JPH043801B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、渦流式距離計の改良に関する。

〔発明の技術的背景〕

非接触条件下において被測定体との距離を計測
する技術としては、従来、レーザ光、超音波また
は渦電流を用いた距離計等がある。第４図は渦電
流を利用した従来の渦流式距離計の構成図であ
る。同図において１は渦流センサであつて、この
渦流センサ１は１次コイル１−１と１対の２次コ
イル１−２，１−３とから構成され、１次コイル
１−１には発振器２から出力される所定周波数の
交流信号が増幅器３を介して供給されるようにな
つている。この渦流センサ１は金属圧延板や溶融
金属液体等の被測定体４上に近接配置され、前記
交流信号が渦流センサ１に供給されると、１次コ
イル１−１から交流磁界が発生されて被測定体４
と交差し、これにより被測定体４の表面に渦電流
が発生する。この渦電流により、被測定体４から
は１次コイル１−１により発生された交流磁界に
対して反作用となる磁界が発生する。これによ
り、２次コイル１−２，１−３と交差する磁界が
変化し各２次コイル１−２，１−３にはそれぞれ
値の異なつた電圧が誘起される。ここで、渦電流
による磁界変化の影響は、被測定体４により近接
した２次コイル１−２側に対して大きくなつてい
るので、２次コイル１−２，１−３から差分の電
圧が発生され、この差分電圧は信号増幅器５によ
り所定値まで増幅されて増幅器３の正入力端子に
帰還される。このときの増幅器３の出力電圧e_put
は、渦流センサ１と被測定体４との相対距離ｌに
対応した値となる。ここで、出力電圧e_putは、次
式により表わされる。

e_put＝−G₁・e_io／１−G₁・G₂・Ｋ ＝−G₁・e_io／１−G₁・G₂（e_put／Zp）（M₁−M₂）…
…(1) なお、G₁は増幅器３のオープン増幅度、e_ioは
発振器２の出力電圧、G₂は信号増幅器５の増幅
度、Zpは１次コイル１−１のインピーダンス、
M₁およびM₂は１次コイル１−１と１対の２次コ
イル１−２，１−３との間の各相互インピーダン
ズである。

したがつて、増幅器３の出力電圧e_putを計測す
れば間接的に相対距離ｌが求められる。

〔背景技術の問題点〕

ところで、第(1)式の分母において各相互インピ
ーダンスM₁，M₂の差と（e_put／Zp）とが掛け算
されているが、この場合各相互インピーダンス
M₁，M₂の各虚数部分が等しくないと、出力電圧
e_putは虚数部分をもつた式で表わされることにな
る。このように虚数部分をもつことは実際の出力
電圧e_putでは位相偏位が発生することになる。と
ころで、この位相偏位の要因としては次のような
ことが考えられる。すなわち、 １対の２次コイル１−２，１−３の各インピ
ーダンスのアンバランス。

被測定体４の電気的特性と磁気的特性。

１次コイル１−１に供給する交流信号（交流
電流）の周波数。

渦流センサ１全体の径および形状。

信号増幅器５の入力インピーダンス値とその
変動。

渦流センサ１と装置本体つまり増幅器３、信
号増幅器５とを結線する同軸ケーブルの分布容
量のアンバランスおよび温度変動による分布容
量の変動。

装置本体（IC）の位相偏位、プリント基板
の分布容量 などである。

ところで、位相偏位が大きくなると増幅器３は
正常に動作することができなくなり、この結果出
力電圧e_putは、第５図に示すように正常動作時の
出力特性(イ)と比較して出力特性(ロ)のように非常に
大きな誤差を含んだものとなつてしまう。さら
に、甚だしくは帰還ループにおいて自己発振する
こともある。

〔発明の目的〕

本発明は上記実情に基づいてなされたもので、
その目的とするところは、位相偏位を補償して発
振現象をなくし得、安定に動作しかつ高精度な渦
流式距離計を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、被測定体上に配置され、発振器の交
流出力信号が第１の増幅回路を介して供給される
１次コイルおよび１対のコイルから成る２次コイ
ルから構成される渦流センサの２次コイルの各コ
イルに誘起する電圧のいずれか一方を移相する、
すなわち２次コイルの各誘起電圧の差電圧を前記
交流出力信号を所定位相だけ移相させた信号によ
り同期検波し、この同期検波により前記差電圧に
含まれる位相偏位成分を直流信号として取り出
し、移相制御手段がこの直流信号を受けてその電
圧値に応じて静電容量を可変し、前記２次コイル
に誘起する電圧のいずれか一方を移相して前記位
相偏位成分を補償するようにした渦流式距離計で
ある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例について図面を参照し
て説明する。第１図は本発明の渦流式距離計の構
成図である。第１図において１０は渦流センサで
あつて、この渦流センサ１０は一定振幅で所定周
波数の交流信号が供給される１次コイル１０−１
と、この１次コイルに近接配置された対なる２次
コイル１０−２，１０−３とから構成されてい
る。なお、２次コイルの各コイル１０−２，１０
−３は、同一巻数となつている。具体的に１次コ
イル１０−１には、発振器１１の出力端が第１の
増幅器１２を介して接続され、一方の２次コイル
１０−２は第２の増幅器としての信号増幅器１３
の負入力端子に接続され、他方の２次コイル１０
−３は移相制御手段としての電圧−容量変換回路
１４を介して信号増幅器１３の正入力端子に接続
されている。そして、信号増幅器１３の出力端子
が第１の増幅器１２の正入力端子に接続されて帰
還がかけられる構成となつている。

