JPS62228126A

JPS62228126A - 気体圧力計

Info

Publication number: JPS62228126A
Application number: JP61071861A
Authority: JP
Inventors: Naohiko Maruno; 尚彦丸野; Shoichi Abe; 正一阿部; Tetsuo Ogawa; 哲夫小川
Original assignee: Nagano Keiki Seisakusho KK
Current assignee: Nagano Keiki Seisakusho KK
Priority date: 1986-03-28
Filing date: 1986-03-28
Publication date: 1987-10-07
Anticipated expiration: 2009-11-14
Also published as: DE3676190D1; EP0238746B1; US4684842A; JPH0690101B2; EP0238746A2; EP0238746A3

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】〔産業上の利用分野〕本発明は水晶振動子を用いた気体圧力計に関する。

〔従来技術及びその問題点〕

特定種類の気体の圧力と、その気体中に配した水晶振動
子の直列共振状態におけるインピーダンスは一定の相関
関係を示すことが知られている。

このため、予め気体の圧力値と水晶振動子のインピーダ
ンス値の関係を求めておけば組成の明らかな気体の圧力
を水晶振動子のインピーダンス値から知ることができ、
かかる原理に基づく気体圧力計も実用化されている。

ところで、一般に水晶振動子のインピーダンス値を知る
ためには発振回路を用いて水晶振動子に交流信号を印加
する必要があり、通常このような発振回路として自励発
振方式と他励発振方式が用いられている。

自動発振方式は時計等の分野で広く用いられているよう
に、専ら精密な周波数発振を目的とし、本発明の対象と
なる気体圧力計のように気体の圧力変化に対応して直列
共振状態にある水晶振動子のインピーダンスを定量的、
かつ高精度に求めることができない。したがって、自励
発振方式を用いた最適な気体圧力計は今だ実用化される
に至っていない。

このような実情から従来の気体圧力計としては主に他励
発振方式が用いられている。最も簡単な気体圧力計とし
ては測定子である水晶振動子に、周波数調整器から発振
した直列共振周波数の交流電圧を印加し、水晶振動子に
流れる気体圧力に対応した大きさの電流を計測するとと
もに、電流電圧変換回路、検波回路を経て圧力表示する
基本的原理を用いたものが知られている。しかし、水晶
振動子は気体の圧力変化によって共振周波数が変化し、
また個々の水晶振動子における共振周波数のばらつき、
さらには軽微な汚染によっても共振周波数が変化してし
まう性質をもつため、かかる原理に基づく気体圧力計で
は圧力の計測中、常時周波数調整器に対して共振周波数
を探さなければならず実用性に欠ける。

一方、このような不具合を解消した気体圧力計も提案さ
れている（例えば特開昭６０−２０１２２５号公報等）
。この種の気体圧力計はいわば共振周波数に対する自動
追従機能を持たせた方式で、−例を第６図に示す。同図
の圧力計（６０）は入力電圧によって周波数が変化する
周波数制御回路（６２）を水晶振動子（６１）に接続し
て交流電圧を印加するとともに、さらにこの回路（６２
）の出力信号と水晶振動子（６１）の出力側に接続した
電流電圧変換回路（６３）から得る出力信号の位相を比
較する位相比較回路（６４）を設ける。そして、この回
路（６４）の出力電圧をローパスフィルタ（６５）を介
して前記周波数制御回路（６２）に与え、これによって
常に共振周波数に一致した周波数の交流電圧を水晶振動
子に印加するＰＬＬ（フェーズロックドループ）回路を
構成する。この結果、測定中に共振周波数を探しだす煩
わしさは解消でき、この方式による気体圧力計も実用化
されている。なお、（６６）は検波器等を含む表示回路
である。

しかし、このような第６図に示す気体圧力計も次のよう
な問題点がある。即ち、水晶振動子が直列共振するルー
プ内にＰＬＬ回路を含むため、周波数制御回路をもつＰ
ＬＬ回路としての一般的な問題が存在する。例えば水晶
振動子はＱが極めて大きいため、電源投入時には周波数
を掃引して共振周波数を探す必要がある。このため、電
源投入後直ちには動作せず、待ち時間を生じるため迅速
な計測には適さない。しかも、周波数制御回路にはこの
ための特別な技術か必要となる。また、周波数をロック
するため、ある程度の周波数帯域幅が必要となるが、こ
れにより外来ノイズに弱くなるとともに、他方帯域幅を
狭くすると水晶振動子の共振周波数にドリフト等を生じ
た場合には動作（ロック）しなくなる問題を生じる。さ
らにまた、ローパスフィルタを用いるため、この時定数
により測定圧力の時間的変化に対する応答遅れを生じる
。なお、この場合時定数を小さくすると外来ノイズに弱
くなってしまう。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上述した従来技術に存在する諸問題を解決した
新規な気体圧力計の提供を目的とするもので、以下に示
す気体圧力計によって達成される。

