JPH06507712A - 粒子検出および分析に関する改良 - 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】 本発明は粒子を検出しかつ分析するための方法およびその装置に関し、より特定 的には粒子の衝撃に応答するセンサを用いる、かかる粒子の検出および分析に関 する。

発明の背景 たとえば油などの流れている流体中で移動している砂などの粒子を、粒子の衝撃 に応答して信号を発生するセンサを用いて検出することが公知である。かかるセ ンサは従来的には、粒子とハウジングとの衝突により素子を変形させるようにセ ンサハウジングに結合された圧電素子を含み、分析されて衝撃の性質に関する情 報を入手し得る電圧信号をこれに発生させる。

従来の分析技術においては、信号は増幅され、所望されない周波数成分はフィル タされて取り除かれ、その後信号の振幅が予め定められたしきい値レベルよりも 大きいかどうかを定めるためにしきい値装置がなされる。もしそのしきい値が通 過されれば、衝撃の検出がカウンタに登録される。

センサ信号の大きさは粒子の衝撃の強さに関係するため、粒子の衝撃の相対的な 大きさを示すためには一連の異なるしきい値レベルが用いられてもよい。衝撃で 散逸されたエネルギは関連する粒子の運動量に比例し、それによりもし衝撃の速 度がわかっていれば（またはたとえば流体の流量から推定されれば）、粒子の質 量表示が得られる。

かかる配列の一例は米国特許第４２４０２８７号に示される。

かかる配列のある不利な点は、粒子サイズの正確な大きさが得られないことであ り、これはさまざまな衝撃信号は複数のしきい値レベルによって決定される多数 の範囲中に単に区分けされるだけであるからである。

発明の概要 本発明の一局面によれば、粒子の衝撃の強さに関係する振幅を有する、粒子の衝 撃に応答する電気信号を発生するトランスジューサを用いて、移動している粒子 を検出しかつ分析するための方法が提供され、この方法は。

１、トランスジューサの出力信号の瞬時値をモニタするステップと： ２、トランスジューサの出力信号の振幅が所与のしきい値をいつ越えるかを検出 し、かつトランスジューサの出力信号が前記しきい値を越えている間のいかなる 局部最大値をも誌めるステップと； ３、電気的ノイズスパイクと粒子の衝撃によって引起こされた振幅の偏位とを識 別するように、複数個の局部最大値のうちのどれが総合最大振幅を有するかを決 定するステップと： ４、その振幅が検出された局部総合最大値に対応し、かつそのタイミングが局部 総合最大値が発生した、時間に対する固定された関係を有し、それにより粒子の 衝撃時の運動量および位置を示す信号を発生する、最終出力信号を発生するステ ップ、とを含む。

この方法は粒子の衝撃によって引起こされた偏位の真の最大振幅を直接的に測定 するため、関連する粒子の運動量を相対的に正確に表示し得る。

上述のように、提案された方法は、衝撃によって発生した実際の振幅偏位と、た とえばノイズによって引起こされ得るトランスジューサの振動におけるあらゆる 振幅偏位とを識別可能である。

この方法の全体的感度を向上するために、トランスジューサはほんのわずかにダ ンピングされるべきである。この場合、粒子の衝撃によりトランスジューサの出 力信号中に大きさの減少している一連の振幅偏位が生じ、かつこれらの振幅偏位 を重要でないレベルに減少するためにかかる時間はトランスジューサの回復時間 と呼ばれる。

トランスジューサ上に入射する粒子束が相対的に小さい場合は、トランスジュー サの回復時間の間に衝撃が発生することは稀である。しかしながら、より大きな 束は１回以上の回復時間内でかなりの数の衝撃を発生さす得る。

もし第２の粒子の衝撃がトランスジューサの回復時間内で発生すれば、第２の衝 撃について感知されているトランスジューサ信号の局部総合最大値の振幅は、第 １の衝撃によって引起こされた減衰振幅偏位が存在するために、第２の衝撃の運 動量の正確な大きさではない。

したがって、本発明の他の局面によれば、この方法は何らの最終出力信号が発生 した後は、トランスジューサの回復時間に等しい時間期間内に、トランスジュー サ出力信号の何らかの大幅な振幅偏位に応答していかなる最終出力信号も送信す ることを禁止するステップを含み得る。

この最初の方法の修正により正確さの疑わしいいかなる最終出力信号も排除され るが、他の態様では処理され得る多くの衝撃信号が不注意に排棄され得る。

本発明のさらに他の局面によれば、この方法はまた考慮により、予め定められた 振幅値までの立上り時間が、粒子の衝撃の結果として生じる振幅偏位の立上り時 間の特徴である予め選択された立上り時間の範囲内には入らない振幅偏位を排除 するステップをさらに含んでもよい。

この発明のさらに他の局面によれば、検出された総合最大振幅値の後の回復時間 内に発生する振幅偏位最大値を単純に拒絶する代わりに、検出された総合最大振 幅値の各々に続く回復時間の間にトランスジューサ出力信号の振幅値に訂正がな されてもよく、将来の総合最大値を決定する前に公知の減衰振動に対応する検出 された振幅偏位値に加算する（またはそこから減算する）ことにより（巳のため それに続く粒子の衝撃の運動量を反映するものとして受け取られるようにそれら に対する値を生成する）、または公知の減衰波形に対応する数学的モデルを用い て出力信号を修正することにより、検出された衝撃による出力信号中の公知の減 衰振動を補償し、その結果、送信されたトランスジ、ユーサ出力信号の振幅は次 の局部総合最大値を決定するための処理の前に訂正されかつ先の衝撃を考慮する 。

