JP2020204612A - オフセット補償を備えた容量性糸センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】細長い繊維体の少なくとも１つのパラメータ、特に糸の少なくとも１つのパラメータを測定するための容量性センサ装置を提供する。【解決手段】細長い繊維体、特に糸の少なくとも１つのパラメータを測定するためのキャパシタセンサ装置が提供される。キャパシタセンサ装置は、直列に配置された基準キャパシタ（Ｃｒ）および測定キャパシタ（Ｃｍ）に印加される測定電圧（Ｖｍ）を生成するＡＣ電圧発生器（１７）を含む。２つのキャパシタ（Ｃｒ、Ｃｍ）の間の点からの出力信号が信号増幅器（Ａ３）に供給される。２つのキャパシタ（Ｃｒ、Ｃｍ）の非対称性を補償するために、測定電圧（Ｖｍ）と同期して補償信号を生成する補償波形発生器（Ｓ３）が提供される。この補償信号は、信号増幅器（Ａ３）の入力（Ｐ１）に結合される。【選択図】図２

Description

本発明は、細長い繊維体の少なくとも１つのパラメータ、特に糸の少なくとも１つのパラメータを測定するための容量性センサ装置に関する。

特に、そのようなセンサ装置は、測定領域における繊維体の体積またはその変化を表すパラメータを測定することができる。

国際公開第２０１０／０４３０６５号パンフレットおよび欧州特許出願公開第２３５２０１８号明細書は、独立請求項の前文による容量性センサ装置を記載している。特に、センサ装置は、繊維体を受け入れるための測定ボリュームと、直列に配置された測定キャパシタおよび基準キャパシタを含む容量性測定アセンブリと、を含む。測定キャパシタは、測定ボリュームの対向側面に配置された電極を有する。ＡＣ電圧発生器の信号が２つのキャパシタに供給される。測定キャパシタと基準キャパシタとの間の電位は、測定アセンブリの出力を形成し、出力信号を運ぶ。信号増幅器の入力が測定アセンブリの出力に接続されている。

この装置は、制御ユニットとオフセット補償器を備えたオフセット補償回路をさらに有する。オフセット補償器は、測定キャパシタと基準キャパシタとの間の非対称性を補償するように適合されている。制御ユニットは、前記出力信号の振幅に応答してオフセット補償器を制御するように適合されている。

オフセット補償器は、ＡＣ電圧発生器と基準および／または測定キャパシタとの間の信号経路に配置される、すなわち、オフセット補償器は、測定アセンブリの前に配置される。

したがって、本発明によって解決される問題は、上述のタイプのセンサ装置の非対称性を補償するための代替的な解決策を提供することである。

この問題は、請求項１のセンサ装置によって解決される。したがって、センサ装置は以下を含む。
−測定ボリューム。このボリュームは、測定中に繊維体を受け入れるように適合されている。
−マスター周波数でＡＣ測定電圧を生成するＡＣ電圧発生器。
−容量性測定アセンブリ：測定アセンブリは、直列に配置された測定キャパシタおよび基準キャパシタを含む。測定キャパシタは、測定ボリュームの対向側面に配置された電極を含む、すなわち、そのキャパシタンスは、測定されるパラメータの関数である。測定アセンブリは、出力信号を生成するための出力を有する。出力は、測定キャパシタと基準キャパシタとの間に位置している。
−出力信号を増幅するための信号増幅器。信号増幅器の入力は、測定アセンブリの出力に直接結合されてもよいし、あるいは、例えば、信号増幅器の入力と測定アセンブリの出力との間にフィルタリングのためのさらなる構成要素があってもよい。
−制御ユニットとオフセット補償器を含むオフセット補償回路：オフセット補償器は、測定キャパシタと基準キャパシタとの間の非対称性を補償するように適合されている。制御ユニットは、測定アセンブリの出力信号の振幅に応答してオフセット補償器を制御するように適合されている。

