CN1198136C - 振动式水平传感器的温度测定方法、物体检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种的振动式水平传感器的温度测定方法、物体检测方法及物体检测装置。使电磁铁(21)隔着若干间隔与检测管内的振动板(23)上设置的磁铁相对，以振动板(23)的共振频率为中心，通过驱动电路(51)在每个给定周期中在线圈上施加以给定范围内的频率进行了扫描的交流电流，当施加交流电流时，用相位比较电路(53)检测出对应物体是否接触振动板(23)而产生的相位变化，微型计算机(40)根据检测出的相位变化，判别物体的有无，并且根据在给定测定周期的前半期间中检测出的相位变化，测定温度，在给定周期的后半期间中，根据温度的测定结果，改变扫描频率。从而可减少零件的数量，提高可靠性。

Description

振动式水平传感器的温度测定方法、物体检测方法及装置

技术领域

本发明涉及振动式水平传感器的温度测定方法、物体检测方法和物体检测装置，特别是涉及根据与检测管内的振动板上设置的磁铁隔着若干间隔相对的电磁铁线圈的振动频率，检测物体的有无的振动式水平传感器的温度测定方法、物体检测方法和物体检测装置。

背景技术

图10A是以往的振动式水平传感器的概略框图，记载在特开平11-351944号公报中。在图10A中，检测管部1中，它的基部11为固定端，它的顶端部用闭塞部12堵塞，为自由端。在检测管部1的内部，设置了细长矩形的振动片2。振动片2一端固定在检测管部1的闭塞部12上，在另一端设置有永磁铁3，成为自由端。因此，检测管部1、闭塞部12、振动片2，检测管部1在闭塞部12折返，构成把该折返部分作为振动片2的折返单支撑梁。

电磁铁4被紧贴安装在检测管部1的内壁上，与振动片2的轴向相对。如果用交流电流驱动电磁铁4，则通过电磁铁4产生的磁场和永磁铁3的磁场的吸引排斥作用，把基部11作为固定端，用振动片2、闭塞部12、检测管部1使折返单支撑梁产生振动。

在检测管部1的基部11一侧的内侧的壁上设置了变形检测元件5。变形检测元件5检出检测管部1的基部11一侧振动振幅状态，转换为电信号，提供给放大电路6。放大电路6把输入的信号放大，再输入到电磁铁4。

图10B、C是表示通过施加在电磁铁4上的电流，在电磁铁4和永磁铁3之间产生的吸引排斥力的图。

如果施加在电磁铁4上的电流和电磁铁4上产生的磁场的关系是图10B所示的关系，则电磁铁4的与永磁铁3相对的极是N极，与安装在振动片2上的永磁铁3的S极之间产生吸引力，与永磁铁3的N极之间产生排斥力，振动片2的自由端在图10B中，在上方受力，产生位移。

相反，如果使施加在电磁铁4上的电流极性相反，则如图10C所示，电磁铁4的与永磁铁3相对一侧的极性颠倒，变为S极，与振动片2上的永磁铁3的S极排斥，为了与N极吸引，振动片2的自由端在下方受力，振动状态变化。因此，通过配合折返单支撑梁的振动系统固有的振动频率，切换施加在电磁铁4上的电流极性，产生振动，能使之继续。

在图10A所示的例子中，用检测元件5检测振动系统的振动，转换为电信号，用放大电路6放大，再输入到电磁铁4中，并且从检测电路7输出检测信号。作为振动的检测元件5，使用压电元件和加速度接收器，但是压电元件容易破裂，用粘合剂粘贴在检测管上，容易受环境性和温度特性的影响，存在压电元件的可靠性低的问题。

另外，也有使用例如特开平1-233378号公报中表示的振动式水平检测装置的方法。在该振动式水平检测装置中，在振动体上设置有激振用压电元件和接收用压电元件，通过激振用压电元件使振动体振动，用接收用压电元件检测振动体的振动。然后，把来自接收用压电元件的输出向带通滤波器输入，使振动体不接触被检测对象物时的振动频率fa通过，使振动体接触被检测对象物时的振动频率fb不通过。把该带通滤波器的输出提供给压电比较电路，与基准电压比较，当振动体不接触被检测对象物时，带通滤波器的输出比基准电压低，当接触时，比基准电压高，所以能进侧被检测对象物。

