專利名稱：振動式水平傳感器的溫度測定方法、物體檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及振動式水平傳感器的溫度測定方法、物體檢測方法和物體檢測裝置，特別是涉及根據(jù)與檢測管內(nèi)的振動板上設(shè)置的磁鐵隔著若干間隔相對的電磁鐵線圈的振動頻率，檢測物體的有無的振動式水平傳感器的溫度測定方法、物體檢測方法和物體檢測裝置。
電磁鐵4被緊貼安裝在檢測管部1的內(nèi)壁上，與振動片2的軸向相對。如果用交流電流驅(qū)動電磁鐵4，則通過電磁鐵4產(chǎn)生的磁場和永磁鐵3的磁場的吸引排斥作用，把基部11作為固定端，用振動片2、閉塞部12、檢測管部1使折返單支撐梁產(chǎn)生振動。
在檢測管部1的基部11一側(cè)的內(nèi)側(cè)的壁上設(shè)置了變形檢測元件5。變形檢測元件5檢出檢測管部1的基部11一側(cè)振動振幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為電信號，提供給放大電路6。放大電路6把輸入的信號放大，再輸入到電磁鐵4。


圖10B、C是表示通過施加在電磁鐵4上的電流，在電磁鐵4和永磁鐵3之間產(chǎn)生的吸引排斥力的圖。
如果施加在電磁鐵4上的電流和電磁鐵4上產(chǎn)生的磁場的關(guān)系是圖10B所示的關(guān)系，則電磁鐵4的與永磁鐵3相對的極是N極，與安裝在振動片2上的永磁鐵3的S極之間產(chǎn)生吸引力，與永磁鐵3的N極之間產(chǎn)生排斥力，振動片2的自由端在圖10B中，在上方受力，產(chǎn)生位移。
相反，如果使施加在電磁鐵4上的電流極性相反，則如圖10C所示，電磁鐵4的與永磁鐵3相對一側(cè)的極性顛倒，變?yōu)镾極，與振動片2上的永磁鐵3的S極排斥，為了與N極吸引，振動片2的自由端在下方受力，振動狀態(tài)變化。因此，通過配合折返單支撐梁的振動系統(tǒng)固有的振動頻率，切換施加在電磁鐵4上的電流極性，產(chǎn)生振動，能使之繼續(xù)。
在圖10A所示的例子中，用檢測元件5檢測振動系統(tǒng)的振動，轉(zhuǎn)換為電信號，用放大電路6放大，再輸入到電磁鐵4中，并且從檢測電路7輸出檢測信號。作為振動的檢測元件5，使用壓電元件和加速度接收器，但是壓電元件容易破裂，用粘合劑粘貼在檢測管上，容易受環(huán)境性和溫度特性的影響，存在壓電元件的可靠性低的問題。
另外，也有使用例如特開平1-233378號公報中表示的振動式水平檢測裝置的方法。在該振動式水平檢測裝置中，在振動體上設(shè)置有激振用壓電元件和接收用壓電元件，通過激振用壓電元件使振動體振動，用接收用壓電元件檢測振動體的振動。然后，把來自接收用壓電元件的輸出向帶通濾波器輸入，使振動體不接觸被檢測對象物時的振動頻率fa通過，使振動體接觸被檢測對象物時的振動頻率fb不通過。把該帶通濾波器的輸出提供給壓電比較電路，與基準電壓比較，當振動體不接觸被檢測對象物時，帶通濾波器的輸出比基準電壓低，當接觸時，比基準電壓高，所以能進側(cè)被檢測對象物。
可是，在上述以往例中，存在檢測電路的零件數(shù)量增多，成本提高，在構(gòu)造上也復雜，組裝時間增加的問題。零件數(shù)量增多與可靠性的下降有關(guān)。
本發(fā)明是一種振動式水平傳感器的溫度測定方法，是一種利用與檢測管內(nèi)的振動板上設(shè)置的磁鐵隔著若干間隔相對的電磁鐵線圈的特性測定溫度的振動式水平傳感器的溫度測定方法，其特征在于以振動板的共振頻率為中心，在線圈上施加以給定范圍內(nèi)的頻率進行了掃描的交流電流，根據(jù)基于線圈溫度的電阻值的變化而流動的電流的相位角度的變化，測定溫度。
