JP3583738B2 - センサーの現場交換を容易にする方法 - Google Patents
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Description
〈関連出願への参照〉
なし
【0002】
〈連邦政府に資金提供された研究あるいは開発に関する申告〉
なし
【0003】
〈発明の背景〉
種々の物理量の測定を請求する出願が技術として知られている。一般に行なわれる測定のいくつかを挙げると温度、圧力、および厚さや距離のような寸法がある。そのような測定を行うシステムは一般的に二つのサブ・システムからなっている。すなわち一つあるいはそれ以上のセンサーおよび一つあるいはそれ以上のセンサーと電気的に通信している信号処理ユニットである。センサーが現場交換を要するということは全く普通のことである。そのようなセンサーを交換するときに専門的な装置や技術を要する複雑な再較正手順の必要性を避けるために種々の方式が採用されてきた。典型的にはセンサーはそれらの出力がある特有な関数に合致するよう工場で正規化される。工場で正規化されたセンサーが、特有のセンサー関数を予期すべくやはり工場で正規化された信号処理ユニットに接続されるとき、何らかの所望の精度の出力が得られる。
センサー出力を正規化するためにいくつかの技術が採用されてきた。すなわちセンサーを物理的に調整(例えばレーザ・トリミング)したり、電子部品を選別あるいは調整したりである。センサーはその伝達関数について信号処理ユニットに情報を送る回路構成を含んでいてもよい。例えば、それは不揮発性のディジタル・メモリーを経由してそうしてもよい。ここではいちいち述べない他の技術を採用してもよい。
そのような方法の不利な点はセンサーと信号処理ユニットの両方を正規化しなければならないこと、あるいはもしセンサーがその伝達関数について信号処理ユニットに対して記述する回路構成を含んでいる場合には、この回路構成を設置しなければならないし、信号処理ユニットをやはり正規化しなければならないことである。これらの方法はセンサーおよび信号処理ユニットのコストを上げるし、さらにはサイズ、重さ、あるいはその他の望ましくない制約をセンサー設計に加え得る。
【0004】
〈発明の簡単な概要〉
センサーの現場交換を容易にする方法が提案されている。簡単な現場交換を達成するためには交換センサーの伝達関数は単に測定するだけで調整する必要はなく、信号処理ユニットの伝達関数は単に調整するだけで測定する必要はない。この方法によればセンサー交換が必要な場合、典型的にはコンピュータ・プログラムによって処理される簡単な計算および調整が現場において行える。本開示の方法によれば、正規化の技術や部品が不要なのでセンサーのコストや大きさが増すことはない。
【0005】
〈発明の詳細な説明〉
センサーの現場交換を容易にする方法が提案されている。特有のセンサー伝達関数が測定され、閉形式の数式により記述される。同様に信号処理ユニットの出力関数も閉形式の数式により記述される。これらの数式から信号処理ユニットの伝達関数が数学的に決定される。ある場合には信号処理ユニットの伝達関数は出力関数をセンサーの関数で割ったものとなる。
【0006】
センサーの伝達関数はわずかな変数の数学的関数に合わせ(通常は、最小自乗法によって)得るはずである。従って、センサー変数として知られるこれらの変数が分かるとセンサーの伝達関数を完全に知ることが出来る。大部分のセンサーでは必要な変数の数は少ない。信号処理ユニットはその伝達関数をセンサーの変数が取りうる範囲に合わせるように調整することが出来る。従って、信号処理ユニットはその伝達関数をこれらの変数のそれぞれに対して調整する回路構成を含む。この回路構成はスイッチやポテンショメータのような物理的なものでもよいし、あるいはソフトウェアによってなされてもよい。
【0007】
図1に言及すれば、センサーの現場交換に採用するためには、交換しようとする古いセンサーと設置しようとする新しいセンサーに対するセンサー変数を決定しなければならない。ステップ10に示すように旧センサーの伝達関数が測定される。ステップ20では旧センサーの伝達関数が数式により記述される。前記ユニットは典型的にはこの時点において現場で始動される。信号処理ユニットの出力関数はステップ30に列挙されているようにやはり数式で記述される。この信号処理ユニットの出力関数は典型的には温度測定システムの場合には一度あたりのボルトのような量であり、変位測定システムの場合には距離あたりのボルトのような量である。ステップ40のように旧センサーの現場交換が必要な場合には信号処理ユニットの出力伝達関数が決定される。
