JPS59131118A - 相関信号処理向きランダム信号検出用センサ装置 - 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】 本発明は動くプロセスの特性量に対して感応する全開口
を有し、例えば相関的速度−または走行時間測定に用い
られセンサとは相対的に動くプロセスから相関信号処理
に用いられろ偶発的なないしランダム信号を検出するセ
ンサ装置に関する。

公知技術の説明 公知のように相関的速度−または走行時間測定の原理は
、概して無接触形のセンサを用いて動くプロセスにおけ
る運動方向に相互に間隔をおいて２つの位置で偶発的な
ランダム信号を検出し、両方の信号の相互相関関数を形
成し、かつその最大値の位置から動（プロセスの走行時
間と速度とに関する情報を求めるようにすることＫある
。センサは動くプロセスのできるだけ重要なまたは簡単
圧検出される特性ｉに応動するように選択されている。

例えば容量形センサ超音波センサ、光学的センサ、熱的
センサ、電荷感応センサ、または導電形センサを用いる
ことができる。これらのすべてのセンサは、動（プロセ
スの運動方向で有限の広がりを有しそのために光学系を
模して１絞り”または“開口”として示された所定の空
間部分を有する。公知のようにそれぞれの開口は空間的
フィルタ（１間周波数フィルタ”）を構成している。こ
のフィルタは動くプロセスの形状と速度と、に依存して
変化する上限周波数を有する。然るにその場合相■つ評
価の統計的不確実さの基準ともなる相関最大値の幅は帯
域幅に逆比例する。それ故正確な相関評価に対して、２
つの相関すべき信号ができるだけ大きな帯域幅を有する
ことが必要である。これはセンサの開口即ち運動方向忙
おける広がりをできるだけ小さくすべきことを意味する
。

また良好な相関を得るには、センサが十分な感度な有す
ることが前提である。例えばセンサの感度は尚該の空間
部分の拡大によって、即ち開口な犬ぎくすることによっ
て、増加させることができる。例えば容量形センサは、
大きな電極を用いることによって感度が増加する。例え
ば大きな断面積を有する管路内の流速を測定する場合、
現在ではセンサの容量と感度とを十分なものＫするため
に比較的大きな電極面を用いるべきである。この例は小
麦とか粒状体ｉか炭塵とかの゛ような空気で送られる固
体材料の相関速度測□定であり、そこでは屡々大きな管
断面積が用いられる。然るに開口を”拡大することによ
ってセンナの低斌通過フィルタ作用は増加するので、検
出された信号の帯域幅は減少する。それ故測定結果の統
計的不確実さは大きい。統計的不確実さを減少するため
ｋ、測定時間を非常に犬さく選択すべきである。

発明の目的 本発明の課題は、太さな全開口即ち高い感度を有し、し
かも空間周波数フィルタ作用の限界周波数が開口相比べ
て大きなセンサ装置を・提供することである。

発明の構成Ｊ６よび効果 本発明によればこの課題は、全開口を開口部分に分割し
、その開口部分な、動くプロセスの特性量に対して感応
しない間隙を間に挟んで、所望の空間周波数フィルタ作
用に依存して選択されたコードにしたがって運動方向に
配置したことによって解決される。

本発明は信号の統計的処理技術の分野で公知のデータ伝
送用２進コードの特性に基づいており、それによれば全
期間が長（ても相関受信の際、時間的忙圧縮された信号
が生ずる（相関コード、Ｂ、ａｒｋｅｒ−コード、疑似
ランダム２進コード、ｍ−シーケンスなど）。またスペ
クトル特性が所定の法則にしたがい例えばスペクトルは
単発パルスと非常によく似ている２進コードは公知であ
る。この典形的な例としてＰＮ−シーケンス（疑似ラン
ダムコード）の類を挙げることができる。ＰＮ−シーケ
ンスのスペクトルの包結線は単発パルスのスペクトル密
度の経化即ち公知のｓｉｎ　Ｘ　／　ｘ−関数に等しい
。重要な差異は、ＰＮ−シーケンスのスペクトルが、Ｎ
が四−シーケンスの周期を示す場合、Ｎ本の別個のスペ
クトル線を有する点である。例えば比較的長い周期に対
して、両方のスペクトルの差は非常に小さい。

