JPH0663796B2 - アナログ実質的に線形出力を有する流れ測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背景］ 本発明は流速と質量流れ速度の測定用の計装に関する。

内部に固体粒子をもつガス流れ（および同様に動作する
或る種の流体）の測定は種々の産業、例えば化学処理、
食物の処理、輸送の装荷と荷揚げ、ろ過、航空工学、燃
焼燃料の供給において実質的に未解決の問題である。技
術的現状は、複雑な資料と計量、および高価なインライ
ンの、実時間波動エネルギー走査装置（電離、Ｘ線、超
音波、後方散乱、原子核や光学的放射線追跡を用いたシ
ーディングおよび対応する走査器による読み出し）に限
定されている。技術はまた内蔵する固体に基因する密度
補正を用いる標準形流体流量計を使用してきている。

本発明の主要な目的は比較的簡単にして低価格の（資本
的および操作的に）、低保全性の、実時間で精確で利用
可能な、本質的に線形のアナログ入力を与える流れのセ
ンサを与えることである。

［発明の概要］ 目的は摩擦電気効果を用いた計測により満足される。金
属プローブは流れる固体の流れに挿入される。プローブ
に伝送される電荷は電子装置を通って接地に復帰し、電
子装置に対し入力電流を形成し、また電子装置に対し入
力電流を構成する。電荷伝送速度はプローブと衝突する
固体の流量にほゞ比例する。

摩擦電気の監視法は1967年12月26日にR.C.Dimickに許可
された米国特許No.3,359,796号に説明された。産業上の
技術はこの開示によって前進しなかったがその理由はガ
ス／固体流内の摩擦電気プローブは本発明によって認識
され克服された多種多様な異常な条件と問題点に遭遇し
たからである。

本発明によれば流量測定計器は流量内のまたは流量に結
合した摩擦電気センサプローブを利用している。

センサプローブからの電流信号は超低雑音同軸ケーブル
を介して電子機器に伝導される。過電圧保護装置はプロ
ーブに設置されて、ケーブル断線の場合の電圧の増強を
阻止する。電子装置の第１段は電流対電圧交換回路であ
って、これは10:1の連続調節手段をもった１×10^８Ａ／
Ｖから１×10^{１ ２}Ａ／Ｖまで×10段階で調節可能な交換
利得を有している。限流用障壁抵抗器が入力加算用接合
部と回路の残部との間に設けられて、感知用プローブと
ケーブルとは本来固有的に安全であることを保証し、し
たがってプローブが有害な領域に設置されることを許容
する。

いずれかの極性の電荷伝送はプローブにおいて生ずるか
ら、単一極性信号を与えるために絶対値回路が使用され
る。調節可能な低域通過フィルタを絶対値回路に後続す
ることによって、高周波信号成分の減衰を与える。

電流対電圧変換回路のオフセット電圧・電流特性のおか
げで、回路の出力は周囲温度とともに変化する。温度効
果を消滅するために、自動零回路が回路を周期的に（毎
分約一度の割合で）再び零にするように接地される。非
対称調時回路は増幅器入力を入力リレーを附勢すること
によって断線し電流対電圧変換回路を零にするために負
帰還を与えるように積分回路を接続する。積分器は零に
するレベルを維持する。サンプル・ホールド回路はゼロ
動作サイクルの間この出力信号を保持するのに使用され
る。時間遅れ回路は、ゼロ動作サイクルの後に変換器が
設定されるまで出力を保持させる。

０ないし８ボルトの出力信号は４ないし20ミリアンペア
（mA）に交換されて標準計測出力を与える。

メータは流量信号を表示し、計器を調整する場合の補助
として設けられている。

警報または制御関数が選定された流量レベルにおいて始
動し得るように調整可能な設定点リレー出力がまた付与
される。メータはまたリレー設定点を設定するために用
いられる。

添付の図面に関連する好適な実施例の以下の詳細な説明
から、他の目的、特徴および利点が明瞭となると思われ
る。

図面の簡単な説明 第１図から第３図までは本発明の好適な実施例に関する
装置の構成要素のための回路図である。

［好適な実施例の詳細な説明］ 第１図は流量パイプEpに挿入された摩擦電気プローブ１
からの信号を増幅し、調節する電子機器の概要図であ
る。この電子機器は、標準計測用電流出力19と０ないし
8Vの電圧出力とを与え、メータ20を駆動し、かつリレー
24を作動するしきい値回路21（第1A図の微小調整をもつ
２段の演算増幅器を含む）に信号を入力する。

