JPH0346055B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は磁歪現象を用いて物体や液面などの機
械的変位を検出する変位検出装置、特に機械的変
位に相当する電気信号を長距離伝送する場合に適
した装置に関するものである。

従来技術とその問題点 従来、磁歪現象を用いて物体や液面の機械的変
位を知る変位検出装置として例えば特開昭55−
66710号公報に記載のものが知られている。即ち、
磁歪線に電流パルスを流し、磁歪線に沿つて移動
可能な永久磁石の近接する磁歪線の部位にいわゆ
るビーデマン効果（Wiedemann effect）により
超音波（捩り歪）を発生させ、磁歪線の特定部位
までの超音波の伝播時間を計測することにより、
永久磁石に与えられる機械的変位を検出するもの
である。

この種の装置の場合、磁歪線と永久磁石と磁歪
線上を伝播する超音波を検出する歪検出器とで発
信部を構成する一方、磁歪線に電流パルスを流す
ためのパルス発生回路や、歪検出器で検出した超
音波による電圧信号を増幅する回路や、この電圧
信号の到達時間により永久磁石に与えられる機械
的変位を演算する回路などの受信部は、発信部か
ら離れた場所に設けるのが通例である。したがつ
て、発信部と受信部との間には、パルス発生回路
から磁歪線に電流パルスを供給するためのケーブ
ルと、歪検出器から受信部に電圧信号を送るため
のケーブルとを配線しなければならない。

ところが、上記変位検出装置をタンカーなどの
液面検出に応用したり、プラント工場あるいは鉄
鋼設備などのようにデータを一箇所で集中的に管
理する場合には、発信部と受信部とを遠く離れた
場所に設ける必要があり、そのため両者を結ぶケ
ーブルが長くなり、歪検出器から送られた電圧信
号が減衰して検出不能になるという問題がある。
その理由は、歪検出器から送られる出力信号が超
音波による高周波成分を有し、しかもこの信号が
ケーブル内を電圧信号として伝わるため、ケーブ
ル自体が有する浮遊容量によつて減衰してしまう
からである。

また、一方のケーブルに電流パルスを流したと
き、この電流パルスによつて他方のケーブルある
いは他の回路に悪影響を及ぼすおそれがあるの
で、ケーブルとしてシールド線を用いなければな
らず、このようなシールド線を複数本長距離にわ
たつて設けると、配線コストが嵩むという問題も
あつた。

発明の目的 本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされた
もので、その目的は、発信部と受信部とを遠く離
れた場所に設置しても、永久磁石の機械的変位に
基づく信号を正確に伝送でき、かつ配線コストを
低減できる変位検出装置を提供することにある。

発明の構成 上記目的を達成するために、本発明は、磁歪線
の近傍に配置された発信部には、一定周期の矩形
波Ａを発生する矩形波発生回路と、この矩形波Ａ
の立ち上がりと同時に立ち上がる電流パルスＣを
磁歪線に供給するパルス発生回路と、磁歪線上の
特定部位に設けられ、磁歪線上を伝播した超音波
を検出する歪検出器と、歪検出器で検出された電
圧信号Ｄに上記矩形波Ａと同時に立ち上がりかつ
矩形波Ａと同一周期の略矩形波状バイアス信号Ｅ
を重畳する重畳回路と、この重畳電圧信号Ｆを電
流信号i_sに変換する出力トランジスタと、一定電
流i_cを消費して発信部の各回路を動作させるた
めの定電圧を供給する定電圧回路とが設けら
れ、上記発信部とこの発信部から離れた箇所
に配置された受信部との間には、受信部から
定電圧回路へ消費電流i_cを供給すると同時に出
力トランジスタから受信部へ電流信号i_sを伝送
する配線が接続され、受信部には、一定の電源
電圧V_cが供給され、かつ配線を流れる信号中か
ら消費電流i_c分を消去する回路と、残つた信号Ｈ
から永久磁石の部位で発生した超音波が歪検出器
に到達するまでの時間ｔに比例した信号を得る回
路とが設けられていることを特徴とする。

発明の作用 受信部では、電流パルスＣを磁歪線に流すこと
によつて永久磁石の近接部位で発生する超音波に
よる電圧波形Ｄと、電流パルスＣと同時に立ち上
がる一定周期の略矩形波状バイアス信号Ｅとが重
畳される。このように本来必要な信号波形Ｄにバ
イアス信号Ｅを重畳したのは、バイアス信号Ｅの
立ち上がりでセツトし、立ち下がりでリセツトす
れば、１つの波形にセツト信号、リセツト信号お
よび本来必要な超音波信号の３つの信号を乗せる
ことが可能となり、受信部における信号処理が容
易になるからである。一般に変位検出は１個の波
形のみで検出を終了するものではなく、繰り返し
何回も行うものであるから、セツト信号やリセツ
ト信号を有しない信号中に超音波信号を乗せる
と、電流パルスによるノイズ信号と超音波信号と
の判別が困難となる。これに対し、上記のような
重畳信号を利用すると、信号の判別が格段に簡素
化される。上記の重畳信号Ｆは出力トランジスタ
によつて電流信号i_sに変換されて配線を伝送され
る。電流信号i_sは配線の有する浮遊容量によつて
減衰しないので、受信部で明瞭な信号を受信でき
る。

