JP6031889B2 - 計測装置及び計測方法 - Google Patents
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Description
例えば、利水を目的として、積雪量を計測し雪から得られる水量を予測することは非常に有効である。雪から得られる水量の予測は、例えば、雪密度と積雪深を計測することで算出することが可能である。雪密度センサとして、対向する電極間の静電容量からその電極間の雪の比誘電率を計測し、その比誘電率を用いて雪の密度を計測するセンサが知られている。このような雪密度センサを用いることで、雪密度を経時的に計測することも可能になる。
まず、第1の実施の形態について説明する。
図2に示す雪密度センサ1Aは、検知部10及び検出回路20を備える。検知部10は、一対の電極11a及び電極11b(電極対11)を含む。検出回路20は、第1参照部21及び第2参照部22(参照部20a)、スイッチ部23、検出部24、記録部25、静電容量算出部26、比誘電率算出部27、雪密度算出部28、並びに雪密度出力部29を含む。
雪密度出力部29は、雪密度算出部28によって算出された雪密度のデータを、検出回路20の外部に出力する。雪密度出力部29は、例えば、通信コネクタとされ、雪密度センサ1A外部の他の機器(コンピュータ、記憶装置等)にデータを送信する。
図3は第1の実施の形態に係る雪密度計測処理の一例を示す図である。
雪密度センサ1Aでは、まず、スイッチ部23により、検出部24の接続先が検知部10の電極対11に切り替えられる(ステップS1)。そして、検出部24により、所定の入力信号が電極対11に供給され、間に雪が存在する電極対11からその静電容量に応じた出力信号(出力電圧)が検出される(ステップS2)。検出された電極対11の出力電圧は、記録部25に記録される。
図4は第1の実施の形態に係る特性曲線の補正処理の説明図である。
C=f(V) ・・・(1a)
式(1a)において、Cは静電容量、Vは出力電圧である。f(V)は、出力電圧Vの関数であって、雪密度センサ1Aの回路の構成等によって決定される。
C=a×f(V)+b ・・・(1b)
式(1b)において、Cは静電容量、Vは出力電圧、aは計測環境の温度変化に対する感度補正係数、bは計測環境の温度変化に対するオフセット係数である。
b=〔[Cr1−a×f(Vr1)]+{Cr2−a×f(Vr2)}〕/2 ・・・(3)
検出された出力電圧Vr1及びVr2、既知の静電容量Cr1及びCr2、並びに、基準の特性曲線30aから得られる出力電圧Vrr1及びVrr2が用いられ、式(2),(3)より、感度補正係数a及びオフセット係数bが求められる。求められた感度補正係数a及びオフセット係数bを式(1b)に適用することで、計測環境の温度変化による回路特性の変動を含めた、補正後の特性曲線30bが得られる。得られた補正後の特性曲線30b(式(1b))において、電極対11から検出された出力電圧(例えば図4の出力電圧Ve)が代入されることで、電極対11の間の静電容量(例えば図4の静電容量Ce)が算出される。
εr=k×C/ε0 ・・・(4a)
式(4)において、ε0は真空の誘電率である。kは、変換係数であり、例えば、電極対11の対向する電極11aと電極11bの面積をA、電極11aと電極11bの間の距離をLとすると、次の式(4b)で表される。
比誘電率算出部27は、式(4a),(4b)で表されるような関係(関係式)を備えている。比誘電率算出部27では、真空の誘電率ε0及び変換係数k(面積A及び距離L)、並びに、静電容量算出部26によって算出された電極対11の間の静電容量Cが用いられ、式(4a),(4b)より、電極対11の間にある雪の比誘電率εrが算出される。
電極対11の間にある雪の比誘電率をεr、雪密度をρとすると、雪密度ρは、次の式(5)のように表される。
式(5)において、jは実験或いはシミュレーションにより求められる係数である。雪密度算出部28は、式(5)で表されるような関係(関係式)を備えている。雪密度算出部28では、係数j、及び比誘電率算出部27によって算出された比誘電率εrが用いられ、式(5)より、電極対11の間にある雪の密度ρが算出される。
以上のように、雪密度センサ1Aでは、異なる既知の静電容量のキャパシタをそれぞれ備える第1参照部21及び第2参照部22を用いて基準の特性曲線を補正し、電極対11の間の静電容量を算出する。そして、算出した静電容量から比誘電率を算出し、更に雪密度を算出する。雪密度センサ1Aによれば、計測環境の温度変化等による回路特性の変化がある場合でも、電極対11の間の適正な静電容量を計測することができ、比誘電率、雪密度を高精度に計測することができる。
