JP2003004543A - 温度検出方法および温度検出器 - Google Patents
温度検出方法および温度検出器Info
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Abstract
測定物の温度を、過渡的な温度変化を含めて正確に測定
する。 【解決手段】 被測定物11は、例えば可動物体であり
温度センサを直接固定することができない。この被測定
物11の近傍には、過渡温度特性が被測定物11の特性
と一致する物体14を配置し、この物体14に温度セン
サ12を密着させている。温度センサ12からの電気信
号は温度計13により温度に変換される。温度センサ1
2及び温度計13により検出した温度は、被測定物11
の温度と見なすことができ、過渡状況下における温度を
正確に検出することができる。
Description
温度監視が必要な、しかし可動物体のため温度センサを
直接固定できないので、その温度を直接計測することが
難しい被測定物に対して、その過渡的な温度変化に対し
ても正確な温度検出ができる温度検出方法および温度検
出器を提供するものである。
させることができない物体の温度を測る最も一般的で単
純な方法は、図10で示すように、被測定物101の近
傍に配置した温度センサ102を使って被測定物101
の近傍の雰囲気温度を温度計103で測り、この温度を
被測定物101の温度と見なす方法である。温度センサ
102としては、サーミスタ、熱伝対、測温抵抗体など
がよく用いられる。あらかじめ恒温槽などの安定した温
度条件下で温度センサ102と被測定物101の温度と
の対応を校正しておけば、静的な環境下において、温度
計103が示す温度は被測定物101の実際の温度と良
く一致する。
の温度を測る方法として、温度が変わることによって変
化する別の観測値を測定することにより、温度を間接的
に測る方法がある。例えば放射温度計を用いれば、物体
より放射される赤外線から温度を測ることができる。
ば、図11で示すように、物体の温度が変わることによ
り変化する透過波長から温度を調べる方法もある。図1
1では透過特性を有する被測定物201に白色光源20
2からの白色光を入射し、温度変化により変わる透過周
波数を光スペクトルアナライザ203で観測し、予め校
正された透過周波数と温度の変換テーブル204から、
温度を検出する方法を示した。
または頻繁に温度監視が必要であるが、可動物体のため
温度センサを直接固定できないので、その温度を直接計
測することが難しい被測定物の温度を検出するために、
従来では図10や図11に示すような手法が採用されて
いた。このような従来技術では、その過渡的な温度変化
に対して正確な温度検出ができないという欠点や、コス
トがかかるといった欠点があった。
を検出し、この温度を被測定物の温度と見なす方法の欠
点は、図10で示すように熱容量などの違いから被測定
物101と温度センサ102との間には過渡的な温度特
性(107),(108)の相違が存在し、それが温度
誤差(109)として現れてしまうことにある。
別の観測値を非接触で測ることにより被測定物の温度を
間接的に調べる方法の欠点は、それらの観測値を測定す
る方法および装置が、温度センサを使った方法と比べて
複雑でサイズが大きくコストがかかる点にある。
では数千円程度で済む温度検出器が、図11のように光
スペクトルアナライザ203を使うと数百万円ほどかか
ってしまう。よって、温度の校正データを取るなどの応
用に光スペクトルアナライザを一時的に使う場合はある
が、常時または頻繁に温度監視が必要な応用に光スペク
トルアナライザなどの装置を用いるのはサイズやコスト
の面で好ましくない。
過渡的温度誤差を無くす温度検出方法を提供すること、
そしてこの方法を用いて、温度変化が頻繁な過渡状況下
においても従来の温度センサを用いて正確な温度を計測
することが可能な温度検出器を提供することにある。
るため、本発明の温度検出器は、温度を感知する温度セ
ンサ、センサからの電気信号を温度に直して表示する温
度計、被測定物と温度特性を合わせた別の物体から成
り、この別の物体に温度センサを密着させることによ
り、過渡的な応答特性も含んだ温度特性を被測定物に合
わせたことを特徴とする。この構成により過渡的な温度
特性が被測定物と温度検知器との間で一致しているの
で、過渡的な温度誤差を除くことが可能となる。
度検出器は、過渡温度特性が異なる複数の物体とそれら
物体に密着させた温度センサから成る複数の温度検出系
を持ち、それらの温度検出系からの温度を加算器により
重み付けして加算処理することにより、全体として温度
検出器の温度特性を被測定物の温度特性と一致させたこ
とを特徴とする。この構成により、一つの温度検出系だ