【0008】
ステップ50は旧センサーの取り外しを列挙する。ステップ60では新センサーが設置され、信号処理ユニットからは範囲内出力が得られる。次にステップ70において信号処理ユニットから特有の出力を得るために、各センサー変数に対応する信号処理ユニットの各制御装置が調整される。ステップ80に示すように、この時点において信号処理ユニットは新センサーに対して正しく調整され、交換作業が完了する。
【0009】
一般的にはこの方法は旧センサーと新センサーを定める変数を決定することからなっている。新センサーを設置した後は新センサーの個々の変数に対して調整する信号処理ユニット制御装置は信号処理ユニットの出力が計算値に変化するまで調整される。各調整に対しては計算値が存在する。
【0010】
容量変位センサーを含む具体的な例を下記に詳述する。容量変位ゲージは技術としてよく知られ、距離および/または距離変化を精密に測定するのに長年用いられてきた。そのようなユニットはその感知領域が被測定目標に対し典型的には平行に置かれた容量変位センサー(これ以降プローブと呼ぶ)を採用している。プローブの感知領域はコンデンサーの一方の板を形成し、目標はコンデンサーのもう一方の板を形成する。プローブから目標までの距離はこの容量を測定することによって導出される。なぜなら理想的な平行平面コンデンサーに対しては容量と距離は次の公式で関係付けられている。
【0011】
【数1】
式1
ただし、C=容量(ファラド)
ε0=自由空間の誘電率(ファラド/m)
A=プローブの感知面面積(m2)
d=両板間の距離(m)
【0012】
この式のみでは通常大部分の容量センサーの伝達関数を記述するには不十分である。
典型的には電界フリンジングあるいはプローブやプローブに使用される信号処理装置内のその他の非理想的事象が式との不一致を生じる。典型的なプローブの応答はこの式にある項を追加することによって適切にモデル化できる。新しい式は
【数2】
式2
ただし、C0はプローブの感知容量に対して並列の容量を表す。
【0013】
プローブの出力を測定するためにプローブのセンサーは定電圧で駆動され、プローブの感知要素を通る交流電流が測定されるか、あるいはもっと一般的にはプローブが定電流で駆動され、プローブの感知要素にかかる電圧が測定される。コンデンサー内の電圧と電流の関係は
【数3】
式3
ただし、”s”は複素周波数変数である。本決定には位相情報は不要なので式3は簡略化できる。
【0014】
【数4】
式4
式1を式4に代入すると
【0015】
【数5】
式5
となる。
【0016】
従ってもし電流iが一定に保たれるならvは直接dに比例する。信号処理ユニットは距離について線形な出力を生ずるためにC0を補償できなければならない。さらに回路構成はプローブに電流を流してその出力電圧を測定するために使用される。さらに回路構成はプローブの出力を増幅および調節するために信号処理ユニット内で使用される。式5はこれらの変数を含むように変形される。
【0017】
【数6】
式6
ただし、v0=信号処理ユニットの出力
kp=プローブについて一定な尺度係数
ks=信号処理ユニットについて一定な尺度係数
Cc=補償容量
A=公称センサー面積
O=信号処理ユニットによって適用されるオフセット
【0018】
CcがC0に等しく設定される場合、分母中の距離が関連する項は消え、式はdについて線形である。一般的にはksとOは所望の出力尺度係数およびオフセットを得るために調整される。
【0019】
ここで開示された方法による現場プローブ交換を行うためには、顧客への出荷に先立ち全てのプローブに対してkpとC0を測定されなければならない。信号処理ユニットの出力尺度係数(sf)とOはある決められた値に設定される。プローブが変化すれば新しいプローブが設置され、信号処理ユニットから範囲内出力読み値を得るべく設定される。
【0020】
この時点において
kp1 旧プローブのkp
kp2 新プローブのkp
C01 旧プローブのC0
C02 新プローブのC0
A 公称プローブ面積
sf 信号処理ユニットの所望の出力尺度係数
v0 信号処理ユニットの現在の出力
O 信号処理ユニットによって適用されるオフセット
処理ユニットのksは未知であるが、以下のように計算される。
【0021】
【数7】
式7
ただし、ks1=旧プローブに対して調整されたときのks
【0022】
交換された新プローブについては式6から信号処理ユニットの出力は
【数8】
式8
【0023】