単一終端信号は低雑音同軸ケーブル２、低雑音限流用抵
抗器３を介してそれからリレー５を介して接点の閉止を
電圧・電流変換器として図示された演算増幅器10に向け
られる。過電圧保護装置４は限流抵抗器と共に過大な電
圧を保護し、本質的に安全な回路網を与えてプローブが
危険な領域で使用されることを許容する。過電圧装置1A
と1Bとは最大値電圧をプローブそれ自身の内で制限す
る。

低雑音で低ドリフトの演算増幅器10は信号電流をプロー
ブ１から抵抗器６と７を通して送る。この配置は演算増
幅器出力８において低出力インピーダンスの信号電圧を
発生する。信号電圧は、信号電流に利得調整（段階的）
手段（図示されていない）を有する分圧器によりその電
圧降下が変更される抵抗器６の有効抵抗値を乗じたもの
に等しくなる。

信号電流はいずれか（の方向）にするから、演算増幅器
10の出力端８における電圧信号は正又は負のいずれかの
電圧になり得る。絶対値回路12は、入力端12Bにおいて
大きさが正又は負の電圧量に等しい正の電圧を出力端12
Aに発生する。第２図はこの回路の一層詳細な概略図を
示す。正電圧が演算増幅器35の入力34に印加されるなら
ば、演算増幅器35はその出力端35Aを正に駆動しダイオ
ード36を順方向にバイアスし、ダイオード41に逆バイア
スをかけて、演算増幅器39の入力38を正に駆動し、順次
出力40を正に駆動する。ダイオード41は逆にバイアスが
かけられている。抵抗器43と44とは演算増幅器35の入力
42に帰還を与えて、全体の絶対値回路を＋１の利得をも
つフオロワとして作動させることになる。信号が入力端
34に印加される負電圧の場合には、出力35Aは負に駆動
され、それによってダイオード36に逆バイアスをかけ、
ダイオード41に順方向バイアスをかける。演算増幅器35
は入力42をして、負信号入力に等しくなるまで負にする
ようにさせるよう動作する。入力端42における負電圧は
抵抗43に電流を通させる。演算増幅器39の入力端38は抵
抗器37により０ボルトに保持され、出力40は抵抗43を通
る電流に等しい抵抗44を通る電流を供給し、入力端45を
０ボルトに保持するのに十分なように正に駆動される。
抵抗器43と44とは等しく、出力端40の正電圧が入力端42
とまた入力端41の負電圧位即ち信号入力に等しいことを
保証する。利得は−１である。したがって回路は大きさ
が正又は負の電圧量の入力に等しい出力の正電圧を発生
する。

第１図に戻って参照すると、絶対値回路出力端12Aにお
ける正電圧は、スイッチ13を介して時定数が調節される
のを許容する、コンデンサ15と調節可能な抵抗14より構
成された単極低減波器に送信される。電圧フオロワバ
ッフア型演算増幅器16はノード16Aにおいて波された
信号を受信し、次のものを駆動する：抵抗器21を適切に
読むように目盛りされたミリアメータ20;使用者の利用
し得るリレー接点を閉止し、選定されたしきい値を超過
する場合に赤色LED23を点灯する比較器22;および計測用
出力として適切な電圧対電流変換器回路18。

第３図は電圧対電流回路18のより詳細な概略図である。
０ボルトから８ボルトまでの電圧信号はノード46におい
て入力され、抵抗器47を通って演算増幅器51の入力端49
に通ずる電流を生ずる。この電流は抵抗器61と48通って
入力端49を０ボルトに保持する電流により平衡される。
演算増幅器51は、入力端49において平衡を生ずるのに必
要な電圧までその出力50を駆動する。出力端50の電圧は
抵抗器52と53から形成された分圧器に印加され、その分
割電圧は演算増幅器55の入力端54に印加される。演算増
幅器55はFET（電界効果トランジスタ）59をターンオン
することにより対応し、抵抗器57とFET59を通る電流を
使用点60まで駆動する。この電流は入力端56の抵抗器57
の両端の電圧が、入力端54の電圧に等しくなる所まで増
加する。抵抗器57の値はFETを通って送出された電流値
を決定する。抵抗器61を変化することによりその電流は
変化し、演算増幅器51の出力50は変化して、入力端49に
おける電流平衡を維持する。この動作機構によりFET59
を通る後続の電流出力は便利なレベルにまで調節され得
て、ゼロまたはフルスケール信号（4mA）を表わす。ノ
ード46における信号が正になるにつれて、抵抗器57の両
端の電圧は増加し、これにより使用端60における出力電
流を、８ボルトにおける20mAにまで増加せしめる。

