JPS6246916B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は工業用計測システムに関するものであ
る。特に本発明は差動圧力等のような工程の状態
に応じた測定信号が現場から計器制御室のような
信号受信地に送られるようなシステムに関するも
のである。振動ワイヤ形の力検知器により発生し
た信号を送る際に用いる好ましい実施例について
以下説明する。

振動ワイヤ形の力検知器が既知のものとなつて
から久しい。この種の装置は最近改良されて非常
に性能が向上したので、振動ワイヤ形計器を工程
産業で使うことが大変増加し始めた。この種の計
器で特に有用なものとして1977年９月19日にオル
セン（E.O.Olsen）らによる米国特許出願No.
834481に開示されている。

近代的計測システムの一部として振動線検知器
を使うには、振動ワイヤに加わる力を表わす適当
な信号を発生するために電気信号の送信機を検知
器に具備することが必要である。この種の検知器
の一例は1978年10月10日に（E.O.Olsen）らに付
与された米国特許No.4118977に開示されている。
この送信機では振動ワイヤ検知器用電子回路は発
振器と周波数／アナログ変換器とを含み、発振器
は二線式線路を通じて振動ワイヤに接続していて
ワイヤの共振周波数での振動を誘起し、また周波
数／アナログ変換器は発振器の周波数を対応する
直流信号（例えば４〜20ミリアンペアの範囲にあ
る）に変えて、第２の二線式線路により中央局に
その信号を送るのに適するように変換するもので
ある。この場合電子回路は検知器のすぐそばに設
けるのが普通であるが、適当な距離だけ検知器か
ら離してもよい。この場合の距離は振動ワイヤに
接続する二線式線路の特性により制限される。

米国特許No.4118977に示された送信回路はまた
別の信号処理装置を含む。この信号処理装置は直
流信号を前述の測定範囲に合わせるような換算を
行ない、また信号と付加力との間に線型な関係を
つくるものである。こうして最終的に得られた直
流の測定信号は同様な直流検知信号や制御信号等
を採用する既存の計測システムの装置に適合して
用いることができる。この種のシステムとして例
えば1976年10月29日にウイリアムソン（R.A.
Williamson，Jr.）とフオード（R.W.Ford）によ
る米国特許出願No.737195に開示されているような
コンピユータ操作されるシステムがある。

上述の既知の送信装置はよく働いてきたが、あ
る重要な点で改良が望まれている。例えば送信地
では電子回路の量を減らすことが特に有利である
ことがわかつた。また現場の局と中央局との間で
別の情報を同じ送信路を介して送ることができる
のがきわめて望ましいことがわかつた。更に経験
によれば実際の測定値が離れている制御室に表示
されたときに、現場のサービス員にその値を指示
する簡単で且つ低価格の装置を送信機に備える必
要があることがわかつた。本発明はこれらの点及
び他の点で改良を加えることを意図するものであ
る。

本発明の好ましい一実施例によれば、現場で必
要とされる電子装置は、送信機が急速に変化する
交番信号を発生しその信号を二線式線路を介して
制御室に送る、というようにすることにより実質
的に軽減された。測定情報はこの交番信号の周波
数により表わされる。制御室には適当な信号処理
装置が備えてあつて、受信した周波数信号を例え
ば０〜10ボルトの電圧のアナログ信号に変換す
る。更に信号処理装置は信号の大きさを上述の範
囲に適合させる。換算や、信号の線型化のような
他の適切な機能を有する。

本発明の他の実施例によれば、補助的な機能を
果たすために、急速に変化する交番信号を運ぶ二
線式線路を介して付加情報を送信することができ
る。これは付加情報にしたがつて二線式線路の直
流電流レベルをゆつくりと変化させることによつ
て達成される。本発明の好ましい実施例によれ
ば、この付加情報は制御室から送信機に送られ、
送信機から送られた生の周波数信号に応じて制御
室でつくられた最終処理された測定信号を指示す
るのに使われる。この最終測定信号値は直流信号
の形で送信機にて利用することができるので、制
御室でつくられた最終測定値の大きさを現場のサ
ービス員に示すために普通の指示器により容易に
表示することができる。この視覚指示により計測
システムのその部分の据付け及び校正に役立つ。

