JP2011257357A - Pressure detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動子を配したセンサ部により測定対象の圧力を検出する圧力検出装置に関する。 The present invention relates to a pressure detection device that detects a pressure of a measurement object by a sensor unit provided with a vibrator.
プラントや工場等では、圧力検出装置や流量計、温度計、バルブポジショナ等のフィールド機器が分散配置して用いられている。 In plants and factories, field devices such as pressure detectors, flow meters, thermometers, and valve positioners are used in a distributed manner.
圧力検出装置の一種に、流体が流れる配管の途中にオリフィスプレート等の絞り機構を設け、絞り機構の上流側の圧力（高圧側圧力）と下流側の圧力（低圧側圧力）とを検出し、これらの差圧を示す差圧信号と静圧を示す静圧信号とを求める圧力検出装置がある。この種の圧力検出装置は、絞り機構の上流側に位置して配管に接続された導圧管と下流側に位置して配管に接続される導圧管とを備えており、この導圧管を伝う流体の圧力を検出することで、上記の高圧側圧力と低圧側圧力とを検出する。 One type of pressure detection device is provided with a throttle mechanism such as an orifice plate in the middle of a pipe through which fluid flows, and detects the pressure on the upstream side (high pressure side pressure) and the pressure on the downstream side (low pressure side pressure) of the throttle mechanism, There is a pressure detection device that obtains a differential pressure signal indicating the differential pressure and a static pressure signal indicating the static pressure. This type of pressure detection device includes a pressure guiding pipe that is located upstream of the throttle mechanism and connected to the pipe, and a pressure guiding pipe that is located downstream and connected to the pipe. By detecting this pressure, the high pressure side pressure and the low pressure side pressure are detected.
圧力検出装置における圧力検出の方式の一種に、センサチップ上に振動子を配置して発振させるとともに、この振動子の固有振動数を検出することによりそのセンサチップにかかる圧力を検出する方式がある。 One type of pressure detection method in a pressure detection device is a method in which a vibrator is placed on a sensor chip to oscillate and the pressure applied to the sensor chip is detected by detecting the natural frequency of the vibrator. .
近年は、上記のようなフィールド機器に無線通信手段を組み込み、検知、収集したデータを無線通信によりホストコンピュータへ送信するものが提案されている。 In recent years, it has been proposed to incorporate wireless communication means in the field device as described above and transmit detected and collected data to a host computer by wireless communication.
通常、無線通信を用いるフィールド機器の多くは、配線が難しい場所への配置が考えられているため、電池で動作する方式が用いられる。このようなフィールド機器には、電池交換せずに長期間（たとえば数年間）にわたって動作することが要求されるため、低消費電力で動作することが必要となる。 Usually, since many field devices using wireless communication are considered to be arranged in places where wiring is difficult, a system that operates on a battery is used. Such a field device is required to operate for a long period of time (for example, several years) without replacing the battery, and therefore needs to operate with low power consumption.
下記特許文献１〜３には、無線通信手段をフィールド機器に組み込み、検出・収集したデータをホストコンピュータに送信する技術が記載されている。また、下記特許文献４には、センサと無線通信手段とを間欠動作させて消費電力を削減する監視端末装置が記載されている。 Patent Documents 1 to 3 below describe techniques for incorporating wireless communication means into a field device and transmitting detected / collected data to a host computer. Patent Document 4 listed below describes a monitoring terminal device that reduces power consumption by intermittently operating a sensor and wireless communication means.
図６は、センサチップ上に振動子を配置して発振させ、振動子の固有振動数を検出することで圧力検出する従来の圧力検出装置において、センサ部に印加する駆動電圧とセンサ部出力を示す図である。図６の（ａ１）はセンサ部に印加する駆動電圧、（ａ２）はセンサ部出力であり、（ｂ１）と（ｂ２）はそれぞれ（ａ１）と（ａ２）の部分拡大図である。 FIG. 6 shows a driving pressure applied to a sensor unit and a sensor unit output in a conventional pressure detection device that detects pressure by arranging a transducer on a sensor chip to oscillate and detecting the natural frequency of the transducer. FIG. In FIG. 6, (a1) is a drive voltage applied to the sensor unit, (a2) is a sensor unit output, and (b1) and (b2) are partially enlarged views of (a1) and (a2), respectively.
図６の（ａ１）において、所定の間欠動作周期ｔｓ（たとえば１sec〜３６００sec）で駆動電圧Ｖａがセンサ部に印加される。センサ部に駆動電圧Ｖａが印加されると、センサチップ上の振動子が発振を開始し、また、センサ部のその他のデジタル回路部分も駆動される。 In (a1) of FIG. 6, the drive voltage Va is applied to the sensor unit at a predetermined intermittent operation cycle ts (for example, 1 sec to 3600 sec). When the drive voltage Va is applied to the sensor unit, the vibrator on the sensor chip starts to oscillate, and other digital circuit portions of the sensor unit are also driven.
