JP7138872B2 - Magnetostrictive sensor position detection method, magnetostrictive sensor, liquid level gauge, and magnetostrictive signal arrival time identification method - Google Patents
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Description
本発明は、位置を検出すべき計測対象物がマグネットを有する場合、当該マグネットの位置を検出する磁歪式センサーに関する。 The present invention relates to a magnetostrictive sensor that detects the position of a magnet when an object whose position is to be detected has a magnet.
磁歪式センサーとは、特許文献3,4に記載のように、マグネットを有する計測対象物を磁歪線に沿って移動可能に設け、磁歪線の軸線方向に電流パルスを流すことにより、マグネットの近接する磁歪線の部位で捩り弾性波を発生させ、磁歪線の特定部位に設けた検出器で捩り弾性波を検出し、マグネットから検出器までの捩り弾性波の伝搬時間を計測することにより、磁歪線の軸方向におけるマグネットの位置を検出するものである。
A magnetostrictive sensor is, as described in
上記磁歪式センサーの効果的な応用例として、マグネット・ゲージ式液面計のフロートの位置を検出する例が知られている。これは、マグネット・ゲージ式液面計の近傍に磁歪式センサーを平行設置して、液面位置検出分解能を向上させるだけでなく、遠隔で液面位置を正確に知り、その信号を用いて液面位置を遠隔制御することを可能にするものである。 As an effective application of the magnetostrictive sensor, an example of detecting the position of the float of a magnet gauge liquid level gauge is known. By installing a magnetostrictive sensor in parallel near the magnet gauge type liquid level gauge, the liquid level detection resolution can be improved. It allows remote control of the surface position.
マグネット・ゲージ式液面計は、液体が貯蔵されるタンクに沿って鉛直方向の連通管を設け、当該連通管の中にマグネットを内蔵固定したフロートを上下動自在に挿入し、マグネットからの磁界を受けて回動する多数の液面指示体を連通管に沿わせて縦方向に配列し、これら液面指示体の回転によって液面表示を行なうものである(特許文献1、2参照)。フロートはタンク内の液面の変動に応じて変化するから、連通管に併設されたマグネット・ゲージ式液面計の液面指示体の示す位置がタンク内の液面位置を直接表示することになり、タンク外部から容易に液面位置を視認できる。
A magnet gauge type liquid level gauge has a vertical communication pipe along the tank where the liquid is stored, and a float with a built-in magnet is inserted into the communication pipe so that it can move up and down. A large number of liquid level indicators that receive and rotate are arranged in the vertical direction along the communicating pipe, and the liquid level is indicated by the rotation of these liquid level indicators (see
しかしながら、液面変動に応じて移動するフロート内部に固定されたマグネットは、あくまでもマグネット・ゲージ式液面計の液面指示体を確実に回転させるのに最適な磁界とその強さを有したものであり、必ずしも磁歪式センサーに最適なものではなく、磁歪式センサーの調整に困難を生じていた。つまり、磁歪式センサーで検出すべきマグネットの磁界やその強さに変動があっても、検出に誤差を招かないよう慎重な調整作業が必要であった。 However, the magnet fixed inside the float that moves according to the fluctuation of the liquid level has the optimum magnetic field and its strength to reliably rotate the liquid level indicator of the magnet gauge type liquid level gauge. Therefore, it is not necessarily optimal for the magnetostrictive sensor, and difficulties have arisen in the adjustment of the magnetostrictive sensor. In other words, even if the magnet's magnetic field and its strength to be detected by the magnetostrictive sensor fluctuate, careful adjustment work is required so as not to cause errors in detection.
さらに、連通管内径とフロート外径の間には液面変動に対しフロートが円滑に動くように隙間が設けられており、当該隙間のために磁歪式センサーから見ると、同じ液面高さであっても、検出すべきマグネットの位置が磁歪式センサーの軸方向と直角方向に変動する。そのため、マグネットの磁歪式センサーに与える磁場の強さが変動して磁歪信号の波形が変化し、フロートの正確な位置を検出できないという問題があった。 In addition, a gap is provided between the inner diameter of the communicating pipe and the outer diameter of the float so that the float moves smoothly against fluctuations in the liquid level. Even if there is, the position of the magnet to be detected fluctuates in the direction perpendicular to the axial direction of the magnetostrictive sensor. Therefore, there is a problem that the strength of the magnetic field applied to the magnetostrictive sensor of the magnet fluctuates, the waveform of the magnetostrictive signal changes, and the accurate position of the float cannot be detected.
本発明は、この欠点を取り除くべく創案されたものであり、マグネットの磁歪式センサーに与える磁場の強さが変動しても、安定して正確なマグネットの位置を検出しうる磁歪式センサー及びその位置検出方法を提案するものである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention was devised to eliminate this drawback. We propose a position detection method.
本発明は、検出器によって検出された磁歪信号の中に、マグネットの磁場の強さが変動しても磁歪信号の到着を特定の時刻として示す点が存在し、その特定の時刻を検出することで、正確なマグネット(計測対象物)の位置を特定できるという知見に基づいている。そこで、本発明の第1実施形態である磁歪式センサーの位置検出方法は、検出器によって捩り弾性波を電気信号に変換し、磁歪信号を得るステップと、磁歪信号をトリガー電圧の異なる複数のコンパレータを用いて波形成形するステップと、当該波形成形された複数の時刻を示す波形の中から、磁歪信号の振幅変動に関係なくマグネットの軸方向位置に関係する特定の時刻を規定する1個の波形を選択し、当該波形の到達時刻と磁歪線に印加された電流パルスの印加時刻との間の時間に基づき、マグネットの軸方向位置を決定するステップと、を有することを特徴とする。ここで、「マグネットの軸方向位置」とは、磁歪式センサーの長さ方向または軸線方向に沿ったマグネットの位置のことである。 According to the present invention, a magnetostrictive signal detected by a detector includes a point indicating the arrival of the magnetostrictive signal as a specific time even if the strength of the magnetic field of the magnet fluctuates, and the specific time is detected. This is based on the knowledge that the position of the magnet (object to be measured) can be specified accurately. Therefore, a magnetostrictive sensor position detection method according to a first embodiment of the present invention includes steps of converting a torsional elastic wave into an electrical signal by a detector to obtain a magnetostrictive signal, and converting the magnetostrictive signal into a plurality of comparators having different trigger voltages. and one waveform defining a specific time related to the axial position of the magnet, regardless of the amplitude variation of the magnetostrictive signal, from among the plurality of waveform-shaped waveforms representing times. and determining the axial position of the magnet based on the time between the arrival time of the waveform and the application time of the current pulse applied to the magnetostrictive wire. Here, "the axial position of the magnet" means the position of the magnet along the length direction or the axial direction of the magnetostrictive sensor.
