JP2003516535A - センサ装置を評価する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明によって提供されるのは、センサ装置を評価する方法および装置であり、ここでこのセンサ装置は、外部の励振電圧によって励振される共振回路において電気共振器を構成する。共振周波数の領域においてこの共振回路の電流の検出が行われ、つぎにこの検出した電流と、外部の励振電圧との乗算が行われる。最終的に、乗算から得られた信号の平均値が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 従来の技術 本発明は、センサ装置を評価する方法および装置に関し、ここでこのセンサ装
置は、外部の励振電圧によって励振される共振回路において電気共振器を構成す
る。

【０００２】 任意のセンサ装置に適用可能ではあるが、本発明および本発明の根底のある問
題を粘度センサ装置に関連して説明する。

【０００３】 粘度測定のためにはしばらく前から、例えば水晶から作製される圧電せん断共
振器（Dickenscherschwinger）が使用されている。これに関しては例えば、S. J
. MartinらによるSens. Act. A 44 (1994)の第２０９〜２１８頁を参照されたい
。このような圧電せん断共振器が粘性の液体に浸されると、その固有振動の共振
周波数および減衰が、粘性の液体の密度および粘度に依存して変化する。

【０００４】 図４には、水晶共振器を有する公知の粘度センサの等価回路図が示されている
。図４ではＲは一般に粘度センサないしは「共振器」を示している。この電気的
な等価回路図では、ＴＡは乾燥成分部を、またはＦＡは液体成分部を表す。乾燥
成分部ＴＡには、キャパシタンスＣ_１と、インダクタンスＬ_１と、抵抗Ｒ_１とか
らなる直列回路がある。液体成分部には、インダクタンスＬ_２と抵抗Ｒ_２とから
なる直列回路がある。乾燥成分部ＴＡと、液体成分部ＦＡとは別のキャパシタン
スＣ_０によって架橋されている。

【０００５】

【外１】

【０００６】 液体成分部ＦＡでは抵抗Ｒ_２は、に比例し、ここでηおよびρはそれぞれ、粘
性の液体の動的な粘度および密度である。Ｒ_２は、液体による粘性の減衰を表す
。Ｌ_２は、粘性を有する液体による周波数偏移を発生させ、これもに比例する。
粗い共振器表面ではＬ_２は、別の成分も含み、これは「捕らえられた」液体成分
により粗い共振器表面において発生する。したがって密度ρが既知であるかまた
は十分に一定であれば、この水晶共振器を使用して粘度ηを決定することが可能
である。

【０００７】 S. J. Martinらによる上記の刊行物によれば、これらの変化する電気的パラメ
タＲ_２およびＬ_２は、発振器における周波数を決定する素子として、この共振器
Ｒを使用することによって検出可能である。

【０００８】 これとは択一的に共振周波数の周囲でインピーダンススペクトルを求めること
が可能である。これについてはLecらのProc. IEEE Ultrasonics Symp. (1997)，
第４１９〜４２２頁を参照されたい。

【０００９】 図５は、図４の公知の粘度センサに対する公知の評価回路である。

【００１０】 電圧制御発振器ＶＣＯがこのために使用され、これは液体に浸された共振器Ｒ
に給電し、この場合にこの液体は油である。共振器Ｒの出力信号と、基準信号Ｒ
ＥＦとが乗算器ないしは乗算器Ｍにおいて混合される。

【００１１】 結果的に得られる信号の直流成分は、最終的にローパスフィルタＴＰを介して
求められる。電圧制御発振器ＶＣＯの周波数についてのこの出力信号の経過が、
最終的に油の粘度の評価に使用される。

