JPH01244328A - 遠隔超音波センサー制御方式 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、超音波装置に関し、より詳しくは。

加圧された系中の漏れを超音波振動の検出によって遠隔
検出するための遠隔検出装置に関する。

〈従来の技術〉 成る配管系が、正圧又は負圧の下に稼動される時に、配
管中の漏れによって、超音波域即ち２０ＫＨｚ〜１００
　ＫＨｚの域内の音響振動が発生する。

周知のように、この漏れは、超音波変換器（トランスジ
ューサー）によって検出することができる。

−例として、本出願人に譲渡された。グツドマン等の米
国特許第４４１６１４５号には、この漏れを検出するた
めの検出装置が記載されている。

漏れによって発生した超音波振動は、方向性をもち、典
型的には、配管系の回りに検出ユニットを通すことによ
って検出される。この検出ユニットは、高度に方向性の
トランスジューサーと、前置増幅器とを有するため、相
当に小さな漏れの場所及び強さも、容易に定められる。

更に、漏れの超音波周波数は、通常は、周囲のノイズの
周波数域外にあるので、漏れ部分からの信号は、大部分
の競合するノイズから１選択ろ波によって分離すること
ができる。

従来の超音波検出器においての１つの問題は、大きな漏
れ部分からの音響によって飽和されることなく小さな漏
れ部分を検出するために、前置増幅器が、非常に広いダ
イナミックレンジをもたねばならないことである。漏れ
個所を探して超音波検出器をもち運ぶ場合に、オペレー
ターは、大きな漏れ部分と小さな漏れ部分との両方から
の音の強さを測定するために、手動によって、ダイナミ
ックレンジを変更することができる。

成る事情の下では、配管系の完全性を絶えずモニターす
ることがたいせつであり、危険なガスが発生したり使用
されたりする化学プラントなどでは、臨界でもある。オ
ペレーターが臨界な個所に立って、いつ発生するか分ら
ない漏れを検出するために何か月も何年も待つことは、
実際的ではないから、全体の装置中のいろいろの臨界の
点に遠隔超音波検出器を取付け、これらの検出器からの
信号を中央制御装置に送出することか有利となろう。こ
の中央制御装置は、オペレーターが直接管理してもよく
、またコンピューターによって管理してもよい。

遠隔の超音波検出が有利となりうる工業上の環境におい
ては、検出器への制御信号並びに検出器からの測定信号
と干渉可能な強い静電信号及び電磁信号が存在しうる。

測定個所と中央制御個所との間には大きな距離があるこ
とが多いので、伝送系は、干渉に対する強い耐性を示さ
ねばならない。

また超音波検出装置全体のコストを最小に保つには、ケ
ーブル類を廉価にすることが必要となる。

低コストの耐性の伝送を得るための種型的な手段は、い
わゆる「電流ループ」である。この系において、アナロ
グ信号とデジタル信号とは、電圧信号ではなく、電流信
号として伝送される。工業規格では、この系について零
から全スケールまで、４〜２０ｍＡ又は１０〜５０　ｍ
　Ａの範囲を特定している。

遠隔トランスジューサーは、苛酷な環境中に、時には戸
外に配することが必要となりうる。従って、超音波振動
の検出能力を著しく低下させることなく、トランスジュ
ーサーが、苛酷な水、風及び温度条件に対する耐性をも
つことができたら、非常に好つごうであろう。

〈発明の開示〉 本発明は、電流ループ伝送原理を利用した耐候又は耐環
境性の遠隔超音波検出方式に向けられている。

本発明の好ましい一実施例によれば、グツドマン等の前
出の米国特許頴に示されるように、３個の水晶検出器の
直列回路を含む超音波変換器が用いられる。この検出器
は、成る１つの軸方向に開放された耐候性又は耐環境性
の円筒体に封入されている。３つの水晶は、感度を最大
とするために。

この軸に沿って整列され、「マイラー」製のカバーが、
水分を排除するために、開口上に配置されている。「マ
イラー」製のカバー上には、これを物理的な損傷から保
護するためのワイヤスクリーンが配置されている。

耐環境性トランスジューサーは、耐候性又は耐環境性容
器中に収納された前置増幅器に接続されている。このト
ランスジューサーを備えた容器又は遠隔センサーは、流
体配管中に漏れが発生し易かったり、プラントの作動又
は安全にとって漏れが深刻となった゛りするような、工
業プラントの臨界な点に設けられる。これらの遠隔セン
サーは、複数の撚り導線対を利用した電流ループ伝送系
によって、中央制御−分析装置に接続されている。