図７は従来の圧力検出装置の動作フローを示す図である。圧力検出装置の電源が投入され、ユーザから圧力検出を指示する操作が行われることにより本フローはスタートする。
まず、ステップＳ１において、圧力検出の周期を定める間欠動作周期タイマをスタートし、ステップＳ２に進む。間欠動作周期タイマは、圧力のセンシングを行う間欠動作周期ｔｓをカウントするためのタイマである。
ステップＳ２では、間欠動作周期タイマが満了しているか否かを確認し、満了していない場合には満了を待ち、満了している場合にはステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、間欠動作周期タイマをリセットし、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、センサ部に通常の駆動電圧である駆動電圧Ｖａの印加を開始し、ステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、振動子の発振を待ち、振動子の発振が開始すると次のステップＳ６に進み、振動子の発振が安定するのを待つ。その後ステップＳ７に進む。
ステップＳ７では、圧力のセンシングが完了したかどうかを確認し、センシングが完了していない場合には完了を待ち、センシングが完了している場合にはステップＳ８に進む。
ステップＳ８では、センサ部に印加していた駆動電圧ＶａをＯＦＦし、ステップＳ１に戻る。
FIG. 7 is a diagram showing an operation flow of a conventional pressure detection device. This flow starts when the power of the pressure detection device is turned on and an operation for instructing pressure detection is performed from the user.
First, in step S1, an intermittent operation cycle timer that determines a pressure detection cycle is started, and the process proceeds to step S2. The intermittent operation cycle timer is a timer for counting an intermittent operation cycle ts for sensing pressure.
In step S2, it is confirmed whether or not the intermittent operation cycle timer has expired. If not, the process waits for expiration, and if it has expired, the process proceeds to step S3.
In step S3, the intermittent operation cycle timer is reset, and the process proceeds to step S4.
In step S4, application of the drive voltage Va, which is a normal drive voltage, to the sensor unit is started, and the process proceeds to step S5.
In step S5, the oscillation of the vibrator is awaited. When the oscillation of the vibrator starts, the process proceeds to the next step S6 and waits for the oscillation of the vibrator to stabilize. Thereafter, the process proceeds to step S7.
In step S7, it is confirmed whether or not the pressure sensing is completed. If the sensing is not completed, the process waits for the completion. If the sensing is completed, the process proceeds to step S8.
In step S8, the drive voltage Va applied to the sensor unit is turned off, and the process returns to step S1.
圧力検出装置で求められた差圧信号及び静圧信号は、アナログ伝送路又はデジタル伝送路を介してホストコンピュータに送信される。 The differential pressure signal and the static pressure signal obtained by the pressure detection device are transmitted to the host computer via an analog transmission line or a digital transmission line.
しかしながら、図６の（ｂ２）に示すように、センサ部に駆動電圧Ｖａを印加してからセンサ出力が得られるまでには時間（図中ｔ０）がかかる。これは、振動子に駆動電圧Ｖａの印加を開始してから振動子の発振がセンサ部のデジタル回路で検出できる程度まで立ち上がるまでに時間がかかるためである。その結果、安定したセンサ出力が得られるまでの待ち時間（ｔ０）が余計な電力消費につながってしまう。 However, as shown in (b2) of FIG. 6, it takes time (t0 in the figure) until the sensor output is obtained after the drive voltage Va is applied to the sensor unit. This is because it takes time from the start of application of the driving voltage Va to the vibrator until it rises to such an extent that the oscillation of the vibrator can be detected by the digital circuit of the sensor unit. As a result, the waiting time (t0) until a stable sensor output is obtained leads to excessive power consumption.
本発明は、従来の問題をなくし、消費電力をより低減できる圧力検出装置を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the pressure detection apparatus which eliminates the conventional problem and can reduce power consumption more.
このような課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
振動子を配したセンサ部により測定対象の圧力を検出する圧力検出装置において、
前記センサ部の動作タイミングを制御する制御部と、
この制御部から指示される動作タイミングに基づいて前記センサ部に駆動電圧を印加する電源部とを備え、
この電源部は、前記駆動電圧の印加に先立ち、前記駆動電圧よりも低い電圧であって前記振動子の発振を促す初期電圧を印加することを特徴とする。
In order to solve such a problem, the invention described in claim 1
In the pressure detection device that detects the pressure of the measurement object by the sensor unit provided with the vibrator,
A control unit for controlling the operation timing of the sensor unit;
A power supply unit that applies a driving voltage to the sensor unit based on an operation timing instructed by the control unit;
The power supply unit applies an initial voltage that is lower than the drive voltage and promotes oscillation of the vibrator prior to application of the drive voltage.
請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の圧力検出装置において、
前記制御部は、前記センサ部を間欠動作させることを特徴とする。
The invention described in claim 2
The pressure detection device according to claim 1,
The control unit operates the sensor unit intermittently.
請求項３に記載の発明は、
請求項１または２に記載の圧力検出装置において、
前記初期電圧は、前記振動子は駆動され、前記センサ部のデジタル回路部分は駆動されない電圧値であることを特徴とする。
The invention according to claim 3
The pressure detection device according to claim 1 or 2,
The initial voltage is a voltage value in which the vibrator is driven and the digital circuit portion of the sensor unit is not driven.
請求項４に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の圧力検出装置において、
前記電源部は、前記初期電圧の電圧値を変更可能に構成されたことを特徴とする。
The invention according to claim 4
In the pressure detection apparatus in any one of Claims 1-3,
The power supply unit is configured to be able to change a voltage value of the initial voltage.
請求項５に記載の発明は、
請求項１〜４のいずれかに記載の圧力検出装置において、
前記電源部は、前記初期電圧の印加時間を変更可能に構成されたことを特徴とする。
The invention described in claim 5
In the pressure detection apparatus in any one of Claims 1-4,
The power supply unit is configured to be able to change the application time of the initial voltage.
請求項６に記載の発明は、
請求項４に記載の圧力検出装置において、
前記電源部は、前記初期電圧の電圧値を前記センサ部の温度に基づいて変化させることを特徴とする。
The invention described in claim 6
The pressure detection device according to claim 4,
The power supply unit may change a voltage value of the initial voltage based on a temperature of the sensor unit.
