KR810000044B1

KR810000044B1 - Electric signal transmitter for vibrating-wire sensor

Info

Publication number: KR810000044B1
Application number: KR7702367A
Authority: KR
Inventors: 오. 올슨 이.; 심프슨 도날드씨.; 에이. 리차드슨 대비드
Original assignee: 조셒 에프. 파파랠라; 더 폭스보로 캄파니
Priority date: 1977-10-12
Filing date: 1977-10-12
Publication date: 1981-02-02

Abstract

A force-measuring instrument of the vibrating-wire type wherein the mechanical components are located at the forcemeasuring location and the vibrating wire is coupled trough a two wire transmission line to electronic circuitry at a distant location. The electronic circuitry includes means to excite the vibrating wire and to produce a d-c measurement output signal corresponding to the frequency of vibrations.

Description

Electrical Signal Transmitter for Vibration Wire Detector

제1도는 본 발명에 의한 송신기의 바람직한 일예를 보인 부분 블럭 회로도.1 is a partial block circuit diagram showing a preferred example of a transmitter according to the present invention.

제2도는 제1도에 나타낸 송신기의 전자 송신기 소자의 상세 회로도.2 is a detailed circuit diagram of the electronic transmitter element of the transmitter shown in FIG.

본 발명은 압력 또는 힘에 대응하는 전기 측정 신호를 발생시키기 위한 공정 기기에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 설명하자면 진동 와이어 방식의 기기에 관한 것이다.The present invention relates to a process device for generating an electrical measurement signal corresponding to pressure or force, and more particularly to a vibrating wire type device.

팽팽한 와이어는 그 와이어 중의 장력과 관련된 공진주파수를 갖게 된다는 사실은 다년간 알려져 온 사실이다. 이 특성은 측정하고자 하는 달력(힘)에 의해 진동 와이어를 긴장시키고, 이 와이어를 그의 공진 주파수에서 진동시켜서, 이 주파수에 대응하는 측정 신호를 발생시킴으로써 압력(또는 힘) 측정기기의 기초로서 사용할 수 있다는 것도 역시 오랫동안 알려져 온 사실이다. 이와 같은 장치의 이론적인 고찰로 이 장치에 의하여 매우 정확한 측정을 행할 수 있으므로, 이와 같은 장치의 개발에 상당한 노력이 경주되어 왔음을 알 수 있다. 이러한 노력의 결과, 여러가지 종류의 기기를 제작하기 위한 각종의 제안이 있었으며 이중 수종의 제품은 시판되고 있다. 또한, 이와같은 장치에 관계되는 특허기술도 상당수가 있으며, 적절한 설명은 미국 특허 제2,445,021호, 제3,046,789호, 제3,071,725호 및 제3,543,585호에 기재되어 있다(이들 모든 기술의 완전한 내용은 이 명세서에서는 모두 나타내지 않는다). 이 기술계통에서 행해진 방대한 노력에도 불구하고, 공정에 응용하기에 적합한 기기는 아직까지도 개발되지 않았다. 그 이유는 현재까지 제 안된 일부 기기들이 높은 정확도로 확실하게 측정할 수 있는 중요한 성능이 춤족되지 못하였기 때문이다. 또한, 이러한 특질을 갖는 종래기기의 설계들은 전체기기 조직에 상호 연결할 수 있는 전계 착설 유니트, 예를 들면 여러가지의 측정 및 제어 기능이 통합된 기기 측점(測點)을 갖는 형식의 조직으로서 작용하기에 적합하지 않았다.It has been known for many years that a tight wire has a resonant frequency associated with the tension in the wire. This characteristic can be used as the basis of a pressure (or force) measuring device by tensioning a vibrating wire by a calendar (force) to be measured, vibrating the wire at its resonant frequency, and generating a measurement signal corresponding to this frequency. It is also known for a long time. As a theoretical consideration of such a device makes it possible to make a very accurate measurement by this device, it can be seen that considerable effort has been put into developing such a device. As a result of these efforts, various proposals have been made for manufacturing various kinds of devices, and several kinds of products are commercially available. In addition, there are a number of patent technologies relating to such devices, and appropriate descriptions are described in US Pat. Nos. 2,445,021, 3,046,789, 3,071,725, and 3,543,585 (the complete details of all of these technologies are described herein). Not all). Despite the vast efforts made in this technology system, no suitable device has yet been developed for application in the process. The reason for this is that some of the devices proposed to date have not been able to measure the critical performance that can be reliably measured with high accuracy. In addition, the design of conventional equipment having these characteristics is intended to act as an organization of electric field installation units that can be interconnected to the overall equipment organization, for example, a type of organization with instrumentation points incorporating various measurement and control functions. Not suitable

이 명세서에서 후술할 본 발명의 바람직한 일예에 의하면, 진동 와이어 방식 기구가 제공되는데, 이 기구와 비교적 평탄하지 못한 기계 성분들은 측정하고자 하는 압력(또는 힘)에 인접한 전계에 착설하기에 적합하며, 측정지점에서 역(逆) 국부 환경 효과가 없는 원거리 위치에서 어느 정도 덜 평탄한 전자 신호 송신기 장치에 간단한 2선식 송신선로에 의하여 상호 접속된다. 이 전자 장치에는 긴장시킨 와이어를 그의 공진 주파수로 계속하여 진동시키는 데 필요한 모든 에너지를 2선식 선로를 통해 공급하는 발진기가 설치되어 있다. 그 와이어의 기계적 공진 특성은 2선식 선모를 통하여 발진기에 반사되므로, 측정하고자 하는 미지의 힘에 의하여 진동 주파수를 고정시키게 된다.According to a preferred embodiment of the present invention, which will be described later in this specification, a vibrating wire type instrument is provided, where the instrument and its relatively uneven mechanical components are suitable for installation in an electric field adjacent to the pressure (or force) to be measured and measured. It is interconnected by a simple two-wire transmission line to a somewhat less flat electronic signal transmitter device at a remote location where there is no reverse local environmental effect at the point. The electronic device is equipped with an oscillator that supplies all the energy necessary to continuously vibrate the tensioned wire at its resonant frequency through a two-wire line. Since the mechanical resonance characteristic of the wire is reflected to the oscillator through the 2-wire line, the vibration frequency is fixed by an unknown force to be measured.

