JPH0663795B2 - ファイバオプチック渦離脱流量計制御用ディジタル回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は、新規かつ有用なファイバオプチック渦離脱流
量計制御用ディジタル回路に関するものである。

［従来の技術］ ファイバオプチックセンサ装置が渦離脱流量計で使用で
きる。この種の流量計では、センサビーム（梁）が、流
路中の障害物により流体の流れの中に発生した流体渦を
伴う流体流れに露呈される。流体渦発生（離脱と呼ばれ
る）周波数により流体流量の測定が行われる。渦が離脱
されるごとにセンサビームが運動する。この運動は、フ
ァイバオプチックケーブルを通じて送信および受信され
る光の特性を変化するのに使用される種々の知られてい
るアッセンブリのうちの任意のものに伝えられる。この
種のアッセンブリは、光ファイバまたはセーブルを湾曲
させその光強度を変調させるマイクロベンドジョー部材
と、センサビームに応答して運動するファイバ端部のう
ちの一つを有しファイバを伝送する光の一部を除去する
分離した光ファイバアッセンブリとを備える。

渦離脱流量計を制御する制御装置を提供することは当技
術分野でよく知られている。ファイバオプチックケーブ
ルを伝送する光信号を、制御装置と相溶性（compatibl
e）の電気信号に変換するために、変換装置が制御装置
の一部として提供されねばならない。変換信号を中央制
御装置へ伝送するために、通信路もまた制御装置の一部
として提供されねばならない。

流量計のような変換器からの信号を中央制御装置へ伝送
する工業的に受け入れられている知られている一つの系
２線式の４〜20mAのアナログ伝送系である。トンプソン
による米国特許第４、655、353号に開示されるように、
ファイバオプチック渦離脱流量計のために、２線式の４
〜20mA伝送系を使用することは当分野で知られている。

アナログ伝送系で、光ケーブルでの被変調光の強度は、
センサビームにより指示される流れに比例するアナログ
電流または電圧に変換される。これらのアナログ伝送系
に渦離脱流量計の応用を制限してしまう。離脱される渦
は非直線性の量であり非直線性の信号は４〜20mAの伝送
系で伝送可能な正確な流量信号の範囲を制限してしま
う。アナログ回路系でヒステリシスおよび熱的ドリフト
の影響があり、４〜20mA伝送系を通じて伝送される渦離
脱流量形信号の再現可能性それゆえ正確さが制限され
る。アナログ伝送路は、流量計および制御装置間の制御
信号通信を行うことができず、流量計により感知される
流れを中央処理装置へ伝送することによる一方向性の通
信のみを行うことができる。何らの制御信号も中央処理
装置から流量計へ送信できない。

ファイバオプチック渦離脱流量計制御系で使用される従
来の装置は、渦離脱流量計の範囲をも制限してきた。た
とえば、米国特許第４、628、197号で開示される現在の
変換装置で使用されるプリアンプ回路は、渦離脱流量計
が発生する下側端信号を感知できない。

かくして、渦離脱現象の非直線性の調整が行われ、熱の
影響およびヒステリシスが修正および除去されるファイ
バオプチック渦離脱流量計用のディジタル制御回路が必
要である。ファイバオプチック渦離脱流量計と制御装置
との間の双方向形ディジタル通信を行いかつファイバオ
プチック渦流量計で使用される変換回路の下側端感度を
改善することが望ましいものとなっている。

［発明の概要］ 本発明は、ファイバオプチック渦離脱流量計の制御装置
に関連した従来の種々の問題の全てを克服するものであ
る。本発明は、温度と直線性およびヒステリシスの影響
を修正する新規かつ改善されたディジタルコンピュータ
およびプリアンプ回路を提供することによりこれを実現
するものである。

したがって、本発明の一様相は、ファイバオプチック渦
離脱流量計のための、渦離脱現象の非直線性により悪影
響を受けることのないディジタル制御装置を提供するこ
とである。

本発明の別の様相は、ファイバオプチック渦離脱流量計
のための、ヒステリシスおよび熱的ドリフトの影響を修
正するディジタル制御装置を提供することである。

本発明のさらに別の様相は、ファイバオプチック渦離脱
流量計のための、渦離脱流量計から制御信号を受信およ
び送信するディジタル制御装置を提供することである。

本発明のさらに別の様相は、ファイバオプチック渦離脱
流量計のために、渦離脱流量計の下側端範囲を増加させ
るディジタル制御装置を提供することである。

［好ましい実施例の詳細な説明］ 第１図を参照すると、ファイバオプチック渦離脱流れセ
ンサ12と変換装置14と中央処理装置16とディジタル通信
装置18と電源20とを備える、本発明によるファイバオプ
チック渦離脱流量計のためのディジタル制御装置が10が
図示されている。

変換装置14は、発光ダイオード駆動回路（LEDドライブ
回路）24とプリアンプ回路26とに接続されるタイミング
回路22を備える。発光ダイオード駆動回路24は、渦離脱
流れセンサ12を通じファイバオプチックケーブル28によ
りプリアンプ回路26へ接続される。プリアンプ回路26
は、ライン52および54を通じて中央制御装置16へ接続さ
れたフィルタ回路30へ接続される。

