JP4700326B2

JP4700326B2 - 粉粒体の流量測定装置

Info

Publication number: JP4700326B2
Application number: JP2004319015A
Authority: JP
Inventors: 正夫斉藤; 豊高野
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2024-11-02
Also published as: JP2006132958A

Description

本発明は、粉粒体の流路とされる円筒管の外周側に対向配置した電極間の静電容量の大きさに応じた増幅信号を回路から出力することにより円筒管内部を流れる粉粒体の流量変化を検出する粉粒体の流量測定装置に関する。

従来より、円筒管の内部を流れる粉粒体の流量を静電容量の変化として検出する粉粒体の流量測定装置が知られている（特許文献１〜４）。この装置では、粉粒体の流路とされる石英ガラス管などの円筒管の外周側に、流路を挟んでソース電極およびセンス電極が対向配置され、これらの電極の中間位置に、測定対象である粉粒体を通過しない電気力線による漂遊容量を避けるために一対のガード電極が対向配置される。

ソース電極とガード電極との間に交流の電源電圧を印加し、粉粒体の流量により変化するこれらの電極間の静電容量に応じた電流信号を増幅することにより粉粒体の流量値もしくは流量の変化を測定している。
特開２００４−１７０４３８号公報特開２００３−２０２２５３号公報特開２００１−０２１３９７号公報特開平８−２７１３０１号公報

上記の装置では、粉粒体が流れる円筒管の管内面に粉粒体が付着することがある。付着が進行すると、粉粒体によって流路が詰まり、流路へ粉粒体を正常に流すことができなくなる。装置の運転上、この粉粒体の詰まり具合を把握して適切な処置を行う必要があり、円筒管内部における粉粒体の流れを測定すると同時に、円筒管内面への粉粒体の付着がどの程度進行しているかを監視できることが望ましい。

また、円筒管内部を流れる粉粒体の濃度増加または円筒管内面への粉粒体の付着進行により増幅器が飽和することなく広いダイナミックレンジで流量変化を高感度に検出できることが望ましい。

本発明は、時々刻々の粉粒体の流量変化を高感度に検出することができ、ダイナミックレンジが広い粉粒体の流量測定装置を提供することを目的としている。
また本発明は、円筒管の内部を流れる粉粒体の流量変化を検出すると同時に、円筒管の内面に対する粉粒体の付着の進行度合いを監視可能な粉粒体の流量測定装置を提供することを目的としている。

本発明の粉粒体の流量測定装置は、粉粒体の流路とされる円筒管の外周側に、流路を挟んで両側に対向配置されるソース電極およびセンス電極と、これらの電極の中間位置に対向配置される一対のガード電極と、からなる測定用電極を備え、前記円筒管の内部を流れる粉粒体の流量変化をソース電極とセンス電極との間の静電容量の変化として検出する粉粒体の流量測定装置であって、
高周波電源電圧を印加した前記測定用電極からの信号と、補正用の参照信号との差分出力を、交流増幅段に入力して増幅した後、該交流増幅段から出力された交流信号の振幅変化を低域ろ波器により直流信号として取り出し、この直流信号における前記粉粒体の流量
変化に応じた変化分を高域ろ波器で増幅することにより、前記円筒管の内部を流れる粉粒体の流量変化を検出するように構成し、
前記交流増幅段に自動利得調整回路を設け、前記円筒管内部を流れる粉粒体の濃度増加または前記円筒管内面への粉粒体の付着進行により前記自動利得調整回路への入力信号が所定の大きさを超えた際に、該自動利得調整回路によって増幅利得を調整するようにしたことを特徴とする。

このように、交流増幅段から出力された交流信号の振幅変化を低域ろ波器（ローパスフィルタ）により直流信号として取り出した後、高域ろ波器（ハイパスフィルタ）によって、温度特性などの比較的長周期の変化分を除去して粉粒体の時々刻々の流量変化を取り出すようにしたので、高感度に粉粒体の流量変化を検出することができる。

そして、測定用電極からの信号と参照信号との差分出力を増幅する交流増幅段に自動利得調整回路を設けているので、円筒管内部を流れる粉粒体の濃度が増加するか、あるいは円筒管の内面への粉粒体の付着が進行することにより、ソース電極とセンス電極との間の静電容量が増加して自動利得調整回路への入力信号のレベルが所定の大きさを超えると、自動利得調整回路では増幅利得を調整する電圧を発生させて入力信号の利得を調整する。