송신기 회로는 또한 진동 주파수와 출력 측정 신호 사이에 비선형 전달 기능을 제공하는 수단을 포함하고 있다. 신호의 그러한 특성은 미지의 힘과 출력 측정 신호 사이에 실질적으로 선형 관계를 설정하므로, 정확도를 상당히 개선시킨다는 사실이 발견되었다. 더우기, 이 송신기는 상호 비작용성 조정에 의하여, 측점에서 기계적 구성 부분들로부터 원거리로 ＂제로＂ 및 ＂스팬(span)＂으로 기구 조정을 행하기 위한 특정의 전자 수단을 포함한다.The transmitter circuit also includes means for providing a nonlinear transfer function between the vibration frequency and the output measurement signal. It has been found that such a characteristic of the signal establishes a substantially linear relationship between the unknown force and the output measurement signal, thus significantly improving the accuracy. Moreover, the transmitter comprises specific electronic means for making instrument adjustments “zero” and “span” remotely from the mechanical components at the station, by means of mutual inactivity.

본 발명의 작용효과는 다음과 같이 요약될 수 있다.The effects of the present invention can be summarized as follows.

첫째로, 개선된 정확도와 신뢰도의 이점은 진동 와이어에 인가된 힘과 이 힘에 응하여 발생된 신호 전압 사이의 관계에 있어서의 비선형 관계를 상쇄시키기 위한 비교적 간단한 전자회로를 사용함으로써 달성 된다. 이러한 상쇄 회로는 측정한 힘에 따라 선형으로 변화하지 않는 최종 측정 신호리 발하므로, 비선형에 관련된 전위 측정 오차를 회피할 수 있다.First, the benefits of improved accuracy and reliability are achieved by using a relatively simple electronic circuit to cancel the nonlinear relationship in the relationship between the force applied to the vibrating wire and the signal voltage generated in response to this force. Since such a cancellation circuit generates a final measurement signal that does not change linearly with the measured force, it is possible to avoid potential measurement errors related to nonlinearity.

두째로, 공진 주파수를 유지하기 위하여 진동 와이어에 에너지 입력을 공급하고 최종 측정 신호로 처리하기 위한 원격 전자 회로에 위치시킨 진동 와이어에 의하여 발생된 특성 신호를 송신하는 단일한 2선식 송신선로를 사용함으로써 경제적인 구성과 높은 신뢰도를 달성할 수 있다. 개별적인 별도의 입력 및 출력 선로 대신에 단일 송신 선로를 사용하면, 특히 전자 회로를 현장 설치 진동 와이어 감지기로부터 멀리 떨어져 위치할 때, 비용이 크게 절감된다.Second, by using a single two-wire transmission line to supply the energy input to the vibrating wire to maintain the resonant frequency and transmit characteristic signals generated by the vibrating wire placed in the remote electronic circuit for processing into the final measurement signal. Economic configuration and high reliability can be achieved. The use of a single transmission line instead of separate separate input and output lines significantly reduces costs, especially when electronic circuits are located far from field-mounted vibration wire detectors.

세째로, 더욱 정교한 전자 회로로부터 기계적인 압력(힘) 감지 성분을 분리하면, 종전 장치보가 더욱 간단하고 내구성이 있으며, 악조건에도 불구하고 원거리 현장에서 높은 신뢰도로 작동할 수 있는 진동 와이어 장식 감지기를 얻을 수 있는 효과가 있다.Third, separating mechanical pressure-sensing components from more sophisticated electronic circuits results in a vibrating wire decoration detector that is simpler, more durable, and capable of operating with high reliability in remote sites despite adverse conditions. It can be effective.

끝으로, 전자 회로는 예컨데 송신기의 스팬 조정 회로망 구성(셋팅)에 영향을 주는 일이 없이 기준 인 가압힘에 대응하는 공칭 와이어 진동 주파수로 송신기 출력이 제로화된다. 이와 유사하게, 송신기의 스팬(즉. 최소 및 최대의 출력 신호의 차이)이 달성된 제로 출력 셋팅에 영향을 주는 일이 없이 변화될 수 있다. 이러한 비상호작용성 관계는 측정의 정확도를 높여주는 결과를 초래한다.Finally, the electronics circuit zeroes the transmitter output at a nominal wire vibration frequency corresponding to the reference pressing force, for example, without affecting the span adjustment network configuration (setting) of the transmitter. Similarly, the span of the transmitter (ie, the difference between the minimum and maximum output signals) can be varied without affecting the zero output setting achieved. This non-interaction relationship results in higher accuracy of the measurement.

