JPS58156826A - 圧力周波数変換器 - 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】 く技術分野〉 本発明は一般的には、外部から及ぼされた影響に従って
変化する共振周波数を有する振動素子を使用した制御装
置の分野に関するものであり、より詳細には圧力周波数
変換が存在する分野に関する。

〈背景技術〉 ７０ロセス制御工業に於いて、流体の流速や圧力、温度
等のようなプロセス変数の変化を検知するために、水晶
やリード、針金、もしくはフラットリボンのような振動
素子の振動特性を使用することによって、正確で効果的
な感知器を作ることが可能であることはよく知られてい
る。この場合、振動素子の機械的な特性、及びそれによ
るところの共振周波数の変化を有効にするために２、中
間機構を使って監視するプロセスの効果をその振動素子
に結合するのが一般的である。はとんどの場合、これら
の感知器は圧力を周波数に変換するものであり、この圧
力は感知するべき最終的なプロセス変数であるか、ある
いは最終的なプロセス変数と伺らかの関係を有する中間
変数のいずれかである。

通常、振動する針金かリボンの場合は、変化する圧力が
伸縮するベロに供給され、次にこのベロが針金に対して
機械的に連結される。与えられた圧力の影響によってベ
ロが伸縮すると、それに従って針金の張力が変化する。

針金もしくはリボンの張力が大きくなるに従って、その
共振周波数が高くなる。針金の振動を誘起させるために
は、数種類の従来からの手法のうちのいくつかを使用し
、この振動の周波数を検知してそれを監視されるプロセ
ス係数に対して較正するには通常の電子回路を用いる。

このような振動線方式の代表的なものは、米国特許第４
，１６５，６５１号及び第４，１４９，４２２号、さら
に審査中の米国特許出願事１６１，１２３号及び第１５
５，３２５号に示されている。これらの譲渡人はすべて
本出願と同一である。

これらの先行した装置の多くはプロセス制御分野に広汎
な応用を見出したが、それにもかかわらずそれらはいく
つかの欠点を有している。例えば、振動線型の装置の共
振周波数は、与えられた圧力の変化に対して線形では々
く、従って線形化する機構を用いなければならない。振
動線を保持する構造や張力を調整する機構の複雑性が、
温度による誤差の複数の源となり、それに対して補正を
しなければならない。また、変化する出力と振動素子の
間に中間構造物の存在することが、感知器の全体の複雑
性と価格を増大する。

〈発明の目的〉 以上の考察の観点から、本発明の目的とするところは、
圧力信号を周波数信号に線形変換するだめの単純化され
た構造であって、振動素子が圧力源と直接的に相互作用
する構造を提供することである。

さらに、現存する空圧制御装置に容易に適合可能な機構
を使用した上記の構造を実現することも目的のひとつで
ある。

さらに、光学的な検出手法とともに使用するととに容易
に適合可能な装置を用いて、上記の目的を実現すること
も本発明の目的である。

〈発明の要約〉 本発明による圧力周波数変換器の実施例は、内部空洞を
有する振動素子であって、その共振周波数が空洞の内部
圧力の大きさに従って変化する振動素子を有する。この
変換器はさらに、外部にある変化する圧力源に於ける変
化に従って、空洞の内部圧力を変化させるだめの装置と
、振動素子を駆動して、それを共振周波数で発振させる
だめの装置を有する。また、その素子の共振周波数を検
出し、その共振周波数を外部の変化する圧力の強さに対
して較正するだめの機構も提供される。

本発明の特定の実施例に於いては、内部空洞が非圧縮性
の流体で満たされ、この流体は密閉するための変形可能
な隔膜によって空洞内に保持される。この変形可能な隔
膜は外部圧力の変化に従って、空洞の内部方向もしくは
外部方向のいずれか１　　　圧力差の方向に応じた方向
に移動する。圧力が増大する場合、隔膜は空洞の中にさ
らに深く移動して流体の圧力を増大させ、その結果素子
の可撓性を有する構造体の壁を外部方向に変形させる。

このことはその変形に対して垂直外平面にある撮動素子
の機械的なステイフネスを増大させる効果を有する。増
大したステイフネスはそれに対応して素子の共振周波数
の増大をもたらす。

ひとつの方法として、素子の壁の側部表面に反射性をも
たせ、それによって振動の周波数を検出するために光感
知器の使用を可能にすることが出来る。この反射性の表
面から光感知器に反射する光の強さは、振動素子の共振
周波数に於いて変化する。

