JP3781637B2

JP3781637B2 - Fault detection method and apparatus for differential transformer

Info

Publication number: JP3781637B2
Application number: JP2001151017A
Authority: JP
Inventors: 雅士坪井
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2021-05-21
Also published as: JP2002340612A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気マイクロメータ等に用いる差動トランスの故障検出方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測定対象の変位を測定する変位計として、電気マイクロメータが、図１に例示する如く、インラインの多点測定に用いられるようになっている。
【０００３】
図１において、１０は、差動トランスが内蔵された電気マイクロメータ、１２は測定ユニット、１２Ａは、オフセットやゲイン調整用のボリューム、１４は、ビルトイン方式のユニットケース、１４Ａはセレクタ、１４Ｂは確認用メータ、１６はパソコン（ＰＣ）である。
【０００４】
前記電気マイクロメータ１０は、図２に詳細に示す如く、プローブ２０を構成するスピンドル２２の変位が伝えられるコア２６と、該コア２６の機械的な中心位置（中立点と称する）に関して対称に設けられた、互いに直列接続されたセンサコイル２８、３０を含む差動トランスを用いて、コア２６の位置によるセンサコイル２８、３０のインビーダンスの変化を利用して、外部の発振器３２からセンサコイル２８、３０に電圧を掛けた時に、各センサコイル２８、３０の両端に発生する、図３に示すような電圧Ｅ１、Ｅ２の差（Ｅ１−Ｅ２）のコア２６の位置による変化に基づいて、スピンドル２２の変位を検出していた。
【０００５】
具体的には、図４に示す如く、発振器３２で発生した正弦波状の駆動信号を、例えばトランス４０を介して前記センサコイル２８、３０に印加し、前記センサコイル２８、３０の中立点の出力とゼロ調整（オフセット補正）用の可変抵抗器（ボリュームと称する）４２の出力を増幅器４６で増幅し、スパン調整（ゲイン補正）用のボリューム４８及びオフセット除去用のコンデンサ５０を介して同期整流器５２に入力し、該同期整流器５２により前記発振器３２出力の駆動信号との同期をとって半波又は全波整流した後、フィルタ５４により平滑化し、該フィルタ５４出力のアナログ信号をアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器５６によりデジタル信号に変化した後、例えば液晶表示器（ＬＣＤ）で構成される表示装置５８によりデジタル表示していた。図において、４４は抵抗である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような差動トランスを用いた電気マイクロメータにおいては、プローブ２０（コア２６）の機械的中立点でセンサ信号が零になるため、断線等による故障と中立点からの正常信号との判別が困難であるという問題点を有していた。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、入力信号線や駆動信号線の断線状態と正常状態を判別可能とすることを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、差動トランスの故障検出装置において、差動トランスの出力信号に故障検出用のオフセット信号を印加するための、該差動トランスのインピーダンスより出力インピーダンスが高くされたオフセット印加回路と、前記オフセット信号が印加された信号を、オフセットが無い状態に戻すためのオフセット除去回路と、該オフセット除去回路の出力信号を整流する整流回路と、該整流回路の出力レベルに基づいて、入力信号線や駆動信号線の断線を検出するレベル判定回路とを備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１０】
更に、前記入力信号線や駆動信号線の断線を検出したら、外部へアラームを出力すると共に、直前の内部データを保持するようにしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
本発明の第１実施形態は、図５に示す如く、クロック信号を発生する、周波数安定度が従来の発振器３２に比べて極めて高い水晶発振器６０と、該水晶発振器６０の出力に基づいて、正弦波状の駆動信号をデジタル的に発生するための、正弦波（ＳＩＮ）データが記憶されたリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）６４及び該ＲＯＭ６４の出力をアナログ信号に変換して出力するデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器６６を含む駆動信号発生用ＣＰＵ６２と、従来と同様のセンサコイル２８、３０の中点に発生した電圧を増幅するための、高精度の抵抗アレイ４４及び安定したゲインの増幅器６８と、該増幅切換回路６８の出力を、前記水晶発振器６０出力のクロック信号と同期して整流する同期整流器７８と、該同期整流器７８の出力を平滑化するフィルタ５４と、該フィルタ５４の出力をデジタル信号に変換する、例えば１４ビットのＡ／Ｄ変換器５６と、測定信号を表示する際に、ヒステリシスを持たせて、表示のちらつきを防止するためのデジタルフィルタ８１、オフセット補正及びゲイン補正をデジタル的に行う補正処理部８２、表示処理部８４、オフセット・入出力処理部８６、Ｄ／Ａ出力部８８、後出レベル判定回路９８を含む信号処理用ＣＰＵ８０と、前記センサコイル２８と３０の中立点からの信号に故障検出用のオフセット信号を印加するための、差動トランスのインピーダンスより出力インピーダンスが高く設定されたオフセット印加回路９０と、該オフセット回路９０によりオフセットされた信号を、再びオフセットの無い状態に戻すためのオフセット除去回路９２と、駆動信号線２９、３１の断線にも対応できるように、該オフセット除去回路９２の出力信号を検波する整流回路９４と、該整流回路９４の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器９６と、該Ａ／Ｄ変換器９６の出力に基づいて、異常値のレベルを判定するための、例えば前記信号処理用ＣＰＵ８０に含まれるレベル判定回路９８と、を含んで構成されている。
【００１３】
前記ＲＯＭ６４には、正弦波データが予め計算して格納されており、前記水晶発振器６０は、該ＲＯＭ６４の正弦波データの読み出しタイミングを発生させる。
【００１４】
前記補正処理部８２におけるオフセット補正及びゲイン補正は、次式により行われる。
【００１５】
【数１】