可是，在上述以往例中，存在检测电路的零件数量增多，成本提高，在构造上也复杂，组装时间增加的问题。零件数量增多与可靠性的下降有关。

发明内容

本发明的主要目的在于：提供能减少零件数量，能提高可靠性的振动式水平传感器的温度测定方法、物体检测方法和物体检测装置。

本发明是一种振动式水平传感器的温度测定方法，是一种利用与检测管内的振动板上设置的磁铁隔着若干间隔相对的电磁铁线圈的特性测定温度的振动式水平传感器的温度测定方法，其特征在于：以振动板的共振频率为中心，在线圈上施加以给定范围内的频率进行了扫描的交流电流，根据基于线圈温度的电阻值的变化而流动的电流的相位角度的变化，测定温度。

其他发明是一种振动式水平传感器物体检测方法，利用与检测管内的振动板上设置的磁铁隔着若干间隔相对的电磁铁线圈的振动频率，检测物体的有无，其特征在于：以振动板的共振频率为中心，在每个给定周期中在线圈上施加以给定范围内的频率进行了扫描的交流电流，当施加交流电流时，检测出对应物体是否接触振动板而产生的相位变化，根据检测出的相位变化，判别物体的有无，根据在给定测定周期的前半期间中检测的相位变化，测定温度，在给定测定周期的后半期间中，根据温度的测定结果，改变扫描频率。

其他发明是一种振动式水平传感器的物体检测装置，利用与检测管内的振动板上设置的磁铁隔着若干间隔相对的电磁铁线圈的振动频率，检测物体的有无，其特征在于：包括：以振动板的共振频率为中心，在每个给定周期中在线圈上施加以给定范围内的频率进行了扫描的交流电流的交流电流施加部件；当通过交流电流施加部件施加了交流电流时，检测出对应物体是否接触振动板而产生的相位变化的相位检测部件；根据由相位检测部件检测的相位变化，判别物体的有无的判别部件；在给定测定周期的前半期间中，根据相位检测部件的检测输出，测定温度的温度测定部件；在给定测定周期的后半期间中，根据温度测定部件的测定结果，改变扫描频率的频率改变部件。

另外，相位检测部件的特征在于：检测出通过振动板的振动频率和交流电流的扫描频率的混合，而在电磁铁线圈中产生的拍频成分引起的相位波动。

相位检测部件的特征在于：包含：用于提取出拍频成分的滤波器。

温度测定部件的特征在于：根据因线圈温度引起的电阻值变化而产生的电流相位角度的变化，测定温度。

如上所述，根据本发明，在振动式水平传感器中，通过采用以振动板的共振频率为中心，在每个给定周期中在线圈上施加扫描了给定范围内的频率的交流电流，根据对应物体是否接触振动板而产生的相位变化，判别物体的有无的物体检测方法，能只用驱动用电磁铁和永磁铁构成检测部，不必象以往那样在接收用传感器部分需要压电元件和加速度接收器，能减少零件数量，并且能提高装置的可靠性。

