JPH0219884B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、タービンやコンプレツサー等にお
ける回転体の振動変位やスラスト変位を測定する
とき使用するうず電流式変位計を非常に広い温度
範囲に亙つて測定可能にしたものである。 うず電流式変位計について説明する。第１図は
うず電流式変位計の原理ブロツク図を示すもの
で、電源１，発振器２，ブリツジ３，検出コイル
４，検波５，リニヤライザー６、増巾器７，出力
側８より構成されている。９は金属製被測定物、
Ｙは被測定物９と検出コイル４との距離である。 第２図は検出コイル４に設ける等価回路図で、
Ｌは検出コイルのインダクタンス、Ｒは検出コイ
ルの内部抵抗、Ｃは並列コンデンサーである。 うず電流式変位計は、検出コイル４を共振回路
とし、検出コイル４と金属製被測定物９間の距離
Ｙ変化に応じて検出コイル４のインダクタンスが
変化するようにしている。そして、検出コイル４
のインダクタンスの変化に対応して共振回路のイ
ンピーダンス｜Ｚ｜が変化するために、該共振回
路のインピーダンス｜Ｚ｜を測定することにより
検出コイル４と金属製被測定物９との間の距離Ｙ
を非接触で測定するようになつている。 ところが、従来、うず電流式変位計の分野にお
いては、検出コイル４に使用する材料は、フエラ
イトに銅或は銀等の低固有電気抵抗材料しか用い
られていない。その理由は、検出コイル４の固有
電気抵抗を大きくすると共振回路の精鋭度が低く
なり充分な信号変化を得ることが出来なくなるこ
とにあつた。したがつて、低固有電気抵抗材料を
使用したところの検出コイル４自体の温度係数を
小さくするために、コイルボビンの熱膨張による
インダクタンス変化を利用して（コイルの直径が
大きくなるとインダクタンスが増大する）、コイ
ル材料の温度による電気抵抗変化（温度が上がる
と電気抵抗値が大きくなる）を相殺したり（０℃
〜180℃の温度範囲に使用できる）、あるいは検出
コイルの近くに擬似コイルを設けて検出コイルと
のインピーダンスの差を取り出し、温度による変
動を二つのコイルにより相殺していた（−20℃〜
＋100℃の温度範囲に使用できる）。 ところで、うず電流式変位計においては、金属
製被測定物９（熱容量が大きい）又は同被測定物
周辺が或る温度範囲に亙つて温度変化をし、この
温度変化が検出コイル（熱容量が小さい。金属製
被測定物の熱容量の1/100以下である）に伝わり、
インピーダンスは検出コイル４自体の温度変化の
影響を大きく受けた。特に低温度域−20℃以下に
おいては影響が大きく、使用出来なかつた。温度
影響の主たるものは、検出コイル４の熱的形状変
化である。即ち、検出コイル４のインダクタンス
をＬ、コイルの直径をＤ、コイルの長さをｌとす
ると、検出コイルのインダクタンスは、 Ｌ＝ｋ・（μ_p・μ_s／4π）・（2π・Ｄ／２・Ｎ）²
／ｌ （１式） で与えられる。ここで、ｋは長岡係数，μは真空
中の透磁率、μ_sは比透磁率また、Ｎはコイルの巻
数を示す。 検出コイル・ボビンの熱膨張係数は、（１式）
中のｌとＤに影響を及ぼし、インダクタンスＬが
温度変化によつて大きく変わる。同様に検出コイ
ル・ボビンの透磁率変化も（１式）に於いてμsの
変化となり、インピーダンスが温度によつて変化
する。 また、検出コイル線間の容量をＣ、検出コイル
の実効面積をＡ、検出コイル線間の実効距離をｈ
とすると、 Ｃ＝E_p・E_s・Ａ／ｈ （２式） となり、誘電率E_sは温度によつて変化する。ここ
で、E_pは真空中の誘導率を、またEsは比誘電率
を示す。 また、一方検出コイル自体の温度による電気抵
抗の変化が考えられる。本発明の研究者により、
前述の内最も影響の大きいのは、検出コイル自体
の温度変化に基づく電気抵抗変化で、一般的に言
われる直流的な温度係数以上にインピーダンス変
化率が大きく表われることが判明した。 この種のうず電流式変位計は、一般に感度を高
めるため共振を生ずる範囲で使用しており、従来
のうず電流式変位計は、熱膨張或いは擬似コイル
等の補償を旋しても補償範囲を限定されるため
に、広い温度範囲では使用出来なかつた。（−20
℃〜＋180℃程度までの使用温度範囲）。 本発明は、総合的インピーダンス変化を熱的形
状変化によるインピーダンス変化の方向・量を調
整し相殺させる方法よりも、熱的形状変化の量を
単純に極小にして、或る程度固有電気抵抗値が高
