JPS6013452B2 - 温度検知装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、一般に温度検知装置、特に音響式温度検知
装置に関するものである。

工業用装置の動作時、装置自体の内部の各所での温度を
知ることがいよいよ望ましい。

この温度検知を行なうための簡単な一方法は、種々の所
望個所に置かれ得るサーミスタを使用することである。
サーミス外ま各所での局部温度を示す出力信号をそれぞ
れ供繋舎し、そしてこれらの出力信号は情報を利用する
ための中央制御所ヘリード線を通して伝送される。或る
種の装置例えば高圧パワー・トランスでは、サーミスタ
およびトランス蟹に至るリード線を用いることは望まし
くない。

そこで、トランス壁に至るリード線には低圧信号を用い
る必要があったが、このような必要性をなくするために
、無線伝送ユニットが組み込まれた温度センサが提案さ
れた。

この温度センサは温度に応じて変化する周波数決定素子
を含み、そしてタンク肇にある受信器はセンサ近くの温
度を示す送信々号を受ける。トランスの種々の点は、そ
れぞれ異なる周波数で作動する種々のセンサを用いて監
視できる。無線伝送センサの価格は超高信頼性が要求さ
れるので極端に高くなり、そして多くのトランスでは無
線伝送センサに適正動作をさせる必要がある維持費は馬
鹿にならない。

この発明の目的は、高圧トランスに特に有用であり、ト
ランス・タンク内の検知手段が受動部品であり、そして
トランスのタンク壁へのどんな金属接続も要さない温度
検知装置を提供することである。

この発明は、従って、広義には、音響導波管へ結合され
た送信機と、前記音響導波管へ結合された温度検知手段
と、動作時前記音響導波管へ結合された受信機とを備え
た温度検知装置において、各々異なる周波数で共振する
複数個の共振子を含む共振子手段と、各共振子を前記音
響導波管へ結合するための結合横体とを設けたことを特
徴とする温度検知装置にある。

この発明の望ましい一実施例を、以下添付図面について
説明する。

第１図は、電気的相似性を利用してこの発明の電気機械
式温度検知装置の動作原理を基本的に例示するのに役立
つ。

第１図において、伝送線路１０は直列接続された複数の
ＬＣ共振回路１２，１３および１４を含み、各ＬＣ共振
回路はそれぞれ周波数ｆ，，ｆ２，もで共振する。信号
発生器１８は、周波数ｆ，，ｆ２，およびｆ３を含む信
号を伝送線路１０へ、Ｔ／Ｒ（送信／受信）切換えスイ
ッチ２０を通して供給する。伝送線路の他端は特性イン
ピーダンス２２で終機される。この特性インピーダンス
は伝送されてきたどの周波数も反射しないようにする。
ＬＣ共振回路１２は周波数ｆ，の信号に対して極端に高
いインピーダンスを呈する。

従って、周波数ｆ，の信号は反射されて伝送線路をさか
上りかつ検出器２４で検出され得るが、その他の周波数
の信号は全部伝送線路を伝送し続ける。同様に、ＬＣ共
振回路１ ３は周波数ｆ２の信号を反射するがその他の
周波数の信号を全部通過させ、そしてＬＣ共振回路１４
は周波数ｆ３の信号を反射する。この発明は、ＬＣ共振
回路を使用せず、むしろ機械的な共振子を使用する。そ
のような共振子としての望ましい一例が第２Ａおよび２
Ｂ図に示されている。機械的な共振子は、たわみモード
形のものであってその一例はアルミニウムまたはチタン
のような高熱伝導性金属で作られたたわみモード円板２
６を含む。この円板２６と一体の支持手段は、高熱伝導
性円柱の形態をとり、無損失の接着材で円板２６に接着
される。振動たわみ動作モード時、円板２６は、これを
４つの等しい４分円に分ける第１および第２の交点直径
３２および３３を含む。

従って、２つの正４分円は或る方向で半径方向に同時に
突出するが、２つの負４分円は反射の方向に突出する。
８Ｕな半円の場合には、４分円はその方向が互に逆であ
る。

このような円板は周知でありかつこ）でも参照する米国
特許第３，３１８，１５２号明細書にもっと詳しく説明
されている。共振子の構成は極端に高いＱ（例えば数万
位）を呈するようなものであり、そして共振周波数は温
度の関数である。