減衰波形はダンピングされたトランスジューサの振動関数を説明する数学的モデ ルを用いて計算されてもよい。

本発明のさらに他の局面によれば、隣接する総合最大振幅値間の時間間隔が決定 されてもよく、かつ第１の衝撃からの予想される減衰波形に関する公知のデータ を用いて、第２の最大値の発生時の後者の値が第２の最大値を訂正するべく計算 されてもよい。この技術はまた、検出された総合最大値が衝撃のためであるかま たは衝撃に続くトランスジューサの減衰振動によって引起こされたものであるか を決定するために用いられてもよい、というのは、トランスジューサ出力信号の 即時覆歴が所与のものとすれば、他のすへてのことが等しければ衝撃によりトラ ンスジューサ出力信号中に予想される振幅値よりも大きいものが生成されるため である。

トランスジューサからの信号全体が継続的に分析され得る間、好ましくは、しき い値レベルを下回る振幅を有するトランスジューサ出力信号は分析されない。こ の方法により、電気的ノイズのある一定の部分が分析から排除されることができ 、このためこの方法を実行するために用いられる回路に必要な処理電力の要求が 低減される。

トランスジューサの出力信号が正および負の両方に振動可能な場合は、正のしき い値よりも大きさの大きな正方向の偏位および負のしきい値よりも大きさの大き い負方向の偏位のみが分析のために利用可能であるように、一方は正であり他方 は負である２つのしきい値が用いられてもよい。

しかしながらもし、たとえば正方向の偏位のみが分析されるとすれば、正のしき い値のみが必要となり、逆の場合も同じである。

本発明はまた粒子の衝撃を検出しかつ分析するための装置を提供し、これは、そ の最大振幅が衝撃を引起こす粒子の運動量に関連する、粒子の衝撃に応答して電 気的振幅の偏位を発生するセンサと、センサ出力中のピークを検出するためのピ ーク検出器と、各ピークの振幅および発生時間を測定するための信号処理手段と 、一連のピーク値のうちのどれが局部総合最大値を有するかを決定するための比 較器手段と、最終出力信号として処理するための出力手段とを含み、信号は局部 的に検出された総合最大値に対応する値を有し、かつそのタイミングは検出され た衝撃の時間に対応する。

粒子の衝撃により、第１の偏位に加えて、センサトランスジューサの回復時間に 対応する一定期間の間に重要ではないレベルに減衰する一連の減衰振幅偏位を含 む第２の信号が発生する種類のセンサである場合は、この装置は好ましくは、検 出された総合最大値が先に検出された総合最大値のすぐ後に続く回復時間内に発 生したかどうかを決定するだめのタイミング手段と、次に検出された総合最大値 の発生時の第１の衝撃によるトランスジューサ出力信号の予想値を計算し、かつ 前記次の値を調整して第２の粒子の衝撃の運動量をより正確に反映する調整され た値を与えるための補償手段とを含む。

本発明の方法および装置は、デジタル値が処理のために利用可能となるように、 少なくとも検出された局部総合最大値においてトランスジューサ出力信号をアナ ログからデジタルへ変換するステップ（およびそれを実行するための装置）を含 んでもよい。

これにより局部信号最大値を決定するための相対的に高速のアナログ信号処理技 術をデジタル処理の柔軟性と組合わせることが可能となり、トランスジューサの 回復期間内に衝撃の正確さのためにトランスジューサ出力信号の将来の値を補償 するという利点が生じる。

図面の簡単な説明 次に本発明は添付の図面を参照して一例として説明され： 図１は本発明に従う方法および装置において用いられ得る圧電トランスジューサ の出力信号の一例を示し１図２は代替の出力信号の型を示し； 図３は図１に示されるような出力信号において用いられる分析技術のうちの１つ を示し； 図４はセンサ出力の分析の他の局面を示し。

図５は本発明に従う装置のブロック図であり：図５Ａは図５の装置の改良された 形式を示す。

詳細な説明 説明される方法および装置は、特定の材料がらサンプリングされた粒子のサイズ （または相対的なサイズ）を示すために密封容器内の流体中のその材料の流れを 継続的にモニタする上で用いられ得る。

この発明および装置は圧電トランスジューサ（この場合はＰＣＢピエゾエレクト ロニクス（ＰＣＢ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）によって販売されてい る１１２Ａ２０シリーズの高解像圧力ドランスジューサ）を有するセンサに関し て説明されるが、本発明はかかるセンサに限定されるものではないということは 明白であり、したがってたとえばピエゾインダクタンスセンサまたはピエゾ抵抗 センサなとの他の型のセンサを用いてもよい。

図１は軽くダンピングされた圧電トランスジューサからの典型的な出力波形であ り、粒子の衝撃の後に続く時間に対する出力電圧を示す。波形はセンサの休止状 態に対応ず一連の第２の偏位が続く。代替的には、トランスジューサは図２に示 されるように、波形が第１の偏位の後により大きく減衰されるように設計されか つ構成されてもよく、図２においては図１に示される波形の部分に対応する部分 には同一の参照番号が付される。