１５は発振器１１から出力される交流信号を90
度移相して出力する移相回路であつて、その出力
信号は同期検波回路１６に送られるようになつて
いる。この同期検波回路１６は、信号増幅器１３
から出力される２次コイル１０−２，１０−２の
各誘起電圧の差電圧を、移相回路１５により移相
された発振器１１から出力される交流信号に同期
して検波し、差電圧に含まれる位相偏位成分を直
流信号として取り出すものである。そうして、こ
の同期検波回路１０から出力される直流信号は、
直流増幅回路１７を介して前記電圧−容量変換回
路１４に送られるようになつている。

さて、この電圧−容量変換回路１４は、同期検
波回路１６から出力される直流信号を受け、この
直流信号の電圧値に応じて自身の回路内に接続さ
れた静電容量が変化し、この変化に応じて２次コ
イル１０−３の誘起電圧の位相をずらして信号増
幅器１３の非反転入力端子に送出する機能をもつ
たものである。具体的には第２図に示すような構
成となつている。すなわち、入力端子Y_ioと出力
端子outとの間にコンデンサC₀が接続された掛算
器１４−１が、入力端子Y_ioがコイル１０−３に
接続され、出力端子outがコンデンサC₀を介して
信号増幅器１３の非反転入力端子に接続された構
成となつている。なお、同期検波回路１６から出
力される直流信号は掛算器１４−１の入力端子
X_ioに入力するようになつている。掛算器１４−
１の入力端子Y_ioとコイル１０−３との間に抵抗
Ｒ１が接続されるとともに入力端子Y_ioに抵抗Ｒ
２が接続されて接地されている。また、信号増幅
器１３の反転入力端子と出力端子およびコイル１
０−２との間にはそれぞれ抵抗Ｒ３，Ｒ４が接続
されている。

次に上記の如く構成された距離計の動作につい
て説明する。渦流センサ１０が被測定体Ｓ例えば
圧延板や溶解液などの上部に置かれ、この渦流セ
ンサ１０の１次コイル１０−１に発振器１１から
出力される交流信号が第１の増幅器１２を介して
供給されると、１次コイル１０−１からは交流磁
界が発生しこの交流磁界が被測定体Ｓと交差す
る。すると、被測定体Ｓの表面に渦電流が発生し
この渦電流によつて１次コイル１０−１により発
生した交流磁界に対して反作用となる磁界が発生
する。この磁界の反作用により２次コイルの各コ
イル１０−２，１０−３と交差する交流磁界が変
化し、その変化量は被測定体Ｓに近い側のコイル
１０−２に対して大きくなる。したがつて、２次
コイルの各コイル１０−２，１０−３に誘起する
電圧はそれぞれ異なつた値となる。ここで、２次
コイルのコイル１０−２の誘起電圧をe_S1、コイ
ル１０−３の誘起電圧をe_S2とすると、信号増幅
器１３からは（e_S2−e_S1）G₁₃なる差電圧が出力さ
れる。なお、G₁₃は信号増幅器１３の増幅度であ
る。

一方、移相回路１５は発振器１１から出力され
る交流信号を90度移相して同期検波回路１６に出
力している。そこで、同期検波回路１６は、移相
回路１５からの移相された交流信号に同期して信
号増幅器１３から出力される差電圧を検波し、差
電圧に含まれる位相偏位成分に応じた直流信号を
出力する。この直流信号は直流増幅回路１７を介
して電圧−容量変換回路１４の掛算器１４−１に
入力する。