共振子の共振周波数は下記のように定義できる。ｆｒ：
。

・２透ノ申７ただしト ｆｒ＝共振周波数（Ｈｚ） ｔ＝円板の厚み（弧） ｒ＝円板の半径（伽） ｐ；質量密度（多／ｃｃ） Ｙ＝ヤング率（ダイン／地） 。

＝ポワソン比である。

この発明は、温度を測定すべき様々な装置に使用される
が、トランスのタンク内の各所での温度を測定するため
の高圧トランス装置と一緒に使用するのに特によく適し
ている。

第３図は、トランス壁３６の一部を、トランスの内部と
一緒に示す。

トランスの内部には、一点鎖線３８内に示されかつトラ
ンス油の中につけられるトランス機器（巻線など）が含
まれる。ートランス機器全体を通して巻線の各所に複数
個のセンサＳ，，Ｓ２，Ｓ３……Ｓｎが配置され、各セ
ンサは第２Ａ図に示したような機械的な共振子を含みか
つ音響導波管４２へ結合される。この音響導波管の遠端
は音響終端部４４で終端される。信号源５０は、その一
実施例では、センサが共振する種々の周波数を含む出力
雑音信号（ホワイト雑音）を供給する。この信号は、方
向性結合器６２で対応する音響信号に変換された後、音
響導波管４２へ印加される。方向性結合器５２は、反射
されて戻って来た信号を検出回路装置へ送ることにより
、Ｔ／Ｒ切換えスイッチと同様な作用をする。

検出回路装置は複数のロックオン回路Ｌ，ないしＬｎを
含み、各ロックオン回路は戻って来た信号の各予期周波
数に応答する。各ロックオン回路は、特定の共振周波数
（土或る周波数変化分：これは温度変動による）を検出
するように構成かつ配謝される。従って、各ロックオン
回路からの出力信号は、特定のセンサと関連した周波数
であり、かっこの特定のセンサの受ける温度を示す。サ
ンプル・スイッチ５６は、ロックオン回路の出力を走査
するように作動でき、かつ各温度指示出力をカゥンタ回
路６８へ逐次供給する。

このカウンタ回路５８の出力信号はスケーラ回路６０へ
供孫旨され、こ）で特定の計数のための等価温度が導出
される。たいていの場合、特定のセンサの温度は印刷回
路６２で視覚表示値として提供される。もちろん、供給
された他のどんな信号も、温度に依存した負荷のような
項目を決定するために電算機と一緒に利用できる。これ
は、例えば、トランスの使用をもっと経済的にかつ安全
にすることができ、負荷の既知の経歴によってトランス
巻線の絶縁物の残りの熱的寿命を評価し、或はもっと一
様な温度分布を提供するためにコイル冷却効果の可能な
再設計に役立つ。−第４図は第３図のセンサ・アレイの
うちの代表的な１個のセンサＳを示し、これは第２Ａ図
のようなたわみモード円板式共振子を利用する。

この共振子はハウジング７０で周囲の油から保護される
。このハウジング７０はその一部を切り欠いて示し、端
部が円柱２８および２９を支える。音響導波管４２は複
数本の非金属フアイバ７２で作られる。この非金属フア
ィバの一例は、フアィバ光学系に普通に使用されるガラ
ス・フアィバである。非金属フアィバ７２は、プラスチ
ック・チューブのような或る種のしなやかな材料で作ら
れたジャケット７４の中にきつく包まれる。ハウジング
７０の内部には、音響信号および音響導波管を共振子へ
結合するための手段が設けられる。音響不整合その結果
反射を最小にするように、ハウジング７０の内側で、非
金属フアイバ７２は、例えばェポキシにより、ガラス・
フアイバ東と同様な音響インピーダンスを有する材料の
板７６へ接続される。このような材料の一例はガラスで
ある。音響導波管は続くが、ガラス・フアィバは板７６
の他側へくっつけられる。音響伝送線路は、これを周波
数オフ共振から効果的に減結合（ｄｅｃｏｕｐｌｅ）す
るしなやかな部材７８によって円板２６へ結合される。
共振状態に近い状態で或る周波数が存在し、そのために
円板は動的質量ＩＪァクタンスを有する。このリアクタ
ンスはしなやかな部材７８と共振して、特定の共振状態
で伝送線路に対してインピーダンスを非常に高くし従っ
てこの周波数で反射させる。しなやかな都村７８は、ア
ルミニウムで作られた単なるリード線でよく、かつ板７
６と円板２６の両方へ接着される。第５図は、ホワイト
雑音源を利用して伝送された音響信号の周波数スペクト
ルを示す。このような信号に応答してセンサは第６図に
示すような周波数スペクトルを反射する。第６図から明
らかなように、ｎ個のセンサのそれぞれの共振周波数を
表わす周波数ｆ，，ｆ２，ｆ３・・・・・・ｆｎで振幅
はピークに達する。正常な動作中、これらのピーク値は
矢印で示すような或る範囲に亘って少し動き得る。これ
は、温度の変化を示す。そしてたわみモード円板式共振
子は共振周波数の範囲と範囲を適切に分離するように構
成される。各ピーク値の位置はそれぞれのセンサの温度
の関数であり、そして各ピーク値の幅はそれぞれの共振
子のＱの関数であり、Ｑが高くなればなる程ピーク値が
狭くなり従ってＱが非常に高い共振子が望ましくなる。
第７図は、こ）で利用できる方向性結合器の一実施例を
示す。この方向性結合器５２は、信号源５０からホワイ
ト雑音を受けて音響信号を供給する送信用トランスジュ
ーサ８０を含む。この目的に役立つトランジューサの一
例は、先端部、尾端部および中間の電動発電部を有する
トンピルズ（Ｔｏｎｐｉｌｚ）トランスジューサである
。韓射部材（トンピルズの場合は先端部）はアルミニウ
ムのような堅いパイプ８２へ結合され、次いでこのパイ
プ８２はピエゾーセラミツク・トランスジユーサのよう
な力センサ８４へ結合される。この力センサ８４の池側
へ接続された堅いパイプ８６は方向性結合器の板８８に
終り、この板８８には音響導波管４２が接続される。