いずれの場合においても、第１の偏位の大きさは実質的には、センサと衝突した 粒子の質量に直接的に比例し、このためセンサに信号を発生させる。

説明される方法においては軽くダンピングされたトランスジューサが用いられる 。

この方法は、粒子の衝撃に続くトランスジューサの出力の特徴であるピーク値へ の急速な立上り時間を確認するために波形をモニタすることを含む。この立上り 時間はトランスジューサの共振周波数に関係し、典型的には１−２マイクロ秒の オーダである。所与のトランスジューサに対する予想される出力信号の立上り時 間は通常、製造者のデータの一部として与えられる。予想される立上り時間がわ かれば、予想される立上り時間についての規定された受容可能な値の外側に信号 の立上り時間を有する波形の部分を除外することが可能となる。トランスジュー サの出力と比較してより低い周波数において最も存在しがちなノイズはこうして 、立上り時間のデータを引続き処理することにより識別され得る。

モニタされるトランスジューサの波形の第２の特徴は衝撃に続く最初のピークの 大きさである。これを最大限に正確に測定するために、超高速ピーク検出器およ びアナログ−デジタルコンバータが用いられる。これにより波形は確実にピーク 近くにサンプリングされかつデジタル化される。

この方法はまた図３に示すように、波形中の連続するビーり間の時間間隔を測定 することを含んでもよい。ｌ・ランスジューサの波形はトランスジューサの減衰 内での共振効果としての一連の確実に減少する第２のピークからなる。

このため一連の等間隔のピークが与えられ、ピーク間の時間間隔はトランスジュ ーサの共振周波数に依存する。最後のピークの後には次の衝撃が発生するまで休 止期間が存在するであろう。このタイミング情報は、波形がその休止状態に戻る ために先の衝撃から十分な時間、つまり回復時間が経過したかどうかを決定する ために用いられ得る。代替的に、このシステムは、先の衝撃のピークとそれに続 いて検出されたピークとの間の時間間隔が回復時間よりも長いかどうかを決定す ることにより、（トランスジューサの固有の特性に依存しており、そのため予め 定められ得る）回復時間が経過したかどうかを決定し得る。

もし最初のピークが検出された後、典型的には７５−１００マイクロ秒である、 波形がその休止レベルに落ち着くのに許された時間よりも短い時間のうちに衝撃 が連続して発生すれば、次の衝撃に関するピーク値はディスカウントまたは訂正 される必要がある。

図５を参照して、この方法を実行するための装置は単位利得バッファ７に接続さ れるインスツルメンテーション（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　）増幅器６ を含む。バッファ７の出力は順に前しきい値検出器８、ピーク検出器９、アナロ グ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１０および後しきい値検出器１１に並列に接 続される。この装置はまた入力がしきい値検出器に接続されかつ出力が立上り時 間レジスタ１４に接続される立上り時間カウンタ１３を含む。

検出器８の出力はピーク検出器９、立上り時間カウンタ１３、後しきい値検出器 １１および制御装置１２の入力に並列に接続される。検出器９の出力はコンバー タｌＯと装置１２の入力とに並列に接続され、装置１２の他の入力は後しきい値 検出器１１の出力に接続される。

しきい値検出器８および１１はたとえば手動の制御手段（図示せず）によって発 生しかつ「デジタル的に制御されるしきい値」とラベルを付けられたラインに沿 って検出器に与えられる適切な信号によってデジタル的に制御されてもよく、同 様に、指定されたラインに沿って増幅器６と装ｆｔ１２とのそれぞれに与えられ た信号によって、増幅器６の利得を制御するためにまたはシステムをリセットす るために別個の制御手段が用いられてもよい。

立上り時間カウンタ１３およびそれに従って立上り時間レジスタ１４はクロック １５によって発生する時間インパルスによって制御され、クロック１５はまたピ ーク間カウンタ１６および関連するピーク間時間レジスタ１７を制御する。構成 要素１３および１４は検出された偏位の立上り時間を測定しかつ記憶するように 動作可能である。構成要素１６および１７は最大振幅ピークの発生時間を示すも のとして測定および記憶するように動作可能であり、この測定はその後、連続す る最大振幅ピーク間の時間遅延（つまりピーク間タイミング）の大きさを与える ように処理されることが可能である。

検出された偏位中のピークの大きさは、その両方ともＡＤＣの出力に接続される 、比較器１９とピーク値レジスタ２４とによって分析される。比較器１９はまた 制御装置１２の入力に接続され、制御装置１２はまたクロック１８に接続され、 かつしきい値検出器８、ピーク検出器９、立上り時間カウンタ１３およびピーク 値レジスタ２４をリセ・ソ卜するリセット信号を発生可能である。

装置１２の出力は立上り時間レジスタ１４とピーク間レジスタ１７とに（クロッ クとマークされたラインに沿って）接続され、そのため装置１２によって出力で 発生した信号は立上り時間レジスタおよびピーク間カウンタからの値をレジスタ １４および１７のそれぞれ中にう・ソチさせる。

レジスタ２４に（「クロック１とマークされた第２のラインに沿って）接続され る装置Ｉ２の他の出力からの信号により同様の機能が実行されて、その信号はコ ンノく一部１０からの値をレジスタ２４中にラッチさせる。

