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【発明の名称】 フィードバック回路を有する耐放射線変換器
【発明者】 【氏名】フレドリック・グレシウス

【要約】 【課題】低レベルのガンマ線に曝露されているにも拘わらず振動に関する電気信号を出力することができる速度変換器(10)すなわちVelomitor(登録商標)を開示する。

【構成】入力段バイアス点を設定するDCフィードバック回路(D2、R5、R10、R4)は、変換器(10)がガンマ線に曝露される時に、出力バイアス電圧を使用可能な電圧範囲内に維持する。電流源(I1)として構成された付加的なJFETトランジスタ(J1)は、DCフィードバック回路(D2、R5、R10、R4)がJFET増幅器(U1)のオフセット電圧における増大を相殺する助けをする。JFET増幅器(U1)のゲート電流を制御する抵抗器(R4)の値もまた、漏れ電流が増大した時にオフセット電圧が低下するように減少させられる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
放射線曝露により引き起こされる変換器の出力電圧における変化を相殺することができる、振動を測定するための変換器(10)であって、
振動に応答して加速度信号を発生するための加速度計(12)と、
前記加速度計による加速度信号出力を積分することによって速度信号を発生するための積分器(14)と、
を含み、前記積分器が、
増幅器(U1)と、
前記増幅器への加速度信号入力を積分するための交流(「AC」)フィードバック回路(R6、R7、C8)と、
前記増幅器にバイアスをかけて所定の出力電圧を発生させるための直流(「DC」)フィードバック回路(D2、R5、R10、R4)と、を含み、
前記DCフィードバック回路(D2、R5、R10、R4)が、所定の値を有するフィードバック抵抗器(R4)を含み、
前記所定の値が、前記増幅器(U1)が放射線に曝露されることにより生じる該増幅器(U1)内へのゲート電流の増大による該増幅器(U1)の出力電圧における変化を所定の量だけ減少させるように選択され、
前記ACフィードバック回路(R6、R7、C8)が、第1及び第2の抵抗器(R6、R7)によって形成された分圧回路を含み、
前記分圧回路(R6、R7)が、フィードバック電圧の所定のパーセンテージを前記フィードバック抵抗器(R4)に印加して、該フィードバック抵抗器(R4)の値があたかも該フィードバック抵抗器(R4)の実際の値の所定の倍数であるかのような効果を前記ACフィードバック回路(R6、R7、C8)内で該フィードバック抵抗器(R4)に持たせる、
変換器(10)。
【請求項2】
前記増幅器(U1)が、長期間にわたって放射線に曝露された時に、そのゲート電流が増大するジャンクション電界効果トランジスタ(「JFET」)(J1)を含む、請求項1記載の変換器(10)。
【請求項3】
前記フィードバック抵抗器(R4)が、5メガオームの値を有する、請求項1記載の変換器(10)。
【請求項4】
前記フィードバック抵抗器(R4)の実際の値の所定の倍数が、100である、請求項1記載の変換器(10)。
【請求項5】
前記DCフィードバック回路(D2、R5、R10、R4)が、前記第1の抵抗器(R6)を介して所定の電流を流して、それによって前記フィードバック抵抗器(R4)を介して前記増幅器(U1)の入力端に所定のバイアス電圧を印加するための電流源(I1)を含む、請求項1記載の変換器(10)。
【請求項6】
前記第1の抵抗器(R6)が、略10メガオームの値を有する、請求項5記載の変換器(10)。
【請求項7】
前記電流源(I1)が、前記第1の抵抗器(R6)を介して略1.07μAの電流を流して、前記増幅器(U1)に所定のバイアス電圧を印加する、請求項6記載の変換器(10)。
【請求項8】
該変換器(10)が、4Hz〜5kHzの振動を感知する帯域幅を有する、請求項1記載の変換器(10)。
【請求項9】
前記ACフィードバック回路(R6、R7、C8)が、前記演算増幅器(U1)の出力端における可変信号電圧の所定の部分を前記フィードバック抵抗器(R4)に印加させる第2の分圧器(R5、R10)を含む、請求項1記載の変換器(10)。
【請求項10】
前記所定の部分が、略0.2%である、請求項9記載の変換器(10)。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、発電装置のような産業機械のモニタに関し、より具体的には、低レベルのガンマ線に暴露されているにも拘わらずそのような機械における振動を測定することができる速度変換器に関する。
【背景技術】
【0002】
発電装置のような産業用回転装置に関する深刻な問題は、その装置の様々なパラメータをモニタしてそのような装置が運転上の問題を有する可能性があるか否かを判定することによってしばしば回避することができる。Velomitor(登録商標)は、速度変換器の1つのブランドであり、この速度変換器は、装置振動を測定することによって産業機械の保護を行うために使用される。
