JPS63500331A - メジャランド感知方法及び装置 - 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】 １．技術分野 本発明はプロセス制御産業に使用するセンサ、よシ詳細にはプロセス制御メジャ ランド、すなわち物理的パラメータを感知して制御室と通信する現場配置装置に 関する。本発明の特定上ンサは光線運動的に励起され、元ファイバ等によシ光学 的に検出される。代表的なメジャランドとして温度、圧力、差圧、流量、液面及 びこれら物理的パラメータのさまざまな導関数が含まれる。

２、背景技術 元ファイバをベースとした通信や産業プロセス制御の利点が判るにつれ、低レベ ル放射エネルギを光ファイバを介して測定現場へ送り、所望の測定を行って、測 定情報を元ファイバ径路を介して制御及び測定場所へ戻す簡単で、廉価で信頼度 の高いさまざまな通信方法を使用することが強調されるようになってきた。この ようなプロセス制御システムの設計者が直面する多くの問題の中に、低元レベル 光学径路数を最少限とし引き出した測定情報を元ファイバ信号によシ通信できる ように正確で信頼度の高い測定を行う必要性がある。

本発明に従ったトランスジューサの重要な利点ハ、元ファイバを介して供給する 放射エネルギによシ共振器を直接励起できることである。本発明に従ったトラン スジューサのもう一つの利点は共振器の共振周波数が外部の物理的パラメータに よって変えられ、この周波数は遠隔感知できることである。本発明のさらにもう 一つの利点は共振周波数を光学的に感知し元ファイバに沿って送信できることで ある。これらのトランスジューサの利点は（例であって、制約はされないが）お よそ１μＷ程の低光電力によシ効率的に励起できることである。

ここに開示する本発明のもう一つの重要な利点は測定現場の全ての電子装置が省 かれ、雷や電磁干渉（ＥＭＩ）に対する感受性及び他の測定方法に付随する電磁 パルス（ＥＭＰ　）問題を低減できることである。

現場の給電源も全て省かれ、保守の問題が低減する。

本発明のさらにもう一つの利点は元ファイバ駆動及び感知方法により、センササ イトの電子回路を省くことによシ周囲動作温度範囲の固有の制約を除去できるこ とである。

七ンサ内の共振素子は量産して廉価に校正し、めんどうで高価な現場校正をなく すことができる。１本の定常光線を第１のファイバ光路へ放出させ、変調を行い 、もう一つのファイバ光路を介して検出点へ戻すことが知られている。米国特許 第４，３４５，４８２号、第４．２７５．２９５号及び第４．５２１．６８４号 を参照されたい。また、第１の波長の放射エネルギをファイバ光路に放出して共 振ワイヤセンサに給電し、第２の波長の放射エネルギを同じファイバ光路へ放出 してワイヤ発振を感知し、ワイヤの振動と共に変動する信号を戻すことも知られ ている。米国特許第４，５２１．６８’４号を参照されたい。

元ファイバ装置による遠隔励起及び感知は１９８３年、９月２０−２２日、ＴＪ ＭＩＳＴ、マンチェスタ（ＪＫ）°　センサ及びその応用°のビー、イー、ジョ ーンズ及びジー、ニス、フィリップの論文”光フアイバリンクを有する振動ワイ ヤセンサ及び力測定”に示されている。これらの文献では、メジャランドは物理 的パラメータを共振ワイヤに加わる張力に影響を及ぼす力の変化へ変換して感知 される。元ファイバ装置による公知の遠隔検出及び通信方法は全て多重元路と、 共振部材用独立発振エネルギ源と、放射エネルギの電気エネルギへの中間変換と 、ファイバ光路により運ばれる比較的高電力の放射エネルギ値を必要とする。セ ンササイトに独立電源を必要としないいろんな構成でも電気エネルギ電力変換を 必要としそれによシ設計が制約される。

本発明の共振器として必要な高い”Ｑ”値を示す両頭音叉が米国特許第４，３７ ２，１７３号に開示されている。例えば、共振ワイヤやリボン及び他の圧電水晶 等のように加わる力と共に周波数が変化する他の共振機械構造も知られている。

プロセス制御に使用するのに適した低電力光学メジャランドすなわち物理的パラ メータセンサの需要は高く、電磁干渉（ＥＭＩ）及び電磁パルスダメージ感性が 無いだけでなく低電力動作が要求される。

本明細書において、′プロセス制御”には個別可変プロセス及び流体流量、流速 、温度、圧力、差圧、液面等の物理的パラメータすなわち１メジヤランド”とし て特徴ずけられる多くの制御プロセス状態を含む複合条変動プロセスが含まれる 。ここで使用する１共振機械構造２とは一般的に梁、中空梁、片持梁、片持中空 梁、二重もしくは他の多重梁要素及びリボン、ワイヤもしくは他の製造品及びそ れらの同等品であり、それらは全て特定発振周波数で共振することができる。

特に、多久音叉構造だけでなく、単頭及び両頭音叉構造が含まれる。ここで、“ 刺激”、”発振”、”励起”等に関して使用する“光線運動”及び１光熱”とい う言葉は時間によシレベルが変動する放射エネルギを局部的に加えて機械的構造 の運動を開始し、力が加わる点に局部応力を生じる方法に関連している。