電流ループ回路の一部は、各々の遠隔センサー中にあり
、別の一部は、中央ユニットにある。

遠隔センサー中の前置増幅器は、中央制御装置の指示の
下に、成る固定された増分ずつ利得が変化する。前置増
幅器は、通常は、その最高利得にあるため、最小の漏れ
も検出する。しかし大きな漏れ部分から検出される超音
波信号の強度、又は、検出器が漏れ部分に物理的に非常
に近接していることによって、前置増幅器のダイナミッ
クレンジを超過したことが、中央制御装置によって検出
されると、中央制御装置は、前置増幅器のダイナミック
レンジに信号が含まれるようになるまで増分的に利得を
減少させる。このようにして、大きい漏れ部分も、小さ
い漏れ部分も、また可変の距離にある漏れも、オペレー
ターの介在を要せずに、遠隔に検出され測定される。

制御装置は、単に、漏れの存在とその振幅とを指示し、
ここに振幅は、電流ループを介して受信された信号と、
中央制御装置によって前置増幅器中に設定された増分利
得との関数である。このような場合には、オペレーター
に警報が与えられるであろう、しかし所望ならば、中央
制御装置（コンピューターとしうる）は、プラントの制
御を実行し、可能な危険をさけるための処理を取ること
ができる。−例として中央制御装置は、臨界な弁を自動
的に開閉し、時にはプラントの作動を自動的に停止させ
ることができる。

次に本発明の好ましい実施例を示した添付図面を参照し
て一層詳細に説明する。

〈実施例〉 第１図には、工業プラント全体に亘って分布された遠隔
センサー２０を利用する超音波漏れ検出方式が図示され
ている。特に、プラントの配管１０〜１４は、弁１６，
１８によって相互に連結されている。これらの配管は、
典型的には、加圧下の流体例えばガスを搬送する。何１
０００フィートもの長さのこれ・らの配管を、それ自身
何１０００フィートもの長さ及び／又は幅を有しうるプ
ラントの一領域に亘って分布させることも、普通に行−
なわれている、ガス自身が有毒ならば、配管に沿った臨
界な個所においてこのガスの漏れを検出しうろことは、
プラントの１つの重要な安全上の特徴であろう。ガスが
無色無臭の場合には特にそうなる。ガス自身が有害でな
くとも、例えばガスが冷却系の一部分として用いられて
いる場合のように、ガスの逃出が成る危険な状態の切迫
を示していることはありうる。

本発明は、可能な漏れについて配管を絶えずモニターし
うるようにするために、好ましくは、ガスの圧力が配管
上に最大の応力を与えると思われる弱い個所、例えば連
結部分又は、　　　　において、配管に沿って遠隔セン
サー２０を取付けることを提案する。各々の遠隔センサ
ー２０は、開口又は漏れを通る流体の逃出によって生じ
た超音波音を、中央制御−分析回路３０に伝送するため
の電気信号に変換しうるようにした、超音波トランスジ
ューサー２１を備えている。

第１図に示したように、センサー２０は、加圧下の流体
が漏れ部分を通過する時に発生する超音波をピックアッ
プする音響トランスジューサーを使用する。しかし、配
管に直接連結されてその振動を感知する接触トランスジ
ューサーを使用してもよい。更に、超音波振動を発生さ
せるものである限り、配管中の漏れ以外の問題な状態例
えば電気アーク又は軸受の摩耗を検出するためにも、セ
ンサー２０を使用することができる。

遠隔センサー２０と中央制御−分析回路３０との間の接
続部は、４本の導線即ち２対の撚り導線から成っている
。第１対の導線は、゛センサーユニットから遠隔センサ
ーに、プラス（＋）及びマイナス（−）の電圧を供給す
る。他の対の導線３１゜３３は、（−）電圧線を帰路と
して使用して、好ましくは４〜２０ｍＡ形種の電流ルー
プ伝送系を供与する。工業上のセツティングにおいて見
られうる電磁界及び他の干渉にも拘らず、６００ｍ（２
０００フイート）までの延長長さの複数の撚り導線対を
用いて、遠隔センサー２０の満足な作動を実現すること
ができる。

作動に際して、中央制御−分析回路３ｏは、遠隔センサ
ー２ｏに電力を供給すると共に、センサー２０の利得レ
ベルを設定する制御信号を、導線３３上に送出する。典
型的には、この利得は、許容可能な最大のステップに設
定されるので、最小の可能な漏れを初期に検出すること
ができる。電流ループ伝送系の帰路となる導８３１は、
検出された漏れの振幅を表わす信号を、中央制御−分析
回路３０に供給する。例えば弁１６への配管１゜の接続
部において、成るわずかな漏れが検出されると、この漏
れ部分を通るガス流によって、超音波が発生し、この超
音波音は、トランスジューサー２１によって検出され、
電気的信号に変えられる。この電気的信号は、増幅、整
流及び対数変換され、中央制御−分析回路３ｏのインタ
ーフェース回路３２に転送される。インターフェース回
路３２においては、受信信号の振幅は、基準レベルと比
較される。基準レベルは、基準レベル回路３７によって
供給される。受信信号が基準よりも大きい場合、それは
、遠隔センサー２０中の増幅回路が検出超音波信号の振
幅のために飽和されていることを示している。