したがつて本発明の目的は状況の測定信号を処
理等のために別の場所に送信機が送る改良された
計測システムを供給することである。他の目的や
態様や利点は以下図面と共に好ましい実施例につ
いて説明するので、そこで一部は指摘され、また
一部は明らかになるであろう。

第１図を参照すると、左側に現場に備え付けら
れた検知器１０が示されている。この検知器１０
は通常流体の速度を測るのに用いるような振動ワ
イヤ形の差動圧力測定器の形をしている。この検
知器の詳細は前述の米国特許出願係属中の出願No.
834481に述べられている。要約するとこの計器は
検出されている差動圧力に従つた張力がかかる１
本のワイヤを含む。したがつてワイヤの共振周波
数は差動圧力の関数である。ワイヤは送信機１２
の一部を形成する発振回路に接続しており、共振
周波数でワイヤの物理的振動を誘起するようにな
つている。

送信機１２は二線式の送信線路１４を介して離
れた中央局、例えば現場局から5000フイート（約
1500メートル）以内の場所にある制御室、の信号
受信装置に接続している。制御室の装置は回路基
板１６を含むものとして示してある。この回路基
板１６はこれから述べる信号処理と他の機能を行
なう回路を有する。二線式線路は送信機の発振器
出力信号から発生する急速に変化する信号を制御
室に運ぶ。この変化する信号の周波数は振動する
ワイヤの張力に対応し、ワイヤの張力は測定され
ている印加力と一致する。基板１６内に組込まれ
た回路はこの生の変動信号を０〜10ボルトの範囲
に適当に処理されたアナログ測定信号に変換して
差動圧力の正確な測定値をつくる。このアナログ
信号は全体システムの更に他の装置に加えられ
る。第１図では簡単化のためこの装置として既知
の指示装置１８を示してあり、この装置は1977年
６月21日にドリスコル（R.O.Driscoll）らによる
米国特許出願No.809148に示されているようなもの
である。

本発明の一実施例によれば、二線式線路１４は
有限の平均値の直流成分を運び、現場局の送信回
路はその平均直流成分を利用して発振器に全動作
電力を供給する手段を含み、また同時にワイヤの
振動周波数に対応する急速に変化する電圧信号を
二線式線路に加える。

本発明の第２の実施例によれば、二線式線路１
４の平均直流成分の大きさは２局間に別の情報を
運ぶために比較的遅い速度（例えば０〜５Hz）で
制御することができる。好ましい実施例では、制
御室に設置される回路は最終アナログ測定信号、
すなわち送信機１２から送られた生の測定信号を
換算して線型化した信号、の値に従つて平均直流
成分を変えることができる。この修正されたアナ
ログ信号情報は離れた現場局で利用することがで
き、例えば２０で示した電流計のような視覚観察
可能な指示器を動かすのに利用することができ
る。この種の情報が現場で直ちに利用できること
によつて、サービス員がシステムが正確に動作す
るのを確認するのを助けることができる。

第２図を参照すると、計測システムがいくぶん
詳細に示されており、検知器１０は２個の支持器
３２，３４の間に装着され、変成器３６を介して
発振器３８に電気的に接続されている振動ワイヤ
３０として描かれている。既知の如く、この発振
器はワイヤ３０の張力に対応する共振周波数でワ
イヤ３０を振動させるエネルギーをワイヤ３０に
供給する。

発振器３８に４０と４２で示した２つの回路が
接続している。これらは互いに直列に接続してい
て、また二線式線路１４と直列に接続している。
二線式線路の他端では、一方のリード線１４Ａが
抵抗４４を介して正の電圧源に接続している。他
方のリード線１４Ｂは定電流源４８を介して負の
電圧源に接続しており、定電流源４８はトランジ
スタ５０とエミツタ抵抗５２とを含む。このよう
にすると、定電流Iavが二線式線路を流れ、その
大きさは一部エミツタ抵抗５２により決まり、ま
たトランジスタ５０のベースに加わる電圧によつ
て制御することができる。