ここで使用する゛放射エネルギ２という言葉には０．１から１００μｍ間の波長 のエネルギ、特に赤外、紫外及び可視光線エネルギが含まれる。簡単にするため 、これらの放射エネルギは一般的に制約なしに”光”もしくは”光エネルギと呼 ぶことができる。情報を運ぶ放射エネルギ信号と区別するために、このような放 射エネルギは”定常２もしくは”連続”もしくは゛連続波”とも記載される。“ 放射エネルギという言葉には特にコヒーレント及び非コヒーレント元エネルギが 含まれる。”変調”という言葉はここでは広く使用され、光線のある特性を変更 して別の信号の瞬時値と共にステップ状に変動させるプロセスを意味し、特にこ こでは振幅変調を説明するのに使用される。ここで使用する゛定常”放射エネル ギとは実質的に一定の強度値（すなわち、強度の短時間変動がない）及び実質的 に不変のスペクトル分布を有する放射エネルギのことでちる。情報を運ぶ元信号 に関して、”シャッタ”及び”遮断”という言葉は変調を行う機構だけでなく変 調光線に関しても使用される。共振構造の励起に使用する放射エネルギは一般的 に”駆動”すなわち励起エネルギと呼ばれ、メジャランドインテリジェンスを受 信するセンサに送出される放射エネルギは”感知”光線もしくはエネルギと呼ば れる。インテリジェンスを運ぶ放射エネルギは”感知信号”光線もしくは変調感 知光線と呼ばれる。”流体”には気体及び／もしくは液体が含まれる。力”とい う言葉は物体を移動させたシその運動を修正できる物理的パラメータや現象を説 明するのに使用され、特に単位面積当りの力（圧力）及び圧力に変換可能な任意 のパラメータや現象が含まれる。しかしながら、共振器の周波数を変えるのは一 般的に共振器に加わる力であることをお判シ願いたい。しかしながら、一実施例 において、温度をメジャランドとして感知するために温度変化によシ共振器の弾 性係数が変化する。“トランスジューサ”という言葉はエネルギを一つの形状か ら別の形状へ変換する装置を記載するのに使用され、ここで使用する゛光電トラ ンスジューサ”及び゛電子光学トランスジューサ”という言葉はよシ詳細には放 射エネルギを電気エネルギへ変換し電気エネルギを放射エネルギに変換するのに 有用な装置を説明している。

発明の開示 １個もしくは数個のメジャランドの遠隔検出を必要とする（プロセス制御システ ム等の）システムにおいて、本発明は共振機械構造センサに直接光線運動刺激を 与えて光学的検出を行うメジャランドの測定に使用する装置を考案するものであ る。本発明は音叉等の”Ｑ”値の高い共振機械構造、共振機械構造に対して（通 常は力である）物理的パラメータの通信を行う手段、少くとも１個の放射エネル ギ源、共振機械構造の局部領域に対して放射エネルギを送受する元ファイバ等の １本もしくは数本の放射エネルギ径路、共振機械構造の少くとも一部内で行われ る放射エネルギの熱エネルギへの直接変換手段、放射エネルギの少くとも一部を １本の径路の少くとも一部に沿って戻す手段を含んでいる。

音叉や他の共振機械構造（共振器）は係数変化もしくは共振器の共振周波数を変 えるように働く力として物理的パラメータを受信する。光は元ファイバへ放出さ れて共振器へ達しそこで共振器の小領域、例えば励起位置を局部加熱するように 加えられる。この加熱効果によシ熱流が生じ、それはカロリー７秒で測定するこ とができる。熱流密度は元の強度に比例する。励起位置に入射する光線の時間と 共に変動する成分だけが共振器を駆動させるのに有用であり、それは共振器媒体 内に局部温度勾配を伴うのは時間と共に変動するこの成分であるためである。加 熱によシ共振器は膨張して歪を生じる。励起位置に光エネルギから熱エネルギへ の変換効率を改善する装置が含まれる場合には局部加熱が強化される。金属等の さまざまな薄膜が適切である。効率的な熱吸収及び変換が有益である。加熱位置 において放射エネルギの強度を時間と共に規則的に変動させることにより、共振 器を励起させて振動させることができる。また光は共振器の適切な振動面に指向 させ、この光の一部を別の位置へ戻して検出することもできる。励起光線は第１ の元ファイバで運び、センス光線は第２の元ファイバで運んで第３の元ファイバ で戻すことができる。また、センス光線は第２の元ファイバに沿って検出位置へ 戻すこともできる。

また、励起光線は第１の波長として選択的に励起領域へ指向することができ、セ ンス光線は第１の波長とは識別可能な第２の波長として共振器振動面に選択的に 指向させ同じ元ファイバに沿って反射し戻すことができる。この場合、１本の元 ファイバで励起及びセンス光線をセンササイトへ運び、且つ変調されたセンス光 線を制御部へ戻すことができる。い（つかの添付図・には図示せぬ従来の検出器 、帰還ループ及び信号出力回路が中央部に配置されていて光学装置を介した共振 器の駆動発振を維持するのに必要な帰還ループを完成している。

別の実施例では、励起及びセンス光線を元ファイバへ放出して共振器が元を一部 さえぎる共振器隣接点へ運び、一部を変調センス光線として戻すことができる。

一部の元は最初このシャッタ作用でさえぎられることがない。シャッタ光線の少 くとも一部？：（例えば、短い元ファイバを介して）共振器上の別の位置と連絡 させることによシ、この光を使用して励起を開始し維持するのに必要な局部加熱 を行うことができる。後者の場合、元のシャッタ作用と共振器に元を当てて発振 させる作用との位相関係は最適動作とするように慎重に選定しなければならない 。ここに開示する本発明のある実施例では、励起光線を独立した励起位置へ運ぶ だめの特別なファイバを必要とせず、両頭音叉では、励起及び感知が共振器上の ある場所の同じ位置で生じることがある。局部加熱効果は共振器表面上のさまざ まな位置へ加えることができる。単頭及び両頭二叉音叉に応用した結果、音叉の 股部に放射エネルギを加えるのが特に望ましいことが判った。戻して検出する前 に最大センス信号変調を行うために、センス元線信号は一般的に著しく移動する 位置へ指向するのが最良である。