其他發(fā)明是一種振動式水平傳感器物體檢測方法，利用與檢測管內(nèi)的振動板上設(shè)置的磁鐵隔著若干間隔相對的電磁鐵線圈的振動頻率，檢測物體的有無，其特征在于以振動板的共振頻率為中心，在每個給定周期中在線圈上施加以給定范圍內(nèi)的頻率進行了掃描的交流電流，當施加交流電流時，檢測出對應(yīng)物體是否接觸振動板而產(chǎn)生的相位變化，根據(jù)檢測出的相位變化，判別物體的有無，根據(jù)在給定測定周期的前半期間中檢測的相位變化，測定溫度，在給定測定周期的后半期間中，根據(jù)溫度的測定結(jié)果，改變掃描頻率。
其他發(fā)明是一種振動式水平傳感器的物體檢測裝置，利用與檢測管內(nèi)的振動板上設(shè)置的磁鐵隔著若干間隔相對的電磁鐵線圈的振動頻率，檢測物體的有無，其特征在于包括以振動板的共振頻率為中心，在每個給定周期中在線圈上施加以給定范圍內(nèi)的頻率進行了掃描的交流電流的交流電流施加部件；當通過交流電流施加部件施加了交流電流時，檢測出對應(yīng)物體是否接觸振動板而產(chǎn)生的相位變化的相位檢測部件；根據(jù)由相位檢測部件檢測的相位變化，判別物體的有無的判別部件；在給定測定周期的前半期間中，根據(jù)相位檢測部件的檢測輸出，測定溫度的溫度測定部件；在給定測定周期的后半期間中，根據(jù)溫度測定部件的測定結(jié)果，改變掃描頻率的頻率改變部件。
另外，相位檢測部件的特征在于檢測出通過振動板的振動頻率和交流電流的掃描頻率的混合，而在電磁鐵線圈中產(chǎn)生的拍頻成分引起的相位波動。
相位檢測部件的特征在于包含用于提取出拍頻成分的濾波器。
溫度測定部件的特征在于根據(jù)因線圈溫度引起的電阻值變化而產(chǎn)生的電流相位角度的變化，測定溫度。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在振動式水平傳感器中，通過采用以振動板的共振頻率為中心，在每個給定周期中在線圈上施加掃描了給定范圍內(nèi)的頻率的交流電流，根據(jù)對應(yīng)物體是否接觸振動板而產(chǎn)生的相位變化，判別物體的有無的物體檢測方法，能只用驅(qū)動用電磁鐵和永磁鐵構(gòu)成檢測部，不必象以往那樣在接收用傳感器部分需要壓電元件和加速度接收器，能減少零件數(shù)量，并且能提高裝置的可靠性。
另外，通過根據(jù)在給定測定周期的前半期間中檢測的相位變化，測定溫度，在后半期間中，根據(jù)溫度的測定結(jié)果，使掃描頻率范圍最佳化，能加速作為檢測裝置的響應(yīng)性。
作為溫度檢測方法，只使用檢測部的驅(qū)動用電磁鐵和永磁鐵，所以不需要新設(shè)置正溫度系數(shù)熱敏電阻，能簡化結(jié)構(gòu)和大幅度降低成本。
圖2是用于說明本發(fā)明的振動式水平傳感器的原理的圖。
圖3是表示頻率的掃描和溫度修正的關(guān)系的曲線圖。
圖4是用于說明干擾電壓(拍頻)的波形圖。
圖5是本發(fā)明的一實施例的振動式水平傳感器的框圖。
圖6是表示圖5所示的振動式水平傳感器的測定順序的圖。
圖7是表示測定順序的分體測定期間的細節(jié)的圖。
圖8A和圖8B是表示A/D轉(zhuǎn)換器43的輸入電壓波形的圖。
圖9A和圖9B是表示振動式水平傳感器的溫度測定細節(jié)的圖。
圖10A是以往的振動式水平傳感器的概略框圖。