第１の直列回路４０はトランジスタ５６と並列
になつているツエナーダイオード５４を含み、ト
ランジスタ５６のベースは発振器３８の出力端子
５８に接続している。ワイヤ３０の振動周波数に
従つて比較的速い速度で、例えば1700〜3000Hzの
範囲で、発振器の出力信号はトランジスタ５６を
導通状態と非導通状態との間を交互に駆動する。
トランジスタ５６が非導通状態のとき、Iavがツ
エナーダイオード５４を通つて流れる。ツエナー
ダイオード５４の降伏電圧は約３ボルトである。
トランジスタ５６が導通状態のとき、Iavはトラ
ンジスタ５６を通つて流れる。トランジスタ５６
の飽和電圧は約0.25ボルトである。このようにし
て回路４０は約2.75ボルトの振幅で急速に変化す
る交番電圧を二線式線路１４に供給する。

二線式線路を通る電流Iavの一部は別のツエナ
ーダイオード６０から成る第２の直列回路４２を
通る。この回路はツエナーダイオード特性により
一定の大きさに規定された直流電圧をつくり、発
振器３８と送信機１２に含まれる他のすべての附
随回路素子に直流電源電圧を供給する。

第１の直列回路４０によりつくられた急速に変
化する交番電圧は上述のように二線式線路１４を
通り、次いで結合コンデンサ６２を介して６４で
示した信号処理回路に送られる。この回路はいく
つかの別個の作用を行ない、送信機１２から送ら
れた生の交番信号を概ね調整されたアナログ測定
信号に変換する。このアナログ信号は全計測シス
テムにより利用される他の情報や制御信号と適合
するものとなる。

もつと詳しく説明すると、信号処理回路６４は
周波数／アナログ変換器７０を含み、この周波
数／アナログ変換器７０は二線式線路１４を通つ
て入力してくる交番信号の周波数に応じたアナロ
グ信号を発生する。信号処理回路６４は更に信号
特性化装置７２を含み、この信号特性化回路７２
は送信機１２から送られた信号データに操作を施
し、最終測定信号の値と振動ワイヤに加わつた力
の大きさとの間に線型の関係をつくる。信号処理
回路６４はまた換算装置７４を含み、この換算装
置７４は最終測定信号のゼロと範囲との特性を設
定する。この例では０〜10ボルトの範囲の電圧信
号を発生する。

信号処理回路の出力７６から発生する最終アナ
ログ測定信号はエミツタ抵抗５２からフイルター
８２を通つてくる直流電圧と共に差加算装置８０
に送られる。加算装置８０の差動出力は増幅器８
４に接続しており、増幅器８４は定電流源トラン
ジスタ５０のベースを駆動する。このようにして
この回路はフイードバツク制御を行ない、トラン
ジスタ５０を流れる電流が信号処理装置６４の出
力における換算された測定信号の大きさに直接対
応する値になるように常に調整を行なう。

トランジスタ５０を流れる電流は二線式線路１
４を流れるIavと同じであるから、この電流は最
終測定信号の実際の値に関する正確な情報を送信
機１２に供給する。この信号は発振器３８から発
生する生の交番測定信号からつくられたものであ
つた。この直流が計器２０を通つて現場のサービ
ス員に容易に利用できる指示を与える。この指示
は制御室の計測システムにより生ずる実際の測定
信号のレベルを指示するものである。

第３図を参照すると、送信機１２の詳細な回路
図が示されている。振動ワイヤの変成器３６の二
次巻線が３８で示した発振回路に接続している。
発振回路３８は上述の米国特許4118977に開示し
てあるものと基本的に同様なものである。この発
振器は第二の増幅器９２を駆動する差動増幅器９
０を含み、第二の増幅器９２の出力は分割された
正のフイードバツク経路を通つて差動増幅器９０
の入力に接続している。動作時に、この発振器は
検知器１０内にある振動ワイヤの共振周波数で発
振する矩形波の交番信号をその出力端子５８に生
ずる。