本発明の方法は少くとも１個の物理的パラメータすなわちメジャランドを感知す る共振機械構造の直接光線運動刺激及び光学的検出として説明され、それは次の ステップを実施する、すなわち放射エネルギを発生し、（元ファイバ等の）径路 を介して共振機械構造と連絡を行い、次に放射エネルギの少くとも一部を時間と 共に変動する熱エネルギに変換し共振機械構造の一部内で局部応力として散乱さ せて共振機械構造の発振を開始させる。熱エネルギによる局部加熱により加熱場 所が膨張する。測定された物理的パラメータを共振機械構造の周波数を変えるこ とができる力に変換することにより、この共振周波数をメジャランドの相似型に 変えることができる。次に、放射エネルギの少くとも一部を放射エネルギ連絡径 路に沿って戻してメジャランドの遠隔検出を行うことができる。本発明を説明す る目的で、このような放射エネルギは付加放射エネルギ源から到来するものとす ることができ、同じファイバ光路に沿って送受してもしなくてもよい。

ここに開示する発明のさまざまな特徴はその一部を形成するいくつかの図面を調 べれば明白であり、全ての図面において、同じ参照符号は対応する要素を示して いる。

第１図は検討を行うだめの本発明の簡単化されたブロック図、 第２図は励起信号を加え且つセンス信号を指向／反射させる特定位置を示す両頭 音叉の斜視図、第３図は共振器に給電するために元エネルギを電気エネルギへ変 換し次に電磁力に変換する必要がある従来技術のメジャランド感知方法、 第４図は独立ファイバ光路を使用してａ）励起光線信号及び、ｂ）センス信号を センサに対して送受し、変調されたセンス信号を戻して検出する本発明の実施例 、 第５図は１本のファイバ光路を使用して変調されたセンス信号を制御部へ戻すだ けでなく励起光線信号及びセンス信号光線をセンサに対して送受する本発明の実 施例、 第６図は１本のファイバ光路を使用して一つの元信号を励起信号及びセンス信号 としてセンサに対して送受し、変調されたセンス帰還信号も１本のファイバ光路 中を運ばれる本発明のもう一つの実施例、第７図は共振器の弾性係数の温度誘起 変動によシ温度測定を可能とする一つの元ファイバ装置により駆動及び感知され る共振器、 第８図は共振器上及び元ファイバ終端の一致したマツチングパターンをトランス ジューサの駆動及び共振周波数の感知に使用し、且つ感知されたメジャランドを 同じ１本のファイバ光路に沿って返送する本発明の一実施例、 第９図は両頭音叉の好ましい励起場所及び好ましい感知及び／もしくは励起場所 である。

発明の最善実施方法 本発明の実施方法は広範にわたるため、単に発明を説明する目的で発明の範囲を 制約することなしに発明者が知っているいくつかの応用の説明にとどめる。

第１図にメジャランドセンサ１０装置の基本素子を示し、トランスジューサ１３ は遠隔場所１２、すなわち制御部から離れたプロセスサイト１１に配置されてい る。（ここで、矢符”Ｐ”で示す）物理的パラメータはトランスジューサ１３へ 運ばれ、それは元ファイバである１本もしくは数本のファイバ光路１４により制 御部へ接続されている。制御部１２はセンス光源１５、駆動光源１６、センス検 出器１７及び帰還回路１８を含み、それらはファイバ光路の制御部端へ接続され ている。

動作上、駆動光源１６は少くとも１本の元ファイバに沿ってトランスジューサ１ ３へ光を放出し、この党はトランスジューサ１３内の共振器を励起して振動させ る。センス光源１５は少くとも１本の光ファイバに沿ってトランスジューサ１３ ヘセンス光線を放出し、このセンス光線には次に物理的パラメータＰの測定値と 関連した時間と共に変動する変化が加えられる（変調）。トランスジューサ１３ は変調されたセンス光線をセンス検出器１７へ戻し、それは例えばホトダイオー ドとすることができ制御部１２に配置することができる。ホトダイオードは変調 されたセンス光線エネルギを電気信号に変換する光電トランスジューサを含べこ の電気信号は必要に応じて増幅し帰還回路１３を介して駆動光源と通信され、駆 動電力パルスの連続流を駆動光源１６へ送出して帰還ループを閉成することがで きる。第６図に関して後記する本発明の実施例では、帰還回路は使用せず連続（ 定常状態）駆動電力が必要なだけである。

第２図は本発明に従って特定共振センサが励起される様子を示す簡単化された図 である。この場合、共振センサは通常両頭音叉２０と呼ばれ、時にはＤＴＰと略 記される二重梁体である。それはプロセスサイト１１の予め確認されたトランス ジューサ１３内に配置される。駆動光源１６とセンス及び出力回路１９を含む制 御部１２がある。プロセスサイト１１において、両頭音叉２０は２つの重要な領 域を含んでおり、それは共振器感知場所２４及びこの場合両頭音叉股部２３であ る励起場所である。単に説明の目的で大きく斜視図で示す両頭音叉は光フアイバ １４等の少くとも１本のファイバ光路を介して制御部へ接続されている。センス 及び出力回路１９と駆動光源１６は帰還径路２５に沿って相互接続されている。

