沸点計

【課題】加熱部に流れるＰＷＭ制御された交流電流の振幅および実効値を正確に測定する。
【解決手段】加熱部３に流れるＰＷＭ制御された交流電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部１０１と、電流電圧変換部１０１により変換された電圧信号を、当該電圧信号の波形を再現可能なサンプリング周期で、デジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１０３と、Ａ／Ｄ変換器１０３により変換されたデジタル信号に基づいて、交流電流の振幅および実効値を算出する測定部１０５とを備えた。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、加熱部に流れるＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御された交流電流を測定する機能を有する沸点計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ヒータ（加熱部）等の負荷に断線等の故障が生じていないかを検出するため、負荷に流れる交流電流を測定するものが知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に開示される方法では、負荷に流れる交流電流を電圧信号に変換し、この電圧信号を整流・平滑することで直流の電圧信号に変換して、測定を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−９１５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、従来の交流電流の測定方法では、交流電流を電圧信号に変換し、この電圧信号を整流・平滑した後に、測定を行っている。
一方、原油や石油製品等の蒸留点を測定する沸点計では、容器内の試料を加熱する際に厳密な温度制御が求められるため、この試料を加熱するヒータに流れる交流電流に対してＰＷＭ制御を行っている。このＰＷＭ制御では、例えば図８，１０に示すように、１周期における交流電流のＯＮ／ＯＦＦ期間の割合（デューティ比）を調整している。
また、沸点計では複数のヒータを用いているため、例えば１個のヒータに断線故障が生じた場合にも、残りのヒータで試料の加熱が継続される。したがって、試料の加熱状況ではヒータ故障を検出することは難しく、ＰＷＭ制御された交流電流を正しく測定する必要がある。
【０００５】
しかしながら、ＰＷＭ制御された交流電流を従来の測定方法を用いて測定した場合、測定期間（例えば１周期）内で交流電流がＯＦＦとなる期間が含まれる場合があり、このＯＦＦ期間も含めて平滑を行うことになる。そのため、図８〜１１に示すように、ＰＷＭ制御によるデューティ比が変化して交流電流８０１，１００１のＯＦＦ期間が変化すると、ＯＮ期間での交流電流８０１，１００１の振幅は変わらないにも関わらず、平滑を行った電圧信号９０２，１１０２（９０３，１１０３）が変化してしまう。よって、交流電圧の振幅・実効値を正しく測定することができず、ヒータの断線等の故障を正しく検出することができないという課題があった。なお図９，１１において、符号９０１，１１０１は交流電流８０１，１００１を電圧信号に変換したものを全波整流した電圧信号であり、電圧信号９０２，１１０２は平滑回路の時定数が短い場合での信号であり、電圧信号９０３，１１０３は平滑回路の時定数が長い場合での信号である。
また、従来の測定方法のように整流を行う場合、この整流を行うダイオードで電圧降下が発生し、測定値に誤差が発生してしまうという課題があった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、加熱部に流れるＰＷＭ制御された交流電流の振幅および実効値を正確に測定することができる機能を有した沸点計を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る沸点計は、加熱部に流れるＰＷＭ制御された交流電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、電流電圧変換部により変換された電圧信号を、当該電圧信号の波形を再現可能なサンプリング周期で、デジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器により変換されたデジタル信号に基づいて、交流電流の振幅および実効値を算出する測定部とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、上記のように構成したので、整流・平滑処理が不要となり、ＰＷＭ制御によるデューティ比の変動に伴う誤演算がなくなるため、交流電流の振幅および実効値を正確に測定することができる。