圖10B、C是表示通過施加在電磁鐵4上的電流，在電磁鐵4和永磁鐵3之間產(chǎn)生的吸引排斥力的圖。
圖1A和圖1B是用于說明本發(fā)明實施例的振動式水平傳感器的原理的圖。如圖1A所示，隔開若干間隔使棒狀電磁鐵21和磁鐵22相對，眾所周知，如果切換流過電磁鐵21的電流的方向，則與相對的磁鐵22的極性為同極時相斥，為異極時相吸。
當把該原理應(yīng)用于圖1B所示的縱振動型的振動板23時，通過使振動板23頂端的磁鐵22的極化方向為厚度方向(在圖1B中，上方為N極，下方為S極)，對于磁鐵22，在電流的方向能作用上下方向的力。因為磁鐵22位于振動板23的自由端，所以，如果使流過電磁鐵21的電流方向的切換周期與振動板23的共振周期一致，就能使振動板23最大限度振動。縱振動型的振動模式是折返單支撐梁，與振動板23的單體的單純模式有若干不同，但是基本相同。
在以往的振動式水平傳感器中，如圖10A所示，由不同的零件構(gòu)成作為驅(qū)動部的電磁鐵4、作為驅(qū)動部的檢測元件5，但是在本發(fā)明的特征在于用公共的電磁鐵構(gòu)成驅(qū)動部和接收部。
圖2是表示本發(fā)明的振動式水平傳感器的原理的圖。例如，如果在電機31上連接電池32等電源，則電流流過，電機31旋轉(zhuǎn)。這時，流過電機31的電流是a。接著，如果用手抓住電機31的旋轉(zhuǎn)軸，停止旋轉(zhuǎn)，則流過電機31的電流增加到b。這是因為電機31在旋轉(zhuǎn)中，由于電機31旋轉(zhuǎn)而引起的發(fā)電作用，產(chǎn)生反向電流(電力)，抑制了電流，如果停止電機31的旋轉(zhuǎn)，該方向電流(電力)消失，抑制效果消失。
本發(fā)明的振動式水平傳感器雖然不是圖2所示的電機31，但是如圖1B所示，如果電流流過電磁鐵21，使磁鐵22振動，則由于振動的磁鐵22的發(fā)電作用，在電磁鐵21中產(chǎn)生電流，與所述電機31的說明同樣，能抑制用于驅(qū)動而流過的電流。當檢測部由粉體等覆蓋，不振動時，固定在振動板23上的磁鐵22的發(fā)電作用消失，驅(qū)動電流不受任何抑制。因此，通過檢測驅(qū)動電流，知道振動的大小，能檢測粉體的有無。
在振動式水平傳感器中，通過使驅(qū)動電流的頻率與振動板23的共振頻率一致，使振動產(chǎn)生，但是由于振動板23振動的頻率寬度為相對于380Hz(代表值)的中心頻率的±0.1Hz的非常窄的范圍，所以不可能總使驅(qū)動電流的頻率保持在該頻率內(nèi)，所以在本發(fā)明中，如圖3所示，在中心頻率上下的一定范圍中反復使頻率變化(掃描)。這樣，通過掃描頻率，能夠避免無法檢測共振狀態(tài)的情況。
另外，振動板23的振動頻率以約-0.1Hz/℃的比率對于溫度而變化，所以掃描頻率范圍也以該比率進行溫度控制(修正)。即伴隨著溫度的上升，進行修正使掃描頻率降低。頻率的掃描范圍是從基準值以下9.4Hz到以上6.3Hz的15.7Hz之間。這里，基準值不是振動板23的共振頻率，而是對于干擾電壓的峰值的頻率，后面將就此加以說明。
頻率的掃描速度作為一個例子為11.1Hz/秒，以1.8秒掃描15.7Hz。掃描速度越慢，越能詳細觀測振動的變化，但是應(yīng)該兼顧測定時間而設(shè)定該值。
圖4是用于說明干擾電壓(拍頻)的波形圖。當混合了某2個頻率時，我們知道新產(chǎn)生該頻率的和與差的頻率成分。例如，當混合了380Hz和385Hz的頻率時，產(chǎn)生765Hz和5Hz。
