(57)【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。【解決手段】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。【選択図】      図２
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【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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