また、整流・平滑処理を行う構成要素が不要なため、装置の小型化およびコストダウンを図ることができる。また、整流処理が不要なため、ダイオードによる電圧降下がなくなり、高精度に測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係る沸点計の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る交流電流測定装置の構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る交流電流測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】この発明の実施の形態１に係る交流電流測定装置により測定された交流波形を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る交流電流測定装置の構成を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る交流電流測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】この発明の実施の形態２に係る交流電流測定装置により測定された交流波形を示す図である。
【図８】ＰＷＭ制御された交流電流の波形を示す図である。
【図９】従来の測定方法を用いて図８に示す交流電流を測定した際の波形を示す図である。
【図１０】図８に示す交流電流に対して、ＰＷＭのデューティ比を変化させた場合での交流電流の波形を示す図である。
【図１１】従来の測定方法を用いて図１０に示す交流電流を測定した際の波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
まず、沸点計１の構成について説明する。
沸点計１は、原油や石油製品等の蒸留点を測定するものである。この沸点計１は、図１に示すように、フラスコ（容器）２、ヒータ（加熱部）３、導入部４、凝縮部５、留出量検出部６、留出温度検出部７、制御部８、排出部９および交流電流測定装置１０から構成されている。
【００１１】
フラスコ２は、原油や石油製品等の試料（液体）が導入されるものである。
ヒータ３は、制御部８によりＰＷＭ制御された交流電流に応じて、フラスコ２内の試料を加熱するものである。なお、ヒータ３は複数設けられ、それぞれ並列接続されている（図２参照）。
【００１２】
導入部４は、フラスコ２内に試料を導入する部位である。この導入部４は、フラスコ２に連結された試料導入管４１と、試料導入管４１の上端に連結された計量カップ４２と、計量カップ４２に連結されたオーバーフロー管４３と、試料導入管４１内での試料の通過を規制する第１電磁バルブ４４と、計量カップ４２と第１電磁バルブ４４との間の試料導入管４１に連結された試料流通管４５と、試料流通管４５での試料の通過を規制する第２電磁バルブ４６とを有している。
【００１３】
凝縮部５は、フラスコ２内で加熱され蒸気となった試料を冷却して、液化する部位である。この凝縮部５は、フラスコ２の上方で連結された凝縮管５１と、凝縮管５１の周囲に配設された冷却水流通管５２とを有している。
【００１４】
留出量検出部６は、凝縮部５により液化された試料の留出量を検出する部位である。この留出量検出部６は、凝縮管５１の端部に連結された試料留出管６１と、試料留出管６１の下端に連結された受器６２と、受器６２にＵ字管６３ａを介して連結された透明な液面検出管６３と、液面検出管６３に配設され、異なる所定の留出点で液面を検出する複数の検出端６４ａを具備するレベルセンサ６４とを有している。
【００１５】
留出温度検出部７は、留出量検出部６で試料の留出量が検出された際の、フラスコ２内の試料蒸気温度（留出温度）を検出するものである。この留出温度検出部７は、凝縮管５１内に挿入され、検知部７ａがフラスコ１の上部に位置するように配設されている。
【００１６】
制御部８は、留出量検出部６（レベルセンサ６４）により検出された試料の留出量および留出温度検出部７により検出されたその際の留出温度に基づいて、試料の蒸留点を算出するものである。
また、制御部８はヒータ３に交流電流を流して、加熱させている。この際、制御部８は、ヒータ３のパワー制御を行うため、この交流電流に対してＰＷＭ制御を行っている。すなわち、１周期における交流電流のＯＮ／ＯＦＦ期間の割合（デューティ比）を調整している。