磁歪信号をトリガー電圧の異なる複数のコンパレータを用いて波形成形すると、複数の異なるパルス波形が得られる。それらパルス波形の中から、論理判断によって、磁歪信号の振幅変動に関係なくマグネットの位置に関係する特定の時刻を規定する1個の波形を選択する。この選択波形の例えば立ち下がり時刻を特定の時刻に決定してもよい。 If the waveform of the magnetostrictive signal is shaped using a plurality of comparators with different trigger voltages, a plurality of different pulse waveforms can be obtained. From among these pulse waveforms, a logic decision is made to select one waveform that defines a particular time relative to the position of the magnet regardless of the amplitude variation of the magnetostrictive signal. For example, the fall time of this selected waveform may be determined at a specific time.
前記複数のコンパレータのうち、少なくとも1個はシュミットトリガ・コンパレータであり、前記特定の時刻を規定する1個の波形は前記シュミットトリガ・コンパレータの出力波形によって得てもよい。シュミットトリガ・コンパレータとは、ON電圧とOFF電圧とが異なる、所謂ヒステリシスを持ったコンパレータである。例えば、OFF電圧を予め同定した特定時刻を規定する電圧に設定しておくことにより、このOFF時刻を特定時刻、つまり磁歪信号の振幅変動に関係なく捩り弾性波の正確な到達時刻として検出できる。このOFF電圧は0v、つまりゼロ点を検出してもよい。 At least one of the plurality of comparators may be a Schmitt trigger comparator, and the single waveform defining the specific time may be obtained from the output waveform of the Schmitt trigger comparator. A Schmitt trigger comparator is a comparator with so-called hysteresis in which the ON voltage and the OFF voltage are different. For example, by setting the OFF voltage to a voltage that defines a specific time identified in advance, this OFF time can be detected as the specific time, that is, the accurate arrival time of the torsional elastic wave regardless of the amplitude variation of the magnetostrictive signal. This OFF voltage may be 0 V, that is, the zero point may be detected.
シュミットトリガ・コンパレータのON電圧は、他のコンパレータのON電圧より絶対値が低く、シュミットトリガ・コンパレータのOFF電圧は、特定の時刻を規定するために予め同定された電位レベルであってもよい。シュミットトリガ・コンパレータのON電圧が他のコンパレータのON電圧より絶対値が低いので、シュミットトリガ・コンパレータの出力波形が最も多くの波形を含む。この中で、最も低いON電圧(絶対値)を持つコンパレータが最大ピーク波を成形したときの波形、つまり他のコンパレータの出力波形と最も重なる波形を選択し、その波形のOFF時点、つまり立ち下がり時点を最終的な特定時刻として決定することができる。 The ON voltage of the Schmitt trigger comparator may have a lower absolute value than the ON voltages of the other comparators, and the OFF voltage of the Schmitt trigger comparator may be a potential level previously identified to define a specific time. Since the ON voltage of the Schmitt trigger comparator has a lower absolute value than the ON voltages of the other comparators, the output waveform of the Schmitt trigger comparator contains the most waveforms. Among these, the waveform when the comparator with the lowest ON voltage (absolute value) forms the maximum peak wave, that is, the waveform that overlaps most with the output waveforms of other comparators, is selected, and the OFF point of that waveform, that is, the falling edge, is selected. A point in time can be determined as the final specified time.
本発明の第2実施形態は、磁歪線の特定部位に設けられ、捩り弾性波を電気信号に変換して磁歪信号を得る検出器と、前記磁歪信号を波形成形するための、トリガー電圧の異なる複数のコンパレータと、前記複数のコンパレータによって成形された複数の時刻を示す波形の中から、前記磁歪信号の振幅変動に関係なくマグネットの軸方向位置に関係する特定の時刻を規定する1個の波形を選択し、当該波形の到達時刻と前記磁歪線に印加された電流パルスの印加時刻との間の時間に基づき、前記マグネットの軸方向位置を決定する論理判断回路と、を備える磁歪式センサーを提供する。この磁歪式センサーの作用は、前述の通りである。 A second embodiment of the present invention includes a detector provided at a specific portion of a magnetostrictive wire to convert a torsional elastic wave into an electrical signal to obtain a magnetostrictive signal, and a detector having a different trigger voltage for shaping the waveform of the magnetostrictive signal. a plurality of comparators, and one waveform defining a specific time related to the axial position of the magnet, regardless of the amplitude variation of the magnetostrictive signal, from among the plurality of waveforms shaped by the plurality of comparators and indicating a plurality of times. and a logic judgment circuit that determines the axial position of the magnet based on the time between the arrival time of the waveform and the application time of the current pulse applied to the magnetostrictive wire. offer. The action of this magnetostrictive sensor is as described above.
本発明の第3実施形態は、磁歪式センサーの磁歪信号の到達時刻同定方法を提供する。すなわち、この方法は、マグネットを磁歪線との接近、離間方向に変位可能に設け、マグネットの軸方向位置を一定に保持した状態で、マグネットと磁歪線との離間距離を種々変えたときに、検出器によって捩り弾性波を電気信号に変換した複数の磁歪信号をそれぞれ計測するステップと、複数の磁歪信号のうち、マグネットと磁歪線との離間距離が変わっても変化しない特定の時刻を同定するステップとを有する。 A third embodiment of the present invention provides a method for identifying the arrival time of a magnetostrictive signal of a magnetostrictive sensor. That is, in this method, the magnet is provided so as to be displaceable in the directions of approaching and separating from the magnetostrictive line, and when the separation distance between the magnet and the magnetostrictive line is varied while the axial position of the magnet is held constant, A step of respectively measuring a plurality of magnetostrictive signals obtained by converting torsional elastic waves into electrical signals by a detector, and identifying a specific time among the plurality of magnetostrictive signals that does not change even if the distance between the magnet and the magnetostrictive line changes. step.
