JP2689339B2 - 遠隔超音波センサー制御方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、超音波装置に関し、より詳しくは、加圧さ
れた系中の漏れを超音波振動の検出によって遠隔検出す
るための遠隔検出装置に関する。

＜従来の技術＞ 或る配管系が、正圧又は負圧の下に稼動される時に、
配管中の漏れによって、超音波域即ち20KHz〜100KHzの
域内の音響振動が発生する。周知のように、この漏れ
は、超音波変換器（トランスジューサー）によって検出
することができる。一例として、本出願人に譲渡され
た、グッドマン等の米国特許第4416145号には、この漏
れを検出するための検出装置が記載されている。

漏れによって発生した超音波振動は、方向性をもち、
典型的には、配管系の回りに検出ユニットを通すことに
よって検出される。この検出ユニットは、高度な方向性
のトランスジューサーと、前置増幅器とを有するため、
相当に小さな漏れの場所及び強さも、容易に定められ
る。更に、漏れの超音波周波数は、通常は、周囲のノイ
ズの周波数域外にあるので、漏れ部分からの信号は、大
部分の競合するノイズから、可選択フィルタによって分
離することができる。

従来の超音波検出器においての１つの問題は、大きな
漏れ部分からの音響によって飽和されることなく小さな
漏れ部分を検出するために、前置増幅器が、非常に広い
ダイナミックレンジをもたねばならないことである。漏
れ個所を探して超音波検出器をもち運ぶ場合、オペレー
ターは、大きな漏れ部分と小さな漏れ部分との両方から
の音の強さを測定するために、手動によって、ダイナミ
ックレンジを変更することができる。

或る事情の下では、配管系の完全性を絶えずモニター
することがたいせつであり、危険なガスが発生したり使
用されたりする化学プラントなどでは、危険でさえあ
る。オペレーターが危険な個所に立って、いつ発生する
か分らない漏れを検出するために何か月も何年も待つこ
とは、実際的ではないから、全体の装置中のいろいろの
臨界の点に遠隔超音波検出器を取付け、これらの検出器
からの信号を中央制御装置に送出することが有利となろ
う。この中央制御装置は、オペレーターが直接管理して
もよく、またコンピューターによって管理してもよい。

遠隔の超音波検出が有利となりうる工業上の環境にお
いては、検出器への制御信号並びに検出器からの測定信
号と干渉可能な強い静電信号及び電磁信号が存在しう
る。測定個所と中央制御個所との間には大きな距離があ
ることが多いので、伝送系は、干渉に対する強い耐性を
示さねばならない。また超音波検出装置全体のコストを
最小に保つには、ケーブル類を廉価にすることが必要と
なる。

低コストの耐性の伝送を得るための標準的な手段は、
いわゆる「電流ループ」である。この系において、アナ
ログ信号とデジタル信号とは、電圧信号ではなく、電流
信号として伝送される。工業規格では、この系について
零から全スケールまで、４〜20mA又は10〜50mAの範囲を
特定している。

遠隔トランスジューサーは、苛酷な環境中に、時には
戸外に配することが必要となりうる。従って、超音波振
動の検出能力を著しく低下させることなく、トランスジ
ューサーが、苛酷な水、風及び温度条件に対する耐性を
もつことができたら、非常に好都合であろう。

＜発明の開示＞ 本発明は、電流ループ伝送原理を利用した耐候又は耐
環境性の遠隔超音波検出方式に向けられている。

本発明の好ましい一実施例によれば、グットマン等の
前出の米国特許願に示されるように、３個の水晶検出器
の直列回路を含む超音波変換器が用いられる。この検出
器は、或る１つの軸方向に開放された耐候性又は耐環境
性の円筒体に封入されている。

３つの水晶は、感度を最大とするために、この軸に沿
って整列され、「マイラー」製のカバーが、水分を排除
するために、開口上に配置されている。「マイラー」製
のカバー上には、これを物理的な参照から保護するため
のワイヤスクリーンが配置されている。

耐環境性トランスジューサーは、耐候性又は耐環境性
容器中に収納された前置増幅器に接続されている。この
トランスジューサーを備えた容器又は遠隔センサーは、
流体配管中に漏れが発生し易かったり、プラントの作動
又は安全にとって漏れが深刻となったりするような、工
業プラントの臨界な点に設けられる。これらの遠隔セン
サーは、複数の撚り導線対を利用した電流ループ伝送系
によって、中央制御−分析装置に接続されている。電流
ループ回路の一部は、各々の遠隔センサー中にあり、別
の一部は、中央ユニットにある。