受信信号と増幅器の飽和基準レベルとの比較の結果は、
予めプログラミングがなされたマイクロプロセッサ−と
しうるコンピューター３４に供給される。遠隔センサー
回路が飽和されたことが示された時、コンピューター３
４は、制御信号を発生させ、この制御信号は、電流ルー
プの出力導線となる導線３３を経て、遠隔センサー２０
に送出され、この遠隔センサーの増幅器は、それによっ
て利得が減少する。この過程は、遠隔センサー２０の増
幅器がもはや飽和されなくなって受信信号の増幅の真の
目安が作られうるまで反復される。

受信信号及び遠隔センサー２０に設定された利得に基づ
いて、超音波信号の真の振幅が計算されると、この値は
、警報レベル基準と比較される。

これらの基準は、受信された超音波信号がいつ通常の環
境レベルをこえて増大し、受信された超音波信号が漏れ
を示すかを指示する。そのほかに、日常的な保守によっ
て対処可能な小さな漏れと、プラント又は少くとも問題
の配管を即刻作動停止とするべきことを示しうる大きな
漏れとを識別するための、安全レベル基準を用いてもよ
い。そのほかに、配管からのトランスジューサーの距離
、配管中の圧力その他に依存して、個別の個所について
基準レベルを較正することができる。いろいろの較正さ
れた基準レベルは、必要な時に使用するために、コンピ
ューターの記憶装置に格納してもよい。小さな漏れが指
示された場合には、コンピューター３４は、漏れの大き
さについての情報を供与し、この情報は、記録部３５に
記録すると共に、表示部３６に表示することができる。

記録部３５は、普通の構造の磁気テープ又はディスク記
録装置でも、ペーパープリントアウトでも、その両方で
もよい。表示部３６は、陰極線管デイスプレィ、液晶デ
イスプレィ又は他の形式の表示器を含めた通常の形式の
任意の電子デイスプレィとすることができる。

オペレーターは、制御パネル３８によって、どれか１つ
の遠隔センサー２０の状態についてコンピューター３４
に質問すると共に、それについて何かの処置を取ること
ができる。例えばガスが配管１２から配管１０中に流入
し、配管１０と弁１６との接合部に漏れが生じている場
合、オペレーターは、制御パネル３８を用いて弁１６の
位置を変更することにより、配管工２中のガスが配管１
１に偏向されることによって、漏れをさけることができ
る。この同じ選択を、コンピューター３４に予めプログ
ラムしておき、コンピューター３４が、オペレーターを
介さずに、弁１６の位置を変更するようにしてもよい。

この弁制御は、コンピューター３４の制御の下に、弁１
６に接続されたソレノイド又はモーターを作動させる弁
制御回路４０によって行なうようにしてもよい。

漏れが非常に些少な性質のもので、日常的な保守によっ
て対処可能と考えられた場合には、コンピューターに、
漏れ個所のリストをプリントアウトさせ、保守要員がこ
のリストを利用して、配管系の完全性を保つようにして
もよい。

第７図には、中央制御−分析回路３０の前記の作用を説
明するためのフローチャートが示されている。全体の装
置は、最初にＯＮにした時、初期化プロセスを経過（第
７図のステップ７００）Ｌ、このステップにおいては、
中央制御−分析回路３０及び遠隔センサー２０の回路部
がリセットされる。

遠隔センサー２０に電力が供給され、また最大利得制御
信号が供給されるので、遠隔センサー２０は、最小の可
能な漏れを検出することができる。

遠隔センサー２ｏは、電力の供給を受けると、受信超音
波信号の送信を開始し、この信号は、導線３１に沿って
、インターフェース回路３２（第１図）に供給される。

受信信号は、第７図のステップ７０２において、基準レ
ベル回路３７からの利得基準レベルと比較される。ステ
ップ７０４では、この比較によって、センサー増幅器が
飽和されたか否かが判定される。

もし飽和していたら、ステップ７０５においてセンサー
の利得が１ステップ即ち１０ｄｂ減少される。受信信号
は、次に、それが増幅器の飽和を表わしているか否かに
ついてチエツクされる。このループは、センサー増幅器
がもはや飽和されなくなるまで続けられる。次にステッ
プ７０６が実行される。ステップ７０６では、ステップ
７０５において設定された利得と、受信信号の値とは、
漏れを表わす警報レベルを超えたか否かについてチエツ
クされる。ステップ７０８では、このレベルを超えたか
否かが判定される。警報レベルを超過していなかった場
合には、漏れの指示をモニターするためのステップ７０
２〜７０８のループが継続される。インターフェース回
路３２において受信された超音波レベルが警報レベル基
準を超えると、ステップ７１０が実行される。ステップ
７１０では警報が供給される。これは可聴の警報でも可
視の警報でもよい。そのほかに、超音波信号とこの信号
を発生させた１以上のセンサー２０の位置とによって定
まる漏れの位置及び大きさは、記録部３５に記録される
と共に、表示部３６に表示される。