【００１２】 この評価は計算機１００で行われ、これは電圧制御発振器の制御も同様に行う
。

【００１３】 上記の公知の手段においてつぎのような事実が欠点であることが判明した。す
なわち、抵抗Ｒ_２は、粘度の高い液体の特徴を表す際に大きく増加し、これによ
ってこの共振器のインピーダンスが、直列共振周波数の周囲においても、実質的
にキャパシタンスＣ_０により、またこれに並列に配置される浮遊容量Ｃ_Ｓにより
決定されるという事実が判明したのである。このために発振器またはインピーダ
ンススペクトロスコピーを用いた、関連する等価パラメタの決定は困難になる。
考えられる対策は、インダクタンスを並列接続して、この共振器の直列共振周波
数の周囲でＣ_０およびＣ_Ｓを補償することである。この際の欠点は、調整が必要
であること、および浮遊容量Ｃ_Ｓが状況によっては変化するという事実である。

【００１４】 Lecらによる上記の刊行物による方法では基準パスの性質に依存して、Ｃ_０お
よびＣ_Ｓの影響の少なくとも一部を補償することができるが、粘度に相応する出
力信号は供給されず、この粘度によって決定される特徴的な周波数経過を求める
ためだけにしか使用されない。

【００１５】 発明の利点 請求項１の特徴部分に記載された特徴的構成を有する本発明の方法ないしは請
求項６による相応する装置は、公知の解決手段に対して、相応する回路が粘度の
高い液体の測定にも有利であるという利点を有する。センサ出力信号は、処理の
簡単な直流電圧であり、ここでこれは液体の粘度に対する尺度である。

【００１６】 本発明の根底にあるアイデアは、静的な共振器キャパシタンスＣ_０と浮遊容量
Ｃ_ｓの障害的な影響を除去し、ここでこれは、直列共振周波数において、共振器
電流の同相で経過する抵抗性の成分の振幅を求めることによって行われる。

【００１７】 従属請求項には本発明の構成の有利な発展形態および改善が記載されている。

【００１８】 有利な１発展形態では、電流をアースに接続された測定抵抗によって検出する
。

【００１９】 別の有利な発展形態では、共振器電流の抵抗性の成分の振幅を、この共振器電
流に相応する信号と外部の励振電圧との乗算および引き続く平均値形成のための
フィルタリングによって求める。

【００２０】 別の有利な発展形態では、外部の励振電圧を掃引して、平均値に相応する信号
のピーク値を、掃引周波数の周期よりも長い時定数によって保持する。

【００２１】 別の有利な発展形態では、外部の励振電圧を（例えば小さな方形波信号によっ
て）周波数変調する。これによって平均値に相応する信号の振幅変動が発生する
。平均値に相応する信号は、変調信号と共に、励振中心周波数を共振周波数に制
御するために使用される。

【００２２】 別の有利な発展形態ではセンサ装置は、粘度センサでありかつ決定装置を有し
ており、この装置により、第１ローパスフィルタの出力信号および制御装置の出
力信号に基づいて粘弾性の影響を決定する。

【００２３】 別の有利な発展形態では、乗算装置の少なくとも１つは、回路技術的に、スイ
ッチ式のインバータによって実現される。

【００２４】 別の有利な発展形態では、検出装置は、共振回路における電流を検出するため
にトランスインピーダンス増幅器を有する。

【００２５】 図面 本発明の実施例を図面に示し、以下に詳しく説明する。

【００２６】 ここで、 図１は、本発明による評価装置の第１実施形態のブロック回路図を示しており
、 図２は、本発明による評価装置の第２実施形態のブロック回路図を示しており
、 図３は、図２に示した本発明による評価装置の第２実施形態において、ＶＣＯ
周波数に依存して第１ローパスフィルタの出力電圧を示しており、 図４は、公知の粘度センサの等価回路図を示しており、 図５は、図４の公知の粘度センサに対する公知の評価回路を示している。