遠隔センサー中の前置増幅器は、中央制御装置の指示
の下に、或る固定された増分ずつ利得が変化する。前置
増幅器は、通常は、その最高利得にあるため、最小の漏
れも検出する。しかし大きな漏れ部分から検出される超
音波信号の強度、又は、検出器が漏れ部分に物理的に非
常に近接していることによって、前置増幅器のダイナミ
ックレンジを超過したことが、中央制御装置によって検
出されると、中央制御装置は、前置増幅器ダイナミック
レンジに信号が含まれるようになるまで増分的に利得を
減少させる。このようにして、大きい漏れ部分も、小さ
い漏れ部分も、また可変の距離にある漏れも、オペレー
ターの介在を要せずに、遠隔に検出され測定される。

制御装置は、単に、漏れの存在とその振幅とを指示
し、ここに振幅は、電流ループを介して受信された信号
と、中央制御装置によって前置増幅器中に設定された増
分利得との関数である。このような場合には、オペレー
ターに警報が与えられるであろう。しかし所望ならば、
中央制御装置（コンピューターとしうる）は、プラント
の制御を実行し、可能な危険をさけるための処理を得る
ことができる。一例として中央制御装置は、臨界な弁を
自動的に開閉し、時にはプラントの作動を自動的に停止
させることができる。

次に本発明の好ましい実施例を示した添付図面を参照
して一層詳細に説明する。

＜実施例＞ 第１図には、工業プラント全体に亘って分布された遠
隔センサー20を利用する超音波漏れ検出方式が図示され
ている。特に、プラントの配管10〜14は、弁16,18によ
って相互に連結されている。これらの配管は、典型的に
は、加圧下の流体例えばガスを搬送する。何1000フィー
トもの長さのこれらの配管を、それ自身何1000フィート
もの長さ及び／又は幅を有しうるプラントの一領域に亘
って分布させることも、普通に行なわれている。ガス自
身が有毒ならば、配管に沿った臨界な個所においてこの
ガスの漏れを検出しうることは、ブラントの１つの重量
な安全上の特徴であろう。ガスが無色無臭の場合には特
にそうなる。ガス自身が有害でなくとも、例えばガスが
冷却系の一部分として用いられている場合のように、ガ
スの逃出が或る危険な状態の切迫を示していることはあ
りうる。

本発明は、可能な漏れについて配管を絶えずモニター
しうるようにするために、好ましくは、ガスの圧力が配
管上に最大の応力を与えると思われる弱い個所、例えば
曲がった個所又は、バルブにおいて、配管に沿って遠隔
センサー20を取付けることを提案する。各々の遠隔セン
サー20は、開口又は漏れを通る流体の逃出によって生じ
た超音波音を、中央制御−分析回路30に伝送するための
電気信号に変換しうるようにした、超音波トランスジュ
ーサー21を備えている。

第１図に示したように、センサー20は、加圧下の流体
が漏れ部分を通過する時に発生する超音波をピックアッ
プする音響トランスジューサーを使用する。しかし、配
管に直接連結されてその振動を感知する接触トランスジ
ューサーを使用してもよい。更に、超音波振動を発生さ
せるものである限り、配管中の漏れ以外の問題な状態例
えば電気アーク又は軸受の摩耗を検出するためにも、セ
ンサー20を使用することができる。

遠隔センサー20と中央制御−分析回路30との間の接続
部は、４本の導線即ち２対の撚り導線から成っている。
第１対の導線は、センサーユニットから遠隔センサー
に、プラス（＋）及びマイナス（−）の電圧を供給す
る。他の対の導線31,33は、（−）電圧線を帰路として
使用して、好ましくは４〜20mA形種の電流ループ伝送系
を供与する。工業上のセッティングにおいて見られうる
電磁界及び他の干渉にも拘らず、600m（2000フィート）
までの延長長さの複数の撚り導線対を用いて、遠隔セン
サー20の満足な作動を実現することができる。

作業に際して、中央制御−分析回路30は、遠隔センサ
ー20に電力を供給すると共に、センサー20の利得レベル
を設定する制御信号を、導線33上に送出する。典型的に
は、この利得は、許容可能な最大のステップに設定され
るので、最小の可能な漏れを初期に検出することができ
る。電流ループ伝送系の帰路となる導線31は、検出され
た漏れの振幅を表わす信号を、中央制御−分析回路30に
供給する。例えば弁16への配管10の接続部において、或
るわずかな漏れが検出されると、この漏れ部分を通るガ
ス流によって、超音波が発生し、この超音波音は、トラ
ンスジューサー21によって検出され、電気的信号に変え
られる。この電気的信号は、増幅、整流及び対数変換さ
れ、中央制御−分析回路30のインターフェース回路32に
転送される。インターフェース回路32においては、受信
信号の振幅は、基準レベルと比較される。基準レベル
は、基準レベル回路37によって供給される。受信信号が
基準よりも大きい場合、それは、遠隔センサー20中の増
幅回路が検出超音波信号の振幅のために飽和されている
ことを示している。