装置全体が手動制御の下にある場合には、オペレーター
は、制御パネル３８を使用して、表示部３６上の漏れ情
報の表示に応答し、プラントの作動を制御することがで
きる。しかしプラントの作動が少くとも部分的にコンピ
ューター３４の制御の下にある場合には、安全レベル基
準を超過する信号が漏れの大きさによって発生したか否
かをチエツクするための別の比較がなされる。これはス
テップ７０２において行なわれる。このレベルを超えて
いなければ、全体の装置は、漏れのモニターを継続する
。しかしレベルが安全レベルよりも大きいか又は大きく
なった場合には、プラントの作動は、ステップ７１３に
おいて変更又は停止される。ステップ７１３から装置全
体を再始動させるためには、ステップ７００の初期化の
手順を反復する必要がある。単に装置全体の作動が停止
された時に漏れが消失したことによって装置全体が自動
的に再始動されることがこれによって防止される。

第２図は、遠隔センサー２０の電子回路のブロック線図
である。この回路において、超音波の信号は、トランス
ジューサー２１によって検出され、電子信号に変換され
、この電気信号は、ステップ利得増幅器２２に供給され
る。増幅器２２の利得は、中央制御−分析回路３０から
の４〜２０ｍＡ制御信号によって制御される。第２図に
示した実施例において、ステップ利得増幅器２２は、被
制御アッテネータ−２２Ａと前置増幅器２２Ｂとの直列
回路から成っている。アッテネータ−２２Ａは、４〜２
０ｍＡの入力制御信号によって、スイッチ２２Ｃの作動
のよって制御される。これらのスイッチが種々の抵抗を
アッテネータ−回路に接続することによって、アッテネ
ータ−２２Ａの利得は、１０ｄｂ増分ずつ変化する。ア
ッテネータ−２２Ａの出力部は、「Ｖ制御」電圧レベル
によって利得が制御可能な前置増幅器２２Ｂに、コンデ
ンサーを介し交流結合されている。しかし、通常の状態
の下では、■制御信号は一定になっているため、前置増
幅器の利得は、予設定値から変化しない。

この信号は、次に、別のコンデンサーによって増幅器２
３に交流結合され１次に別のコンデンサーによって、能
動整流器２４に交流結合される。

整流器２４は、超音波信号の正漂遊分のみが通過するこ
とを確実にする。この整流された信号は、次にｐ波され
、フィルター２５に直流信号レベルを生じさせる。この
ろ波された電圧レベルは、対数変換器２６内において、
対数信号に変換され、レベルシフト回路２７においてレ
ベルシフトされる。レベルシフト回路２７は、送信器２
８によって対処可能な基準レベルに信号を単に変更する
。

送信器２８は、導線３１、−ｖ（−ｖは電圧入力基準ラ
インである）を経て中央制御−分析回路３０に再転送さ
れる電流信号に電圧信号を変換するための電流ループ送
信器である。送信器２８は、調整電力供給回路である電
力供給調整器２９によって発生される電圧レベルを定め
るように作用する回路も備えている。電力供給調整器２
９は、中央制御−分析回路から供給された（＋）及び（
−）電圧をセンサー回路によって使用される調整された
電圧に変換するだけでなく、これらの回路のための「誘
導接地ｊレベルも発生させる。

明らかなように、４〜２０　ｍ　Ａ電流ループは、セン
サー回路が飽和されなくなる点まで増幅器２２の利得を
減少させるように、スイッチ２２ｃの作動を制御する。

飽和されてないセンサー回路において発生した信号は、
次に整流され、　ｆＰ波され、対数変換され、レベルシ
フトされ、４〜２０ｍＡの出力電流信号が送出される。

第２図にブロック回路図として図示した電子回路は、第
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ図に一層詳細に図示されている。第４
Ａ図に示したように、トランスジューサー２１は、好ま
しくは、グツドマン等の米国特許第４４１６１４５号に
記載された３個１組のトランスジューサーエレメントで
ある。遠隔センサー２０の配される工業的な環境が潜在
的に苛酷であることから、トランスジューサー組立体は
。

第３図に示すように、特別にシールされた円筒体中に収
納されている。この構成において、３個のトランスジュ
ーサーエレメント４８は、円筒状のハウジング４０中に
配置され、ハウジング４０の軸線Ｘに対し整列されてい
る。第３図には、軸線Ｘの遠隔側にある１つのトランス
ジューサーエレメント４８のみが図示されている。他の
２つのトランスジューサーエレメントは、第３図に示し
たものから１２０’の角度において、軸線Ｘの回りに隔
置されている。

金属製の円筒状ハウジング４０は、遠隔センサー２０の
残りのエレメントを保持する閉止された耐候性の金属製
の容器の一方の端部壁４２中に保持されている。０リン
グ４３は、ハウジング４０と端部壁４２との間の強固な
シールを与える。ハウジング４０の他方の端部は開放さ
れている。

