JP2016128794A - 物理量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐環境性能が高く、長期にわたり安定でかつ温度変化の影響が少ない状態で、例えば液体の粘度のような所望の物理量の連続的な測定が行える物理量測定装置を提供すること。
【解決手段】センサの共振周波数に基づき所望の物理量を測定するように構成された物理量測定装置において、
前記センサを含む第１の位相同期ループと、
前記センサを含む第２の位相同期ループと、
前記第１の位相同期ループの電圧制御型発振器の出力信号と前記第２の位相同期ループの電圧制御型発振器の出力信号を加算する加算器、
を設け、前記２つの位相同期ループを並列に動作させることを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物理量測定装置に関し、詳しくは、センサの共振周波数の半値幅に基づいて所望の物理量を測定するように構成された物理量測定装置における信号処理回路の改善に関するものである。

センサの共振周波数の半値幅に基づいて所望の物理量を測定するように構成された物理量測定装置の一種に、振動式粘度計がある。

日本工業規格（ＪＩＳ）の８８０３：２０１１には、「液体の粘度測定方法」が規定されていて、その第１１項には、「振動粘度計による粘度測定方法」について、
１）特徴及び測定原理
２）振動粘度計の種類
３）測定に用いる補助具
４）操作
５）補正
の各項目に分けて、詳しく説明されている。

図３は、上記ＪＩＳに記載されている振動式粘度計の原理構成図であって、回転振動（ねじれ）による粘度計を示している。
図３の粘度
計は、円筒状の振動子を回転方向に共振させ、粘性抵抗を求める方式であって、円筒状の粘度検出部が回転方向に振動する共振構造をもっている。

図３において、試料１が充填されている容器２の内部には、ねじりばね３が挿入されていて、その端部には慣性質量４が取り付けられている。容器２の内部のねじりばね３の途中部分には、節５が形成されている。

ねじりばね３の他端には、駆動部６を介して慣性質量７が取り付けられている。慣性質量７の上部には加速度計８が取り付けられている。

このような構成において、駆動部６は、両端にそれぞれ慣性質量４と７が取り付けられているねじりばね３を、左右に回転駆動する。

容器２の内部に設けられている慣性質量４には試料１の粘度に応じた粘性抵抗が回転動作を妨げるように作用するが、容器２の外部に設けられている慣性質量７には空気抵抗が作用するのみであり、空気抵抗は実質的には無視できる。

この結果、ねじりばね３には、試料１の粘度に関連した回転振動（ねじれ）が発生することになり、加速度計８は、上部に設けられている慣性質量７の加速度を測定することにより、試料１の粘度に関連した情報を求めることができる。

特開平１１−１８３３５３号公報

特許文献１には、連続的かつ高精度に燃料粘度を計測する方法及び装置の構成が示されている。

図４は特許文献１に記載されている液体粘度測定装置の回路図であり、符号は特許文献１の記載されているものを適宜変更している。図４に示す液体粘度測定装置は、電極により構成される入力端子１０ａと出力端子１０ｂを有する振動子１０と、振動子１０の入力端子１０ａに振動電圧を印加する発振器１１と、振動子１０の入力端子１０ａに印加される振動電圧の共振周波数ｆ_０を検出する周波数測定回路１２と、周波数測定回路１２で検出した共振周波数ｆ_０から燃料液体の密度ρを検出する密度演算回路１３と、発振装置１０の電極により構成される出力端子１０ｂからの電気出力を測定する電気出力測定回路１４と、電気出力測定回路１４から燃料液体の密度ρと粘度ηとの積ξを演算する積値演算回路１５と、密度演算回路１３と積値演算回路１５との出力から燃料液体の粘度ηを演算する粘度演算回路１６とを備えている。発振器１１は、パルス発生装置又は交流電源が使用される。

図４の回路構成において、粘度は、発振器１１の周波数と振動子１０の入力Ａと出力Ｂ及び周波数の関係から測定される。

ところが、図４の構成によれば、発振器１１の周波数は温度変化によっても変化することから、粘度測定にあたっては温度変化の影響を受けないように工夫する必要がある。

図５は従来の他の液体粘度測定装置の回路例図であり、回路のＱに基づき粘度を測定するものである。

図５において、電圧制御型発振器（以下ＶＣＯともいう）１の出力は、アンプ２を介して粘度計センサ３に駆動信号として入力される。粘度計センサ３の出力信号はアンプ４を介して位相検波器６に入力される。位相検波器６には、移相器５を介してＶＣＯ１の出力信号も入力される。位相検波器６の出力信号は、積分器７を介してＶＣＯ１に帰還入力される。