受信信号と増幅器の飽和基準レベルとの比較の結果
は、予めプログラミングがなされたマイクロプロセッサ
ーとしうるコンピューター34に供給される。遠隔センサ
ー回路が飽和されたことが示された時、コンピューター
34は、制御信号を発生させ、この制御信号は、電流ルー
プの出力導線となる導線33を経て、遠隔センサー20に送
出され、この遠隔センサーの増幅器は、それによって利
得が減少する。この過程は、遠隔センサー20の増幅器が
もはや飽和されなくなって受信信号の増幅の真の目安が
作られうるまで反復される。

受信信号及び遠隔センサー20に設定された利得に基づ
いて、超音波信号の真の振幅が計算されると、この値
は、警報レベル基準と比較される。これらの基準は、受
信された超音波信号がいつ通常の環境レベルをこえて増
大し、受信された超音波信号が漏れを示すかを指示す
る。そのほかに、日常的な保守によって対処可能な小さ
な漏れと、プラント又は少くとも問題の配管を即刻作動
停止とするべきことを示しうる大きな漏れとを識別する
ための、安全レベル基準を用いてもよい。そのほかに、
配管からのトランスジューサーの距離、配管中の圧力そ
の他に依存して、個別の個所について基準レベルを較正
することができる。いろいろの較正された基準レベル
は、必要な時に使用するために、コンピューターの記憶
装置に格納してもよい。小さな漏れが指示された場合に
は、コンピューター34は、漏れの大きさについての情報
を供与し、この情報は、記録部35に記録すると共に、表
示部36に表示することができる。記録部35は、普通の構
造の磁気テープ又はディスク記録装置でも、ペーパープ
リントアウトでも、その両方でもよい。表示部36は、陰
極線管ディスプレイ、液晶ディスプレイ又は他の形式の
表示器を含めた通常の形式の任意の電子ディスプレイと
することができる。

オペレーターは、制御パネル38によって、どれか１つ
の遠隔センサー20の状態についてコンピューター34に質
問すると共に、それについて何かの処置を取ることがで
きる。例えばガスが配管12から配管10中に流入し、配管
10と弁16との接合部に漏れが生じている場合、オペレー
ターは、制御パネル38を用いて弁16の位置を変更するこ
とにより、配管12中のガスが配管11に偏向されることに
よって、漏れをさけることができる。この同じ選択を、
コンピューター34に予めプログラムしておき、コンピュ
ーター34が、オペレーターを介さずに、弁16の位置を変
更するようにしてももい。この弁制御は、コンピュータ
ー34の制御の下に、弁16に接続されたソレノイド又はモ
ーターを作動させる弁制御回路40によって行なうように
してもよい。

漏れが非常に些少な性質のもので、日常的な保守によ
って対処可能と考えられた場合には、コンピューター
に、漏れ個所のリストをプリントアウトさせ、保守要員
がこのリストを利用して、配管系の完全性を保つように
してもよい。

第７図には、中央制御−分析回路30の前記の作用を説
明するためのフローチャートが示されている。全体の装
置は、最初にONした時、初期変プロセスを経過（第７図
のステップ700）し、このテップにおいては、中央制御
−分析回路30及び遠隔センサー20の回路部がリセットさ
れる。遠隔センサー20に電力が供給され、また最大利得
制御信号が供給されるので、遠隔センサー20は、最小の
可能な漏れを検出することができる。遠隔センサー20
は、電力の供給を受けると、受信超音波信号の送信を開
始し、この信号は、導線31に沿って、インターフェース
回路32（第１図）に供給される。

受信信号は、第７図のステップ702において、基準レ
ベル回路37からの利得基準レベルと比較される。ステッ
プ40では、この比較によって、センサー増幅器が飽和さ
れたか否かが判定される。もし飽和していたら、ステッ
プ705においてセンサーの利得が１ステップ即ち10db減
少される。受信信号は、次に、それが増幅器の飽和を表
わしているか否かについてチェックされる。このループ
は、センサー増幅器がもはや飽和されなくなるまで続け
られる。次にステップ706が実行される。ステップ706で
は、ステップ705において設定された利得と、受信信号
の値とは、漏れを表わす警報レベルを超えたか否かにつ
いてチェックされる。ステップ708では、このレベルを
超えたか否かが判定される。警報レベルを超過していな
かった場合には、漏れの指示をモニターするためのステ
ップ702〜708のループが継続される。インターフェース
回路32において受信された超音波レベルが警報レベル基
準を超えると、ステップ710が実行される。ステップ710
では警報が供給されると。これは可聴の警報でも可視の
警報でもよい。そのほかに、超音波信号とこの信号を発
生させた１以上のセンサー20の位置とによって定まる漏
れの位置及び大きさは、記録部35に記録されると共に、
表示部36に表示される。