即ち、本発明に係る気体圧力計（１）は水晶振動子を取
り外せば原理的に発振しない自励発振方式のループ回路
を構成したもので、この点において水晶振動子を取り外
しても発振を継続する他励発振方式とは本質的に原理を
異にする。本気体圧力計（１）における回路要素は入力
する交流信号に対応し、かつ振幅を一定にした定電圧交
流信号（ｖｏ）を水晶振動子（２）に供給する電圧安定
化手段（３）と、当該水晶振動子（２）の出力交流電流
（＋、）を電圧に変換する電流電圧変換（以下、■変換
と略記する）手段（４）と、当該手段（４）からの出力
信号（Ｖυに対し共振状態で水晶振動子（２）のインピ
ーダンス値を最小又はその近傍にする移相量を設定し、
この位相設定された交流信号（Ｖ、）を上述した電圧安
定化手段（３）へ供給する移相手段（６）により自励発
振のためのループ回路を構成する。またＶ変換手段（４
）の出力信号（Ｖ、）を気体圧力に対応させて外部へ出
力する出力手段（５）を備えて測定機能部を構成する。

〔作　　用〕

次に、本発明の作用について説明する。

本発明に係る気体圧力計は極めて大きなＱをもつ水晶振
動子を発振ループ内に含む自励発振回路を構成する。

発振条件は移相手段（６）の移相ｍを設定することによ
り電気的直列共振周波数近傍で発振する位相条件を満た
し、また、電圧安定化手段（３）のゲイン調整機能によ
りゲイン条件を満たす。

この上うな自励発振ループによって常に定電圧交流信号
（Ｖ、）が水晶振動子（２）に供給され、水晶発振子（
２）は電気的直列共振周波数近傍で発振し、かつ気体圧
力に対応したインピーダンス値となる。

したがって、水晶振動子（２）を流れる交流電流（＋、
）を電圧変換するＶ変換手段（４）の出力信号（Ｖ、）
には気体圧力の大きさに対応した振幅をもつ交流信号を
得る。よって例えば表示機能を持たせた出力手段（５）
により気体圧力を知ることができる。

〔実　施　例〕

以下には、本発明に係る好適な実施例を図面に基づき詳
細に説明する。第１図は本発明に係る気体圧力計のブロ
ック回路図、第２図は第１図中容部における信号のタイ
ムチャート図、第３図は水晶振動子の位相対インピーダ
ンス特性図である。

まず、第１図及び第２図を参照して気体圧力計（１）の
ブロック構成と機能について説明する。

（２）は圧力測定子となる水晶振動子である。この水晶
振動子（２）には面記電圧安定化手段（３）を接続する
。電圧安定化手段（３）は交流定電圧駆動回路（１１）
と極性判別回路（１２）から構成する。定電圧駆動回路
（１１）は第２図（ａ）に示す振幅を一定にした矩形波
である定電圧交流信号（ＶＯ）を当該水晶振動子（２）
に付与する。また、判別回路（１２）は大刀信号、つま
り移相手段（６）を構成する移相器（１３）がら供給さ
れる第２図（ｄ）に示す交流信号（Ｖ、）の極性を判別
しこの極性に対応して上記定電圧交流信号（ｖｏ）の極
性を切り換えるトリガ機能をもつ。なお、判別回路（１
２）の出力信号（ｖ３）はその大刀信号の大きさには関
係せず極性のみに対応する第２図（ｅ）に示す矩形波と
なる。一方、水晶発振子（２）の出力側には水晶発振子
（２）に流れる第２図（ｂ）に示す正弦波状の交流電流
（Ｉ、）を電圧変換して取り出すＶ変換回路（Ｉ４）を
接続する。この回路（Ｉ４）の出力信号（Ｖ、）を第２
図（ｃ）に示す。また回路（１４）の出力側には移相器
（１３）を接続する。この移相器（１３）は当該Ｖ変換
回路（１４）の出力信号（■、）に対し後述する条件に
従って位相を「φＳ」だけ移相させる機能を有する。こ
の移相器（１３）は上記極性判別回路（１２）に接続し
、「φｓＪだけ移相した第２図（ｄ）に示す交流信号＜
ｖ、’＞を同回路（Ｉ２）に供給する。