【0003】
Velomitor(登録商標)は、数多くの環境内で使用される。これらの変換器が使用される1つの用途は、変換器が長期間にわたって連続的に低レベルのガンマ線に曝露される原子炉プラント内の装置をモニタすることである。この種の環境内で使用されるVelomitor(登録商標)は一般的に、長期間にわたって放射線に曝露される。曝露されたVelomitor(登録商標)は、或る期間の間はこの種の環境内で機能するが、結局はこれらの変換器が長期にわたって放射線に曝露されると、これらの変換器の出力バイアス電圧にずれが生じることになる。最終的には、変換器の出力がその供給電圧レベルの電圧レベルまで変動し、その時点で変換器は、機能を停止することになる。この問題は、Velomitor(登録商標)内で共通ソース増幅器段を形成するために使用されているジャンクション電界効果トランジスタ(「JFET」)がガンマ線によって照射される時に生じる。照射は、時間の経過と共にJFETのゲート内への電流漏れを増大させる。このゲート電流の増大は、ゲートと直列に大きなフィードバック抵抗器が結合されている場合に、変換器の出力端に高いオフセット電圧を発生させて、変換器の出力を装置のレール(供給電圧)に近づける。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の目的は、低レベルのガンマ線に曝露されているにも拘わらず振動に関する電気信号を出力することができる速度変換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明では、変換器内のフィードバック回路が、入力段バイアス点を設定する。フィードバック回路は、変換器がガンマ線に曝露される時に、出力バイアス電圧を使用可能な電圧範囲内に維持する。電流シンクとして構成された付加的JFETトランジスタは、JFET増幅器のオフセット電圧における増大を相殺するのを助ける。さらに、JFET増幅器のゲート電流を制御する抵抗器の値は、漏れ電流が増大した時に、オフセット電圧が低下するように減少させられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0006】
本発明は、低レベルのガンマ線に曝露されているにも拘わらず振動に関する電気的測定値を提供する速度変換器に関する。
【0007】
図1は、装置が低レベルのガンマ線に曝される環境内にある産業用装置の振動を測定するために使用する速度変換器すなわちVelomitor(登録商標)10の概念概略図を示している。速度変換器10は、振動による結晶体のスクイーズによって生じる電気的加速度信号を発生する好ましくは圧電結晶体の形態の加速度計12を含む。速度変換器10はまた、加速度計12による加速度信号を積分して該変換器10の出力端において速度信号を発生するようにする積分器14を含む。
【0008】
変換器10の作動特性は一般的に、次の通り、すなわち(1)4Hz〜5kHzの範囲にある振動数を測定するための帯域幅、(2)0〜50インチ/秒の振動を測定するための応答範囲、(3)−55℃〜121℃の温度作動範囲、及び(4)3ミリラドの放射線に曝露される場合に約4年の平均寿命である。
【0009】
図2は、図1に示す速度変換器10の簡略概略図である。図2の概略図において、加速度計12は、0Vの直流(「DC」)出力電圧及びピークからピークまで1Vの交流(「AC」)又は可変信号出力電圧を供給する可変電圧源V3と、約1,850pfの値を有するキャパシタC7とを含むものとして示している。図2の概略図において、積分器14は、AC及びDCフィードバック回路の両方を含む演算増幅器U1を含むものとして示している。ガンマ線によって影響を受ける前には、積分器14は、約12Vの静止DC出力バイアス電圧を発生する。
【0010】
積分器14のDCフィードバック回路は、5VツェナダイオードD2、抵抗器R5及びR10から成る第2の分圧回路、並びに500メガオームの値を有しかつ分圧器と演算増幅器U1の負入力端との間に接続された第3の非常に大きな抵抗器R4を含む。このDCフィードバック回路は、約1.3VのDCバイアス電圧を演算増幅器U1の負入力端に印加するように設計されている。同様に、電圧源V4は、約1.3VDCのDCバイアス電圧を演算増幅器U1の正入力端に印加する。
【0011】
加速度計12からの可変信号出力電圧は、抵抗器R1及びR2を含む分圧器に印加される。第2の抵抗器R2の両端における可変信号出力電圧の一部分は、装置振動状態の間に、キャパシタC9を介して積分器14の演算増幅器U1の負入力端に入力される。
【0012】
積分器14は、加速度計12が可変信号を出力している時、装置振動状態の間に機能するACフィードバック回路を含む。積分器14のACフィードバック回路は、抵抗器R6及びR7から成る分圧器、並びに分圧器と演算増幅器U1の負入力端との間に接続されたフィードバックキャパシタC8を含む。キャパシタC8は、470pfの値を有する。