動作上、ＬＥＤ駆動光源１６から共振器２０へ光ファイバを介して光が放出され 、股部２３等の励起位置で両頭音叉に衝突する。励起位置２３で熱（従って歪） を発生することによシ、光子が光線運動的に両頭音叉２０を励起するものと考へ られる。駆動光源１６からの光出力は時間と共に規則的に強度が変動し、励起部 ２３に規則的に熱誘起歪を発生して共振器２０の発振を開始する。両頭音叉２０ の振動中に、その叉すなわち梁要素が撓み、又は光フアイバ隣接位置２４の軸に 直角に前後に移動する。定常状態すなわちＣＷ光線が上部ファイバ１４へ放出さ れて共振器感知位置２４で音叉を照明する。音叉の表面は反射により時間と共に 変動する光線強度を音叉からセンス及び出力回路１９へ戻すようにされておシ、 ここで時間と共に変動する強度が検出されて電気信号に変換される。この電気信 号は径路２５に沿って駆動光源１６へ戻シ発振器帰還ループを閉成する。測定す る物理的パラメータＰは音叉へ接続され、メジャランド値に関連したその周波数 を変化させる。電気信号の一部は共振周波数の電気的相似として出力することが できる。

次に、第６図にジョーンアンドフィリップの関連する公表された施設を示す。ア ンカポストと圧力ダイアフラム間に細いワイヤが張り渡されている。ワイヤは永 久磁石の磁極間に配置されワイヤの両端は整合変圧器を介してホトダイオード＃ １へ電気的に接続されている。強度の交番する光がＬＥＤ＃１から光ファイバを 介してホトダイオード＃１へ通過すると、ワイヤ中を交番電流が流れてワイヤは 強度変動と等しい周波数で電流及び磁界によシ画定される面と直角な面内を移動 する。ワイヤの移動はワイヤの移動面内に配置された２本の平行な光ファイバに よシ感知される。

この中の第１のファイバには制御ユニット内のＬＥＤ＃２から定公称強度の光が 送られる。この光は感知ヘッドにおいてファイバを離れる時にワイヤを照明する 。

幾分かの光は第２のファイバへ反射され制御ユニットへ戻される。この戻シ光線 の強度はファイバ終端に関するワイヤ位置の関数である。従って、ワイヤが振動 すると、交番する強度の光線が発振と同相で制御ユニットへ戻される。この光は ホトダイオード＃２によシミ流に変換され、制御ユニットで増幅されその一部は ワイヤと共振してＬＥＤ：＃１ｅ駆動するのに使用される。

次に、第４図に２本のファイバ光路１４しか必要としない本発明に従ったメジャ ランドセンサ１０を示ス。

未知の物理的パラメータＰの大きさを測定するトランｘｓ”ユーザ１３が配置さ れている。トランスジューサ１３はプロセスサイト１１に配置されファイバ光路 １４によシ信号発生及び処理装置を有する制御部１２へ接続されている。明確な ２本のファイバ光路として暗示されてはいるが、現場の計器と制御部間の距離が およそ１．６Ｋｍ（１マイル）もある代表的なプロセス装置の場合には、これら ２本の光ファイバ１４を適切なりラッドを施して１本のケーブルとし放射エネル ギすなわち光を伝播させることができる。

第４図の左側部分はトランスジューサ１３の主要機械要素を示し、本例では単に 説明の目的で両頭音叉共振器２０として示しである。一方の近端２１に固定され た共振器からなるこの組立体は、物理的パラメータＰが遠端２２に加わる力とし て共振器に運ばれるように構成されている。

共振器の動作は機械的共振器の専門家ならば知っていることであシ、他の人のた めに簡単に説明する。両端が固定されて撓み振動を行う梁は軸方向応力が加わる かあるいはその弾性係数が変るとその周波数が変化する。本発明では、センサは 通常（強度が時間と共に規則正しく変動する）放射エネルギ光線を励起位置２３ へ加えて作動して共振器２０の発振を開始させる。

両頭音叉が溶融水晶で作られている様な場合、共振器材料は本来放射エネルギを 吸収しないため、光線運動駆動効率は比較的低い。膨張応力を共振器材へ伝達す るような放射エネルヤ吸収材を励起部に含有すれば、励起効率が著しく強化され る。モリブデンを使用してこの目的を達成するのに成功した。応力が被測定物理 的パラメータＰと関連する両頭音叉２０の縦軸に沿って別の応力を加えることに ょシ、発振する音叉の共振周波数を正確に物理的パラメータと関連ずけることが できる。規則的に変動する光線エネルギを直接音叉の・股部へ加え一方の叉の露 出端で振動を感知することによシ単頭音叉を駆動させることができる（第７図参 照）。

共振器の温度（例えば、物理的パラメータＰ）が変動すると、音叉材の弾性係数 が変動する。これらの効果により共振器の共振周波数が温度と共に変化するよう になる。

第４図に示すように、制御部１２からの光ファイバ１４はセンササイト１１へ延 在し、ここに励起位置２３として示す両頭音叉２０の股部もしくはそれに隣接す る点へ運ばれる。第６図及び第９図に関して後記するように、これは望ましいこ とではあるが決定的な位置ではなく本共振器もしくは他の共振器構成上の他の位 置も使用して成功した。