【００２７】 実施例の説明 図面において同じ参照符号は、同じまたは同じ機能を有する構成部分を示して
いる。

【００２８】 図１には本発明による評価回路の第１実施形態のブロック回路図が示されてい
る。

【００２９】 図１において参照符号Ｗは、外部の給電電圧を掃引する掃引装置を示している
。ここでＶＣＯは電圧制御発振器であり、これはノコギリ波発生器ＳＺによって
制御される。Ｒは一般に共振器を、Ｃ_Ｓは浮遊容量を、またＲ_ｍは、アースに接
続された検出抵抗をそれぞれ示している。Ｍは乗算器であり、これは検出抵抗Ｒ _ｍ の出力信号と、掃引装置Ｗの出力信号とを互いに混合する。ＴＰはローパスフ
ィルタであり、これは乗算器Ｍの出力信号を受け取る。またＳＷＤはピーク値検
出器であり、これはローパスフィルタＴＰの出力信号を受け取って、最終的に粘
度に相応する出力信号ＡＵＳを供給する。

【００３０】 例えば、共振器電流は、測定抵抗Ｒ_ｍによって決定され、かつ印加された共振
器電圧と乗算される。結果的に得られる信号の平均値は、共振器電流の同相で経
過する成分の振幅に比例し、かつローパスフィルタを用いたフィルタリングによ
って求めることができる。このようにしてＣ_０およびＣ_ｓによって決まる無効電
流成分の影響を除くことができる。

【００３１】 このように構成された、粘度を求める回路の詳しい機能は次の通りである。共
振器Ｒは、掃引装置Ｗによって給電される。周波数の同調ないしは掃引時に共振
器Ｒの直列共振周波数において、最大値がローパスフィルタＴＰの出力信号に発
生し、これは、粘度によって決まる抵抗Ｒ_２（図４参照）を決定するために使用
可能である。ローパスフィルタの出力側におけるこの最大値は、ピーク値検出器
ＳＷＤによって検出され、粘度を決定するための出力信号ＡＵＳとして使用され
る。

【００３２】 ここでピーク値検出器ＳＷＤの記憶−時定数は、掃引装置Ｗの掃引周波数の周
期よりも大きい。

【００３３】 図２には、本発明による評価装置の第２実施形態のブロック回路図が示されて
いる。

【００３４】 図２では、すでに説明した参照符号に加えて、Ｍ１は第１乗算器を、ＴＰ１は
第１ローパスフィルタを、Ｕ＿ＴＰ１は第１ローパスフィルタＴＰ１の出力信号
を、Ｍ２は第２乗算器を、ＴＰ２は第２ローパスフィルタを、Ｉは積分器を、Ｕ
＿ＶＣＯは積分器Ｉの出力信号を、ＡＤＤは加算器を、ＲＥは変調電圧Ｕ＿Ｒを
形成する方形波信号形成装置を、またＡ１ないしはＡ２はそれぞれ第１および第
２出力信号を示している。

【００３５】 この第２実施形態では、電圧制御発振器ＶＣＯを、第１実施形態の掃引方式と
は択一的に、制御ループによって共振器Ｒの共振周波数に同調させることができ
る。直列共振時に第１ローパスフィルタＴＰ１の出力側における信号Ｕ＿ＴＰ１
は最大値を示し、したがってこれを線形の制御器の入力量として直接使用するこ
とはできない。

【００３６】 このためこの実施形態では電圧制御発振器ＶＣＯの周波数を中心周波数ｆ＿ｃ
の周りで周期的に変化させ、すなわち周波数変調する。これは図３に説明されて
おり、この図は、図２に示した本発明の評価回路の第２実施形態において第１ロ
ーパスフィルタの出力電圧をＶＣＯ周波数に依存して示す図である。

【００３７】 考察するケースではこれは、電圧制御発振器ＶＣＯの制御電圧Ｕ＿ＶＣＯと、
振幅Ｕ＿Ｒの小さな方形波信号とを重畳することによって行われる。この場合に
、電圧制御発振器の瞬時周波数は、周期的に値ｆ＿ｃ＋ｄｆと、ｆ＿ｃ−ｄｆと
の間で行ったり来たりして跳躍し、ここでｆ＿ｃ＝ｋ＊Ｕ＿ＶＣＯまたｄｆ＝ｋ
＊Ｕ＿Ｒであり、ｋは電圧制御発振器ＶＣＯの定数である。