【0013】
速度変換器10の帯域幅は、フィードバック抵抗器R4及びフィードバックキャパシタC8に対して大きな値を使用することにより達成される。これらの大きな値は、変換器10が非常に低い周波数範囲、つまり上述した4Hz〜5kHzの周波数範囲内の及びこれよりも低い周波数を有する振動を測定するのを可能にする。
【0014】
図3は、図2に示す簡略回路概略図のより詳細な回路図を示している。図3において、ここでも加速度計12は、可変電圧源V3及びキャパシタC7を含むものとして示している。さらに、加速度計12からの出力信号もまた、抵抗器R1及びR2によって形成された分圧器間で分割されるものとして示している。
【0015】
図3の概略図はまた、そのゲートが図2に示す演算増幅器U1の負入力端として機能する第1のJFETトランジスタJ1を含む。JFETJ1は、共通ソース増幅器段の一部である。JFETJ1のソースは、その各々が約0.6Vの電圧降下を有するダイオードとして接続された2つのJFETJ2及びJ3によって約1.3Vでバイアスをかけられる。加速度計12の出力はここでもまた、キャパシタC9を介してトランジスタJ1のゲートに送られる。DCフィードバックもまた、これまた図3の概略図に示すツェナダイオードD2並びに抵抗器R5及びR4によって提供される。JFETJ1のドレーンは、PNPダーリントン増幅器Q1に接続される。
【0016】
図3に示す回路構成は、抵抗器R10に接続された出力端子VDBにおいて約12Vの静止出力を発生する。図3の回路に関する問題は、その中で変換器10が作動しなくてはならない環境内に存在するガンマ線に回路が曝露されることにより生じる。変換器10が新品である時には、JFETJ1内へのゲート電流は、実質的にゼロである。これによって、抵抗器R10に接続された端子VDBにおいて12Vの静止出力電圧が発生する。しかしながら、JFETJ1がガンマ線に曝露されて時が経つと、JFETJ1のゲート内へのゲート電流Igは、時の経過につれてJFETJ1が曝露される放射線量と共に直線的に増大する。ゲート電流が増大するにつれて、増大したゲート電流を500メガオームの大きな抵抗値を有するフィードバック抵抗器R4を介して「ブリードオフする(徐々に減少させる)」ことによって、変換器10の静止出力電圧を減少させて増大したゲート電流Igを相殺する。約50日後には、JFETJ1に流入する増大したゲート電流は、速度変換器10の静止出力バイアス電圧を約3Vだけ減少させる。その後50日毎に、速度変換器10の出力電圧は、最終的にゼロに近づくまで約3Vずつ減少し、装置は、最早いかなる振動測定値も提供しないように全く機能しなくなる。一般的にその中に変換器10が設置されるプラントは、密閉されており、また変換器が曝露されている放射線のために少なくとも1年ないし2年間はそれら変換器にアクセスしない状態で稼動されるので、出力電圧におけるこの変化が示している問題は、悪影響を受けた変換器10を少なくとも1年ないし2年の期間の間は容易に交換することができないという事実によって悪化する。
【0017】
図4は、本発明による耐放射線速度変換器20の1つの実施形態の簡略概略図を示しており、図5は、図4の変換器20用のより詳細な回路図を示している。図2及び図3に示す回路構成要素と同一である図4及び図5に示す回路構成要素には、同じ参照符号を付している。従って、例えば、加速度計12は、図4及び図5においても同様に可変電圧源V3及びキャパシタC7を含み、加速度計12の可変信号出力が抵抗器R1とR2との間で分割されるものとして示している。加速度計12からの分割圧力信号はここでもまた、キャパシタC9を介して演算増幅器U1又はJFETJ1に入力される。図4の概略図におけるACフィードバック回路は、図2の概略図に示すものと同様である。
【0018】
図4及び図5の回路内で使用するDCフィードバック回路は、図2及び図3の回路内で使用するDCフィードバック回路とは異なる。図4及び図5のDCフィードバック回路は、5メガオームの値を有するフィードバック抵抗器R14を含んでおり、この値は、R14が置き換わった抵抗器R4の500メガオームの値よりも100倍小さい。抵抗器R14は、その値が抵抗器R4の値よりも100倍小さいので、図4及び図5の回路は、図5に示すJFETJ1に対するガンマ線の経時的影響を受けにくい。図2の回路におけるのと同様に、JFETJ1がガンマ線に曝露される時、そのゲート電流Igは、時の経過と共に直線的に増大する。しかしながら、5メガオームの値のR14は、元の抵抗器R4の500メガオームの値よりも遙かに小さいので、変換器20の出力に対するゲート電流Igの増加の影響は、実質的に小さい。ゲート電流Igが増大するにつれて、変換器20の出力オフセット電圧はこの場合もまた、増大したゲート電流をフィードバック抵抗器R14を介して「ブリードオフ」することによって、増大したゲート電流Igを相殺するように減少させられることになるが、R14がR4の500メガオームの値よりも100倍小さい5メガオームの抵抗値を有するので、静止出力電圧における変化は、実質的により小さくなる。例えば、50日の放射線暴露後において変換器10の出力が3Vであった場合には、50日の放射線暴露後における変換器20の出力変化は、30mVになることになる。