図5は第2の実施の形態に係る雪密度センサの構成例を示す図である。
図5に示す雪密度センサ1Bは、その検出回路20に、静電容量が可変の可変容量キャパシタ31aを備える参照部31、及びその可変容量キャパシタ31aの静電容量を制御する可変容量制御部32を含んでいる。
静電容量算出部26は、電極対11及び可変容量キャパシタ31aからの出力信号に基づいて、電極対11の間の静電容量を算出する。
雪密度算出部28は、比誘電率算出部27によって算出された、電極対11の間に存在する雪の比誘電率を用いて、その雪の密度を算出する。
続いて、上記のような構成を有する雪密度センサ1Bの雪密度計測処理について説明する。
図6は第2の実施の形態に係る雪密度計測処理の第1の例を示す図である。
雪密度の計測の際、雪密度センサ1Bは、屋外等、所定の環境に設置され、電極対11の間には計測対象である雪が存在している。
尚、基準の特性曲線30aには、所定の温度条件の下で実験やシミュレーションにより求められたもののほか、雪密度センサ1Bの設置環境の温度を考慮した条件の下で求められたものを用いることができる。また、可変容量キャパシタ31aで実現する複数種の静電容量は、各々予め設定された所定の値にすることができる。雪密度センサ1Bの設置環境に応じて、各々の静電容量の値やそれらの差分を設定してもよい。
以上のように、雪密度センサ1Bの第1の例に示す雪密度計測処理では、静電容量が可変の可変容量キャパシタ31aを備える参照部31を用いて基準の特性曲線を補正し、電極対11の間の静電容量を算出する。そして、算出した静電容量から比誘電率を算出し、更に雪密度を算出する。これにより、計測環境の温度変化等による回路特性の変化がある場合でも、電極対11の間の適正な静電容量を計測することができ、比誘電率、雪密度を高精度に計測することができる。
図7は第2の実施の形態に係る雪密度計測処理の第2の例を示す図である。
この図7に示す第2の例では、まず、スイッチ部23により、検出部24の接続先が検知部10の電極対11に切り替えられ(ステップS40)、検出部24により、間に雪が存在する電極対11からその静電容量に応じた出力電圧が検出される(ステップS41)。検出された電極対11の出力電圧は、記録部25に記録される。
生成される特性曲線は、次の式(6a)で表される。
式(6a)において、Cは静電容量、Vは出力電圧である。f2(V)は、出力電圧Vの関数であって、静電容量が複数種の値に変更された可変容量キャパシタ31aから計測される出力電圧に基づき、最小二乗法を用いて求められる。f2(V)は、計測回数にもよるが、例えば、係数a2,b2,c2,d2を用いて、次の式(6b)のように表される。
このように最小二乗法を用いて求められた特性曲線の式に、電極対11から計測される出力電圧Vを代入することで、電極対11の間の静電容量Cが算出される。
以上のように、雪密度センサ1Bの第2の例に示す雪密度計測処理では、静電容量が可変の可変容量キャパシタ31aを備える参照部31を用いて特性曲線を生成し、電極対11の間の静電容量を算出する。そして、算出した静電容量から比誘電率を算出し、更に雪密度を算出する。これにより、計測環境の温度変化等による回路特性の変化がある場合でも、電極対11の間の適正な静電容量を計測することができ、比誘電率、雪密度を高精度に計測することができる。
図8は第2の実施の形態に係る雪密度計測処理の第3の例を示す図である。
この図8に示す第2の例では、まず、スイッチ部23により、検出部24の接続先が検知部10の電極対11に切り替えられ(ステップS60)、検出部24により、間に雪が存在する電極対11のその静電容量に応じた出力電圧が検出される(ステップS61)。検出された電極対11の出力電圧は、記録部25に記録される。
雪密度センサ1Bでは、このように可変容量キャパシタ31aと電極対11の出力電圧の差分が閾値以下になる時の、可変容量キャパシタ31aの静電容量が、電極対11の間の静電容量として決定される(ステップS67)。
以上のように、雪密度センサ1Bの第3の例に示す雪密度計測処理では、静電容量が可変の可変容量キャパシタ31aを備える参照部31を用いる。この第3の例に示す雪密度計測処理では、電極対11の出力電圧との差分が閾値以下となる出力電圧が参照部31から得られる時の、その可変容量キャパシタ31aの静電容量を、電極対11の間の静電容量として決定する。そして、決定した静電容量から比誘電率を算出し、更に雪密度を算出する。これにより、計測環境の温度変化等による回路特性の変化がある場合でも、電極対11の間の適正な静電容量を計測することができ、比誘電率、雪密度を高精度に計測することができる。