另外，通过根据在给定测定周期的前半期间中检测的相位变化，测定温度，在后半期间中，根据温度的测定结果，使扫描频率范围最佳化，能加速作为检测装置的响应性。

作为温度检测方法，只使用检测部的驱动用电磁铁和永磁铁，所以不需要新设置正温度系数热敏电阻，能简化结构和大幅度降低成本。

附图说明

图1A、1B是用于说明振动式水平传感器的原理的图。

图2是用于说明本发明的振动式水平传感器的原理的图。

图3是表示频率的扫描和温度修正的关系的曲线图。

图4是用于说明干扰电压(拍频)的波形图。

图5是本发明的一实施例的振动式水平传感器的框图。

图6是表示图5所示的振动式水平传感器的测定顺序的图。

图7是表示测定顺序的分体测定期间的细节的图。

图8A和图8B是表示A/D转换器43的输入电压波形的图。

图9A和图9B是表示振动式水平传感器的温度测定细节的图。

图10A是以往的振动式水平传感器的概略框图。

图10B、C是表示通过施加在电磁铁4上的电流，在电磁铁4和永磁铁3之间产生的吸引排斥力的图。

具体实施方式

下面，参照附图，说明本发明实施例的振动式水平传感器。以下，对同一或相当的部分采用相同符号，省略说明。

图1A和图1B是用于说明本发明实施例的振动式水平传感器的原理的图。如图1A所示，隔开若干间隔使棒状电磁铁21和磁铁22相对，众所周知，如果切换流过电磁铁21的电流的方向，则与相对的磁铁22的极性为同极时相斥，为异极时相吸。

当把该原理应用于图1B所示的纵振动型的振动板23时，通过使振动板23顶端的磁铁22的极化方向为厚度方向(在图1B中，上方为N极，下方为S极)，对于磁铁22，在电流的方向能作用上下方向的力。因为磁铁22位于振动板23的自由端，所以，如果使流过电磁铁21的电流方向的切换周期与振动板23的共振周期一致，就能使振动板23最大限度振动。纵振动型的振动模式是折返单支撑梁，与振动板23的单体的单纯模式有若干不同，但是基本相同。

在以往的振动式水平传感器中，如图10A所示，由不同的零件构成作为驱动部的电磁铁4、作为驱动部的检测元件5，但是在本发明的特征在于：用公共的电磁铁构成驱动部和接收部。

图2是表示本发明的振动式水平传感器的原理的图。例如，如果在电机31上连接电池32等电源，则电流流过，电机31旋转。这时，流过电机31的电流是a。接着，如果用手抓住电机31的旋转轴，停止旋转，则流过电机31的电流增加到b。这是因为电机31在旋转中，由于电机31旋转而引起的发电作用，产生反向电流(电力)，抑制了电流，如果停止电机31的旋转，该方向电流(电力)消失，抑制效果消失。

本发明的振动式水平传感器虽然不是图2所示的电机31，但是如图1B所示，如果电流流过电磁铁21，使磁铁22振动，则由于振动的磁铁22的发电作用，在电磁铁21中产生电流，与所述电机31的说明同样，能抑制用于驱动而流过的电流。当检测部由粉体等覆盖，不振动时，固定在振动板23上的磁铁22的发电作用消失，驱动电流不受任何抑制。因此，通过检测驱动电流，知道振动的大小，能检测粉体的有无。

在振动式水平传感器中，通过使驱动电流的频率与振动板23的共振频率一致，使振动产生，但是由于振动板23振动的频率宽度为相对于380Hz(代表值)的中心频率的±0.1Hz的非常窄的范围，所以不可能总使驱动电流的频率保持在该频率内，所以在本发明中，如图3所示，在中心频率上下的一定范围中反复使频率变化(扫描)。这样，通过扫描频率，能够避免无法检测共振状态的情况。

另外，振动板23的振动频率以约-0.1Hz/℃的比率对于温度而变化，所以扫描频率范围也以该比率进行温度控制(修正)。即伴随着温度的上升，进行修正使扫描频率降低。频率的扫描范围是从基准值以下9.4Hz到以上6.3Hz的15.7Hz之间。这里，基准值不是振动板23的共振频率，而是对于干扰电压的峰值的频率，后面将就此加以说明。

频率的扫描速度作为一个例子为11.1Hz/秒，以1.8秒扫描15.7Hz。扫描速度越慢，越能详细观测振动的变化，但是应该兼顾测定时间而设定该值。

图4是用于说明干扰电压(拍频)的波形图。当混合了某2个频率时，我们知道新产生该频率的和与差的频率成分。例如，当混合了380Hz和385Hz的频率时，产生765Hz和5Hz。

在本发明中，如图3所说明的那样，11.1Hz/秒的速度扫描振动板23的共振频率上下15.7Hz的频率范围。如图4的(i)所示，由于在扫描开始后扫描频率与共振频率相分离，所以不会发生振动，不会生成反电流。又如(ii)所示的那样，当扫描频率接近共振频率时，振动板23的振动开始增加，当频率一致时，变为最大，反电流也变为最大。如(iii)所示，然后，扫描频率以一定速度继续变化，但是，振动板23的振动频率在(ii)变为最大的共振频率，渐渐衰减。