マグネットと磁歪線との離間距離とは、磁歪線の軸線と直角方向のマグネットと磁歪線との距離のことである。この離間距離が変わると、磁歪線に対するマグネットの磁界強度が変化するので、磁歪信号の波形(特に振幅)も変化する。したがって、マグネットの軸方向位置を一定に保持したままでマグネットと磁歪線との離間距離を種々変えたときに、夫々の磁歪信号を計測することで、磁歪信号の変化を観測することができる。これら複数の磁歪信号のうち、マグネットと磁歪線との離間距離が変わっても変化しない特定の時刻を示す点が存在する。その磁歪信号の特定の時刻を同定することにより、この同定された時刻を用いて安定した位置検出を行うことができる。 The distance between the magnet and the magnetostrictive line is the distance between the magnet and the magnetostrictive line in the direction perpendicular to the axis of the magnetostrictive line. When this separation distance changes, the magnetic field intensity of the magnet with respect to the magnetostrictive line changes, so the waveform (especially amplitude) of the magnetostrictive signal also changes. Therefore, when the distance between the magnet and the magnetostriction line is varied while the axial position of the magnet is held constant, the change in the magnetostriction signal can be observed by measuring each magnetostriction signal. Among these magnetostrictive signals, there is a point indicating a specific time that does not change even if the distance between the magnet and the magnetostrictive line changes. By identifying the specific time of the magnetostrictive signal, the identified time can be used to perform stable position detection.
同定するステップは、複数の磁歪信号が交わる交点であって、最大ピーク波形のピーク直後の交点の信号レベルを決定することであってもよい。例えば、この信号レベルを、前述のシュミットトリガ・コンパレータのOFF電圧に設定することにより、特定の時刻を容易に検出することが可能になる。 The identifying step may be determining a signal level at an intersection point of the plurality of magnetostrictive signals, the intersection point immediately after the peak of the maximum peak waveform. For example, by setting this signal level to the OFF voltage of the aforementioned Schmitt trigger comparator, it becomes possible to easily detect a specific time.
特定の時刻は、磁歪信号の最大ピーク波形直後のゼロ点またはその近傍の時刻であってもよい。磁歪信号の波形は、マグネットの形状や磁界の方向などによって変化するが、マグネットと磁歪線との離間距離が変わっても変化しない特定の時刻は、最大ピーク波形直後のゼロ点付近に存在することが多い。その点を同定することにより、特定の時刻を容易に検出できるようになる。 The specific time may be the zero point immediately after the maximum peak waveform of the magnetostrictive signal or a time in the vicinity thereof. The waveform of the magnetostrictive signal changes depending on the shape of the magnet and the direction of the magnetic field, but the specific time that does not change even if the separation distance between the magnet and the magnetostrictive line changes exists near the zero point immediately after the maximum peak waveform. There are many. By identifying that point, the specific time can be easily detected.
以上のように、本発明によれば、磁歪信号をトリガー電圧の異なる複数のコンパレータを用いて波形成形し、波形成形された複数の時刻を示す波形の中から、磁歪信号の振幅変動に関係なくマグネットの軸方向位置に関係する特定の時刻を規定する1個の波形を選択し、当該波形の到達時刻と磁歪線に印加された電流パルスの印加時刻との間の時間に基づきマグネットの軸方向位置を決定するので、マグネットの磁歪式センサーに与える磁場の強さが変動しても、安定して正確なマグネットの位置を検出できる。 As described above, according to the present invention, the waveform of the magnetostrictive signal is shaped using a plurality of comparators having different trigger voltages, and from among the shaped waveforms representing a plurality of times, the A single waveform defining a specific time relative to the axial position of the magnet is selected, and the axial direction of the magnet is determined based on the time between the arrival time of the waveform and the application time of the current pulse applied to the magnetostrictive line. Since the position is determined, even if the strength of the magnetic field applied to the magnetostrictive sensor of the magnet fluctuates, the position of the magnet can be stably and accurately detected.
本発明の実施形態を説明する前に、本発明に係る磁歪式センサーが適用される液面測定装置の一例を図1~図3を参照して説明する。図1は従来から使用されているマグネット・ゲージ式液面計5が連通管3に平行に取り付けられている様子を示すもので、非磁性の連通管3が備えられたタンク1内の液体の液面2に連動してフロート4は上下に移動し、当該フロート4の内部にはマグネット4mが固定されている。
Before describing embodiments of the present invention, an example of a liquid level measuring device to which a magnetostrictive sensor according to the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. FIG. 1 shows a state in which a conventionally used magnet gauge type