在本發(fā)明中，如圖3所說明的那樣，11.1Hz/秒的速度掃描振動板23的共振頻率上下15.7Hz的頻率范圍。如圖4的(i)所示，由于在掃描開始后掃描頻率與共振頻率相分離，所以不會發(fā)生振動，不會生成反電流。又如(ii)所示的那樣，當掃描頻率接近共振頻率時，振動板23的振動開始增加，當頻率一致時，變?yōu)樽畲螅措娏饕沧優(yōu)樽畲?。?iii)所示，然后，掃描頻率以一定速度繼續(xù)變化，但是，振動板23的振動頻率在(ii)變?yōu)樽畲蟮墓舱耦l率，漸漸衰減。
這里，在(iii)的振動衰減期間中，重要的是振動頻率不變，通過頻率變化的驅(qū)動電流的掃描頻率和頻率不變化的反電流的振動頻率的混合，引起拍頻的產(chǎn)生。產(chǎn)生的拍頻中，用濾波器只把差的頻率成分(變化)抽出，用它的大小判斷粉體的有無。
當檢測部分被粉體覆蓋，振動板23不振動時，不發(fā)生反電流，也不產(chǎn)生拍頻。下面，詳細說明使用了該原理的振動式水平傳感器的實施例。
圖5是本發(fā)明一個實施例的振動式水平傳感器的框圖。在圖5中，微型計算機40包含產(chǎn)生掃描頻率的脈沖電壓的脈沖發(fā)生電路41，產(chǎn)生的脈沖電壓從驅(qū)動電路51通過電流檢測電路提供給電磁鐵21。電流檢測電路52檢測流過電磁鐵21的脈沖電流，提供給相位比較電路53。相位比較電路53檢測該脈沖電流和從脈沖發(fā)生電路提供的脈沖電壓的相位差。
當粉體不接觸檢測部時，由于振動板23振動，在驅(qū)動電流中產(chǎn)生所述的拍頻成分，所以在相位比較電路53的輸出中產(chǎn)生波動。當粉體接觸檢測部時，由于振動板23不振動，所以不發(fā)生相位的波動。把該相位比較電路53的輸出提供給平滑電路54，并且作為捕獲信號輸入到微型計算機40中。平滑電路54因為相位比較電路53的輸出是一種PWM信號，所以轉(zhuǎn)換為容易處理的模擬電壓。
由平滑電路54轉(zhuǎn)換的模擬電壓提供給帶通濾波器(BPF)55，并且提供給內(nèi)置在微型計算機40中的10位A/D轉(zhuǎn)換器42，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該數(shù)字信號作為溫度測定用的輸入而使用。BPF55只檢測5Hz附近的波動(拍頻)成分。該檢測成分由放大電路56放大，提供給內(nèi)置于微型計算機40中的10位A/D轉(zhuǎn)換器43。由A/D轉(zhuǎn)換器43轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號作為粉體檢測信號，以2.2msec間隔輸入微型計算機40中。
在微型計算機40上連接有中繼電路58和動作顯示燈59。微型計算機40對讀入的檢測信號進行演算處理，求出拍頻值，把該拍頻值與預(yù)先決定的設(shè)定值比較。微型計算機40根據(jù)比較結(jié)果，向中繼電路58和動作顯示燈59輸出表示被檢測物的有無的信號。
圖6是表示圖5所示的振動式水平傳感器的測定順序的圖，圖7是表示圖6的測定順序的粉體檢測期間細節(jié)的圖。
如圖6所示，微型計算機40例如以4秒為1測定周期，進行水平測定。約4秒的1測定周期中，例如前半部分約2.2秒為溫度測定周期，后半部分約1.8秒為粉體檢測周期。在前半部分的溫度測定周期中，微型計算機40根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器42的數(shù)字輸出，測定溫度值。然后，微型計算機40通過該測定的溫度值控制粉體檢測周期的掃描頻率范圍。