【００３８】 これにより第１ローパスフィルタＴＰ１の出力側に、方形波電圧すなわち信号
Ｕ＿ＴＰ１が重畳された直流電圧が発生する。この最後の信号は、ｆ＿ｃが直列
共振周波数ｆ＿ｒｅｓを下回っているか、上回っているかに応じて、変調された
方形波電圧と同相であるか１８０°の逆相であるかのいずれかであり、これは図
３の右上に示されている通りである。

【００３９】 ｆ＿ｃ＝ｆ＿ｒｅｓに対して、重畳された方形波電圧は消滅する。厳密にはこ
れは共振周波数の周りで対称に周波数が経過する場合にだけ当てはまるのである
が、Ｕ＿Ｒを十分に小さく選択した場合には、これはいずれにせよ良好な近似で
当てはまる。

【００４０】 したがって、第１ローパスフィルタＴＰ１の出力信号Ｕ＿ＴＰ１と、変調信号
Ｕ＿Ｒとの乗算、および遮断周波数が方形波信号（変調信号）の周波数よりも格
段に小さな第２ローパスフィルタＴＰ２による直流成分の検出により、周波数ｆ
＿ｃ＞ｆ＿ｒｅｓの場合に正の電圧が、また周波数ｆ＿ｃ＜ｆ＿ｒｅｓの場合に
負の電圧が得られる。

【００４１】 したがって制御器に積分器Ｉを使用することによって、電圧制御発振器ＶＣＯ
に対する制御電圧Ｕ＿ＶＣＯを得ることができ、この電圧によってｆ＿ｃ＝ｆ＿
ｒｅｓが調整される。調整が行われた状態では、出力信号Ａ１、すなわちＵ＿Ｔ
Ｐ１も、出力信号Ａ２、すなわちＵ＿ＶＣＯも共に粘度に相応するアナログの出
力信号として使用可能である。

【００４２】 ここで出力信号Ａ１およびＡ２は、この共振器の減衰ないしは共振周波数に相
応する。この２つの量は、測定した液体の粘度を表している。さらにこれらの量
を同時に考察することによって、粘弾性的（したがって純粋に粘性的ではない）
な液体特性も識別することができる。それはこの場合に２つの量の関係が、準数
位に粘性の場合と比べて変わるからである。

【００４３】 別の実施例では、乗算器を回路技術的に、スイッチ式のインバータによって実
現することができる。すなわちこの回路の機能に対しては位相関係の評価が重要
である。使用するすべて乗算器Ｍ，Ｍ１，Ｍ２において、２つの入力量の１つが
一定の振幅を有する（ＭおよびＭ１では励振電圧、Ｍ２では方形波電圧）。

【００４４】 より正確にいえば、１つの第１入力量、すなわちＭおよびＭ１における励振電
圧、ないしはＭ２における方形波電圧を使用してスイッチを制御する。第２入力
量は、このスイッチの位置に応じて反転される（第１入力量が負）か、または反
転されない（第１入力量が正）。

【００４５】 本発明を有利な実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されること
はなく、多様に変更可能である。

【００４６】 例えば本発明は粘度センサに限定されることはなく、外部の励振電圧によって
励振される共振回路において、共振周波数を決定する素子として使用されるすべ
てのセンサに適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による評価装置の第１実施形態のブロック回路図である。