以上で自励発振のためのループ回路を構成する。

一方、■変換回路（１４）の出力側にはさらに出力手段
（５）を構成する交流直流変換回路（以下、Ｄ変換回路
と略記する）（１６）と表示器（１７）を接続する。

上記回路（１４）の出力信号（Ｖ、）は水晶振動子（２
）のインピーダンス値、つまり気体圧力の大きさに対応
（インピーダンス値に反比例）した振幅をもつ正弦波状
交流出力である。したがって、当該信号（ｖｌ）をＤ変
換回路（１６）により全波整流等することによって直流
化し、対応した表示目盛をもつメータ等の表示器（１７
）で気体圧力の表示を行うことができる。

このような出力手段（５）は任意であり、例えば、プリ
ンタ等で記録する形式、さらには肪記信号（Ｙ、）又は
Ｄ変換回路（１６）の出力を他のアクチュエータの制御
用信号として直接利用する形式であってもよい。

次に、第１図における自励発振ループの発振条件につい
て説明する。

まず、位相条件は次のようになる。今、水晶振動子（２
）による位相遅れを「φＣコ、■変換回路（１４）によ
る位相遅れを「φ１」、極性判別回路（１２）の位相遅
れを［φｔｏＪ、交流定電圧駆動回路（１１）の位相遅
れを「φ７．」とし、ざらに移相器（１３）に設定され
た移相量を「φＳ」とすると次の（１）式が成立する。

φＣ＋φ１＋φ、＋φｓ＝０　　　　　　・・・（１）
但し、φ２＝φ２ｏ＋φ２＋また、移相器（Ｉ３）を除いた回路の位相遅れの総和を
水晶振動子（２）の共振周波数付近において、１φ１＋
φ、十φｓ）＜＜９０°　　　・・・（ＩＩ）となるよ
うに移相器（１３）の「φＳ」を設定すれば上記（１）
式、（■）式からＩφＣｌ　＜　＜　９０゜となり、電気的直列共振周波数近傍で発振させるための
水晶振動子（２）の位相条件が満たされる。

一方、ゲイン条件は次のようになる。極性判別回路（１
２）はその入力信号の極性のみに応答し、また交流定電
圧駆動回路（１１）は常に一定振幅の交流電圧を出力す
るから発振の立ち上がり時のループゲインをＧｓとする
と、Ｇｓ＞＞１また、定常状態に至ったときのループゲインをＧｃとす
ると、Ｇｃ＝１となるゲイン条件が交流定電圧駆動回路（１１）及び極
性判別回路（１２）のもつゲイン調整機能によって満た
される。

このように、本回路では自励発振ループを構成し、かつ
電気的共振周波数の近傍で発振するため、発振は電源投
入後直ちに開始する。また、水晶振動子（２）の直列共
振周波数に多少変化を生じても位相条件にほとんど影響
を与えず安定に発振を継続する。

また、自励発振ループには極めて大きいＱをもつ水晶振
動子を含むため、外来ノイズによる発振周波数変動が生
じに＜＜、シかも共振周波数の変動に伴う水晶振動子（
２）のインピーダンス値の変動を最少にすることができ
る。

さらにまた、水晶振動子（２）における位相「φＣ」対
インピーダンス特性は圧力が０〜１０００丁ｏｒｒの範
囲において第３図のようになる。同図から明らかなよう
にθ〜−３０°の位相範囲においては最小となるインピ
ーダンス値に対応する位相「φｃＩｍ」が存在するため
、移相器（１３）の移相ｍ「φＳ」の関係をφ５＝−（
φＣｌ１ｌ＋φ１＋φ２）に設定すれば水晶振動子（２）を除く回路内の位相遅れ
ｍに経時変化、温度変化、外乱ノイズ等が生じてもイン
ピーダンス値の変動を極少にでき、格段と安定性を向上
させることができる。なお、このような諸効果は共振状
態でインピーダンス値が最小又はその近傍となるように
移相器（１３）の移相量「φＳ」を設定することにより
得、ここに「その近傍」とは上述した「θ〜−３０°の
位相範囲のインピーダンス値」であるということができ
る。

第４図には本発明に係る気体圧力計（１）をさらに具体
化した電気回路図を示す。なお、同図において第１図と
同一部分には同一符号を付し、その構成を明確にした。

また、第１図中容部における信号のタイムチャートを示
した第２図を第４図に示す実施例回路のタイムチャート
ととして用いる場合には第２図（ｃ）、（ｄ）の波形を
１８０°反転させればよい。