在溫度測定期間中，如圖6所示，掃描頻率固定為500Hz，如圖7所示，粉體檢測期間開始后0.54秒，存在從500Hz向掃描開始頻率的切換引起的驅(qū)動電流的紊亂的影響，所以使A/D轉(zhuǎn)換器43的輸出為OFF，不進行電壓的輸入，其后的期間中，使A/D轉(zhuǎn)換器43的輸出為ON，讀入電壓。
當沒有粉體時，如圖7所示，產(chǎn)生拍頻電壓引起的波動成分，但是當檢測部被粉體等覆蓋而不振動時，如圖7的粗線所示，不產(chǎn)生基于波動的電壓。該振幅值為振動值。該振動值為0～1023(10位A/D轉(zhuǎn)換器43)的值。
圖8A、8B是圖7的A/D轉(zhuǎn)換器43的輸入電壓波形的實測值。圖8A是檢測管1的頂端為自由時的波形，圖8B用手握著檢測管1的頂端時的波形圖。如果對比圖8A和圖8B，當在前半部分期間中，檢測管1的頂端為自由時與受限制時的波形明顯不同，所以不會在粉體有無的判斷上產(chǎn)生錯誤。
圖9A和圖9B是表示振動式水平傳感器的溫度測定細節(jié)的圖。
如圖9B所示，電磁鐵21包含線圈21，可認為是電感器XL和電阻R串聯(lián)的等效電路。如果在該電路中施加交流(脈沖)電壓，則由于電感器XL和電阻R構(gòu)成的相位滯后，電流流過。如果線圈的溫度變化，則電阻值按如上所述變化，但是電感XL不產(chǎn)生溫度引起的變化。因此，如圖9A所示，由于溫度變化引起的電阻值變化，流過的電流的相位角度變化。
之所以使驅(qū)動頻率為500Hz，是因為避開機械振動的影響，并且避免頻率變動所引起的誤差。用相位比較電路53比較流過電磁鐵21的電流的相位和提供給驅(qū)動電路51的基準相位，成為與平滑電路54后的相位差相應(yīng)的電流電壓，提供給A/D轉(zhuǎn)換器42。因此，由A/D轉(zhuǎn)換器42的分辨能力決定溫度的分辨能力，在圖5的電路中，對于約3.3℃的變化，溫度數(shù)據(jù)計數(shù)變化1。
此外，對于驅(qū)動數(shù)據(jù)，由于用BPF55除去了直流變化成分，所以不受溫度變化引起的電壓變化的影響。
振動板23的振動頻率在制作上存在某種程度的偏移，另外，在標準形和長形中，振動頻率不同，組裝結(jié)束后和檢測部的更換后，有必要把檢測部的工作頻率存儲在微型計算機40中。該動作稱作調(diào)諧。然后，根據(jù)以下表達式，從調(diào)諧時存儲的溫度數(shù)據(jù)、頻率數(shù)據(jù)、測定時的溫度數(shù)據(jù)，計算測定時的基準(掃描)頻率范圍。據(jù)此，決定最佳的掃描頻率，進行測定。
Fs＝(Ts-Tt)·k+FtTt調(diào)諧時的溫度數(shù)據(jù) Ts測定時的溫度數(shù)據(jù)Ft調(diào)諧時的頻率數(shù)據(jù) Fs測定時的頻率數(shù)據(jù) k比率系數(shù)
權(quán)利要求
1.一種振動式水平傳感器的溫度測定方法，是一種利用與檢測管(1)內(nèi)的振動板(23)上設(shè)置的磁鐵(22)隔著若干間隔相對的電磁鐵(21)線圈的特性測定溫度的振動式水平傳感器的溫度測定方法，其特征在于以所述振動板(23)的共振頻率為中心，在所述線圈上施加以給定范圍內(nèi)的頻率進行了掃描的交流電流，根據(jù)基于所述線圈溫度的電阻值的變化所致的流動的電流的相位角度的變化，測定溫度。
