JPS62278415A - 回転する物体の固有振動特性の測定方法および回路装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 産業上の利用分野 本発明は、無接触容量性行程測定を用いて、軸を中心に
回転する長手方向に延びる物体の固有振動特性を測定す
るために、少なくとも２つの測定センサを、各測定電極
と物体間の距離を表わす個々の容量値を受けるように配
設すると共に、上記物体自体がその周囲領域に対し総合
容量を形成するようにして該物体の固有振動特性を測定
する方法並びに該方法を実施するための回路装置に関す
る。特に本発明は、電気的に分離されておって、近似的
に不導体からなる回転する物体における連続的な無接触
変位量測定方法に関する。

従来技術 例えば、真空状態にあって、高速で回転する気体超遠心
分離機の機械的な動創定においては、同時に、多数（１
０ないし３０）の平面で長い回転体の運動を検出する必
要がある。変位量もしくは離間間隔信号の時間的相関は
非常に重要であるので、使用されるすべての測定系は同
時に且つ連続して動作しなければならない。しかしなが
ら、遠心分離機が測定目標物体である場合には、回転体
の大部分を非導電性の材料で構成することができ、全て
の要素（金属部分をも含む）をＪ運転中、基準電位の電
源に通電接続せずに、回転体とそれを受ける収容部もし
くは受容器とが構成する容量だけを介して基準電位に対
する結合を実現できるようにする点で困難に遭遇してい
る。即ち、測定物体による測定信号の相互影響が回避で
きないと言う問題である。

近似的に非導電性である物体における測定は、該物体が
真空内に存在し容量変化を基に動作し得る装置を用いて
のみ甘受し得る費用で実施可能である。例えば、ＤＩＳ
Ａ社の容量性変位量（離間距離）測定装置が知られてい
るが、この装置は、新世代の遠心分離機の開発の当初に
成功裡に用いられたものであった。この装置においては
・行程変動が容量変化として検知され、そして問題の「
変位量もしくは離間間隔容量」は発振器振動回路の構成
要素となっているところから、周波数変調の形態で適尚
な評価回路に供給される。発振器は、ヰないし５　ＭＨ
ｚの周波数領域で動作する。しかしながら、実際の周波
数は排他的に、瞬時的に測定された間隔（変位量）によ
ってのみ決定されるものではなく、測定センサの構造形
態、発振器における構成要素のばらつき、接続ケーブル
の長さおよび位置、測定センサ／同調部／発振器の位置
並びに周囲温度ぶ のような数多の寄生影響成分が重畳されている各測定対
象に対し唯一の測定装置を用いる場合には、短時間測定
であって本来の測定の直前上 に個々の校戒が実施される限りにおいて、測定結果の正
確性に対する上述のような全ての影響因子の影響は極く
僅かで済む。

しかしながら多くの装置を、通電接続はされておもず、
単に容量的に結合されている測定物体に対して用いる場
合には、全ての発振器は、共通の結合容量を構成する回
転体容器を介して互いに影響し合う。発振器が、用いら
れている復調器の伝達帯域幅内に入るような混合信号を
発生する周波数で動作する場合には、これら発振器によ
り、測定物体に起源を有しない出力信号が発生してしま
う。このように、従来の装置においては、一般に誤り情
報を排除することはできない。

更に、現在入手し得る測定装置においては、時定数が長
く、そのため、しばしば、大きな時間消費を伴う事後校
正が必要とされ、そして運転中の遠心分離機での校正に
は大きな危険が結び付く。

発明の目的 本発明の課厘は、構造上寄生的な影響因子を、例えば、
測定結果に対する測定装置の相互間の影響し合いにより
、総合的に良好な長期間安定特性並びに高い感度を有す
る変位量測定系が得らｉるように小さく保持することが
できるように構成された冒頭に述べた方法および該方法
を実施するための装置を提供することにある。

