JPH09511056A - 物質特性の測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 物質（18）の導電率のような特性の決定システム。センサ（15）が、その値が方形波ドライバ信号に応じて適切に選択される方形波センサ出力信号を供給する。センサ（15）の出力信号は、フィードバック信号と比較されて、誤差信号を発生する。フォワード回路（21）は、誤差信号に応動して、積分されて積分ＤＣ出力信号を供給するその同相分を供給する。フィードバック信号は、それの波高値振幅が誤差信号をゼロに減らすために方形波センサ出力信号と比較するための積分ＤＣ出力信号と正確に選択された関係を有する同相方形波フィードバック信号を与える。積分ＤＣ出力信号は、デジタル化され、適当に処理されることができ、物質（18）の特性を高い確度まで表す信号を与える。

Description

【発明の詳細な説明】 物質特性の測定システム 導入説明 本発明は、一般に物質の特性測定技術に関し、特に、接触センサ又は非接触セ ンサを使用した流体の導電率測定技術に関する。 発明の背景 工業プロセス制御システムでは、システムで使用される流体のような物質の導 電率の測定がよく求められる。過去には、これらの測定は、２つのカテゴリーの 一つに属するセンサ、すなわち接触センサ及び非接触センサを使用することによ って行われていた。接触センサは、互いに一定の距離で物質に置かれた１つ以上 の電極セットによる物質、例えば、導電流体のための測定電子装置の電気接点に よるものである。ある電圧が１つの電極セットの両端間に加えられ、物質に誘導 された電流は、電極の両端間又はその代わりに第２の電極セットを通してのいず れかで測定され、測定された電流の流量は導電率に比例する。非接触センサは、 ２つのインダクタ、すなわち変成器を利用する。この変成器の１つは物質に電圧 を誘導するのに使用され、この変成器の第２のものは、物質内で起こる結果とし て生じる電流の流れを測定するために使用される。 過去には、特に非接触センサを使用するとき、誘導性センサに固有な感度の低 さのために、特に非常に低い導電率を測定するとき、このようなシステムの実行 は、その多くが十分なものではない。さらに、従来の非接触センサは、通常、よ り小さいセンサ構成の感度限界を克服するのに必要とされる大きな物理的形状寸 法を有する。 さらに、従来のシステムでは、このようなシステムで使用される電子回路で発 生される誤差による測定誤差が生じる。従来のシステムは、通常、いずれかの種 類のセンサを使用するとき、このような問題を有効に処理できず、したがって、 このようなシステムでなされた測定の精度は、多くの適用例では許容できない。 従来の技術では、電子装置は、一般に「フィードフォワード」回路として図１に 示されるように構成され、信号発生器10は、駆動コイル11の両端の電圧Ｖiを駆 動するために使用され、溶液導電率１／Ｒｓを有するループに流れるものとして 表される物質、例えば導電溶液12に流れる電流Ｉsを生じ、この電流は溶液の導 電率Ｇsに比例する。電流Ｉsの存在は、センサコイル13に流れる電流Ｉmを生じ 、適当な電流計14によって測定され、かつ溶液の導電率に比例することが確認さ れる。この回路では、多くの誤差発生源があり、その多くは誤差が過去にはその 確度を制限した変成器の磁気特性に関連する。 比較的低い導電率レベルでも、かつ比較的小さい非接触センサを使用するとき でも、導電率の非常に正確な測定を提供するようセンサを利用できるシステムを 案出することが望ましい。 発明の概要 本発明によれば、センサが方形波信号波形を有する駆動信号によって駆動され ているシステムは、その導電率が測定されるべきである物質とともにセンサを利 用する。センサの出力で発生される誤差信号（後述される）は、所望の導電率値 を与えるように、例えば、適当なマイクロプロセッサによって、出力信号が適当 にデジタル化され、かつ処理されることができる物質の導電率に比例するＤＣシ ステム出力信号を得るために使用される。 