マグネット・ゲージ式液面計5は連通管3の近傍に平行に配置され、その動作原理は特許文献1や特許文献2に示されているが、理解を容易にするために図2を用いてあらためて説明する。図1と同じものは同じ記号を用いた。
The magnet gauge type
フロート4内部に固定されたマグネット4mは、軸方向着磁2個のマグネットの同極を対抗させたものであるが、これはフロート4が挿入されている連通管3の外へ強い磁界を与え、マグネット・ゲージ式液面計5の構成部品であるローター(液面指示体)6を安定して回転保持するためであって、軸方向着磁に代えて半径方向着磁のマグネットなど、他のマグネットを使用しても良い。
The
ローター6も図2の(a)に示したように、その回転中心から離れた外周部を着磁しているから、フロート4の接近によってローター6は回転する。ローター6の側面の一方に、たとえば6aのような他の側面と区別できる色彩などを施せば、図2の(b)に示すようにタンク1内の液面2がローター6の反転で明瞭に分かる。
As shown in FIG. 2(a), the
図3はマグネット・ゲージ式液面計と磁歪式センサーを組み合わせた一実施例を示すものである。磁歪式センサー7がそのロッド部7rを連通管3の近傍で長手方向に沿うように、マグネット・ゲージ式液面計5とともに設置される。磁歪式センサー7とそのロッド部7rの詳細は後述の図4でその動作原理を示す。磁歪式センサー7はフロート4内部のマグネット4mの軸方向位置(液面2の高さに比例)を検出するのであるが、図2に示すように連通管3の内径とフロート4の外径の間には、フロート4の円滑な動きを得るための隙間g1やg2があり、フロート4の外周と磁歪センサー7のロッド部7rの外周の離間距離は数ミリから十数ミリ変動し、そのために磁歪センサー7の磁歪信号は影響を受けることになる。
FIG. 3 shows an embodiment in which a magnet gauge type liquid level gauge and a magnetostrictive sensor are combined. The
磁歪式センサー7の1つの動作原理は特許文献3に詳しいが、ここで図4を用いて簡単に補足説明する。変位を測定すべき軸方向に磁歪線8を配置して、これに定期的に電流パルス9を印加すれば(図4では電流パルスの印加を記号9の導線、その戻線を記号17で示し、電流パルス発生回路は周知なので図4に図示しない)、磁歪線8の軸方向全域に瞬時に円周方向磁場9aを生じ、軸方向に移動可能なマグネット10の磁場10aとベクトル合成して、マグネット10の近傍の磁歪線8にヴィーデマン効果によって電流パルス印加時のみ(図示しない)捩り弾性波を生じる。
One operating principle of the
図4のマグネット10は磁歪線8に対し直角方向着磁であるが、磁歪線8に平行な着磁でも構わない。マグネット10はあくまでも模式的に図示したもので、図2のフロート4内のマグネット4mに相当する。先述の捩り弾性波は横波となって磁歪線8の両端に向かって伝搬し、磁歪線8の始端に設けられた検出手段12で当該横波の到着を電気信号に変換することができる。一方、マグネット10の図4の右方向に伝搬する捩り弾性波による横波は、ダンパー16で減衰され磁歪線8の先端での反射が抑制される。
The
磁歪線8を伝搬する横波の伝搬速度は、磁歪線8の材質やマグネット10の磁歪線8に与える磁界などによって決まるが、一般的に約2.8mm/μsecと知られていて、上記マグネット10が磁歪線の始端からたとえば2800mm(図4のLによって示された距離)の位置にあるとすれば、電流パルスが印加されてから約1000μsec後に検出手段12は当該横波の到着を知ることになる。
The propagation speed of the transverse wave propagating through the
図4に示した検出手段12は、強磁性体の短冊13とコイル15とバイアス・マグネット14から構成され、短冊13は磁歪線8の始端近傍に抵抗溶接あるいは他の機械的方法で固着され、バイアス・マグネット14によって短冊13の長手方向にバイアス磁界を与える。短冊13の外周をコイル15が周回し、捩り弾性波が到着すると短冊13の長手方向に歪を生じ、その歪の変化に応じてコイル15に逆ヴィラリー効果に従った電圧変化を誘起する。当該電圧変化の極性は、バイアス・マグネット14の極性を逆にする、あるいはコイル15の極性を逆にすることなどで反対にすることもできる。
The detection means 12 shown in FIG. 4 is composed of a
捩り弾性波は図示したようには直接観察することは不可能であるが、捩り弾性波は検出手段12で観察された電気信号としてその到着を知ることになる。図5を用いて上述の現象をさらに具体的に説明すると、電流パルス9が磁歪線8に定期的に印加され、電流パルス9が印加された瞬間に検出手段12は電磁気的ノイズ18を観察するが、適宜の手段でこれを無視し、捩り弾性波の到着を磁歪信号19の特定部位を検出して判断すれば良い。磁歪信号19はコイル15に誘起された電圧を直接観察しても良いし、あるいは増幅器(図4に図示せず)などで増幅した電圧として観察しても良い。
Although the torsional elastic wave cannot be directly observed as shown, the torsional elastic wave is known as an electrical signal observed by the detection means 12 when it arrives. 5, a
即ち、電流パルス9の印加時から磁歪信号19の到着までの時間Tを計測すれば、マグネット10の位置を知ることになる。磁歪信号19は既述のように磁歪線8の材質・形状など、あるいはマグネット10の磁歪線8に与える磁界・その強さ、あるいは検出手段12のインピーダンスによって異なるがほぼ正弦波状の振動を呈し、図6に示す磁歪信号19の時間拡大図の黒丸印26で示す所謂ゼロクロス点、もしくはその近傍をもって磁歪信号19の到着時刻としても良い。
That is, the position of the
図4ではソリッドワイヤーを用いた磁歪線8を示したが、これに限らず磁歪管(図示せず)でもよく、その場合は電流パルスを加える導線を磁歪管の中に挿入すればよく、あるいは磁歪管に直接電流パルスを加えても良い。ここでは、上述の横波(機械弾性波の一つである捩り弾性波)の到着を電気信号に変換する手段として、横波を縦波に変える磁性部材を磁歪線の始端近傍に設け、逆ヴィラリー効果を用いて電気信号に変換する方法(この方法は特許文献3参照、そして図4で具体的に示した)を述べた。
Although the
先述の方法以外に、磁歪線始端近傍の磁歪線周囲にコイルを設け、逆ヴィーデマン効果を用いて電気信号に変換する方法(図示せず)、あるいは横波の到着を圧電素子などの機械的歪に感応する素子で直接電気信号に変換する方法(図示せず)などを挙げることができる。なお、図3の磁歪式センサー7のロッド部7rは非磁性のパイプ状に作製され、その中に図4で示す磁歪線8などが収納される。
In addition to the above-mentioned method, a coil is provided around the magnetostrictive wire near the beginning of the magnetostrictive wire and the inverse Wiedemann effect is used to convert it into an electrical signal (not shown), or the arrival of the transverse wave is converted into mechanical strain such as a piezoelectric element. A method (not shown) of directly converting into an electric signal by a sensitive element can be used. The
図3の磁歪式センサー7の液面計への応用は、例えば特許文献4に詳述されているが、磁歪式センサー7のロッド部7rを取り囲むドーナツ状のマグネットをフロート内部に固定して、フロートが液面の変化に応じて変動するから、既述のような動作原理で液面位置を知ることが可能となる。この特許文献4の例では、磁歪式センサーに与えられる磁界・磁場の強さは、マグネットが磁歪式センサーを取り囲んでいるので比較的安定しているから、磁歪信号を検出することは比較的容易である。ただし、ドーナツ状のマグネットが磁歪線の半径方向に変位しうる場合には、図3のフロート4と同様の課題が存在するので、本発明を適用することができる。