【図２】 本発明による評価装置の第２実施形態のブロック回路図である。

【図３】 図２に示した本発明による評価装置の第２実施形態において、ＶＣＯ周波数に
依存して第１ローパスフィルタの出力電圧がプロットされた線図である。

【図４】 公知の粘度センサの等価回路図である。

【図５】 図４の公知の粘度センサに対する公知の評価回路を示す図である。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 センサ装置を評価する方法であって、 該センサ装置は、外部の励振電圧によって励振される共振回路にて電気共振器
   を構成する形式のセンサ装置を評価する方法において、 共振周波数の領域にて共振回路の電流を検出し、 検出した当該電流と、前記外部の励振電圧とを乗算し、 当該乗算から得られた信号の平均値を形成することを特徴とする、 センサ装置を評価する方法。
2. 【請求項２】 前記電流を、アースに接続された測定抵抗（Ｒ_ｍ）によって
   検出する、 請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記電流の抵抗性の成分の振幅を、前記共振器電流に相応す
   る信号と外部の励振電圧との乗算および引き続く平均値形成のためのフィルタリ
   ングとによって求める、 請求項１または２に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記の外部の励振電圧を掃引して、平均値に相応する信号の
   ピーク値を、当該掃引周波数の周期よりも長い時定数によって保持する、 請求項３に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記の外部の励振電圧を周波数変調して、相応する振幅変動
   が、前記の平均値に相応する信号にて発生するようにし、 平均値に相応する当該信号を、前記変調信号と共に使用して、前記励振中心周
   波数を共振周波数に制御する、 請求項３に記載の方法。
6. 【請求項６】 センサ装置の評価装置であって、 該センサ装置は、外部の励振電圧によって励振される共振回路にて電気共振器
   を構成する形式の、センサ装置の評価装置において、 前記共振回路の電流を検出する検出回路、 当該検出した電流と前記の外部の励振電圧とを乗算する第１乗算装置（Ｍ，Ｍ
   １）、および 該第１乗算装置（Ｍ，Ｍ１）の出力信号の平均値を形成する平均値形成装置を
   有することを特徴とする、 センサ装置の評価装置。
7. 【請求項７】 前記検出装置は、アースに接続された測定抵抗（Ｒ_ｍ）を含
   む、 請求項６に記載の装置。
8. 【請求項８】 前記平均値形成装置は、第１ローパスフィルタ（ＴＰ，ＴＰ
   １）を含む、 請求項６または７に記載の装置。
9. 【請求項９】 前記の外部の励振電圧を掃引する掃引装置（Ｗ）と、ピーク
   値検出回路とを有し、 該ピーク値検出回路は、第１ローパスフィルタ（ＴＰ）の出力信号のピーク値
   を、前記掃引周波数の周期よりも長い時定数で検出する、 請求項８に記載の装置。
10. 【請求項１０】 前記の外部の励振電圧を周波数変調する周波数変調装置（
    ＲＥ，ＡＤＤ）および当該周波数変調から得られる、第１ローパスフィルタ（Ｔ
    Ｐ１）の出力信号の振幅変動と、 前記の第１ローパスフィルタ（ＴＰ１）および変調信号の出力信号に基づいて
    共振回路を共振周波数に制御する制御装置（Ｍ２，ＴＰ２，Ｉ）を有する、 請求項８に記載の装置。
11. 【請求項１１】 前記制御装置（Ｍ２，ＴＰ２，Ｉ）は、 前記の第１ローパスフィルタ（ＴＰ１）の出力信号と変調信号とを乗算する第
    ２乗算装置（Ｍ２）、 該第２乗算装置（Ｍ２）の出力信号の直流電圧成分を求める第２ローパスフィ
    ルタ（ＴＰ２）、および 該第２ローパスフィルタ（ＴＰ２）の出力信号を積分する積分装置を有する、 請求項１０に記載の装置。
12. 【請求項１２】 前記センサ装置は、粘度センサでありかつ決定装置を有し
    ており、 該決定装置により、前記の第１ローパスフィルタ（ＴＰ１）の出力信号および
    制御装置（Ｍ２，ＴＰ２，Ｉ）の出力信号に基づいて粘弾性による影響が決定さ
    れる、 請求項１０または１１に記載の装置。
13. 【請求項１３】 前記の乗算装置（Ｍ，Ｍ１，Ｍ２）の少なくとも１つは、
    回路技術的に、スイッチ式のインバータによって実現される、 請求項６から１２までのいずれか１項に記載の装置。
14. 【請求項１４】 前記の共振回路における電流を検出する検出装置は、トラ
    ンスインピーダンス増幅器を有する、 請求項６から１３までのいずれか１項に記載の装置。