システム出力は、適当なフィードバック経路を介してセンサの出力に供給され る同相方形波フィードバック信号を得て、検出出力での電流とフィードバック経 路での電流との差であるセンサ出力での誤差信号を発生するように使用される。 フィードバック方形波信号の波高値振幅は、ＤＣシステム出力信号の振幅に等し くされる。方形波の波高値振幅対ＤＣ信号の振幅の比が正確に選択された場合、 方形波駆動信号及び方形波フィードバック信号の使用は、システム出力信号でよ り大きな確度を保証する。較正回路は、いくつかの異なるが既知の物質導電率で センサの出力を正確にシミュレートするために使用できる。 発明の説明 本発明は、添付図面の助けによってより詳細に記載できる。 図１は、従来の検出回路を示す。 図２は、本発明の一つの実施例を表わす検出回路を示す。 図３は、本発明の他の実施例を提供するための図１の検出回路の他の部分を示 す。 図４は、本発明の他の実施例を表す検出回路を示す。 図５は、いかなる４端子センサとともにも使用されるような検出回路を示す。 本発明の一つの実施例を表す図２で分かるように、電流導電率センサ15は、実 際は導電流体のための同軸トロイダル巻線、変成器16及び17からなる誘導結合セ ンサで両方の変成器を結合する導電率Ｇsを有する単巻回路18を形成する。選択 周波数、例えば、2048Ｈｚを有する方形波信号は、信号発生器19からその導電率 が測定されるべきである導電流体での信号を順に発生するセンサの入力巻線16に 印加される。流体での信号は、センサの入力巻線の巻数で割られた信号発生器出 力電圧Ｅgに等しい。この演算の結果、下記の式によって与えられる流体、例え ば、導電溶液での電流Ｉsolを生じる。 Ｉsol＝Ｅg*Ｇ*Ｋc/Ｎp ここで、Ｅgは方形波発生器電圧であり、Ｇは溶液の導電率であり、Ｋcは導電率 センサのセル定数であり、Ｎpはセンサの入力巻線の巻数である。 センサの出力巻線17に誘導される信号は、プリアンプ20で増幅され、その出力 は、固定利得増幅器21でさらに増幅される。増幅器21の出力は、方形波発生器19 からの信号の周波数と同一の周波数に同調される同調フィルタ増幅器22に供給さ れて、主に同相分及び比較的小さい直角分を有するほぼ正弦波電圧信号Ｅaを発 生するように調波周波数成分及び分数調波周波数成分を有効的に除去する。 信号Ｅaは、適当な同相検出器23に供給されて、Ｅaの同相分に比例するＤＣ信 号を発生する。このＥaの同相分は、次に、抵抗Ｒ2と、キャパシタンスＣ2と演 算増幅器24Ａとを備えている積分器回路24によって積分されて、積分アナログＤ Ｃ出力信号Ｅiiを発生する。Ｅiiは、スイッチング乗算器の入力に印加される。 スイッチング乗算器の方形波出力の波高値振幅は、積分器のＤＣ出力の振幅に正 確に等しい。Ｅisは、誤差信号Ｅrrと180°位相が外れており、したがって、負 のフィードバック動作によって、回路を正確にバランスさせ、Ｅrrを正確にゼロ のままにする。 導電率の正確な測定を達成するために、積分出力Ｅiiは、フィードバック抵抗 器Ｒfで電流を供給するようにフィードバックされる。この抵抗器での電流は、 センサ出力信号の電流から有効的に減算されて、本来はゼロ値、又は可及的に小 さい値に誤差信号を保持するためにプリアンプ20への入力で電圧Ｅrrの形式の誤 差信号を発生する。このようにするために、出力信号Ｅiiは、その波高値振幅は 積分ＤＣ出力信号Ｅiiの振幅に正確に等しい同相電圧信号Ｅisを発生するように 方形波発生器19からの同相基準信号Ｅinによって駆動されたスイッチング乗算器 27に供給されている。 方形波電圧信号Ｅisは、プリアンプ28及びフィードフォワード増幅器21の固定 利得の逆数にほぼ等しい固定減衰を有する減衰増幅器29に供給されている。