装置全体が手動制御の下にある場合には、オペレータ
ーは、制御パネル38を使用して、表示部36上の漏れ情報
の表示に応答し、プラントの作動を制御することができ
る。しかしプラントの作動が少くとも部分的にコンピュ
ーター34の制御の下にある場合には、安全レベル基準を
超過する信号が漏れの大きさによって発生したか否かを
チェックするための別の比較がなされる。これはステッ
プ702において行なわれる。このレベルを超えていなけ
れば、全体の装置は、漏れのモニターを継続する。しか
しレベルが安全レベルよりも大きいか又は大きくなった
場合には、プラントの作動は、ステップ713において変
更又は停止される。ステップ713から装置全体を再始動
させるためには、ステップ700の初期化の手順を反復す
る必要がある。単に装置全体の作動が停止された時に漏
れが消失したことによって装置全体が自動的に再始動さ
れることがこれによって防止される。

第２図は、遠隔センサー20の電子回路のブロック線図
である。この回路において、超音波の信号は、トランス
ジューサー21によって検出され、電子信号に変換され、
この電気信号は、ステップ利得増幅器22に供給される。
増幅器22の利得は、中央制御−分析回路30からの４〜20
mA制御信号によって制御される。第２図に示した実施例
において、ステップ利得増幅器22は、被制御減衰器22A
と前置増幅器22Bとの直列回路から成っている。減衰器2
2Aは、４〜20mAの入力制御信号によって、スイッチ22C
の作動によって制御される。これらのスイッチが種々の
抵抗を減衰器回路に接続することによって、減衰器22A
の利得は、10db増分ずつ変化する。減衰器22Aの出力部
は、「Ｖ制御」電圧レベルによって利得が制御可能な前
置増幅器22Bに、コンデンサーを介し交流結合されてい
る。しかし、通常の状態の下では、Ｖ制御信号は一定に
なっているため、前置増幅器の利得は、予設定値から変
化しない。

この信号は、次に、別のコンデンサーによって増幅器
23に交流結合され、次に別のコンデンサーによって、能
動整流器24に交流結合される。整流器24は、超音波信号
の正漂遊分のみが通過することを確実にする。この整流
された信号は、次に瀘波され、フイルター25に直流信号
レベルを生じさせる。この瀘波された電圧レベルは、対
数変換器26内において、対数信号に変換され、レベルシ
フト回路27においてレベルシフトされる。レベルシフト
回路27は、送信器28によって対処可能な基準レベルに信
号を単に変更する。送信器28は、導線31、−ｖ（−ｖは
電圧入力基準ラインである）を経て中央制御−分析回路
30に再転送される電流信号に電圧信号を変換するための
電流ループ送信器である。送信器28は、調整電力胸腔回
路である電力供給調整器29によって発生される電圧レベ
ルを定めるように作用する回路も備えている。電力供給
調整器29は、中央制御−分析回路から供給された（＋）
及び（−）電圧をセンサー回路によって使用される調整
された電圧に変換するだけでなく、これらの回路のため
の「基準接地」レベルも発生させる。

明らかなように、４〜20mA電流ループは、センサー回
路が飽和されなくなる点まで増幅器22の利得を減少させ
るように、スイッチ22cの作動を制御する。飽和されて
いないセンサー回路において発生した信号は、次に整流
され、瀘波され、対変換され、レベルシフトされ、４〜
20mAの出力電流信号が送出される。

第２図にブロック回路図として図示した電子回路は、
第4A,4B,4C図に一層詳細に図示されている。第4A図に示
したように、トランスジューサー21は、好ましくは、グ
ットマン等の米国特許第4416145号に記載された３個１
組のトランスジューサーエレメントである。遠隔センサ
ー20の配される工業的な環境が潜在的に苛酷であること
から、トランスジューサー組立体は、第３図に示すよう
に、特別にシールされた円筒体中に収納されている。

この構成において、３個のトランスジューサーエレメ
ント48は、円筒状のハウジング40中に配置され、ハウジ
ング40の軸線Ｘに対し整列されている。第３図には、軸
線Ｘの遠隔側にある１つのトランスジューサーエレメン
ト48のみが図示されている。他の２つのトランスジュー
サーエレメントは、第３図に示したものから120゜の角
度において、軸線Ｘの回りに隔置されている。

