JPH04501919A - コンパクトなヘッドの信号増強磁気歪みトランスジューサ - 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】 コンパクトなヘッドの信号増強磁気歪みトランスジューサ発明の背景 １、発明の分野 本発明は、コンパクトな取付はヘッドを有し、かつ増強された出力信号を提供す る線形測距装置に関する。

２、従来技術 本願の発明者に対し発行された米国特許第３，８９８．５５５号は、本文に述べ る形式の音波導波管を使用する線形測距装置を示しており、この導波管は中心を 通る導線を持った管状を呈する。電流パルスが導線に送られ、電流パルスが磁石 からの磁界と相互に作用する時、導波管に隣接して配置された磁石が捩れ歪みへ 反射される捩れ歪み波として送られる。この捩れ運動即ち歪み運動は、出力信号 を生じるモード・コンバータにより検出され、戻り歪み波の出力信号は、電流パ ルスの発射時に相互に比較されて、コンバータから磁石までの距離を決定するた めの捩れ歪み波を生じさせる。電気パルスの印加と、コンバータによる捩れノ（ ルスの受取りとの間の時間間隔が、磁石の位置を示す。

米国特許第４．７２１，９０２号は、戻りパルスの識別および電流パルスに対す るその適正な相関付けを保証するため、米国特許第３，８９８．５５５号に示さ れた形式のトランスジューサにおいて使用されるノイズ排除回路を示す。同特許 第４．７２１，９０２号は、信号対外部干渉ノイズ比を改善するため、モード・ コンバータからの戻り信号レベルを」二げようとする試みを指摘しており、また 捩れ歪み波に基くモード・コンバータ信号の振幅がノイズの振幅より高く上げる ことが困難であることを示している。

本発明は、モード・コンバータにより受取られた信号の振幅を上げる問題に対す る簡単な長い間求められてきた解決法を提供する。低レベルの信号の問題は、現 在使用されている導波管の長さが長いことにより更に輻較化する。約７．６ｍ（ ２５フイート）の導波管の長さが一般に使用され、約１８乃至２４ｍ（６０乃至 ８０フイート）の長さが使用されている。

発明の概要 本発明は、磁気歪み変位トランスジューサからの出力信号を増強すると同時に、 非常にコンパクトなトランスジューサ取付はヘッドを提供することに関するもの である。磁気歪み変位トランスジューサは、電流パルスが導波管に沿って送られ る時、また電流により生じる磁界が可動磁石の磁界に遭遇する時、導波管が捩れ る傾向を生じて、導波管によりその支持部に対して捩れ歪み波を伝達させること の原理に基いて作動する。この捩れ歪み波は、モード・コンバータにより検出さ れ、このモード・コンバータが捩れ運動を電気信号に変換して捩れ波の戻りを示 す出力パルスを生じる。電流パルスの発射と、このパルスと関連する捩れ波の戻 りとの間の時間は、磁石が支持部から離れている距離の非常に正確な表示を行う 。

この捩れ波の戻りは、規定された周期を持つパルス即ちローブを生じ、この周期 は、その正の方向における開始と、ゼロ点と再び交差する時との間の時間である 。

特定の導波管材料における捩れ波の移動速度を決定することができ、またこの周 期を知ることにより、信号のこの周期中捩れ歪み波が移動する距離も決定するこ とができる。

導波管を固定支持することが反射信号を取付は部から再び磁石に向かって反射さ せることは周知である。反射波が捩れ歪み波の戻り信号に加わるようにこの取付 は点を配置することにより、増強された振幅の戻り信号が与えられることが発見 された。更に、モード・コンバータからの取付はブロックの間隔は、このように 標準的なトランスジューサにおけるよりも遥かに少なくされて、極めてコンパク トな取付はヘッドを有する望ましい結果を提供する。

別の特徴は、導波管の取付はブロックから反射される戻りパルスを抑制する必要 がないことである。以前には、ダンパーが導波管の取付はブロックとコンバータ 間に設けられていた。本発明においては、反射波は、良好な戻り信号を得るため の負担−即ち干渉と考えるのではなく、むしろこのような信号を増強するために 用いられる。