따라서, 본 발명의 목적은 진동 와이어식 힘 또는 압력측정 기구를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 더욱 구체적인 목적은 공정 기구 시스템에 사용하기에 특히 적집한 기구를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 기타 목적 및 작용효과는 첨부 도면에 따른 이하의 설명으로부터 명백하여 질 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a vibrating wire force or pressure measuring instrument. A more specific object of the present invention is to provide an instrument which is particularly suitable for use in a process instrument system. Other objects and effects of the present invention will become apparent from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings.

제1도의 좌측부에는, 진동 와이어식 압력 감지기(10)의 기본적인 기계적 구성부분들이 개략적으로 표현되어 있다. 이들 성분들은 1조의 단자(14),(16) 사이에 긴장되게 유지되고, 와이어의 축에 수직방향으로 자장이 발생되도록 배열시킨 영구자석의 극(18A), (18B) 사이의 긍극 내에 배치된 전도성 와이어(12)를 포함하고 있다.In the left part of FIG. 1, the basic mechanical components of the vibrating wire pressure sensor 10 are schematically represented. These components are held in tension between the pair of terminals 14, 16 and disposed within the poles between the poles 18A, 18B of the permanent magnets arranged such that magnetic fields are generated in a direction perpendicular to the axis of the wire. And a conductive wire 12.

이들 기구의 기계 성분들은 측정하고자 하는 힘 또는 압력에 인접되는 원격측점에 위치시킨다. 와이어의 정부에 인접하여 수직 화살표로 나타낸 바와같이, 미지량의 힘 F가 와이어(12)에 인가되어 와이어의 긴장을 조정하므로 그의 공진 주파수가 힘의 함수로 되는 것이다.The mechanical components of these instruments are located at remote points adjacent to the force or pressure to be measured. As indicated by the vertical arrow adjacent to the top of the wire, an unknown amount of force F is applied to the wire 12 to adjust the tension of the wire so that its resonant frequency becomes a function of the force.

와이어 단자(14),(16)은 변압기(22)의 한 쪽 권선(20)의 각 단부에 접속된다. 다른 변압기 권선(24)는 압력 감지기(10)의 원격 전계 위치와 상기 감지기와 격리된 다른 측점 사이에서 신장되는 2선식 송전 선로(26)의 리이드선에 접속된다. 송전 선로(26)의 원단(遠端)은 후술되는 전자송시기 회로(30)에 접속된다.Wire terminals 14, 16 are connected to each end of one winding 20 of transformer 22. The other transformer winding 24 is connected to the lead wire of the two-wire transmission line 26 extending between the remote electric field position of the pressure sensor 10 and another point isolated from the sensor. The far end of the power transmission line 26 is connected to an electronic transmitter circuit 30 to be described later.

간단히 말하자면, 이 회로(30)은 변압기(22) 및 송전 선로(26)을 통해 반사될 때 진동 와이어(12)의 공진 특성과 연동하므로 와이어의 공진 주파수에서 구형파(矩形波) 진동전류를 발생시키는 발진기(32)로 구성된다. 이 구형파 신호는 와이어를 여기시켜 그의 진동을 유지하도록 선로(26)을 통하여 와이어(12)에 접속된다. 변압기(22)는 비교적 높은 권선비(券線比), 예를들면 약 30 : 1을 갖는 것이 유리하며, 와이어(12)의 특성과 송전 선로를 포함하는 와이어 여기 회로 사이에 유효한 임피단스 정합(impedance match)을 제공하는 작용을 한다. 변압기는 또한 송전 선로를 통하여 송선된 신호의 신호대 소음의 비를 증대시킨다.In short, this circuit 30 is interlocked with the resonant characteristics of the vibrating wire 12 when reflected through the transformer 22 and the transmission line 26 and thus generates a square wave oscillation current at the resonant frequency of the wire. It consists of an oscillator 32. This square wave signal is connected to the wire 12 through the line 26 to excite the wire and maintain its vibration. The transformer 22 advantageously has a relatively high turns ratio, for example about 30: 1, and an effective impedance match between the characteristics of the wire 12 and the wire excitation circuit comprising the transmission line. to provide a match). Transformers also increase the signal-to-noise ratio of signals routed through transmission lines.

발진기(32)는 주파수-전류 변환기(38)에 접속된 각각의 리이드 선(34),(36)에 1조의 구형파 스위치 제어 신호를 발생시킨다. 이 변환기로부터의 신호 전류는 전력 증폭기(40)에 접속되는데, 이 전력 증폭기는 저항기(46)으로 나타낸 신호 수신기를 갖는 직류 전력원(44)를 직렬로 연결한 다른 2선식 선로(42)내에서 대응하는 출력 측정 신호를 발생하며, 상기 증폭기는 기록계 등이 될 수 있다. 전력원(44)로 부터의 전류는 조정 전력 공급기(48)에 이용할 전력을 공급하는데, 이 전력 공급기는 발진기(32)의 주파수-전류 변환기(38)에 안정된 작동 전압을 제공해 준다.The oscillator 32 generates a set of square wave switch control signals on each of the lead wires 34 and 36 connected to the frequency-current converter 38. The signal current from this converter is connected to a power amplifier 40, which is in another two-wire line 42 connected in series with a direct current power source 44 having a signal receiver represented by a resistor 46. Generates a corresponding output measurement signal, the amplifier may be a recorder or the like. The current from the power source 44 supplies the regulating power supply 48 with power for use, which provides a stable operating voltage for the frequency-current converter 38 of the oscillator 32.