この利得調整電圧は、入力信号のレベルが所定の大きさを超えることにより発生し、入力信号のレベルがさらに増加すると、利得調整電圧も増加して増幅利得を抑えるように作用する。このため、円筒管内部を流れる粉粒体の濃度が大きく増加し、あるいは円筒管内面への粉粒体の付着が進行しても、上記の自動利得調整回路において増幅利得が調整されるので、増幅器が飽和状態となり機能を喪失することを防止でき、流量変化の検出においてダイナミックレンジを広くすることができる。

本発明の粉粒体の流量測定装置は、前記自動利得調整回路への入力信号の大きさに応じて増幅利得を制御する利得制御電圧により、前記円筒管の内面への粉粒体の付着を検出するようにしたことを特徴とする。

上記したように、自動利得調整回路において、利得調整電圧は入力信号のレベルが所定の大きさを超えることにより発生し、入力信号のレベルがさらに増加すると、利得調整電圧も増加して増幅利得を抑えるように作用する。このため、利得調整電圧を出力として取り出し、この出力を監視することによって、円筒管の内面に対する粉粒体の付着の進行度合いを把握することができる。

本発明の粉粒体の流量測定装置によれば、時々刻々の粉粒体の流量変化を高感度に検出することができ、さらにダイナミックレンジが広い。
本発明の粉粒体の流量測定装置によれば、円筒管の内部を流れる粉粒体の流量変化を検出すると同時に、円筒管の内面に対する粉粒体の付着の進行度合いを監視することができる。

以下、図面を参照しながら本発明について説明する。図１は、本発明の一実施形態における粉粒体の流量測定装置の回路構成を示した図である。図示したように、粉粒体の流路とされる円筒管１の外周側には、ソース電極２とセンス電極３が流路を挟んで対向配置されている。これらの電極の中間位置には、一対のガード電極４，４が対向配置され、これらの各電極で測定用電極が構成されている。２１は、測定用電極を遮蔽するシールドである。

円筒管１は、石英等のガラス、アルミナ、プラスチックなどの絶縁材料で形成され、測定用電極は円筒管１の外周に湾曲状に配置されている。例えば、円筒管１の表面に導電性材料をプリント印刷する方法、銅箔等を貼着する方法などによって電極を形成することができる。

ソース電極２、センス電極３、およびガード電極４は、例えば、円筒管１の管軸に対して角度をもつように螺旋状に所定間隔を置いて配置することができる（前述した各特許文献を参照）。例えば、円筒管１の外周に帯状の螺旋を巻くように帯状のソース電極２およびセンス電極３が形成され、これらの電極の間に、間隔を置いて帯状のガード電極４が形成される。

高周波電源Ｖ１からの高周波電源信号の電圧は、ソース電極２に入力される。センス電極３およびガード電極４は、接地されてアース電位となっている。ソース電極２とセンス電極３との間の静電容量は、粉粒体の流量および管内面への付着によって変化する。この変化する静電容量の大きさに応じたセンス電極３からの電流信号は、反転増幅器５における演算増幅器の反転入力端子に入力して増幅される。

一方、測定電極からの信号における高周波電源信号による振幅変化分を抽出するための参照信号（補正用の参照信号）は、反転増幅器６における演算増幅器の反転入力端子に入力して増幅される。この参照信号は、高周波電源信号の位相を９０度移動させる９０度移相器７と、可変減衰器８とを接続した参照信号発生器２０に高周波電源信号を入力して得られた出力信号である。

なお、図示した粉粒体供給用の円筒管１と同様の円筒管に、ソース電極、センス電極、およびガード電極からなる基準用電極を配置し、この基準用電極のソース電極に高周波電源信号の電圧を印加して、センス電極からの電流信号を参照信号として反転増幅器に入力して増幅するようにしてもよい。基準用電極を外周に配置したこの円筒管の内部には、例えば、空気が送り込まれ、測定用電極が置かれた環境条件（大気の雰囲気、空気の流れ等）と同様の環境条件とすることで、環境条件の変化による測定用電極からの信号の振幅変化分がこの参照信号により補正される。また、この基準用電極を設けた場合、後述する自動利得調整回路１０の短絡／開放部Ｊ１を開放し、増幅器Ａ３からの出力を高域ろ波器１６に入力しない構成に切り替えることによって、円筒管１の内部を流れる粉粒体の流量値を測定することができる。