出力端子５８に表われる矩形波の発振器信号は
増幅器９６を通つて、９８で示されトランジスタ
５５と５６を含むダーリントン接続のトランジス
タスイツチに送られる。後者のトランジスタ５６
は前述の如く二線式線路１４と直列のツエナーダ
イオード５４と並列になつていて、約2.75ボルト
振幅の矩形波交番電圧信号をその線路に加える役
目をする。また二線式線路と直列に第二のツエナ
ーダイオード６０があり、これは線路内の直流か
ら一方向性の電圧をつくり、送信機１２内の発振
器３８と他のすべての回路素子に電源電圧を供給
する役目をする。

第４図を参照すると、計測システムの制御室の
電子回路の詳細が示されている。二線式線路１４
から入力する交流矩形波電圧信号はコンデンサ６
２を通つて、前置増幅器１０２を含むパルス信号
調整回路１００に接続している。この増幅器の出
力は直列接続された１組のノアゲート１０４，１
０６，１０８，１１０に接続している。これらは
上述の米国特許4188977に述べられているのと基
本的に同じである。最後の２個のゲート１０８，
１１０の出力は図示した如くお互いに180゜位相
の異なる急峻な矩形波のスイツチ制御信号ＡとＢ
とを供給する。これらのスイツチ制御信号は周波
数／アナログ変換装置を動作させるのに用いら
れ、この周波数／アナログ変換装置は二線式線路
１４に表われる生の交番信号からアナログ測定信
号をつくるために設けられている。

矩形波のスイツチ制御信号ＡとＢは夫々スイツ
チＳ１とＳ２に接続し、これらのスイツチは直列
接続されたコンデンサ１１２と１１４に夫々並列
になつており、線路１４に表われる交番信号の周
波数でこれらのコンデンサを交互に短絡する役目
をする。上のコンデンサ１１２の上方端子は参照
電圧Ｖ_Rの調整化電源に接続されている抵抗１１
６を通して電流を受ける。並列接続されたポテン
シオメータ１１８と分離抵抗１２０とはこの電流
の調整可能な小部分の分流用であつて、後述する
ように計測システムの「ゼロ」トリミングを可能
にするものである。

前述の米国特許4188977に述べてあるように、
スイツチＳ１とＳ２の動作はスイツチ動作の共振
周波数に比例した速度で抵抗１１６から受取る電
流を吸収する役目をする。抵抗１１６を通つて流
れてくる余分の電流（即ち、コンデンサスイツチ
回路により吸収されない、又はゼロポテンシオメ
ータ１１８から分流してくる電流）は演算増幅器
１３０の一方の端子に送られ、その増幅器に接続
している負帰還抵抗１３２を通つて流れる。測定
器の動作開始時に、「ゼロ」ポテンシオメータ１
１８は検知器１０に加わる差動圧力がゼロのとき
に増幅器の出力電圧がゼロとなるような量の電流
を分流するように調整される。この条件下である
検知器内の振動ワイヤ３０の共振周波数は入力す
る力がゼロのときに約1700Hzであつた。

このようにすると、増幅器１３０の出力は振動
ワイヤの実際の共振周波数とゼロ入力のときの共
振周波数の差（―_０）に直接比例する直流電
圧となる。この直流電圧は第２のコンデンサスイ
ツチ回路１３４の入力として供給される。このコ
ンデンサスイツチ回路１３４は前述のものと同様
のものであつて、スイツチ制御信号ＡとＢにより
制御される一対のスイツチＳ３とＳ４とを有す
る。このコンデンサスイツチ回路は掛算機能を果
し、(1)前の増幅器の出力電圧と(2)スイツチング動
作の周波数との積に比例する電流を流す。したが
つて、前の増幅器の出力はゼロ校正したワイヤの
共振周波数（―_０）に比例するから、回路１
３４によりつくられる電流は共振周波数の二乗に
比例する成分を含む。