信号処理ユニットは旧プローブに関して線形応答をもつように調整されたはずなのでC01がCcの代わりに代入される。dについて解くために式8は以下のように再整理される。
【数9】
式9
【0024】
信号処理ユニットの出力尺度係数(sf)は新プローブについては旧プローブについてのものと同じでなければならない。従って、
【数10】
式10
【0025】
もし信号処理ユニットのksが新プローブに対して正しければ、その出力vnew1は
【数11】
式11
【0026】
vnew1をv0で割ってvnew1について解くと
【数12】
式12
となる。
【0027】
式12を使って信号処理ユニットの尺度係数制御装置がvnew1を得るために調整される。この時点では信号処理ユニットの出力は正しい尺度係数を持っているが、C0は以下に示すように適切に補償されていない。
【数13】
式13
【0028】
信号処理ユニットのCc制御装置は以下のような新しい出力を得るために調整される。
【数14】
式14
【0029】
信号処理ユニットの出力はこれで正しく較正される。vnew2をvnew1で割ってvnew2について解くと結局、
【数15】
式15
【0030】
信号処理ユニットはこれで正しく較正され、従ってその伝達関数は
【数16】
式16
【0031】
ここで開示された方法を使えばプローブの出荷に先立って各プローブのkpとC0を測定することだけが必要である。全てのプローブの公称感知面積(A)は既知である。次にプローブを交換するために新しいプローブが信号処理ユニットに接続され信号処理ユニットから範囲内読み値を得るために位置決めされる。処理ユニットの出力は先ず式12に従って調整され、式9によって距離dが計算され、最後に出力が式15に従って調整される。この時点でシステム(新プローブも含め)は正しく較正されたことになる。
【0032】
関連する変数(kp1,kp2等)の入力や前記計算はコンピュータ・プログラムの使用により大いに簡略化されるということが認識されるであろう。このプログラムおよび信号処理ユニット制御装置の調整手段は自動化できるし、信号処理ユニットそのものの中に入れることもできる。あるいはプログラムを別個の装置で実行し、調整を手動で行ってもよい。
【0033】
本発明の好ましい実施例について述べたように、この技術の通常の専門家にとってこれらの概念を使って他の実施例やここで開示された実施例の変形を、ここで開示された発明の概念から逸脱することなく実施し得るということは明らかである。従って、発明は述べられた実施例に限定されるべきではなく、むしろ付属のクレームの範囲および精神によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
〈種々の図面の簡単な説明〉
下記の添付図と連携して行われる以下の詳細説明により発明はもっとよく理解されるであろう。
【図1】本発明の方法のフロー・チャート図。
Claims (12)
- 以下のステップで構成される、システムの第1のセンサーと第2のセンサーの現場交換を容易にする方法:
第1のセンサーと電気的に通信している信号処理ユニットを含むシステムを供給し、
前記第1のセンサーの伝達関数を測定し、
前記第1のセンサーの前記伝達関数を第1の数式で記述し、
前記信号処理ユニットの出力関数を第2の数式で記述し、
前記信号処理ユニットの伝達関数を決定し、
前記第1のセンサーを前記システムから取り外し、
前記第2のセンサーを前記システムに設置し、
前記信号処理ユニットの制御装置を上記第2のセンサーのパラメータに対し前記信号処理ユニットの出力が予め決められた値に変化するまで調整する。 - 前記伝達関数を記述する前記ステップが前記第1のセンサーの前記伝達関数の最小自乗解析の実行で構成される請求項1の方法。
- 伝達関数を決定する前記ステップが前記信号処理ユニットの前記出力関数を前記第1のセンサーの前記伝達関数で割ることで構成される請求項1の方法。
- 前記第1の数式が閉形式の数式で構成される請求項1の方法。
- 前記第2の数式が閉形式の数式で構成される請求項1の方法。
- 前記調整ステップが手動で実行される請求項1の方法。
- 前記調整ステップがソフトウェア制御の下に実行される請求項1の方法。
- 前記システムが容量変位測定システムで構成される請求項1の方法。
- 前記第1のセンサーが容量変位センサーで構成される請求項8の方法。
- 前記第2のセンサーが容量変位センサーで構成される請求項8の方法。
- 前記第2の数式が距離あたりのボルトの単位についてのものである請求項8の方法。
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