請求項７に記載の発明は、
請求項５に記載の圧力検出装置において、
前記電源部は、前記初期電圧の印加時間を前記センサ部の動作周期に基づいて変化させることを特徴とする。
The invention described in claim 7
The pressure detection device according to claim 5,
The power supply unit may change the application time of the initial voltage based on an operation cycle of the sensor unit.
本発明によれば、
振動子を配したセンサ部により測定対象の圧力を検出する圧力検出装置において、前記センサ部の動作タイミングを制御する制御部と、この制御部から指示される動作タイミングに基づいて前記センサ部に駆動電圧を印加する電源部とを備え、この電源部は、前記駆動電圧の印加に先立ち、前記駆動電圧よりも低い電圧であって前記振動子の発振を促す初期電圧を印加することにより、
センサ部に通常の駆動電圧を印加する時間の中から振動子の発振待ちの時間を削減することができ、消費電力をより低減できる圧力検出装置を提供できる。
According to the present invention,
In a pressure detection device that detects a pressure to be measured by a sensor unit provided with a vibrator, a control unit that controls the operation timing of the sensor unit, and the sensor unit is driven based on the operation timing instructed by the control unit A power supply unit that applies a voltage, and before applying the drive voltage, the power supply unit applies an initial voltage that is lower than the drive voltage and promotes oscillation of the vibrator,
It is possible to provide a pressure detection device that can reduce the oscillation waiting time of the vibrator from the time for applying a normal drive voltage to the sensor unit, and can further reduce power consumption.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による圧力検出装置について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による圧力検出装置１の概要を示す図である。圧力検出装置１は、流体Ｘが流れる配管４に設置されている。圧力検出装置１は、ホストコンピュータ３（管理装置）と無線のデジタル伝送路（図示省略）を介して相互に接続されている。 Hereinafter, a pressure detection device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an outline of a pressure detection device 1 according to an embodiment of the present invention. The pressure detection device 1 is installed in a pipe 4 through which the fluid X flows. The pressure detection device 1 is connected to the host computer 3 (management device) via a wireless digital transmission path (not shown).
この圧力検出装置１は、配管４内に設置されたオリフィス５（絞り機構：図２参照）の上流側の配管４に接続された導圧管６ａ（第１導圧管）と、下流側の配管４に接続された導圧管６ｂ（第２導圧管）とを備えており、導圧管６ａ，６ｂ内の圧力の差圧及び静圧を検出する。圧力検出装置１は、図１に示す通り、上記の静圧及び差圧以外に流体Ｘの温度や質量流量の検出も可能である。 This pressure detection device 1 includes a pressure guiding pipe 6a (first pressure guiding pipe) connected to an upstream pipe 4 of an orifice 5 (throttle mechanism: see FIG. 2) installed in the pipe 4, and a downstream pipe 4 And a pressure guiding pipe 6b (second pressure guiding pipe) connected to the pressure sensing pipe, and detects a differential pressure and a static pressure between the pressure guiding pipes 6a and 6b. As shown in FIG. 1, the pressure detection device 1 can detect the temperature and mass flow rate of the fluid X in addition to the static pressure and the differential pressure.
図２は、圧力検出装置１の内部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、圧力検出装置１は、センサ部１１、周波数カウンタ１２、発振回路１３、中央処理装置（ＭＰＵ：Micro Processing Unit）１４、ＲＡＭ（Random Access Memory）１５、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）１６、表示部１７、通信部１８、及びＲＯＭ（Read Only Memory）２０、リチウム電池からなる電池部２５、電池管理部２６を備える。なお、電池部２５と電池管理部２６で電源部を構成する。 FIG. 2 is a block diagram showing an internal configuration of the pressure detection device 1. As shown in FIG. 2, the pressure detection device 1 includes a sensor unit 11, a frequency counter 12, an oscillation circuit 13, a central processing unit (MPU: Micro Processing Unit) 14, a RAM (Random Access Memory) 15, an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read). (Only Memory) 16, a display unit 17, a communication unit 18, a ROM (Read Only Memory) 20, a battery unit 25 made of a lithium battery, and a battery management unit 26. The battery unit 25 and the battery management unit 26 constitute a power supply unit.
センサ部１１は、シリコンレゾナントセンサの振動子２１ａ、トランス２２ａ、アンプ２３ａ、及び駆動回路２４ａからなる第１センサ部１１ａと、シリコンレゾナントセンサの振動子２１ｂ、トランス２２ｂ、アンプ２３ｂ、及び駆動回路２４ｂからなる第２センサ部１１ｂとを備える。 The sensor unit 11 includes a first sensor unit 11a including a resonator 21a, a transformer 22a, an amplifier 23a, and a drive circuit 24a of a silicon resonant sensor, and a vibrator 21b, a transformer 22b, an amplifier 23b, and a drive circuit 24b of a silicon resonant sensor. The 2nd sensor part 11b which consists of.