装置１２の残りの出力はプロセッサ手段（図示せず）に接続され、これはその出 力から「ピークデータ利用可能」信号を受取るとレジスタ１４．１７および２４ にう・ソチされた値を記録し、プロセッサ手段はまたそのすべてに接続される。

しきい値検出器８および１１はセンサ信号の波形を継続的に追う必要なく装置に その機能を行なわせることが可能である。このことは低振幅ノイズのみが存在す る場合にいかなる衝撃もセンサ上に存在しないときに特に有利である。

第１または前しきい値検出器８は、検出器８かセットされるレベルを信号が越え る場合にのみ装置のサンプリング回路を可能化するために用いられる。第２また は後しきい値検出器１１は信号が規定されたレベルをいつ下回ったかを決定しか つサンプリング回路を不能化させる。しきい値検出器を用いることによりシステ ムによって捕獲されるデータの量を最小にしかつその後の処理の必要性を単純に することを助長する。

通常の動作においては、前しきい値検出器８はシステム中に存在する暗騒音をわ ずかに上回るレベルでセットされる。前しきい値レベルを越えるいかなるノイズ もピーク検出器９によって追跡される。しかしながら、これはサンプリングされ たデータのその後の処理において通常拒絶される、なぜならその立上り時間は粒 子の衝撃の立上り時間に特徴的とはなりそうにないからである。後しきい値検出 器１１のレベルは通常前しきい値検出器８と同しレベルにセントされる。図４は 前検出器および後検出器のためのしきい値レベル２０を波形上に重畳した図であ る。

次に図４に示される信号に関してこの装置の動作の概要を説明する。

最初に、信号のレベルは前検出器８のしきい値２０よりも低い。衝撃か発生する と信号のレベルは急速に立上りかつ前検出器のしきい値を越える。これにより高 速カウンタ１３および高速ピーク検出器９か可能化される。カウンタ１３はクロ ック１５から与えられる立上り時間カウンタとして作用し、かつ衝撃に続く波形 の立上り端縁を時間決めするために用いられる。高速ピーク検出器９はトランス ジューサの波形上で正方向のピークを検出するように動作可能となる。かかるピ ークが検出されると、ピーク検出器９はアナログ−デジタルコンバータｌＯをト リガして検出されたピークポイントでの信号レベルをサンプリングしかつデジタ ル化する。ピーク検出器９はその振幅が後しきい値検出器１１のしきい値２０を 下回るまで波形のモニタを継続する。

動作の間、レジスタ２４は現サイクル中（つまり信号によってしきい値２０が越 えられている間）に遭遇した最高ピークの値を保持する。立上り時間レジスタ１ ４は、カウンタが可能化されて以来発生したクロック期間の数を最高の大きさの ピークが検出されるポイントまで保持し、かつレジスタ１７は装置が動作状態に 置かれて以来発生したクロック期間の総数を保持し、これらはピーク間タイミン グ情報を提供するために用いられることが可能である。

２つのレジスタ中に保持された情報およびアナログ−デジタルコンバータ１０に よってサンプリングされたピーク値は、信号レベルが後しきい値検出器にセット されたレベルを下回る場合にプロセッサ（図示せず）に中継されて記憶されかつ 分析される。

次にこの装置の動作を詳細に説明する。

トランスジューサの出力はインスツルメンテーション増幅器６に与えられ、その 利得はプロセッサ装置からデジタル的に制御される。これによりトランスジュー サの出力信号をアナログ−デジタルコンバータの基準電圧に一致するように適切 にスケール化することを可能にする。これは特に低振幅信号を取り扱う場合に変 換エラーを最小にする助けとなる。インスツルメンテーション増幅器はまたその 作動入力のために優秀なノイズ拒絶特性を存する。これはサンプリングハードウ ェアからある距離をおいて位置され得るトランスジューサからの信号を取り扱う 場合に利点となる。

インスツルメンテーション増幅器６の出力は、高速ピーク検出器中の容量性負荷 からそれを分離する単位利得バッファ７中に与えられる。バッファからの出力信 号は４つのピーク検出器９、アナログ−デジタルコンバータ１０、および後しき い値検出器１１に与えられる。しきい値検出器は、一方の入力はバッファされた 信号からかつ他方の入力はデジタル的に制御されたポテンショメータ（図示せず ）から与えられる高速比較器のまわりに設計される。これらはプロセッサ装置か ら制御されかつ広範囲なしきい値条件が選択されることを可能にする。

このハードウェアの設計はアナログサブシステムの動作に伴なう連動を確実にす る。したがって、ピーク検出器回路は前しきい値検出器８によって可能化される まで駆動しない。後しきい値検出器１１もまた前しきい値検出器９によって可能 化される。

バッファされた信号が前しきい値レベルを越える場合、検出器は活性化され、制 御装置１２からのリセットによってクリアされるまでその状態で留まる。一度可 能化されると、ピーク検出器はダイオードクランプされた微分器を用いて入力信 号を追跡する。ピークに到達し、その後減少を始めると、検出器のコンデンサ中 に流れる電流の方向が反転する。これにより微分器の動作増幅器の出力の出力状 態を非常に急速に変化させる。高速比較器はこの変化を検出して、ピーク検出器 ９の出力状態をラッチアップさせる。