超音波振動は、一般に、円筒形のハウジング４０の開口
を経て、軸線Ｘに沿って受入れられる。しかしこの振動
は、金属製スクリーン４４と、ポリエステルフィルムな
どの可撓性で強じんな耐水性材料のシート４６とを通過
しなければならない。

この材料として適切なのは、「マイラー」である。

マイラー製のシート４６は、トランスジューサーエレメ
ント４８の前方においてハウジング４０の開口の上方に
配設されている。スクリーン４４とシート４６との間に
は、ハウジング４０の内部を外部の環境からシールする
ように作用する別の○リング４５がある。シート４６は
、円筒状ハウジング４ｏの開放端を、それが耐水性とな
るように覆うことを完全にするが、超音波振動が実質的
に減衰せずにトランスジューサーエレメント４８に到達
することは許容する。金属製のスクリーン４４と導電性
マイラー障壁としてのシート４６（これらはいずれも端
部壁４２において、金属製の容器に連結されている）と
は、無線周波数の干渉を減衰させながら１問題の超音波
周波数の自由な通過をなお許容する。またスクリーン４
４は、物理的な衝撃に対してマイラー製のシート４６を
保護する。

３個のトランスジューサーエレメント４８（第３図には
そのうち１個のみ示す）は、架台４７上に取付けてあり
、センサー２０の電子部分のための容器中の印刷回路板
４９に電気的に接続されている。

再び第４Ａ図を参照して、トランスジューサー２１が受
けた超音波音響振動に対応する、このトランスジューサ
ーからの交流信号は、アッテネータ−２２Ａ及びコンデ
ンサー７０を経て、前置増幅器２２Ｂの高利得の電界効
果トランジスター７１（ＦＥＴ）のゲートに供給される
。この交流信号電圧は、抵抗５０の両端間に発生し、抵
抗５１を経てコンデンサー７０に供給される。抵抗５１
は、電圧分割回路の上部にあり、下部の抵抗は、固体状
態のスイッチ５６〜５９のどれか１つ以上の付勢に依存
して、抵抗５２〜５５の組合せのうちどれか１つの抵抗
であってよい。抵抗５１に対する抵抗５２〜５５の抵抗
比は、スイッチ５６〜５９のうち１つ以上のものの開成
によって１０ｄｂずつのステップ状の減衰を生ずるよう
に定める。実際には、抵抗は、順々に、即ち、Ｒ５２、
Ｒ５２＋Ｒ５３、Ｒ５２＋Ｒ５３＋Ｒ５４及びＲ５２か
らＲ５４のように、回路に挿入される。

スイッチ５６〜５９のうちのどれを閉成するかの決定は
、電圧分割回路６５の５個の抵抗によって設定された基
準電圧と共に、４〜２０ｍＡの制御入力信号によって、
抵抗６６の両端間に生じた電圧に関連して、比較器６１
〜６４によってなされる。電圧分割回路６５からの別々
のタップは、それぞれの比較器６１〜６４の一方の入力
に供給される。比較器６１〜６４の他の入力は、１つに
結線され、抵抗６６に接続されている。従って、例えば
、比較器６４に供給される基準レベルを超過する電圧を
抵抗６６の両端間に生じさせるのに。

制御電流が十分であるならば、その比較器６４は導通し
、スイッチ５６を付勢する信号を発生させる。これによ
り、アッテネータ−２２ｂを通る成る特別の減衰因子が
供与される。制御入力信号がステップ式に増加し、比較
器６３に供給される基準レベルを超えた場合には、比較
器６３．６４は導通し、スイッチ５６．５７を付勢する
。抵抗５２．５３は、これによって、頂部に抵抗５１を
有する電圧分割回路の底部に並列に接続される。

そのため、異なったいくつかの電流レベルを制御入力信
号として供給することによって、スイッチ５６〜５９は
導通し、アッテネータ−２２Ｂを通る利得は、例えば１
０ｄｂ増分ずつステップ式に変化する。

４〜２０ｍａ制御信号は、４，８，１６及び２０ｍＡレ
ベルの間に切換えられて、最小数の構成部分によって５
つの減衰レベルを供与する。制御入力が４ｍＡレベルに
ある場合、抵抗６６は、全部の比較器６１〜６４がトリ
ガーされずに低出力レベルをもつような値を有する。こ
の場合、最小減衰又は最大利得が達せられる。入力電流
がより高いレベルにステップされると、比較器６１〜６
４は、順にオンにトリガーされ、アッテネータ−２２Ａ
及び前置増幅器２２Ｂを通る利得は減少する。他の制御
手段も可能である。例えば、比較器の反転入力と非反転
入力とが逆になった場合、４ｍＡレベルは、最高の減衰
となりうるであろう。