けと比べて、各温度検出系からの温度に対する重み付け
の調整により温度検出器を被測定物の温度特性に合わせ
ることができるので、容易に被測定物の温度特性と一致
した温度検出器が実現できる。
別の温度検出器は、被測定物の近傍の温度センサからの
温度と、タイマで測った温度の計測時刻とを基に、演算
処理により被測定物の温度を算出することを特徴とす
る。この方法により温度センサの温度特性を被測定物に
一致させる必要がなくなり、特に工夫を加えたわけでは
ない汎用の温度センサを用いても過渡的な温度誤差を取
り除くことが可能となる。
用いて詳細に説明する。
項2に係わる本発明の第1の実施の形態を図1と図2を
用いて説明する。
図で、温度検出器は、温度を感知する温度センサ12、
温度センサ12からの電気信号を温度に変換する温度計
13、被測定物11の温度特性に合わせた別の物体14
から構成される。この別の物体14に温度センサ12を
密着させることにより、温度センサ12の過渡応答温度
特性を被測定物11に合わせている。このため、第1の
実施の形態における温度検出器は過渡状況下においても
被測定物11の温度を正確に検出することが可能とな
る。
物体の例を示した図で、全くの同形、同素材の物体22
や、物体の形状や材質、温度センサの位置を工夫するこ
とにより熱容量や熱抵抗を最適化した物体23などを用
いることができる。
および請求項5に係わる本発明の第2の実施の形態を図
3と図4を用いて説明する。
図で、温度検出器は、温度を感知する温度センサ32
a,32b,32cと物体34a,34b,34cとか
ら構成される複数の(本例では3つの)温度検出系35
a,35b,35cを持ち、複数の温度検出系35a,
35b,35cからの電気信号を重み付けして加算する
加算器36と、加算器36からの電気信号を温度に変換
する温度計33とから構成されることを特徴とする。
質をそれぞれ変えることで、それら個々の温度検出系3
5a,35b,35cは異なる温度特性を持ち、それら
温度検出系35a,35b,35cから得られた温度に
重み付けをして加算平均した温度を被測定物31の温度
とすることで、全体として温度検出器の温度特性を被測
定物31の温度特性に合わせている。
を被測定物の温度特性に完全に一致させる場合と比較し
て、重み付けの調整により温度特性を調整させることが
できるので、容易に被測定物31の温度特性に一致させ
ることができることにある。
て、複数の温度検出系35a,35b,35cからの電
気信号を重み付けして加算する加算回路である。この加
算回路は温度センサ32a,32b,32cから得られ
た温度に対応する電圧V1 (41),V2 (42),V
3 (43)を入力とし、それらに重み付けして加算する
加算器44を持ち、この加算器44を使って被測定物の
温度特性に合わせた電圧V0 (45)を出力とする。電
圧入力:V1 ,V2 ,V3 に対する重み付け係数をα,
β,γ(ただし、α+β+γ=1)とすると、出力電圧
V0 は式(F)で表すことができる。 α・V1 +β・V2 +γ・V3 =V0 ・・・(F)
整するボリューム46a,46b,46cがあり、この
ボリューム46a,46b,46cを個別に調整するこ
とで、いろいろな被測定物の温度特性に合わせることが
可能である。
7,請求項8および請求項9に係わる本発明の第3の実
施の形態を図5,図6および図7を用いて説明する。
図で、温度検出器は、温度を感知する温度センサ52、
温度センサ52からの電気信号を温度に直して表示する
温度計53、温度を計測した時刻を計るタイマ57、お
よび演算処理器58から成り、温度計53とタイマ57
から得られた温度と時刻の値から、演算処理器58によ
り被測定物51の温度を算出する。
性を被測定物51の温度特性に一致させる必要がなくな
ることや、演算処理器の処理方法(ソフトウェア段階)
で温度特性の調整が可能になるので被測定物の温度特性
に合わせることが容易であることが上げられる。
項6に係わる被測定物の温度Tobjを算出する式は式
(C)で与えられる。 Tobj(t1)=Gin・f(Δtobs)・Δt obs+Tobj(t0)・・(C) ここで、t1,t0は現在(温度を観測する)時刻と前回温
度を観測した時刻、Δtobs は温度を観測した時間間
隔、Ginは被測定物に加わった温度の時間的な変化率、
f(Δtobs)はΔtobsに関する多項式である。
物体に加わる温度Tin(61)に変化があると、被測定
物の温度Tobj (62)もそれに対応して変化する。こ
のとき、被測定物の温度変化率(63)は温度変化が開
始してからある時間Δtth(64)までは直線的に変化
し、その後、極値dTmax (65)を経て、ゼロに近づ
く特性がある。
物体に加わる温度変化率Ginと、観測時間間隔に関する