これにより、２次コイルのコイル１０−３と信
号増幅器１３の非反転入力端子との間に介存する
実質的な静電容量が、掛算器１４−１に入力した
直流信号の電圧値に応じて変化する。つまり、直
流信号の電圧値をV_xとすると、等価静電容量C_e
は次式により表わされる。すなわち C_e＝C_p（１＋0.1V_x）〔Ｆ〕 …(2) である。このように等価静電容量C_eが変化する
ことによりコイル１０−３の誘起電圧e_S2は、差
電圧に含まれる位相偏位成分に応じて移相されて
信号増幅器１３の非反転入力端子に送られる。し
たがつて、２次コイルの各誘起電圧間に位相ずれ
が生じても、この位相ずれが自動的に補償される
ことになる。そうして、信号増幅器１３から出力
される差電圧が第１の増幅器１２の非反転入力端
子に加わることにより、第１の増幅器１２からは
渦流センサ１と被測定体Ｓとの距離に応じた電圧
信号e₀が出力される。第３図は第１図に示す距離
計の渦流センサ１０を温度20℃，60℃の条件のも
とで試験を行ない、この結果得られた出力特性図
である。なお、渦流センサ１０にはコイル径30mm
φのものが用いられている。この出力特性図から
判るように温度60℃の条件で補償が行なわれない
と温度20℃の条件での出力特性と異なつたものと
なるが、補償を行なうと温度20℃の出力特性と同
一になつている。したがつて、温度が変化しても
第１図に示す距離計の出力特性は変化せず、距離
ｌに応じた出力電圧が得られる。

このように本発明の距離計においては、２次コ
イルのコイル１０−３と信号増幅器１３の非反転
入力端子との間に電圧−容量変換回路１４を設
け、この電圧−容量変換回路１４により同期検波
回路１６からの位相偏位成分に応じた直流信号に
応じてコイル１０−３の誘起電圧を移相して位相
偏位成分を補償するようにしたので、渦流センサ
１０の周囲温度が変化して２次コイルの各コイル
１０−２，１０−３のインピーダンスがアンバラ
ンスとなり各誘起電圧間に位相偏位が生じてもこ
の位相偏位が自動的に補償され、渦流センサ１０
と被測定体Ｓとの距離に応じた正確な出力電圧が
得られ測定精度が向上する。これにより、出力電
圧が誤差を含んだものとなつたり、自己発振する
ようなこともなく、回路の動作が安定する。そし
て、各回路の調整が非常に簡単になる。

したがつて、被測定体Ｓが例えば溶解液であつ
て、渦流センサ１０の周囲温度が変化しても、こ
の溶解液と渦流センサ１０との距離を精度高く測
定できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、渦流センサの１対のコイルか
らなる２次コイルのいずれか一方のコイルと２次
コイルの各誘起電圧の差電圧を出力する第２の増
幅回路との間に移相制御手段を設け、この移相制
御手段により一方のコイルの誘起電圧を、差電圧
に含まれる位相偏位成分に応じた直流信号により
移相するようにしたので、位相偏位を補償して発
振現象をなくし得、安定に動作する高精度な渦流
式距離計を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る渦流式距離計の一実施例
を示す構成図、第２図は第１図に示す距離計にお
ける電圧−容量変換回路の具体的な構成図、第３
図は第１図に示す距離計の出力特性図、第４図は
従来の渦流式距離計の構成図、第５図は第４図に
示す距離計の出力特性図である。 １０…渦流センサ、１０−１…１次コイル、１
０−２，１０−３…２次コイルの各コイル、１１
…発振器、１２…第１の増幅器、１３…信号増幅
器、１４…電圧−容量変換回路、１４−１…掛算
器、C₀…コンデンサ、１５…移相回路、１６…
同期検波回路、１７…直流増幅回路、Ｓ…被測定
体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定体上に配置され、発振器の交流出力信
   号が第１の増幅回路を介して供給される１次コイ
   ルおよび１対のコイルから成る２次コイルから構
   成される渦流センサと、前記発振器の交流出力信
   号を所定位相だけ移相する移相回路と、前記渦流
   センサの２次コイルの各コイルに誘起する各電圧
   の差電圧を求め、この差電圧を前記第１の増幅回
   路に帰還する第２の増幅回路と、この第２の増幅
   回路から出力される差電圧を前記移相回路により
   移相された交流出力信号により同期検波し、前記
   差電圧に含まれる位相偏位成分を直流信号として
   取り出す同期検波回路と、前記渦流センサの２次
   コイルのいずれか一方のコイルと前記第２の増幅
   回路との間に設けられ、前記同期検波回路から出
   力される直流信号の電圧値に応じて静電容量が可
   変し、前記いずれか一方のコイルの誘起電圧の位
   相を制御する移相制御手段とを具備したことを特
   徴とする渦流式距離計。 ２ 移相制御手段は、一方の入力端に同期検波回
   路の出力端が接続され、他方の入力端と出力端と
   の間にコンデンサが接続され、かつ前記他方の入
   力端に渦流センサの２次コイルのいずれか一方の
   コイルが接続されるとともに前記出力端に前記コ
   ンデンサを介して第２の増幅回路の入力端が接続
   された掛算器を有する特許請求の範囲第１項記載
   の渦流式距離計。