【００１６】
本実施形態における入力信号線２７又は両駆動信号線２９、３１が断線した状態の入力信号と出力信号の関係の例を図６（Ａ）に示す。図から明らかなように、正常であれば、オフセット印加回路９０で印加したオフセットが、オフセット除去回路９２で元に戻り、整流回路９４の出力も正常レベルとなるのに対して、入力信号線２７又は両駆動信号線２９、３１が断線した場合には、インピーダンスの関係で、オフセット印加回路９０により入力信号が大きくオフセットし、オフセット除去回路９２を経ても正常値には戻らないので、レベル判定回路９８により、異常レベルを判定できる。
【００１７】
又、駆動信号線２９、３１の一方が断線するか、あるいは、水が入ったりして短絡した場合には、図６（Ｂ）に示す如く、振幅が大きいままとなり、やはり整流回路９４の出力が異常レベルとなるので、レベル判定回路９８により、この状態を検知できる。
【００１８】
前記レベル判定回路９８により異常が検出されると、デジタルフィルタ８１の処理を停止させて以降の入力データを無効にし、最後の測定値を保持させると共に、オフセット・入出力処理部８６から、ＲＳ２３２等の外部出力にアラーム信号を出力させる。
【００１９】
本実施形態においては、従来のようにコイルやコンデンサを用いた発振器３２の代わりに、信号発生用ＣＰＵ６２でデジタル的に駆動信号を発生し、且つ、ボリューム４２、４６の代わりに補正処理部８２でデジタル的にオフセット補正及びゲイン補正を行うようにしているので、温度変化や経年変化の影響を受け難く、組立時やキャリブレーション時の調整を省略でき、更に、ボリュームの取付スペースの削減による小型化が可能である。
【００２０】
本実施形態においては、更にデジタルフィルタ８１を加えて、Ａ／Ｄ変換器５６の出力にヒステリシスを持たせているので、時定数の大きなフィルタを用いて応答速度を下げなくても、判定レベル近傍での信号のふらつきにより変位表示が変化しにくくなるようになると共に測定値が近似的に平均化され、インラインに組込んでの自動制御に適した高い応答速度で、安定した表示を得ることができる。
【００２１】
前記デジタルフィルタ８１におけるヒステリシスの処理の手順を図７に示す。ここで、ヒステリシス量Ｎは、安定性を優先する場合には大きくし、速さを優先する場合には小さくすることができる。
【００２２】
Ｎ＝１の場合の表示値の変化例を図８に実線Ａで示す。同じく破線Ｂで示す従来例と比べて、表示のちらつきが小さくなっていることが明らかである。
【００２３】
なお、本発明の適用対象は、前記のようなデジタル式の電気マイクロメータに限定されず、図４に示したようなアナログ式の電気マイクロメータにも同様に適用できる。このアナログ式の電気マイクロメータに適用した本発明の第２実施形態を図９に示す。
【００２４】
本実施形態においては、抵抗４４の代わりにオフセット印加回路９０が設けられ、ゲイン補正用ボリューム４８の出側にオフセット除去回路９２が設けられている。
【００２５】
他の点に関しては、図４に示した従来例と同様であるので、説明は省略する。
【００２６】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、入力信号線２７又は両駆動信号線２９、３１が断線した場合には、図６（Ａ）に示したような波形となり、一方、片側の駆動信号線２９又は３１が断線又は短絡した場合には、図６（Ｂ）に示した如くとなるので、レベル判定回路９８で、正常状態とこれらの異常状態を区別することが可能となる。
【００２７】
前記レベル判定回路９８が異常を検出すると、その信号が信号処理用ＣＰＵ８０´に入って表示装置５８でアラーム表示を行うと共に、Ａ／Ｄ変換器５６からの入力を以降無効にして、最後のデータをＣＰＵ８０´で保持する。このデータを、必要に応じて、表示装置５８に表示することも可能である。又、ＣＰＵ８０´から外部へアラーム信号を出力するように構成することも可能である。
【００２８】
本実施形態においては、第１実施形態のＡ／Ｄ変換器９６を省略して、コンパレータ等からなるレベル判定回路９８により、整流回路９４の出力に基づいて、直接レベル判定しているので、構成が簡略である。
【００２９】