제2도에 있어서는 송신기의 전자회로가 구체적으로 나타나 있는데, 발진기(32)는 차동 증폭기(50)와 작동 증폭기(52)로 구성되어 있음을 알 수 있고, 작동 증폭기의 출력은 분할 정귀환로(分割正歸還路)를 통해 차동 증폭기(50)의 2개의 입력에 연결된다. 좌수 귀환로는 저항기(54)와 콘덴서(56)을 통해 트랜지스 터(58)의 베이스에 연결되며, 다른 귀환로는 저항 분압기(60A), (60B) 및 RC지연 회로망(62)를 통해 트랜지스터(64)의 베이스에 연결된다. 분압기(60B)과 직열로 배열된 콘덴서(66)은 트랜지스터(64)를 위한 비교적 높은 d-c 바이어스를 형성하므로, 상기 트랜지스터의 동작 범위 내에서 구형파 진동이 발생된다. 양극 공급 리이드(70)(V+)와 공통 회로(72) 사이의 다른 저항 분압기(68A), (68B)는 트랜지스터(58)에 적합한 작동 바이어스 레벨을 제공해 준다.In FIG. 2, the electronic circuit of the transmitter is shown in detail. It can be seen that the oscillator 32 is composed of a differential amplifier 50 and an operational amplifier 52, and the output of the operational amplifier is divided positive feedback. It is connected to the two inputs of the differential amplifier 50 via a fixed path. The left-hand return is connected to the base of the transistor 58 via a resistor 54 and a condenser 56, while the other return is connected via a resistor divider 60A, 60B and an RC delay network 62. Is connected to the base of 64. Since the capacitor 66 arranged in series with the voltage divider 60B forms a relatively high d-c bias for the transistor 64, square wave vibration is generated within the operating range of the transistor. Other resistor voltage dividers 68A, 68B between the positive supply lead 70 (V +) and the common circuit 72 provide an appropriate operating bias level for the transistor 58.

지연 회로망(62)는 증폭기(52)로부터 트랜지스터(64)에 연결된 구형파의 전연(前緣)을 낮추게 된다. 이것은 변압기(22)의 누설 파라미터의 결과로서 트랜지스터(58)에 인가된 구형파의 전연에 뛰따르는 단기 고주파 간쇠 파동열을 상기 증폭기(50)의 샤아프 스위칭의 간섭으로부터 보호하도록 상기 증폭기(50)을 위한 트랜지스터 바이어스를 형성하기 위한 목적이다. 작동시, 이 증폭기는 진동 와이어(12)내에 유도된 전압의 영교차(零交叉)에 대응하는 시간에 하나의 상태에서 다른 상태로 개폐된다.The delay network 62 lowers the leading edge of the square wave connected from the amplifier 52 to the transistor 64. This protects the amplifier 50 to protect against short-term high frequency intermittent wave trains that jump over the leading edge of the square wave applied to the transistor 58 as a result of the leakage parameter of the transformer 22 from interference of the sharp switching of the amplifier 50. The purpose is to form a transistor bias for the purpose. In operation, the amplifier opens and closes from one state to another at a time corresponding to the zero crossing of the voltage induced in the vibrating wire 12.

송전 선로 단자(74), (76)은 증폭기(52)와 트랜지스터(58) 사이에서 신장되는 전술한 정귀환로에 연결되며, 진동 와이어(12)의 기계적 공진 특성은 송전선로(26)을 통하여 이 정귀환로에 반사되어 발진기(32)의 주파수를 유효하게 제어해 준다. 변압기(22)는 진동 와이어의 기계적, 전기적 특성과 발진기의 전기적 특성 사이에 최적 정합을 제공해 주므로, 강력한 진동 및 양호한 조작 효율이 보장된다. 발진기에 의해 발생하는 구형파 전류는 송전 선로(26)과 변압기(22)를 작동시킴으로써, 힘 F에 의하여 와이어(12)에 인가된 장력에 따라, 와이어의 공진 주파수로 와이어를 앞뒤로 작동시키는데 사용된다.The transmission line terminals 74 and 76 are connected to the above-mentioned positive return line extending between the amplifier 52 and the transistor 58, and the mechanical resonance characteristic of the vibration wire 12 is transmitted through the transmission line 26. Reflected by the positive return path to effectively control the frequency of the oscillator (32). The transformer 22 provides an optimum match between the mechanical and electrical properties of the vibrating wire and the electrical properties of the oscillator, thus ensuring strong vibration and good operating efficiency. The square wave current generated by the oscillator is used to operate the wire back and forth at the resonant frequency of the wire according to the tension applied to the wire 12 by the force F by operating the transmission line 26 and the transformer 22.