【００１７】
排出部９は、制御部８により試料の蒸留点が測定された後、受器６２および液面検出管６３内の試料を外部に排出する部位である。この排出部９は、受器６２の下端に連結された試料排出管９１と、試料排出管９１での試料の通過を規制する第３電磁バルブ９２とを有している。
交流電流測定装置１０は、ヒータ３に流れるＰＷＭ制御された交流電流を測定することで、各ヒータ３に断線等の故障が生じていないかを検出するものである。
【００１８】
次に、上記のように構成された沸点計１において、試料の蒸留点を測定する際の動作について説明する。
沸点計１の動作では、まず、導入部４がフラスコ２内に試料を導入する。すなわち、まず、第１電磁バルブ４４を閉じ、第２電磁バルブ４６を開くことによって、試料流通管４５から試料導入管４１に試料を導入する。これにより、所定量の試料が計量カップ４２に貯えられ、余分な試料がオーバーフロー管４３から排出される。その後、第２電磁バルブ４６を閉じ、第１電磁バルブ４４を開くことによって、計量カップ４２内の試料をフラスコ２内に入れる。
【００１９】
次いで、ヒータ３が、制御部８によりＰＷＭ制御された交流電流に応じて、フラスコ２内の試料を連続的に加熱する。これによりフラスコ２内の試料が加熱され、蒸気となる。
次いで、凝縮部５が、フラスコ２内で加熱され蒸気となった試料を冷却し、液化する。すなわち、まず、フラスコ２からの試料蒸気が凝縮管５１に流れる。そして、凝縮管５１の周囲に配設された冷却水流通間５２内を循環する冷却水によって、この試料蒸気を冷却し、液化する。
【００２０】
次いで、留出量検出部６が、凝縮部５により液化された試料の留出量を検出する。すなわち、まず、凝縮部５で冷却され液化された試料が、試料留出管６１を介して受器６２内に滴下する。そして、この試料がＵ字管６３ａを介して液面検出管６３内に流れる。これにより、液面検出管６３内の液面が上昇する。そして、レベルセンサ６４が、液面検出管６３内の液面から留出量を検出する。このレベルセンサ６４による検出結果は制御部８に送られる。またこの際、留出温度検出部７で検出された留出温度も制御部８に送られる。
【００２１】
次いで、制御部８が、留出量検出部６（レベルセンサ６４）により検出された試料の留出量および留出温度検出部７により検出されたその際の留出温度に基づいて、試料の蒸留点を算出する。
その後、ヒータ３による加熱を停止し、受器６２および液面検出管６３内の試料を排出部９を介して排出する。
【００２２】
次に、交流電流測定装置１０の構成について説明する。
ヒータ３に流れるＰＷＭ制御された交流電流を測定する交流電流測定装置１０は、図２に示すように、電流電圧変換部１０１、増幅器１０２、Ａ／Ｄ変換器１０３、記憶部１０４および測定部１０５から構成されている。なお図２では、ヒータ３、制御部８および交流電流測定装置１０のみを示し、また、ヒータ３を３個設けた場合を示している。
【００２３】
電流電圧変換部１０１は、ヒータ３と制御部８との間に直列接続され、電流が流れることによって生じる両端の電圧を検出することで、ヒータ３に流れる交流電流を電圧信号に変換するものである。この電流電圧変換部１０１は、例えば抵抗、トランスやホール素子等から構成される。
増幅器１０２は、電流電圧変換部１０１により変換された電圧信号を増幅するものである。
【００２４】
Ａ／Ｄ変換器１０３は、増幅器１０２により増幅された電圧信号を、この電圧信号の波形を再現可能なサンプリング周期（例えば１ｍｓ）で、デジタル信号に変換するものであり、ソフトウェアで実現される。なお、Ａ／Ｄ変換器１０３は、所定の測定期間（例えば１周期や複数周期）を計るタイマを保持しており、このタイマに従い、測定期間での交流電圧に対するＡ／Ｄ変換を行う。
記憶部１０４は、Ａ／Ｄ変換器１０３により変換されたデジタル信号を記憶するものである。
【００２５】
測定部１０５は、記憶部１０４に記憶された測定期間での各デジタル信号に基づいて、交流電流の振幅およびその実効値を算出するものであり、ソフトウェアで実現される。この測定部１０５は、測定期間での各デジタル信号の中から最大値を検出し、この最大値の倍を交流電流の振幅として算出する。また、測定部１０５は、算出した振幅に、交流電流の波形に応じた係数を乗算することで、実効値を算出する。この測定部１０５により算出された交流電流の実効値はディスプレイ（不図示）上に表示される。
【００２６】
次に、上記のように構成された交流電流測定装置１０の動作について説明する。なお、ヒータ３には図８に示す交流電流が流れ、交流電流測定装置１０の測定期間は１周期とする。