一方、発信部の定電圧回路は一定の電圧を発信
部の各回路に供給するもの（第１の機能）であ
り、例えばパルス発生回路にも定電圧を供給す
る。パルス発生回路の消費電流は大きく変動する
が、この消費電流によつて他の回路に悪影響が及
ばないようにするのが定電圧回路の第２の機能で
ある。

配線には、消費電流i_cと電流信号i_sとの和Ｇが
流れる。受信部ではこれら電流i_c＋i_sから消費電
流i_c分を消去し、残つた電流信号i_sから必要な信
号、つまり永久磁石の部位で発生した超音波が歪
検出器に到達するまでの時間ｔに比例した信号を
得る。配線を流れる電流i_c＋i_sから消費電流i_c分を
消去する場合、消費電流i_cが変動すれば、本来の
信号電流i_sのみを取り出すことが困難である。そ
こで、定電圧回路は発信部の消費電流i_cを一定化
させ、配線を流れる電流i_c＋i_sから信号電流i_sのみ
を取り出すのを容易にしている。これが定電流回
路の第３の機能である。

上記のように配線が消費電流供給用と信号伝送
用とを兼用しているので、発信部と受信部とを少
なくとも一対の配線（１本の信号線と１本のアー
ス線）で接続すれば足りる。そのため、発信部と
受信部とが離れた場所に設けられていても、配線
コストが安く、かつ正確に変位検出を行うことが
できる。

実施例の説明 第１図は本発明にかかる変位検出装置の外観、
第２図はその内部構成、第３図は第２図の電気回
路各部の信号波形を示している。

第１図中、１は磁歪線２を内蔵したプローブ、
３は永久磁石、４はプローブヘツドであり、この
プローブヘツド４内に第２図に示す発信部が内
蔵されている。プローブヘツド４と遠く離れた場
所に設けられた受信部との間は同軸ケーブル
（又は単心シールド線）５３で接続されている。

受信部Ｉにおいて、矩形波発生回路５、微分回
路、トランジスタ８，１１はパルス発生回路を
構成しており、発振回路５は第３図Ａに示すよう
な矩形波を発生し、コンデンサ６と抵抗７とで構
成される微分回路によつて矩形波が微分され、
トランジスタ８のベース電圧は第３図Ｂのように
なる。トランジスタ８のコレクタには抵抗９を介
して一定電圧V₀が供給されているので、第３図
Ｂの微分波形は整形されてトランジスタ８のコレ
クタ電圧が第３図のように変化する。このＣの電
圧波形は、抵抗１０を介して一定電圧V₀がエミ
ツタに供給されているPNP型トランジスタ１１
のベースに印加されているので、第３図Ｃのよう
なパルスが発生するとトランジスタ１１がONと
なり、Ｃの形状を持つ電流パルスが導線１２、磁
歪線２および導線１３を流れることになる。

磁歪線２に電流パルスが与えられると、永久磁
石３の部位で捩り歪（超音波）が発生し、その歪
の到達を歪検出器１４で検出する。歪検出器１４
としては、圧電素子を使用する方法や、逆磁歪現
象を応用して検出された歪を電気信号に変換する
方法があるが、いずれの場合も導線１５，１６を
介して後続の回路に伝達される。

歪検出器１４で検出された信号は、片電源動作
型の演算増幅器１７と抵抗１８，１９で構成され
る反転型初段増幅部にコンデンサ２０を経て印加
される。検出された信号は捩り歪による超音波で
あるから、その成分である高周波のみを増幅する
ためにコンデンサ２０を介しているが、低周波ノ
イズの心配のない場合はコンデンサ２０を省略し
てもよい。また、演算増幅器１７の正入力端子に
は抵抗２１，２２で分圧されたバイアス電圧が印
加されている。

上記演算増幅器１７で増幅された信号の一例を
第３図Ｄに示す。図中、２３は増幅された捩り歪
による信号、２４は第３図Ｃの形状を持つ電流パ
ルスを磁歪線２に供給するために生じる高周波ノ
イズである。上記高周波ノイズ２４は歪検出器１
４を磁歪線２の近傍に設置しなければならないこ
と、および電流パルスが流れることによつてその
影響が他の回路、例えば演算増幅器１７に現れる
こと等によつて、第３図Ｄの２４の如き不要な波
形として出現することになる。