第２図を参照すると、タイミング回路22、発光ダイオー
ド駆動回路24およびプリアンプ回路26の模式図が図示さ
れている。動作を説明すると、標準的には、１パーセン
トのデューティーサイクルを有しそして100ないし200mA
の振幅を有しそして約800Hzの繰り返し率ないし周波数
を有する一連のパルスとして電流が発光ダイオード32へ
供給される。標準的には7555タイマーなど低電力CMOS型
式の555タイマーの発振器U6が、発光ダイオード32を流
れる電流の制御信号を発生するのに使用される。トラン
ジスタQ1、Q2が7555タイマーの出力を増幅する。変成器
T1が発光ダイオード32の1.5Vの駆動要求と標準的には６
ないし10Vのより高い回路の駆動電圧と整合するのに供
される。この変成器T1は標準的には巻比数が4:1のパル
ス変成器である。キャパシタC5が、発光ダイオード32の
パルス間に電荷を蓄積することにより、駆動回路24の休
止中、電源20での電圧パルス生成から大電流パルスをア
イソレートするのに供給される。発光ダイオード32を流
れる電流は主としてキャパシタC5に蓄積された電荷から
生ずる。

光パルスがファイバオプチックケーブル28および渦離脱
流センサ12を通じてプリアンプ回路26の光検出器34へ伝
送される。減衰変化は、ファイバオプチックケーブル28
の湾曲またはファイバオプチックケーブル28内のカップ
リング部での光の変化の度合いにより影響を受け、結果
的に生ずる光の量の変動は流量計12での流れに比例す
る。光検出器34は受容光を電気信号（標準的には電流）
に変換し、そしてこれを切替手段S1を通じてプリアンプ
回路26の残りの部分に供給する。

発振器U6が発光ダイオード32のための制御信号を発生す
るとき、発振器U6は同様の制御信号をワンショットマル
チバイブレータU4へも送信する。マルチバイブレータU4
は送信されるパルスの前縁によってトリガされ、切替手
段S1、S2、S3、S4および演算増幅機U1を賦活する。こう
して、プリアンプ回路26は、発光ダイオード32がパルス
作動されるとき「ターンオン」される。

演算増幅器U1は、それが受信した電流パルスを電圧パル
スへ変換する。演算増幅器U1は、マルチバイブレータU4
が切換手段S1〜S4を賦活しているとき、その高速・大電
力動作モードへ賦活される。この演算増幅器は引き続
き、発光ダイオード32へ向かう次のパルスが受信される
まで、その低速・低電力モードへ復帰する。こうして、
この演算増幅器は、回路の動作にとって必要でない時間
中は、大電力を取り出さない。オフ時間中、演算増幅器
U4は、その出力電圧を次のパルスまでほとんど一定に保
持する電圧フォロアモードに切り変えられる入力接続部
を有する。こうして、次のパルスが増幅されるとき出力
段での電圧の大幅な変化がない。

ピーク追従サンプル・ホールド機能が、発光ダイオード
32への次のパルスまで、演算増幅器U1の出力を記憶する
ために、キャパシタC1、抵抗R1および切替手段S3の組合
せによって遂行される。この組み合せによる時定数は、
抵抗R1とキャパシタC1とパルスデューティサイクルの値
により決定される。時定数は最大のセンサ信号が通貨可
能なよう十分速くなければならない。

演算増幅器U2、U3が、パルスの平均ピーク電流に等しい
電流を抵抗R2を通じて引き出すフィードバックループを
提供する。この電流は演算増幅器U1の反転入力へ与えら
れる。このようにして、光検出器34からの信号の平均ピ
ーク値は演算増幅器U1の出力から除去される。これによ
り、演算増幅器U1の出力で認められる増幅信号だけが平
均ピーク値からの変調分でありそしてこれらの信号だけ
が流れセンサ12を通る流れを認定するのに必要とされる
信号である。このループの時定数は、所望される最も低
い周波数の通過が許容されるがより低い周波数または雑
音がフィードバックループにより除去されるよう十分長
い。抵抗R3、キャパシタC2およびパルスデューティサイ
クルがこの時定数を決定する。

第３図はフィルタ回路30へ送られる標準的な出力信号を
図示する。

第４図を参照すると、比較器38、40を備えるフィルタ回
路30の模式図が図示されている。これらの増幅器38、40
は標準的には演算増幅器でありそして互いに逆極性であ
りそしてこれに基準電圧が与えられる。これらの電圧は
抵抗42を横断する小さな電圧に応じて決定される種々の
大きさのものである。基準電圧は信号共通から等距離の
ところである（標準的にはＶ_＋の１／２である）。抵抗
44、46およびキャパシタ48は、ライン50のプリアンプ回
路26から予想される全ての信号の通過を許容する高域フ
ィルタを形成する。