図５の回路構成で、粘度計センサ３を含む位相同期ループ（以下ＰＬＬともいう）が形成されている。

粘度計センサ３が一般的な共振動作をする場合には、共振点において入出力信号比が最大になるとともに、入出力間の位相が−９０°ずれる。

ここで、移相器５の移相量をゼロとした場合、位相検波器６の出力はアンプ４の出力と移相器５の出力の位相差が−９０°となることから、共振点で発振動作を継続する。

移相器５の移相量を−４５°とすると入出力間の位相は１３５°になり、移相量を＋４５°とすると入出力間の位相は−４５°になって、半値幅を測定するための二つの周波数を得ることができ、Ｑの測定が行える。

そして、粘度計センサ３の入力信号Ａの信号レベルと周波数および粘度計センサ３の出力信号Ｂの信号レベルと周波数に基づきＡＢ間の位相差を測定することにより、粘度測定の各種の手法を実施できる。

ところで、図４における振動子１０のＱの値や、図５の回路構成におけるＱの値は、原理的には共振点の近傍における共振の振る舞いを測定することにより求めることができるが、実際の測定にあたっては複数測定のシーケンスを組み、その測定結果と事前の校正情報から粘度を求めることになる。

しかし、測定対象の粘度測定にあたり、連続した測定値を必要とする場合には、従来例の原理通りの粘度測定で連続測定を実現することは困難である。

そこで、この対策として、例えば事前の校正において多数の測定を行っておき、この測定結果より校正計算を行うことが提案されている。

ところが、液体の粘度測定にあたっては、対象物の液体粘度そのものの温度による変化が大きいことから、センサの特性を適切に定めるのにあたっては、多数の校正測定を行って大量のデータを蓄積する必要がある。

さらに、高温、高圧力等の過酷な耐環境性能が求められる場合には、センサ部の発振器として、環境の温度変化が少ない所で使用する前提で設計されたものを使用することができず、より複雑な校正処理が必要となってしまう。

本発明は、このような従来の問題点に着目したものであって、その目的は、耐環境性能が高く、長期にわたり安定でかつ温度変化の影響が少ない状態で、例えば液体の粘度のような所望の物理量の連続的な測定が行える物理量測定装置を提供することにある。

このような課題を達成する請求項１の発明は、
センサの共振周波数に基づき所望の物理量を測定するように構成された物理量測定装置において、
前記センサを含む第１の位相同期ループと、
前記センサを含む第２の位相同期ループと、
前記第１の位相同期ループの電圧制御型発振器の出力信号と前記第２の位相同期ループの電圧制御型発振器の出力信号を加算する加算器、
を設け、前記２つの位相同期ループを並列に動作させることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の物理量測定装置において、
前記一方の位相同期ループの移相量を＋４５°とし、前記他方の位相同期ループの移相量を−４５°としてＱを測定することを特徴とする。

請求項３の発明は、
センサの共振周波数に基づき所望の物理量を測定するように構成された物理量測定装置において、
前記センサを含む第１の位相同期ループと、
前記センサを含む第２の位相同期ループと、
前記第１の位相同期ループの電圧制御型発振器の出力信号と前記第２の位相同期ループの電圧制御型発振器の出力信号を加算する加算器と、
前記２つの位相同期ループの出力信号を乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力信号から差の周波数成分を抽出する低域通過フィルタ、
を設け、Ｑを測定するための差の周波数成分を連続的に得ることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２または請求項３に記載の物理量測定装置において、
前記所望の物理量は粘度であることを特徴とする。

これらの構成によれば、長期にわたり安定でかつ温度変化の影響が少ない状態で、所望の物理量の測定が行える物理量測定装置が実現できる。

本発明に基づく振動式粘度計の一実施例を示す構成図である。 本発明に基づく振動式粘度計の他の実施例を示す構成図である。 ＪＩＳに記載されている振動式粘度計の原理構成図である。 従来の他の液体粘度測定装置の回路例図である。 従来の他の液体粘度測定装置の回路例図である。

以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は本発明に基づく振動式粘度計の一実施例を示す構成図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。図１において、図４のＰＬＬを第１のＰＬＬとすると、この第１のＰＬＬに加えて、さらに、ＶＣＯ８と移相器９と位相検出器１０と積分器１１とで構成される第２のＰＬＬが設けられている。

そして、これら第１のＰＬＬと第２のＰＬＬを並列に動作させるために、第１のＰＬＬを構成するＶＣＯ１とアンプ２の間には、第１のＰＬＬを構成するＶＣＯ１の出力信号と第２のＰＬＬを構成するＶＣＯ８の出力信号を加算するための加算器１２が設けられている。