二次式などの近似多項式f(Δt)の積として表せば、
式(C)が得られる。観測間隔Δtobsが時間Δtthよ
り大きい場合は極値dTmaxを被測定物の温度変化率と
する。式(C)を使うことにより、温度を観測する時間
間隔をΔtth以内に設定すれば、被測定物の温度によく
一致した温度を算出することが可能となる。
項7に係わる被測定物の温度を算出する式は式(D)で
与えられる。すなわち式(C)の右辺第一項の係数に雰
囲気温度の時間的な変化率Gair に比例した利得を加え
ている。この利得項を加えることにより、雰囲気温度変
化の緩急に応じて、算出する被測定物の温度の増減を加
減することができる。 Tobj(t1)={Gin・f(Δtobs) +X・Gair}・Δtobs+Tobj(t0) ・・・(D) ここでXは比例係数を表す。
項8に係わる被測定物の温度を算出する式は式(E)で
与えられる。すなわち式(C)の右辺第一項の係数に雰
囲気温度の時間的な変化率Gairに関する多項式で表し
た利得関数D(Gair)を乗じている。この利得関数を
乗じることにより、式(D)と同様に雰囲気温度変化の
緩急に応じて、算出する被測定物の温度の増減を加減す
ることができる。 Tobj(t1)={D(Gair)・Gin・f(Δtobs)}・Δtobs+Tobj(t0) ・・・(E)
るので、一方のみを用いても良いし、式(G)のように
両方を同時に用いても構わないことは言うまでもない。 Tobj(t1)={D(Gair)・Gin・f(Δtobs)+X・Gair}・Δtobs+Tobj(t0) ・・・(G)
ピュータを用いて被測定物の温度を算出する場合のアル
ゴリズムの流れ図である。温度センサとタイマを使って
計測する、現在の雰囲気温度Tnow と時刻tnow 、それ
にメモリに蓄えられた、算出された被測定物の温度T
est 、前回の雰囲気温度Tprev、前回の計測時の時刻t
prevを使って、現在の被測定物温度Test を算出する
(70)。
に必要な値を変数に代入する。温度計算は時々刻々行う
必要があるため、ループ構造になっている。なにか割り
込みなどが起こらなければ、時間間隔Δtobs で温度の
算出を繰り返す。温度算出ループの開始時には、まず初
めに現在の温度と時間の値を前回計測時用の変数Tpr ev
とtprevに代入する(72)。
により測り、これを現在用の変数T now とtnow に代入
する(73)。これらの変数を使って、温度計測時間間
隔Δtobs 、雰囲気温度の時間変化率Gair 、物体に加
わる温度の時間変化率Ginを求める(74)。
下かを判定基準にして条件分岐を行う。図7では、tth
は物体に加わる温度の変化率Ginに反比例するとして、
その比例定数をAとしている(75)。Δtobs がtth
以下であれば、さらに物体に加わる温度の変化率Ginの
絶対値がある閾値Gth未満かを判定基準にして条件分岐
を行う(76)。
化は極小さいとして現在の温度Tno w を物体の温度T
est に代入する(77)。Ginの絶対値がGth以上であ
れば、式(E)を使って物体の温度Test を算出する
(78)。Δtobs がtthより大きければ、図6におけ
る極値dTmax を温度変化率として、物体の温度Test
を算出する。図7では、このdTmax も観測時間Δt
osb の関数f2(Δtosb)として表している(79)。
て算出された物体の温度Test が時刻tnow における被
測定物の温度である。物体の温度算出後は、適当な観測
時間間隔を開けたのち(710)、再度(72)へ戻
る。
処理を割り込みなどが起こらない限り繰り返す。本発明
のアルゴリズムは、常時メモリを確保する必要がある主
な変数70が5個と少なく、使用している計算式も複雑
なもので2次の多項式程度なので、大量のメモリや強力
なCPUを必要としないという特徴がある。よって、組
み込み用の安価な演算処理器で十分に温度の算出が可能
である。
本発明の第4の実施の形態を図8を用いて説明する。図
8は図7のアルゴリズムに従い温度を検出する、温度検
出器の温度検出回路で、内部にローカルバス87を持
ち、バスに接続されたメモリ84、CPU85、クロッ
ク86、温度センサ82用の入力アンプおよびA/D変
換回路83、それに必要に応じて内蔵表示器88や外部
制御機器810と通信を行う入出力回路89が接続され
ていることを特徴とする。
ROMには図7のアルゴリズムに従うプログラムと初期
値定数、RAMには温度算出に必要な定数や変数が記憶
される。
ジタル値化された温度センサ82からの値をAD変換回
路83から受け取り、この値を基にCPU85でこの時
点の被測定物の温度を算出する仕組みになっている。算
出結果は内蔵表示器88で表示したり、外部制御機器8