발진기(32)에 의해 발생되는 구형파 신호는 상호의 위상각이 180°인 1조의 대응하는 구형파 스위치 제어신호를 발생시키는데 사용된다. 이 목적으로, 분압기 저항기(60A)의 정부에서의 발진기 신호는 저항기(78)을 통해 도면에서 (80)으로 표시되고, 시판되고 있는 RCA사 제품인 모델 CD4001AD 4개가 1조로 된 NOR 게이트에 연결된다. 각각의 NOR 게이트는 공통회로(72)에 연결된 1개의 입력을 갖는다. 발진기 구형파 신호는 상부의 NOR 게이트(82)의 다른 입력에 연결되고, 이것의 출력은 발진기 신호로부터 위상 각 180°의 구형파 신호이다. 이 게이트 출력은 제2의 NOR 게이트(84)에 공급되어 초기의 발진기 신호를 갖는 위상 내에서 출력 구형파를 발생한다. 후자의 신호는 2개의 추가 NOR 게이트(68), (88)를 통해 공급되므로, 리이드(34), (36)상에서 후술할 주파수-전류 변환기를 제어하는데 사용하게 될 위상각 180°의 더욱 예리한 스위치-제어 신호(SW ＂A＂ 및 ＂B＂를 각각 공급해 준다. 주파수 전류 변환기(38)은 미국 특허 제3,948,098호에 기재된 일반적인 형태의 콘덴서 충전 및 방전 회로의 용도에 기초를 둔 것이므로, 이것에 대해서는 비교적 간단하게 설명하겠다. 이와 같은 변환기 회로는 일렬로 접속되어 교대로 작동하는 스위치(100), (102)로 구성되며, 이 스위치는 각각 EMF원에 의해 에너지를 받게 될 대응하는 등가의 축적형 콘덴서(104), (106)에 의해 교락되는데, 이 경우에, 작동 증폭기(110)의 전류 가산 단자(108)에서 고정된 바이어스 전압 Vb와 기준 리이드(112)의 전위 사이의 차동 전압 Vb가 공통회로(72)에 연결된다. 스위치는 전계 효과 트랜지스터이며, 이들의 게이트는 스위치-제어 신호 리이드(34), (36)(SW ＂A＂ 및 ＂B＂에 연결되어 교호 스위치 조작을 제공한다.The square wave signal generated by the oscillator 32 is used to generate a set of corresponding square wave switch control signals having a phase angle of 180 ° with each other. For this purpose, the oscillator signal at the top of the voltage divider resistor 60A is indicated by 80 in the figure via a resistor 78, and four commercially available RCA model CD4001ADs are connected to a set of NOR gates. Each NOR gate has one input connected to a common circuit 72. The oscillator square wave signal is connected to the other input of the upper NOR gate 82, the output of which is a square wave signal of 180 degrees out of phase from the oscillator signal. This gate output is supplied to the second NOR gate 84 to generate an output square wave in phase with the initial oscillator signal. The latter signal is fed through two additional NOR gates 68 and 88, so a sharper switch with a phase angle of 180 ° that will be used to control the frequency-to-current converter described below on leads 34 and 36. Supply the control signals SW ＂A＂ and ＂B＂, respectively. The frequency current converter 38 is based on the use of the capacitor charging and discharging circuits of the general type described in US Pat. No. 3,948,098. This converter circuit is composed of switches 100 and 102 which are connected in series and alternately operated, each of which has a corresponding equivalent accumulator which will receive energy by the EMF source. 104, 106, in which case the differential voltage Vb between the fixed bias voltage Vb at the current adding terminal 108 of the operational amplifier 110 and the potential of the reference lead 112 is a common circuit. Linked to 72 The switches are field effect transistors whose gates are connected to switch-control signal leads 34 and 36 (SW'A 'and' B ') to provide alternating switch operation.

제 스위치(100)이 폐쇄될 때에, 제2콘덴서(106)은 전압 Vb로 충전되며, 한편 제1콘덴서(104)는 방전된다. 다음에 반주기로 제1콘덴서는 전압 Vb에 충전되고, 다른 콘덴서는 방전된다. 이 충전 방전조작에 의하여 단자(108)로부터 기준 리이드(112)까지 직류 전류가 흐르게 된다.When the first switch 100 is closed, the second capacitor 106 is charged to the voltage Vb, while the first capacitor 104 is discharged. Next, at a half cycle, the first capacitor is charged to the voltage Vb, and the other capacitor is discharged. This charge and discharge operation causes a direct current to flow from the terminal 108 to the reference lead 112.

이 전류는 차동전압 Vb(스위치 셋트용으로 고정되었음)과 스위치 조작 횟수, 즉 와이어(12)의 진등횟수에 비례한다. 실제로, 전술한 스위치 및 콘덴서 회로는, 전기 에너지(콘덴서 상에서 충전)를 균일한 크기로 증가시키고, 이들 전기 에너지의 증가분을 발진기(32)로부터의 교번 구형파 신호의 주파수에 비례하여 복귀시키도록 배열된 제어가능한 직류 전류원을 형성한다. 주파수가 높을수록, 충전/방전 주기의 빈도가 커진다. 이와 같이 하여 생성되는 직류(d-c)신호의 평균치는 구형파 신호의 주파수에 비례한다.This current is proportional to the differential voltage Vb (fixed for the switch set) and the number of switch manipulations, i. Indeed, the switch and condenser circuits described above are arranged to increase electrical energy (charging on the capacitor) to a uniform magnitude and to restore the increase of these electrical energy in proportion to the frequency of the alternating square wave signal from the oscillator 32. To form a controllable direct current source. The higher the frequency, the greater the frequency of charge / discharge cycles. The average value of the direct current (d-c) signals generated in this manner is proportional to the frequency of the square wave signal.