〈発明の実施態様〉 付図を参照した以下の詳細な説明によシ、本発明の新規
な態様と明瞭な利点を明らかにする。

第１図で、圧力周波数変換器１１は、ネジ１７によって
互いに連粕された２個の分離したＬ字形部１４を持つ収
シ付は台１３を有する。このＬ字形部は中央に空洞１９
が出来るように配置される。

この空洞内には、薄い振動素子、２１が上方に延びてお
り、この素子は２個のＬ字形部の間にその底端部がかす
がい止めされ、片持梁の要領で空洞内の横方向に曲がる
ことが可能になっている。この素子は一般的々矩形断面
を有する円筒状で、外壁２３及び２５を有するように図
示されており、これらの壁は適当な接合法でその共通端
部に溢って接合される。円筒の全体の巾が全体の厚みよ
り十分に太きければ、断面が他の形状をした円筒でも本
発明に使用することが可能である点に注意を要する。

矩形断面素子２１の場合（第２図も参照のこと矢外壁２
３及び２５はスプリングのような材料でできている。す
なわち、弾性的に変形可能で、その変形力が取如除かれ
ると、通常の形状に戻る性質を有する材料でできている
。このような材料としてはステンレス鋼や、伺らかの形
態をしたプラスチックもしくはゴムも含まれる。特に適
した材料は、その熱特性が好ましいことから、石英及び
Ｎｉ−８ｐａｎ−ＯＣインターナショナル　ニッケルコ
ーポレーション社（工ｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｎ１
ｃｋｅｌＣｏ、、　Ｉｎｃ、　）のハンチングトン合金
部（ＨｕｎｔｉｎｇｔｏｎＡｌｌｏｙ　Ｐｒｏｄｕｃｔ
ｓ　Ｄｉ、ｖｉｅ士ｏｎ　）の商標である〕として知ら
れるニッケル、鉄、及びクロムの合金である。説明上、
第１図の振動素子はＮｉ、−３ｐａｎ’−０であると見
々す。この振動素子は、Ｌ字形部１４と仲介部２７に於
ける枢軸に関して、横方向に振動することが出来る。こ
の素子はまた、参照番号２８に示すように、下方の台の
中に延長している。外壁２５にある通気口２９（第２図
も参照のこと）か、取り付は台を貫通する通気管３０の
一方の端部と接続する。通空管の反対側の端部は、変化
する可搾空気圧源に接続する。この圧力は測定の対象と
なる変動する物理量であってもよいし、あるいは他の変
動する物理量（例えば温度、変位等）と一定の関係を有
するものであってもよい。第２図に示すように、この通
気口は素子内の内部空洞３１と通じている。

取り付は台１３の■・字形部１４には、クランプ３５に
よって１対の電磁コイル３３が固く固定されている。こ
のコイルは通常互いに向き合うように配置するが、振動
素子２１の一方の側に１個配置し、他方の側に別の１個
を配置する。このコイルを適当な交流励磁電流源（図示
されていない）に接続する。この励磁電流が通常の形式
でコイルを励磁することによって、素子の磁性を有する
（　Ｎｉ−８ｐａｎ−Ｃ）外壁２３及び２５との相互作
用により素子をその固有の共振周波数で振動させる磁界
が発生されるようにする。図示した実施例では、電磁式
の駆動方式を用いて説明しであるが、他の同等な能力を
有する駆動方式も可能であり、実際振動素子の壁が非磁
性材料でできている場合はその必要がある。例えば、代
替的な方法としては、適当な形状をした噴射口が考えら
れる。振動素子の外壁に、空気流を連続的または間欠的
に供給することによって、振動を誘起するようにこの噴
射口を配置するのである。他に、通常の機械的な駆動方
式も可能であυ、本発明との関係に於いて、有効に使用
することが可能である。数十分の２．５″１ｃｒｎ（数
十分の１インチ）の桁の壁厚と約２．５　ｃＩｎ〜５．
０ｃｍ（約１インチ乃至２インチ）の長さを有する代表
的な振動素子の場合、振動を発生させるのに必要なエネ
ルギはほんの数マイクロワットである。

１本の光ファイバがクランプ３５の一方を通って延びて
おシ、振動素子２１に隣接して配置されている。このフ
ァイバの機能は、遠隔感知装置３９と組み合わされて、
素子の振動周波数を検出して、対応する時間変化を有す
る出力信号を発生することである。この信号は、後述で
より祥細な説明を行う方法で処理されて、圧力の変化の
指示を提供することが可能な信号である。