Application of the
図5を用いて必要な時間をどのように計測するかを説明する。既述のように磁歪線8に定期的に電流パルス9が印加され、当該印加と同時に図4のコイル15が受ける電磁気的ノイズ18と一定の時間後に到着する磁歪信号19を知る。これらの信号はコイル15の電圧信号を直接見ても良いし、必要に応じて図7、図8の増幅器27の出力を見ても良い。なお、図5に付随する図7と図8で同じ機能を有するものには同じ記号を用いた。
How to measure the required time will be described with reference to FIG. As described above, the
図5の記号20は磁歪信号19のゼロ電位を示す(ゼロ電位とは、換言すると磁歪信号のない場合の観察された電位を示す)。破線で示す21は、例えばゼロ電位20より下位にある電位で、当該電位より下位に存在する電気的信号(電磁気的ノイズ18や磁歪信号19など)があれば、図7の反転型コンパレータ28の出力がONになり、その様子を図5の出力23に示す。出力23は電磁気的ノイズ18に関連する3個のパルスと磁歪信号19に関連する3個のパルスからなる(厳密には、これらのパルスは時間的幅を持つが、分かり易くするためパルスを線状に描いた)。電磁気的ノイズ18は、既に述べたように不要であるから、電流パルス9に同期した適当な幅を有するマスキングパルス9aと出力23のANDをとると、図7のAND素子29の出力は記号24の如く、磁歪信号19に関連した3個のパルスのみを得ることができる。
これを分かり易く説明したのが、磁歪信号19の近辺の時間を拡大した図6である。電位21で動作する図7に示す反転型コンパレータ28の出力23、そして電磁気的ノイズ18をマスキングしたAND素子29の出力24に見るように、電位21よりも磁歪信号19が下位にあるとき出力24はONになり、磁歪信号19が電位21より上位にあるとき、AND素子29の出力24はOFFになる回路を示す。しかしながら、磁歪信号19に関連する3個のパルスを得ることになって、そのうちのどの時刻を磁歪信号19の到達時刻にするのか決定できない。
FIG. 6 magnifies the time around the
磁歪信号19、あるいは図6の磁歪信号19のゼロクロス点26近傍、即ち図に見るようにゼロクロス点26に対し若干の誤差を含むが、出力24の2個目のパルスの立下り時刻を磁歪信号19の到着時刻と考えても良い。電位21に代えてコンパレータのトリガー電圧を22にすれば、簡単に磁歪信号19に関連した1個の出力25を得ることが出来る。図6からも分かるように、当該コンパレータを図8の反転型シュミットトリガ・コンパレータ33にすれば、磁歪信号19が電位22以下でONになり、電位26以上でOFFになる出力25を得ることが出来るから、求める時間Tを電流パルス9の印加時刻から出力25の立下りまでとすれば、簡単にマグネットの位置を特定出来ることになる。
The
図8に見るように、反転型シュミットトリガ・コンパレータ33は、入力信号あるいは磁歪信号19が22を下回るとONになり、26を上回るとOFFになる、所謂ヒステリシスを持ったコンパレータである。ここで改めて図7のコントローラ201と図8のコントローラ202を説明する。破線で囲まれた図7のコントローラ201は、コイル15で検出された磁歪信号などを増幅する増幅器27、反転型コンパレータ28、AND素子29、電流パルス駆動回路31、電流パルスを定期的に発生させるとともにマスキングパルス9aを作る制御回路30、必要な時間Tを得るための論理判断回路32からなる。
As shown in FIG. 8, the inverting
また、図8に示す破線で囲まれたコントローラ202は、コイル15で検出された磁歪信号などを増幅する増幅器27、反転型シュミットトリガ・コンパレータ33、電流パルス駆動回路31、電流パルスを定期的に発生させる制御回路30、必要な時間Tを得るための論理判断回路32からなる。コントローラ202の場合は、電位22が電磁気的ノイズ18以下にあるので、コントローラ201のようなAND素子29は不要となる。
8 includes an
図9は、図3に示したフロート4内のマグネット4mによって磁歪式センサー7に生じた磁歪信号を、図4の検出手段12のコイル15の出力電圧(あるいは適宜の増幅器の出力電圧)として観察し、それをシンクロスコープの画面で示した一例である。磁歪信号34はフロート4の外周と磁歪式センサー7のロッド部7rの外周の離間距離が12mm、磁歪信号35はその離間距離が15mm、そして磁歪信号36はその離間距離が20mmの場合を示す。このとき、マグネット4mの磁歪式センサー7のロッド部7rの軸方向位置に変化はなく、上述の離間距離のみが変化する場合である。あるいは、離間距離をマグネット4mと磁歪式センサー7のロッド部7rの軸直角方向離間距離と言ってもよい。なお、参考のために磁歪信号のゼロ電位20とゼロクロス点26も図9に示した。
9, the magnetostrictive signal generated in the
このように、当該離間距離が変化すると、磁歪信号のとりわけ振動振幅が大きく異なり、従前の手段ではフロート4の正確な位置を知ることは出来ない。本発明は、磁歪信号がこのように変動しても、常に正確なフロート4の位置を検出しうる手段を提供するものである。図9を詳しく見ると、磁歪信号のゼロクロス点26近辺に、丸印37に示されるような磁歪信号が変動しても(このとき上記離間距離は変化してもフロート4の示す液面2に変動は無いと考える)、磁歪信号の到着を特定の時刻として示す点の存在することが分かる。本明細書では、先述の丸印37を磁歪信号の結節点と称する。そこで、本発明では、磁歪式センサー7の特定の時刻を与える結節点37を予め同定する。具体的には、マグネットを磁歪線との接近、離間方向に変位可能に設け、マグネットの軸方向位置を一定に保持した状態で、マグネットと磁歪線との離間距離を種々変えたときに、複数の磁歪信号をそれぞれ計測する。これら複数の磁歪信号の波形の中で、マグネットと磁歪線との離間距離が変わっても変化しない特定の時刻、即ち結節点37を同定する。例えば、結節点37を決定する要素として、最大ピーク波形のピーク直後の、複数の磁歪信号が交わる交点の電位37vを決定してもよい。この電位37vは、全ての磁歪式センサーにおいて一定である訳ではないので、個々の磁歪式センサーについて電位37vを決定するのがよい。実際の検出作業において、電位37vが分かれば、直ちに結節点37を決定できる訳ではなく、後述するような論理判断によって結節点37を決定する必要がある。電流パルス9の印加時刻と磁歪信号の結節点37が示す時刻の間の時間Tを測定すれば、正確なフロート4の位置を知ることが可能となる。なお、結節点37に代えて、結節点37の近傍のゼロ点26の電位を用いることも可能である。
In this way, when the separation distance changes, the magnetostrictive signal, in particular, the amplitude of vibration greatly changes, and the accurate position of the
図10は、フロート4の外周と磁歪式センサー7のロッド部7rの外周の離間距離が12mmの場合に、磁歪信号34と、後で詳述する図13の反転型シュミットトリガ・コンパレータ33と2個の反転型コンパレータ28a,28bの夫々の出力信号41、42、43とを示す。図10には、各コンパレータ33、28a、28bの各トリガー基準点(トリガー電圧)38、39、40が破線で示されている。そのうち、1個のコンパレータは、そのトリガーONとOFFのレベルが異なる所謂反転型シュミットトリガ・コンパレータ33を用いるのが望ましい。シュミットトリガ・コンパレータ33のON電圧38の絶対値は、他のコンパレータ28a,28bのトリガー電圧39、40の絶対値より低い。
FIG. 10 shows the