電池管理部２６は、電池部２５から供給される電圧から圧力検出装置１の動作に必要な電圧を生成し、圧力検出装置１内の各構成物品に適時供給する。発振回路１３とＭＰＵ１４については常時動作電圧を供給し、その他の構成物品についてはＭＰＵ１４から指示される動作タイミングに従って間欠的に電圧の供給を行う。センサ部１１に供給する電圧については、通常の駆動電圧Ｖａと初期電圧Ｖｂの２種類の電圧を生成するレギュレータ２６ａを備え、生成した２種類の電圧を選択的にセンサ部１１に供給する。初期電圧Ｖｂは駆動電圧Ｖａよりも低い。
ＭＰＵ１４は、検知部１９ａ、間欠動作周期タイマ１９ｂ、初期電圧印加タイマ１９ｃを備える。
The battery management unit 26 generates a voltage necessary for the operation of the pressure detection device 1 from the voltage supplied from the battery unit 25 and supplies it to each component in the pressure detection device 1 in a timely manner. The oscillation circuit 13 and the MPU 14 are always supplied with an operating voltage, and the other components are supplied with voltages intermittently according to the operation timing instructed by the MPU 14. The voltage supplied to the sensor unit 11 includes a regulator 26a that generates two types of voltages, a normal drive voltage Va and an initial voltage Vb, and selectively supplies the generated two types of voltages to the sensor unit 11. The initial voltage Vb is lower than the drive voltage Va.
The MPU 14 includes a detection unit 19a, an intermittent operation cycle timer 19b, and an initial voltage application timer 19c.
図３は、シリコンレゾナントセンサが形成されたセンサチップの構成を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面矢視図である。図３に示す通り、センサチップ３０は、シリコンによって形成された略直方体の形状であって、その底面３０ｂの中央部に凹部３１が形成されていることによりセンサチップ３０の表面３０ａ側の中央部がダイアフラム３２とされている。図３（ａ）に示す通り、振動子２１ａはセンサチップ３０の表面３０ａ上であってダイアフラム３２の端部に取り付けられており、振動子２１ｂは同表面３０ａ上であってダイアフラム３２の中央部に取り付けられている。 3A and 3B are diagrams illustrating a configuration of a sensor chip on which a silicon resonant sensor is formed, in which FIG. 3A is a perspective view, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. As shown in FIG. 3, the sensor chip 30 has a substantially rectangular parallelepiped shape formed of silicon, and a recess 31 is formed at the center of the bottom surface 30 b of the sensor chip 30, so that the center of the sensor chip 30 on the surface 30 a side. Is the diaphragm 32. As shown in FIG. 3A, the vibrator 21 a is attached to the end of the diaphragm 32 on the surface 30 a of the sensor chip 30, and the vibrator 21 b is on the surface 30 a and the center part of the diaphragm 32. Is attached.
センサチップ３０の表面３０ａには、振動子２１ａに接続された一対の配線が紙面に沿う上下方向にそれぞれ延びており、対をなす一方の配線の端部に励振端子３３が設けられ、対をなす他方の配線の端部に検出端子３４が設けられている。同様に、センサチップ３０の表面３０ａには、振動子２１ｂに接続された一対の配線が紙面に沿う上下方向にそれぞれ延びており、対をなす一方の配線の端部に励振端子３５が設けられ、対をなす他方の配線の端部に検出端子３６が設けられている。励振端子３３は図２中の駆動回路２４ａに接続されており、検出端子３４は図２中のトランス２２ａに接続されている。同様に、励振端子３５は図２中の駆動回路２４ｂに接続されており、検出端子３６は図２中のトランス２２ｂに接続されている。 On the surface 30a of the sensor chip 30, a pair of wires connected to the vibrator 21a extend in the vertical direction along the plane of the paper, and an excitation terminal 33 is provided at the end of one of the wires forming the pair. A detection terminal 34 is provided at the end of the other wiring. Similarly, on the surface 30a of the sensor chip 30, a pair of wirings connected to the vibrator 21b extend in the vertical direction along the paper surface, and an excitation terminal 35 is provided at the end of one of the paired wirings. The detection terminal 36 is provided at the end of the other wiring pair. The excitation terminal 33 is connected to the drive circuit 24a in FIG. 2, and the detection terminal 34 is connected to the transformer 22a in FIG. Similarly, the excitation terminal 35 is connected to the drive circuit 24b in FIG. 2, and the detection terminal 36 is connected to the transformer 22b in FIG.
以上の構成のシリコンレゾナントセンサに対して、図３（ａ）の紙面に沿う上方向又は下方向から磁界が印加されており、振動子２１ａ，２１ｂに電流を流せば振動子２１ａ，２１ｂが所定の固有振動数で振動する。第１センサ部１１ａに設けられたトランス２２ａ、アンプ２３ａ、及び駆動回路２４ａは振動子２１ａをその固有振動数で振動させるための回路であり、第２センサ部１１ｂに設けられたトランス２２ｂ、アンプ２３ｂ、及び駆動回路２４ｂは振動子２１ｂをその固有振動数で振動させるための回路である。 A magnetic field is applied to the silicon resonant sensor having the above configuration from above or below along the paper surface of FIG. 3A, and when a current is passed through the vibrators 21a and 21b, the vibrators 21a and 21b are predetermined. Vibrates at the natural frequency of. The transformer 22a, amplifier 23a, and drive circuit 24a provided in the first sensor unit 11a are circuits for vibrating the vibrator 21a at its natural frequency. The transformer 22b, amplifier provided in the second sensor unit 11b 23b and the drive circuit 24b are circuits for vibrating the vibrator 21b at its natural frequency.
また、図３に示すセンサチップ３０の表面３０ａ側には導圧管６ａを介した流体が導かれ、裏面３０ｂ側（凹部３１内）には導圧管６ｂを介した流体が導かれる。このため、導圧管６ａ，６ｂ内の圧力の差に応じてダイアフラム３２に歪が生ずると、振動子２１ａ，２１ｂが伸縮又は圧縮を受けて自身の張力が変化し、振動子２１ａ，２１ｂの固有振動数が以下の（１）式に示す通り変化する。 Further, the fluid through the pressure guiding tube 6a is guided to the front surface 30a side of the sensor chip 30 shown in FIG. 3, and the fluid through the pressure guiding tube 6b is guided to the back surface 30b side (inside the recess 31). For this reason, when the diaphragm 32 is distorted in accordance with the pressure difference in the pressure guiding pipes 6a and 6b, the vibrators 21a and 21b are stretched or compressed to change their own tension, and the inherent vibration of the vibrators 21a and 21b. The frequency changes as shown in the following equation (1).