動作上、第４図に示す制御部１２内の電気光学回路が調整直流給電３０を介して システム駆動エネルヤを供給し、それは発光ダイオード（ＬＥＤ）センス光源１ ５及び電力増幅器２９へ電圧入力を送シ次に第２の駆動光源ＬＥＤ１６に給電す る。ＬＥＤ１５は一対のマイクロレンズ３４及びビームスプリッタ３６と共に定 常状態光線をセンス光ファイバへ送シ共振器２０へ伝送する。システム中の光学 インターフェイスにマイクロレンズ３４を使用して光エネルギの伝達を強化する ことは本技術に習熟した人ならば良く知っていることである。このようなレンズ は日本板硝子社から市販されている。図示するビームスプリッタの替シに光フア イバカッシラを使用することができ、単モード及び多モードファイバに適してい る。

電気、機械、熱及び光学要素を含むこの全体構成が閉ループ発振器を明示するこ とがお判り願えると思う。

さらに、本技術にいくらか詳しい人ならば判ることと思うが、存在する電気ノイ ズもしくは共振器２０内に誘起される僅かな変動から自己始動するように選定さ れた適切な利得及び位相変移を使用して、ループが数動作サイクル内で共振する ようにシステムを設計することができる。

第４図に示すシステムの動作をよシ詳細に考察し、且つ共振器２０が振動を開始 したものと仮定すると、センス検出器、ホトダイオード１７に交流電気信号が生 じ、その周波数は共振器の周波数に等しい。次に、この交流信号は帰還回路１８ に加えられる。この回路網１８は好ましくはセンス検出器、ホトダイオード１７ からの信号を増幅する低レベル交流増幅器２６と、なわち位相変移回路２７と、 パルス整形器２８と増幅器、電力増幅器２９からなっている。増幅器２９の出力 は駆動光源、ＬＥＤ１６の駆動電圧となシ一連の光パルスが出される。これらの 光パルスはもう一つのマイクロレンズ３４及び上部光ファイバ１４ｔ−介して（ この場合両頭音叉股部２３である）共振器励起位置の共振器２０へ伝達されて股 部を局部加熱し、両頭音叉２０の運動と精密に同期された共振器２０の運動を生 じ、各連続パルスによる共振器の偏向を生じる。このようにして、パルス整形器 ２８の出力は振動の共振周波数従ってメジャラジド、物理的パラメータＰの相似 を表わす。この周波数信号は周波数出力端子である端子３１で直接読み取るか、 周波数／直流電流変換器３２等の変換器へ供給してメジャランドに関連した直流 制御信号を生じることができる。同様に、メジャランドの変化によシ生じる振動 の共振周波数の変化を光学的に検出し、閉ループ帰還回路１８内で自動的に補償 してプロセスパラメータＰの変化を表わす新しい出力信号を生じることができる 。前記適切な帰還回路の詳細設計は熟練工ならば良く知っていることである。

ある応用では、プロセスサイトと制御部間で通信を行うだめの１本の光ファイバ を設けることが望ましい。

それには、第５図のメジャランドセンサ１０構成が特に有利である。簡単にする ため、電子駆動及び帰還回路の詳細は省いてあり、その動作は第４図に関して前 記したものと同じであると言えば充分である。ここで識別できるほど波長（それ ぞれλ、及びλ２）の異なる一対のＬＥＤ光源、駆動光源λＩＬＥＤ４０とセン ス光源λ２ＬＥＤ４１の出力は二色性ビームスプリンタ４２において波長多重化 される。光源λＩＬＥＤは共振器２０の動作範囲内の周波数で光パルス系列を発 生し、センス光源λ２ＬＥＤ４１は定常状態光線を供給する。

これら２つの波長の光線は制御部１２から１本のファイバ光路を介してプロセス サイトに配置された第２の二色ビームスプリッタ４４へ移送され、このビームス プリッタはλ２光線を阻止しながら実質的に全てのλ、光線をもう一つの光ファ イバ１４を介して両頭音叉股部２３へ通す。次に、本質的にλ、光線のないセン ス信号がλ２光路に沿って指向されると、第２のビームスプリッタ４４により定 常状態λ、光線の完全に全部が反射される。λ２光線はもう一つの光ファイバを 介して最大共振器偏向位置すなわち音叉の叉部や共振器センス位置２４等の共振 器センス位置へ指向される。

トランスジューサ１３内に載置された両頭音叉２０は一端すなわち近端２１が固 定され、物理的パラメータＰに関連する縦方向応力が他端すなわち遠端に加えら れ、前記したように音叉２０共振周波数を変える。

リターンセンス信号は両頭音叉２０により共振器センスサイト、ビーム縁２４か ら反射され、前と同様にビーム縁２４により変調される定常状態λ２光線が共振 器２０の光線運動的に誘起される運動に対応する交番信号を生じる。変調された センス信号はファイバ光路１４．４３を介して第６のビームスプリッタ４５へ戻 され、変調光線の一部はそこを通シ光ファイバに沿ってセンス検出器１７へ行く 。λ、光線を阻止するλ２帯域濾波器５２を使用してセンス検出器１７に達する 光の波長を制約することができる。次に、この信号はセンス検出器ホトダイオー ド１７により光学的に検出され適切な回路網（帰還回路１８）を介して帰還され て駆動光源４０を有するループを閉成し、パルス系列周波数を両頭音叉２０の共 振周波数に設定する。