更に別の利点は、全体的な取付は板の長さが実質的：こ短くなることである。お よび磁石間の関係におけるずれを生し得る、熱膨張および熱＋１３（縮の効果も また装出デバイスの変更に依存することなく増強されたＩｌｌツノ信号を提［％ する磁気歪み変位トランスジューサを提供する。

（図面の簡単な説明） 図１は、本発明により作られたコン、（クトな取付シナへ・ラドの磁気歪み変位 トランスジューサの概略図、 図２は、本発明により作られた磁気歪みトランスジューサの概略断面図、図３は 、図２のデバイスにおいて使用される導波管保持具の一面図、図４は、本発明に より作られた導波管の第１の形態の部分拡大断面図、図５は、本発明により使用 可能な導波管の第２の形態、図６は、本発明により使用可能な導波管構造の第３ の形態、図７Ａは、典型的な従来技術の磁気歪みトランスジュー号−力）ら受取 られた（ε号のグラフ、 図７Ｂは、導波管のベース端部の固定された取付は部を含む反Ｑ１点即ち反ＱＪ 体から得られる信号のグラフ、 図７Ｃは、反射信号の１つの正の／＜ルスの周期に等し−１４１１こより図７８ Ｇこ示されるものの如き波形の位置のグラフ、図７Ｄは、導波管が本文に教示し た如く取付けられる時、本発明の出ブｊ信号を生じる図７Ａおよび図７０の組合 わされた信号の図である。

（実施例） コンパクトなヘッドを備え、本発明により作られたトランスジューサ力（全体的 に１０で示され、変位の測定のため使用される。このトランスジューサＬｏｔ； ！、後の各図において更に詳細に示されるように、１１で示される、内部の導波 管を収容する外側の保護チューブ即ち長い形状のカバーを含む。チューブ１１お よびその内側の導波管は、トランスジューサのベース一部の取付はヘッド１２に おいて支持されている。この取付はヘッド１２は、取付けフランジ１３と、従来 技術において説明する形式の、内側のモード・コンバータを１５で全体的に示さ れる電子回路に接続するコネクタ１４とを含む。この電子回路１５は、コンパク トなヘッド１２の基準点から、保護チューブ１１上におかれた略図的に示される 磁石へラド１７への変位を示すことになる出力信号を生じるために使用される。

この磁石ヘッド１７は、チューブ１１の長手方向に沿って変位することができる 。磁石ヘッド１７は、永久磁石であり、図示の如く、チューブ１１の周囲に嵌合 するも必要に応じて、池の形態を取り得る環状体である。

保護チューブ１１およびその内部に支持された導波管の長さは実質的なものであ り得、例えば、約７．６ｍ　（２５フイート）が通常であり、この長さは約１８ 乃至２４ｍ　（６０乃至８０フイート）の範囲内になり得る。この導波管および 外側のチューブに沿った磁石ヘッドの位置は、例えば、液体レベルが正確に検出 できるようにタンク内の液体のレベルを示すことができる。この検出は、周知の ように、磁気歪み原理によって実施される。

図２においては、トランスジューサ組立体１０の概略図が、本発明の原理を示し ている。チューブ１１を支持するヘッド取付はフランジ１３は断面で示され、チ ューブ１１の内側には、導波管２０があり、その外端部即ち遠端部がリンク２１ を介してチューブに係止され、引張りはね２２が保護チューブ１１の端板２３に 係止されて、導波管をある張力下に維持する。コンパクトなヘッド１２における 導波管のベース端部は、支持ブロック２５に取付けられている。導波管は、以下 に説明する如（、導波管に沿って伝達される捩れパルス即ち捩れ歪み波が取付は ブロック２５で行き止まりとなるように、この導波管がブロックに対してハンダ 付は等により取付はブロックに固定されている。捩れ歪み波は、支持ブロックか らチューブ１１の他端部に向かって反射されることになる。

ブロック２５は適当な方法で端板即ちブラケット２６上に取付けられ、このブラ ケットは更にフランジ１３に対して固定される。フランジ１３は、トランスジュ −サをその所望の位置に取付けるため用いられる。このフランジ１３はまた、保 護チューブ１１を滑らして固定的に取付けられる取付は頚部３０を有する。保護 チューブ１１が導波管２０を取囲み、導波管２０をチューブ１１の略々中心に保 持するために適当なスパイダあるいは曲の支持部をチューブ１１の内側に使用で きることが判るであろう。

