２・・・周波数／電流（Ｆ／Ｉ）変換
３４４・・・警報制御
３４６・・・表示器制御
３５０・・・流量表示器
７１０，７３０・・・電源線
７２０・・・オープンコレクタ
９００・・・上位システム
９１０，９２０・・・２線ケーブル

Claims

センサと該センサが検出した信号を変換する信号変換器を有する信号処理装置であって、
前記センサの外部ケーブル接続部には、一対の半導体式パルス用の出力信号端子および一対の電源端子が備えられ、
前記一対の出力信号端子の一方が所定の抵抗を介して前記電源端子の＋側に結線されるとともに前記信号端子の他方と前記電源端子の－側が短絡されてセンサの電源端子より消費される電流にパルス出力回路が消費する電流が重畳された重畳電源線を形成し、
前記センサと前記信号変換器とは、前記重畳電源線によって結ばれ、
前記信号変換器には、所定の電流検出抵抗と、周波数フィルタまたはコンパレータあるいは該周波数フィルタと該コンパレータの両方が備えられており、前記重畳電源線を流れる重畳電流波形からパルス出力に相当する信号のみを抽出し、
前記電流検出抵抗、前記周波数フィルタまたはコンパレータあるいは周波数フィルタとコンパレータの両方により前記重畳電流波形からパルス信号のみを抽出するパルス信号抽出フィルタをさらに備えることを特徴とする信号処理装置。
前記パルス信号抽出フィルタにより得られたパルス信号を所定の電流信号に変換する周波数／電流変換器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
前記センサは３線式もしくは４線式の流量計であることを特徴とする請求項１または２に記載の信号処理装置。
前記パルス信号抽出フィルタにより得られたパルス信号のパルス数および周波数情報をもとに積算流量値および瞬時流量値を演算し、あらかじめ備えた表示器により積算流量値および瞬時流量値あるいは流量状態による異常警報を表示することを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
前記パルス信号抽出フィルタにより得られたパルス信号の周波数が所定の周波数閾値を上回った、または下回った場合に警報出力を発信することを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。