くても、低温度係数を有する材料で検出コイルを
形成した方が、広い温度範囲において忠実性の高
い信号を得ることが出来ることを見出したもので
ある。 第１図及び第２図において、ωを発振器の周波
数の角速度とすると、第２図における等価回路の
インピーダンスＺは Ｚ＝１／１／Ｒ＋jωL＋jωC （３式） ＝Ｒ＋jωL／１＋jωC（Ｒ＋ωL） （４式） ＝Ｒ＋jωL／（１−ω²LC）＋jωCR （５式） ＝（Ｒ＋jωL）｛（１−ω²LC）−jωCR｝／｛（１‐ω
²LC））＋jωCR｝・｛（１‐ω²LC）‐jωCR｝ （６式） ＝（Ｒ＋jω）｛Ｌ（１−ω²CL）−CR²／（１−ω²LC）
²＋（ωCR）²（７式） 又｜Ｚ｜は（５式）より ここでＲは使用する電気抵抗材料の20℃の時の
抵抗値をｒ，温度係数をｋ，温度をｔとすると Ｒ＝ｒ＋K.r（ｔ−20） （10式） で表される。 （10式）を（９式）に代入すると｜Ｚ｜は となる。 ここで検出コイルを使用する電線材料の固有抵
抗をρ，長さをls，断面積をＡとすると、周知の
如く ｒ＝ρ・l_s／Ａ （12式） で表される。 （12式）を（11式）に代入すると となる。 ところで、検出コイルは使用目的からコイルの
大きさに制限があり共振回路の選択度を高めるた
め、すなわちＲ＜＜Ｌになるように従来はフエラ
イトコアに銅，銀等の低固有電気抵抗材料が使用
されてきた。しかしこれらは感度は大きくなる
が、（11式）より分かるごとく、コイルの内部抵
抗が零すなわちｒが零でないかぎり、又コイル材
質の温度係数Ｋが設計条件によつてインピーダン
ス｜Ｚ｜に大きく影響することがわかる。 ここで従来例としてコイル材質に銅を用いたも
のを例にとつて説明する。 コイルの材質 銅 固有抵抗ρ 1.73×10^-8ohm ｍ 温度係数Ｋ 4.3×10^-3 コイルインダクタンスＬ 2.2μH コイル抵抗ｒ 0.113ohm （20℃における） 並列コンデンサ容量Ｃ 620pF 使用電線の直径 0.23mm （Ａ＝π／４×0.23²） 使用電線の長さl_s 0.271m を（13式）に入れ、且つ（13式）において 温度ｔを−100℃ −50℃ ０℃ ＋20℃ ＋50℃ ＋100℃ としたとき Ｘ軸に周波数 ＭHz Ｙ軸にインピーダンス ｜Ｚ｜kohm を取りコンピユータで計算した結果をグラフにし
たものを第３図に示す。 次いで本発明の実施例として、 コイル材質 マンガニン 固有抵抗ρ 39.8×10^-8ohm ｍ 温度係数Ｋ ３×10^-5 コイルインダクタンスＬ 2.2μH コイル抵抗ｒ 2.60ohm （20℃における） 並列コンデンサ容量Ｃ 620pF 使用電線の直径 0.23mm （Ａ＝π／４×0.23） 使用電線の長さls 0.271ｍ を（13式）に入れ、且つ（13式）において、 温度ｔを−100℃ −50℃ ０℃ ＋20℃ ＋50℃ ＋100℃ としたとき Ｘ軸に周波数 ＭHz Ｙ軸にインピーダンス ｜Ｚ｜kohm を取り、コンピユーターで計算した結果のグラフ
を第４図に示す。 第３図及び第４図の結果から変位を感度よく測
定する周波数（この場合、インピーダンスの最大
値すなわち共振周波数4.3MHz）での電線の抵抗
値変化によるインピーダンスの影響は直流時の抵
抗温度係数より大きくなり、（13式）の計算から
20℃の時のインピーダンスを基準として銅線の場
合−100℃から＋100℃の変化で132％，マンガン
線の場合0.6％となり、誤差は約220分の１とな
る。即ち広範囲の温度変化の中で、形状変化等の
他の要因による誤差を極小にしたり、擬似コイル
等による補償を実施することよりも簡単で精度良
い測定が可能になる。 ただし第３図及び第４図において検出コイル，
ボビン等の熱的形状変化等により検出コイルのイ
ンダクタンス，電気抵抗等が変化した時の共振周
波数の変化はＸ軸のスケール幅に対し小さいため
これらの図では認知出来ない。 ここでその量を計算する。ボビン等に使用する
材料の線膨張係数は3.2×10^-6程度で（１式）よ
りインダクタンスＬに与える影響は１℃当たり
3.2×10^-6である。 また共振回路の共振周波数は（７式）において
複素数項が零になる点であるからして Ｌ（１−ω²CL）＝CR² ω²＝（Ｌ−CR²／CL²） ω＝2π となり、１℃当たり3.2×10^-6のインダクタンス
変化に対して共振周波数の影響は平方根分の１す
