JPH06508682A - 容量性センサの使用による変位あるいは誘電率の動的な非接触測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 容量性センサの使用による変位あるいは誘電率の動的な非接触測定方法 本発明は、２つの重畳され、互いに電気的に絶縁された平行な導電性ブレートに よって形成され、予め定められた電圧を有する高周波数信号を供給され、電流値 を検出する装置に接続されている容量性センサに対する導電性物質の変位の動的 な非接触測定方法に関し、また、導電性部分と上記説明されたタイプの容量性セ ンサとの間の誘電性物質の誘電率の動的な非接触測定方法に関する。

本発明は、特に回転機械のシャフトの軸の軸方向変位を比較的簡単に永久的に測 定し、あるいはタンクにおける流体レベルを測定するために有効に使用される変 位の動的な非接触測定方法、およびタンクにおける流体レベルを測定し、管路を 通って流れる物質の組成における可能な変化を比較的簡単に連続的に監視するた めに有効に使用される誘電性物質の誘電率の動的な非接触測定方法に関する。

ＩＩＹＤＲＯ−ＱＵＥＢＥＣ氏による１９６１年７月３０日発行のカナダ特許第 １、１９１．２６１号明細書は、第１の導電性部分から接近した間隔を有し、発 電機のステータおよびロータのような接地された第２の導電性部分の第２の表面 から導電性の有無に関係なく第１の部分の表面を分離する距離の動的な非接触測 定装置および方法を記載している。その装置および方法は顕著な変化あるいは過 度に密集せず、強力な磁界あるいは温度変化においても正確、確実に動作し、永 久的な形式で使用可能である。

上記された装置は、重畳され、互いに電気的に絶縁された２つの平行な導電性の ブレートから成り、コンピュータのような検出された電流値を処理する装置に接 続されている電流値を検出する装置に接続される５乃至１００ボルトの間の予め 定められた電圧で１００ＫＨｚ乃至１０ＭＨｚの範囲の高周波数信号を供給され るセンサを含む。

その使用中のセンサは接地された導電性部分を有するキャパシタを形成するので 、キャパシタンスは以下の既知の式によって決定される。

Ｋ＝ε　ε　、ε０は真空誘電率（８，８５４ｐＦ／ｍ）ｒ であり、ε　は導電性部分から最も近いセンサブレートとこの導電性部分の間の 誘電性物質の相対的な誘電率であり、Ａｒは、センサブレート上の導電性部分の 重畳表面であり、Ｄは、導電性部分から最も近いセンサブレートの表面とこの導 電性部分との間の距離である。

このように形成されたキャパシタが高周波数信号を受けたとき、測定可能な電流 はセンサブレートに誘起され、その強度は以下の式に応じる。

ｉ＝ωＣＶ　（２） ここで、 ω−２πｆＳｆは送信された信号の周波数であり、■は導電性部分から最も近い センサブレートとこの導電性部分との間の電圧差であり、 Ｃは上記されたキャパシタンスである。

式（１）は一定誘電値におよび重畳表面Ａｒに関して、キャパシタンスＣおよび 式（２）の電流ｉが導電性部分から最も近い容量性センサブレートと導電性部分 との間の距離の動的な非接触／ｕＪ定の前記方法を可能にさせる導電性部分から センサを分離する距離りの逆数に応じて変化することを示す。

容易に見られるように、装置は、他のパラメータが固定される限り、例えば誘電 率にあるいは重畳表面Ａｒのような式（１）における別の可変パラメータの測定 を実行するために同様に使用されることができる。

それ故、本発明の第１の目的は、容量性センサに関して接地された導電性物質の 変位の動的な非接触測定のための前記された装置を使用する新しい方法を提案す ることであり、その第１の方法は次のステップを具備することを特徴とする。

（ａ）導電性物質に近接した一定の距離に容量性センサを配置し、容量性センサ のブレートは導電性物質が延在する平面に平行であるので、上記平面における導 電性物質の変位は容量性センサ上の重畳表面を変化させる。

（ｂ）容量性センサにおける高周波数信号によって誘起される電流を検出し、こ の検出された電流は容量性センサ上の導電性物質の重畳表面に直接比例した関係 で変化する。

（ｃ）検出された電流の値の関数として容量性センサに関して導電性物質の変位 の値を決定する。

この方法は、センサ上の導電性物質の重畳表面が変位の時に変化するかぎリセン サに関して任意の導電性の物質の変位の測定を可能にするのでタービン機械ある いはタンクには限定されない。