従って、特に、非導電性材料から形成され、動作中、単
に回転体／受容器間の結合容量を介してのみ基準電位源
に接続される高速遠心分離回転体の変位量測定用の測定
装置を提供するものである。この場合、同時に多数の装
置が同じ測定物体に対して動作し、大きな動作領域にお
いても良好な測定精度が得られ、運転時間との関係にお
ける校正費用を最限度にし、測定物体の校正過程に要す
る労力を軽減し、測定結果に対する構造上寄生的な影響
の可能性を可能な限り低く抑え、そして総合的に変位量
測定装置に良好な長い時定数を持たせるように考慮を払
う。

発明の構成　　　　　　　　　　　　　新本発明の目的
は、特許請求の範囲第１項の謂曳慰特徴部分に記載の構
成により解決される。

特許請求の範囲第２項以下には、本発明の方法を実施す
ることができる（２）路装置並びにその有利な実施態様
が記述しである。

本発明による容量性変位量測定装置においても、従来、
既に長くから知られているように、高周波搬送波が用い
られ、この搬送波は、測定センサ／　１ｊｌ１１定物体
表面間の距離の変動に起因する容量変化により変調され
るが、他のＩＩＩ定装置とは異なり周波数変調（ＦＭ）
が行われるのではなく、水晶発振器クラスの安定した周
波数での振幅変調（ＡＭ）が行われるのである。

要求されているように測定物体を介しての装置の相互影
響を回避するためには、下記の２つの条件を厳格に守る
必要がある。

即ち、変位量情報を評価するだめの復調器の帯域幅が、
個々の測定センサに用いられている発振器の周波数の差
よりも相当に小さくなければならないこと並びに同一の
物体に対して同じ搬送波周波数の２つ塘たけ３つ以上の
」り定装置を同時に用いてはならないという条件である
。

周波数変調（ＦＭ）装置で得られる結果を達成するばか
りではなく、さらにそれを凌、観する結果を達成するた
めに、 遮蔽された測定センサの感度を、予め定められた最大直
径における寄生漂遊容量に対する作用コンデンサ表面の
比を最適化することにより増加すること、 測定センサ／電子装置間の間隔を可能な限り短くして中
実の要素を使用することにより７ランノ接続における好
ましくない影響の可°能性を減少することにより電気的
安定性を高めること、特殊加工処理を施した二重壁のノ
・ウジングを使用し、外側の・・ウジングの表面を化学
的に処理する（εを小さくする）ことによりエネルギ消
費ならびに周囲からの影響を最小にすることにより熱的
安定性を改善すること、 構造上の手段により外部ＨＦ場に起因する望ましくない
影響ならびに固有の影響に対する遮蔽の強化、 ＨＦ電力段の出力振動回路の一部を同時に形成する最適
な感度を有する容量性ブリッジに外部測定センサを接続
すること、 温度補償された（ＴＫ＝Ｏ）構成要素を使用すること、 等価な復調器構成要素（整流ダイオードおよびダーリン
トントランジスタ）を用いると共に片方の半ブリツジ回
路を用いて、測定センサの全動作領域に亘りブリッジ（
ＡＧＣ）に供給される高周波信号振幅の安定化を計るこ
と、および精度の減少を伴うことなく、遠隔場所で評価
することができるように、出力信号を評価のための供給
信号として産業ベースで処理することが要求される。

大きな時間消費ならびに装置上の費用に鑑みて交替側で
操業される遠心分離機の回転体の最終試験において本発
明による変位量測定装置を大きい装備数で使用すること
により、次のような利点を達成することができた。