2.一種振動式水平傳感器物體檢測方法，是一種利用與檢測管(1)內(nèi)的振動板(23)上設(shè)置的磁鐵(22)隔著若干間隔相對的電磁鐵(21)線圈的振動頻率，檢測物體的有無的振動式水平傳感器的溫度測定方法，其特征在于以所述振動板的共振頻率為中心，在每個給定周期中，在所述線圈上施加以給定范圍內(nèi)的頻率進行了掃描的交流電流，當施加所述交流電流時，檢測出對應(yīng)物體是否接觸所述振動板而產(chǎn)生的相位變化，根據(jù)被檢測出的相位變化，判別所述物體的有無，根據(jù)在所述給定測定周期的前半期間中檢測出的相位變化，測定溫度，在所述給定測定周期的后半期間中，根據(jù)所述溫度的測定結(jié)果，改變所述掃描頻率。
3.一種振動式水平傳感器的物體檢測裝置，是一種利用與檢測管(1)內(nèi)的振動板(23)上設(shè)置的磁鐵(22)隔著若干間隔相對的電磁鐵(21)線圈的振動頻率，檢測物體的有無的振動式水平傳感器的溫度測定裝置，其特征在于包括以所述振動板的共振頻率為中心，在每個給定周期中在線圈上施加以給定范圍內(nèi)的頻率進行了掃描的的交流電流的交流電流施加部件；當通過所述交流電流施加部件施加了交流電流時，檢測出對應(yīng)所述物體是否接觸所述振動板(23)而產(chǎn)生的相位變化的相位檢測部件；根據(jù)由所述相位檢測部件檢測的相位變化，判別所述物體的有無的判別部件；在所述給定測定周期的前半期間中，根據(jù)所述相位檢測部件的檢測輸出，測定溫度的溫度測定部件；在所述給定測定周期的后半期間中，根據(jù)所述溫度測定部件的測定結(jié)果，改變所述掃描頻率的頻率改變部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的振動式水平傳感器的物體檢測裝置，其特征在于所述相位檢測部件，用于檢測出通過所述振動板(23)的振動頻率和所述交流電流的掃描頻率的混合，而在所述電磁鐵(21)線圈中產(chǎn)生的拍頻成分引起的相位波動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的振動式水平傳感器的物體檢測裝置，其特征在于所述相位檢測部件包括用于提取出所述拍頻成分的濾波器(55)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的振動式水平傳感器的物體檢測裝置，其特征在于根據(jù)因線圈溫度所引起的電阻值變化而產(chǎn)生的電流相位角度的變化，測定溫度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種的振動式水平傳感器的溫度測定方法、物體檢測方法及物體檢測裝置。使電磁鐵(21)隔著若干間隔與檢測管內(nèi)的振動板(23)上設(shè)置的磁鐵相對，以振動板(23)的共振頻率為中心，通過驅(qū)動電路(51)在每個給定周期中在線圈上施加以給定范圍內(nèi)的頻率進行了掃描的交流電流，當施加交流電流時，用相位比較電路(53)檢測出對應(yīng)物體是否接觸振動板(23)而產(chǎn)生的相位變化，微型計算機(40)根據(jù)檢測出的相位變化，判別物體的有無，并且根據(jù)在給定測定周期的前半期間中檢測出的相位變化，測定溫度，在給定周期的后半期間中，根據(jù)溫度的測定結(jié)果，改變掃描頻率。從而可減少零件的數(shù)量，提高可靠性。
文檔編號G01K7/00GK1469115SQ03148728
公開日2004年1月21日 申請日期2003年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月24日
發(fā)明者川勝裕志 申請人:株式會社能研