本発明によれば、オフセット補償ユニットは、少なくとも以下の構成要素を含む。
−ＡＣ補償信号を生成する補償波形発生器：補償信号は、電圧発生器の測定電圧と同期している。すなわち、補償信号は周期が同じであるが、測定電圧に対してゼロでない位相オフセットを有してもよい。この補償波形発生器は、補正点（Ｐ１）に接続されている。補正点は、測定アセンブリの出力から信号プロセッサの入力への信号経路上の点である。具体的には、補正点は、測定アセンブリの出力に直接、信号増幅器の入力に直接、またはこれら２つの位置の間の信号経路上の任意の点に位置してもよい。

これにより、非対称を効率的かつ簡素な方法で補正することができる。すなわち、測定アセンブリからの信号を、例えば、信号増幅器または信号増幅器の後の任意の構成要素の動作範囲に入るようにオフセットすることができる。

有利な実施形態では、補償波形発生器と補正点との間の信号経路に結合キャパシタが配置され、それにより、補償波形発生器を補正点に容量結合する。

有利には、制御ユニットは、非対称性を補償するために補償信号の振幅を変化させるように適合されている。

本発明はまた、センサ装置をオフセット補償するための方法に関する。この方法は、少なくとも以下のステップを含む。
−前記信号増幅器の出力信号の振幅を示すモニター値を測定するステップ。
−補正信号を変化させることにより、このモニター値を低減させるステップ。

有利には、上記の第１のステップにおいて、測定ボリュームは、特に、測定ボリューム内に細長体が存在しない状態で一定の負荷で動作する。あるいは、モニター値は、細長体の変化する特性によって引き起こされる典型的な信号の変動よりもはるかに大きいタイムスパンで平均化される。

有利には、上記の第２のステップでは、モニター値がゼロにされる、すなわち、ＡＣ電圧発生器の周波数での信号増幅器の出力信号の振幅がゼロに調整される。

本明細書で言及されるすべてのＡＣ信号は、特に明記しない限り、有利にはマスター周波数、すなわち測定電圧の（基本）周波数で測定される。

他の有利な実施形態は、従属請求項および以下の説明に記載されている。

本発明はよりよく理解され、上記のもの以外の目的は、以下のその詳細な説明から明らかになるであろう。このような説明は、以下の添付の図面を参照している。

測定ヘッドの断面図を含むセンサ装置のブロック図である。 センサ装置の一実施形態の回路図である。 測定信号ｉ１および補償信号ｉ２を示すタイミング図である。 図３の方式の代替例を示す図である。

センサ装置
図１に示すセンサ装置は、測定ヘッド４に接続された制御回路２を含む。

測定ヘッド４は、例えば、米国特許第４８４３８７９号明細書の図４に示されている装置である。測定ヘッド４は、直列構成の基準キャパシタＣｒおよび測定キャパシタＣｍを形成する少なくとも３つの電極６ａ、６ｂ、６ｃを含む。

基準キャパシタＣｒの電極６ａ、６ｂは基準ボリューム８の対向側面に配置され、一方で測定キャパシタＣｍの電極６ｂ、６ｃは測定ボリューム１０の対向側面に配置される。

測定ボリューム１０は、糸などの細長い繊維体１２を受け入れるために、少なくとも２つの対向側面で開いている。有利には、測定ボリューム１０は、３つの側面で閉じられ、３つの側面で開いているスリットを形成する。

基準ボリューム８は閉じていてもよいし、測定ボリューム１０と同じ環境に曝されるスリットを形成していてもよい。

測定中、繊維体１２は、その長手方向軸（図１の測定アセンブリ４の図面に対して垂直に延在する）に沿って走っている。測定キャパシタＣｍのキャパシタンスは、測定ボリューム１０内の本体８の体積および誘電特性の関数として変化する。

例えば米国特許第４８４３８７９号明細書に記載されているように、これにより、測定ボリューム８内の平均断面積または体積などの、本体８のパラメータを決定することができる。