증폭기(110)에는 가산 단자(108)과 증폭기의 출력에서의 스팬 조정 회로막(116) 사이에 접속된 부귀환(副歸還) 저항기(114)가 역시 설치된다. 이 회로망은 전위차계(118)(그의 이동식 아암에는 귀환저항기(114)가 접속되었음)과 추가 조정 범위를 제공하기 위한 2조의 점퍼 단자(120)로 구성된다. 증폭기는 출력 리이드(124) 상에서 가산 단자에 공급된 총전류와 같은 귀환전류를 유지하는 데 필요한 만큼 출력전압 V를 변경하여 가산 단자(108)에서 다른 입력단자 122(Vb)의 것과 실제로 동일한 전위를 유지시키기 위해 연속적으로 조작한다. 그리하여, 증폭기 출력 전압 V는 가산 단자에 공급된 총전류(이것은 차례로 주파수에 비례함)와 스팬 조정 회로망(116) 구성(셋팅)의 함수가 될 것이다. 영(零)으로 인가된 힘(기준 인가력)에 대응하는 공칭와이어 진동 주파수로 송신기 출력을 제로화하기 위하여, 전류가산 단자(108)에는 정전압 공급 리이드 Vz에 접속된 저항기회로망(126)으로부터 일정하게 조정된 바이어스 전류 Ib를 공급한다. 이 바이어스 전류는 와이어(12)의 진동 주파수가 제로로 인가된 힘 F와 바이어스 스프링(도시하지 않음) 등에 의하여 생기는 미리 선택된 바이어스 힘에 대응하여 그의 최저작동 수준(대표적으로 약 1500㎐)에 있을 때에 콘덴서 스위치회로(100-lO6)에 의하여 단자(108)로부터 유도되는 평균 전류와 같아지도록 정한다. 이러한 조건하에서, 바이어스 전류는 실제로 콘덴서 충전 전류를 상쇄시켜, 귀환 저항기(114)를 통해 어떠한 전류도 흐르지 않게 한다. 그리하여, 증폭기출력 전압은 스팬 조절 회로망(116)의 셋팅에는 관계 없이 Vb와 같게 될 것이다. 제로와 스팬 조정은 서로 작용하지 않음을 알 수 있을 것이다. 증폭기 출력 전압에 대한 수학적 표현은 다음과 같다.The amplifier 110 is also provided with a negative feedback resistor 114 connected between the addition terminal 108 and the span adjustment circuit film 116 at the output of the amplifier. This network consists of a potentiometer 118 (with a return resistor 114 connected to its movable arm) and two sets of jumper terminals 120 to provide further adjustment range. The amplifier changes the output voltage V as necessary to maintain a return current equal to the total current supplied to the adding terminal on the output lead 124, so that the adding terminal 108 has a potential substantially equal to that of the other input terminal 122 (Vb). Operate continuously to maintain. Thus, the amplifier output voltage V will be a function of the total current supplied to the adding terminal (which in turn is proportional to frequency) and the span adjustment network 116 configuration (setting). In order to zero the transmitter output at a nominal wire oscillation frequency corresponding to zero applied force (reference applied force), the current adding terminal 108 is constant from the resistor network 126 connected to the constant voltage supply lead Vz. Supply the adjusted bias current Ib. This bias current occurs when the vibration frequency of the wire 12 is at its lowest operating level (typically about 1500 Hz) in response to a preselected bias force generated by a force F applied to zero and a bias spring (not shown) or the like. It is set to be equal to the average current induced from the terminal 108 by the capacitor switch circuit 100-10O6. Under these conditions, the bias current actually cancels out the capacitor charging current so that no current flows through the feedback resistor 114. Thus, the amplifier output voltage will be equal to Vb regardless of the setting of span regulation network 116. It will be appreciated that the zero and span adjustments do not interact with each other. The mathematical expression for the amplifier output voltage is:

이 전압은 와이어의 진동 주파수에 비례하므로, 증폭기 출력 전압 V는 와이어(12)에 인가된 인장력 F의 크기를 제공해준다. 그러나 전압 V와 힘 F사이의 관계는 비직선형이며, 따라서 측정 신호로서 전압 V의 사용은 공정계측 시스템을 포함하여 여러가지 중요한 사용에 만족스럽지 못하다.Since this voltage is proportional to the vibration frequency of the wire, the amplifier output voltage V provides the magnitude of the tensile force F applied to the wire 12. However, the relationship between voltage V and force F is nonlinear, so the use of voltage V as a measurement signal is not satisfactory for many important uses, including process measurement systems.

2개의 분리 진동선을 사용하여 전술한 비직선성의 효과를 피하는 방법이 제안되었는데, 이 방법에서는 상기 분리 진동선에 미지의 힘과 기준힘이 2개의 와이어 중의 비직선 효과가 서로 상쇄되기 쉬운 비교 배열 내에 인가된다. 그러나, 이와 같은 구조는 실제로 복잡하여 공정 계기의 요건에 일반적으로 적합하지 못하다. 본 발명은 완전히 상이한 방법에 의하여 비선형(非線型) 관계의 문제점을 해결하였다. 따라서, 본 발명의 중요한 관점에 따르면, 본 발명 장치는 증폭기 출력 전압 V로 작동시켜 기타의 요인들을 최종 측정 신호에 도입시킴으로써 측정 신호와 미지의 힘 F사이에 완전한 직선 관계 효과를 발생시키는 전자 수단을 포함한다. 전압 V로 행하는 조작에 따라 와이어의 장력과 그의 공진 주파수 사이의 관계를 긴밀히 정합시키는 주파수-전류 변환작용이 일어나는 데, 이 관계는 다음 식으로 나타낼 수 있다.A method of avoiding the aforementioned nonlinear effects by using two separate vibrating lines has been proposed, in which unknown force and reference force are applied to the separated vibrating lines in a comparative arrangement in which the nonlinear effects in the two wires tend to cancel each other out. do. However, such a structure is actually complex and generally does not suit the requirements of the process instrument. The present invention solves the problem of nonlinear relationships by completely different methods. Thus, according to an important aspect of the present invention, the apparatus of the present invention provides an electronic means for operating at the amplifier output voltage V and introducing other factors into the final measurement signal to produce a complete linear relationship effect between the measurement signal and the unknown force F. Include. According to the operation performed at the voltage V, a frequency-current conversion action occurs in which the relationship between the tension of the wire and its resonant frequency is closely matched, which can be expressed by the following equation.