コンデンサスイツチ回路１３４によりつくられ
るこの二乗換算機能はそれによつて供給される電
流信号の特性を電流と印加された差動圧力間の関
係が線型となるようにする役目をする。この電流
は第２の演算増幅器１３６の一方の入力端子に供
給され、負帰還抵抗１３８を通つてこの増幅器の
出力に接続しているスパン調整回路網１４０に流
れる。このスパン回路は調整ポテンシオメータ１
４２と一対の直列接続された抵抗１４４，１４６
とを含む。

第２の演算増幅器１３６の入力はまたコンデン
サスイツチ回路１３４と並列の抵抗１５０を介し
て第１の演算増幅器１３０の出力電圧に比例し
た、即ちゼロ校正された振動ワイヤの共振周波数
（―_０）に比例した電流を受信する。この電
流は第２の演算増幅器１３６に加わる全電流信号
の特性を更に整え、信号と印加された差動圧力と
の間の線型関係を精密にする役目を果す。

検知器１０に加わる差動圧力がゼロのときこの
演算増幅器１３６の出力電圧はゼロである。有限
値の入力に対して増幅器の出力は２つの周波数依
存性の成分を含む。１つのワイヤの共振周波数の
二乗に比例し、１つはその共振周波数の最初の出
力に比例する。これらの２つの成分は印加力と振
動ワイヤの共振周波数間の非線型関係に非常に密
接に合う特性を有するので、検知器１０に加わる
差動圧力に関して必然的に線型に変化する出力電
圧を出力端子１６０に供給する。

端子１６０の出力電圧はまた負帰還回路１６２
を駆動し、二線式線路１４に流れる直流電流を制
御する。この目的のために、出力電圧は１６４で
示した抵抗回路網に供給され、この抵抗回路網１
６４はまた参照電圧Ｖ_Rと−15ボルトのバスに接
続されて、０〜10ボルトの出力信号を４〜20ミリ
アンペアの線路電流に変換する。変換された電圧
はリード線１６６により電圧／電流変換器１６８
の一方の入力に加えられ、差加算装置として働ら
く（第２図の８０を参照のこと）。変換器１６８
の他方の入力は定電流源４８のエミツタ抵抗５２
の上端から接続している抵抗比率回路網１７０
（図示してないが適当なフイルタを含む）を通じ
て電圧を供給される。変換器１６８の出力はダー
リントン接続した一対のトランジスタ５０，５１
を駆動し、抵抗５２を流れる線路電流を制御する
ので、線路電流は端子１６０に表われる出力電圧
に追従する。このようにして送信機１２の計器２
０は出力端子１６０に表われる最終アナログ測定
信号の実際の値を直接現場で指示することができ
る。