第６図に１本の光ファイバ１４が１本の光線をセンサへ運ぶ本発明の光学的に給 電される自己発振型メジャランドセンサ１０を示す。よシ詳細には、定常状態す なわちＣＷ光線が図の最右端で光ファイバ１４へ放出され、この光線を実線矢符 で示す。光線は制御部１２からプロセスサイト１１に配置されたトランスジュー サ１３へ進む。両頭音叉２０が近端２１に固定され物理的パラメータＰに関連す る縦方向応力が遠端に加わって前記したように両頭音叉２０共振周波数を変える 。光線は両頭音叉２０の又聞に指向され、音叉が運動している時は光を“断続” させるようにする。断続光線の幾分かは叉の外向変位中に叉を通り、別の光ファ イバ１４によシピックアップされる。それは両頭音叉２００股部２３の励起位置 へ運ばれ、前記したように局部加熱により両頭音叉２０を駆動する。叉の内向変 位中は、定常状態すなわちＣＷ光線の少くとも一部は励起位置へ通ることを阻止 され交番強度光線として光ファイバ１４に沿って制御部１２へ反射される。

制御部において、交番光線の一部はファイバカメラもしくはビームスシリツタ３ ８によ＃）（図示せぬ）検出器へ指向される。光パルスは運動を強化するのに適 切な時間に励起位置へ到達するのを保証する必要がある、すなわち、発振を支持 するように慎重に位相選定しなければならない。光吸収被覆と共振器構造との間 に熱波遅延層を設けて位相関係を修正することができる。

第６図に示す自己発振型メジャランドセンサ１０は共振器センスサイトでセンス 信号を変調し、励起位置２３に向う光ファイバ１４を介して励起を行うものであ る。励起サイト２３と共振器センスサイト２４の位置は単に説明のため示したに すぎない。光変調及び光線誘起光線運動効果の閉止を同じ点で行えるように１両 頭音叉の最大運動は高交番応力点で行われる。共振器、特に両頭音叉２０ではこ のような点がいくつか存在するものとして示されている。

このような点の一つは縦軸に沿った叉のほぼ中央の縁である。この種及び他種の 共振器を簡単に調べただけでこのような位置が沢山みつかシ、特定位置の選定は 使用する共振器の構成に依存し、従ってその選定は熟練工に任される。

後記する第９図に関する検討も参照されたい。

温度センサとして有用な本発明の特定例を第７図に示す。（図示せぬ）光源から の第１の波長λ、の光線パルスが（プロセスサイ）１１）のトランスジューサ１ ３に指向される。このλ１光線はファイバ光路４３を介してトランスジューサ１ ３のファイバカプラ３８へ進む。パルスは共振振動と同相であシ、共振器４６の 股部の励起位置２３に衝突し、前記したように光線運動効果により共振器を共振 させる。叉の運動は紙面内で行われ、光学的に検出されて（図示せぬ）制御部へ 戻される。このセンス信号は定常λ２波長としてファイバ光路４３へ放出され、 共振器叉によシ反射されファイバ光路４３を介して戻る。

単頭音叉４６の組成としてさまざまな材料が適しているが、弾性係数の温度依存 性が好ましいため溶融水晶が特に有用である。膨張係数は低く温度による周波数 変化に対する寄与は小さい。それは測定トランスジューサの安定材料でおり、廉 価で容易に溶着して適切な組立体を形成する。

第８図に特に興味深いセンス方法を使用したメジャランドセンサ１０の原理を示 し、両頭音叉共振器２０は１本のファイバしか必要としない効率的な方法で光学 的に検出される。本構成において、ファイバ光路４３はパターンＢを有し、それ は例えばファイバ光路４８等の終端に交番する不透明ストリップを加えた、終端 で不透明度が高低交番する形状とすることができる。簡便なセンスサイト２４で その表面にマツチングパターン４７が加えられている共振器とファイバ光路４８ が近接配置されており、（図示せぬ）制御部からプロセスサイト１１ヘフアイバ 光路を介して光が放出されると、ファイバ光路の終端に到達する光の一部がパタ ーン４７によシ阻止されるようになっている。幾分かの光はパターンＡを透過す る。パターンＡを通過する光はセンスサイト２４の共振器表面上のマツチング反 射パターンＢに衝突する。

次に、物理的パラメータＰに関連した光学的に変調され光信号が光ファイバを介 して戻される。制約はしないが、例えば、１μｍよシも大きく少くとも１０μｍ までの交番ストライプパターンを音叉振動のセンス感度を強化するのに使用する ことができる。パターンで終る多モードファイバの場合、ファイバ径は遥かに大 きくしかも高い運動感度を得ることができる。およそ５μｍの交番ストライプパ ターンが低電力駆動音叉のセンシングに特に有用である。

第９図はいくつかのより顕著な両頭音叉励起位置５０及びいくつかの顕著な共振 器振動センス位置５１を示す。センス位置５１は励起領域ともなることをお判り 願いたい。

ある材料、例えば水晶、の両頭音叉（ＤＴＰ）は容易に製作できる。ＤＴＰ要素 は共通特性に量産可能と考えられる。（１）式及び（２）式はそれぞれ無負荷動 作周波数及び負荷時の周波数変化を表わす１次式である。これらの式において、 動作周波数（ｆＯ）は軸負荷が加わらない場合のＤＴＰの自然共振周波数、ヘル ツ、であり、（Δｆ）は軸負荷による共振周波数の変化、ＥはＤＴＰの縦軸に沿 った弾性係数、Ｆは軸負荷で正もしくは負であシ（各文には軸負荷の半分しか加 わらないことをお判ｂｉいたい）、（ρ）はＤＴＦ材の密度、ｍはスロット長、 Ｗは叉幅、ｔは叉厚である。（１）式及び（２）式は任意の音叉材や形状に共通 である。