比較器はまた２つの目的のためにクロック端縁として用いられる端縁トリガ出力 を発生する。

第１に、これは、バッファ信号をサンプリングしかつそのデジタル出力を５７ナ ノ秒内にラッチする高速アナログ−デジタルコンバータｌＯをトリガする。第２ に、これは制御装置１２中にプログラムされたシーケンス論理を開始し、制御装 置１２はそれから短い遅延の後に比較器１９の出力をサンプリングする。信号が 後しきい値レベルを下回るまでいくつかの偏位には１つ以上のピークが存在する 。

ピーク検出器９はかかるピークの各々を検出し、これはＡＤＣＩＯによってまた 分析されるが、装置はタイミングカウンタからの関連したタイミング情報ととも に最高のピーク値だけを保持する。

これは現在の衝撃信号中の新規のピーク値と、もしあれば先のピークとを比較す ることによって達成される。いずれの先のピーク値もピーク値レジスタ２４中に ラッチアップされ、その入力はアナログ−デジタルコンバータの出力に接続され る。ピーク値レジスタ２４は、前しきい値検出器が装置１２のシーケンシング論 理からのリセット信号によって可能化される前にクリアされる。したがって衝撃 の最初のピーク値を用いて、アナログ−デジタル出力はピーク値レジスタ２４の ヌル状態を越える。シーケンシング論理によりアナログ−デジタル出力をピーク 値レジスタ２４中にラッチアップさせる。加えて、これは立上り時間レジスタ１ ４およびピーク間時間レジスタ１７をそれぞれのカウンタからロードさせる。そ の後、立上り時間レジスタ１４は、前しきい値検出器が可能化されて以来立上り 時間カウンタによって累算されたタイミングパルスの数を保持する。

ピーク間カウンタ１６は立上り時間カウンタ１３と同じソースからのタイミング パルスでクロック動作される。これはリセット信号によって制御されないが、再 び増分するまでオーバフローによってそれ自身クリアすることが可能である。ピ ーク間時間レジスタ１７はそのカウンタに関して時間内のピークの位置に関する 情報を提供する。したがって、レジスタ１７中にラッチされた値は前しきい値が 最初に超過されて以来経過した時間に直接的に関係する、これはなぜならカウン タ１６はその間に信号がしきい値２０を下回った場合も停止しないからである。

結果として、ピーク間タイミングの表示がレジスタ１７からプロセッサ中に入力 された連続値を減算することにより得られ得る。

ピーク値とタイミングレジスタとをロードしたために、シーケンシング論理はピ ーク検出器回路を再度可能化する。

もし後しきい値レベル２０に到達する前に他のピークが検出されれば、シーケン シングサイクルが繰返される。もし新しいピーク値がピーク値レジスタ２４中に 記憶された値を越えなければこれは排棄され、かつタイミングレジスタは再ロー ドされずにピーク値レジスタ中のピーク値に関連した先にロードされた値を保持 する。もし新規のピーク値がピーク値レジスタ中に記憶された値を越えれば、こ れはそのレジスタ中に移され、かつ２つのタイミングパルスタはそれぞれのカウ ンタからロードされる。

入力信号が後しきい値レベル２０を下回る場合、シーケンシング論理によりデー タ利用可能信号がプロセッサ装置へ発生する。ピーク値、立上り時間およびピー ク間時間を保持するレジスタの内容はその後プロセッサ（図示せず）によって読 出される。モニタしているハードウェアは、プロセッサがレジスタを読出しかつ ハードウェアを再度開始させるシステムリセットを発行した場合にのみ再度可能 化される。

その後、プロセッサ装置はレジスタからのデータを分析してピークの立上り時間 が予め定められた受容可能な値の範囲内に入るかどうかを決定する。立上り時間 がその帯域内になければピークはディスカウントされる。

センサの回復時間内に発生しなかったピークが受容可能な立上り時間を有する場 合は、プロセッサ装置は衝撃の運動量および発生時間を示す最終出力信号を発生 する。

プロセッサ装置はまた（すでに公知の）回復時間の開始をマークするためにピー クの発生時間を利用する。回復時間の間、プロセッサに与えられた情報はトラン スジューサ内の共振効果によって引起こされた第２のピークか、またはさらなる 衝撃の結果生じるピークに関係し得る。

第２のピークの大きさおよび発生時間はトランスジューサの特性に依存しかつ適 切な数学的モデルを用いてプロセッサ装置によって推定可能である。

２つの異なるタイプのピークを識別するために、プロセッサはまず検出されたピ ークの発生時間と第２のピークの予想される発生時間とを比較する。もし検出さ れたピークがこれらの予想された時間のうちの１つにおいて発生しなければ、プ ロセッサはピークが衝撃によって引起こされたものと取り扱う。

ピークが推定された第２のピーク時間と一致する時間に発生した場合は、プロセ ッサはピークの大きさを推定された問題の第２のピークの大きさと比較する。も し検出された大きさが推定された大きさよりもはるかに大きければ、ピークはま た衝撃によって引起こされたものとして取扱われる。その他の場合はプロセッサ はピークを第２のピークと取扱い、その結果最終信号は発生しない。

ピークが衝撃によって引起こされたものとして取扱われる場合は、プロセッサ装 置は発生時間を用いてさらなる回復時間の開始をマークし、その後のピークの分 析に関して用い、その後、最終信号を発生する前にピーク値に訂正を加えるか、 または代替的にピークをディスカウントしてもよい。