磁石ヘッド１７の取付はブラケット２６に対する変位は、モード・コンバータ３ ２を使用することにより決定即ち測定される。図示の如く、このモード・コンバ ータは、２つの部分を導波管の各側に１つずつ持ち、かっ導波管に結合される導 波管に対して結合されチューブから側方に延びる１対の検出テープ３２Ａを含む 。このテープは、モード・コンバータの２つの部分間で導波管に沿って移動する 戻り捩れ歪み波から導波管が捩れる時、テープの長手方向に沿って導波管を横切 る方向に移動する。これらのテープは、モード・コンバータの各部にあって導波 管に沿った捩れ歪み波の通過を示す電気出力信号を生しるコイルに信号を与える 。

電子回路１５は、導波管を通り線３４に沿って電流パルスを与え、かつ略図的に 示される戻り線３５を備えるパルス・ジェネレータ３３を含む。電流の戻り線は 、周知の如く、全ての形態の導波管において使用されている。前記パルス・ジェ ネレータは一連の電流パルスを生し、この各パルスはまたタイミングの目的のた め信号処理回路３７にも与えられる。電流パルスが取付はブロック２５からリン ク２１における導波管の遠端部に向かう方向に導波管を進行する時、電流は導波 管を通る場（ｆｉｅｌｄ）を生じ、またこの電界が磁石へソド１７から磁界を遮 断する時、公知の原理により導波管に対する捩り負荷を誘発することにより、導 波管に捩れ歪み波パルスを生じる。この歪み波は、導波管を経て取付はブロック ２５へ送り戻される導波管の捩れである。捩りパルスがモード・コンバータ３２ の各部間移動する時、検出テープの運動が線４０に沿って電気信号を再び信号処 理回路３７へ与えることになる。特定の電流パルスの開始時および音響捩れ歪み 波パルスの戻り時とを適正に比較することにより、モード・コンバータの中心線 からの磁石の距離が、４２で示される適当な回路を介して出力信号として得られ ることになる。

原理は前述の如く周知であり、本回路もまた米国特許第３，８９８，５５５号お よび同第４，７２１，９０２号に示されるように周知である。しかし、使用され る導波管の長さが長くなると、例え進歩した回路を用いても戻り信号は外部の干 渉ノイズから識別することが難しい。取付はブロック２５の前面即ち面２５Ａを 捩れ歪み波のロープ長さの半分と略々同じ距離移動することにより、モード・コ ンバータにおける信号は反射信号により増強される。換言すれば、図２に４３で 示される距離は、戻り信号のローブの半分の長さと等しい。

本文に開示した形式の磁気歪み変位トランスジューサにおけるモード・コンバー タからの捩れ歪み波出力信号の信号ローブの周期は、パルス・ジェネレータ３３ からの電流パルスの持続時間（幅）により、またモード・コンバータ３２におけ るテープのピックアップ・コイルの形状（基本的には、幅）、ならびに磁石ヘッ ド１７からの磁界の特性（基本的には、幅）によって決定される。磁界の特性は 、導波管に対する磁石の軸方向長さおよび空隙により決定される。これらのパラ メータは、１つの設計に対しては固定され、このため周期は設計ごとに同じであ る。

信号のローブ周期は、実験的に決定され、オンロスコープにおいて分析すること ができる。信号ローブのゼロ交点間距離即ち長さは、特定の選択された導波管材 料における捩れ歪み波の伝播速度を知ることにより計算することができる。

１マイクロ秒（μＳ）の持続時間即ち周期を持つ典型的な信号ローブにおいては 、この周期の半分は０．　５μｓに等しい。この空隙の等価は、０，５μｓ＝約 １４＋ｎ（０，５５インチ）で、約０．３５６μｓ／ａｓ　（９，０５μｓ／イ ンチ）は、導波管材料における捩れ波の伝搬速度の逆数である。これは、典型的 な事例であり、このため、寸法４３を約ｔ　４１１−（０，０５５インチ）とす れば、本発明の利点が達成されたことになる。