センサの全開口を前述のコードの法則にしたがって分割
することによって、そのように構成された空間周波数フ
ィルタのステップ応答はコードシーケンスの時間経過忙
等しくなり、かつセンサの開口によって構成された空間
周波数フィルタの周波数特性は、このコードシーケンス
のスペクトルに等しくなる。例えばこの空間周波数フィ
ルタの限界周波数は運動方向にみて空間的広がりには無
関係に観測され、かつ最も狭くなったコード部分の長さ
だけに依存して変化する。それ故センナの感度は当該の
開口部分の数に相応して拡大されたとしても、センサは
センサ部分側々の開口部分の限界周波数に相応する限界
周波数を有する。それ故限界周波数が同じ場合、センサ
の感度はかなり増加する。またコードにしたがって延在
されたセンナ装置は、それぞれの時点忙多数の基本単位
生起現象を検出し、ひい℃は単位時間商り多数の情報を
相関的に評価するよ５ｉｃする。これによって相関係数
は比較的大きな値で求められる。

全開口を個々の開口部分に分割しかつこの開口部分を運
動方向に沿って空間的忙分布させると、開口部分が検出
すべきプロセスの周りに相互に角度をずらして設けて、
センサ装置を構成することができる。このようにしてす
べての方向で生ずる偶発的な信号を引出すため忙、プロ
セスを種々の方向から観測することができる。

分割とコード化によってセンナが運動方向に延在するよ
うになっても、一般に障害はない。

プロセスの運動方向に沿って相互に所定の間隔を有して
設けられた２つのセンナを有する相関測定装置において
、その間隔の最小値が不所望に大きな場合、本発明の非
常に有利な実施例におい℃センサの相互に対向する端部
な、それぞれのセンサの有効な開口部分が他方のセンサ
のコード間隙のところＫくるように組合わせて設けるこ
とによって、前述の間隔を減少することができる。勿論
センサの開口のコードを相応して選択すべきである。

実施例の説明 次に本発明を図示の有利な実施例につき説明する。

第１図は相関系の使用例として、管路ｌ内で空気によっ
て輸送される固体材料例えば炭塵の流れ速度Ｖを無接触
測定する装置を示す。管路ｌ上に、正確に既知の中心間
隔りで２つの容量形センサ２と３が設けられており、こ
れらのセンサを用いて、流れ内の偶発的な誘電率変動に
相応する偶発的な信号を検出する。容量形センサ２は２
つの電極２ａと２ｂから成る。これらの電極はそれぞれ
管路ｌの周囲の一部に亘って延在しており（第２図参照
）、かつ容量／電圧−変換器４の入力端子に接続されて
いる。容量／電圧−変換器４の出力側に、容量形センナ
２によって検出された誘電率変動を表わす信号Ｘ（ｔｌ
が生ずる。容量形センサ３は２つの同じように設けられ
た電極３ａと３ｂを有し、それらの電極は容量／電圧−
変換器ｉの入力端子に接続されており、容量／電圧−変
換器５の出力信号ｙ（１）も容量センサ３によって検出
された誘電率変動を表わす。２つの容量／電圧−変換器
４と５の出力側は、信号ｘ　（ｆ）とｙ　（ｔ）間の相
関関数を計算する相関器６０２つの入力側に接続されて
いる。

両信号ｘ（ｔ）とＹ　（ｔ）間の相互相関関数Ｒｘｙ（
τ）を求めることによって、管路１内の流速Ｖを検出で
きることは公知である。これは同じ流れ成分部分（渦）
が両センサ２と３のところを通過の除虫ずる信号が相互
相関関数の最大値を生ずるように所定の類似性を示すこ
とに基づ（。相互相関関数は次の式で求められる。