この不要な波形は遅延回路を用いて、電流パル
スが磁歪線２に供給されている間、あるいは不要
な波形が持続する間のみ演算増幅器１７の機能を
停止させるなどして除去することができる。本実
施例では、最も簡単な遅延回路として一次遅れ要
素を用いている。すなわち、矩形波発生回路５
の出力は抵抗２５を介して、一定電圧V₀が抵抗
２７を経てコレクタに供給されるトランジスタ２
６のベースに印加される。従つて、トランジスタ
２６のコレクタの電圧波形は第３図Ａを反転させ
た波形となり、この波形が抵抗２８とコンデンサ
２９とからなる一次遅れ要素に加えられるの
で、コンデンサ２９の電圧波形（バイアス信号）
は第３図Ｅのようになる。

上記電圧波形Ｅは抵抗３０を経て片電源動作型
の演算増幅器３１の負入力端子に入力され、かつ
この負入力端子には演算増幅器１７の出力もコン
デンサ３２、抵抗３３を介して入力されるため、
演算増幅器３１には第３図ＤとＥの波形が重畳さ
れて入力されることになる。また、演算増幅器３
１の正入力端子には抵抗３４，３５で分圧された
バイアス電圧が印加されている。

演算増幅器３１の出力は抵抗３６を介して出力
トランジスタ３７のベースに加えられ、この出力
トランジスタ３７のエミツタは抵抗３８を介して
接地されている。そして、エミツタ電圧は抵抗３
９を介して演算増幅器３１の負入力端子にフイー
ドバツクされているため、出力トランジスタ３７
のエミツタ電圧は第３図Ｆのように第３図ＤとＥ
の波形を重畳させかつ反転させた形状となつてい
る。すなわち、高周波ノイズによる不要な電圧波
形（第３図Ｄの２４）は、第３図Ｆの波形４０の
ように本来必要な波形４１より下位に押し付けら
れることになつて、不要な信号を区別できること
になる。

エミツタ電圧が第３図Ｆのようになるというこ
とは、エミツタと接地との間にある抵抗３８を流
れる電流、即ち出力トランジスタ３７のコレクタ
からエミツタへ流れる電流波形i_sもＦと同様な波
形になり、これによつて演算増幅器３１の電圧信
号が出力トランジスタ３７によつて電流信号に変
換されることになる。

定電圧回路は、発振回路５、トランジスタ
８，１１および２個の演算増幅器１７，３１を動
作させるための定電圧v₀、v₁を供給する回路であ
り、３個の電圧レギユレータ４２〜４４と抵抗４
５〜４７、コンデンサ４８〜５２によるフイルタ
とで構成されている。この定電圧回路により、
トランジスタが演算増幅器等で消費される電流i_c
を一定にし、かつトランジスタ１１によるパルス
電流の影響が他の回路に出ないようにしている。

発信部と受信部とを結ぶ同軸ケーブル５３
の一端は、上記出力トランジスタ３７のコレクタ
と定電圧回路とに接続されているので、同軸ケ
ーブル５３を流れる電流はi_c＋i_sとなり、その電
流波形は第３図Ｇのように信号波形i_sに消費電流
i_cを重畳した形状となる。

受信部では、一定の電源電圧V_cが抵抗５４
を介して同軸ケーブル５３に接続されている。同
軸ケーブル５３には第３図Ｇの電流が流れている
ので、抵抗５４の両端を差動増幅器５５に接続
し、この差動増幅器５５の出力から演算増幅器５
６によつて消費電流i_cに相当する分だけを消去す
れば、第３図Ｈのように必要な信号波形i_sのみを
得ることができる。

第３図ＨはＦの波形と同様に検出信号Ｄとバイ
アス信号Ｅとを重畳させた波形を持つ。そこで、
波形Ｈの立ち上がりによつてセツトし、このセツ
ト時刻から超音波信号が到達するまでの時間ｔを
計測すれば、永久磁石３に与えられる機械的変位
を知ることができる。そして、時間の計測を波形
Ｈの立ち下がり、つまりセツト信号によつて終了
すれば、超音波信号とノイズ信号とを容易に判別
でき、時間ｔの計測が極めて簡単となる。なお、
全体の電流i_c＋i_sから消費電流i_c分を消去した後で
信号電流i_sから超音波信号やセツト、リセツト信
号を得るようにしたのは、消費電流i_cは信号電流
i_sの値より大きいので、全体の電流i_c＋i_sから直に
超音波信号等の必要な信号を取り出すのが難しい
からである。この時間ｔを機械的変位に比例した
電気信号に変換する方法としては、例えば第３図
Ｈの波形の立ち上がりによつてクロツクをスター
トさせ、超音波信号の到達時にクロツクをセツト
すればデジタル信号として検出でき、また、第３
図Ｈの波形の立ち上がりによつてのこぎり波状に
変化する電圧をスタートさせ、超音波信号の到達
時にその瞬間ののこぎり波の電圧値をサンプルホ
ールドすれば、アナログ信号として検出できる。
いずれにしても、従来技術で容易に時間ｔを電気
信号に変換できる。