固体状態スイッチ５６〜５９は、抵抗６６に制御電流が
供給されていない限り、デイツプスイッチ６７によって
手動でも制御できる。

前置増幅器２２Ｂにおいて、電界効果トランジスター７
１は、結合コンデンサー７２によって、第２の電界効果
トランジスター７３と直列に接続されている。これら２
つのトランジスターは、高利得−低ノイズ増幅器を一緒
に形成している。

「Ｖ制御」レベルは、トランジスター７１．７３のソー
スに供給される可変の電圧である。トランジスター７１
．７３の相互コンダクタンスは、この電圧と共に単調に
変化するので、前置増幅器２２Ｂの利得は、この電圧を
変化させることによって調節しうる。しかしＶ制御電圧
は、通常は、１つのレベルに設定され、−度較正された
後は、全体の装置の通常の作動の間は変化しない。この
電圧は、第４Ｃ図に示した回路から導出される。

抵抗７５は、Ｖ＋とＵ−との間の電位の１／２に等しい
「誘導接地」電位に、アッテネータ−回路の共通端子を
基準付けする。コンデンサー７６は、前置増幅器２２Ｂ
のための基準点であるＶ−端子への交流信号のバイパス
を与える。これによって、トランスジューサー−アッテ
ネータ−と前置増幅器２２Ｂとの間の「共通の」基準点
が設定されると共に、固体状態スイッチの作動限度内に
おいてトランスジューサー−アッテネータ−が作動する
ことが可能となる。「誘導接地」レベルは、第４Ｃ図に
示した回路においても発生する。

アッテネータ−２２Ａ（スイッチ５６〜５９によって利
得即ち減衰が制御される）と前置増幅器２２Ｂとは、そ
の信号が増幅器２３に交流結合されるステップ利得増幅
器を一緒に形成している。

増幅器２３、整流器２４、フィルター２５、対数変換器
２６及びレベルシフター２７は、第４Ｂ図に図示されて
いる。

前置増幅器２２Ｂの出力部からの信号は、エミッター共
通接続されたトランジスター８２のベースに、コンデン
サー８０を介して交流結合される。

抵抗８３．８５は、トランジスター増幅器のバイアスを
、また抵抗８３．８５は、増幅器の利得をそれぞれ定め
ている。

増幅器２３の出力は、演算増幅器９０の反転入力部に、
コンデンサー８７を介して接続されている。演算増幅器
９ｏは、ダイオード９３．９５のため、整流器として作
用する。増幅器９ｏは、抵抗９１に対する抵抗９７の比
に利得が比例する正の出力を、負電圧が入力抵抗９１に
供給された状態において発生する。これによりダイオー
ド９５が順方向にバイアスされるので、増幅器９ｏの出
力は、基本的に、抵抗１０１に接続される。しかしダイ
オード９３は、逆方向にバイアスされ、回路の動作には
関与しない。抵抗９１に正の電圧が供給されると、ダイ
オード９５は開放されるので、信号の伝送は生じないが
、ダイオード９３は、順方向にバイアスされるので、フ
ィードバックループは閉成される。そのため増幅器９０
の入力部においてのトランスジューサー信号の負の漂遊
は、フィルター２５に導かれるが、正の漂遊は、整流器
によって阻止される。

抵抗１０１及びコンデンサー１０３は、整流された信号
の交流成分を除去するための、整流器の出力側のフィル
ターを形成する。ろ波作用は、演算増幅器１０２（対数
変換器２６の一部分である）の反転入力部への入力抵抗
である抵抗１０５によって助長される。

対数変換器は、温度補償されるもので、演算増幅器１０
２の出力部に対数出力を供給するために、トランジスタ
一対１１０のエミッター−ベース接合の対数電流電圧特
性を使用する。この出力は、抵抗１０５においての入力
電圧に比例する。特に。

抵抗１０５を通る電流は、トランジスタ一対１１０のト
ランジスターＡのコレクターを通る電流と大きさが等し
い。このコレクター電流は、トランジスターＡのベース
−エミッター電圧に対数的に関係付けられているので、
演算増幅器１０２の出力は、抵抗１０５においての入力
電圧の対数に比例した値となる。トランジスタ一対１１
０のトランジスターＢには、抵抗１１１からの一定の電
流が供給される。トランジスターＢは、整合演算増幅器
１１２のフィードバックループにも含まれている。トラ
ンジスターＢの目的は、トランジスターＡの温度補償を
与えることにある。演算増幅器１０２とトランジスター
Ａとは、温度変化に対して各々が互に打消すように、演
算増幅器１１２とトランジスターＢとによって整合され
ている。入力電流の差のみが出力に現出される。トラン
ジスターＢのベースに接続された抵抗１１４は、温度感
知抵抗であり、トランジスタ一対１１０のための特別の
温度においてのＶＢＥ−ＩＣ曲線がトランジスタ一対１
１０を通る電流に依存して異なったものとなってトラン
ジスターＡ、Ｂが異なった電流において通常動作すると
いう事実を補償する。