10の要求に従い送信したりする。
出機能をモジュール化することが可能になり、本発明に
適したCPUやメモリサイズに合わせて回路を設計する
ことが可能となる。そのため、大量のメモリや強力なC
PUを必要としないという本発明の特徴を活かした安価
な回路を実現できる。
本発明の第5の実施の形態を、図9を用いて説明する。
図9は請求項1と請求項6を組み合わせた温度検出器
で、温度を感知する温度センサ92、温度センサ92か
らの電気信号を温度に直して表示する温度計93、被測
定物と温度特性を合わせた別の物体94、温度を計測し
た時刻を計るタイマ97、および演算処理器98から成
り、被測定物91に温度特性を合わせた別の物体94に
温度センサ92を密着させることにより、温度センサ9
2の過渡的な応答特性も含んだ温度特性を被測定物91
に合わせるとともに、温度計93とタイマ97から得ら
れた温度と時刻の値から、演算処理器98により被測定
物の温度を算出することを特徴とする。
態に比較して、温度センサ92の温度特性を被測定物の
温度特性に合わせる精度が緩和され、温度センサ92だ
けでは合わせきることができずに残った温度特性のずれ
は演算処理により除去することにより、過渡応答に対し
ても温度誤差の少ない温度感知が可能となる。
温度特性が被測定物の特性に一致した物体を、被測定物
の近傍に配置し、物体に密着した温度センサにより求め
た温度から、被測定物の温度を検出するようにしたた
め、センサを直接固定することができない被測定物の温
度を、過渡状況下においても正確に測定することができ
る。
数の物体とこれら物体に密着させた温度センサからなる
複数の温度検出系を、被測定物の近傍に配置し、各温度
検出系により測定した温度を重み付けして加算処理する
ことにより、被測定物の温度を検出しているため、容易
に被測定物の温度特性と一致した温度検出ができる。
た温度センサにより検出した温度と、タイマで測った温
度の計測時間とを基に、演算処理により被測定物の温度
を算出するようにしたので、温度センサの温度特性を被
測定物の温度特性に一致させることなく、被測定物の温
度を、過渡状況下においても正確に測定することができ
る。
ル化した温度検出回路としたため、安価に温度検出器を
実現することができる。
の特性に一致する物体を被測定物の近傍に配置し、この
物体に密着した温度センサにより検出した温度と、タイ
マで測った温度の計測時間とを基に、演算処理により被
測定物の温度を算出するようにしたので、被測定物の温
度を、過渡状況下においても正確に測定することができ
る。しかも、温度特性の一致の精度を緩和しても、過渡
応答に対して温度誤差の少ない温度検出ができる。
態である温度検出器を示す構成図である。
態である温度検出器に用いる、被測定物と温度特性を合
わせた物体を示す構造図である。
の形態である温度検出器を示す構成図である。
の形態である温度検出機構に用いる、複数の温度計から
の電気信号を重み付け加算する加算回路とその回路の入
出力の関係を示す説明図である。
実施の形態である温度検出器を示す構成図である。
を説明する説明図である。
実施の形態において、コンピュータなどの演算処理器を
用いて被測定物の温度を算出するアルゴリズムの流れを
説明する説明図である。
である温度検出器を示す構成図である。
である温度検出器を示す構成図である。
度を検出する従来の温度検出器を説明した説明図であ
る。
度を非接触で測定する従来の温度検出方法を説明した説
明図である。
定物 12,32a,32b,32c,52,82,92,1
02 温度センサ 13,33,53,93,103 温度計 14,22,23,34a,34b,34c,94 温
度特性を被測定物に合わせた別の物体 35a,35b,35c 温度センサと別の物体の組み
合わせによる温度検出系 36,44 加算器 57,97 タイマ 58,98 演算処理器 41,42,43 時間と温度に応じた電圧の関係を示
したグラフ 45 時間と加算器により合成された出力電圧の関係を
示したグラフ 46a,46b,46c ボリューム 202 白色光源 203 光スペクトルアナライザ 61,62,107,108 時間と温度の関係を示し
たグラフ 63,66 時間と温度変化率の関係を示したグラフ 64 温度変化率が直線的に変化している時間 65 温度変化率の極値 109 時間と温度誤差の関係を示したグラフ 70 主な変数の説明 71,72,73,74,77,78,79,710
演算/代入処理 75,76 条件分岐 83 入力アンプおよびA/D変換回路 84 メモリ 85 CPU 86 クロック 87 ローカルバス 88 内蔵表示器 89 入出力回路 810 外部制御機器
Claims (11)