なお、前記実施形態においては、いずれも、本発明が電気マイクロメータに適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、他の電気マイクロ製品や、差動トランスを用いた一般の測定器にも同様に適用することができることは明らかである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、信号線の断線又は短絡状態と正常状態を判別することが可能となり、故障検出を容易且つ的確に行うことが可能となる。
【００３１】
従って、インライン等の自動測定に際して、プローブと電装間のケーブルの断線やコネクタの接続不良に対して、警告メッセージを発生し、誤ったデータによる誤作動を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リニアエンコーダを用いて行われている従来の多点測定の例を示す構成図
【図２】電気マイクロメータで用いられている差動トランスの原理を示す構成図
【図３】同じくセンサコイル出力の例を示す線図
【図４】従来の電気マイクロメータの構成例を示す回路図
【図５】本発明の第１実施形態の構成を示す回路図
【図６】前記実施形態における入力信号線又は両駆動信号線が断線した場合、及び、片側の駆動信号線が断線又は短絡した場合の各部信号波形を示す線図
【図７】第１実施形態で用いられているデジタルフィルタ内におけるヒステリシス処理の手順を示す流れ図
【図８】従来例と第１実施形態における表示値の変化状態を比較して示す線図
【図９】本発明の第２実施形態の構成を示す回路図
【符号の説明】
２０…プローブ
２２…スピンドル
２６…コア
２７…入力信号線
２８、３０…センサコイル
２９、３１…駆動信号線
３２…発振器
６２…駆動信号発生用ＣＰＵ
８０、８０´…信号処理用ＣＰＵ
９０…オフセット印加回路
９２…オフセット除去回路
９４…整流回路
９８…レベル判定回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a failure detection method and apparatus for a differential transformer used in an electric micrometer or the like.
[0002]
[Prior art]
As a displacement meter for measuring the displacement of a measurement object, an electric micrometer is used for in-line multipoint measurement as illustrated in FIG.
[0003]
In FIG. 1, 10 is an electric micrometer with a built-in differential transformer, 12 is a measurement unit, 12A is a volume for adjusting an offset or gain, 14 is a built-in unit case, 14A is a selector, and 14B is a confirmation. The meter 16 is a personal computer (PC).
[0004]
As shown in detail in FIG. 2, the electric micrometer 10 is provided symmetrically with respect to a core 26 to which the displacement of the spindle 22 constituting the probe 20 is transmitted and a mechanical center position (referred to as a neutral point) of the core 26. By using the differential transformer including the