(付記1) 一対の電極と、
第1キャパシタを備える参照部と、
前記一対の電極及び前記第1キャパシタの出力を検出する検出部と、
前記検出部を前記一対の電極又は前記第1キャパシタに接続するスイッチ部と、
前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記一対の電極の第1出力、及び前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記第1キャパシタの第2出力を用いて、前記一対の電極間の第1静電容量を算出する第1算出部と
を含むことを特徴とする計測装置。
前記検出部は、前記一対の電極、前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタの出力を検出し、
前記スイッチ部は、前記検出部を前記一対の電極、前記第1キャパシタ又は前記第2キャパシタに接続し、
前記第1算出部は、前記第1出力、前記第2出力、及び前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記第2キャパシタの第3出力を用いて、前記第1静電容量を算出することを特徴とする付記1に記載の計測装置。
前記第1算出部は、前記第1出力、前記第2出力、及び、前記第1キャパシタの容量を変化させた第2キャパシタの第3出力を用いて、前記第1静電容量を算出することを特徴とする付記1に記載の計測装置。
前記第1算出部は、
前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタの静電容量、並びに、前記第2出力及び前記第3出力に基づいて、前記関係式を補正し、
補正された前記関係式及び前記第1出力を用いて、前記第1静電容量を算出することを特徴とする付記2又は3に記載の計測装置。
前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタの静電容量、並びに、前記第2出力及び前記第3出力に基づいて、前記一対の電極間の静電容量と前記一対の電極からの出力との関係式を生成し、
生成された前記関係式及び前記第1出力を用いて、前記第1静電容量を算出することを特徴とする付記2又は3に記載の計測装置。
前記第1出力と前記第2出力との第1差分を算出して前記第1差分を設定値と比較し、
前記第1差分が前記設定値以下である時に、前記第1キャパシタの静電容量を、前記第1静電容量に決定し、
前記第1出力と前記第3出力との第2差分を算出して前記第2差分を前記設定値と比較し、
前記第2差分が前記設定値以下である時に、前記第2キャパシタの静電容量を、前記第1静電容量に決定することを特徴とする付記2又は3に記載の計測装置。
(付記9) 前記一対の電極及び前記参照部は、同等の温度環境下に配置されることを特徴とする付記1乃至8のいずれかに記載の計測装置。
前記一対の電極を、計測対象の物質を挟んで配置する工程と、
前記スイッチ部によって前記検出部を前記一対の電極に接続し、前記検出部によって前記第1出力を検出する工程と、
前記スイッチ部によって前記検出部を前記第1キャパシタに接続し、前記検出部によって前記第2出力を検出する工程と、
前記算出部によって前記第1出力及び前記第2出力を用いて、前記第1静電容量を算出する工程と
を含むことを特徴とする計測方法。
前記スイッチ部によって前記検出部を前記第2キャパシタに接続し、前記検出部によって前記第2キャパシタの第3出力を検出する工程を含み、
前記算出部によって前記第1静電容量を算出する工程では、前記第1出力、前記第2出力及び前記第3出力を用いて、前記第1静電容量を算出することを特徴とする付記10に記載の計測方法。
前記算出部によって前記第1静電容量を算出する工程では、前記第1出力、前記第2出力、及び、前記第1キャパシタの容量を変化させた第2キャパシタの第3出力を用いて、前記第1静電容量を算出することを特徴とする付記10に記載の計測方法。
前記算出部によって前記第1静電容量を算出する工程は、
前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタの静電容量、並びに、前記第2出力及び前記第3出力に基づいて、前記関係式を補正する工程と、
補正された前記関係式及び前記第1出力を用いて、前記第1静電容量を算出する工程と
を含むことを特徴とする付記11又は12に記載の計測方法。