金属製の円筒状ハウジング40は、遠隔センサー20の残
りのエレメントを保持する閉止された耐候性の金属製の
容器の一方の端部壁42中に保持されている。Ｏリング43
は、ハウジング40と端部壁42との間の強固なシールを与
える。ハウジング40の他方の端部は開放されている。

超音波振動は、一般に、円筒形のハウジング40の開口
を経て、軸線Ｘに沿って受入れられる。しかしこの振動
は、金属製スクリーン44と、ポリエステルフイルムなど
の可撓性で強じんな耐水性材料のシート46とを通過しな
ければならない。この材料として適切なのは、「マイラ
ー」である。マイラー製のシート46は、トランスジュー
サーエレメント48の前方においてハウジング40の開口の
上方に配設されている。スクリーン44とシート46との間
には、ハウジング40の内部を外部の環境からシールする
ように作用する別のＯリング45がある。シート46は、円
筒状ハウジング40の開放端を、それが耐水性となるよう
に覆うことを完全にするが、超音波振動が実質的に減衰
せずにトランスジューサーエレメント48に到達すること
は許容する。金属製のスクリーン44とマイラー障壁とし
てのシート46（これはいずれも端部壁42において、金属
製の容器に連結されている）とは、無線周波数の干渉を
減衰させながら、問題の超音波周波数の自由な通過をな
お許容する。またスクリーン44は、物理的な衝撃に対し
てマイラー製のシート46を保護する。

３個のトランスジューサーエレメント48（第３図には
そのうち１個のみ示す）は、架台47上に取付けてあり、
センサー20の電子部分のための容器中の印刷回路板49に
電気的に接続されている。

再び第4A図を参照して、トランスジューサー21が受け
た超音波音響振動に対応する、このトランスジューサー
からの交流信号は、減衰器22A及びコンデンサー70を経
て、前置増幅器22Bの高利得の電界効果トランジスター7
1（FET）のゲートに供給される。この交流信号電圧は、
抵抗50の両端間に発生し、抵抗51を経てコンデンサー70
に供給される。抵抗51は、電圧分割回路の上部にあり、
下部の抵抗は、固体状態のスイッチ56〜59のどれか１つ
以上の付勢に依存して、抵抗52〜55の組合せのうちどれ
か１つの抵抗であってよい。抵抗51に対する抵抗52〜55
の抵抗比は、スイッチ56〜59のうち１つ以上のものの切
換によって10dbずつのステップ状の減衰を生ずるように
定める。実際には、抵抗は、順々に、即ち、R52、R52＋
R53、R52＋R53＋R54及びR52からR54のように、回路に挿
入される。

スイッチ56〜59のうちのどれを切換るかの決定は、電
圧分割回路65の５個の抵抗によって設定された基準電圧
と共に、４〜20mAの制御入力信号によって、抵抗66の両
端間に生じた電圧に関連して、比較器61〜64によってな
される。電圧分割回路65からの別々のタップは、それぞ
れの比較器61〜64の一方の入力に供給される。比較器61
〜64の他の入力は、１つに結線され、抵抗66に接続され
ている。従って、例えば、比較器64に供給される基準レ
ベルを超過する電圧を抵抗66の両端間に生じさせるの
に、制御電流が十分であるならば、その比較器64は導通
し、スイッチ56を付勢する信号を発生させる。これによ
り、減衰器22bを通る或る特別の減衰因子が供与され
る。制御入力信号がステップ式に増加し、比較器63に供
給される基準レベルを超えた場合には、比較器63,64は
導通し、スイッチ56,57を付勢する。抵抗52,53は、これ
によって、頂部に抵抗51を有する電圧分割回路の底部に
並列に接続される。そのため、異なったいくつかの電流
レベルを制御入力信号として供給することによって、ス
イッチ56〜59は導通し、現済域22Bを通る利得は、例え
ば10db増分ずつステップ式に変化する。

４〜20ma制御信号は、4,8,16及び20mAレベルの間に切
換えられて、最小数の構成部分によって５つの減衰レベ
ルを供与する。制御入力が4mAレベルにある場合、抵抗6
6は、全部の比較器61〜64がトリガーされずに低出力レ
ベルをもつような値を有する。この場合、最小減衰又は
最大利得が達せされる。入力電流がより高いレベルにス
テップされると、比較器61〜64は、順にオンにトリガー
され、減衰器22A及び前置増幅器22Bを得る利得は減少す
る。他の制御手段も可能である。例えば、比較器の反転
入力と非反転入力とが逆になった場合、4mAレベルは、
最高の減衰となりうるであろう。