これは信号ｘ（ｔ）の瞬時値を時間τだけずれた信号ｙ
Ｆ）の瞬時値と乗算しかつ観測時間Ｔの範囲に亘ってこ
の積の平均値を形成することを意味する。ずれ時間τの
それぞれの値に対して相互相関関数の部分値が得られる
。

第３図は相関器６の出力信号をずれ時間τの関数として
示す、即ち相関関数を示す。ここ忙示した例では、相関
関数はセンサ３からセンサ２への媒体の走行時間に等し
い所定のずれ時間τ□で最大値を有する。それ故 Ｖ＝− τｍ である。

相関器６に接続された評価装置７は相互相関関数が最大
値に達したことを求め、かつ相応するずれ時間Ｔｍまた
はそこから計算される流速Ｖを発生する。

相関関数の最大値ρ、、（Ｔｍ）が大きくなればなる程
、かつ相関関数の最大値の幅Δτが狭くなればなる程、
測定された相互相関関数をますます正確に評価できるよ
うになる。相関関数の最大値の幅は検出された信号の帯
域幅に逆比例し、かつ概して検出された相関関数の最大
値の統計的不正確さな表わすために用いられる。

ただし、Ｂ：帯域幅（■２） Ｔ：測定時間（ｓｅｃ） ρ８．：正規化された相関係数 σ（τｍ）：走行時間の標準偏差 それ故正確忙相関を評価するためには、両方の相関すべ
き信号ができるだけ良好に相関しており（即ちできるだ
け類似している）、かつできるだけ大きな帯域幅Ｂを有
することが重要である。また良好な相関は、センサがで
きるだけ良好に不均質性の存在を検出しかつゃきるだけ
電子的ノイズなどの外部ノイズによって影響を受けない
よ５にすることが前提となる。不均質性を検出するため
の感度を高くすべきである。

これらの要求は部分的には相互に矛盾する。

これは例えばそれぞれのセンサが所定の空間部分を有す
ることによって生ずる。これを説明するために、センサ
２を有する管路１は第４図にも示されている。それ故第
４図において問題を簡単忙当該の運動方向に対して、即
ち管軸に沿ってだけ考えると、容量形センサ２の電極２
ａと２ｂが占める部分は、運動方向における電極の寸法
に等しい区間ａである。この部分は光学的センサの場合
に模して１絞りａ″または１開口ａ″として示す。それ
ぞれの開口は、空間フィルタ即ちいわゆる空間周波数フ
ィルタを構成することが公知である。プロセス自体は無
限に広帯域である（即ち無限に小さな不均質性がある）
としても、有限の開口ａを有するセンナを用いると、次
に記載するように上限周波数までの周波数しか検出され
ない。

第５図はセンサ２の方形の開口ａに対するパルス応答ｈ
（ｔ）即ち無限に狭い励振に対するセンナの応答を時間
ｔの関数として示す。第６図の線図は、第５図のパルス
応答ｈ　（ｔ）からフーリエ変換によって計算できる開
口ａＫよって構成される空間周波数フィルタの周波数特
性Ｈ（ｆ）を示す。第６図のフィルタ曲線は既知の関数
ｓｉａ　ｘ／ｘの変化を有する。

以上をまとめると、それぞれの有限の開口は検出すべき
周波数に対するフィルタを構成しており、その場合この
空間周波数フィルタの限界周波数はその構成と速度とに
依存して変化するということができる。

一般にセンサの感度を高めるために、センサ化よって検
出される空間部分を拡大することが必要である。例えば
第１図に示した容量形センサは、大きな電極を用いるこ
と忙よって感度を高めることができる。また前述の式（
３）忙したがって、運動方向で電極を拡大することによ
って、センサの低域通過フィルタ作用も高められるので
、検出された信号の帯域幅は低下する。然るに式（２）
によって帯域幅の減少は゛好ましくない。