遠心分離回転体における変位量測定における実質的に全
てのエラーの可能性がシステム構成上排除される。

測定精度が高揚される。

現場での最小限度の校正により大きな時間節減が達成さ
れる。

再校正の必要なく長期間に亘り結果の再生が可能である
。

装置の費用が軽減される。

装置の設置ならびに連続運転における費用が軽減される
（費用の伴う校正機構は要求されない）。

実施例 以下、第１図ないし第３図に示した本発明の実施例を参
照し詳細に説明する。

例えばアルミニウムのような良好な導電性材料から形成
されている第１図に略示した（参照数字１２の個所で接
地されている）収容部１内で、近似的に無摩擦で支承さ
れて電位に結合されていない回転体２が高速で回転する
。この収容部もしくは容器１内１ｃは、真空条件３が形
成されている。このような幾何学的形態に基づき、回転
体２および収容部もしくは容器１は円筒状のコンデンサ
１０を形成する。回転体２の運動を検出するために、容
量性測定電甑牛が、絶縁された気密の帰営５を介して回
転子２に対し所定の間隔で設けられており、その結果と
して、これら測定電極４は、回転体２に対して容量（９
）　Ｃｘ、ないしＣｘｎを形成し、そしてこれら容量の
容量値が、測定物体である回転体２に対する個々のセン
サ！、５．６の個々の間隔（変位量）を表わす尺度とな
る。そこで、共通の基準電位１１を有する複数の交流発
電機８で、それぞれの内部抵抗（’７　）　Ｒ１ないし
Ｒｎを介してこれらセンサ杢、５，６に対し給電を行う
と、回転体２に向いコンデンサ（９）Ｃｘ、ないしＣｘ
ｎを介して電流Ｉ、ないし工。が流れ、該回転体２から
共通の円筒状コンデンサＣ２ｙ１（１０）を介して容器
１へと流れる。この容器１はまた、交流発電機（１）の
基準電位１１に接続されている。このコンデンサ１０を
流れる電流Ｉは従って、個々のセンサ電流■ｘ１ないし
工Ｘｎの和に等しく、電圧降下Ｕを惹起する。

ここで、最初から′２つの交流発電機８の信号路につい
てのみ考察すると、次式が成り立つ。

ＵＧ１＝１１＊Ｒ４＋Ｕ１＝Ｉ、＊Ｒ１＋Ｕｘ１＋ＵＵ
ｏ２＝■２＊Ｒ２＋Ｕ２＝Ｉ２＊Ｒ２＋Ｕｘ２＋Ｕ測定
信号としては、単に電圧Ｕ１およびＵ２だけが評価処理
に利用可能であるだけであり、これら電圧は、本来関心
のある測定量Ｕｘ１およびＵｘ２ならびに円筒状コンデ
ンサＣ２，１を経る２つの共通の電圧Ｕから合成される
ものである。これら信号は、上記共通の結合コンデンサ
ＣＺｙ１における２つのＡＣ電流の加算により互いに影
響し合う。搬送周波数（ｆｇおよびｆ２）が互いに近接
している場合には、これら交流信号の重畳でビート信号
が発生する。元側定信号に対する影響は、周波数ならび
に振幅の比に大きく依存する。従って、振幅ならびに周
波数を制御する。多くの場合、結果的に生ずる振動は、
周期的で正弦波振動から合成された場合でも周期的関数
とはならない。容量性測定系の搬送周波数ｆにおける差
に従って、測定物体に起源を有しない信号が発生される
。これら信号は有効信号から識別することはできない。

第２図は、正しい測定結果を得ることができる本発明に
よる方法を実施するた・めの等何回路を示す。容量性測
定センサ（４，５，６）には、それぞれ、共通の基準電
位１１を有する電子装置（２８もしくはＥ）　Ｅ、　、
　Ｅ２．・・−、Ｅｎが設けられ、これら電子装置は、
それぞれ１つの発電機Ｇおよび信号処理回路Ｓを備えて
いる。

測定結果に対する容量Ｃ２ｙｋ１（１ｏ）の影響は、測
定センサ牛、５，６に異なった。搬送周波数ｆ４．ｆ２
．・・・＋ｆｎを１割当てると共に他方また、信号処理
回路ｓ＞　、ｓ２．−．５ｎｖｃｓ断周波数ｆｇを有す
る低域ろ波特性を与えることにより除去される。その場
合、搬送周波数ｉ、ｆ２．・・・ｌ　ｆｎ相互間の差も
しくは間隔Δｆ　は、限界周波数ｆｇよりも常に相当大
きくなるようにすることが前提条件である。

遮断周波数ｆに対する設計基準が、センサ４１５１６の
評価処理すべき有効匡号の周波数領域を形成する。

測定センサ４．５．６から到来する信号はまた、寄生ビ
ート周波数ｆ　　、ｆ　　、・・・、ｆ　を含んｘ　＋
　　　　　　ｘ２　　　　　　　　　　ｘｎでいるが、
しかしながら、これら周波数は全て信号処理回路Ｓの遮
断周波数ｆｇよりも上に位置し、従って評価に介入する
ことはない。