動作を説明すると、正弦波が２つの比較器38、40へ与え
られ、そのそれぞれの出力が、第５図に図示されるよう
に、50パーセントのデューティサイクルよりもわずかに
小さいデューティサイクルを有しそして位相が180度ず
れている。ライン52の演算増幅器38からの出力はライン
50のプリアンプ回路26からのその入力が基準レベル１を
超えているとき、高い状態にあり、そしてライン54の演
算増幅器40からの出力が、ライン50のプリアンプ回路26
からのその入力が基準レベル２よりも小さいとき、高い
状態にある。このフィルタ回路30は、上述の基準レベル
を超えるかまたはこれよりも小さい変化する信号により
影響を受けることのない方形波を発生することにより雑
音を除去する。

第１図に戻ると、ライン52、54の矩形波は、標準的には
マイクロコンピュータであるコンピュータ56へ入力され
る。コンピュータ56は、ライン52および54を伝送せられ
たもののような方形波の立ち上がり縁部で一定の機能を
遂行する。これらの機能は、8KバイトのROM58に記憶さ
れるソフトウエアプログラムにより行われる。一つのソ
フトウエアプログラムが、ライン52および54の２つの出
力信号とプリセットタイミング発振器60との間の差を認
定することにより、流量計の流体の流れを計算する。RO
M58に記憶される別のプログラムが、渦離脱現象の非直
線性を修正するために入力信号52、54で計算を遂行す
る。計算は、周囲温度センサ62により決定される温度ド
リフトの影響を修正するために行われることもまた可能
である。ライン52および54の信号のタイミング変位が必
要とされる理由は、必要に応じ、種々の時間に、種々の
ソフトウエア作用が開始するよう２つの異なる前縁を提
供するのが必要とされるからである。最後に、全ての修
正および計算が完了した後に、コンピュータ56がある出
力パルス幅のものを電圧−電流変換器64へ送る。変換器
64は、コンピュータ56からの計算値に応じて４〜20mA電
流ループを調整する。変換器64の動作は米国特許第４、
604、566号に詳細に説明されている。出力側（OUT）お
よび入力側（IN）インターフェース66および68が、それ
ぞれ、コンピュータ56と中央処理ステーション（図示せ
ず）との間のディジタル通信を許容する。これらのイン
ターフェース66、68は操作者が、流量計の機械的性能や
周囲温度や較正や流量などの変量について、流量計を探
索するのを可能にする。操作者に、順次必要な調整を行
うことができる。出力側インターフェース66は、米国特
許第４、607、247号に詳細に説明されておりまた入力側
インターフェースは、米国特許第４、729、125号に詳細
に説明されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による制御装置のブロック図である。 第２図は、光−電気変換を行う回路を図示する模式図で
ある。 第３図は、プリアンプ回路の出力を図示するグラフ図で
ある。 第４図は、フィルタ回路を図示する模式図である。 第５図はフィルタ回路の出力を図示するグラフ図であ
る。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ファイバオプチック渦離脱流量計を制御す
   るディジタル電気回路装置において、 発光手段と、 光検出手段と、 前記ファイバオプチック渦離脱流量計により測定される
   べき流体流量に応じて発光手段から光検出手段へ向かう
   光の減衰度を変える、発光手段および光検出手段に接続
   される光結合手段と、 前記光減衰度変化に比例した電気信号を発生する手段で
   あって、当該光減衰度の平均ピーク値を除去するフィー
   ドバック手段を具備し、前記光信号変化に比例した当該
   電気信号を発生する手段と、 前記電気信号を時間的に離隔された少なくとも２つの出
   力信号に分離するフィルタ回路手段であって、信号雑音
   を除去するために各出力信号を所定の基準レベルと比較
   するための手段を具備する当該フィルタ回路手段と、 前記流量を決定しかつ当該流量を周囲温度に応じて修正
   するために前記出力信号を受信するコンピュータ手段と
   から構成されるファイバオプチック渦離脱流量計制御用
   ディジタル電子回路装置。
2. 【請求項２】前記コンピュータ手段は渦離脱流量計に向
   かい通信を行いそして渦離脱流量計からの通信を行うデ
   ィジタル手段を有する請求項１のファイバオプチック渦
   離脱流量計制御用ディジタル電子回路装置。
3. 【請求項３】前記コンピュータ手段は、渦離脱現象の非
   直線性を計算できそしてこれに応じて前記流体流量を修
   正することができる請求項１のファイバオプチック渦離
   脱流量計制御用ディジタル電子回路装置。
4. 【請求項４】流体流量の修正のため前記周囲温度を入力
   するために前記コンピュータ手段に接続される温度セン
   サを具備する請求項１のファイバオプチック渦離脱流量
   計制御用ディジタル電子回路装置。
5. 【請求項５】前記コンピュータ手段に応答し４〜20mAの
   電流ループを調整する手段を具備した請求項１のファイ
   バオプチック渦離脱流量計制御用ディジタル電子回路装
   置。