素子２１の公称共振周波数は、その寸法及び構成材料を
含めた物理的特性によって決定される。

しかしながら、共振周波数の公称値からの変化は、圧縮
された流体、すなわちほとんどの場合空気、を内部空洞
３１に取シ込むことによって有効にすることが出来る。

第２図及びさらに明瞭には第６Ａ図及び第６Ｂ図に示す
ように、振動素子２１の内部の大部分は空洞３１によっ
て占有されており、この部分は基本的にこの共振素子の
外部輪郭と同一の形状をしている。この空洞は通気口２
９と連絡して、外部の発生源（図示されていない）から
供給される空気が、空洞内の圧力を変化させることを可
能にする。空洞内に押し込まれる空気が多くなるにつれ
て、内部圧力が素子の回りの領域に於ける気圧を越えて
上昇し、壁２３及び２５が外側に拡がる。当然、素子の
構造と材料は、それが使用時に受ける通常の動作圧力に
耐えるとともに、不測な過負荷の場合に於ける安全のだ
めの余裕をもつようにしなければならない。プロセス制
御工業に於いて、共通的に使用される動作圧力の範囲Ｕ
３乃至５　ＰＳ工Ｇである。素子が耐えることの出来る
最大の圧力は、他の事項の中でその巾（Ｗ）と外壁の厚
み（Ｔ）に依存し、次の公式に従う。

％式％） 素子の公称共振周波数とは、空洞中の圧力が周囲気圧に
等しく、素子が解放されてふくらんでいない状態（第６
Ａ図を参照のこと）の場合に於ける周波数である。

しかしながら、第６Ｂ図では圧力が周囲気圧以上の位置
に上昇しており、壁２３及び２５は外側に曲がってその
位置が新しくなっている。各々の壁が曲がるとそのステ
イフネスが増大し、従ってその素子自身の全体のステイ
フネスが増大する。

このステイフネスの増大は次に、張力の増大が振動する
弦の共振周波数を上昇させるのと同様に、共振周波数の
上昇をもたらすことを意味する。実験によυ、素子２１
の共振周波数は、内部圧力の変化に対して直線的に変化
し、特にその線形変化の範囲は、約６乃至１５ｐｓ工Ｇ
の商用的に有用な圧力範囲を越えることが分っている。

当然、特別の圧力範囲を越えて線形変化する周波数を有
する素子は、材料と寸法を適当に選択することによって
開発することが可能である。この線形関係の存在が、周
波数信号の以後の処理に於いて、線形化するだめの機構
や回路を用いる必要性を排除し、圧力測定の精度を高め
る。

また、振動素子の台への固定の仕方によっても、線形度
をある程度まで高めることが可能である。

第１図に於いて、素子２１の枢軸運動の中心となる、素
子とＬ字形部１４の仲介部１７は基本的に直線である。

しかし、低圧力に於ける線形性を確保するためには、こ
の仲介部に直線以外の輪郭を必要とする。このように変
形することは応力解析の技術から言って容易なことであ
るので、ここでは詳述を省略する。

第１図及び第２図の実施例では、圧力の増大が直接内部
空洞３１に伝達されるが、ある場合にはこの点が実用的
でない可能性がある。と言うのは、空気によって運ばれ
る不純物が空洞内に蓄積されて、素子２１の動的な応答
性に悪影響を及ぼす可能性があるからである。このよう
な場合のためには、第６図のような別の構造を使用する
ことが可能である。この実施例では、内部空洞にシリコ
ン油のような非圧縮性の流体４３を満たす。この流体を
弾性的に変形可能な隔膜４３によって空洞内に密閉し、
隔膜の内側の表面４３ａをその流体に１　　　完全に接
触させる。このようにすることによシ、変化する外部圧
力は、外壁２３及び２５に直接作用する代わシに、隔膜
の反対の外側の表面４３ｂに作用する。圧力の変化に応
じて隔膜が内側に変形すると、その圧力増加が一杯に満
たされた流体４１に直接伝達され、次に流体が壁に作用
して、前述のように壁を外側に拡げる。