なわち3.2×10^-8／℃となる。 また抵抗値変化の共振周波数への影響は抵抗値
温度係数と同一となる。すなわち銅線の場合1.73
×10^-8／℃となり200℃の幅があつても第３図及
び第４図においては認知出来ない事がわかる。 なお、コンピユーターの計算結果は、実際の実
験結果とよく一致している。 第５図は第３図の従来の検出コイル４ａを使用
した場合のインピーダンス測定回路、第６図は第
４図の本発明に係る検出コイル４ｂを使用した場
合のインピーダンス測定回路、第１表は第５図及
び第６図のインピーダンス測定回路における実験
データ、第７図は第１表を基に作つたグラフであ
る。第１表から第５図の従来品では検出コイル４
ａと被測定物９との距離Ｙを０mmか2.5mmまで変
化させた場合、直流計１０の値は2.571ボルトか
ら3.734ボルトまで変化し、変化巾は1.163ボルト
であつた。これに対し第６図の本発明では、同様
に距離Ｙを変化させた場合、6.679ボルトから
10.587ボルトまで変化し、変化巾は3.908ボルト
となり、固有電気抵抗値の高い材料を使用した検
出コイル４ｂにおいても直流電圧計１０の変化幅
は3.980ボルトと従来の直流電圧計１０の変化幅
1.163ボルトと比較して336％の改善がみられる。
なお、本発明品においては検出コイル４ｂの抵抗
が高くなつたため、第５図に示す従来列における
共振回路の抵抗１１を、第６図に示す本発明にお
いてはコンデンサー１２に代えたため、共振回路
の結合損失が少なくなつている。 通常使用される変位計の検出器の使用温度範囲
は−50℃〜＋150℃で温度幅としては200℃程度で
精度は±１％である。第４図の計算例の如く200
℃の温度幅で３×10^-5の温度係数の抵抗材料を使
用した場合、0.6％のインピーダンス幅となる。
従つて±１％すなわち変化幅２％まではその3.3
倍となり、0.0001の抵抗の温度係数以下となる。 一方検出感度からすると第６図の回路を使用す
るとコイルの精鋭度Ｑが13以上必要である。 第１表の計算データより Ｒ＝ωL／Ｑ＝２・π・4.3・10⁶・2.2・10^-6／13＝4.
57 求める固有抵抗ρmaxは、第４図を参考にして ρmax＝ρ・4.57／2.6＝39.8・10^-8・4.57／2.6＝70
× 10^-8 となる。 本発明は、抵抗の温度係数が0.0001以下で、且
つ固有電気抵抗が0.00000070Ωｍ以下の材料より
なるコイルを使用してうず電流式変位計用検出コ
イルを構成したもので（第３図，第４図から分か
る如く）非常に温度による影響が少なく、極めて
優れたうず電流式変位計を得ることが出来る。他
の方式に於けるコイル・ボビンの熱変形等の利用
や補償用の擬似コイルの設置も不要で、設計上の
制約も少なくなるものである。

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の実施例を説明するためのもの
で、第１図はうず電流式変位計の原理ブロツク
図、第２図は共振回路の等価回路図である。第３
図は検出コイルに銅を使用した場合の発振周波数
とインピーダンスの関係図、第４図は検出コイル
にマンガニンを使用した場合の同上図、第５図は
従来のインピーダンス測定回路図、第６図は本発
明品のインピーダンス測定回路図、第７図は従来
品と本発明品を比較したグラフである。 １…電源、２…発振器、３…ブリツジ、４，４
ａ，４ｂ…検出コイル、５…検波、６…リニヤラ
イザー、７…増巾器、８…出力側、９…被測定
物、１０…直流計、１１…抵抗、１２…コンデン
サ、Ｌ…検出コイルのインダクタンス、Ｒ…検出
コイルの内部抵抗、Ｃ…共振用並列コンデンサ
ー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 検出コイルを共振回路とし、検出コイルと金
   属製被測定物間の距離変化に応じて検出コイルの
   インダクタンスが変化し、該検出コイルのインダ
   クタンスの変化に対応して前記共振回路のインピ
   ーダンスが変化し、該共振回路のインピーダンス
   を測定することにより検出コイルと金属製被測定
   物間の距離を非接触で測定する如く構成したうず
   電流式変位計において、抵抗の温度係数が0.0001
   以下で且つ固有電気抵抗が0.00000070Ωｍ以下の
   材料で検出コイルを構成したことを特徴とするう
   ず電流式非接触変位計。