回路設計
図２は、センサ装置で使用される回路の一実施形態を示す。

この回路は、クロック信号ＣＬＫを生成するデジタルまたはアナログ発振器１６を含む。有利には、この信号の基本周波数（以下では「マスター周波数ｆ０」と呼ぶ）は、ＭＨｚ範囲、限定ではないが、特に１〜１００ＭＨｚ、特に１〜３０ＭＨｚにある。

クロック信号ＣＬＫは、電圧発生器１７によって使用され、測定キャパシタＣｍおよび基準キャパシタＣｒの直列配置に印加される、マスター周波数ｆ０の交流測定電圧Ｖｍを生成する。

図示した実施形態では、これは、クロック信号ＣＬＫを相補型増幅器Ａ１、Ａ２および第１の変圧器Ｔ１に供給することによって達成される。他の適切な回路は当業者に既知である。

２つのキャパシタＣｍ、Ｃｒの間の点は、測定ヘッド４の出力ＯＵＴを形成し、そのＡＣ出力信号を生成する。

キャパシタＣｍおよびＣｒのバランスが取れている場合、すなわち、それらのキャパシタンスが等しい場合には、出力信号はゼロに等しくなる。すなわち、出力ＯＵＴを流れる電流はゼロになる。

出力ＯＵＴからの信号は、信号プロセッサ１８に供給される。

その入力において、信号プロセッサ１８は、例えば、過電圧から下流の回路を保護する電圧リミッタ２０を含む。

次に、出力信号は、第１のフィルタ素子Ｒ１およびＬ１ならびにフィードバック素子Ｒ３、Ｃ３を有する信号増幅器Ａ３を通過することができる。

信号増幅器Ａ３の出力は、当業者に既知であるように、マスター周波数ｆ０で信号を選択的に増幅するロックイン増幅器２２に供給される。

ロックイン増幅器の様々な設計は当業者に既知である。ここに示すものは、電圧増幅変圧器Ｔ２と、クロック信号ＣＬＫによって制御される２つの電子制御スイッチＳ１、Ｓ２と、を使用している。

出力信号２４は、モニター値Ｍを生成するためのローパスフィルタ２５を通過し、その後に、アナログ−デジタル変換器２６および制御ユニット２８に至る。

制御ユニット２８は、データおよびプログラム命令を格納するメモリ回路を備えたマイクロプロセッサであってもよい。制御ユニット２８は、センサ装置のオフセット補正ステップを実行するようにプログラムされている。

制御ユニット２８は、オフセット補償器３２に供給される第１の制御電圧Ｕｃ１を生成するためのデジタル−アナログ変換器３０に接続されている。

制御ユニット２８およびオフセット補償器３２は、信号増幅器Ａ３とロックイン増幅器２２を、高い信号増幅を可能にしつつ許容動作範囲内に保つために、測定アセンブリ４の過剰な非対称性を補償するために使用されるオフセット補償回路３４のコア部分を形成する。

図２の実施形態では、オフセット補償器３２は、クロック信号ＣＬＫによって制御される電子制御スイッチＳ３を含む。スイッチＳ３は補償波形発生器を形成する。その出力において、オフセット補償器３２は第２の制御電圧Ｕｃ２を生成し、その値は固定基準電圧Ｖｒｅｆと第１の制御電圧Ｕｃ１との間で振動する。

第２の制御電圧Ｕｃ２は、直列に接続された抵抗器Ｒ４および結合キャパシタＣｃを介して補正点Ｐ１に供給される。

補正点Ｐ１は、測定ヘッド４の出力ＯＵＴから信号増幅器Ａ３の入力までの信号経路にある。

結合キャパシタＣｃは、電圧Ｕｃ２を電流ｉ２に変換する。電流ｉ２は、有利には、非対称の容量性測定アセンブリ４の電流ｉ１と同様の形状を有する。Ｄ／Ａを適切に設定すると、電流ｉ２は同一振幅で符号が逆になる（ｉ１＝−ｉ２）。抵抗Ｒ４を追加して電流ｉ２をわずかに遅延させ、同一位相の電流ｉ１およびｉ２を実現することができる。