共振素子２１の、製造を簡略化したさらに別の構造を第
４図に示ｔ。ここでは６つの部分から成るサンドイッチ
型の構造を用いており、底部４５は第１図及び第２図に
示す素子の外壁２３及び２５と基本的に同一の、適当な
弾性材料でできた平板である。上部４７は底部とほとん
ど同一であるが、通気路（図示されていない）と連絡す
るだめの通気口４９を有することが異なる。中間部５１
については第５図により詳細に示しであるが、切υ取り
または打ち抜かれた開口５３を有している。＃５５がこ
の開口５３と互いにつながっている。これらの３つの部
分をいっしょに積み重ねて、適当な溶接処理でその外回
シを接合することによって一体化すると、開口が内部空
洞となる。溝５５が通気口４９と交差して、空気が空洞
に取り込まれることを可能にする。

次に第５図を参照すると、振動素子２１は薄い壁を有し
た１片の管からできておシ、この管をその長さのほとん
ど大部分にわたって平坦にし、その最も外側の端部６１
のところで曲げて溶接することにより、流体に対して密
封構造にする。最も内側の端部６３は、もとの円形の断
面のまま残して、変化する圧力源（図示されていない）
と連絡する変換部６５に装着し易いようにする。

本発明によって実現されることは、圧力の変化を対応す
る周波数の変化に直接変換することである。この圧力は
測定の対象となる最終的な係数であることも可能である
し、または代わりに別のプロセス係数に対応する中間係
数であることも可能である。例えば、最終的なプロセス
係数が温度である場合、その温度を使用して、伺らかの
熱応答装置を膨張させることによって、増大した圧力を
発生させ、その増大した圧力を振動素子に供給すること
が可能である。このような場合には当然、温度、圧力及
び結果として生ずる周波数の間の相互関係を決める係数
を信号処理に取り入れて、正確な出力指示を生じるよう
にしなければならない。

同様な手法で、流速や水位さらに機械的な変位を表わす
圧力信号を、本発明によって直接読み取れる周波数に変
換することが可能である。

共振素子の発振を拾ってその周波数を測定するためには
、従来から用いられている多くの検出方式のいずれかを
使用することが出来るが、特に有用な方式は、譲受人が
本発明と同一である審査中の特許第３５０．６８７号に
開示されているものと同様な、光学的な感知方式である
。

次に第７図を参照ｌ−て、光学式検出装置３９の動作を
説明する。電源９３が発光ダイオードＬＥＤ９５に電圧
を供給し、分光器９７に投入される光のビームを発生さ
せる。ＬＥＤによって発光される光は、連続しだ形ある
いはパルスの形のいずれかその応用に適した形で発生す
ることが出来る。

分光器は、左側の方向から投入される光に対して、その
一部をレンズ９９全通してＴｃ直ぐ伝達し、他を下方に
反射させるように設計される。レンズは伝播される光を
、装着された光ファイバ３７に集光する。この光ファイ
バの端部は、振動素子２１に隣接するようにして、クラ
ンプ３５（第１図も参照のこと）の中に固定される。こ
のようにして、光ファイバによって光が高速に振動する
素子上に導かれる。素子２１がファイバ３７の方に向っ
て移動した後、次にファイバから遠ざかるように移動す
ることを交互に行うと、素子の外部表面によって反射さ
れてファイバに戻される光の強度は、振動の周波数と同
じ速度で周期的に変化する。素子の外部表面には、その
反射率を高めるだめに、反射性のダ皮を施すことも可能
である。強度変調された反射光は、ファイバに浴って走
行して分光器９７に戻され、ここでその一部が光検出器
１０５に導かれる。光検出器は強度の変化する光のビー
ムを、同一の周波数で大きさが変化する電気信号に変換
する。光検出器からのこの電気出力は増巾器１０７によ
って増［１〕され、通常の電子回路１０９１ｊ　　　　
に送られる。この回路は周波数信号を測定の対象となる
プロセス係数の大きさに較正する。この回路の出力は表
示装置を動かすのに使用したわ、あるいは他のプロセス
制御機能に役立つように式らに処理を施したりすること
が出来る。