sensor coils

28 and 30 connected in series to each other and using the change in the impedance of the

sensor coils

28 and 30 according to the position of the core 26, the sensor coil is supplied from the external oscillator 32. Based on the change due to the position of the core 26 of the difference between the voltages E1 and E2 (E1 to E2) as shown in FIG. The displacement of the spindle 22 was detected.
[0005]
Specifically, as shown in FIG. 4, a sinusoidal drive signal generated by the oscillator 32 is applied to the

sensor coils

28 and 30 via, for example, a transformer 40, and the neutral point output of the

sensor coils

28 and 30 is output. The output of a variable resistor (referred to as a volume) 42 for zero adjustment (offset correction) is amplified by an amplifier 46, and a synchronous rectifier 52 is passed through a volume 48 for span adjustment (gain correction) and a capacitor 50 for offset removal. Is synchronized with the drive signal of the output of the oscillator 32 by the synchronous rectifier 52, and then half-wave or full-wave rectified, and then smoothed by the filter 54, and the analog signal of the filter 54 output is analog-digital (A / D) After being converted into a digital signal by the converter 56, a digital table is displayed by a display device 58 constituted by, for example, a liquid crystal display (LCD). It was. In the figure, 44 is a resistor.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in an electric micrometer using such a differential transformer, the sensor signal becomes zero at the mechanical neutral point of the probe 20 (core 26), so that a failure due to disconnection or the like and a normal signal from the neutral point are not detected. It had the problem that it was difficult to distinguish.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and it is an object of the present invention to make it possible to distinguish between a disconnected state and a normal state of an input signal line and a drive signal line.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a differential transformer failure detection apparatus , wherein an offset application circuit having an output impedance higher than an impedance of the differential transformer for applying a fault detection offset signal to an output signal of the differential transformer; Based on the output level of the rectifier circuit, an rectifier circuit for rectifying the output signal of the offset eliminator circuit, an offset eliminator circuit for returning the signal to which the offset signal is applied to a state without an offset, and an input signal line by providing a level decision circuit for detecting the disconnection of or the drive signal line is obtained by solving the previous SL problems.
[0010]
Further, when the disconnection of the input signal line or the drive signal line is detected, an alarm is output to the outside and the immediately preceding internal data is held.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0012]
As shown in FIG. 5, the first embodiment of the present invention generates a clock signal and has a crystal oscillator 60 that has a very high frequency stability compared to the conventional oscillator 32, and a sine based on the output of the crystal oscillator 60. A read-only memory (ROM) 64 storing sine wave (SIN) data and digital / analog (D / A) that converts the output of the ROM 64 into an analog signal and outputs the analog signal. A) A drive signal generating CPU 62 including a converter 66, and a high-precision resistor array 44 and a stable gain amplifier 68 for amplifying a voltage generated at the midpoint of the

sensor coils

28 and 30 as in the prior art. The synchronous rectifier 78 rectifies the output of the amplification switching circuit 68 in synchronization with the clock signal of the crystal oscillator 60 output, and the output of the synchronous rectifier 78 is smoothed. A filter 54, a 14-bit A / D converter 56 that converts the output of the filter 54 into a digital signal, for example, and a hysteresis when displaying a measurement signal, to prevent display flickering For signal processing including a digital filter 81, a correction processing unit 82 that digitally performs offset correction and gain correction, a display processing unit 84, an offset / input / output processing unit 86, a D / A output unit 88, and a later-described level determination circuit 98 CPU 80, offset application circuit 90 in which an output impedance is set higher than the impedance of the differential transformer for applying a fault detection offset signal to a signal from a neutral point of the

sensor coils

28 and 30, and the offset circuit Offset removal circuit for returning the signal offset by 90 to a state having no offset again 2 and a rectifier circuit 94 for detecting the output signal of the offset removal circuit 92 and an A / D conversion for converting the output of the rectifier circuit 94 into a digital signal so as to cope with disconnection of the

drive signal lines

29 and 31. And a level determination circuit 98 included in the signal processing CPU 80 for determining the level of the abnormal value based on the output of the A / D converter 96, for example.
[0013]
In the ROM 64, sine wave data is calculated and stored in advance, and the crystal oscillator 60 generates a read timing of the sine wave data in the ROM 64.
[0014]
The offset correction and gain correction in the correction processing unit 82 are performed by the following equations.
[0015]
[Expression 1]

[0016]
FIG. 6A shows an example of the relationship between the input signal and the output signal when the input signal line 27 or the

drive signal lines

29 and 31 are disconnected in this embodiment. As is apparent from the figure, if normal, the offset applied by the offset application circuit 90 is restored by the offset removal circuit 92, and the output of the rectifier circuit 94 is also at a normal level, whereas the input signal line 27 Alternatively, when both the

drive signal lines

29 and 31 are disconnected, the input signal is largely offset by the offset application circuit 90 due to the impedance, and does not return to the normal value even after passing through the offset removal circuit 92. Therefore, the level determination circuit 98 can determine the abnormal level.
[0017]
Further, when one of the

drive signal lines

29, 31 is broken or short-circuited due to water or the like, the amplitude remains large as shown in FIG. Becomes an abnormal level, the level determination circuit 98 can detect this state.
[0018]
When an abnormality is detected by the level determination circuit 98, the processing of the digital filter 81 is stopped, the subsequent input data is invalidated, the last measured value is held, and from the offset / input / output processing unit 86, RS232, etc. The alarm signal is output to the external output.
[0019]
In this embodiment, instead of the oscillator 32 using a coil or a capacitor as in the prior art, a signal generating CPU 62 generates a drive signal digitally, and the correction processing unit 82 instead of the