それは測定結果の統計的不正確さが増大するからである
。

また前述の容蓋形センサにつき説明した現象は、超音波
センサや光電検出器や導電形センナなどのような他の、
偶発的な信号を検出するために用いられる形式のセンサ
に対しても同じように当てはまる。その都度これらのセ
ンナのうちのどのセンサを用いるかは、とのセンサが物
理的な不均質性を特忙良好に検出できるか、または特に
簡単に検出できるかによって決まる。

ここで再び容量形センナの場合につき、第７図〜第９図
を用いて、空間周波数フィルタ作用の高い限界周波数を
保持しながら如何にしてセンサの感度を向上できるかに
つき説明する。第７図において、容量形センサ２０はそ
れぞれ開口ａを有する多数の部分２１，２２，２３．２
４から成る。センサ部分２１．２２．２３．２４は間隙
２５，２６．２７を間に挾んで２進コード語の形に配列
されており、このコード語は第７図の場合７桁で、１０
１００１１　　である。個々のセンサ部分から生ずる信
号は、最も簡単な場合第７図圧水すように相互に相応す
るセンサ部分の電極を簡単に相互に接続すること忙よっ
て、加算される。また電極を別個の制御回路圧接続し、
その制御回路の出力信号を加算することもできる。

第７図のセンサ部分が設けられたコードは、所定の空間
周波数フィルタ作用が行われるように選択されている。

信号の統計的処理技術の分野から、相関受信の際全体の
期間が長くても時間的忙圧縮された信号を発生するデー
タ伝送のための２進コード（相関コード、Ｂａｒｋｅｒ
−コード、２進疑似ランダムコード、ｍ−シーケンスコ
ードなど）は公知である。また例えば全コード語のスペ
クトルを個々のパルスのスペクトルにより非常に類似す
るようにしてスペクトル特性が所定の規則に従うよう＃
Ｃした２進コードは公知である。第１θ図は斯様なコー
ドの典型的な例として周期Ｎ＝１５を有するＰＮ−シー
ケンスの形式のコード語を示しく疑似ランダムコード）
、また第１１図は斯様なコード語の周波数スペクトルを
示す。ＰＮ−シーケンス形式のスペクトルの包絡線は個
々のパルスのスペクトル密度の変化に等しいので、これ
は公知のｓｉａ　ｘ／Ｘ−関数である。重要な差異はＰ
Ｎ−シーケンスのスペクトルがＮ個の別個のスペクトル
線から成り、その場合ＮはＰＮ−シーケンスの周期であ
ることである。例えば周期が比較的長い場合このスペク
トルと個々のＪミスのスペクトルとの間の差は非常に小
さい。

第７図のセンサ部分の空間コードは、わかり易（するた
めにＮ＝７の長さに非常に短く選択された前述のＰＮ−
シーケンスに相応する。それ故センサ２０によって構成
された空間周波数フィルタのパルス応答は斯様な時間の
関数としてのＰＮ−シーケンスである（第８図参照）。

第９図は第８図のノ９ミス応答の周波数スペクトル即ち
第７図のセンサ装置によって構成された空間周波数フィ
ルタの周波数特性である。スペクトルは７つの別個のス
ペクトル線から成り、そのスペクトル線の包絡線は個々
のセンサ部分のフィルタ曲線の経過に等しい、即ち第６
図の空間周波数フィルタ曲線に一致する。例えば斯様な
空間周波数フィルタの限界周波数は運動方向で見て空間
的広がりＫは無関係であり、かつ個々のセンサ部分の開
口部分の長さだけに依存して変化する。

第４図と第７図とを比較すると、第７図のセンナ装置は
全長Ａ−Ｎ−ａを有する、即ち第４図のセンサの長さａ
より係数Ｎだけ大きいことがわかる。第７図のセンサ装
置の全開口は当該のキンサ部分の開口部分の和によって
構成されている。コード化のための選択されたＰＮ−シ
ーケンス忙おいて、（Ｎ＋１）／２個のセンナ部分が設
けられている。それ故第７図のセンナ装置の全開口ひい
ては感度は、第４図のセンサ装置のものに対して係数（
Ｎ＋１）／２倍となるが、限界周波数は変化しない。ま
た第７図のセンサ装置の全容量は、電気力線の理想的な
経過を前提として、係数（Ｎ＋１）／２倍となる。