減衰 増幅器29の出力は、フィードバック抵抗器Ｒfを介してセンサ15の出力巻線17に 供給されるので、前述のように、フィードバック電流は、出力巻線17での電流か ら有効的に減算されて、誤差信号Ｅrrを発生する。当該技術分野で公知であるい かなる有効スイッチング乗算器もフィードバック回路で使用されることができる が、一つの公知で適当なスイッチング増幅器は、N．L．Brownの1976年2月24日発 行の米国特許第3,940,693号に詳細に記載されている。センサ15での方形波駆動 と、導電率を表す出力信号の積分ＤＣ振幅に正確に等しい波高値振幅を有するス イッチ乗算器26からの方形波フィードバック電圧と、ほぼ一定の全ループ利得（ すなわち、フォワード利得＋フィードバック利得）を有するフィードバック回路 とを使用することによって、図２に示された回路は、従来技術の装置で提供され るよりも間題の物質の導電率のより正確な測定を提供することがわかった。この ような回路は多くの適用例で有用である。このような場合、一定のフォワード利 得及びフィードバック減衰は、導電率の特定のレンジにわたって有効な導電率測 定を提供する値にセットされ、この利得及び減衰は、他の導電率レンジにわたっ て使用されるとき変えられる。 図２の回路は、それの任意部分として、その動作が下記により詳述される較正 回路50を含む。このような較正回路がシステムで使用されるならば、全体の回路 は、スイッチＳ1及びＳ2が図で示された位置にあるとき測定動作モードに置かれ るのに対して、このようなスイッチがその他の位置にあるとき全体の回路は較正 動作モードに置かれる。較正動作は後述される。 広レンジの導電率にわたる所望の出力電圧信号を発生するための測定システム を提供するために、図２の回路は、図２の回路のある部分のみを示す図３で示さ れるように変更される。それで分かるように、図２の固定利得増幅器21は、個別 可変増幅器、すなわち、それのためのデジタル制御信号を使用して複数のレンジ にわたって個別に変えられる利得を有する増幅器によって取り換えてもよい。例 えば、個別可変増幅器30は、プリアンプ20に接続され、デジタルレベルの選択レ ンジにわたってそれの利得を制御するようにそれに供給されるデジタル信号31を 有し、例えば、デジタル信号は、0から256までのデジタル値を有して、このよう な数のレンジレベルにわたって利得を制御してもよい。 同様に、固定減衰増幅器29は、その減衰がそのためのデジタル制御信号を使用 して複数のレンジにわたって個別に変えられる個別可変減衰増幅器32によって取 り換えられる。可変減衰増幅器32は、プリアンプ28に接続され、選択レンジのレ ベルにわたってそれの減衰を制御するようにそれに供給されるデジタル制御信号 33を有し、例えば、デジタル制御信号は、0から256までのデジタル値を有し、こ のような数のレンジレベルにわたって減哀を制御してもよい。 システムによって測定されることができる全レンジの導電率のいかなる特定の レンジ部分に対しても適切であるデジタル制御信号は、マイクロプロセッサ26を 使用することによって供給される。図３の典型的な実施でのこのような使用の例 として、0〜25マイクロジーメンス/メートル(μＳ/ｍ)の下位レンジ及び0〜3000 ｍＳ/ｍの上位レンジを有する典型的な形状寸法の誘導導電率センサとともに使 用するためには、全レンジは２⁸の連続レンジに分解され、各連続レンジは前の レンジに重なる。各レンジでは、フォワード利得の値は、ほぼ一定値に保持され る全ループ利得を生じるフィードバック減衰の適当な値に一致させられる。例え ば、高フィードバック減衰に結合される高フォワード利得は、非常に下位レンジ の導電率に対して好ましいが、低フィードバック減衰に結合される低フォワード 利得は、非常に上位レンジの導電率に対して好ましい。 測定サイクルの開始で、マイクロプロセッサは、２⁸のレンジの最下位で利得 値及び減衰値を選択するようにプログラム化される。