【0019】
抵抗器R13は、該抵抗器R13がキャパシタC11によって絶縁されているので、図4及び図5に示すDCフィードバック回路に対して「トランスペアレント」である。しかしながら、加速度計12がその振動感知により可変出力信号を発生し始めた時、キャパシタC11は、そのような可変信号に対して効果的に短絡回路になる。従って、演算増幅器U1の出力端における可変信号は、R15とR13との間に分圧器を認め、好ましくは約0.2%の小部分のみが抵抗器R13に印加される。フィードバック抵抗器R14は、この分圧器と演算増幅器U1の負入力端との間に接続される。分圧器によってR14に印加された電圧低下の影響は、あたかも抵抗器R14の値が元の抵抗器R4の500メガオームの値であるのと同じ効果をDCフィードバック回路内で抵抗器R14に持たせる。それは、あたかもR14の5メガオームの値が100倍されたようなものである。従って、変換器20は、変換器10が図2及び図3に示す元の回路内で提供するのと同様に、4Hz〜5kHzの振動を感知する帯域幅を提供する。
【0020】
図4及び図5のDCフィードバック回路はまた、好ましくは10メガオームの値を有する抵抗器R15と電流源I1とを含む。電流源I1は、抵抗器R15を介して約1.07μAの電流を流して、抵抗器R15の両端に約10.7Vの電圧降下を生じさせて、それによって抵抗器R14を介して演算増幅器U1の負入力端に印加される約1.3Vの電圧を供給するのが好ましい。
【0021】
上述のように、図5は、耐放射線速度変換器20用のより詳細な回路図を示している。ここでもまた、加速度計12は、可変電圧源V3及びキャパシタC7を含み、一方、加速度計12の可変出力は、分圧器抵抗器R1及びR2間で分割される。
【0022】
図5の回路図はまた、そのゲートがここでも図4に示す演算増幅器U1の負入力端として機能するJFETJ1、並びにダイオードとして機能してそのゲートとソースとの間でJFETJ1のバイアスを供給するJFETJ2及びJ3を含む。加速度計12の可変電圧出力はこの場合もまた、キャパシタC9を介してJ1のゲートに送られ、J1のドレーンもまた、ダーリントン増幅器Q1に接続される。
【0023】
図4に示すDCフィードバック回路内の電流源I1の機能は、図5に示すように電流源として機能するように接続された第4のJFETJ4によって実行される。DCフィードバック回路のその他の構成要素、つまり抵抗器R15及びR14もまた、ここではJFETJ4として示す電流源I1に対して図4に示すのと同様な方式で接続されたものとして、図5に示している。
【0024】
現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】基本的速度変換器の概念概略図。
【図2】図1の基本的速度変換器の簡略概略図。
【図3】図2に示す簡略概略図のより詳細な回路図。
【図4】本発明による耐放射線速度変換器の簡略概略図。
【図5】図4に示す簡略概略図のより詳細な回路図。
【符号の説明】
【0026】
10 速度変換器
12 加速度計
14 積分器
20 変換器
C7 キャパシタ
C8 フィードバックキャパシタ
C9 キャパシタ
C11 キャパシタ
D2 ツェナダイオード
I1 電流源
J1 JFETトランジスタ
J2 JFETトランジスタ
J3 JFETトランジスタ
J4 JFETトランジスタ
Q1 ダーリントン増幅器
R1 抵抗器
R2 抵抗器
R4 フィードバック抵抗器
R5 抵抗器
R6 抵抗器
R7 抵抗器
R10 抵抗器
R13 抵抗器
R14 フィードバック抵抗器
R15 抵抗器
U1 演算増幅器
V3 可変電圧源
V4 電圧源
【出願人】 【識別番号】390041542
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
【氏名又は名称原語表記】GENERAL ELECTRIC COMPANY
【出願日】 平成19年8月10日(2007.8.10)
【代理人】 【識別番号】100093908
【弁理士】
【氏名又は名称】松本 研一

【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博

【識別番号】100129779
【弁理士】
【氏名又は名称】黒川 俊久

【識別番号】100137545
【弁理士】
【氏名又は名称】荒川 聡志


【公開番号】 特開2008−46123(P2008−46123A)
【公開日】 平成20年2月28日(2008.2.28)
【出願番号】 特願2007−208866(P2007−208866)