この音響導波管４２は非金属フアイバ例えばガラス・フ
アィバ７２を有する。パイプ８６を取り巻きかつこれに
接続されたのは圧電加速度計９０である。この圧電加速
度計９０はせん断モードで作動してパイプ８６中の音波
の加速度に比例する信号を導出する。第７図の方向性結
合器の動作原理は、力を電圧にそして速度を電流に対応
させた場合の電気的相似性を考えることにより、簡単に
理解できる。

信号が左から右へ進むためには、ｕ＝ｆノＲ。

ただし、ｕは速度であり、ｆは力であり、そしてＲ。

は機械的な特性インピーダンスである。力センサ８４は
増幅器１００と一緒になって力に比例しかつ第７図にｋ
，ｆと表わされる電圧を供給する。圧電加速度計９０は
加速度信号を供給し、この加速度信号は積分器９４およ
び増幅器９８と−−緒になって音響信号の速度に比例し
た電圧ｋ２ｕを供給する。音響導波管は、増幅器１００
と９８の利得がｋ，ｆ＝ｋ２ｕとなるように調節できる
如く特性インピーダンスで終端される音響終端等価物を
有する。従って、加算回路９６の出力はｋ，ｆ−ｋ２ｕ
＝０である。よって、送信用トランスジューサ８０から
音響導波管およびセンサへ走行する音響信号に応答する
出力信号は無い。電気的相似性は第８Ａ図に示され、こ
）で信号発生器１０２は送信される音響信号の信号源を
表わし、抵抗Ｒは或る種の内部抵抗である。この回路は
、特性インピーダンスすなわち抵抗Ｒ。を含み、更にト
ランス１０４および変流器１０６を含む。この変流器１
０６の巻線の両端間には抵抗Ｒｃが接続される。変流器
１０６とトランス１０４の２次巻線とは直列に接続され
かつ出力端子１０８へ穣銃される。もしｅ，が信号発生
器１０２の電圧であるならば、流れる電流ｉは、．
ｅ， １＝耳口支 に等しい。

一例として、ｅ，が１００ボルトでＲおよびＲ。が共に
５０オームであるとすれば、電流は１アンペアである。
もし変流器１０６を調節して１アンペアの電流で１ボル
トの電圧ｅａを出力しそしてトランス１０４が１次側で
の５０ボルトの電圧で２次側に１ボルトの電圧ｅｂを出
力するならば、電流センサからの電圧は１ボルトであり
そして電圧センサからの電圧も１ボルトであって、出力
端子１０８での出力は１−１＝０になる。第８Ｂ図にお
いて、両センサから反射されて釆た信号は、別な信号源
として扱われかつ電圧発生器１１０で示される。一例と
して、電圧発生器１１０の電圧ｅ２が２５ボルトである
とすれば、電流は２５÷１００＝０．２５アンペアとな
り、そしてトランス１０４の１次巻線の両端間の電圧は
ｅ２−Ｒ。の電圧降下＝１２．５ボルトに等しくなる。
トランス１０４の変圧比が５０：１であるので、トラン
ス１０４の２次電圧は１２．５ボルトの１／５０すなわ
ち０．２５ボルトである。この回路の電流が０．２５ア
ンペアであるので、変流器１０６によって生じられる電
圧は０．２５ボルトであり、そして出力端子１０８に現
われる全軍圧は今度は加算される。その理由は電流の方
向が変ったからである。従って「全電圧は０．２５十０
．２５＝０．５ボルトである。都合によりＲとＲ。