但し、上記（１）式中の各変数は以下の通りである。
ｆ ：固有振動数
Ｅ ：シリコンのヤング率
ρ ：シリコンの密度
ｌ ：振動子の長さ
ｈ ：振動子の厚さ
ε ：張力
ε０ ：初期張力
εｄｐ：差圧による張力変化
εｓｐ：静圧による張力変化
尚、ε＝ε０＋εｄｐ＋εｓｐなる関係がある。
However, each variable in the above equation (1) is as follows.
f: natural frequency E: Young's modulus of silicon ρ: silicon density l: length of vibrator h: thickness of vibrator ε: tension ε0: initial tension εdp: tension change due to differential pressure εsp: tension due to static pressure Change There is a relationship of ε = ε0 + εdp + εsp.
ここで、図３に示す通り、振動子２１ａはダイアフラム３２の端部に取り付けられており、振動子２１ｂはダイアフラム３２の中央部に取り付けられている。このため、振動子２１ａ，２１ｂの固有振動数の変化はダイアフラム３２の歪み量に応じてそれぞれ異なったものになる。本実施形態では、振動子２１ａ，２１ｂの各々の固有振動数の変化を検出することにより、導圧管６ａ，６ｂ内の圧力の差圧及び静圧を検出している。 Here, as shown in FIG. 3, the vibrator 21 a is attached to the end of the diaphragm 32, and the vibrator 21 b is attached to the center of the diaphragm 32. For this reason, changes in the natural frequencies of the vibrators 21 a and 21 b are different depending on the amount of distortion of the diaphragm 32. In the present embodiment, the differential pressure and static pressure in the pressure guiding tubes 6a and 6b are detected by detecting changes in the natural frequencies of the vibrators 21a and 21b.
尚、導圧管６ａ，６ｂの固有振動数が変化した場合には、第１センサ部１１ａに設けられたトランス２２ａ、アンプ２３ａ、及び駆動回路２４ａは変化後の固有振動数で振動子２１ａを駆動し、第２センサ部１１ｂに設けられたトランス２２ｂ、アンプ２３ｂ、及び駆動回路２４ｂは変化後の固有振動数で振動子２１ｂを駆動する。このため、駆動回路２４ａ，２４ｂは、振動子２１ａ，２１ｂの固有振動数を示す信号（振動子２１ａ，２１ｂを駆動する信号）を周波数カウンタ１２に出力する。 When the natural frequency of the pressure guiding pipes 6a and 6b changes, the transformer 22a, the amplifier 23a, and the drive circuit 24a provided in the first sensor unit 11a drive the vibrator 21a with the changed natural frequency. The transformer 22b, the amplifier 23b, and the drive circuit 24b provided in the second sensor unit 11b drive the vibrator 21b at the natural frequency after the change. For this reason, the drive circuits 24a and 24b output signals (signals for driving the vibrators 21a and 21b) indicating the natural frequencies of the vibrators 21a and 21b to the frequency counter 12.
周波数カウンタ１２は、発振回路１３から出力される基準クロックを用いて第１センサ部１１ａ，１１ｂから出力される信号をそれぞれサンプリングし、各々の信号のパルス数をカウントする。ここで、周波数カウンタ１２のサンプリング周期は数十ｍｓｅｃ程度である。発振回路１３は、周波数カウンタ１２及びＭＰＵ１４に対して所定の周波数の基準クロックを供給する。ＭＰＵ１４は、発振回路１３から供給される基準クロックに同期して動作し、圧力検出装置１の動作を統括的に制御する。また、ＭＰＵ１４は、ＲＯＭ２０に格納されたプログラムを読み出して実行することにより検知部１９をソフトウェア的に実現する。尚、ＲＯＭ２０は、ＭＰＵ１４に内蔵されていても、外部に設けられていても良い。 The frequency counter 12 samples the signals output from the first sensor units 11a and 11b using the reference clock output from the oscillation circuit 13, and counts the number of pulses of each signal. Here, the sampling period of the frequency counter 12 is about several tens of msec. The oscillation circuit 13 supplies a reference clock having a predetermined frequency to the frequency counter 12 and the MPU 14. The MPU 14 operates in synchronization with the reference clock supplied from the oscillation circuit 13 and comprehensively controls the operation of the pressure detection device 1. Further, the MPU 14 implements the detection unit 19 by software by reading and executing a program stored in the ROM 20. The ROM 20 may be built in the MPU 14 or provided outside.
検知部１９ａは、周波数カウンタ１２でカウントされたパルス数から振動子２１ａ，２１ｂの固有振動数を求めるとともに、上記（１）式から導圧管６ａ，６ｂ内の圧力の差圧及び静圧を求める。 The detector 19a obtains the natural frequency of the vibrators 21a and 21b from the number of pulses counted by the frequency counter 12, and obtains the differential pressure and static pressure in the pressure guiding tubes 6a and 6b from the above equation (1). .