反転型シュミットトリガ・コンパレータ33は、入力19が電位38を下回るとONになり、電位37vを上回るとOFFになるヒステリシスを有するコンパレータである。この電位37vは、前述の同定段階で求めた結節点37の電位であるが、ゼロ電位を用いることも可能である。図10に示すコンパレータの出力信号41、42、43を比較して明らかなように、出力信号41は反転型シュミットトリガ・コンパレータ33の出力だから、出力信号41のパルス列の2個目のパルスの立下り時刻が結節点37の時刻に一致する。この例では2個の反転型コンパレータ28a、28bとして一般的なコンパレータを用いたが、これらを反転型シュミットトリガ・コンパレータに代えても良いことは当然である。全てのコンパレータ33、28a、28bとして反転型シュミットトリガ・コンパレータを用い、それらのOFF電圧を電位37vとした場合には、出力信号41の2個目のパルス、出力信号42の1個目のパルス、出力信号43のパルスの立ち下がり時刻が同じ時間Tを示すことになる。
Inverting Schmitt-
磁歪信号34は比較的大きいので、トリガー基準点39も下回り、コンパレータの出力信号42のように2個のパルス列を得て、さらにトリガー基準点40に対しても磁歪信号34のピーク電圧は下回るから、コンパレータの出力信号43は1個のパルスを得る。このように、連続した正弦波状に変化する電気信号(ここでは図10の磁歪信号34を意味する)の特定電位でON/OFFするパルス信号を得ることを“波形成形する”とも言う。
Since the
図11は、フロート4の外周とセンサー7のロッド部7rの外周の離間距離が15mmの時の磁歪信号35の場合であって、コンパレータの出力信号41、42、43のパルスは夫々2個、1個そして1個となる。この場合は測定したい時間幅Tは、反転型シュミットトリガ・コンパレータ33の出力信号41の1個目のパルスの立下り時刻に注目すれば得ることができる。
FIG. 11 shows the case of the
図12は、フロート4の外周とセンサー7のロッド部7rの外周の離間距離が20mmの時の磁歪信号36の場合であって、コンパレータの出力信号41、42、43のパルスは夫々2個、1個そして0個となる。この場合は、測定したい時間Tとして、反転型シュミットトリガ・コンパレータ33の出力信号41の1個目のパルスの立下り時刻に注目すれば良い。
FIG. 12 shows the case of the
図10、図11そして図12を見て分かることは、もし磁歪信号の特定の到着時刻を得るためのコンパレータが1個の場合、つまり反転型シュミットトリガ・コンパレータ33の出力信号41しか得られないとすると、出力信号41の3個のパルスのどのパルスのどの部位の示す時刻が正しいのか判別しえないことである。ところが、独立したコンパレータの数を増やして、夫々のトリガー基準点を異なるものにすれば、論理判断によって、反転型シュミットトリガ・コンパレータ33の出力信号41の複数のパルスの示すどの時刻を特定すれば良いかが容易に分かることになる。例えば、論理判断の一例として、出力信号41の3個のパルスのうち、他の出力信号42,43のパルスと最も重なる回数が多いパルス(2個目のパルス)を選択してもよい。これは、換言すると、最大ピーク波形を選択していることと同義になる。出力信号41の2個目のパルスの立下がり時点は、予め同定した結節点37に等しいから、これを「特定された時刻」とすればよい。
10, 11 and 12, it can be seen that if there is only one comparator for obtaining the specific arrival time of the magnetostrictive signal, the
図10の場合は、コンパレータの出力信号42と43から容易に反転型シュミットトリガ・コンパレータ33の出力信号41の2個目のパルスの立下り時点を特定された時刻とすれば良く、図11の場合も同様にコンパレータの出力信号42と43から容易に反転型シュミットトリガ・コンパレータ33の出力信号41の1個目のパルスの立下り時点を特定された時刻とすれば良く、図12の場合もコンパレータの出力信号42と43から容易にコンパレータの出力信号41の1個目のパルスの立下り時点を特定された時刻とすれば良いことが分かる。このようにして求めたい時間Tを一義的に決めることが可能となる。この時間Tは、マグネットの離間距離が変動しても、変化しない。
In the case of FIG. 10, from the output signals 42 and 43 of the comparator, the time point of the second pulse of the
以上のように、時間Tを求めるべき論理演算方法についてアナログ回路を用いて説明したが、DSPやマイクロプロセッサーを用いて簡単にこれらの論理演算ができ、即ち本発明の中心的課題である「磁歪信号が使用環境の大きな変動によって変化しても常に計測対象物の位置あるいは正確なフロートの位置検出」を達成できる。本発明では、得られた正弦波状に変化しかつ振幅なども変化する磁歪信号の特定の時刻を確定するために、本明細書で述べた結節点37を事前に求め、独立した3個のコンパレータを用いる例を示したが、磁歪信号の変動があまり大きくない場合は2個でもよく、あるいはいかなる環境でも磁歪信号の振動モードや振幅に変化のない場合はコンパレータの数は1個でも良い。
As described above, the logical operation method for obtaining the time T has been explained using an analog circuit, but these logical operations can be easily performed using a DSP or microprocessor. Even if the signal changes due to large fluctuations in the usage environment, it is possible to always achieve the position detection of the object to be measured or the position of the float accurately. In the present invention, in order to determine the specific time of the obtained magnetostrictive signal that varies sinusoidally and also varies in amplitude, the
なお、以上の説明で明らかなように、コンパレータの数は3個に限定する必要はなく、数が多くなればなるほど、特定の時刻を決定するための論理的判断条件が多くなり好ましい。次に図13に示すコントローラ203の構成を述べるが、これに限るわけではなく、同じ目的が得られるのであれば他の構成でも良いことは当然である。なお、図13のAND素子29やコンパレータ33や28a、28bの機能をDSPやマイクロプロセッサーなどの半導体集積回路に持たせても良い。
As is clear from the above description, the number of comparators need not be limited to three, and the larger the number, the more logical judgment conditions for determining the specific time, which is preferable. Next, the configuration of the
図13は本発明によるコントローラの一例である。コントローラ203は図4の検出手段12が観察した磁歪信号を増幅する増幅器27、反転型シュミットトリガ・コンパレータ33、2個の反転型コンパレータ28、3個のAND素子29、論理判断回路32、制御回路30と電流パルス駆動回路31から構成される。図の磁歪信号19は上述の増幅器27の出力を示すが、図10、図11、図12の磁歪信号34、35、36をも意味することは既述で明らかである。ここでは、論理判断回路32が本発明においてどのような働きをするかについて述べたい。制御回路30は電流パルス9の印加時刻の情報を論理判断回路32にも伝達するから、その時刻を基準にして必要な時間Tを計測する。
FIG. 13 is an example of a controller according to the invention. The
図10の場合、コンパレータの出力43が出現しているので、当該パルス発生時刻を包含するコンパレータの出力41の2個目のパルスの立下り時刻と電流パルス9の印加時刻の間の時間を計測すべき時間Tとする。図11の場合も出力43が出現しているから、当該パルス発生時刻を包含するコンパレータの出力41の1個目のパルスの立下り時刻と電流パルス9の印加時刻の間の時間を計測すべき時間Tとすればよい。図12の場合は、出力43にパルスが出現していないことを確認して、出力42のパルス発生時刻を包含するコンパレータの出力41の1個目のパルスの立下り時刻と電流パルス9の印加時刻の間の時間を計測すべき時間Tとすれば良いことになる。