固体状態スイッチ56〜59は、抵抗66に制御電流が供給
されていない限り、ディップスイッチ67によって手動で
も制御できる。

前置増幅器22Bにおいて、電界効果トランジスター71
は、結合コンデンサー72によって、第２の電界効果トラ
ンジスター73と直列に接続されている。これら２つのト
ランジスターは、高利得−低ノイズ増幅器を一緒に形成
している。

「Ｖ制御」レベルは、トランジスター71,73のソース
に供給される可変の電圧である。トランジスター71,73
の相互コンダクタンスは、この電圧と共に単調に変化す
るので、前置増幅器22Bの利得は、この電圧を変化させ
ることによって調節しうる。しかしＶ制御電圧は、通常
は、１つのレベルに設定され、一度較正された後は、全
体の装置の通常の作動の間は変化しない。この電圧は、
第4C図に示した回路から導出される。

抵抗75は、Ｖ＋とＵ−との間の電位の1/2に等しい
「基準接地」電位に、減衰器回路の共通端子を基準付け
する。コンデンサー76は、前置増幅器22Bのための基準
点であるＶ−端子へと交流信号のバイパスを与える。こ
れによって、トランジューサー−減衰器と前置増幅器22
Bとの間の「共通の」基準点が設定されると共に、固体
状態スイッチの作動限度内においてトランスジューサー
−減衰器が作動することが可能となる。「基準接地」レ
ベルは、第4C図に示した回路においても発生する。

減衰器22A（スイッチ56〜59によって利得即ち減衰が
制御される）と前置増幅器22Bとは、その信号が増幅器2
3に交流結合されるステップ利得増幅器を一緒に形成し
ている。増幅器23、整流器24、フィルター25、対数変換
器26及びレベルシフター27は、第4B図に図示されてい
る。

前置増幅器22Bの出力部からの信号は、エミッター共
通接続されたトランジスター82のベースに、コンデンサ
ー80を介して交流結合される。抵抗83,85は、トランジ
スター増幅器のバイアスを、また抵抗83,85は、増幅器
の利得をそれぞれ定めている。

増幅器23の出力は、演算増幅器90の反転入力部に、コ
ンデンサー87を介して接続されている。演算増幅器90
は、ダイオード93,95のため、整流器として作用する。
増幅器90は、抵抗91に対する抵抗97の比に利得が比例す
る正の出力を、負電圧が入力抵抗91に供給された上体に
おいて発生する。これによりダイオード95が順方向にバ
イアスされるので、増幅器90の出力は、基本的に、抵抗
101に接続される。しかしダイオード93は、逆方向にバ
イアスされ、回路の動作には関与しない。抵抗91の正の
電圧が供給されると、ダイオード95は開放されるので、
信号の伝送は生じないが、ダイオードオード93は、順方
向にバイアスされるので、フィードバックループは閉成
される。そのため増幅器90の入力部においてのトランス
ジューサー信号の負の漂遊は、フイルター25に導かれる
が、正の漂遊は、整流器によって阻止される。

抵抗101及びコンデンサー103は、整流された信号の交
流成分を除去するための、整流器の出力側のフイルター
を形成する。瀘波作用は、演算増幅器102（対数変換器2
6の一部分である）の反転入力部への入力抵抗である抵
抗105によって助長される。

対数変換器は、温度補償されるもので、演算増幅器10
2の出力部に対数出力を供給するために、トランジスタ
ー対110のエミッター−ベース接合の対数電流電圧特性
を有する。この出力は、抵抗105においての入力電圧に
比例する。特に、抵抗105を通る電流は、トランジスタ
ー対110のトランジスターＡのコレクターを通る電流と
大きさが等しい。このコレクター電流は、トランジスタ
ーＡのベース−エミッター電圧に対数的に関係付けられ
ているので、演算増幅器102の出力は、抵抗105において
の入力電圧の対数に比例した値となる。トランジスター
対110のトランジスターＢには、抵抗111からの一定の電
流が供給される。トランジスターＢは、整合演算増幅器
112のフィードバックループにも含まれている。トラン
ジスターＢの目的は、トランジスターＡの温度補償を与
えることにある。演算増幅器102とトランジスターＡと
は、温度変化に対して各々が互に打消すように、演算増
幅器112とトランジスターＢとによって整合されてい
る。入力電流の差のみが出力に現出される。トランジス
ターＢのベースに接続された抵抗114は、温度感知抵抗
であり、トランジスター対110のための特別の温度にお
いてのVBE−IC曲線がトランジスター対110を通る電流に
依存して異なったものとなってトランジスターA,Bが異
なった電流において通常動作するという事実を補償す
る。