交流電流測定装置１０の動作では、図３に示すように、まず、電流電圧変換部１０１が、ヒータ３に流れる交流電流を電圧信号に変換する（ステップＳＴ１，電流電圧変換ステップ）。次いで、増幅器１０２が、電流電圧変換部１０１により変換された電圧信号を増幅する（ステップＳＴ２，増幅ステップ）。これにより、図４に示すような電圧信号４０１となる。
【００２７】
次いで、Ａ／Ｄ変換器１０３が、増幅器１０２により増幅された電圧信号を、この電圧信号の波形を再現可能なサンプリング周期で、デジタル信号に変換する（ステップＳＴ３，Ａ／Ｄ変換ステップ）。なおＡ／Ｄ変換器１０３は、タイマに従い、測定期間での交流電圧に対するＡ／Ｄ変換を行う。このＡ／Ｄ変換器１０３により変換されたデジタル信号は記憶部１０４に記憶される。これにより、図４に示すようなサンプリング周期でデジタル信号４０２を取得することができる。
【００２８】
次いで、測定部１０５が、記憶部１０４に記憶された測定期間での各デジタル信号の中から最大値を検出する（ステップＳＴ４）。これにより、図４に示す測定期間（１周期）でのデジタル信号の最大値４０３を検出することができる。
次いで、測定部１０５が、検出した最大値の倍を交流電流の振幅として算出する（ステップＳＴ５）。次いで、測定部１０５が、算出した振幅に、交流電流の波形に応じた係数を乗算して、交流電流の実効値を算出する（ステップＳＴ６）。例えば、図４に示すような歪のない波形（サイン波）の場合には、係数は１／（２×√２）となる。
なお、ステップＳＴ４〜６は本願発明の測定ステップに対応する。
【００２９】
このように動作することで、ヒータ３に流れる交流電流の振幅および実効値を正確に測定することができる。その後、この測定結果に基づいて、ヒータ３に交流電流が正常に流れているかを判断し、ヒータ３に断線等の故障が生じているかを判断する。具体的には、図２に示すような３個のヒータ３を設けた場合において、１個のヒータ３に断線故障が生じた場合、交流電流測定装置１０により測定された交流電流の実効値は通常の２／３の値となる。また、２個のヒータ３に断線故障が生じた場合には、交流電流の実効値は通常の１／３の値となる。よって、交流電流測定装置１０により測定された交流電流の実効値から、いくつのヒータ３に断線等の故障が生じているかを判断することができる。
【００３０】
以上のように、この実施の形態１によれば、ヒータ３に流れるＰＷＭ制御された交流電流を電圧信号に変換し、この電圧信号の波形を再現可能なサンプリング周期で直接Ａ／Ｄ変換するように構成したので、整流・平滑処理が不要となり、ＰＷＭ制御によるデューティ比の変動に伴う誤演算がなくなるため、交流電流の振幅および実効値を正確に測定することができる。また、整流・平滑処理を行う構成要素が不要なため、装置の小型化およびコストダウンを図ることができる。また、整流処理が不要なため、ダイオードによる電圧降下がなくなり、高精度に測定を行うことができる。
【００３１】
実施の形態２．
実施の形態１では、交流電流を電圧信号に変換して増幅した後、そのままＡ／Ｄ変換を行っている。そのため、得られるデジタル信号は、図４に示すような０Ｖを基準とした信号となる。しかしながら、オペアンプやＡ／Ｄ変換器などの回路では、０Ｖ付近の電圧は扱うことができため、図４に示すデジタル信号を交流電流測定以外の用途に使用することはできない。そこで、このデジタル信号を他の用途にも使用可能とするため、電圧信号をレベルシフトした後Ａ／Ｄ変換を行うようにしたものについて示す。
【００３２】
図５に示す実施の形態２に係る交流電流測定装置１０は、図２に示す実施の形態１に係る交流電流測定装置１０の構成に加算器１０６を追加し、測定部１０５を測定部１０５ｂに変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
加算器１０６は、Ａ／Ｄ変換器１０３の前段に設けられ、Ａ／Ｄ変換器１０３で用いる電圧信号に所定値を加算して、レベルシフトを行うものである。
また、測定部１０５ｂは、記憶部１０４に記憶された測定期間での各デジタル信号に基づいて、交流電流の振幅およびその実効値を算出するものであり、ソフトウェアで実現される。この測定部１０５ｂは、測定期間での各デジタル信号の中から最大値および最小値を検出し、この最大値と最小値との差分から交流電流の振幅を算出する。また、測定部１０５ｂは、算出した振幅に、交流電流の波形に応じた係数を乗算することで、実効値を算出する。この測定部１０５ｂにより算出された交流電流の実効値はディスプレイ（不図示）上に表示される。
【００３３】