衝撃が回復時間内に発生しそうにない状況で用いられるよう意図された単純化さ れた実施例においては、プロセッサ装置は最初のピークに続く回復時間内に検出 されたすべてのピークを単純にディスカウントするが、これはなぜならこれらの ピークはおそらくは第２のピークであるからである。

このシステムが長い動作期間にわたって用いられ得るために、アナログ信号のい かなる直流ドリフトも検出されかつ訂正されることが好ましい。このドリフトは 衝撃の見かけの振幅を増大または減少させる効果を有する。このタイブのドリフ トは主として温度変化に関連する。トランスジューサは電子回路を組入れてもよ くかつ流体中の温度変化に影響されやすいので、直流ドリフトの大きさを評価す るときにトランスジューサが回路内にあることが重要である。

トランスジューサをそのモニタ位置から取り除（ことを避けるために、いくつか の状況においては、粒子衝撃のないときに直流レベルを測定するために流体の流 れを保留することが可能である。代替的に、これが不可能な状況においては、プ ロセッサ装置は周期的制御信号を発生して、トランスジューサのフェースを流体 の流れから保護するようにスクリーンを活性化することが可能である。典型的に はこれは小スクリーンを有するソレノイドを用いる電気機システムに依存する。

図５Ａにおいて、図５に示される構成要素に対応するものは図５の関連する参照 番号を１００ずつ増やした番号によって示される。

図５に示される装置はピーク検出器を持たない。その代わりに、その１つの入力 がバッファ１０７を介して増幅器１０６に接続されるアナログ−デジタルコンバ ータが、コンバータ１１０のクロック入力に接続されるサンプリングクロック１ ４０の制御下で、入力に与えられる信号を継続的にデジタル形式に変換する。

コンバータ１１０によって生成されたデジタル信号はデジタル前しきい値検出器 １０８およびデジタル後しきい値検出器１０９へ、かつ比較器１１９およびピー ク値レジスタ１２４へ中継される。

図５の装置を用いる場合と同じく、検出器１０８および１０９のしきい値レベル は「デジタル的に制御されたしきい値」ラインによって示される入力に接続され る制御手段（図示せず）を用いてセットされかつ調整され得る。

検出器１０８および１０９の出力は制御装置１１２の入力に接続され、これは検 出器１０８からの（前しきい値が超過されたことを示す）信号に応答して１つの 出力でイネーブル信号を発生して立上り時間カウンタ１１３に与え、かつ検出器 １０９からの信号に応答して他の出力でリセット信号を発生して検出器１０８お よび１０９、ならびにカウンタ１１３に与える。

装置１１２はクロック１１８のために入力される制御手段に接続されたシステム リセット入力と、比較器＋１９がらの信号のための入力とを含む。ｒクロック１ とラベルを付けられたラインによって示される装置＋１２の２つの出力のうちの 一方はレジスタ１２４に接続され、その他方は立上り時間レジスタ１１４および ピーク間時間レジスタ１１７に接続される。装置は、これらの出力で信号を発生 して適切な値をレジスタ１１４．１１７および＋２４中にラッチさせ得る。

クロック１１５はカウンタ１１３およびピーク間カウンタ１１６を規制する。

レジスタ！１４、＋１７および１２４の出力は処理手段（図示せず）に接続され 、これは装置＋１２の関連した出力からｒピークデータ利用可能１信号を受信す ると、そのときにレジスタ中にラッチされた「ピーク間時間」、立上り時間およ びピーク値を読出す。

前しきい値検出器＋０８はプロセッサ装置からロードされることができる制御レ ジスタと、高速デジタル比較器とを含む。以前と同様、前しきい値検出器の目的 は入力信号の振幅が制御レジスタの内容によって特定されるしきい値をいつ越え るかを決定することである。

入力信号がしきい値レベルよりも低い振幅を有する場合は、前しきい値検出器１ ０．８中の比較器はピーク値回路が不能化されることを確実にする。アナログ− デジタル変換サイクルの各々について、比較器は結果として生じるデジタル出力 を制御レジスタ中のしきい値と比較する。比較器はアナログ−デジタル出力が前 しきい値レベルを越えたことを検出する場合にのみ、装置１１２によって受信さ れる出力信号を切換え、装置１１２はカウンタ１１３を可能化する。前しきい値 検出器１０８はその後、後しきい値検出器＋０９が入力信号が関連するしきい値 を下回ったことを検出するまでそれ自身、不能化される。

後しきい値検出器１０９もまた制御レジスタと高速比較器とを含む。前しきい値 検出器１０８と同様に、その制御レジスタにはプロセッサ装置による関連したし きい値がロードされる。アナログ−デジタル出力がその制御レジスタ中に記憶さ れた値を下回る場合にピーク値回路を不能化するために用いられる、（装置１１ ２への）出力信号をその比較器か切換えることを除いては、この検出器の動作モ ードは前しきい値検出器＋０８と同様である。

アナログ−デジタルコンバータ１１０は入力波形を継続的にデジタル化している ために、比較器１１９およびレジスタ１１４はしきい値レベル間の波形のデジタ ル化されたサンプルすべてを検査するために用いられる。