这里，在(iii)的振动衰减期间中，重要的是振动频率不变，通过频率变化的驱动电流的扫描频率和频率不变化的反电流的振动频率的混合，引起拍频的产生。产生的拍频中，用滤波器只把差的频率成分(变化)抽出，用它的大小判断粉体的有无。

当检测部分被粉体覆盖，振动板23不振动时，不发生反电流，也不产生拍频。下面，详细说明使用了该原理的振动式水平传感器的实施例。

图5是本发明一个实施例的振动式水平传感器的框图。在图5中，微型计算机40包含产生扫描频率的脉冲电压的脉冲发生电路41，产生的脉冲电压从驱动电路51通过电流检测电路提供给电磁铁21。电流检测电路52检测流过电磁铁21的脉冲电流，提供给相位比较电路53。相位比较电路53检测该脉冲电流和从脉冲发生电路提供的脉冲电压的相位差。

当粉体不接触检测部时，由于振动板23振动，在驱动电流中产生所述的拍频成分，所以在相位比较电路53的输出中产生波动。当粉体接触检测部时，由于振动板23不振动，所以不发生相位的波动。把该相位比较电路53的输出提供给平滑电路54，并且作为捕获信号输入到微型计算机40中。平滑电路54因为相位比较电路53的输出是一种PWM信号，所以转换为容易处理的模拟电压。

由平滑电路54转换的模拟电压提供给带通滤波器(BPF)55，并且提供给内置在微型计算机40中的10位A/D转换器42，转换为数字信号。该数字信号作为温度测定用的输入而使用。BPF55只检测5Hz附近的波动(拍频)成分。该检测成分由放大电路56放大，提供给内置于微型计算机40中的10位A/D转换器43。由A/D转换器43转换的数字信号作为粉体检测信号，以2.2msec间隔输入微型计算机40中。

在微型计算机40上连接有中继电路58和动作显示灯59。微型计算机40对读入的检测信号进行演算处理，求出拍频值，把该拍频值与预先决定的设定值比较。微型计算机40根据比较结果，向中继电路58和动作显示灯59输出表示被检测物的有无的信号。

图6是表示图5所示的振动式水平传感器的测定顺序的图，图7是表示图6的测定顺序的粉体检测期间细节的图。

如图6所示，微型计算机40例如以4秒为1测定周期，进行水平测定。约4秒的1测定周期中，例如前半部分约2.2秒为温度测定周期，后半部分约1.8秒为粉体检测周期。在前半部分的温度测定周期中，微型计算机40根据A/D转换器42的数字输出，测定温度值。然后，微型计算机40通过该测定的温度值控制粉体检测周期的扫描频率范围。

在温度测定期间中，如图6所示，扫描频率固定为500Hz，如图7所示，粉体检测期间开始后0.54秒，存在从500Hz向扫描开始频率的切换引起的驱动电流的紊乱的影响，所以使A/D转换器43的输出为OFF，不进行电压的输入，其后的期间中，使A/D转换器43的输出为ON，读入电压。

当没有粉体时，如图7所示，产生拍频电压引起的波动成分，但是当检测部被粉体等覆盖而不振动时，如图7的粗线所示，不产生基于波动的电压。该振幅值为振动值。该振动值为0～1023(10位A/D转换器43)的值。

图8A、8B是图7的A/D转换器43的输入电压波形的实测值。图8A是检测管1的顶端为自由时的波形，图8B用手握着检测管1的顶端时的波形图。如果对比图8A和图8B，当在前半部分期间中，检测管1的顶端为自由时与受限制时的波形明显不同，所以不会在粉体有无的判断上产生错误。

图9A和图9B是表示振动式水平传感器的温度测定细节的图。

如图9B所示，电磁铁21包含线圈21，可认为是电感器XL和电阻R串联的等效电路。如果在该电路中施加交流(脉冲)电压，则由于电感器XL和电阻R构成的相位滞后，电流流过。如果线圈的温度变化，则电阻值按如上所述变化，但是电感XL不产生温度引起的变化。因此，如图9A所示，由于温度变化引起的电阻值变化，流过的电流的相位角度变化。