例えばこれは管の断面積が比較的大きな場合、非常に有
利である。この場合、個々の環状のセンナ部分の容量は
非常忙小さく、センナ部分のみでの評価は困難であろう
。

また第７図圧水すような広がりを有しかつコード化され
たセンナ装置は、それぞれの時点に多数の基本単位生起
現象を検出でき、ひいては相関的な評価のために単位時
間肖り多数の情報ヲ供給できるので有利である。このた
めに相関係数ρ８．（τｍ）の値は高くなる。

前述のように、ＰＮ−シーケンスの周期Ｎが増加するＶ
Ｃ，シたがって、コード化されたセンサ装置（第７図参
照）の空間周波数フィルタ曲線（第９図参照）は個々の
センサ（第４図か照）の空間周波数フィルタ曲線（第６
図参照）Ｋ一層良好に近似する。個々のセンサ部分の寸
法が同シ場合、スペクトルの包結線ひいては限界周波数
は変化しないが、スペクトル線の数は増加する。また全
開口ひいては感度ならびに容量形センサの場合の全容量
は増加する。また一般に検出すべき運動方向におけるセ
ンサ装置の長さＡも相応して増加する。このために９１
図に示すように２つのニード化されたセンサ装置を間隔
りで配置すぺぎ場合、スペースの問題が生スることがあ
る。センサの間隔りはそれぞれのセンを装置の中心間の
距離によって与えられるので、最小間隔は略１つのセン
サ装置の全長Ａに相応する。

また第１２図は容量形センサの場合につき、相関的な速
度測定の目的で管路１に沿って設けられた２つのコード
化されたセンサ装置４０と５０を示し、その場合側セン
サ装置の中心間隔りは両センサ装置のそれぞれの全長Ａ
ＩまたはＡ２よりかなり小さい。これは両方のコード化
されたセンサ装置が１交錯配置”されているためである
。このよう忙できるためには、両方のセンサ装置に対し
て前述のように部分的に交錯することができるコード語
を選択すべきである、即ち（運動方向に見て）第１のセ
ンナ装置の終端部忙ある所定数のコード間隙が第２のセ
ンサ装置の始端部にある所定数のコードウェブに合致す
るようなコード語を選択すべきである。この場合“コー
ド間Ｎ″の概念は論理０に対して用いられ、また１コー
ドウエブの概念は論理１に対して用いられる。

第１２図のセンサ装置４０はコード語１０１００１１に
したがって配設されたセンサ部分４１，４２゜４３．４
４を有する。センサ装置５０はコード語１００１０１１
にしたがって配設されたセンサ部分５１．５２．５３．
５４を有する。即ち両方の場合、周期Ｎ＝７を有するＰ
Ｎ＝シーケンスが用いられている。センサ装置４０の、
端部の２つのセンサ部分４３と４４は、センサ装置５０
の第１のセンナ部分５１．５２間の両コード間隙内に設
けられている。

例えば回転対称でない流路部分の場合、偶発的な信号を
すべての方向から導出できるようにするために、処理過
程を複数の方向で観測すべきである。これは前述のコー
ド化されたセンサ装置をセンサ部分に分割して空間的な
広がりを持たせることによって非常に簡単に実現できる
。

その場合連続するセンサ部分を相互九角度をずらして設
ける、即ち動（ゾルセスの周りに巻付けるようにする。

第１３図は斯様の方法を、管路１に沿って設けられた４
つのセンサ部分６１゜６２．６３．６４を有する容量形
センサ装置６０の場合につき示す。すべてのセンサ部分
の両電極は路中シリシダ形の同じ形状を有し、また両電
極間の直径方向の分離面は相互に角度をずらして設けら
れている。このようにして動くゾ四セス過程のすべての
側面から、偶発的な信号を導出することができる。それ
によって例えば管内の流れの入口部分で、電極装置の形
状圧よる影響を減少するかまたはまったくなくすること
ができる。