ピーク値レジスタ１２４は前しきい値レベルに到達する前に０に初期化される。

比較器１１９はデジタル化されたサンプルの各々を現サイクルの間（つまりしき い値が超過されている間）に発見された最高のピーク値と比較し、システムは２ つのうちの高い方をピーク値レジスタに保持する。結果として、デジタル化され た波形が後しきい値検出器１０９を活性化するように落ちる場合、ピーク値レジ スタ１２４中に留まる値が現サイクル中に遭遇した最も高い値となる。

クロック＋４０が２０ＭＨ，の周波数で動作しているために、波形のデジタルサ ンプルは５０ｎＳごとに入手可能である。このためこの実施例については、相対 的に大きな粒子束についてはより速い速度が要求されるが、モニタされているタ イプの波形については十分に速いサンプリング速度が与えられる。

図５Ａの配列においては、立上り時間およびピーク間時間カウンタの動作は図５ に関して先に説明されたものと同一である。

図５に関するシーケンサおよび同期論理設計のシーケンサおよび同期論理は登録 された出力を有するミーリー（Ｍｅａｌｙ　）ステートマシンを設けるプログラ マブル論理シーケンサに依存する。アドバンスト・マイクロ−ディバイシズ（Ａ ｄｖａｎｃｅｄ　Ｍｉｃｒｏ　Ｄｅｖｉｃｅｓ）からのＰＬＳＩ０５シーケンサ はＡＮＤ１０Ｒ論理構成を提供する。ＡＮＤアレイおよびＯＲアレイは積和の等 式を実現可能にするように両方ともプログラマブルである。

ＡＮＤアレイは１６個までの外部入力を支持可能である。

このアレイに与えられる入力信号は　アナログ入力信号がいつ前しきい値レベル を越えたかを示す前しきい値検出器からの出力と、アナログ信号がいつ後しきい 値レベルを下回ったかを示す後しきい値検出器からの出力と、ピークが検出され たことを示すピーク検出器回路からの出力信号と、主プロセツサ装置から与えら れるシステムリセット信号と、Ａ−Ｄ出力をピーク値レジスタ中に記憶された値 と比較する比較器からの出力と、発振器モジュールによって発生するシーケンサ クロック信号とである。

シーケンサのＯＲアレイは８つの出力レジスタと６つの埋め込みステートレジス タとを駆動する。出力レジスタは次の出力信号を与えるために用いられる：ピー ク検出器をリセットするための局部リセット信号、立上り時間レジスタおよびピ ーク値レジスタをリセッ）・またはクリアするための他の独立リセット信号、立 上り時間レジスタおよびピーク間レジスタをストローブするためのクロック信号 、ピーク値レジスタをストローブするためのクロック信号、および主プロセツサ 装置へ経路選択されるピークデータ利用可能信号。

図５Ａに関するシーケンサおよび同期論理図５Ａに関するシーケンサおよび同期 は図５について説明されるものと同様である。ＰＬＳ１０５シーケンサはピーク 検出器入力信号が取り除かれる以外は同し機能を実行する。

ピーク検出器入力信号の役割は実際には、ピーク値レジスタに関連する比較器に よって発生する信号によって実行される。

主要ハードウェア構成要素 実施手段　図５　図５Ａ インスツル メンテーション増幅器　ＰＧＡ２０２　ＰＧＡ２０２単位利得バッファ　ＡＤ８ ４７　ＡＤ８４７前しきい値検出器　ＡＭ６８６　７４ＡＳ８８５後しきい値検 出器　ＡＭ６８６　７４ＡＳ８８５ピーク検出器　０ＰＡ６００　− Ａ−Ｄコンバータ　ＭＣ１０３１９ＭＣ１０３１９立上り時間カウンタ　７４Ａ Ｓ８６７　７４ＡＳ８６７ピ一ク間時間カウンタ　７４ＡＳ８６７　７４ＡＳ８ ６７立上り時間レジスタ　７４Ｆ３７４　７４Ｆ３７４ピ一ク間時間レジスタ　 ７４Ｆ３７４　７４Ｆ３７４比較器　７４Ａ３８８５　７４ＡＳ８８５ピーク値 レジスタ　７４ＡＬＳ２７３　７４ＡＬＳ２７３シーケンサ　ＰＬＳ１０５　Ｐ ＬＳ１０５基本的論理機能を与えるために限定された数のＡＮＤゲートおよびＮ ＯＲゲートがまた追加して用いられる。

’ｔｉｔ−ＩＥ　ｓ−ｊＭｌ ｍ−−ＩＡＨ＆ｍｗｓ＋＋　ＰｃＴ／Ｇ”　９２７ｏｏ９１７フロントページの 続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、　ＳＥ）、０Ａ（Ｂ Ｆ、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、ＣＩ、ＣＭ、ＧＡ、ＧＮ、ＭＬ、ＭＲ，ＳＮ、ＴＤ、Ｔ Ｇ）、ＡＴ、　ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　ＣＨ，Ｃ５，ＤＥ。