この信号の増強は、図７Ａないし図７Ｄに示される。図７Ａは、磁気歪みトラン スジューサからの通常の出力の信号波形５０を示し、捩れ波は、本発明において 使用される如きモード・コンバータを用いて検出されるが、導波管に対する支砲 付はロックはコンバータからかなりのｔｒｉａだけ隔てられ、ダンパーがコンバ ータど導波管の取付はブロックとの間で導波管上に取付けられている。このよう なダンパーは、米国特許第３，８９８，５５５号において記載かつ示され、反射 波が磁石へラドからモード・コンバータへ送り返されつつある信号と干渉しない ように該反射波を減衰するために使用されてきた。

図７Ｂは、衛突波即ち便り波の等しいが反対の歪み波を反射するように、導波管 の断面よりやや大きな導波管との支Ｆ、ｌｆ部の境界面を四囲する面を有する取 ｆ・１けブロックである反射体から得られる信シシのプロット５１を示している 。

図７Ｃは、１０一ブ周期だけ水平時間スケールに沿って変位された図７Ｂと同し 反射波のプロット５２を示している。モード・コンバータの中心線から面２５Ａ まで進み、次いで距離４３により表わされる如く戻る捩れ波の進行時間を得るた め、取付はブロック２５がローブ周期の２１２分だけオフセットされ、反射波が モード・コンバータにおけるプロット５２により示されるむ性を持つことになる 。

図７Ｄは、プロット５０．５２を市ねて合成された信ぢプロ・ント５３を示して いる。この図では、合成信号プロント５３がはるかに高い振幅のローブを有し、 電子要素に何ら手を加えることなく、モード・コンバータ３２においてより強い 出力信号を生じる。ノイズ・レベルと対＋！＜ｌ的に、特に、長さが長い導波管 が使用され、比較的弱い捩れ歪み波が受取られる場合に、戻り捩れ歪み波信号を 識別して認識する能力の実質的な改善が達成される。本装置を用いて信号の振幅 が４０〜５０％の範囲内で増加し得ることが判るであろう。取付はブロック２５ の取付けから結果として得られる比較的短い取付は端部ブラケント即ち取付は板 ２６およびコンパクトなヘッドは、フランジ１３に対する端部ブラケット２６の 長さが短い故に、より堅固な取付は構造をもたらす。比較的短い端部ブラケット ２６は、より広い振動周波数に耐え、より人きな振動振幅入力ならびにより大き な衝撃にも故障する事なく耐え得る。

この比較的短い端部ブラケット２６の更なる重要な特徴は、この端部構造の温度 係数の影響の減少である。もし温度が上針すると、端部ブラケット２６はフラン ジ１３からその反対端部に向かって長さが延びることになる。端部ブラケットが 、一般に大半の導波管材料よりかなり大きな（約３倍もの）膨張係数を持つアル ミニウムから作られる故に、モード・コンバータ３２はまたフランジに対しても ずれを生じ、これが磁石ヘッド１７に対するモード・コンバータ３２のずれを生 じさせることになる。ダンパーがモード・コンバータと、導波管を取付ける取付 はブロックとの間に介挿された時必要であるよりも短い端部ブラケット２６の長 さが、温度の土Ｈによる構造的膨張の影響をとしく減少する。

導波管の取付は端部における取付はブロックに隣接してこれまで使用されたダン パーを取除いたため、この構造から、コストの低Ｆを招来する簡単な構造を含む 重要な利点が得られた。トランスジューサ・ヘッドの物理的に短い構造は、はる かに少ない取付は空間で済み、また先に述べたように、比較的短い端部構造が、 衝撃および振動に耐える共に、良好な温度係数性能を提Ｖ（するｔＩＬ力をも改 善する。信号増強手段として反射信″ｉシーを用いることにより得られる大幅に 増強された捩れ波信号は、より大きな導波管長さでより優れた信号識別を備えた 動作を可能にする。

図４は、導波管チューブ５５およびこの導波管チューブから絶縁された内部の通 電線５６を含む、導波管２０に対する典型的な構造を示している。これは、米国 特許第３，８９８．５５５号に示される導波管構造である。図５は、チューブ５ ７が通電導体および捩れ歪み波の＃ＩＪ体を形成する別の導波管を示す。異なる 導波管の各々に電流の戻り線が設けられ、チューブ５７が使用される時、磁石ヘ ッドがこのチューブを包囲して、変位を決定するため検出された捩れ歪み波を生 じる。