ｆｏ　＝　（４，７３”／４　ｒｃ　ａ）　（Ｗρ）　（ｗ／ｍ２）　（１）△ ｆ／ｆ□　＝　（０，０７４／Ｅ　）　（ｍ２／　ｔｗ３）Ｆ　（２１個々の− ＤＴＰ要素は現場校正のいらないトランスジューサに組み込むことができる。

この望ましい目的を達成するために、音叉は完成したトランスジューサ内に設置 する時所望の動作周波数よシも低い自然共振周波数（すなわち、無負荷）を示し 、動作周波数で除した軸負荷による共振周波数の変化（Δｆ）対ＤＴＰに加わる 軸負荷が所望の公差範囲となるように製作される。製作中、小さな金属（もしく は同等）パッドが各文の中央付近に配置される。

例えば金とすることができるこれらの小パッドは第１のレーデトリミング動作に よシ縮小され、水晶の回復力を変えることなく音叉の密度（ρ）を有効に低減す る。第２のレーずトリミング動作を行ってビーム材厚（寸法Ｔ　ｔ）を幾分低減 し、△ｆ／動作周波数の軸負荷依存度を変えることができる。この材料除去ステ ップは、ＤＴＦを水晶で製作するような場合に、ＤＴＦ材をドーピングもしくは コーティングして強化することができる。この第２のトリミング動作の目的は、 無負荷動作周波数を変えることなく、叉の剛性を変えることである。

材料除去位置を変えることによりＤＴＰの線型性は調整できると考えられる。ま た、叉の幅やスロットの長さを削減すると動作周波数、従って動作周波数の負荷 による変化の依存度が影響を受ける。

本発明のさまざまな利点を詳細に説明してきた。光エネルギを熱にそれから物理 的運動に変換し、周波数で表わす測定データを光学センス手段へ送信する共振要 素センサを使用したプロセス制御施設用計装システムを開示した。導電体による プロセスサイトと制御所間の伝送をなくし且つプロセスサイトのトランスジュー サ電気回路を全てなくすことにより、従来のこのようなプロセス制御システムの 電磁干渉問題が軽減された。プロセスプラント内で作動する光ネットワークの設 置は給電及びセンシング用の別々の光フアイバ導体の必要性をなりシ、且つ１本 の光ファイバによシ改善された２方向通信を有効に行って簡単化することができ る。

さらに、本発明の帰還技術によシ最低入力電力に対して容易に共振器の振動振幅 を最大とするだけでな（振動を持続させることができる。従って、この構成は有 効な信号／ノイズ比を維持しながら、関連する距離の通信に低電力放射エネルギ 源を使用するのに特に適している。

特定実施例について説明してきたが、それは単なる説明用であって制約されるも のではない。同業者ならば、さまざまな修正が明白と思われる。例えば、光エネ ルギの変換によシ作動して共振器の局部加熱を行う共振要素センサが作動するも のとして本発明を説明してきた。