の値は等しく選んだことに注目されたい。しかし、たと
え値を違えても処理の仕方は同じでありそして結果も同
じである。例えば、Ｒが２５オームでＲ。が５０オーム
であるとすれば、第８Ａ図での電流は１００÷７５＝１
．３３アンペアであり、そしてトランス１０４の１次電
圧は１．３３×５０＝６６．６６７ボルトである。２次
電圧は６６．６６７ボルトの１′５０すなわち１．３３
ボルトになる。

電流センサの比が１：１であるので、電流センサによっ
て生じられる電圧も１．３３ボルトであり、そして差は
矢張り０である。もう一度第７図に戻って、圧電加速度
計９０が加速度に比例する信号を供給するので、この加
速度信号から速度に比例した信号を導出するために積分
器９４が設けられる。

この速度信号は増幅器９８で増幅された後加算回路９６
へ供給され、他方力センサ８４からの力信号は増幅器１
００で増幅された後加算回路９６へ供Ｖ給される。増幅
器９８からの速度信号は第８Ａ図および８８図の電圧ｅ
ａに似ており、そして増幅器１００からの力信号は電圧
ｅｂに似ている。両増幅器の相対利得を適当に調節する
ことにより、加算回路９６の出力は、圧電加速度計９０
が送信々号によって第１の方向に加速される時事実上ゼ
ロになされ、かつ圧電加速度計９０が種々の共振子から
反射されて音響導波管をさか上って釆た音響エネルギー
によって反射の方向に加速される時マルチ周波数出力信
号になされ得る。第９図は、第３図の代表的なロックオ
ン回路Ｌをもう少し詳しく示す図である。

種々の共振子から反射されかつ加算回路９６（第Ｔ図）
から供鼓会されたような信号はまず帯域フィル夕（ＢＰ
Ｆ）１１２へ供給され、特定のセンサの所定帯域の共振
周波数に対応する或る所定帯城の周波数だけが通過させ
られる。この信号は位相比較回路１１４へ供総合される
。この位相比較回路１ １４への別な入力は、出力信号
を供給するように作動できる電圧制御発振器（ＶＣＯ）
１１６から供給される。もしＶＣＯの出力周波数と入力
信号の周波数が同じならば、位相比較回路１１４は出力
補正信号を供給しない。もし同じでないならば、位相比
較回路１ １４は出力信号を供給し、この世力信号はフ
ィルタ回路１１８でろ波されてＶＣＯのための直流制御
信号となり、この直流制御信号はＶＣＯの出力周波数と
入力信号の周波数とが一致するまで出力周波数を調節す
る。このような動作は、当業者によく知られており、か
つ“位相ロックループ”という言葉で表現される。従っ
て、ライン１１０におけるＶＣＯ出力は入力信号の周波
数に等しくかつその周波数は特定のセンサの温度を表わ
す。第３図に示された温度検知装置によってサンプリン
グされかつ処理されるのは、ライン１１０におけるこの
信号である。第９図に示した回路は唯一のロックオン回
路を表わすにすぎず、かつ他の同様な回路はマルチセン
サ・アレイ中に通常設けられることに注目されたい。な
お、他の同様な回礎は、異なる帯域特性および異なるＶ
ＣＯ周波数帯域を有する。エネルギーが反射されて音響
導波管をさか上って来る時の動作が予測されるので、音
響導波管の途端で音響不整合が起らないことが重要であ
る。