前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタの静電容量、並びに、前記第2出力及び前記第3出力に基づいて、前記一対の電極間の静電容量と前記一対の電極からの出力との関係式を生成する工程と、
生成された前記関係式及び前記第1出力を用いて、前記第1静電容量を算出する工程と を含むことを特徴とする付記11又は12に記載の計測方法。
前記第1出力と前記第2出力との第1差分を算出して前記第1差分を設定値と比較する工程と、
前記第1差分が前記設定値以下である時に、前記第1キャパシタの静電容量を、前記第1静電容量に決定する工程と、
前記第1出力と前記第3出力との第2差分を算出して前記第2差分を前記設定値と比較する工程と、
前記第2差分が前記設定値以下である時に、前記第2キャパシタの静電容量を、前記第1静電容量に決定する工程と
を含むことを特徴とする付記11又は12に記載の計測方法。
10 検知部
11 電極対
11a,11b 電極
20 検出回路
20a,31 参照部
21 第1参照部
21a 第1キャパシタ
22 第2参照部
22a 第2キャパシタ
23 スイッチ部
24 検出部
25 記録部
26 静電容量算出部
27 比誘電率算出部
28 雪密度算出部
29 雪密度出力部
30a,30b,30c 特性曲線
31a 可変容量キャパシタ
32 可変容量制御部
Claims (7)
- 一対の電極と、
第1キャパシタ及び第2キャパシタを備える参照部と、
前記一対の電極、前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタの出力を検出する検出部と、
前記検出部を前記一対の電極、前記第1キャパシタ又は前記第2キャパシタに接続するスイッチ部と、
前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記一対の電極の第1出力、前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記第1キャパシタの第2出力、及び前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記第2キャパシタの第3出力を用いて、前記一対の電極間の第1静電容量を算出する第1算出部と、
前記一対の電極間の静電容量と前記一対の電極からの出力との関係を表す特性曲線を示す関係式と
を含み、
前記第1算出部は、
前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタの静電容量、並びに、前記第2出力及び前記第3出力に基づいて、前記関係式を補正し、
補正された前記関係式及び前記第1出力を用いて、前記第1静電容量を算出することを特徴とする計測装置。 - 一対の電極と、
第1キャパシタ及び第2キャパシタを備える参照部と、
前記一対の電極、前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタの出力を検出する検出部と、
前記検出部を前記一対の電極、前記第1キャパシタ又は前記第2キャパシタに接続するスイッチ部と、
前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記一対の電極の第1出力、前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記第1キャパシタの第2出力、及び前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記第2キャパシタの第3出力を用いて、前記一対の電極間の第1静電容量を算出する第1算出部と
を含み、
前記第1算出部は、
前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタの静電容量、並びに、前記第2出力及び前記第3出力に基づいて、前記一対の電極間の静電容量と前記一対の電極からの出力との関係を表す特性曲線を示す関係式を生成し、
生成された前記関係式及び前記第1出力を用いて、前記第1静電容量を算出することを特徴とする計測装置。 - 前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタは、可変容量キャパシタの容量を変化させたものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の計測装置。
- 算出された前記第1静電容量を用いて、前記一対の電極間の物質の比誘電率を算出する第2算出部を更に含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の計測装置。