本発明の第２の目的は、接地された導電性部分と容量性センサの間の誘電性物質 の誘電率の動的な非接触測定方法を実行する上記された装置を使用している新し い方法を提供することであり、この第２の方法は次のステップを含むことを特徴 とする。

（ａ）誘電性物質の測定される誘電率が導電性部分の表面と容量性のセンサの間 にあるように、導電性部分に近接した一定の距離で容量性センサを配置する。

（ｂ）容量性センサにおける高周波数信号によって誘起される電流を検出し、こ の検出された電流は導電性部分と容量性センサの間の誘電性物質の誘電率に直接 比例した関係で変化する。

（ｃ）検出された電流の値の関数として導電性部分と容量性センサとの間の誘電 性物質の誘電率の値を決定する。

この方法もまた、容量性センサと任意の導電性部分の間の誘電性物質の誘電率が 測定されることを可能にするのでタンクあるいは管路において流れる物質の組成 における変化の検出には限定されない。

本発明およびその多数の利点は、添付図面に関する可能な実施例の以下の非制限 的な説明によってより理解されるであろう。

図１は、本発明による方法の原理の概略図を示し、図２は、容量性センサよりも 大きな導電性物質の変位測定に関する本発明による第１の方法を示している概略 図であり、図３は、図２に関する本発明の実施例の測定された電流値の特性曲線 を示し、 図４ａは、熱タービンと交流機の間の結合ジヨイントの変位測定に関する本発明 による第１の方法を示し、図４ｂは、図４８に示される結合ジヨイントの詳細な 側面図であり、 図４０は、図４８に示される結合ジヨイントの詳細な上面図であり、 図５は、複数のセンサを使用している変位測定に関する本発明による第１の方法 を示し、 図６ａは、導電性タンクにおける導電性で高い極性の流体のレベル測定に関する 本発明による第１の方法を示し、図６ｂは、電気的絶縁材料から成るタンクにお ける導電性で高い極性の流体のレベル測定に関する本発明による第１の方法を示 し、 図６ｃは、導電性タンクにおける非導電性流体のレベル測定に関する本発明によ る第２の方法を示し、図６ｄは、電気的絶縁材料から成るタンクにおける非導電 性流体のレベル測定に関する本発明による第２の方法を示し、図７は、管路中を 流れるオイルにおける水の汚染の検出に関する本発明による第２の方法を示し、 図８は、本発明の概念において使用される測定、検出および較正回路の図を示し 、 図９は、本発明による方法によって使用される装置の原理的な機能を示すブロッ ク図である。

添付図面の図１を参照すると、本発明による方法を実行するために使用される装 置１は、絶縁体９によって互いに電気的に絶縁された重畳された導電性の２つの プレート５および７から成る少なくとも１つの容量性センサ３と、同じ電圧の同 じ高周波数信号を各センサの２つのプレート５および７に供給し、高周波数信号 によってプレート７における誘導された電流の値を検出する供給および検出装置 １１と、および各センサのプレート５および７を装置１１に接続するケーブル１ ３を具備している。この装置１１は、本発明の方法によって測定を実行するため に、例えばコンピュータのようなデータ処理装置に送られる検出された電流に関 して電気信号Ｓを生成する。

センサのプレート５および７に供給される高周波数信号は、可能な寄生雑音、戻 りインピーダンスあるいは絶縁問題を避けるため、５乃至１００ボルトのピーク 間電圧で１００ＫＨ２から１０ＭＨｚの間の周波数に選択的に設定される。寄生 雑音の効果は、プレート５および７の最適な寸法およびそれらの分離距離を選択 することによって減少されることもできる。

処理装置は容量性センサ３の構成および物理的パラメータのために非線形を考慮 に入れるので、本発明による方法を使用して目標物体の測定を行うパラメータに 対して測定された電流の正確な変換を実行するために事前に較正される。

本発明による第１の方法（変位の動的で非接触的な測定方法）において、容量性 センサ３は導電性の物質１５に近接した一定の距離りに適当な手段によって位置 され、そのプレート５および７は、導電性物質１５が延在する平面に平行である 。

この平面において、導電性物質１５および容量性センサ３の共通表面は重畳表面 １７を構成する。測定された電流はこの面積に直接的に比例し、変位の測定の目 標を正確に形成するので、本発明による本質的なものは重畳表面１７の面積が容 量性センサ３に関して導電性の物質１５の変位のときに変化することである。

図２は、本発明による第１の方法（変位の測定方法）の使用を示し、導電性の物 質１５は容量性センサ３よりも大きく、センサ３は方形の形状である。この形状 は本質的ではないが、図３に示されている特定の使用では重要な複数の特徴を提 供する。