音響不整合は、種々の周波数の信号を温度検知装置へ反
射させ従って間違った読取りを行なわせることになる。
音響不整合を防止するために、第１０図に示すような音
響終端部４４を有する音響導波管が提供される。音響終
端部４４は、プラスチックまたはセラミックのような非
金属材料で作られたハウジング１２０を含む。音響導波
管４２のジャケット７４はハウジング１２０の孔を貫通
しかつハウジング１２０へ緊着される。非金属フアイバ
７２は、例えばブチル・ゴムのような吸音材料を収める
ハウジング１２０の中へ通される。第５図は、第３図の
信号源５０‘こよって生じられた雑音信号を示し、かつ
使用した全部の共振子の動作周波数範囲を示す。変形例
として、信号源５０は第１１図に示すような信号を供繋
篭してもよい。第１１図において、縦軸は周波数を、そ
して機軸は時間を表わす。基本的には、信号線は周波数
が時間の関数として変化する信号を供給するように設計
され、周波数帯域は使用した個々の共振子の動作周波数
に応じて選ばれる。従って、第１１図の信号に対し、第
１２図に示すように振幅が時間の関数であるエコーが受
信される。４個の共振子を使用する袋層では、反射され
た共振周波数は図示のように逐次供給され、そして前述
したのと同様なロックオン回路は反射されて来来た信号
を適切に解釈するために設けられ得る。

第３図の実施例では、方向性結合器からの、或は方向性
結合器への音響信号は、センサ・アレイからトランス肇
まで延出する音響導波管によった。

第１３図は、この接続を不要にする変形例を示す。第１
３図において、方向性結合器１２５は、トランス壁１２
８へ接続された送受青器１２６へ接続される。音響エネ
ルギーはトランス油４０を通って別な送受音器１３０ま
で伝播する。この別な送受音器１３０は、発射される音
響エネルギーをセンサ・アレイＳ，，Ｓ２……Ｓｎへ供
給する。センサ・アレイは第３図のように直列に接続で
きるが、第１３図の変形例ではセンサＳ，〜Ｓｎは並列
に接続されて発射される音響信号を同時受信する。

各センサは前述した音響導波管によって別な送受音器１
３０へ接続され、各音響導波管は第１０図のような音響
終端部をそれぞれ有する。それぞれのセンサからの反射
音響信号はそれぞれの音響導波管を通じて別な送受音器
１３０へ戻され、この別な送受音器１３川ま信号を送受
音器１２６へトランス油を通じて伝送し、この送受音器
１２６で信号が検出かつ処理される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の電気機械式温度検知装置の電気的相
似性を表わす回路図、第２Ａ図はたわみモード共振子の
斜視図、第２Ｂ図はたわみモード共振子の正面図、第３
図は温度検知装置を高圧トランスと一緒に示すブロック
図、第４図はセンサを一部切り欠いて示す斜視図、第５
図は第３図の信号源の周波数スペクトルを示す図、第６
図は第３図の音響導波管を通して反射されて釆た信号の
周波数スペクトルを示す図、第７図は第３図の温度検知
装置の一部をもっと詳しく示す図、第８Ａ図および８Ｂ
図は第３図の方向性結合器の動作原理を例示する電気回
路図、第９図は第３図のロックオン回路をもっと詳しく
示すブロック図、第１０図は音響導波管およびその終織
部の断面図、第１１図は信号源の別な信号波形図、第１
２図は第１１図の信号源を利用した場合に反射されて音
響導波管をごか上って来た信号を示す波形図、第１３図
は方向性結合器の変形例を示す図である。 ２６は共振子のたわみモード円板、２８および２９は共
振子の円柱、３２および３３は交点直径、４２は音響導
波管、５０は信号源、Ｓはセンサ、７２は非金属フアィ
バ例えばガラス・フアィバである。 ＦＩＧ．１． ＦＩＧ．２Ａ． ＦＩＧ２８ ＦＩＧ．３． ＦＩＧ．４． ＦＩＧ５． ＦＩＧ．６． ＦＩＧ．て ＦＩＧ．８Ａ． ＦＩＧ．８８． ＦＩＧ．９． ＦＩＧ．１３． ＦＩＧ．１０． ＦＩＧ．ｌ１． ＦＩＧ．１２．

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 音響導波管へ結合された送信機と、前記音響導波管
   へ結合された温度検知手段と、動作時前記音響導波管へ
   結合された受信機とを備えた温度検知装置において、各
   々異なる周波数で共振する複数個の共振子を含む共振子
   手段と、各共振子を前記音響導波管へ結合するための結
   合構体とを設けたことを特徴とする温度検知装置。 ２ 各共振子が、２つの交点直径を有する高Ｑ周波数円
   板式共振子である特許請求の範囲第１項記載の温度検知
   装置。 ３ 音響導波管が複数の非金属セクシヨンから成る特許
   請求の範囲第１項または第２項記載の温度検知装置。 ４ 送信機が、各種の周波数の信号を発生しかつ供給す
   るための回路を含む特許請求の範囲第１項記載の温度検
   知装置。