여기서, Al, A2 및 A3는 비례 상수임).Where Al, A2 and A3 are proportional constants).

전압 V로 상기의 조작을 행하기 위해서는, 이 전압을 작동 증폭기(136)에 접속된 가산 절속기(134)에서 대응하는 전류 Iq 띤 Is를 발생하는 2개의 조정 회로(130), (132)에 유도한다. (제1도에 의하면, 이 2개의 전류는 모두 I_SIG로 취급될 수 있다). 상부회로(130)는 저항기(140)로 구성되어 있으므로, 접속기(134)로 인도되는 전류 Iq는 V-Vb에 정비례할 것이다. 즉, Iq=(V-Vb)/R140이다.In order to perform the above operation with the voltage V, the voltage is applied to the two adjusting circuits 130 and 132 which generate the corresponding current Iq t Is in the add-in gearbox 134 connected to the operational amplifier 136. Induce. (According to FIG. 1, both of these currents can be treated as I _SIG ). Since the upper circuit 130 is composed of a resistor 140, the current Iq directed to the connector 134 will be directly proportional to V-Vb. That is, Iq = (V-Vb) / R140.

(1)식에서 V-Va=(f-fo) 이므로,Since V-Va = (f-fo) in this formula,

(여기서, b는 비례상수임).Where b is a proportionality constant.

다른 조정 회로(132)는 전술한 회로(100-106)과 유사한 변환콘덴서 충전/방전 제어 전류원으로 구성되며, 이것은 또한 구형파 스위치 제어 신호 SW ＂A＂ 및 ＂B＂에 의해 제어된다. 가산 접속기(134)의 전위는 작동 증폭기(136)(아래 참조)의 귀환 작용에 의해 Vb에서 고정되어 변환 콘덴서회로(132)에 인가된 총충전 전압은 V-Vb가 될 것이다. 그리하여, 제2조정회로(132)는 접속기(134)에 다음과 같은 전류를 운반한다.The other regulating circuit 132 is composed of a conversion capacitor charge / discharge control current source similar to the circuits 100-106 described above, which is also controlled by the square wave switch control signals SWA and BB. The potential of the addition connector 134 is fixed at Vb by the feedback action of the operational amplifier 136 (see below) so that the total charge voltage applied to the conversion capacitor circuit 132 will be V-Vb. Thus, the second adjustment circuit 132 carries the following current to the connector 134.

(여기서, C는 비례 상수임).Where C is a proportional constant.

Is 및 Iq를 결합하면,If you combine Is and Iq,

(여기서, B₁,B₂및 B₃는 각각 비례 상수임).Where B ₁ , B ₂ and B ₃ are each proportional constants.

조정될 수는 있으나 고정치인 제3전류 Iz도 역시 이하에서 명백하게 되는 바와 같이 송신기용 ＂리브제로(live zero)＂ 출력 전류(예, 4ma)를 제공할 목적으로 조정 저항기(134)에 의해 가산 접속기(134)에 인도된다. 이 전류 Iz는 상기의 식을 그대로 기본형으로 두고 여기에 제3항 B₃를 더한다.The third current Iz, which may be regulated but fixed, is also added by the adjusting resistor 134 for the purpose of providing a live zero output current (e.g., 4ma) for the transmitter, as will also be apparent below. 134). This current Iz leaves the above formula as it is, and adds paragraph 3 B ₃ to it.

3개의 전류 Iz, Iq 및 Is의 합은 귀환 저항기(144)를 통해 가산 접속기(134)를 지나는 귀환전류(Ifd)와 동일해질 것이다. 이 귀환전류는 출력파워 트랜지스터(146)과 부하 저항기(148)로부터의 부하전류 IL과 결합해서 출력 측정 신호 Io를 만든다. 송신기의 이 부분은 전술한 미국특허 제3,948,098호에 나타낸 것들과 비슷하므로 여기서는 구체적으로 설명하지 않겠다. 요약하자면, 작동 증폭기(136)은 측정 신호 Io가 본질적으로 귀환 전류 Ifb에 정비례하도록 하고, 이어서 3개의 전류 Iz, Iq 및 Is의 합과 같아 지도록 송신기 출력전압 Eo를 조절하도록 출력 트랜지스터(146)을 제어한다. 그리하여, 귀환 전류 Ifb와 측정 신호 전류 Io는 상기 식(5)와 동일한 형으로 스위칭 주파수 f의 함수가 된다는 것이 명백하다.The sum of the three currents Iz, Iq and Is will be equal to the feedback current Ifd through the addition connector 134 through the feedback resistor 144. This feedback current is combined with the load current IL from the output power transistor 146 and the load resistor 148 to produce the output measurement signal Io. This part of the transmitter is similar to that shown in the aforementioned U.S. Patent No. 3,948,098 and will not be described in detail here. In summary, the operational amplifier 136 causes the output transistor 146 to adjust the transmitter output voltage Eo such that the measurement signal Io is essentially directly proportional to the return current Ifb and then equals the sum of the three currents Iz, Iq and Is. To control. Thus, it is evident that the feedback current Ifb and the measurement signal current Io become a function of the switching frequency f in the same form as the above equation (5).