之所以使驱动频率为500Hz，是因为避开机械振动的影响，并且避免频率变动所引起的误差。用相位比较电路53比较流过电磁铁21的电流的相位和提供给驱动电路51的基准相位，成为与平滑电路54后的相位差相应的电流电压，提供给A/D转换器42。因此，由A/D转换器42的分辨能力决定温度的分辨能力，在图5的电路中，对于约3.3℃的变化，温度数据计数变化1。

此外，对于驱动数据，由于用BPF55除去了直流变化成分，所以不受温度变化引起的电压变化的影响。

振动板23的振动频率在制作上存在某种程度的偏移，另外，在标准形和长形中，振动频率不同，组装结束后和检测部的更换后，有必要把检测部的工作频率存储在微型计算机40中。该动作称作调谐。然后，根据以下表达式，从调谐时存储的温度数据、频率数据、测定时的温度数据，计算测定时的基准(扫描)频率范围。据此，决定最佳的扫描频率，进行测定。

Fs＝(Ts-Tt)·k+Ft

Tt：调谐时的温度数据  Ts：测定时的温度数据

Ft：调谐时的频率数据  Fs：测定时的频率数据  k：比率系数

Claims (6)

1.一种振动式水平传感器的温度测定方法，是一种利用与检测管(1)内的振动板(23)上设置的磁铁(22)隔着若干间隔相对的电磁铁(21)线圈的特性测定温度的振动式水平传感器的温度测定方法，其特征在于：

以所述振动板(23)的共振频率为中心，在所述线圈上施加以给定范围内的频率进行了扫描的交流电流，根据基于所述线圈温度的电阻值的变化所致的流动的电流的相位角度的变化，测定温度。

2.一种振动式水平传感器物体检测方法，是一种利用与检测管(1)内的振动板(23)上设置的磁铁(22)隔着若干间隔相对的电磁铁(21)线圈的振动频率，检测物体的有无的振动式水平传感器的温度测定方法，其特征在于：

以所述振动板的共振频率为中心，在每个给定周期中，在所述线圈上施加以给定范围内的频率进行了扫描的交流电流，当施加所述交流电流时，检测出对应物体是否接触所述振动板而产生的相位变化，根据被检测出的相位变化，判别所述物体的有无，根据在所述给定测定周期的前半期间中检测出的相位变化，测定温度，在所述给定测定周期的后半期间中，根据所述温度的测定结果，改变所述扫描频率。

3.一种振动式水平传感器的物体检测装置，是一种利用与检测管(1)内的振动板(23)上设置的磁铁(22)隔着若干间隔相对的电磁铁(21)线圈的振动频率，检测物体的有无的振动式水平传感器的温度测定装置，其特征在于：包括：

以所述振动板的共振频率为中心，在每个给定周期中在线圈上施加以给定范围内的频率进行了扫描的的交流电流的交流电流施加部件；

当通过所述交流电流施加部件施加了交流电流时，检测出对应所述物体是否接触所述振动板(23)而产生的相位变化的相位检测部件；

根据由所述相位检测部件检测的相位变化，判别所述物体的有无的判别部件；

在所述给定测定周期的前半期间中，根据所述相位检测部件的检测输出，测定温度的温度测定部件；

在所述给定测定周期的后半期间中，根据所述温度测定部件的测定结果，改变所述扫描频率的频率改变部件。

4.根据权利要求3所述的振动式水平传感器的物体检测装置，其特征在于：所述相位检测部件，用于检测出通过所述振动板(23)的振动频率和所述交流电流的扫描频率的混合，而在所述电磁铁(21)线圈中产生的拍频成分引起的相位波动。

5.根据权利要求4所述的振动式水平传感器的物体检测装置，其特征在于：所述相位检测部件包括用于提取出所述拍频成分的滤波器(55)。

6.根据权利要求3所述的振动式水平传感器的物体检测装置，其特征在于：根据因线圈温度所引起的电阻值变化而产生的电流相位角度的变化，测定温度。

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