増幅器１０２の回りのコンデンサー１０７と、増幅器１
１２の回りのコンデンサー１０９とは、フィードバック
ループを安定化させるために必要である。それは、トラ
ンジスタ一対１１０がループ内の電圧利得に寄与するた
めである。トランジスタ一対１１０のベース−エミッタ
ー接合の両端間に接続されたダイオード１０’６，１０
８は、入力電圧が負になった時にトランジスタ一対１１
０のベース−エミッター降伏を防止するために必要であ
るが、それは、演算増幅器の正の出力電圧のためのフィ
ードバック経路をトランジスタ一対１１０が与えないた
めである。

対数変換回路の出力は、増幅器１０２の出力において取
出される。この出力信号は、今や整流された超音波信号
の対数値となっている。信号の対数を用いるのは、信号
レベルの対数関数であるデシベル（ｄｂ）によってレベ
ルを表現することが音響信号の測定において慣用されて
いるためである。また、このようにすると、比較的大き
なダイナミックレンジを４〜２０ｍＡの出力の伝送系に
よってより高い精度で表わすことが可能となる。

対数信号は、レベルシフト回路２７の演算増幅器１２０
の反転入力部に、抵抗１１５，１１７を介して供給され
る。レベルシフト回路２７の目的は、第４Ｃ図の電流伝
送集積回路１３０の所要の入力レベルを整合させるため
に、■−を基準とするレベルに、対数出力信号（誘導接
地を基準とする）をシフトさせることにある。レベルシ
フト回路２７はまた送信器の入力範囲に適合した漂遊に
対して信号をスケーリングする。

増幅器１２０の反転入力部には、抵抗１１９゜１１９’
　　（抵抗１１９′は可調節とする）を介して、バイア
ス電流が供給される。この電流は、増幅器１２０の非反
転入力部において、対数出力信号を表わす電流に加算さ
れる。対数信号の回路の利得は、増幅器１２０の入力部
と出力部とを互に接続するフィードバック抵抗１２１に
対する抵抗１１７の比によって制御される。コンデンサ
ー１２３は、抵抗１２１の両端間に配置され、出力信号
のローパスろ波を与えることによって、リップル電圧を
減少させる。

抵抗１９′の調節によってレベルがシフトされる。特に
オフセットは、 Ｖｏｆｆ＝−１／２Ｖ＋Ｒｅ　ｇ　（Ｒ１１９’　＋Ｒ
１１９）によって与えられる。

また信号は、抵抗１１９の調節によって、因子Ｇ＝−（
Ｒ１２１／　（Ｒ１１５＋Ｒ１１７）によってスケーリ
ングされる。

スケーリングされレベルシフトされた対数信号は、第４
Ｃ図に示すように、送信器２８の電流ループ伝送集積回
路１３０の入力部に供給される。

回路１３０は、バー・ブラウン・コーポレイションによ
ってモデルＸＴＲ１００として市販されている形式の、
精密電圧電流変換送信器である。回路１３０は、レベル
シフト回路２７からの入力電圧を４〜２０ｍＡ電流ルー
プ信号に変換する。この回路は、精密＋１０ｖ基準レベ
ルも備えている。

４〜２０ｍＡ出力信号は出力路１３０から、ＭＯＳＦＥ
Ｔ　　トランジスター１３２を介して送出される。外部
のトランジスター１３２の使用によって熱が回路１３０
から排除されると共に、全ての出力条件の下において性
能が最適化される。

回路１３０に発生した調整された電圧レベルは。

演算増幅器１３４の非反転入力部に供給される。

この増幅器１３４の出力は、遠隔センサー中の電子部分
のためのＶ十調節電圧である。この電圧は、中央制御−
分析回路３０からのＶ−人力レベルに関連している。

別の演算増幅器１３６は、＋Ｖ調節電圧と（−）電圧と
の間に配された抵抗１３３，１３５の接合部に、フォロ
ワ形態において接続されているため、実質的に零Ｖにな
っている。増幅器１３６の出力は、遠隔センサー中の電
子部分を通じて用いられている「誘導接地」である。

演算増幅器１３８は、抵抗１３７、トリムポット１３７
′及び抵抗１３９を用いて、増幅器１３６に、同様の形
態で接続されている。増幅器１３８の出力は、前置増幅
器２２Ｂの利得を制御する「Ｖ制御」信号である。■制
御電圧レベルは、トリムポット１３７′の調節によって
調節される。