次に、上記のように構成された交流電流測定装置１０の動作について説明する。なお、図６に示す実施の形態２に係る交流電流測定装置１０の動作において、図３に示す実施の形態１に係る交流電流測定装置１０の動作と同様の動作については、同一の符号を付しその説明を簡略化する。また、ヒータ３には図８に示す交流電流が流れ、交流電流測定装置１０の測定期間は１周期とする。
交流電流測定装置１０の動作では、図６に示すように、まず、電流電圧変換部１０１が、ヒータ３に流れる交流電流を電圧信号に変換し（ステップＳＴ１）、増幅器１０２が、この電圧信号を増幅する（ステップＳＴ２）。
【００３４】
次いで、加算器１０６が、増幅器１０２により増幅された電圧信号に所定値を加算して、レベルシフトを行う（ステップＳＴ７，加算ステップ）。これにより、図４に示す電圧信号４０１を図７に示す電圧信号７０１にレベルシフトすることができる。
次いで、Ａ／Ｄ変換器１０３が、加算器１０６によりレベルシフトされた電圧信号を、この電圧信号の波形を再現可能なサンプリング周期で、デジタル信号に変換する（ステップＳＴ３）。このＡ／Ｄ変換器１０３により変換されたデジタル信号は記憶部１０４に記憶される。これにより、図７に示すようなサンプリング周期でデジタル信号７０２を取得することができる。
【００３５】
次いで、測定部１０５ｂが、記憶部１０４に記憶された測定期間での各デジタル信号の中から最大値および最小値を検出する（ステップＳＴ８）。これにより、図７に示す測定期間（１周期）でのデジタル信号の最大値７０３および最小値７０４を検出することができる。
次いで、測定部１０５ｂが、検出した最大値から最小値を差分して交流電流の振幅を算出する（ステップＳＴ９）。次いで、測定部１０５ｂが、算出した振幅に、交流電流の波形に応じた係数を乗算して、実効値を算出する（ステップＳＴ６）。
なお、ステップＳＴ８，９，６は本願発明の測定ステップに対応する。
このように動作することで、ヒータ３に流れる交流電流の振幅および実効値を正確に測定することができる。その後、この測定結果に基づいて、ヒータ３に交流電流が正常に流れているかを判断し、ヒータ３に断線等の故障が生じているかを判断する。
【００３６】
以上のように、この実施の形態２によれば、交流電圧をレベルシフトした後Ａ／Ｄ変換するように構成したので、実施の形態１における効果に加えて、得られたデジタル信号を交流電流測定以外の用途にも使用することが可能となる。
【００３７】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１沸点計
２フラスコ（容器）
３ヒータ（加熱部）
４導入部
５凝縮部
６留出量検出部
７留出温度検出部
７ａ検知部
８制御部
９排出部
１０交流電流測定装置
４１試料導入管
４２計量カップ
４３オーバーフロー管
４４第１電磁バルブ
４５試料流通管
４６第２電磁バルブ
５１凝縮管
５２冷却水流通管
６１試料留出管
６２受器
６３液面検出管
６３ａＵ字管
６４レベルセンサ
６４ａ検出端
９１試料排出管
９２第３電磁バルブ
１０１電流電圧変換部
１０２増幅器
１０３Ａ／Ｄ変換器
１０４記憶部
１０５，１０５ｂ測定部
１０６加算器

【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内の試料を加熱する複数の加熱部を備えた沸点計において、
前記加熱部に流れるＰＷＭ制御された交流電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電流電圧変換部により変換された電圧信号を、当該電圧信号の波形を再現可能なサンプリング周期で、デジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器により変換されたデジタル信号に基づいて、前記交流電流の振幅および実効値を算出する測定部と
を備えた沸点計。
【請求項２】
前記測定部は、前記デジタル信号の最大値を検出し、当該最大値の倍を前記交流電流の振幅として算出し、当該振幅に基づいて実効値を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の沸点計。
【請求項３】
前記Ａ／Ｄ変換部の前段で、当該Ａ／Ｄ変換部で用いる電圧信号に所定値を加算して、レベルシフトを行う加算器をさらに有し、
前記測定部は、前記デジタル信号の最大値および最小値を検出し、当該最大値と最小値との差分から振幅を算出し、当該振幅に基づいて実効値を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の沸点計。

【図１】