ＤＣ出力電圧Ｅiiは、この ようなレンジに対してフルスケールレベルを上回っているかどうかが調べられる 。もしＤＣ出力電圧Ｅiiが、フルスケールレンジを越え、かつＡ／Ｄ変換器の動 作に対する許容可能限界以上にあるならば、プロセッサは、Ｅiiの値が許容でき るまで、すなわち、それがフルスケール未満で、かつＡ／Ｄ変換器の許容できる 限界内にあるまで各連続するより大きいレンジに対してこのような測定を続ける 。増幅器30及び同期発電機32に対する適当なデジタル制御入力は、そのとき動作 のために使用される。出力値Ｅiiがフルスケール限界を越えるか又はそのレンジ に対する最下位スケール限界未満に落ちるならば、マイクロプロセッサは再び、 同一種類の連続近似技術を使用することによって適当なレンジの動作を選択する 。このような公知の連続近似動作を提供するためのマイクロプロセッサのプログ ラミングは、当業者の技術内で容易である。 本発明の更に他の実施例では、回路内の浮遊容量のために生じる誤差を考慮に 入れる更により高い確度の測定を達成することが必要である。このような目的の ために、更なるフィードバック回路が図４に示されるように使用される。図３で 示される可変利得増幅器及び可変減衰増幅器の使用に関連して分かるように、直 角位相フィードバック回路が使用される。それに従って、直角位相電圧信号は、 信号Ｅaの直角分に応じて同調フィルタ増幅器22から適当な直角位相検出器40を 使用して供給される。この直角位相検出器40の出力は、抵抗Ｒ6と、キャパシタ ンスＣ3と、及び演算増幅器41Ａとを備えている積分器回路41で積分され、積分 ＤＣ直角位相電圧出力信号Ｅqiを発生する。直角位相信号Ｅqiは、前述の形式の スイッチング乗算器42に供給される。このスイッチング乗算器42は、方形波電圧 発生器19からの直角位相方形波基準電圧Ｅqによって供給され、積分ＤＣ直角位 相信号Ｅqiの振幅に等しい、波高値振幅を有する方形波直角位相フィードバック 信号Ｅqsを発生する。フィードバック信号Ｅqsは、抵抗回路網43及び直角位相フ ィードバック抵抗器44を介して直角位相フィードバック電流Ｉqを生じる。フィ ードバック電流は、プリアンプ20の入力に供給され、巻線17でのセンサ出力で直 角位相電流分から有効的に減算される直角位相フィードバック電流を与える。こ のような直角位相フィードバック回路の使用は、直角位相誤差成分の増幅のため にこれらの成分のどれかの飽和を防止するために回路のフィードフォーワード部 で増加利得が使用されることを可能にする増幅器20で検出された直角位相誤差電 圧の減少を可能にする。増加された増幅は、達成可能なより高い全ループ利得の 直接の結果として高い精度を取得可能にする。 前述のように、較正チェックは、図に示されるような較正回路50を使用してな される。較正回路は、流体における導電率の固有値でセンサの出力をシミュレー トするように選択され、かつ構成される多数の精密抵抗器を備えている。使用さ れる抵抗器は、低い温度係数及び低い長期のドリフトの両方を有するので、それ らは、初期較正後いつでも導電率のこれらの値を正確に再シミュレートできる。 較正回路50は、スイッチＳ1及びＳ2の適当な設定によって使用される。これら のスイッチが、図２及び図４で示される位置に置かれるとき、較正回路50は使用 されなくて、システムは、前述のように、所望のような導電率測定するように動 作する。較正回路を使用するために、スイッチＳ1がその接地位置に置かれるの に対して、スイッチＳ2は、抵抗器Ｒ2と結合してその上部位置又はその下部位置 のいずれかに置かれることができるので、上部位置及び下部位置の両方でのその 出力は、プリアンプ20の入力に接続される。方形波発生器19の出力Ｅqは、物質 の導電率レベルの選択既知レンジで発生される信号を正確にシミュレートする方 形波信号をそこから発生するように較正回路50の入力に供給される。