図４はセンサ部１１に印加する駆動電圧とセンサ部１１の出力を示す図である。図４の（ａ１）はセンサ部１１に印加する駆動電圧、（ａ２）はセンサ部１１の出力であり、（ｂ１）と（ｂ２）はそれぞれ（ａ１）と（ａ２）の部分拡大図である。時間ｔｘは初期電圧の印加時間、時間ｔ１は振動子２１ａ，２１ｂの発振安定待ち時間、時間ｔ２は振動子２１ａ，２１ｂの発振が安定している時間である。 FIG. 4 is a diagram illustrating the drive voltage applied to the sensor unit 11 and the output of the sensor unit 11. In FIG. 4, (a1) is a drive voltage applied to the sensor unit 11, (a2) is an output of the sensor unit 11, and (b1) and (b2) are partially enlarged views of (a1) and (a2), respectively. . Time tx is the initial voltage application time, time t1 is the oscillation stabilization waiting time of the vibrators 21a and 21b, and time t2 is the time during which the oscillations of the vibrators 21a and 21b are stable.
図４の（ａ１）において、電源管理部２６は、所定の間欠動作周期ｔｓ（たとえば１sec〜３６００sec）で初期電圧Ｖｂおよび駆動電圧Ｖａをセンサ部１１に印加する。電源管理部２６は、間欠動作周期ｔｓで駆動電圧Ｖａを印加するとともに、駆動電圧Ｖａの印加開始前の期間ｔｘ間、センサ部１１に初期電圧Ｖｂを印加する。駆動電圧Ｖａがセンサ部１１全体を駆動可能な電圧値であるのに対し、初期電圧Ｖｂはセンサチップ上の振動子２１ａ，２１ｂは駆動され発振を開始するがセンサ部１１のその他のデジタル回路部分は駆動されない、駆動電圧Ｖａに比して小さな電圧値に設定される。具体的な電圧値の例としては、駆動電圧Ｖａが５Ｖであった場合に、初期電圧は０．５Ｖ程度とする。電源管理部２６のこれらの動作（センサ部１１への電圧供給のタイミングや初期電圧Ｖｂ／駆動電圧Ｖａの切り替えなど）はＭＰＵ１４から入力される制御信号に従って行われる。 4 (a1), the power management unit 26 applies the initial voltage Vb and the drive voltage Va to the sensor unit 11 at a predetermined intermittent operation cycle ts (for example, 1 sec to 3600 sec). The power management unit 26 applies the drive voltage Va at the intermittent operation cycle ts, and applies the initial voltage Vb to the sensor unit 11 for a period tx before the start of application of the drive voltage Va. While the drive voltage Va is a voltage value that can drive the entire sensor unit 11, the initial voltage Vb is driven to start oscillation by the vibrators 21a and 21b on the sensor chip, but other digital circuit portions of the sensor unit 11 Is not driven and is set to a voltage value smaller than the drive voltage Va. As an example of a specific voltage value, when the drive voltage Va is 5V, the initial voltage is about 0.5V. These operations of the power management unit 26 (timing of voltage supply to the sensor unit 11 and switching of the initial voltage Vb / drive voltage Va, etc.) are performed according to control signals input from the MPU 14.
初期電圧Ｖｂの印加時間ｔｘは、振動子２１ａ，２１ｂの発振がセンサ部１１のデジタル回路で検出できる程度まで立ち上がるのに必要な時間を目安に決定する。電源管理部２６は、初期電圧Ｖｂの印加時間ｔｘが終了すると、センサ部１１に印加する電圧を駆動電圧Ｖａに切り替える。駆動電圧Ｖａに切り替えられると、振動子２１ａ，２１ｂだけでなく、センサ部１１のその他のデジタル回路部分も駆動される。駆動電圧Ｖａに切り替え後所定期間は振動子２１ａ，２１ｂの発振が安定するのを待ち（時間ｔ１）、その後駆動電圧ＶａをＯＦＦするまでの期間（時間ｔ２）に振動子２１ａ，２１ｂから得られる信号をセンサ部１１の出力として使用する。 The application time tx of the initial voltage Vb is determined based on a time required for the oscillation 21a and 21b to rise to such an extent that the oscillation of the vibrators 21a and 21b can be detected by the digital circuit of the sensor unit 11. When the application time tx of the initial voltage Vb ends, the power management unit 26 switches the voltage applied to the sensor unit 11 to the drive voltage Va. When the driving voltage Va is switched, not only the vibrators 21a and 21b but also other digital circuit portions of the sensor unit 11 are driven. A predetermined period after switching to the drive voltage Va waits for the oscillations of the vibrators 21a and 21b to become stable (time t1), and then is obtained from the vibrators 21a and 21b during a period until the drive voltage Va is turned off (time t2). The signal is used as the output of the sensor unit 11.
なお、期間ｔｘ中は、振動子２１ａ，２１ｂはアナログ的に発振するが、その他のデジタル回路部分は電圧値が足りず駆動されないため、デジタル回路部分の電力消費は生じない。その結果、安定したセンサ出力が得られるまでの待ち時間（従来例における期間ｔ０に相当）にデジタル回路部分における電力消費をカットすることができる。 Note that, during the period tx, the vibrators 21a and 21b oscillate in an analog manner, but the other digital circuit portions are not driven because of insufficient voltage values, so that the power consumption of the digital circuit portions does not occur. As a result, it is possible to cut the power consumption in the digital circuit portion during the waiting time until a stable sensor output is obtained (corresponding to the period t0 in the conventional example).
図５は本発明の圧力検出装置の動作フローを示す図である。本図は、従来の図７に対し、ステップＳ１０〜ステップＳ１３を追加し、ステップＳ５を削除したものである。 FIG. 5 is a diagram showing an operation flow of the pressure detection device of the present invention. In this figure, steps S10 to S13 are added and step S5 is deleted with respect to the conventional FIG.