なお、上記実施例では、電流パルスによる高周
波ノイズの影響をなくすために発信部に遅延回
路である一次遅れ要素を設け、電流パルスが磁
歪線に印加された時刻に遅延をもつて動作するバ
イアス信号（第３図Ｅ）を歪検出器１４で検出さ
れた超音波信号（第３図Ｄ）に重畳することによ
つて、高周波ノイズによる不要な信号を区別する
ようにしたが、上記遅延回路は発信部に限らず
受信部に設けてもよいことは勿論である。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、本発明によれば
発信部にパルス発生回路を設けたので、発信部と
受信部との間に電流パルスを流すための配線が不
要となり、配線コストを削減できる。

また、出力トランジスタで歪検出器の電圧信号
を電流信号に変換し、この電流信号を配線を介し
て受信部に伝送するようにしたので、信号が配線
内の浮遊容量により減衰せず、信号を長距離伝送
する場合に有効である。

また、定電圧回路への電力供給用配線に必要な
検出信号を重畳して伝送するようにしたので、配
線としては同軸ケーブルや単心シールド線などの
安価な配線を利用でき、配線が長距離にわたつて
も配線コストを低減できる。

さらに、発信部内に定電圧回路を設け、発信部
内の各回路に常に一定の電圧を供給するようにし
たので、電流パルスによる電源部の乱れといつた
悪影響を除去できる。そして、定電圧回路はその
消費電流を一定化するので、消費電流と信号電流
とを同一の配線で送つても、受信部で信号電流の
みを容易に取り出すことができる。

さらにまた、本発明では歪検出器で検出された
超音波信号に略矩形波状のバイアス信号を重畳し
ているので、１つの波形にセツト信号、リセツト
信号および超音波信号の３つの信号を乗せること
が可能となり、受信部において超音波の伝播時間
を簡単な回路で容易に計測できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる変位検出装置の外観
図、第２図は変位検出装置の内部構成図、第３図
は第２図の電気回路各部の信号波形図である。 ２……磁歪線、３……永久磁石、５……矩形波
発生回路、１４……歪検出器、１７，３１……演
算増幅器、３７……出力トランジスタ、４２〜４
４……電圧レギユレータ、４５〜４７……抵抗、
４８〜５２……コンデンサ、５３……同軸ケーブ
ル（配線）、……発信部、……定電圧回路、
……受信部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 磁歪線に電流パルスを流し、磁歪線に沿つて
   移動可能な永久磁石の近接する磁歪線の部位で超
   音波を発生させ、磁歪線の特定部位までの超音波
   の伝播時間を計測することにより、永久磁石に与
   えられる機械的変位を検出する装置において、 磁歪線の近傍に配置された発信部Ｉには、一定
   周期の矩形波Ａを発生する矩形波発生回路５と、
   この矩形波Ａの立ち上がりと同時に立ち上がる電
   流パルスＣを磁歪線に供給するパルス発生回路
   と、磁歪線上の特定部位に設けられ、磁歪線上を
   伝播した超音波を検出する歪検出器１４と、歪検
   出器１４で検出された電圧信号Ｄに上記矩形波Ａ
   と同時に立ち上がりかつ矩形波Ａと同一周期の略
   矩形波状バイアス信号Ｅを重畳する重畳回路と、
   この重畳電圧信号Ｆを電流信号i_sに変換する出力
   トランジスタ３７と、一定電流i_cを消費して発信
   部Ｉの各回路を動作させるための定電圧を供給す
   る定電圧回路とが設けられ、 上記発信部とこの発信部から離れた箇所に
   配置された受信部との間には、受信部から定
   電圧回路へ消費電流i_cを供給すると同時に出力
   トランジスタ３７から受信部へ電流信号i_sを伝
   送する配線５３が接続され、 受信部には、一定の電源電圧V_cが供給され、
   かつ配線５３を流れる信号中から消費電流i_c分を
   消去する回路５５と、残つた信号Ｈから永久磁石
   の部位で発生した超音波が歪検出器に到達するま
   での時間ｔに比例した信号を得る回路とが設けら
   れていることを特徴とする変位検出装置。 ２ 上記定電圧回路は、電圧レギユレータと抵
   抗、コンデンサによるフイルタとを備えているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の変位
   検出装置。 ３ 上記配線は、同軸ケーブルまたは単心シール
   ド線であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項又は第２項記載の変位検出装置。