このような構成において、粘度計センサ３には第１のＰＬＬを構成するＶＣＯ１の出力信号と第２のＰＬＬを構成するＶＣＯ８の出力信号が加算器１２で加算されて入力されるが、第１のＰＬＬと第２のＰＬＬのそれぞれ互いに独立したＶＣＯ１とＶＣＯ８の出力で位相検波器６と１０により位相検波されるので、第１のＰＬＬと第２のＰＬＬの相互間における影響はない。なお、積分器７と１１の積分定数は適切に設定する。

粘度を測定するためのＱ測定にあたっては、たとえば一方の移相器５の移相量を−４５°に設定し、他方の移相器９の移相量を＋４５°に設定する。

それぞれ互いに独立した第１のＰＬＬの発振周波数と第２のＰＬＬの発振周波数が所望の物理量（たとえば粘度）を測定するための半値幅を測定する周波数になるので、たとえば周波数カウンタでそれぞれの周波数を測定して両者の周波数の差を求める。

第１のＰＬＬの発振周波数をω１とし、第２のＰＬＬの発振周波数をω２とすると（ω２＞ω１）、半値幅が発振周波数に比べて小さいとき、
共振周波数ω０＝（ω１＋ω２）／２
とおくことができる。

この発振器のＱは、
Ｑ＝（ω１＋ω２）／２／（ω２−ω１）
となり、Ｑを測定できる。

この測定方法により、前述のＪＩＳ８８０３：２０１１に規定されている液体粘度を連続的に測定できる。

なお、位相は必ずしも−４５°と−１３５°に固定しなくてもよく、２つのＰＬＬ発振器を用いて固定設定した位相における発振周波数を測定し、計算によりＱ値を求めることができる。

また、位相変化を捉える電気的な手法はいろいろ提案されているが、本発明はどのような手法であっても適用できる。

図２は本発明の他の実施例を示す構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図２の実施例では、第１のＰＬＬを構成するＶＣＯ１の出力信号と第２のＰＬＬを構成するＶＣＯ８の出力信号を乗算器１２に入力してこれらを乗算し、乗算器１２の出力をＬＰＦ（ローパスフィルタ）１３を介して出力することにより、差周波数をアナログ的に得るようにしている。

第１のＰＬＬを構成するＶＣＯ１の出力信号と第２のＰＬＬを構成するＶＣＯ８の出力信号を乗算器１２で乗算すると、乗算器１２は２つの入力周波数の和の周波数と差の周波数を出力する。そこで、ＬＰＦ１３を用いて差信号のみを取り出すことで、Ｑを測定するための差周波数の連続出力を得ることができる。

なお、上記実施例では、物理量として粘度を測定する例について説明したが、物理量は粘度に限るものではなく、本発明は同様の原理により動作する粘度以外のその他のセンサや共振回路のＱ値測定回路としての適用可能である。

以上説明したように、本発明によれば、温度や時間等による変化が少なく、堅牢かつ安定で、所望の物理量の連続測定が行える物理量測定装置が実現できる。

１、８ 電圧制御型発振器（ＶＣＯ）
２、４ アンプ
３ センサ
５、９ 移相器
６、１０ 位相検出器
７、１１ 積分器
１２ 乗算器
１３ ＬＰＦ（ローパスフィルタ）

Claims (4)

1. センサの共振周波数に基づき所望の物理量を測定するように構成された物理量測定装置において、
   前記センサを含む第１の位相同期ループと、
   前記センサを含む第２の位相同期ループと、
   前記第１の位相同期ループの電圧制御型発振器の出力信号と前記第２の位相同期ループの電圧制御型発振器の出力信号を加算する加算器、
   を設け、前記２つの位相同期ループを並列に動作させることを特徴とする物理量測定装置。
2. 前記一方の位相同期ループの移相量を＋４５°とし、前記他方の位相同期ループの移相量を−４５°としてＱを測定することを特徴とする請求項１記載の物理量測定装置。
3. センサの共振周波数に基づき所望の物理量を測定するように構成された物理量測定装置において、
   前記センサを含む第１の位相同期ループと、
   前記センサを含む第２の位相同期ループと、
   前記第１の位相同期ループの電圧制御型発振器の出力信号と前記第２の位相同期ループの電圧制御型発振器の出力信号を加算する加算器と、
   前記２つの位相同期ループの出力信号を乗算する乗算器と、
   前記乗算器の出力信号から差の周波数成分を抽出する低域通過フィルタ、
   を設け、Ｑを測定するための差の周波数成分を連続的に得ることを特徴とする物理量測定装置。
4. 前記所望の物理量は粘度であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の物理量測定装置

Images