第４Ａ図に示したステップ利得増幅器２２は、ステップ
アッテネータ一部分と、それに続く電界効果トランジス
ター前置増幅器とを有している。

この構成は、前置増幅器２２Ｂ自身にステップアッテネ
ータ一部分を組込むために、第５図に示すように変更す
ることができる。第５図において、トランスジューサー
２１からの超音波信号は、トランジスター１４０のベー
スに、コンデンサー１４１を介して供給される。抵抗１
４３，１４５は、トランジスター１４０のコレクター出
力においての増幅器の呼び利得を設定する。しかし、エ
ミッター抵抗１４５と並列に抵抗１５２が接続してあり
、抵抗１５２は、電子スイッチ１５６及びコンデンサー
１４６と直列に接続されている。例えば第４Ａ図に示し
た比較器６１〜６４のような１組の比較器によってスイ
ッチ１５６が付勢されると、抵抗１５２は、抵抗１４５
と並列の関係におかれるので、増幅器の利得が増大する
。抵抗１５７〜１５９及びスイッチ１５７〜１５９も抵
抗１４５と並列に接続されている。第５図に示したスイ
ッチと直列のコンデンサー１４６〜】４９は、超音波域
において考えるべき十分に高い周波数の信号のみについ
て、利得の増大を実現する。

スイッチ１５６〜１５９が次々に付勢されると、回路の
利得は、１０ｄｂずつの増分としうる固定ステップずつ
増大する。

第６図に示した本発明の他の好ましい実施例によれば、
トランスジューサー２１の出力は、ステップアッテネー
タ−を介することなく、第４Ａ図に示したもののように
、前置増幅器１６０に直接に接続されている。電界効果
トランジスター前置増幅器の出力は、次に、切換利得段
１６１〜１６４に導かれる。切換利得段１６１〜１６４
の回路は、固定利得減少を伴なう受動アッテネータ−で
も、固定利得増加を伴なう能動回路でもよい。また、入
力前置増幅器は、第４Ａ図に示したもののように、前置
増幅器の利得が制御可能となるように、可変利得制御入
力と共に形成することができる。

各々の利得段１６１〜１６４は、第５図に示すもののよ
うに増幅器としてもよい。そのため、各々の利得段は、
１つの抵抗と１つのスイッチ、例えば抵抗１５２とスイ
ッチ１５６によって制御される２つの利得レベルを有し
てもよいが、多重の抵抗及びスイッチによって制御され
る多重利得レベルを有してもよい。

本発明の更に別の実施例によれば、精密整流器、対数変
換器及びレベルシフト回路は、対数出力をもったＲＭＳ
変換回路に代えてもよい。このＲＭＳ変換回路装置の一
例として、アナログ・デバイセスによってモデルＡＤ５
３６Ａとして市販されているものがある。このＲＭＳ変
換器には、市販の対数変換器を後置することができる。

この形式の回路の利点は、真のＲＭＳ出力信号が供与さ
れることである。そのほかにも簡単な全体的な回路形態
が考えられる。しかし、このような集積回路装置には、
コストが高くなることの不利益がある。

本発明のその特定の実施例について以上に説明したが、
以上に説明した以外の種々の変形が可能であり、前述し
た特定の構成は、単なる例示にすぎず、本発明を限定す
るものではない。

４、発明の詳細な説明 第１図は、本発明による遠隔超音波漏れ検出方式のブロ
ック線図、第２図は、漏れ検出方式の遠隔センサ一部分
の回路を示すブロック線図、第３図は、耐水性超音波検
出器の断面図、第４Ａ、４Ｂ、４Ｃ図は、遠隔センサー
の電子回路を示す概略回路図、第５図は、本発明の変形
実施例による遠隔センサーのステップ利得増幅器の概略
結線図、第６図は、本発明の更に別の実施例による遠隔
センサーのためのステップ利得増幅器を示す概略結線図
、第７図は、中央制御−分析回路の作用を説明するため
のフローチャートである。

２０・・遠隔センサー（遠隔超音波センサー手段）、３
０・・中央制御−分析回路（中央制御手段）、１３０・
・電流ループ伝送集積回路（電流ループ伝送手段）。

ＦＩＧ、　５ ＦＩＧ、　７ 平成　１年　３月２３日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）その近傍の超音波振動を検出してそれを電気信号に
   変換するための、少くとも１つの遠隔超音波センサー手
   段を有し、該センサー手段は、制御信号に従って不連続
   のステップで変化させうる可変利得をもち、更に、 該センサー手段からの該電気信号を分析して該センサー
   手段のための該制御信号を発生させるための、中央制御
   手段と、 該センサー手段と該制御手段とを連結する電流ループ伝
   送手段とを有し、該電流ループ伝送手段は、該制御信号
   を該センサー手段に不連続の電流レベルとして送出し、
   該センサー手段から該電気信号を電流レベルとして受け
   る ようにした遠隔超音波センサー−制御方式。 ２）大体において囲まれた、開口付きハウジングと、 該開口を経て向けられる音響エネルギーを受けるために
   該ハウジング中に配された、少くとも１つのトランスジ
   ューサーエレメントと、該開口上の耐水性−可撓性カバ
   ーと、 該カバー上の保護スクリーンと を有する、工場上の場所においての超音波振動の検出用
   の環境耐性トランスジューサー。