すなわち、 スイッチＳ2がその上部Ｈ位置にあるとき、選択レンジの既知最大（高）導電率 レベルＣkHのための信号はプリアンプ20に供給され、スイッチＳ2がその下部Ｌ 位置にあるとき、選択レンジの既知最小（低）導電率レベルＣk2Lのための信号 はプリアンプ20に供給される。したがって、このような最大導電率及び最小導電 率での特定既知出力電圧信号ＥiiH及びＥiiLは、積分器回路24の出力で発生され る。このレンジは、十分小さいように選択されるので、較正出力電圧Ｅiiの関数 としての既知導電率Ｃkの関係が線形関数、すなわち、 Ｃｋ＝Ｍ*Ｅii＋Ｂ である。 最大既知導電率及び最小既知導電率Ｃkh及びＣklでこのようになされた電圧Ｅii H及びEiiLの較正測定は、Ｍ及びＢが計算されることを可能にする。 このような値を使用して、Ｍ及びＢの値と最大レベル及び最小レベルで測定さ れた出力電圧ＥiiH及びＥiiLが使用され、下式のように関係するレンジの最大導 電率レベル及び最小導電率レベルの両方で較正導電率を与える。 ＣH＝Ｍ*ＥiiH＋Ｂ ＣL＝Ｍ*ＥiiL＋Ｂ 製造時に、較正回路50における抵抗器の典型的な値は、既知流体にセンサを置 き、センサ出力及び較正出力の両方を測定することによって得られる。したがっ て、抵抗器のための典型的な値は、ユーザが所要出力と同一の単位の較正回路抵 抗のための値を特に決定することを可能にする逆の式によって計算される。前述 の例では、必要とされるレンジの各々にわたってセンサ及び回路の両方の動作の 高い直線性があるとき各レンジのための２つのこのような点だけが必要とされる 。しかしながら、使用される較正点の数は、測定された物質の特性の変化のため に非線形センサ応答の複雑さに基づいて増加される。較正回路は、非常に高い絶 対確度の回路を必要としない適用例では不要でもよい。したがって、較正回路は 、本発明の基本実施例のための任意的な強化策である。 図５は、簡単にするために図２の実施例に基づいた本発明の更に他の実施例を 示す。そこに示されているように、回路は、電圧出力信号を供給するいかなる一 般の４端子電圧センサとでも使用される。特定のセンサは、４端子ブリッジ18′ によって表される。特定のセンサ18は２つの能動ブリッジアームとともに使用さ れるが、使用される特定のセンサに応じて、１個、２個、３個又は４個の能動ア ームがあり得ることが理解される。スイッチＳ1′及びＳ2′を使用すると、全回 路はセンサ18′に方形波入力を供給し、当業者によって理解されるように、図２ に関して述べられた動作と同様な動作を達成するためにプリアンプ20で誤差を減 少するための方形波フィードバック信号を供給するように配置されている。図３ の可変利得及び可変減衰と図４の直角位相フィードバックを使用する適当な回路 は、このような一般の４端子センサとともに使用される。 前述のように本発明の実施例は好ましい実施例を表しているが、その改変は、 本発明の精神及びレンジ内で当業者にとって可能である。したがって、本発明は 、非接触センサを使用するものとして特に記載されているが、接触センサもまた 使用できる。さらに、システムは、流体、例えば、導電溶液の導電率を測定する ために使用されるものとして記載されているが、いろいろな物質の他の物理的又 は化学的特性は、そのための適当なセンサを使用し本発明のシステムを使用して 測定される。したがって、本発明は、請求のレンジによって規定される以外は、 記載された特定の実施例に限定されて解釈されるべきではない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．