反転増幅器５で増幅された測定用電極からの信号と、反転増幅器６で増幅された参照信号は、減算器９へ入力され、これらの増幅信号の差分が出力される。この差分信号は、後続する交流増幅段へ入力される。

なお、本実施形態のように、測定用電極からの信号と参照信号とをそれぞれ反転増幅器で増幅してから減算器でこれらの差分を得て、次いで後続する増幅を行う構成とすることで、ガード電極４をアース電位とすることができるので、ガード電極に起因する外乱ノイズの影響は非常に小さくなる。

また、図３の拡大図にも示したように、本実施形態における電極構造体は、一対のガード電極４，４と、シールド２１とが共にアース電位に接続されているため、対称的な一対の電極２２ａ，２２ｂのうち任意のいずれか一方の電極をソース電極２とし、他方の電極をセンス電極３とすることができる。同図では電極２２ａをソース電極２とし、電極２２ｂをセンス電極３としているが、この電極構造体では、反対に電極２２ｂをソース電極２とし、電極２２ａをセンス電極３とすることも可能である。

従来では、回路構成上、ガード電極が非アース電位とされていたので、外乱ノイズの影響を受け易く、また不要な電波が輻射されることがあった。そして、電極構造体はソース電極とセンス電極とが区別された非対称な構造とする必要があり、入力と出力とが区別された電極構造体を使用していた。しかし本実施形態では、ガード電極４をアース電位とすることができるため、電極構造体は外乱ノイズの影響を受けにくく、また不要な電波の輻射が少なく、さらに、ソース電極２およびセンス電極３となる一対の電極２２ａ，２２ｂについて、入力および出力の区別を無くすことができる。

交流増幅段では、増幅器Ａ１および増幅器Ａ２により上記の差分信号が増幅される。後段の増幅器Ａ２では、自動利得調整回路（ＡＧＣ（Automatic Gain Control）回路）１０を構成することによって、その利得が調整されるようになっている。即ち、自動利得調整回路１０へ入力される信号の振幅が大きくなり、コンデンサＣ２の電圧レベルが直流電源Ｖ２の電圧レベルを超えると、減算回路１２からこれらの電圧レベルの差分が出力され、増幅器Ａ５で増幅されて利得調整信号が発生する。この利得調整信号は、乗算器１１へ入力され、自動利得調整回路１０への入力信号と乗算される。これにより、自動利得調整回路１０への入力信号の利得が制御される。

この増幅利得を制御する利得調整電圧は、自動利得調整回路１０への入力信号のレベルが所定の大きさを超えることにより発生し、入力信号のレベルがさらに増加すると、利得調整電圧も増加して利得を抑制するように作用する。

従って、円筒管１の内部を流れる粉粒体の濃度が大きく増加し、あるいは円筒管１の内面への粉粒体の付着がある程度進行した場合であっても、自動利得調整回路１０において入力信号の増幅利得が調整されるので、増幅器Ａ２が飽和状態となり機能を喪失することを防止でき、粉粒体の流量変化の検出において広いダイナミックレンジが得られる。

本実施形態では、この利得調整電圧を出力端子１９から取り出し、この出力によって粉粒体の円筒管内面への付着の進行を監視するようにしている。図２は、図１に示した装置の円筒管の内部にビニール紐を挿入して、粉粒体の管内面への付着の進行を模擬した試験結果を示したグラフである。管内部へ挿入されるビニール紐の本数が増えるに従い静電容量が増加する。即ち、管内部へ挿入されるビニール紐の本数を増やすことにより粉粒体の管内面への付着進行を模擬している。グラフに示されるように、管内部へ挿入されるビニール紐の数が８本以下ではＡＧＣは動作しないが、８本を超えるとＡＧＣが動作し、ビニール紐の本数が増えるに従いＡＧＣ制御電圧も増加して増幅器の飽和を抑制していることがわかる。なお、ＡＧＣ制御電圧により粉粒体の付着進行を監視する際には、ＡＧＣが動作しない電圧を０基準として変換出力してもよい。また、ＡＧＣ制御電圧と実際の管内面への付着状態との関係を調べておくことにより、これらを関連付けることができる。

交流増幅段で上記の差分信号を増幅した後、交流増幅段から出力された交流信号と、この交流信号と位相を整合させるための可変移相器１３から出力された高周波電源信号とを乗算器１４に入力してこれらの信号を同相で乗算し、交流増幅段からの交流信号であるこの乗算器１４からの出力信号は、低域ろ波器１５（ローパスフィルタ）に入力され、その変化分（交流増幅段から出力された交流信号の振幅変化）が直流信号として取り出される。