図３は、容量性センサ３に関する導電性の物質１５の矢印１９の方向への変位と 装置１１によって生成される電気信号Ｓの間の図２に示される実施例から生じる 線形特性を示す。この特性は、重畳表面１７が上記変位に関して線形に増加する という事実に基づく。曲線２１は、導電性の物質１５の縁部２７が容量性センサ ３の縁部２９を横切るときに各先端で偏向２３および２５を受けやすいか、主と して線形である。

図４ａに示されるように、本発明による第１の方法（変位の測定方法）は、熱タ ービン３３を交流機３５に結合する回転シャフト３１の伸びを測定するために使 用される。結合ジヨイント３７は導電性の物質として動作するので、事前に接地 されなければならない。拡大図４ｂおよび４ｃに示されるように、センサ３は、 点線４１によって表される矢印３９の方向へのジヨイント３７の可能な変位を測 定するように結合ジヨイント３７がら一定の距離Ｄ′に平行に位置される。シャ フト３１がセンサ３と比べて無視できる程度である容量性効果を有し、変位のｐ １定に影響を及ぼさないように、容量性センサ３とシャフト３１の間の距離ＤＩ ＋を距離Ｄ′に対して十分に長くする必要がある。容量性センサ３の幅Ｂ′は結 合ジヨイント３７の幅Ｂ　ｌ　＋よりも小さく、このセンサが方形の形状である という事実の結果として変位と信号Ｓの間の関係は線形であるので、信号Ｓの実 質的な処理の複雑さをこの方法で減少する。

図５を参照すると、矢印４３の方向への導電性の物質１５の変位が１つのセンサ によってのみ測定されるには大きすぎるとき、変位の測定に関する本発明の第１ の方法によりて位置される複数の容量性センサ３を使用することができ、導電性 の物質１５のこのような変位は測定された電流の値は少なくとも１つのセンサの 重畳表面を変え、測定された電流の値を変化する。この結果を得るための簡単な 方法は、センサを逐次直線的に配置することである。

図６ａに示されるように、本発明による第１の方法（変位の測定方法）は、導電 性であるタンク４９において特定の状況における水あるいは水銀のような導電性 または高い極性の流体４７のレベル４５を測定するために使用される。この場合 、流体４７は導電性の物質として動作し、それ自体が導電性であるタンク４９の 手段を使用した接地５１に接続されることができる。

容量性センサ３は差し込みあるいは適当な方法で容易にタンク４９の内壁５３上 に直接位置され、絶縁および密閉保護層によって必然的に覆われなければならな い。タンク４９における流体４７の任意のレベルの測定を可能にするため、セン サ３のみがタンク４９の壁５３の高さを有さなければならない。タンク４９が図 ６ｂに示されるように電気的に絶縁される場合、導電性または高い極性の流体４ ７は、例えばタンク４９の内側あるいは外側の底部に配置される簡単な金属プレ ートから成る接地２次電極５５の助けによって接地５１に接続される。

図６０を参照すると、装置１は、例えばオイル、ガソリンあるいは他の石油誘導 体の１つとして空気（１）より相対的誘電定数の高い非導電性流体４７のレベル ４５を測定するための本発明による第２の方法（誘電性物質の誘電率の動的な非 接触ＭＪ定定法法を実行するために使用される。この実施例において、検出され た電流の信号Ｓは、タンクが空であるときに適切に補正あるいは補償されるオフ セットを有する。このオフセットは、この方法の誘電体定数が空気の誘電体定数 に近接する時にさらに重要である。例えば、簡単な金属プレートから成るセンサ ３と少なくとも同じ長さの接地２次電極５５は、接地５１に接続され、導電性タ ンク４９の内壁に配置される容量性センサ３に近接して配置される。センサ３の 保護は必要ではないが、望ましい。タンク４９が図６ｄに示されるように電気的 絶縁性である場合、センサ３はタンク４９の内壁あるいは外壁に配置されること ができる。

図７において、本発明による第２の方法は、電気的絶縁性の管路５９の内側の汚 染によって変えられる可能性のある物質５７の組成を検出するために使用される 。センサ３は、物質５７が接地６３に接続される電極６１とセンサ３の間に必然 的に通過する方法で管路５９の壁に直接位置され、汚染が生じるときに事前にＩ Ｉ定された誘電率を変化する。物質５７の誘電率の値を知ること、あるいはそれ を決定する試験を行うことばよって、供給および検出装置１１を汚染が検出され るときに物質５７の組成における任意の変化を報告するために事前に調整された 警報システムに接続することを可能にする。