volumes

42 and 46. Since digital offset correction and gain correction are performed, it is difficult to be affected by temperature changes and aging changes, adjustment during assembly and calibration can be omitted, and further downsizing by reducing volume mounting space Is possible.
[0020]
In the present embodiment, the digital filter 81 is further added to provide hysteresis to the output of the A / D converter 56. Therefore, even if the response speed is not lowered by using a filter having a large time constant, the vicinity of the judgment level. The displacement display is less likely to change due to signal fluctuations at the same time, and the measured values are approximately averaged, so that a stable display can be obtained with a high response speed suitable for automatic control incorporated in the in-line. it can.
[0021]
FIG. 7 shows the procedure of hysteresis processing in the digital filter 81. Here, the hysteresis amount N can be increased when priority is given to stability, and can be reduced when priority is given to speed.
[0022]
A change example of the display value in the case of N = 1 is shown by a solid line A in FIG. It is clear that the display flicker is smaller than that of the conventional example, which is also indicated by the broken line B.
[0023]
The application target of the present invention is not limited to the digital electric micrometer as described above, and can be similarly applied to an analog electric micrometer as shown in FIG. A second embodiment of the present invention applied to this analog electric micrometer is shown in FIG.
[0024]
In this embodiment, an offset application circuit 90 is provided instead of the resistor 44, and an offset removal circuit 92 is provided on the output side of the gain correction volume 48.
[0025]
The other points are the same as in the conventional example shown in FIG.
[0026]
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, when the input signal line 27 or both drive

signal lines

29 and 31 are disconnected, the waveform as shown in FIG. When the

drive signal line

29 or 31 is disconnected or short-circuited, the state is as shown in FIG. 6B, and the level determination circuit 98 can distinguish between the normal state and these abnormal states.
[0027]
When the level determination circuit 98 detects an abnormality, the signal enters the signal processing CPU 80 'and displays an alarm on the display device 58. The input from the A / D converter 56 is invalidated thereafter, and the last data is displayed. Is held by the CPU 80 '. This data can be displayed on the display device 58 as necessary. It is also possible to configure the CPU 80 'to output an alarm signal to the outside.
[0028]
In the present embodiment, the A / D converter 96 of the first embodiment is omitted, and the level determination circuit 98 made of a comparator or the like directly determines the level based on the output of the rectifier circuit 94. Is simple.
[0029]
In any of the above embodiments, the present invention has been applied to an electric micrometer. However, the scope of application of the present invention is not limited to this, and other electric micro products and general transformers using a differential transformer may be used. Obviously, the same can be applied to the measuring instrument.
[0030]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to distinguish between a disconnection or short circuit state of a signal line and a normal state, and it is possible to easily and accurately detect a failure.
[0031]
Therefore, during automatic measurement such as in-line, it is possible to generate a warning message for the disconnection of the cable between the probe and the electrical equipment or the connection failure of the connector, and to prevent malfunction due to erroneous data.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a conventional multipoint measurement performed using a linear encoder. FIG. 2 is a block diagram showing the principle of a differential transformer used in an electric micrometer. FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of the configuration of a conventional electric micrometer. FIG. 5 is a circuit diagram showing the configuration of the first embodiment of the present invention. FIG. 7 is a diagram showing signal waveforms of respective parts when an input signal line or both drive signal lines are disconnected, and when one drive signal line is disconnected or short-circuited. FIG. 8 is a flow chart showing the procedure of hysteresis processing in FIG. 8. FIG. 8 is a diagram showing a comparison of display value change states in the conventional example and the first embodiment. FIG. 9 is a circuit diagram showing the configuration of the second embodiment of the invention. Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Probe 22 ... Spindle 26 ... Core 27 ...

Input signal line

28, 30 ...

Sensor coil

29, 31 ... Drive signal line 32 ... Oscillator 62 ... CPU for drive signal generation
80, 80 '... CPU for signal processing
90 ... Offset application circuit 92 ... Offset removal circuit 94 ... Rectifier circuit 98 ... Level determination circuit

Claims

An offset application circuit having an output impedance higher than the impedance of the differential transformer for applying an offset signal for failure detection to the output signal of the differential transformer;
An offset removal circuit for returning the signal to which the offset signal is applied to a state without an offset;
A rectifier circuit for rectifying the output signal of the offset removal circuit;
A level determination circuit that detects disconnection of an input signal line or a drive signal line based on the output level of the rectifier circuit;
A fault detection device for a differential transformer, comprising:

2. The failure of the differential transformer according to claim 1 , wherein when a disconnection of the input signal line or the drive signal line is detected, an alarm is output to the outside and the immediately preceding internal data is retained. Detection device.