前述の容量形センナ装置忙つき記載された方法を、超音
波センナとか光学的センサとか熱的センサとか電荷感応
形センサとか導電形センサのような他の形式のセンサに
用いることは、当業者ならば容易になし易ることである
。その場合センナの開口に基づき、その都度運動する過
程の方向に向いた感応面を形成すべきである。

これは光学的センサの場合光線路であり、超音波センサ
の場合は超音波センサに相当する。それぞれのセンサ部
分に開口部分が対応しており、かつセンナ装置の全開口
は開口部分の和によつて与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は管路内を流れる媒体の速度を無接触方式で測定
する装置を示すブロック図、第２図は第１図の管路をＡ
−Ｂ線に沿って切断した断面略図、第３図は第１区の相
関系を用いて得られる相関関数を示す線図、第４図は空
間周波数フィルタ作用の説明のために管路に設けられた
容量形センサの側面図、第５図は第４図のセンサのノ臂
ミス応答を示す線図、第６図は第５図のパルス応答の周
波数スペクトルを示す線図、第７図は本発明による所定
のコードにしたがって設けられた多数のセンサ部分を有
するセンサな示す側面図、第８図は第７図のセンサのパ
ルス応答を示す線図、第９図は第８図のパルス応答の周
波数スペクトルを示す線図、第１０図は周期Ｎ−１５の
２進ＰＮ−シーケンスの例を示す線図、第１１図は第１
θ図のＰＮ−シーケンスの周波数スペクトルを示す線図
、第１２図は本発明による２つの部分的に交錯配置され
たコード化センサ装置を示す側面図、第１３図は本発明
によるセンサ部分を相互に角度をずらして配置して構成
したコード化センナの側面図である。 ｌ・・・管路、２，３・・・センサ、４．５・・・容量
／電圧−変換器、６・・・相関器、７・・・評価装置、
２０・・・容量形センサ、４０．５０・・・センサ装置
、６０・・・容量形センサ装置、２１，２２，２３．２
４゜４１．４２．４３．４４，５１，５２，５３゜５４
．６１，６２．６３．６４・・・センサ部分、２５．２
６．２７・・・間隙

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、動くプロセスの特性量に対して感応する全開口を有
   し、センサとは相対的に動くプロセスから相関信号処理
   に用いられる偶発的な信号を検出するセンナ装置におい
   て、全開口を開口部分く分割し、前記開口部分は動くプ
   ロセスの特性量化対して感応しない間隙を間に挟んで、
   所望の空間周波数フィルタ作用に依存して選択されたコ
   ードにしたがって運動方向に配置されていることを特徴
   とするセンサ装置。 ２　開口部分は検出すべき動くプロセスの周りに相互に
   角度をずらして設けられている特許請求の範囲第１項記
   載のセンナ装置。 ３、　開口部分は容量形センサの相応して分割された電
   極によって構成されている特許請求の範囲第１項記載の
   センサ装置。 ４、　開口部分は超音波形センサの相応して分割された
   送信−／受信振動子によって構成されている特許請求の
   範囲第１項記載のセンサ装置。 ＆　開口部分は光学的センサ系の相応して分割された送
   信−／受信面によって構成されている特許請求の範囲第
   １項記載のセンサ装置。 ＆　開口部分は熱的センサ系の相応して分割された感知
   部分によって構成されている特許請求の範囲第１項記載
   のセンサ装置。 ７、　開口部分は導電形センサの相応して分割された電
   極によって構成されている特許請求の範囲第１項記載の
   センナ装置。 ＆　開口部分は電荷形センサの相応して分割された電極
   によって構成されている特許請求の範囲第１項記載のセ
   ンナ装置。 ９．２進のＰＮ−シーケンスに応じてコーＰ化されてい
   る特許請求の範囲第１項記載の七ンサ装置。