増幅器102の回りのコンデンサー107と、増幅器112の
回りのコンデンサー109とは、フィードバックループを
安定化させるために必要である。それは、トランジスタ
ー対110がループ内の電圧利得に寄与するためである。
トランジスター対110のベース−エミッター接合の両端
間に接続されたダイオード106,108は、入力電圧が負に
なった時にトランジスター対110のベース−エミッター
降伏を防止するために必要であるが、それは、演算増幅
器の正の出力電圧のためのフィードバック経路をトラン
ジスター対110が与えないためである。

対数変換回路の出力は、増幅器102の出力において取
出される。この出力信号は、今や整流された超音波信号
の対数値となっている。信号の対数を用いるのは、信号
レベルの対数関数であるデジベル（db）によってレベル
を表現することが音響信号の測定において慣用されてい
るためである。また、このようにすると、比較的大きな
ダイナミックレンジを４〜20mAの出力の伝送系によって
より高い精度で表わすことが可能となる。

対数信号は、レベルシフト回路27の演算増幅器120の
反転入力部に、抵抗115,117を介して供給される。レベ
ルシフト回路27の目的は、第4C図の電流伝送集積回路13
0の所要の入力レベルを整合させるために、Ｖ−を基準
とするレベルに、対数出力信号（誘導接地の基準とす
る）をシフトさせることにある。レベルシフト回路27は
また送信器の入力範囲に適合した漂遊に対して信号をス
ケーリングする。

増幅器120の反転入力部には、抵抗119,119′（抵抗11
9′は可調節とする）を介して、バイアス電流が供給さ
れる。この電流は、増幅器120の非反転入力部におい
て、対数出力信号を表わす電流に加算される。対数信号
の回路の利得は、増幅器120の入力部と出力部とを互に
接続するフィードバック抵抗121に対する抵抗117の比に
よって制御される。コンデンサー123は、抵抗121の両端
間に配置され、出力信号のローパス瀘波を与えることに
よって、リップル電圧を減少させる。

抵抗19′の調節によってレベルがシフトされる。特に
オフセットは、 Voff＝−1/2V＋Reg（R119′＋R119） によって与えられる。

また信号は、抵抗119の調節によって、因子 Ｇ＝−（R121/（R115＋R117） によってスケーリングされる。

スケーリングされレベルシフトされた対数信号は、第
4C図に示すように、送信器28の電流ループ伝送集積回路
130の入力部に供給される。回路130は、バー・ブラウン
・コーポレイションによってモデルXTR100として市販さ
れている形式の、精密電圧電流交換送信器である。回路
130は、レベルシフト回路27からの入力電圧を４〜20mA
電流ループ信号に変換する。この回路は、精密＋10V基
準レベルも備えている。

４〜20mA出力信号は、回路130から、MOSFET トランジ
スター132を介して送出される。外部のトランジスター1
32の使用によって熱が回路130から排除されると共に、
全ての出力条件の下において性能が最適化される。

回路130に発生した調整された電圧レベルは、演算増
幅器134の非反転入力部に供給される。この増幅器134の
出力は、遠隔センサー中の電子部分のためのＶ＋調節電
圧である。この電圧は、中央制御−分析回路30からのＶ
−入力レベルに関連している。

別の演算増幅器136は、＋Ｖ調節電圧と（−）電圧と
の間に配された抵抗133,135の接合部に、フオロワ形態
において接続されているため、実質的に零Ｖになってい
る。増幅器136の出力は、遠隔センサー中の電子部分を
通じて用いられている「基準接地」である。

演算増幅器138は、抵抗137、トリムポット137′及び
抵抗139を用いて、増幅器136に、同様の形態で接続され
ている。増幅器138の出力は、前置増幅器22Bの利得を制
御する「Ｖ制御」信号である。Ｖ制御電圧レベルは、ト
リムポット137′の調節によって調節される。

第4A図に示したステップ利得増幅器22は、ステップ減
衰器部分と、それに続く電界効果トランジスター前置増
幅器とを有している。この構成は、前置増幅器22B自身
にステップ減衰器部分を組込むために、第５図に示すよ
うに変更することができる。第５図において、トランス
ジューサー21からの超音波信号は、トランジスター140
のベースに、コンデンサー141を介して供給される。抵
抗143,145は、トランジスター140のコレクター出力にお
いての増幅器の呼び利得を設定する。しかし、エミッタ
ー抵抗145と並列に抵抗152が接続してあり、抵抗152
は、電子スイッチ156及びコンデンサー146と直列に接続
されている。例えば第4A図に示した比較器61〜64のよう
な１組の比較器によってスイッチ156が付勢されると、
抵抗152は、抵抗145と並列の関係におかれるので、増幅
器の利得が増大する。抵抗157〜159及びスイッチ157〜1
59も抵抗145と並列に接続されている。第５図に示した
スイッチと直列のコンデンサー146〜149は、超音波域に
おいて考えるべき十分に高い周波数の信号のみについ
て、利得の増大を実現する。スイッチ156〜159が次々に
付勢されると、回路の利得は、10dbずつの増分としうる
固定ステップずつ増大する。