物質の特性の決定システムにおいて、 前記物質の中に置かれ、出力信号を供給し、その値が入力ドライバ信号に応じ て前記特性に関連するセンサと、 選択周波数を有する方形波入力ドライバ信号を前記センサに供給して前記セン サから方形波出力信号を供給する方形波発生器と、 前記センサ出力信号をフィードバック信号と比較して誤差信号を発生する比較 手段と、 前記誤差信号に応動して、各々が実質的に正弦波構成を有する同相及び直角分 を有するフォワード信号を供給するフォワード回路と、 前記フォワード信号の同相分を積分して同相積分アナログＤＣ出力信号を発生 する積分器と、 前記同相積分アナログＤＣ出力信号に応動して前記選択周波数での同相方形波 フィードバック信号を供給し、その波高値振幅がＤＣ出力信号の振幅と正確に選 択された関係を有し、前記センサからの方形波出力信号の同相分と比較して前記 誤差信号を発生するフィードバック回路と、 前記同相アナログＤＣ出力信号に応動してデジタル出力信号を供給するアナロ グ／デジタル変換器と、 前記デジタル出力信号を処理して前記信号の特性を表す処理信号を供給するプ ロセッサとを備えたことを特徴とする物質特性の決定システム。 ２．前記方形波フィードバック信号の波高値振幅が、ＤＣ出力信号の振幅に正確 に等しいように選択されることを特徴とする請求の範囲１によるシステム。 ３．前記フォワード回路が、前記積分器に供給するための前記フォワード信号の 同相分を検出する検出器を含んでいることを特徴とする請求の範囲１によるシス テム。 ４．前記フォワード回路が前記誤差信号に応動して前記誤差信号からの調波周波 数成分及び分数調波周波数成分を除去してフィルタリングされたフォワード信号 を前記検出器に供給するフィルタ増幅器を含んでいることを特徴とする請求の範 囲３によるシステム。 ５．前記フィードバック回路が、前記方形波発生器からの同相方形波信号に、及 び前記同相アナログＤＣ出力信号に応動して同相方形波信号を発生するスイッチ ング増幅器と、固定減衰を有し、かつ同相方形波信号に応動して減衰同相方形波 フィードバック信号を発生する減衰器とを含み、前記減衰器の固定減衰が、フィ ードバック回路のフィードバック利得がフィルタ増幅器回路のフォワード利得に 等しいように選択されることを特徴とする請求の範囲１、２、３又は４によるシ ステム。 ６．フォワード回路のフォワード利得及びフィードバック回路のフィードバック 利得が、前記特性の値の選択レンジにわたって物質の特性を測定するように選択 されることを特徴とする請求の範囲５によるシステム。 ７．前記回路の特性がそれの導電率であり、前記センサが、それの波高値が前記 物質の導電率に関連している方形波出力信号を供給する導電率センサであること を特徴とする請求の範囲６によるシステム。 ８．前記フォワード回路が、それの複数の個別レンジにわたって個別に変えられ ることができる利得を有し、かつフィードバック回路の減衰器がそれの複数の個 別レンジにわたって個別に変えられることができる減衰を有し、前記利得及び減 衰が、前記フォワード回路のフォワード利得及び前記フィードバック回路のフィ ードバック利得が各個別レンジに対して同一のほぼ一定の値を有する全ループ利 得を与えるように前記レンジの各々に対して選択されていることを特徴とする請 求の範囲７によるシステム。 ９．前記フォワード信号の直角分を積分して積分直角位相アナログＤＣ出力信号 を発生するもう１つの積分器と、 前記方形波発生器からの直角位相方形波信号に、かつ前記ＤＣ出力アナログ信 号の前記直角分に応動して前記選択周波数での直角位相方形波フィードバック信 号を供給し、前記センサからの方形波出力信号の直角分と比較して前記フォワー ド回路の飽和を防止し、かつ前記導電率の比較的高い精度の測定を行うための前 記フォワード回路における比較的高い利得の使用を可能にするように前記誤差信 号の直角分を減少するもう１つのフィードバック回路とを含んでいることを特徴 とする請求の範囲８によるシステム。 １０．前記センサが電流出力信号を供給する電流センサであることを特徴とする 請求の範囲１によるシステム。 １１．前記センサが電圧出力信号を供給する電圧センサであることを特徴とする 請求の範囲１によるシステム。