- 【請求項1】 温度センサを直接固定することができな
い被測定物の温度を検出する温度検出方法において、 被測定物の近傍に、過渡温度特性が被測定物の特性と一
致する物体を配置し、その物体に密着した温度センサに
より検出した温度から被測定物の温度を検出することを
特徴とする温度検出方法。 - 【請求項2】 温度センサを直接固定することができな
い被測定物の温度を検出する温度検出器において、 被測定物の近傍に配置された、過渡温度特性が被測定物
の特性と一致する物体と、その物体に密着した温度セン
サと、その温度センサからの電気信号を温度に変換する
温度計とを具備することを特徴とする温度検出器。 - 【請求項3】 温度センサを直接固定することができな
い被測定物の温度を検出する温度検出方法において、 被測定物の近傍に、過渡温度特性が異なる複数の物体を
配置し、それら物体の各々に密着した複数の温度センサ
からの検出温度を重み付け加算することにより被測定物
の温度を算出することを特徴とする温度検出方法。 - 【請求項4】 請求項3の温度検出方法において、その
重み付け加算の方法が式(A)によることを特徴とする
温度検出方法。 【数1】 - 【請求項5】 温度センサを直接固定することができな
い被測定物の温度を検出する温度検出器において、 被測定物の近傍に配置された、過渡温度特性が被測定物
の特性と一致する複数の物体と、その物体の各々に密着
した複数の温度センサと、それらの温度センサからの電
気信号を重み付け加算する加算器と、加算された電気信
号を温度に変換する温度計とを具備することを特徴とす
る温度検出器。 - 【請求項6】 温度センサを直接固定することができな
い被測定物の温度を検出する温度検出方法において、 被測定物の近傍に配置された温度センサからの温度と、
タイマからの温度を観測した時刻から、式(C)で表さ
れる計算処理により被測定物の温度Tobj を算出するこ
とを特徴とする温度検出方法。 Tobj(t1)=Gin・f(Δtobs) ・Δtobs+Tobj(t0) ・・・(C) ここで、t1,t0は現在の(温度を観測した)時刻と前回
温度を観測した時刻、Δtobs(=t1−t0)は温度を観
測した時間間隔、Ginは被測定物に加わった温度の時間
変化率、f(Δtobs)はΔtobs に関する多項式であ
る。 - 【請求項7】 請求項6の温度検出方法において、温度
変化を観測した時間に関する多項式関数として近似され
た温度変化率に、式(D)で表される、雰囲気温度の時
間変化率Gair に比例した利得を加えることを特徴とす
る温度検出方法。 Tobj(t1)={Gin・f(Δtobs)+X・Gair}・Δtobs+Tobj(t0) ・・・(D) ここでXは比例係数である。 - 【請求項8】 請求項6の温度検出方法において、温度
変化を観測した時間に関する多項式関数として近似され
た温度変化率に、式(E)で表される、雰囲気温度の時
間変化率Gair に関する多項式で表された利得を乗ずる
ことを特徴とする温度検出方法。 Tobj(t1)={D(Gair)・Gin・f(Δtobs) }・Δtobs+Tobj(t0) ・・・(E) ここで、D(Gair)はGair に関する多項式である。 - 【請求項9】 温度センサを直接固定することができな
い被測定物の温度を検出する温度検出器において、 被測定物の近傍の温度を測る温度センサと、温度センサ
からの電気信号を温度に変換する温度計と、温度を計測
した時刻を測るタイマと、温度および時刻の値を基に被
測定物の温度を請求項6または請求項7または請求項8
に基づく計算処理により算出する演算処理器とを具備す
ることを特徴とする温度検出器。 - 【請求項10】 温度センサを直接固定することができ
ない被測定物の温度を検出する温度検出器において、 内蔵のローカルバスに温度センサからの信号をA/D変
換する回路と、プログラムと必要な定数や変数の値を記
憶するメモリと、演算処理を行うCPUと、内部クロッ
クとで構成され、内部クロックに合わせて与えられた間
隔で温度算出を行い、その結果を表示器に表示したり、
外部の機器に送信したりする機能を持つ温度検出回路を
具備することを特徴とする温度検出器。 - 【請求項11】 温度センサを直接固定することができ
ない被測定物の温度を検出する温度検出器において、 被測定物の近傍に配置された被測定物に過渡温度特性が
一致する物体と、その物体に密着した温度センサと、温
度センサからの電気信号を温度に変換する温度計と、温
度を計測した時刻を測るタイマと、温度および時刻の値
を基に被測定物の温度を計算処理により算出する演算処
理器とを具備することを特徴とする温度検出器。
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