- 算出された前記比誘電率を用いて、前記物質の密度を算出する第3算出部を更に含むことを特徴とする請求項4に記載の計測装置。
- 一対の電極と、第1キャパシタ及び第2キャパシタを備える参照部と、前記一対の電極、前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタの出力を検出する検出部と、前記検出部を前記一対の電極、前記第1キャパシタ又は前記第2キャパシタに接続するスイッチ部と、前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記一対の電極の第1出力、前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記第1キャパシタの第2出力、及び前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記第2キャパシタの第3出力を用いて、前記一対の電極間の第1静電容量を算出する算出部と、前記一対の電極間の静電容量と前記一対の電極からの出力との関係を表す特性曲線を示す関係式とを含む計測装置を用いた計測方法であって、
前記一対の電極を、前記一対の電極間に計測対象の物質が設けられるように配置する工程と、
前記スイッチ部によって前記検出部を前記一対の電極に接続し、前記検出部によって前記第1出力を検出する工程と、
前記スイッチ部によって前記検出部を前記第1キャパシタに接続し、前記検出部によって前記第2出力を検出する工程と、
前記スイッチ部によって前記検出部を前記第2キャパシタに接続し、前記検出部によって前記第3出力を検出する工程と、
前記算出部によって前記第1出力、前記第2出力及び前記第3出力を用いて、前記第1静電容量を算出する工程と
を含み、
前記算出部によって前記第1静電容量を算出する工程は、
前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタの静電容量、並びに、前記第2出力及び前記第3出力に基づいて、前記関係式を補正する工程と、
補正された前記関係式及び前記第1出力を用いて、前記第1静電容量を算出する工程と
を含むことを特徴とする計測方法。 - 一対の電極と、第1キャパシタ及び第2キャパシタを備える参照部と、前記一対の電極、前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタの出力を検出する検出部と、前記検出部を前記一対の電極、前記第1キャパシタ又は前記第2キャパシタに接続するスイッチ部と、前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記一対の電極の第1出力、前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記第1キャパシタの第2出力、及び前記スイッチ部によって前記検出部に接続された前記第2キャパシタの第3出力を用いて、前記一対の電極間の第1静電容量を算出する算出部とを含む計測装置を用いた計測方法であって、
前記一対の電極を、前記一対の電極間に計測対象の物質が設けられるように配置する工程と、
前記スイッチ部によって前記検出部を前記一対の電極に接続し、前記検出部によって前記第1出力を検出する工程と、
前記スイッチ部によって前記検出部を前記第1キャパシタに接続し、前記検出部によって前記第2出力を検出する工程と、
前記スイッチ部によって前記検出部を前記第2キャパシタに接続し、前記検出部によって前記第3出力を検出する工程と、
前記算出部によって前記第1出力、前記第2出力及び前記第3出力を用いて、前記第1静電容量を算出する工程と
を含み、
前記算出部によって前記第1静電容量を算出する工程は、
前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタの静電容量、並びに、前記第2出力及び前記第3出力に基づいて、前記一対の電極間の静電容量と前記一対の電極からの出力との関係を表す特性曲線を示す関係式を生成する工程と、
生成された前記関係式及び前記第1出力を用いて、前記第1静電容量を算出する工程と
を含むことを特徴とする計測方法。
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JP2014041034A (ja) | 2014-03-06 |
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