図６は、導波管２０の代わりに使用でき、電流パルスを連ぶとＪ（に距離の決定 のため捩れ歪み波を提供する中実の導体導波ｆｉ５８を示す。

本発明については望ましい実施悪様に関して記述したが、当業者は、本発明の趣 旨および範囲から逸脱することなく、形状および細部において変更が可能なこと が認識されよう。

国際調査報告

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．捩れ歪みパルス導波管手段と、 該導波管手段に対する支持手段と、 前記導波管手段に沿った方向に周期的な電流パルスを印加する手段と、前記導波 管手段に沿った固定位置に配置され、電流パルスが印加されて磁石に到達する時 、前記導波管手段に隣接する磁石により生じる前記導波管手段における捩り歪み 波パルスの受取りに応答して、電気信号を発生するコンバータ手段であって、前 記捩り歪み波パルスは、交番しかつ１つの信号ローブの周期を有する信号出力を 生じるコンバータ手段と、前記導波管手段のベース端部を取付け、捩りパルスの 反射を前記磁石に戻す手段とを備え、 前記の取付け手は、前記磁石とは前記コンバータ手段の反対側にあり、かつ前記 コンバータ手段から、信号ローブ周期における前記導波管手段内の捩りパルスの 進行距離の実質的に半分の距離だけ隔てられることを特徴とするトランスジュー サ。
2. ２．前記導波管手段が、チューブと、該チューブ内部に取付けられた別個の通電 線とを含むことを特徴とする請求項１記載のトランスジューサ。
3. ３．前記導波管手段が、これも電流パルスを送るチューブを含むことを特徴とす る請求項１記載のトランスジューサ。
4. ４．前記導波管手段が、これも電流パルスを送る中実の線導波体を含むことを特 徴とする請求項１記載のトランスジューサ。
5. ５．前記コンバータ手段および導波管手段を取付ける前記手段が、共通の端部ブ ラケット上に、および該端部ブラケットに取付けられて、前記導波管手段と前記 コンバータ手段と前記導波管手段とを一体に取付ける手段とを支持するフランジ 上に、支持されることを特徴とする請求項１記載のトランスジューサ。
6. ６．前記導波管手段を包囲する、前記フランジに取付けられた外側の保護チュー ブと、前記導波管手段の遠端部と前記保護チューブの遠端部との間に接続されて 前記導波管手段における張力を維持する手段とを備えることを特徴とする請求項 ５記載のトランスジューサ。
7. ７．コンパクトなヘッドに取付けられたモード・コンバータからの磁石の変位を 測定するため使用される磁気歪みトランスジューサ用のコンパクトなヘッド装置 において、 捩り歪み波を送ることができる導波管と、該導渡菅と隣接して取付けられた磁石 と、磁界を前記磁石から遮断して、周期を持つ信号ローブを形成してかつその取 付け端部へ再び送り戻される前記導波管内の捩り歪み波を生じさせる場を有する 前記導波管に沿って電流パルスを提供する手段と、前記導波管の取付け端部を取 付け、捩り歪み波の反射面を提供する大きさである取付けブロックと、 前記磁石と前記反射面との間に取付けられ、前記捩り歪み波を電気信号に変換す る変換手段とを設け、 前記反射面は、該変換手段から、前記信号ローブの周期の半分に等しい期間中、 捩り歪み波が前記導波管手段に沿って進行する距離と実質的に等しい距離だけ隔 てられることを特徴とするコンパクトなヘッド装置。
8. ８．前記変換手段と前記取付けブロックとを前記コンパクトなヘッド内に一体に 取付ける端部プラケットを設けることを特徴とする請求項７記載のトランスジュ ーサ。
9. ９．前記モード・コンバータ手段と接続され、前記導波管に沿って送られる電流 パルスと該電流パルスの結果として前記導波管により戻される捩り歪み波との間 の関係を示す回路手段を設けることを特徴とする請求項７記載のトランスジュー サ。