付図に示した特定の実施例の見地から本発明を説明した
が、先行技術に関係している技術者にとっては改造や変
更の存在は明白である。例えば、素子を駆動して振動さ
せる方式や、光学式であろうと非光学式であろうと振動
の周波数を検出する方式としての代替的な方式はもちろ
んのこと、振動素子の構造の改造も考えることが出来る
。いずれにせよ、そのような改造は本発明の特許請求の
範囲の中に含まれるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による圧力周波数変換器の立面図であり
、一部分は切り収った内部を示している。 第２図は第１図の変換器のうちの振動素子についての詳
細図であり、一部分を切シ収った形で示している。 第６図は振動素子の代替的な構成についての詳細図であ
る。 第４図は振動素子の第６の構成についての分解図である
。 第５図は振動素子の第４の構成についての詳細図である
。 第６Ａ図及び第６Ｂ図は、第２図の振動素子の直線６−
６に沿って取った断面図であり、各々弛緩した状態及び
膨張した状態にある素子を示している。 第７図は本圧力周波数変換器に使用可能な光学式検出装
置のブロック図である。 １３取り付は台　　　１４Ｌ字形部 ２１振動素子　　　　２３．２５外壁 ２９通気口　　　　　３０通気管 ３３電磁コイル　　　３７光フアイバ ３９遠隔感知装置　　９３電源 ９５発光ダイオード　９７分光器 ９９レンズ　　　　　１０５光検出器 １０７増巾器　　　　１０９電子回路 代理人　浅　　村　　　皓 外４名 ０ Ｆ／に　　／ ＦＩＧ　　３ 一〇プ Ｆｔｃ、　５ Ｆ／に　６Ａ ＦＩＧ、　６８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）機械的な振動が可能な素子の共振周波数が測定の
   対象となる物理的な係数の変化に従って変化するような
   型式を有し、前記の振動素子を駆動してその共振周波数
   で発振させるための装ｆｆ１ｉ（３３）と、前記の振動
   素子の共振周波数を検出するだめの装［（３９）を有す
   る測定装置であって、前記の振動素子（２１）が内部空
   洞（３１）を有し、この空洞内の内部圧力の大きさに従
   って前記の素子の共振周波数が変化すること、及び前記
   の振動素子（２１）が外部の変化する圧力源に於ける変
   化に従って、前記の空洞の内部圧力を変化させるための
   装置（２９）を有することを特徴とする前記の測定装置
   。 （２、特許請求の範囲第１項記載の測定装置であって、
   前記の内部空洞内の内部圧力の変化が、前記の振動素子
   の機械的なステイフネスの変化を発生させることによっ
   て、前記の共振周波数の変化を発生させる形式をした前
   記の測定装置。 （３）％許請求の範囲第２項記載の測定装置であって、
   前記の振動素子が一方の端部を固定された薄い細長い部
   品であって、片持梁の形態で前記の固定端部を中心とし
   て移動することが可能であシ、前記の内部空洞を取り囲
   みその形状を決めている弾性的に変形可能な外ハ２３）
   及び（２５）を有し、前記の内部圧力の増大によシ前記
   の外壁が外側に曲げられることによって、振動素子のス
   テイフネスを増大させる形式の前記測定装置。 （４）特許請求の範囲第６項記載の測定装置であって、
   前記の内部空洞が空気で満たされ、前記の空洞の内部圧
   力を変化させるだめの前記の装置が、前記の空洞及び前
   記の外部の変化する圧力源との間を流体結合する通気口
   （２９）から成る形式の前記測定装置。 （５）特許請求の範囲第３項記載の測定装置でおって、
   前記の内部空洞が非圧縮性の流体（４１）で満だされる
   形式の前記測定装置。 （６）特許請求の範囲第５項記載の測定装置であって、
   前記の空洞の内部圧力を変化させるだめの前記の装置が
   、前記の空洞内に前記の流体を密閉するように配置され
   、前記の流体と接触する第１の表面及び逆向きの第２の
   表面を有する可撓性と変形性をもつ隔膜（４３）、及び
   前記の外部の変化する圧力源を前記の隔膜の前記第２の
   表面と流体結合するだめの孔であり、このことによって
   、前記の変化する圧力に応じた前記隔膜の変形が、圧力
   の変化を前記の非圧縮性の流体に伝達する形式％式％ （７）特許請求の範囲第６項記載の装置であって、前記
   の検出するだめの装置ｔ（３９）が光源（９３）及び（
   ９５）、前記の光源からの光を受け、それを前記の振動
   素子に導き、その振動素子から反射されて戻された光で
   あって、その強度が前記の振動素子の共振周波数に等し
   い速度で変化する光を受は取るように配置された光フア
   イバ装置（３７＼及び強度の変化する反射光を受は取っ
   て、前記の振動素子の共振周波数を表示する出力信号を
   発生するだめの装置ｔ（１０５）、（１０７）、及び（
   １０９）である形式の前記測定装置。