補償キャパシタＣｃから来る電流ｉ２は、以下では「補償信号」と呼ばれる。信号増幅器Ａ３の出力の信号は、この補償信号ｉ２と、測定ヘッド４の出力ＯＵＴから信号増幅器Ａ３の入力までの信号経路の電流ｉ１の和に比例する。

オフセット補償
図３は、時間の関数として、クロック信号ＣＬＫ、信号電流ｉ１、第２の制御電圧Ｕｃ２、および補償信号ｉ２を示す。

結合キャパシタＣｃおよび抵抗器Ｒ４の値は、有利には、電流ｉ１および補償信号ｉ２が、マスター周波数ｆ０で、実質的に０°または１８０°（例えば、＋／−４５°以内）の位相シフトを有するように選択される。

したがって、キャパシタＣｃと抵抗器Ｒ４の直列配置の時定数τ＝Ｃｃ・Ｒ４は、有利には０〜０．４／ｆ０であり、すなわち、所望の位相シフトに応じて、Ｃｃ・Ｒ４／ｆ０は０〜０．４とするべきである。

信号増幅器Ａ３は、信号ｉ１とｉ２の和を増幅する。したがって、マスター周波数ｆ０での信号電流ｉ１の振幅の非ゼロ値をもたらす測定ヘッド４の非対称性は、補償信号ｉ２を適切に増加または減少させることによって補償することができる。

前述のように、オフセット補償回路３４は、キャパシタンスＣｍおよびＣｒの非対称性の影響を十分に小さく保つように設計されているため、信号増幅器Ａ３および後続の任意の構成要素、例えばロックイン増幅器２２は、それらの動作範囲内に留まる。

この目的のために、補償回路３４は、処理ユニット１８の出力Ｍにおける電圧値を測定し、その値はマスター周波数ｆ０における信号増幅器Ａ３の出力電圧の振幅に比例する。

モニター値Ｍが大きすぎる場合（信号増幅器Ａ３またはロックイン増幅器２２の出力振幅がそれらの許容範囲に近いことを示す）には、制御ユニット２８が第１の制御電圧Ｕｃ１を変化させて、第２の制御電圧Ｕｃ２の振幅、したがって補償信号ｉ２の振幅を変化させる。信号電流ｉ１と補償信号ｉ２の相互符号に応じて、これはモニター値Ｍの増加または減少をもたらすことができる。

制御ユニット２８は、第１の制御電圧Ｕｃ１の所与の変化がモニター値Ｍの増加をもたらすことを検出すると、Ｕｃ１を反対方向に変化させる。

したがって、制御電圧Ｕｃ１を適切に変化させることにより、制御ユニット２８はモニター値Ｍを減少させることができる。

有利には、モニター値Ｍがゼロになる、すなわち、モニター値Ｍは、マスター周波数ｆ０における信号増幅器Ａ３の出力電圧の振幅がゼロであることを示す値に変化する。

注記
上記実施形態では、結合キャパシタＣｃは、抵抗Ｒ４よりも補正点Ｐ１の近くに配置されている。しかしながら、当業者には明らかであるように、これらの構成要素の順序は入れ替えられてもよい。

さらに、第２の制御電圧Ｕｃ２が他の手段によって適切に位相シフトされる場合、または電流ｉ１とｉ２との間に有意な位相シフトがない場合には、抵抗器Ｒ４は省略されてもよい。

図２および図３の実施形態では、第２の制御電圧Ｕｃ２は振幅変調され、振幅は、Ｖｒｅｆと第１の制御電圧Ｕｃ１との差によって与えられる。

一般に、補償信号、すなわち電流ｉ２は、有利には測定信号ｉ１と逆である。これは、適切にシフトされたクロック信号で補償回路３４を動作させることによって、および／または補償信号に位相シフトを誘発することによって、達成することができる。