In the case of FIG. 10, since the
以上のように、本発明の磁歪式センサーの位置検出方法は、マグネットが磁歪線に対して接近、離間方向に変位しうる場合に非常に有効である。すなわち、図3のように、マグネットが磁歪式センサーの外周の一方側に偏って(オフセット)配置されている場合には、マグネットの離間方向の変化によって磁歪信号が変動するため、マグネットの軸方向位置を正確に検出することが難しいからである。本発明を適用することによって、フロートの位置を安定かつ精度よく検出することが可能になる。なお、本発明の磁歪式センサーは、図3のようにマグネット・ゲージ式液面計のフロートの位置を検出する用途に限らないことは勿論である。 As described above, the magnetostrictive sensor position detection method of the present invention is very effective when the magnet can move toward and away from the magnetostrictive line. That is, as shown in FIG. 3, when the magnets are biased (offset) on one side of the outer periphery of the magnetostrictive sensor, the magnetostrictive signal fluctuates due to the change in the separation direction of the magnets. This is because it is difficult to accurately detect the position. By applying the present invention, it becomes possible to stably and accurately detect the position of the float. Needless to say, the magnetostrictive sensor of the present invention is not limited to the application of detecting the position of the float of the magnet gauge liquid level gauge as shown in FIG.
1 タンク
3 連通管、
4 フロート
4m フロート内マグネット
5 マグネット・ゲージ式液面計
6 マグネット・ゲージ式液面計の液面指示体
7 磁歪式センサー
8 磁歪線
9 電流パルス
10 マグネット
12 磁歪信号の検出器
19 磁歪信号
20 磁歪信号のゼロ電位
21、22 トリガー電圧
23~25 コンパレータ出力信号
26 ゼロクロス点
28 反転型コンパレータ
30 制御回路
31 電流パルス駆動回路
32 論理判断回路
33 反転型シュミットトリガ・コンパレータ
34~36 磁歪信号
37 磁歪信号の到着を示す特定の点(結節点)
37v シュミットトリガ・コンパレータのOFFトリガー電圧
38 シュミットトリガ・コンパレータのONトリガー電圧
39~40 コンパレータのトリガー電圧
41 シュミットトリガ・コンパレータの出力パルス
42~43 コンパレータの出力パルス
201 コントローラの例1
202 コントローラの例2
203 本発明のコントローラの例
T 特定すべき時間
1
37v Schmitt trigger comparator OFF
202 Controller Example 2
203 Example of controller of the present invention T Time to be specified
Claims (6)
前記検出器によって捩り弾性波を電気信号に変換し、磁歪信号を得るステップと、
前記磁歪信号をトリガー電圧の異なる複数のコンパレータを用いて波形成形するステップと、
当該波形成形された複数の時刻を示す波形の中から、前記磁歪信号の振幅変動に関係なくマグネットの軸方向位置に関係する特定の時刻を規定する1個の波形を選択し、当該波形の到達時刻と前記磁歪線に印加された電流パルスの印加時刻との間の時間に基づき、前記マグネットの軸方向位置を決定するステップと、
を有し、
前記複数のコンパレータのうち、少なくとも1個はシュミットトリガ・コンパレータであり、前記特定の時刻を規定する1個の波形は前記シュミットトリガ・コンパレータの出力波形によって得られ、
前記シュミットトリガ・コンパレータのONレベルは、他のコンパレータのONレベルより絶対値が低く、前記シュミットトリガ・コンパレータのOFFレベルは、特定の時刻を規定するために予め同定された電位レベルである、
磁歪式センサーの位置検出方法。 An object to be measured having a magnet is provided movably along the magnetostrictive line, and a current pulse is caused to flow in the axial direction of the magnetostrictive line to generate a torsional elastic wave at a portion of the magnetostrictive line adjacent to the magnet. A magnetostrictive sensor that detects the axial position of the magnet by detecting the torsional elastic wave with a detector provided at a specific part of the magnet and measuring the propagation time of the torsional elastic wave from the magnet to the detector,
converting a torsional elastic wave into an electrical signal by the detector to obtain a magnetostrictive signal;
a step of waveform shaping the magnetostrictive signal using a plurality of comparators with different trigger voltages;
A single waveform that defines a specific time related to the axial position of the magnet is selected from among the shaped waveforms indicating a plurality of times, regardless of the amplitude variation of the magnetostrictive signal, and the arrival of the waveform is selected. determining the axial position of the magnet based on the time between the time and the application time of the current pulse applied to the magnetostrictive wire;
has
At least one of the plurality of comparators is a Schmitt trigger comparator, and one waveform defining the specific time is obtained by the output waveform of the Schmitt trigger comparator,
The ON level of the Schmitt trigger comparator has a lower absolute value than the ON level of other comparators, and the OFF level of the Schmitt trigger comparator is a potential level identified in advance to define a specific time.