制御室の信号処理装置の詳細な回路に関して注
意すべきことは、参照電圧Ｖ_Rが−15ボルトのバ
スからツエナーダイオード１７１によりつくら
れ、約９ボルトの参照電圧として働らくことであ
る。また直列接続されたダイオード１７２，１７
４がツエナーダイオード１７１に並列になつてい
て、共通点１７６は第１の演算増幅器１３０の出
力に接続している抵抗の右端に接続し、その点の
電圧が後のコンデンサスイツチ回路１３４のスイ
ツチＳ３とＳ４の安全領域を越えないようにして
いる。コンデンサ１７８と１８０はスイツチ作用
により発生する高周波成分を除くために両方のコ
ンデンサスイツチ回路に設けてある。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説
明してきたが、これは本発明の原理を説明するた
めの例示であつて、本発明を限定するものではな
い。当業者にとつては本発明の真の思想から逸脱
することなく多くの変形を生み出し得ることは明
らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による計測システムの概略を示
す図、第２図は第１図のシステムの基本部分を簡
略化して示した回路図、第３図は第２図のシステ
ムのうち送信機部分の詳細な回路図、第４図は第
２図のシステムのうち制御室の部分の詳細な回路
図である。 １０…力検知器、１２…送信機、１４…二線式
線路、２０…計器、３０…振動ワイヤ、３８…発
振器、６４…信号処理装置、４８…定電流源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入力する力に従つて張力が加わる振動可能な
   ワイヤを有する力検知器を含み、ワイヤの共振周
   波数によつて印加された力を測定する計測システ
   ムにおいて、 前記ワイヤに接続し、ワイヤの共振周波数で発
   振する発振信号を発生する発振器と、 周波数／アナログ変換器を含む信号処理手段
   と、 一端を前記発振器に接続し、他端を前記信号処
   理手段に接続してあつて、前記周波数／アナログ
   変換器が前記発振器の周波数に応じたアナログ測
   定信号を発生するように発振器信号の周波数に応
   じた急速に変化する交流信号を前記周波数／アナ
   ログ変換器に供給する役目を果す二線式伝送線路
   と、 前記アナログ測定信号に対応した直流信号を前
   記伝送線路に供給するように働く直流信号手段
   と、 前記伝送線路の一端に接続し、前記伝送線路内
   を流れる前記直流信号の大きさを視覚指示する指
   示手段と、 から成る計測システム。 ２ ある場所で工程の状態を測定し、対応する信
   号を他の場所に送信する計測システムであつて、 送信局と、 該送信局の一部を構成する状態検知素子と、 該送信局にあつて前記状態検知素子に接続し、
   前記状態に応じた周波数を有する送信信号を発生
   する信号発生器と、 信号受信局と、 前記送信局と前記信号受信局とを接続する二線
   式線路と、 前記信号受信局にあつて前記二線式線路に接続
   し、有限の大きさの平均直流成分を有する電流の
   流れを生ずるための直流電源手段と、 前記信号発生器の出力を前記二線式線路に接続
   し、信号発生器の出力の周波数に応じた交番測定
   信号を前記線路に送る手段と、 前記信号受信局で前記二線式線路に接続し、前
   記線路に乗つてくる交番測定信号の周波数に応じ
   たアナログ測定信号を発生するように働く周波
   数／アナログ変換器手段と、 前記２つの局の一方にあつてあらかじめ選択し
   た変数に応ずる制御可能手段と、 前記一方の局で前記制御可能手段と前記二線式
   線路とに接続し、前記あらかじめ選択した変数に
   従つて前記線路内の前記平均直流成分の大きさを
   変えるように動作する直流信号手段と、 前記２つの局の他方にあつて前記二線式線路に
   接続し、前記直流信号手段により制御される前記
   平均直流成分の大きさに応答する信号応答手段
   と、 を備え、前記二局間に前記あらかじめ選択した変
   数に関する情報を送信し、また同時に前記送信局
   から前記信号受信局へ前記交番測定信号を送信す
   るようにした計測システム。 ３ 特許請求の範囲第２項記載のシステムにおい
   て、前記直流信号手段は前記二線式線路に直列に
   接続している定電流源を含み、また前記制御可能
   手段は前記定電流源に接続しており、前記二線式
   線路に供給する電流の大きさを設定するようにし
   た計測システム。 ４ 特許請求の範囲第３項記載のシステムにおい
   て、前記定電流源は前記二線式線路に直列にトラ
   ンジスタを含み、該トランジスタにエミツタ抵抗
   を接続し、前記制御可能手段は前記トランジスタ
   のベースと前記エミツタ抵抗の間接的な端部との
   間の電圧を設定するように働くようにした計測シ
   ステム。 ５ 特許請求の範囲第４項記載のシステムにおい
   て、前記制御可能手段は前記アナログ測定信号に
   応答して前記線路に流れる電流を前記アナログ測
   定信号に従つて設定する手段を含み、また前記送
   信局にあつて前記制御可能手段により設定される
   電流値に応答する手段を含む計測システム。 ６ 特許請求の範囲第５項記載のシステムにおい
   て、前記送信機手段は電流レベルを示す指示器を
   含む計測システム。