図８は、本発明によって使用される装置１の供給および検出装置１１の回路図を 示す。この回路において、高周波数信号発生器６５が存在する。この発生器は、 周囲と固定されたキャパシタンスＣｆを形成するセンサ３のプレート５に出力を 供給する。センサ３のプレート７は、導電性の物質１５の表面との間に可変キャ パシタンスＣｖを形成する。さらに、各タイプのセンサに特定した寄生キャパシ タンスが存在する。この寄生キャパシタンスは記号Ｃｐによって示される。電流 検出器６７は発生器６５とセンサのプレート７の間に直列に取付けられる低値の インピーダンス６９を具備する。さらに電流検出器６７は、このインピーダンス ６９を横切る高周波数電圧信号を分離して測定し、測定された電流に比例した信 号を測定された信号から導き出すためにインピーダンス６９に接続される絶縁回 路を具備する。その回路はまた、一方の側がインピーダンス６９に並列に、他方 の側が可調利得増幅器７３に接続されている絶縁変成器を具備することができる 。この増幅器は、フィルタ７７を介して増幅器信号を受信する既知のタイプの振 幅復調器７５に接続されている。復調器７５は検出された電流に比例した要求さ れた信号を出力し、それをさらに以下詳細に説明される適当な処理手段８９に送 信する。装置ドリフトの自動補正に関して、検出器６７は可変キャパシタンスＣ ｖを瞬間的に置換するために較正手段７９を組み込まれていてもよい。スイッチ ８１によって接続可能なこれらの較正手段７９は、２つの基準信号（高い較正お よび低い較正）を得ることを可能にする既知の値の２つのインピーダンス８３お よび８５から成る。これらのインピーダンス８３および８５は、リレー８７によ って切替えられる。

このような較正手段７９の使用が任意選択的なものであることが記載されるべき である。このような場合において、各データ捕捉の前に、増幅器ドリフトおよび 発生器ドリフトを考慮することを可能にし、利得およびオフセットの容易な決定 を可能にする。

図９に示されるように、処理手段８９は電流検出器６７に接続される。

実施例の第１の例によって、これらの処理手段８９はマイクロプロセッサ９１を 含んでいる処理回路によって構成され、マイクロプロセッサの機能は、それらが 要求されるまで電流検出器６７によって検出される電流信号の処理および記録を 確実に行うことである。情報が必要とされるとき、信号は外部記録手段９５（磁 気ディスク等）および出力手段９７（プリンター等）に備えられるコンピュータ ９３にマイクロプロセッサ９１によって送信される。複数のセンサ３が使用され る場合、コンピュータ９３は各センサ３に関連した各マイクロプロセッサ９１に おいて記録された信号をそれぞれ処理する方法で各センサ３に関係したマイクロ プロセッサ９１に接続されることができる。図９に示された引き伸ばされた線は 、他のマイクロプロセッサ９１への可能な接続を示す。電流変位あるいは電流誘 電率の関係を各タイプのセンサに与えるデータの導入は、研究所において各タイ プのセンサに対して一度行われる。前述されたように、増幅器および発生器のド リフトを考慮に入れるために各データ捕捉の前に較正を行う必要がある。