交流定電圧駆動回路（１１）は正及び負の定電圧（＋Ｒ
ＥＦ）及び（−ＲＥＦ）を、インバータ（３１）、（３
２）を介して制御されるアナログスイッチ（３３）、（
３４）のスイッチイングで定電圧交流信号を得る。極性
判別回路（１２）は一方の入力を零レベルにしたコンパ
レータ（３５）を利用し、この出力を上記インバータに
供給している。また、オペアンプ（３６）と抵抗（３７
）によって■変換回路（１４）を構成し、さらにコンデ
ンサ（３８）と抵抗（３９）を利用したＣＲ回路によっ
て移相器（１３）を構成している。このように、本発明
に係る気体圧力計（１）は前述のように飛躍的な特性向
上を図れると同時に回路を極めて簡略化でき、製作容易
で安価に提供できる。

次に、本発明に係る他の実施例について説明する。第５
図は同実施例に係る気体圧力計のブロック回路図を示す
。なお、同図において第１図と同一部分には同一符号を
付しその構成を明確にするとともに、その詳細な説明は
省略する。第５図に示した気体圧力計（５０）は第１図
に示した実施例に対し、ざらにＤ変換回路（１６）の出
力信号（ｖ４）を移相器（１３）に付与し、同出力信号
（Ｙ４）によって移相器（１３）の移相量「φＳ」を可
変調整するようにした′ものである。これにより当該移
相ｍ「φＳ」をより高精度に設定できる。

さらにまた、他の実施例としては図示しないが水晶振動
子（２）の位相「φＣ」の監視手段等を設けることによ
って上記移相ｍ「φＳ」を可変調整できるようにしても
よい。これら各実施例は水晶振動子（２）のインピーダ
ンス変化に対しより安定かつ精度よく追従できる。

以上、実施例について詳細に説明したが本発明はこのよ
うな実施例に限定されるものではない。

例えばブロック回路における各ブロックは同一の機能を
もつ他の電気回路で置換できる。また、温度補正回路等
の他の任意付属回路（手段）が付加された構成であって
もよい。その他線部の構成、配列等において本発明の精
神を逸脱しない範囲において任意に変更実施できる。

〔発明の効果〕

このように、本発明に係る気体圧力計は入力する交流信
号に対応し、かつ振幅を一定にした定電圧交流信号を水
晶振動子に付与する電圧安定化手段、及び最適な移相量
を設定する移相手段等を備えて自励発振方式によるルー
プ回路を構成するため、次のような著効を得る。

■　他励発振方式の気体圧力計のもつ諸欠点を総て解消
できる。例えば、本発明に係る気体圧力計は電源投入後
直ちに動作するため、待ち時間が不要となり、迅速な測
定が可能となる。また、ローパスフィルタ等の回路部品
を用いないため、高応答性を図ることができる。

■　移相手段によって最適な位相条件を設定できるため
、電気的直列共振周波数付近で確実に発振させることが
できる。この結果インピーダンスの変動を極少にするこ
とができるとともに、外来ノイズや温度ドリフト等の外
乱に強くなり、安定性を飛躍的に高めることができる。

■　回路構成を単純化でき、コストダウン、小型軽量化
を達成できるとともに、信頼性もより向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図二本発明に係る気体圧力計のブロック回路図、第２図：第１図中容部における信号のタイムチャート図
、第３図：水晶振動子の位相対インピーダンス特性図、第４図：同気体圧力計の具体的回路例を示す電気回路図
、第５図二本発明の他の実施例に係る気体圧力計のブロッ
ク回路図、第６図：従来例に係る気体圧力計のブロック回路図。尚図面中、

Claims

【特許請求の範囲】

気体中に配した水晶振動子のインピーダンス値から当該
気体の圧力を測定する気体圧力計において、入力する交
流信号に対応し、かつ振幅を一定にした定電圧交流信号
を水晶振動子に供給する電圧安定化手段と、前記水晶振
動子からの出力交流電流を電圧に変換する電流電圧変換
手段と、前記電流電圧変換手段の出力信号に対し共振状
態で水晶振動子のインピーダンス値を最小またはその近
傍にする移相量を設定して前記電圧安定化手段に供給す
る移相手段と、前記電流電圧変換手段の出力信号を気体
の圧力に対応させて外部へ出力する出力手段とを備えて
なることを特徴とする気体圧力計。