第３図な、発電機Ｇならびに信号処理回路系Ｓを有して
いる電子装置２８もしくはＥの一実施例を示すブロック
ダイヤグラムである。水晶安定高周波（ＨＦ）発振器８
は、振幅調整器１３を介してＨＦ終段１４に給電を行い
、この終段１４には容量性ブリッジ回路１５が接続され
ている。尚、測定センサ壬、５，６は、Φつのブリッジ
コンデンサのうちの１つをそれぞれ形成している。復調
器１６で、各半ブリッジから、即ちブリッジの固定の辺
ならびにセンサ４，５．６を介して可変である辺から、
出力信号ＵＭ（１７）およびＵＲ（１８）が発生される
。固定のブリッジ辺の電圧ＵＲ（１８’）は、高い安定
性を有する基準電圧２４が印加される調整器１３を介し
てＨＦ振幅を安定化するのに用いられると共に、測定物
体２に対する間隔（変位量）の変動に起因する測定セン
サ４，５．６の容量変化によって惹起される電圧ＵＭ（
１７）と共に、差動増幅器１９を介して本来の有効信号
を発生する。接地回路の形成を回避するために、信号は
回路２０で電気的に分離されて、Ｕ／Ｉ　（電圧／電流
）変換器２１に供給される。この変換器２１に印加され
る電圧はその出力端から電流として取出すことができる
。適当な外部成端抵抗器２３により、電流信号は、大き
な距離２２に亘り妨害を受けることなく伝送された後に
再び電圧に変換されて爾後の処°理に利用することがで
きる。

信号発生ならびに信号処理に対する温度影響を回避する
ために、ハウジング２８は２つのノ・ウジング部分から
構成される。内側のノ１ウノングは、温度調整器２５を
介して一定の、値に保持される。この目的で・、温度調
整器２５にセンサ２６を介してハウジングの現在温度を
検知し、高安定の基準電圧２４と比較する。この調整器
の出力は内部ハウジングの平面加熱装置２７に供給され
る。

試験および校正の目的で使用者には、動作状態で試験や
校正を行うことを可能にするのに必要な補助手段３１が
設けられている。

電子装置全体は、外部給電装置３０から給電される。こ
の種の装置の設置場所は非常に多様であり、従って、電
源装置３０に対する接続ケーブルの長さは非常に異なり
得るので、付加的に内部多重電源装置２９が設けられ、
この電源装置２９により、給電導体における損失が補貫
され、また、緩衝増幅器２０に対し独立の供給電圧を発
生することができる。