実施例の別の例によって、処理手段８９は警報回路９９を具備していてもよい。

この警報回路９９は、処理回路の代り、あるいはそれと共同して取付けられるこ とができる。この警報回路９９によって達成される目標は、検出された電流の値 が予め定められた臨界的な変位あるいは誘電率に対応する場合に警報信号を直ち に生成することである。容易に永久的に接続されるこのような警報回路９９の使 用は、主に、回転機械、タンクレベルあるいは管路内の物質の汚染の連続的およ び永久的な監視の場合に非常に効果的である。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成５年１０月２２日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つの重畳され、互いに電気的に絶縁された平行な導電性プレート（５，７ ）から形成され、予め定められた電圧で高周波数信号を供給され、電流値を検出 する装置（１１）に接続されている容量性センサ（３）に対して接地された導電 性物質（１５）の変位の動的な非接触測定方法において、（ａ）前記導電性プレ ート（５，７）に平行な前記導電性物質（１５）が延在する前記導電性物質に近 接した一定の距離に容量性センサを位置し、前記平面における前記導電性の物質 （１５）の変位により容量性センサ（３）上の導電性の物質（１５）の重畳表面 （１７）を変化させ、（ｂ）前記容量性センサにおける前記高周波数信号によっ て誘起される電流を検出し、この検出された電流は前記容量性センサ（３）上の 前記導電性物質（１５）の重畳表面に直接的に比例した関係で変化し、 （ｃ）検出された電流の値の関数として前記容量性センサ（３）に関して前記導 電性物質（１５）の変位の値を決定するステップを具備することを特徴とする方 法。 ２．前記電流の検出は、前記高周波数信号を生成する供給手段（６５）と導電性 物質（１５）からセンサ（３）の最も近いプレート（７）の間に直列に取付けら れている低いインピーダンス（６９）の端子で前記高周波数信号を分離して測定 し、検出された電流に比例した信号をこの測定された信号から引き出すことによ って実行されることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．前記検出された電流の値に関して前記容量性センサ（３）に対する導電性物 質（１５）の前記変位の値の決定は、前記容量性センサ（３）に特定している、 測定された前記電流の値に影響を及ぼす寄生効果を考慮に入れることによって前 記検出された電流の値に対応している前記変位の実際の値を決定するために前記 容量性センサの様々な物理的パラメータの関数として設計あるいはプログラムさ れた電子装置（８９）によって実行されることを特徴とする請求項１または２記 載の方法。 ４．複数の容量性センサ（３）は、前記導電性物質（１５）の変位が前記容量性 センサ（３）の少なくとも１つの上の前記重畳表面を変化するようにステップ（ ａ）で位置されることを特徴とする請求項１記載の方法。 ５．前記導電性物質（１５）は回転機械（３３，３５）のシャフト（３１）であ り、前記測定される変位は前記容量性センサ（３）に関するシャフト（３１）の 結合ジョイント（３７）の１つであることを特徴とする請求項１記載の方法。 ６．前記導電性物質（４７）はタンク（４９）に含まれ、前記測定される変位は 前記容量性センサ（３）に対する前記導電性物質（４７）のレベル（４５）の１ つであることを特徴とする請求項１記載の方法。 ７．接地された導電性部分（５５）と、２つの重畳され、互いに電気的に絶縁さ れた平行な導電性プレート（５，７）から形成され、予め定められた電圧で高周 波数信号を供給され、電流値を検出する装置（１１）に接続される容量性センサ （３）との間の誘電性物質（４７）の誘電率の動的な非接触測定方法において、 （ａ）誘電率が測定される誘電性物質（４７）が前記導電性部分（５５）と前記 容量性のセンサ（３）の間にあるように、前記導電性部分（５５）に近接した一 定の距離に前記容量性センサを位置し、 （ｂ）前記容量性センサ（３）における高周波数信号によって誘起される電流を 検出し、この検出された電流は前記導電性部分（５５）と前記容量性センサ（３ ）との間の前記誘電性物質（４）の誘電率に直接的に比例した関係で変化し、（ ｃ）検出された電流の値の関数として前記導電性部分（４７）と前記容量性セン サ（３）との間の誘電性物質（４７）の誘電率の値を決定するステップを具備す ることを特徴とする方法。 ８．電流の検出は、前記高周波数信号を生成する供給手段（６５）と導電性物質 （５５）から最も近いセンサ（３）のプレート（７）との間に直列に取付けられ る低いインピーダンス（６９）の端子で前記高周波数信号を分離して測定し、検 出された電流に比例した信号をこの測定された信号から引き出すことによって実 行されることを特徴とする請求項７記載の方法。 ９．前記検出された電流の値に関して前記導電性部分（４７）と前記容量性セン サ（３）の間の誘電性物質（４７）の前記誘電率の決定は、前記容量性センサ（ ３）に特有で測定された前記電流の値に影響を及ぼす寄生効果を考慮に入れるこ とによって前記検出された電流の値に対応している前記誘電率の実際の値を決定 するために前記容量性センサの種々の物理的パラメータの関数として設計あるい はプログラムされた電子装置（８９）によって実行されることを特徴とする請求 項７記載の方法。 １０．複数の容量性センサ（３）は、前記誘電性物質（４７）の誘電率が複数の 位置において決定されるようにステップ（ａ）で位置されることを特徴とする請 求項７記載の方法。 １１．前記誘電性物質（４７）はタンク（４９）に含まれ、前記測定される誘電 率は前記導電性部分（５５）と前記容量性センサ（３）との間の前記誘電性物質 （４７）のレベル（４５）の変化によって変化されることを特徴とする請求項７ 記載の方法。 １２．前記誘電性の物質（５７）は管路（５９）内にあり、前記測定される誘電 率の値は前記誘電性物質（５７）の最終的な汚染によって変化されることを特徴 とする請求項７記載の方法。