이 회로 배열은 미지의 힘 F와 송신기 출력 전류 Io사이에서 극히 효과적인 직선화의 관계를 가져온다는 사실을 발견하였다. 이 배열의 중요한 관점은 출력 신호에는 복수 기능을 갖는 주파수인 하나의 성분이 마련된다는 것이다. 설명된 실시예에 있어서, 이 신호 성분은 주파수의 자승에 비례한다. 즉, 조정회로(132)는 발진기(32)로부터 주파수 응답 신호 V와 주파수 신호를 증배시위기 위해 특수기능을 행하며, 그리하여 이들 2개의 신호의 결과, 즉 f²에 비례하는 단일 성분을 생성한다.This circuit arrangement was found to result in an extremely effective linearization relationship between the unknown force F and the transmitter output current Io. An important aspect of this arrangement is that the output signal is provided with one component, a frequency with multiple functions. In the described embodiment, this signal component is proportional to the square of the frequency. That is, the adjustment circuit 132 produces a single component in proportion to do the special function for crisis doubling the frequency response signal V and frequency signal from the oscillator 32, and thus result in these two signals, i.e., f ^2.

회로는 또한 주파수에 정비례하는 성분과 일정한 성분을 도입한다.The circuit also introduces constant and constant components that are directly proportional to frequency.

본 발명의 바람직한 일예에 돌아가 관찰하면, 바이어스 전압 Vb는 정전원전압 Vz와 공통 회로사이에 접속된 저항분압기(162), (164)를 포함하는 회로(160)에 의하여 발생된다. 이들 저항기의 접속으로 Vz이하의 기준 전압이 발생되며, 이 전압은 다른 입력단에 대하여 귀환접속을 갖는 작동 증폭기(166)의 일단부에 인가되므로, 그의 출력 전압이 기준전압으로 유지된다. 증폭기는 회로 전체를 통하여 Vb로한 다용도의 저출력 임피던스에서 Vb치를 유지한다. 본 발명의 일예에 있어서, 양전하(70V+)는 공통회로 상에서 8볼트, 전원전압 Vz는 공통회로 상에서 6.4볼트, Vb는 공통 회로 상에서 2볼트이었다.Returning to the preferred embodiment of the present invention, the bias voltage Vb is generated by a circuit 160 including resistance dividers 162 and 164 connected between the electrostatic source voltage Vz and the common circuit. The connection of these resistors generates a reference voltage below Vz, which is applied to one end of the operational amplifier 166 having a feedback connection to the other input terminal, so that its output voltage is maintained at the reference voltage. The amplifier maintains the value of Vb at the versatile low output impedance of Vb throughout the circuit. In one example of the present invention, the positive charge (70V +) was 8 volts on the common circuit, the power supply voltage Vz was 6.4 volts on the common circuit, and Vb was 2 volts on the common circuit.

조정 전력 공급기(48)은 이 기술계통에 알려진 여러가지 종류로 만들 수 있으므로, 제2도에 나타낸 회로의 기능은 구체적으로 나타내지 않는다. 그러나, V+의 전위는 공급리이드와 직렬 관계에 있는 FET트랜지스터(172)를 제어하는 작동 증폭기(170)에 의해 조정되고, 기타 전원전압 Vz는 저항기(176)을 통해 공급되는 제너다이오드(174)에 의해 조정된다는 것을 유의해야 된다.Since the regulating power supply 48 can be made in various kinds known in this technical system, the function of the circuit shown in FIG. 2 is not shown in detail. However, the potential of V + is regulated by the operational amplifier 170 which controls the FET transistor 172 in series with the supply lead, and the other supply voltage Vz is applied to the zener diode 174 supplied through the resistor 176. Note that it is adjusted by

본 발명의 출원 명세서와 그 특허 청구의 범위에 있어서, 진동 ＂와이어＂란 용어는 인가된 힘에 대응하는 주파수로 진동을 일으키기 위한 전술한 특성을 갖는 진동 소자라는 것을 이해하여야 하며, 이와같은 소자가 통상적으로 와이어라 호칭되는지에 대해서는 불문이다.In the application specification and claims of the present invention, it is to be understood that the term oscillation wire is a vibration element having the above-described characteristics for causing vibration at a frequency corresponding to an applied force. It is not known whether it is usually called a wire.

본 발명에 있어서는 적합한 실시예만을 구체적으로 기재하였지만, 이것은 본 발명의 설명의 목적으로서만 제공한 것이며, 이 기술 계통의 전문가들은 본 발명의 범위를 이탈함이 없이 본 발명의 배열을 여러가지로 변경할 수 있으므로, 본 발명은 그러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Although only suitable embodiments have been described in detail in the present invention, this is provided only for the purpose of explanation of the present invention, and those skilled in the art can variously change the arrangement of the present invention without departing from the scope of the present invention. However, this invention is not limited to such an Example.

Claims

A transmitter apparatus for producing a measurement signal in response to an oscillation frequency of an electric-wire force-sensing member tensioned by an unknown force and using it in an industrial process measurement system, the apparatus comprising a lead connected to the aforementioned vibration-wire Terminal means for; Electronic means including a wire-exciting means connected to the terminal described above, for supplying power to cause the vibrating motion of the wire at a frequency according to the tension of the wire; The aforementioned electronic means further comprising means for generating a first signal proportional to the aforementioned vibration frequency; The aforementioned first generating a second signal responsive to the multiple function of the aforementioned vibration frequency providing a non-linear transmission-functional characteristic that substantially matches the transmission characteristic between the force used in the wire and its resonant vibration frequency. Function-generating means connected to the signal generating means; And means connected to the output of the above-described function-generating means which provide a measurement signal corresponding to the above-described second signal and which have a characteristic of linear relationship effectively to the above-mentioned tension change of the wire. Transmitter device for