第６図に示した本発明の他の好ましい実施例によれ
ば、トランスジューサー21の出力は、ステップ減衰器を
介することなく、第4A図に示したよののように、前置増
幅器160に直接に接続されている。電界効果トランジス
ター前置増幅器の出力は、次に、切換利得段161〜164に
導かれる。切換利得段161〜164の回路は、固定利得減少
を伴なう受動減衰器でも、固定利得増加を伴なう能動回
路でもよい。また、入力前置増幅器は、第4A図に示した
もののように、前置増幅器の利得が制御可能となるよう
に、可変利得制御入力と共に形成することができる。

各々の利得段161〜164は、第５図に示すもののように
増幅器としてもよい。そのため、各々の利得段は、１つ
の抵抗と１つのスイッチ、例えば抵抗152とスイッチ156
によって制御される２つの利得レベルを有してもよい
が、多重の抵抗及びスイッチによって制御される多重利
得レベルを有してもよい。

本発明の更に別の実施例によれば、精密整流器、対数
変換器及びレベルシフト回路は、対数出力をもったRMS
変換回路に代えてもよい。このRMS変換回路装置の一例
として、アナログ・デバイセスによってモデルAD536Aと
して市販されているものがある。このRMS変換器には、
市販の対数変換器を後置することができる。この形式の
回路の利点は、真のRMS出力信号が供与されることであ
る。そのほかにも簡単な全体的な回路形態が考えられ
る。しかし、このような集積回路装置には、コストが高
くなることの不利益がある。

本発明のその特定の実施例について以上に説明した
が、以上に説明した以外の種々の変形が可能であり、前
述した特定の構成は、単なる例示にすぎず、本発明を限
定するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による遠隔超音波漏れ検出方式のブロ
ック線図、第２図は、漏れ検出方式の遠隔センサー部分
の回路を示すブロック線図、第３図は、耐水性超音波検
出器の断面図、第4A,4B,4C図は、遠隔センサーの電子回
路を示す概略回路図、第５図は、本発明の変形実施例に
よる遠隔センサーのステップ利得増幅器の概略結線図、
第６図は、本発明の更に別の実施例による遠隔センサー
のためのステップ利得増幅器を示す概略結線図、第７図
は、中央制御−分析回路の作用を説明するためのフロー
チャートである。 20……遠隔センサー（遠隔超音波センサー手段）、30…
…中央制御−分析回路（中央制御手段）、130……電流
ループ伝送集積回路（電流ループ伝送手段）。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｈ 33/26 Ｈ０３Ｇ 3/20 Ｃ Ｈ０３Ｇ 3/20 Ｈ０４Ｂ 17/00 Ｌ Ｈ０４Ｂ 17/00 Ｇ０１Ｄ 3/02 Ｒ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】その近傍の超音波振動を検出してそれを電
   気信号に変換するための少くとも一つの遠隔超音波セン
   サー手段を有し、該センサー手段は、制御信号に従って
   不連続のステップで変化させうる可変利得を有し、更
   に、前記センサー手段からの前記電気信号を分析して前
   記センサー手段のための前記制御信号を発生させるため
   の中央制御手段と、前記センサー手段と前記制御手段と
   を連結する電流ループ伝送手段とを有し、当該電気ルー
   プ伝送手段は、前記制御信号を前記センサー手段に不連
   続の電流レベルとして送出し、前記センサー手段から前
   記電気信号を電流レベルとして受けるようにした遠隔超
   音波センサー制御方式。
2. 【請求項２】前記センサー手段は、大体において囲まれ
   た開口付きハウジングと、当該開口を経て向けられる音
   響エネルギーを受けるために前記ハウジング中に配置さ
   れた少くとも一つのトランスジューサエメレントと、前
   記開口上の耐水性−可撓性カバーと、当該カバー上の保
   護スクリーンとを有する工業上の場所においての超音波
   振動の検出用の環境耐性トランスジューサーを含むこと
   を特徴とする請求項１に記載の遠隔超音波センサー制御
   方式。