請求の範囲に定義された発明の範囲内で、光エネルギをセンサに加えて共振物理 運動を行う他の技術も考案できることをお判シ願いたい。

ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　５ ＦＩｏ、６ ＦＩＧ、　ｇ ＦＩｏ、　９ 国際調査報告 ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ＴｈＩ：　ｒＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＩ：、５ＥＡＲＣＨＲ ＥＰＯＲＴ　ＣＡＮＦｏｒ　ｍｏｒｅ　ｄｅｔａｉｌｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｉｓ 　ａｒｕｑｅｘ　：　−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．共振機械構造の直接的な光線運動的刺激及び光学的検出による物理的パラメ ータの測定に使用する装置において、 ａ）振動を行う共振機械構造手段と、 ｂ）物理的パラメータを前記共振機械構造に対して送受する手段と、 ｃ）少くとも１本の放射エネルギビームを供給する放射エネルギ源手段と、 ｄ）前記放射エネルギを前記共振機械構造の第１の領域に対して送受する放射エ ネルギ径路手段と、ｅ）前記放射エネルギを共振機械構造の少くとも一部内に伝 導される熱エネルギに直接変換する手段と、 ｆ）放射エネルギの少くとも一部を共振構造振動に関連した変調信号として前記 径路の少くとも一部に沿つて戻す手段 を具備する物理的パラメータ測定装置。 ２．請求の範囲第１項において、さらに、リターン変調信号を検出する手段と、 リターン変調信号に関連した出力信号を供給する手段と、放射エネルギ源手段に より形成される発振ループを閉成する手段と、放射エネルギ径路手段と、共振機 械構造手段と、放射／熱変換手段と、変調信号を戻す手段と、リターン変調信号 の検出手段と出力信号供給手段を具備する物理的パラメータ測定装置。 ３．請求の範囲第１項において、共振機械構造手段は梁構造である物理的パラメ ータ測定装置。 ４．請求の範囲第３項において、梁構造は単梁である物理的パラメータ測定装置 。 ５．請求の範囲第３項において、梁構造は多梁である物理的パラメータ測定装置 。 ６．請求の範囲第１項において、共振機械構造は音叉である物理的パラメータ測 定装置。 ７．請求の範囲第１項において、さらに熱吸収を強化する共振器表面被覆を含む 物理的パラメータ測定装置。 ８．請求の範囲第３項において、共振機械構造は中空である物理的パラメータ測 定装置。 ９．請求の範囲第４項において、前記機械構造は前面、後面を含む細長い構造で あり、その前面の少くとも一領域は放射エネルギを受容して共振機械構造内の応 力に変換するようにされている物理的パラメータ測定装置。 １０．請求の範囲第１項において、前記共振機械構造の前記第１の領域は励起領 域であり、前記放射エネルギ径路手段は励起領域に対して励起エネルギを送受す る第１の光フアイバを含む物理的パラメータ測定装置。 １１．請求の範囲第１項において、前記共振機械構造は光変調センス領域を含み 、前記放射エネルギ径路手段は光変調センス領域に対して光センス信号を送受す る物理的パラメータ測定装置。 １２．請求の範囲第１１項において、前記共振機械構造の前記第１の領域は励起 領域であり、前記センス領域と前記第１の領域は同じである物理的パラメータ測 定手段。 １３．請求の範囲第１項において、前記共振機械構造は前記少くとも一つの放射 エネルギビームを前記放射エネルギ径路に沿つて断続するようにされており、さ らに断続放射エネルギを前記共振機械構造の前記第１の領域へ運ぶもう一つの放 射エネルギ径路手段を含む物理的パラメータ測定手段。 １４．請求の範囲第１項において、光学的に励起され且つ自己発振型である物理 的パラメータ測定手段。 １５．請求の範囲第１項において、前記共振機械構造の前記第１の領域は励起領 域であり、さらに放射エネルギを遮断するシヤツタ手段を含み、１本の定常放射 エネルギビームを１本のフアイバ光路手段に沿つて前記光エネルギシヤツタ手段 に対して送受することができ、且つシヤツタされた放射エネルギの一部を前記励 起領域に対して送受する手段を含む物理的パラメータ測定手段。 １６．請求の範囲第１５項において、前記共振機械構造の前記第１の領域は励起 領域であり、前記センス領域と前記第１の領域は同じである物理的パラメータ測 定手段。 １７．請求の範囲第１５項において、前記共振機械構造はさらに一般的に前記放 射エネルギの中断中のみ前記フアイバ光路に沿つて放射エネルギを反射し戻す手 段を含む物理的パラメータ測定手段。 １８．請求の範囲第１項において、前記共振機械構造は少くとも２本の梁を有す る多梁装置であり、その一方は放射エネルギ反射手段を含み、前記放射エネルギ 径路手段は前記共振機械構造の前記第１の領域へ放射エネルギを指向するように されており、少くとも放射エネルギの一部を戻す前記手段は前記放射エネルギ反 射手段である物理的パラメータ測定手段。 １９．請求の範囲第１項において、前記共振機械構造の前記第１の領域に対して 放射エネルギを送受する前記手段は交番パターンの反射及び伝達領域により成端 されており、前記共振機械構造の前記第１の領域は交番領域のマツチングパター ンを含み、その領域群の一方は吸収性であり、２つのパターンは一致していて共 振構造を光線運動的に刺激して振動させ、振動周波数を光学的に反射させること を容易にする物理的パラメータ測定手段。 ２０．少くとも一つの物理的パラメータのセンシングを行う共振機械構造を光線 運動的に刺激して光学的に検出する方法において、 ａ）少くとも一つの第１放射エネルギ源から放射エネルギを発生し、 ｂ）前記放射エネルギを少くとも１本の放射エネルギ送受径路に沿つて共振機械 構造に対して送受し、ｃ）放射エネルギの少くとも一部を直接熱エネルギに変換 し、 ｄ）共振機械構造の振動を励起する応力として共振機械構造の一部内に熱エネル ギを散乱し、ｅ）測定した物理的パラメータの関数として共振機械構造の周波数 を変え、 ｆ）振動周波数に従つて放射エネルギの一部を変調し、 ｇ）放射エネルギの少くとも一部を変調センス信号として前記放射エネルギ送受 径路に沿つて戻し、ｈ）前記変調センス信号を検出して物理的パラメータに関連 した信号を出力する ステツプからなる共振機械構造の光線運動的刺激及び光学的検出方法。 ２１．請求の範囲第２０項において、さらに検出された変調センス信号から引き 出される信号を第１の放射エネルギ源へ帰還するステツプを含む共振機械構造の 光線運動的刺激及び光学的検出方法。 ２２．請求の範囲第２０項において、さらに共振機械構造を光線運動的に励起す る第１の放射エネルギ発生ステツプを含む共振機械構造の光線運動的刺激及び光 学的検出方法。 ２３．請求の範囲第２２項において、振動周波数を感知すろ放射エネルギは共振 機械構造により変調される共振機械構造の光線運動的刺激及び光学的検出方法。 ２４請求の範囲第２２項において、さらに放射エネルギを発生して共振機械構造 の振動周波数を光学的に感知するステツプを含む共振機械構造の光線運動的刺激 及び光学的検出方法。 ２５．請求の範囲第２２項において、第１の放射エネルギは第１の波長であり第 ２の放射エネルギは第２の識別可能なほど異なる波長である共振機械構造の光線 運動的刺激及び光学的検出方法。 ２６．請求の範囲第２５項において、第１の放射エネルギ及び振動周波数を感知 する放射エネルギは１本の光フアイバで運ばれる共振機械構造の光線運動的刺激 及び光学的検出方法。 ２７．請求の範囲第２０項において、ステツプｃ）はｃ）共振機械構造の一部に より放射エネルギを中断させることにより放射エネルギを遮断し、遮断された放 射エネルギを共振機械構造部へ運び、遮断された放射エネルギを時間と共に変動 する熱エネルギに変換して自己発振させることにより共振機械構造を励起する、 ことである共振機械構造の光線運動的刺激及び光学的検出方法。