第１図に戻って図面を参照すれば、演算増幅器10の出
力、即ち電流対電圧変換器入力は電流検出端であって、
毎分毎に自動的にゼロにされる。第１図においてスイッ
チ11が閉止されると、積分用増幅器27は抵抗器26を通る
電流を駆動して、出力８を強制的に０ボルトにする入力
端10Aに流す。この時間の間プローブ１から入力電流は
入力リレー５により分離され、したがって積分用増幅器
27は温度により生じたオフセットの平衡をとろうとす
る。積分用増幅器27は、スイッチ11が開放されリレーが
閉止されると、オフセット平衡電流を維持するために必
要な電圧を記憶する。

リレー５はまたゼロシーケンスの間に入力した信号を10
Aに接続して、ケーブル２上の電荷の蓄積を阻止する。

自動化ゼロ設定によりすべての出力をゼロレベルに行く
ようにすることになる。しかしながらスイッチ13、抵抗
器14およびコンデンサ15は追随および保持回路として動
作する。自動ゼロ設定となる前に最後の信号はコンデン
サ15上の電圧により表わされ、自動ゼロがこの電圧を変
化し得る前に、スイッチ13が開放される。自動ゼロが生
じている間、これはコンデンサ15上の電圧と出力とを最
後の値に保持する。自動ゼロが完全であればスイッチ11
は開放され、新しい信号レベルが絶対値回路出力端12A
までずっと確立された後に、スイッチ13は閉成される。
必要な遅れは遅延回路30において形成される。タイミン
グ回路33は自動ゼロ設定に必要なタイミング信号をほゞ
１分間毎に発生して、オートゼロ設定が活動していれば
黄色の発光ダイオード31を点灯する。

交流信号を発生する容量性結合プローブ1PはOVPと共に
上記回路に対して使用することができる。このプローブ
1Pとスイッチに対し、セクション32および17に対して、
自動ゼロ設定関数は連続動作で設けられ、電流対電圧変
換器からの信号は演算増幅器出力８を直接電圧対電流交
換器18まで送信する。

代表的な能動的構成部品は 10 バーブラウン社製演算増幅器 104CM 11／13 ハリスセミコンダクタ社製 HI1−200−５ 16.21.27.35.39−RCA社製 CA3240E 51.55 ナショナルセミコンダクタ社製 LM1458 代表的な受動的部品は ３−150キロオーム（RL20形） ６−100メグオーム ７−０ないし10キロオーム 26−１メグオーム 25−100オーム 14−０ないし１メグオーム 15−22マイクロフアラッド 37−4.7キロ 43−10キロ 44−10キロ 47−10キロ 48−10キロ 61−５キロ 52−４キロ 53−１キロ 他の実施例、改良、詳細および使用法は前記開示の明細
書と精神とに矛盾する所がなく、かつ同等の教義を含ん
で、特許法に従って解釈される次の請求の範囲によって
のみ制限される、この発明の範囲内において矛盾する所
がないようにできることは、当該技術者にとって自明の
こととは云えないものである。

フロントページの続き (72)発明者 ニユートン，ロバート・イー アメリカ合衆国マサチユ−セツツ州01923, ダンバ−ス，ワン・サウスサイド・ドライ ブ （番地なし）オーバーン・インターナ シヨナル・インコーポレーテツド内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】実時間で利用でき、線形、アナログ読取り
   において定量的に、導管中に移動する流体を含む固体粒
   子の流速を決定する流れ測定装置であって、 （ａ） 流れ中の粒子から電極手段への物理的電荷伝送
   のために前記導管中の流れ中に構成されて配設された摩
   擦電気センサの電極手段であって、前記電荷伝送の速度
   は前記流速に比例し、 （ｂ） 前記電極手段のために直接結合される接地路を
   確立して前記流れとの相互作用により前記電極手段に生
   成される電流を接地する手段、 （ｃ） 前記電流を電圧信号に変換する手段、 （ｄ） 前記電圧信号のゼロを実質的に継続して調整し
   て前記電圧信号の感度を減少することなくゼロドリフト
   を本質的に保証する手段、 （ｅ） 前記電圧信号を高出力利得で、前記流速に比例
   する絶対値単極電圧に変換する手段、 （ｆ） 前記絶対値電圧を供給して前記流れの状態を調
   整するための出力を動作する手段、 を含む流れ測定装置。