パルス発生器は、固定電圧の信号を生成してもよく、その場合、この信号は、例えば、電子可変抵抗器および／または電子可変キャパシタを使用することにより、Ｒ４および／またはＣｃを変化させることで変化することに留意されたい。

補償回路３４はまた、例えば、正弦波電流または他の波形を生成するように設計することができる。

図４は、クロック信号が正弦信号であり、電流ｉ１およびｉ２も正弦信号であると仮定した場合の実施形態を示す。

本発明の現時点で好ましい実施形態が示され、説明されているが、本発明はそれに限定されず、以下の特許請求の範囲内で様々に具体化および実施され得ることが明確に理解されるべきである。

Claims (7)

1. 細長い繊維体の、特に糸の、少なくとも１つのパラメータを測定するための容量性センサ装置であって、前記センサ装置は、
   前記繊維体を受け入れるための測定ボリューム（８）と、
   マスター周波数（ｆ０）でＡＣ測定電圧（Ｖｍ）を生成するＡＣ電圧発生器（１７）と、
   直列に配置された測定キャパシタ（Ｃｍ）と基準キャパシタ（Ｃｒ）とを含む容量性測定アセンブリ（４）であって、前記測定キャパシタ（Ｃｍ）は、前記測定ボリューム（８）の対向側面に配置された電極（６ｂ、６ｃ）を含み、前記測定アセンブリ（４）は、出力信号を生成する出力（ＯＵＴ）を有し、前記出力は、前記測定キャパシタ（Ｃｍ）と前記基準キャパシタ（Ｃｒ）との間に配置される、容量性測定アセンブリ（４）と、
   前記出力信号を増幅するための信号増幅器（Ａ３）と、
   制御ユニット（２８）およびオフセット補償器（３２）を含むオフセット補償回路（３４）であって、前記オフセット補償器（３２）は、前記測定キャパシタ（Ｃｍ）と前記基準キャパシタ（Ｃｒ）との間の非対称性を補償するように適合され、前記制御ユニット（２８）は、前記出力信号の振幅に応答して前記オフセット補償器（３２）を制御するように適合される、オフセット補償回路（３４）と、を含む、センサ装置において、
   前記オフセット補償器（３２）は、
   前記測定電圧（Ｖｍ）と同期してＡＣ補償信号（ｉ２）を生成する補償波形発生器（Ｓ３）を含み、
   前記補償波形発生器（Ｓ３）は、前記測定アセンブリ（４）の前記出力（ＯＵＴ）から前記信号増幅器（Ａ３）の入力への信号経路に沿って配置された補正点（Ｐ１）に接続される、ことを特徴とする、センサ装置。
2. 前記補償波形発生器（Ｓ３）と前記補正点（Ｐ１）との間に結合キャパシタ（Ｃｃ）をさらに含む、請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記結合キャパシタ（Ｃｃ）と直列に配置された抵抗器（Ｒ４）をさらに含む、請求項２に記載のセンサ装置。
4. 前記結合キャパシタ（Ｃｃ）のキャパシタンスＣｃ、前記抵抗器（Ｒ４）の抵抗Ｒ４、および前記マスター周波数ｆ０は、０＜Ｃｃ・Ｒ４／ｆ０＜０．４を満たす、請求項２に記載のセンサ装置。
5. 前記制御ユニット（２８）は、前記非対称性を補償するために前記補償信号（ｉ２）の振幅を変化させるように適合される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサ装置をオフセット補償するための方法であって、
   前記信号増幅器（Ａ３）の出力信号の振幅を示すモニター値（Ｍ）を測定するステップと、
   前記補償信号（ｉ２）を変化させることにより前記モニター値（Ｍ）を減少させるステップと、を含む方法。
7. 前記モニター値（Ｍ）は、前記補償信号（ｉ２）を変化させることによってゼロにされる、請求項６に記載の方法。
   

Images