この直流信号は、増幅器Ａ３で増幅され、この増幅出力は、高域ろ波器１６（ハイパスフィルタ）に入力され、入力された直流信号における粉粒体の流量変化に応じた変化分が増幅される。即ち、高域ろ波器１６により、温度変化などによる比較的長周期の成分が除去され、円筒管内部を流れる粉粒体の時々刻々の流量変化を示す信号が得られる。

次いで、高域ろ波器１６からの出力信号は、増幅器Ａ４で増幅され、絶対値回路１７を通して出力端子１８から出力される。この絶対値回路１７は必ずしも必須ではないが、絶対値回路１７によって信号の正負の区分が無くなるので後処理の利便上は設置することが望ましい。

出力端子１８，１９からの各出力は、例えば、接続に必要なインターフェース等を介して、ＣＲＴディスプレイ、液晶モニタなどの表示装置に、経時での粉粒体の流量変化のグラフおよびＡＧＣ制御電圧に基づく付着検知信号のグラフとして表示される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形、変更が可能である。例えば、測定電極の配置形態、ＡＧＣ回路の回路構成、その他の回路構成要素の具体的な構成は、場合に応じて適宜のものとすることができる。

図１は、本発明の一実施形態における粉粒体の流量測定装置の回路構成を示した図である。図２は、粉粒体の円筒管内面への付着によるＡＧＣ制御電圧の作動を模擬した試験結果のグラフである。図３は、図１の粉粒体の流量測定装置における電極構造体の拡大図である。

符号の説明

１円筒管
２ソース電極
３センス電極
４ガード電極
５反転増幅器
６反転増幅器
７９０度移相器
８減衰器
９減算器
１０自動利得調整回路
１１乗算器
１２減算器
１３可変移相器
１４乗算器
１５低域ろ波器
１６高域ろ波器
１７絶対値回路
１８出力端子
１９出力端子
２０参照信号発生器
２１シールド
２２ａ，ｂ電極
Ａ１〜Ａ５増幅器
Ｒ１〜Ｒ３抵抗
Ｃ１コンデンサ
Ｄ１ダイオード
Ｖ１高周波電源
Ｖ２直流電源
Ｊ１短絡／開放部

Claims

粉粒体の流路とされる円筒管の外周側に、流路を挟んで両側に対向配置されるソース電極およびセンス電極と、これらの電極の中間位置に対向配置される一対のガード電極と、からなる測定用電極を備え、前記円筒管の内部を流れる粉粒体の流量変化をソース電極とセンス電極との間の静電容量の変化として検出する粉粒体の流量測定装置であって、
高周波電源電圧を印加した前記測定用電極からの信号と、補正用の参照信号との差分出力を、交流増幅段に入力して増幅した後、該交流増幅段から出力された交流信号の振幅変化を低域ろ波器により直流信号として取り出し、この直流信号における前記粉粒体の流量変化に応じた変化分を高域ろ波器で増幅することにより、前記円筒管の内部を流れる粉粒体の流量変化を検出するように構成し、
前記交流増幅段に自動利得調整回路を設け、前記円筒管内部を流れる粉粒体の濃度増加または前記円筒管内面への粉粒体の付着進行により前記自動利得調整回路への入力信号が所定の大きさを超えた際に、該自動利得調整回路によって増幅利得を調整するようにしたことを特徴とする粉粒体の流量測定装置。
前記自動利得調整回路への入力信号の大きさに応じて増幅利得を制御する利得制御電圧により、前記円筒管の内面への粉粒体の付着を検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の粉粒体の流量測定装置。
前記測定電極からの信号を第１の反転増幅器へ入力して増幅するとともに、前記参照信号を第２の反転増幅器へ入力して増幅し、これらの増幅出力を減算器へ入力することにより前記差分出力を得ることを特徴とする請求項１または２に記載の粉粒体の流量測定装置。
前記参照信号が、９０度移相器と減衰器とを接続した参照信号発生器に高周波電源信号を入力して得られた該参照信号発生器からの出力信号であることを特徴とする請求項３に記載の粉粒体の流量測定装置。
前記交流増幅段からの交流信号と、該交流信号と位相を整合させるための可変移相器から出力された前記高周波電源信号とを乗算器に入力し、この乗算器からの出力信号を前記低域ろ波器に入力することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の粉粒体の流量測定装置。