発明の効果 本発明によれば、遠心分離回転体における変べて 位置測定において実質的に全へ兆の測定誤りがシステム
構成形態自体により排除され、測定精度が高められ、校
正に要する時間を最小限度に節減でき１、長期間に亘り
測定結果の再生が可能であるばかりでなく、装置および
機器に要する費用が大きく節減される等の効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法を実施するための回路装置を略
示する図、第２図は第１図の回路装置の等価回路図、そ
して第３図は本発明の実施において用いられる電子装置
の構成を示すブロックダイヤグラムである。 １・・・収容部、２・・・回転体、４．５．６・・・セ
ンサ、８・・・交流発電機、１３・・・振幅調整器、１
４・・・終段、１５・・・容量性ブリッジ回路、１６・
・・復調器、１９・・・差動増幅器、２０・・・緩衝増
幅器、２１・・・Ｕ／Ｉ　（電圧／電流）変換器、２３
・・・外部成端抵抗器、２５・・・温度調・祭器、２６
・・・センサ、２７・・・平面加熱装置、・Ｅ、２８・
・・ハウジング、２９・・・内部多重電源装置、３０・
・・外部給電装置、３１・・・補助手段、Ｇ・・・発電
機、Ｓ・・・信号処理回路。 Ｆｉｇ、　２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、無接触容量性変位量測定を用いて、軸を中心に回転
   する長手方向に延びる物体の固有振動特性を測定するた
   めに、各測定電極と物体間の距離を表わす個々の容量値
   を検知するように配設された少なくとも２つの測定セン
   サを用い、前記物体自体がその周囲領域に対し総合容量
   を形成するようにして該物体の固有振動特性を測定する
   方法において、 ａ）各測定センサ（４、５、６）を予め定められた搬送
   周波数（ｆ＿ｎ）で作動し、 ｂ）前記すべての搬送周波数（ｆ＿ｎ）を互いに所定の
   大きさだけ異なり得るように選択し、 ｃ）前記測定センサ（４、５、６）の信号を、それぞれ
   、低域ろ波特性および同じ遮断周波数（ｆ＿ｇ）を有す
   る信号処理回路系（Ｓ）に通し、そして ｄ）すべての搬送周波数（ｆ＿ｎ）相互間の間隔（Δｆ
   ＿ｎ）を前記遮断周波数（ｆ＿ｇ）より大きく選定する
   ことを特徴とする回転物体の固有振動特性の測定方法。 ２、無接触容量性変位量測定を用いて、軸を中心に回転
   する長手方向に延びる物体の固有振動特性を測定するた
   めに、少なくとも２つの測定センサを、各測定電極と物
   体間の距離を表わす個々の容量値を検知するように配設
   すると共に、前記物体自体がその周囲領域に対し総合容
   量を形成するようにして該物体の固有振動特性を測定す
   る装置において、物体 （２）を収容部（１）から導電的に分離して配設し、該
   収容部（１）は前記物体の周囲領域を形成し、測定セン
   サ（４、５、６）を前記物体（２）に対しで定められた
   間隔で、前記収容部（１）に対して絶縁状態で取付け、
   共通の基準電位（１１）を有する発電機（Ｇ）から前記
   測定センサ（４、５、６）に給電し、前記収容部（１）
   にも前記基準電位（１１）を印加し、そして測定センサ
   （４、５、６）毎に１つの信号処理回路系（Ｓ）を設け
   たことを特徴とする回転する物体の固有振動特性を測定
   するための回路装置。 ３、信号処理回路系（Ｓ）が同じ遮断周波数（ｆ＿ｇ）
   を有するように同じ構成で実現されている特許請求の範
   囲第２項記載の回転物体の固有振動特性の測定用回路装
   置。 ４、信号処理回路系（Ｓ）が、測定センサ（４、５、６
   ）に対して配設された発電機（Ｇ）と共に、共通の基準
   電位（１１）が印加されるハウジング（２８）内に収容
   されている特許請求の範囲第２項または第３項記載の回
   転物体の固有振動特性の測定用回路装置。 ５、発電機（Ｇ）が搬送周波数（ｆ＿１、・・・、ｆ＿
   ｎ）を有する高周波発振器（６）を備え、該発振器は振
   幅調整器（１３）を介して高周波数の終段を付勢し、該
   終段（１４）に、ブリッジコンデンサとして各測定セン
   サ（４、５、９）を有する容量ブリッジ（１５）を接続
   し、そして、復調器（１６）が各ブリッジ辺から出力信
   号（Ｕ＿Ｍ、Ｕ＿Ｒ）もしくは（１７、１８）を発生す
   る特許請求の範囲第２項ないし第４項のいずれかに記載
   の回転物体の固有振動特性の測定用回路装置。 ６、復調器（１６）が、差動増幅器（１９）、分離増幅
   器（２０）およびＵ／Ｉ変換器（２１）と共に信号処理
   回路系（Ｓ）を形成する特許請求の範囲第２項または第
   ５項のいずれ かに記載の回転物体の固有振動特性の測定用回路装置。 ７、固定のブリッジ辺の電圧（Ｕ＿Ｒ）が調整器（１３
   ）を介して高周波信号振幅の安定化に用いられる特許請
   求の範囲第２項または第６項のいずれかに記載の回転物
   体の固有振動特性の測定回路装置。 ８、調整器（１３）に非常に安定した基準電圧（２３）
   が印加される特許請求の範囲第２項または第７項のいず
   れかに記載の回転物体の固有振動特性の測定用回路装置
   。 ９、温度安定化手段（２５−２７）を設けた第２項ない
   し第８項のいずれかに記載の回転物体の固有振動特性の
   測定用回路装置。