ＤＫ、　ＥＳ、ＦＩ、　ＧＢ、　ＨＵ、ＪＰ、　ＫＰ、　ＫＲ，ＬＫ、　ＬＵ、 　ＭＧ、　ＭＮ、　ＭＷ、　ＮＬ、　ＮＯ，ＰＬ、Ｒ○、　ＲＵ、ＳＤ、ＳＥ、 　ＵＳ

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．粒子の衝撃に応答して粒子の衝撃の強さに関係する振幅を有する電気信号を 発生するトランスジューサを用いて移動している粒子を検出しかつ分析する方法 であってａ．トランスジューサ出力信号の瞬時値をモニタするステップと、 ｂ．トランスジューサ出力信号の振幅がいつ所与のしきい値を越えるかを検出し 、かつトランスジューサ出力信号が前記しきい値を越えている間のいかなる局部 最大値も認めるステップと、 ｃ．複数個の局部最大値のうちのどれが総合最大振幅を有するかを決定して電気 的ノイズスパイクと粒子の衝突によって引起こされた振幅偏位とを識別するステ ップと、ｄ．その振幅が検出された局部総合最大値に対応しかつそのタイミング が局部総合最大値が発生する時間に対して固定された関係を有し、それにより粒 子の衝撃時の運動量および位置を示す信号を発生する、最終出力信号を発生する ステップとを含む、方法。
2. ２．トランスジューサがそれに関連した回復時間を含む、請求項１に記載の方法 であって、何らかの最終出力信号が発生した後にはトランスジューサの回復時間 に等しい時間期間内に、トランスジューサ出力信号の何らかの大幅な振幅偏位に 応答していかなる最終出力信号も送信することを禁止するステップをさらに含む 。
3. ３．請求項１または２のいずれかに記載の方法であって、この方法は、前記局部 最大値の立上り時間を決定し、かつ考慮によりその予め定められた振幅値までの 立上り時間が粒子の衝撃の結果生じる振幅偏位の立上り時間の特徴である予め定 められた立上り時間の範囲内にはない振幅偏位を排除するステップをさらに含む 。
4. ４．請求項１または２に記載の方法であって、この方法は、前記局部最大値の立 上り時間を決定するステップと、検出された総合最大振幅値の各々に続く回復時 間の間にトランスジューサ出力信号の振幅値に訂正を加えるステップとを含み、 これにより将来の総合最大値を決定する前に公知の減衰振動に対応する検出され た振幅偏位値に加算（またそこから減算）により、検出された衝撃によるトラン スジューサの信号中の公知の減衰振動を補償する、請求項１または２に記載の方 法。
5. ５．請求項１または２のいずれかに記載の方法であって、この方法は、前記局部 最大値の立上り時間を決定するステップと、公知の減衰波形に対応する数学的モ デルを用いて出力信号を修正するステップとを含み、その結果送信されたトラン スジューサ出力信号の振幅は次の局部総合最大値を決定するための処理の前に先 の衝撃について訂正されかつそれを考慮に入れる。
6. ６．数学的モデルはダンピングされたトランスジューサの振動機能を説明する、 請求項５に記載の方法。
7. ７．隣接する総合最大振幅値間の時間期間が決定され、かつ第１の衝撃から予想 される減衰波形に関する公知のデータを用いて、第２の最大値の発生時の後者の 値は第２の最大値が訂正されるべく計算される、請求項４ないし６のいずれかに 記載の方法。
8. ８．しきい値レベルを下回る振幅を有するトランスジューサ出力信号中のピーク は分析されない、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
9. ９．正のしきい値よりも大きさの大きい正方向の偏位および負のしきい値よりも 大きさの大きい負方向の偏位のみが分析のために利用可能であるように一方は正 でありかつ他方は負である２つのしきい値が用いられる、先行する請求項のいず れかに記載の方法。
10. １０．トランスジューサからのアナログ出力信号は検出された最大値の領域内で デジタル形式に変換される、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
11. １１．粒子の衝撃を検出しかつ分抗するための装置であって、粒子の衝撃に応答 して電気的振幅偏位を発生するセンサを含み、その最大振幅は衝突を引起こす粒 子の運動量に関係しており；さらにセンサ出力中でピークを検出するためのピー ク検出器と；各ピークの振幅および発生時間を測定するための信号処理手段と； 一連のピーク値のうちのどれが局部総合最大値を有するかを決定するための比較 器手段と；最終出力信号として処理するための出力手段とを含み、信号は局部的 に検出された総合最大値に対応する値を有しかつそのタイミングは検出された衝 撃の時間に対応する、装置。
12. １２．センサは、粒子の衝撃により第１の偏位に加えて、センサのトランスジュ ーサの回復時間に対応する一定の時間期間にわたって重要でないレベルに減衰す る一連の減衰振幅偏位を含む第２の信号を発生する種類のものであり、この装置 は検出された総合最大値が先に検出された総合最大値のすぐ後に続く回復時間内 に発生したかどうかを決定するためのタイミング手段を含む、請求項１１に記載 の装置。
13. １３．次に検出される総合最大値の発生時に第１の衝撃によるトランスジューサ 出力信号の予想される値を計算し、かつ前記次の値を調整して第２の粒子の衝撃 の運動量をより正確に反映する調整された値を与えるための補償手段をさらに含 む、請求項１１に記載の装置。
14. １４．請求項１１ないし１３のいずれかに記載の装置であって、この装置はデジ タル値が処理のために利用可能となるように少なくとも検出された局部総合最大 値においてトランスジューサ出力信号のアナログーデジタル変換を実行するため の装置を含む。