圧力検出装置の電源が投入され、ユーザから圧力検出を指示する操作が行われることにより本フローはスタートする。
まず、ステップＳ１において、圧力検出の周期を定める間欠動作周期タイマをスタートし、ステップＳ２に進む。間欠動作周期タイマは、圧力のセンシングを行う間欠動作周期ｔｓをカウントするためのタイマである。
ステップＳ２では、間欠動作周期タイマが満了しているか否かを確認し、満了していない場合には満了を待ち、満了している場合にはステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、間欠動作周期タイマをリセットし、ステップＳ１０に進む。
This flow starts when the power of the pressure detection device is turned on and an operation for instructing pressure detection is performed from the user.
First, in step S1, an intermittent operation cycle timer that determines a pressure detection cycle is started, and the process proceeds to step S2. The intermittent operation cycle timer is a timer for counting an intermittent operation cycle ts for sensing pressure.
In step S2, it is confirmed whether or not the intermittent operation cycle timer has expired. If not, the process waits for expiration, and if it has expired, the process proceeds to step S3.
In step S3, the intermittent operation cycle timer is reset, and the process proceeds to step S10.
ステップＳ１０では、初期電圧印加タイマをスタートし、ステップＳ１１に進む。初期電圧印加タイマは、初期電圧Ｖｂの印加時間ｔｘをカウントするためのタイマである。
ステップＳ１１では、センサ部１１に初期電圧Ｖｂを開始し、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、初期電圧印加タイマが満了しているか否かを確認し、満了していない場合にはステップＳ１１に戻り、満了している場合にはステップＳ１３に進む。
ステップＳ１３では、初期電圧印加タイマをリセットする。また、初期電圧ＶｂをＯＦＦし、ステップＳ４に進む。
In step S10, an initial voltage application timer is started, and the process proceeds to step S11. The initial voltage application timer is a timer for counting the application time tx of the initial voltage Vb.
In step S11, the initial voltage Vb is started in the sensor unit 11, and the process proceeds to step S12.
In step S12, it is confirmed whether or not the initial voltage application timer has expired. If it has not expired, the process returns to step S11, and if it has expired, the process proceeds to step S13.
In step S13, the initial voltage application timer is reset. Further, the initial voltage Vb is turned off, and the process proceeds to step S4.
ステップＳ４では、センサ部１１に通常の駆動電圧である駆動電圧Ｖａの印加を開始し、ステップＳ６に進む。
ステップＳ６では、センサ部１１の振動子２１ａ，２１ｂの発振が安定するのを待ち、ステップＳ７に進む。なお、センサ部１１に印加する電圧を初期電圧Ｖｂから駆動電圧Ｖａに切り替わる時点において、すでに振動子２１ａ，２１ｂは予備的な発振をしているため、駆動電圧Ｖａを印加した後に改めて振動子２１ａ，２１ｂの発振待ち（従来例におけるステップＳ５）の時間を設ける必要がない。
ステップＳ７では、圧力のセンシングが完了したかどうかを確認し、センシングが完了していない場合には完了を待ち、センシングが完了している場合にはステップＳ８に進む。
ステップＳ８では、センサ部に印加していた駆動電圧ＶａをＯＦＦし、ステップＳ１に戻る。
In step S4, application of the drive voltage Va, which is a normal drive voltage, to the sensor unit 11 is started, and the process proceeds to step S6.
In step S6, the process waits for the oscillations of the vibrators 21a and 21b of the sensor unit 11 to stabilize, and then proceeds to step S7. Since the vibrators 21a and 21b have already oscillated preliminarily when the voltage applied to the sensor unit 11 is switched from the initial voltage Vb to the driving voltage Va, the vibrator 21a is newly applied after the driving voltage Va is applied. , 21b oscillation waiting time (step S5 in the conventional example) need not be provided.
In step S7, it is confirmed whether or not the pressure sensing is completed. If the sensing is not completed, the process waits for the completion. If the sensing is completed, the process proceeds to step S8.
In step S8, the drive voltage Va applied to the sensor unit is turned off, and the process returns to step S1.
本実施例は以上のように構成され、
振動子２１ａ，２１ｂを配したセンサ部１１により流体Ｘの圧力を検出する圧力検出装置１において、センサ部１１の動作タイミングを制御するＭＰＵ１４と、このＭＰＵ１４から指示される動作タイミングに基づいてセンサ部１１に駆動電圧Ｖａを印加する電源部とを備え、この電源部は、駆動電圧Ｖａの印加に先立ち、駆動電圧Ｖａよりも低い電圧であり振動子２１ａ，２１ｂの発振を促す初期電圧Ｖｂを印加することにより、
センサ部１１に通常の駆動電圧Ｖａを印加する時間の中から振動子２１ａ，２１ｂの発振待ちの時間を削減することができ、消費電力をより低減できる。
This embodiment is configured as described above,
In the pressure detection device 1 that detects the pressure of the fluid X by the sensor unit 11 provided with the vibrators 21 a and 21 b, the MPU 14 that controls the operation timing of the sensor unit 11, and the sensor unit based on the operation timing instructed from the MPU 14 11 includes a power supply unit that applies the drive voltage Va, and this power supply unit applies an initial voltage Vb that is lower than the drive voltage Va and promotes oscillation of the vibrators 21a and 21b prior to the application of the drive voltage Va. By doing
The time for waiting for oscillation of the vibrators 21a and 21b can be reduced from the time for applying the normal drive voltage Va to the sensor unit 11, and the power consumption can be further reduced.