Position detection method for magnetostrictive sensors.
前記磁歪線の特定部位に設けられ、捩り弾性波を電気信号に変換して磁歪信号を得る検出器と、
前記磁歪信号を波形成形するための、トリガー電圧の異なる複数のコンパレータと、
前記複数のコンパレータによって成形された複数の時刻を示す波形の中から、前記磁歪信号の振幅変動に関係なくマグネットの軸方向位置に関係する特定の時刻を規定する1個の波形を選択し、当該波形の到達時刻と前記磁歪線に印加された電流パルスの印加時刻との間の時間に基づき、前記マグネットの軸方向位置を決定する論理判断回路と、
を備え、
前記複数のコンパレータのうち、少なくとも1個はシュミットトリガ・コンパレータであり、前記特定の時刻を規定する1個の波形は前記シュミットトリガ・コンパレータの出力波形によって得られ、
前記シュミットトリガ・コンパレータのONレベルは、他のコンパレータのONレベルより絶対値が低く、前記シュミットトリガ・コンパレータのOFFレベルは、特定の時刻を規定するために予め同定された電位レベルである、
磁歪式センサー。 An object to be measured having a magnet is provided movably along the magnetostrictive line, and a current pulse is caused to flow in the axial direction of the magnetostrictive line to generate a torsional elastic wave at a portion of the magnetostrictive line adjacent to the magnet. A magnetostrictive sensor that detects the axial position of a magnet by measuring the propagation time of a torsional elastic wave to a specific portion of a magnetostrictive line,
a detector provided at a specific portion of the magnetostrictive wire to obtain a magnetostrictive signal by converting a torsional elastic wave into an electrical signal;
a plurality of comparators with different trigger voltages for waveform shaping the magnetostrictive signal;
selecting one waveform defining a specific time related to the axial position of the magnet irrespective of amplitude fluctuations of the magnetostrictive signal from among the waveforms shaped by the plurality of comparators and indicating a specific time; a logical judgment circuit that determines the axial position of the magnet based on the time between the arrival time of the waveform and the application time of the current pulse applied to the magnetostrictive wire;
with
At least one of the plurality of comparators is a Schmitt trigger comparator, and one waveform defining the specific time is obtained by the output waveform of the Schmitt trigger comparator,
The ON level of the Schmitt trigger comparator has a lower absolute value than the ON level of other comparators, and the OFF level of the Schmitt trigger comparator is a potential level identified in advance to define a specific time.
Magnetostrictive sensor.
前記マグネットからの磁界を受けて回動する多数の液面指示体を前記連通管に沿わせて縦方向に配列し、前記液面指示体の回転によって液面表示を行なう液面表示装置と、
前記連通管に沿わせて縦方向に配置された請求項2に記載の磁歪式センサーと、を備え、
前記磁歪式センサーのマグネットは、前記フロートに設けられたマグネットである、
液面計。 a non-magnetic communicating pipe which is installed in a communicating state along the liquid container whose liquid surface is to be detected and accommodates a float having a magnet so as to be movable up and down;
a liquid level display device in which a large number of liquid level indicators that are rotated by receiving a magnetic field from the magnet are arranged in the longitudinal direction along the communication pipe, and the liquid level is indicated by the rotation of the liquid level indicator;
and a magnetostrictive sensor according to claim 2 arranged longitudinally along the communicating pipe,
The magnet of the magnetostrictive sensor is a magnet provided on the float,
Liquid level indicator.
前記マグネットを磁歪線との接近、離間方向に変位可能に設け、前記マグネットの軸方向位置を一定に保持した状態で、前記マグネットと磁歪線との離間距離を種々変えたときに、前記検出器によって前記捩り弾性波を電気信号に変換した複数の磁歪信号をそれぞれ計測するステップと、
前記複数の磁歪信号のうち、マグネットと磁歪線との離間距離が変わっても変化しない特定の時刻を同定するステップとを有する、
磁歪信号の到達時刻同定方法。 An object to be measured having a magnet is provided movably along the magnetostrictive line, and a current pulse is caused to flow in the axial direction of the magnetostrictive line to generate a torsional elastic wave at a portion of the magnetostrictive line adjacent to the magnet. A magnetostrictive sensor that detects the axial position of the magnet by detecting the torsional elastic wave with a detector provided at a specific part of the magnet and measuring the propagation time of the torsional elastic wave from the magnet to the detector,
The magnet is provided so as to be displaceable in a direction toward or away from the magnetostrictive line, and when the distance between the magnet and the magnetostrictive line is varied while the axial position of the magnet is held constant, the detector a step of respectively measuring a plurality of magnetostrictive signals obtained by converting the torsional elastic waves into electrical signals by
identifying a specific time that does not change even if the distance between the magnet and the magnetostrictive line changes, among the plurality of magnetostrictive signals;
A magnetostrictive signal arrival time identification method.
前記複数の磁歪信号が交わる交点であって、最大ピーク波形のピーク直後の交点の信号レベルを決定することである、
請求項4に記載の磁歪信号の到達時刻同定方法。 The identifying step includes:
determining a signal level at an intersection point where the plurality of magnetostrictive signals intersect, the intersection point immediately after the peak of the maximum peak waveform;
The arrival time identification method of the magnetostrictive signal according to claim 4 .
請求項4又は5に記載の磁歪信号の到達時刻同定方法。 The specific time is a time at or near the zero point immediately after the peak of the maximum peak waveform of the pre-magnetostrictive signal,
6. The method for identifying arrival times of magnetostrictive signals according to claim 4 or 5 .
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