また、ＭＰＵ１４は、センサ部１１を間欠動作させるため、圧力検出装置１の単位時間あたりの消費電力を低減できる。 Moreover, since the MPU 14 operates the sensor unit 11 intermittently, the power consumption per unit time of the pressure detection device 1 can be reduced.
また、初期電圧Ｖｂは、振動子２１ａ，２１ｂは駆動され、センサ部１１のデジタル回路部分は駆動されない電圧値であるため、初期電圧Ｖｂをセンサ部１１に印加している期間のデジタル回路部分における電力消費をカットできる。 Further, since the initial voltage Vb is a voltage value in which the vibrators 21 a and 21 b are driven and the digital circuit portion of the sensor unit 11 is not driven, the initial voltage Vb in the digital circuit portion during the period in which the initial voltage Vb is applied to the sensor unit 11. Power consumption can be cut.
なお、本実施例では、圧力検出装置１は、ホストコンピュータ３（管理装置）と無線で接続されていたが、有線で接続されていてもよい。 In the present embodiment, the pressure detection device 1 is wirelessly connected to the host computer 3 (management device), but may be connected by wire.
また、本実施例では、初期電圧Ｖｂの印加時間ｔｘは振動子２１ａ，２１ｂの発振が立ち上がるのに必要な時間を目安に決定したが、振動子の発振が安定するまで延ばしてもよい。 In the present embodiment, the application time tx of the initial voltage Vb is determined based on the time required for the oscillation of the vibrators 21a and 21b to rise, but may be extended until the oscillation of the vibrator is stabilized.
また、本実施例では、初期電圧Ｖｂは一定の電圧値として説明したが、初期電圧Ｖｂは変更可能に構成されていてもよい。初期電圧Ｖｂは、たとえば、センサ部１１の温度に基づいて変化させてもよい。具体的には、センサ部１１の温度が高い場合には振動子２１ａ，２１ｂは発振しやすくなるため、初期電圧Ｖｂの電圧値を低めの値に調整する。一方、センサ部１１の温度が低い場合には振動子２１ａ，２１ｂは発振しにくくなるため、初期電圧Ｖｂの電圧値を高めの値に調整する。 In this embodiment, the initial voltage Vb is described as a constant voltage value, but the initial voltage Vb may be configured to be changeable. For example, the initial voltage Vb may be changed based on the temperature of the sensor unit 11. Specifically, when the temperature of the sensor unit 11 is high, the vibrators 21a and 21b easily oscillate, so the voltage value of the initial voltage Vb is adjusted to a lower value. On the other hand, when the temperature of the sensor unit 11 is low, the vibrators 21a and 21b are less likely to oscillate, so the voltage value of the initial voltage Vb is adjusted to a higher value.
また、本実施例では、初期電圧Ｖｂの印加時間は一定期間ｔｘとして説明したが、印加時間は変更可能に構成されていてもよい。初期電圧Ｖｂの印加時間は、たとえば、流体Ｘの圧力を検出する間欠動作周期に基づいて変化させてもよい。具体的には、間欠動作の周期が短い場合には、振動子２１ａ，２１ｂは前回動作時の発振が残っており、発振しやすくなるため、初期電圧Ｖｂの電圧値を低めの値に調整する。一方、間欠動作の周期が長い場合には、振動子２１ａ，２１ｂは前回動作終了後完全に静止してしまい、発振しにくくなるため、初期電圧Ｖｂの電圧値を高めの値に調整する。 In the present embodiment, the application time of the initial voltage Vb is described as the fixed period tx, but the application time may be configured to be changeable. The application time of the initial voltage Vb may be changed based on, for example, an intermittent operation cycle in which the pressure of the fluid X is detected. Specifically, when the period of the intermittent operation is short, the vibrators 21a and 21b remain oscillated during the previous operation and easily oscillate. Therefore, the voltage value of the initial voltage Vb is adjusted to a lower value. . On the other hand, when the period of the intermittent operation is long, the vibrators 21a and 21b are completely stopped after the previous operation is finished and are less likely to oscillate, so the voltage value of the initial voltage Vb is adjusted to a higher value.
本実施例における流体Ｘは特許請求の範囲における測定対象に相当し、ＭＰＵ１４は制御部に相当する。 The fluid X in the present embodiment corresponds to a measurement object in the claims, and the MPU 14 corresponds to a control unit.
１ 圧力検出装置
１１ センサ部
１１ａ，１１ｂ シリコンレゾナントセンサ
１４ ＭＰＵ
２１ａ，２１ｂ 振動子
２５ 電池部
２６ 電池管理部
１９ｂ 間欠動作周期タイマ
１９ｃ 初期電圧印加タイマ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pressure detection apparatus 11 Sensor part 11a, 11b Silicon resonant sensor 14 MPU
21a, 21b Vibrator 25 Battery unit 26 Battery management unit 19b Intermittent operation cycle timer 19c Initial voltage application timer
Claims (7)
前記センサ部の動作タイミングを制御する制御部と、
この制御部から指示される動作タイミングに基づいて前記センサ部に駆動電圧を印加する電源部とを備え、
この電源部は、前記駆動電圧の印加に先立ち、前記駆動電圧よりも低い電圧であって前記振動子の発振を促す初期電圧を印加することを特徴とする圧力検出装置。 In the pressure detection device that detects the pressure of the measurement object by the sensor unit provided with the vibrator,
A control unit for controlling the operation timing of the sensor unit;
A power supply unit that applies a driving voltage to the sensor unit based on an operation timing instructed by the control unit;
The power supply unit applies an initial voltage that is lower than the drive voltage and promotes oscillation of the vibrator prior to application of the drive voltage.
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