JP6555429B2 - 温度測定装置、温度表示計及び温度調節計 - Google Patents

Description

この発明は、複数の温度センサからの入力に基づいた温度測定装置、温度表示計及び温度調節計に関するものである。

温度を測定するためのセンサとして、安定性、耐熱性、応答性などが優れていることから熱電対が広く利用されている。しかし、低温から高温まで精度良く測温できる熱電対温度計は知られていない。そのため、低温から高温までの広範囲に渡り温度制御を行うような場合に、１つのセンサを用いて温度測定をすると、測定精度が低下するという問題があった。特許文献１には、このような問題に対応するために、温度特性の異なる２つのセンサを用いた温度測定方法が開示されている。

特開平７−１３９８８５号公報

特許文献１が開示する技術は、炉の温度測定における、高温用の熱電対温度計と、低温用の熱電対温度計とを用いた温度測定方法であり、炉の温度が所定値を超えて上昇した場合に、高温用の温度計へと切換えるものである。しかし、高温用熱電対と、低温用熱電対におけるセンサ素子の特性が異なるため、それぞれのセンサによる測定値は一致しない。そのため、センサの切換えを行う際に、測定値の急変が生じるという課題があった。
測定値の急変は、特に、フィードバック制御のように目標値と現在値との偏差に基づき対象の温度を制御する場合には、安定までの時間が増大し制御性の悪化を引き起こす可能性がある。

本発明は、上記の点に鑑み、複数の温度センサを用いた温度測定において、センサを切換えた際に、測定値の急変を低減する事が可能な温度測定装置、温度表示計及び温度調節計を提供することを目的とする。

（構成１）
同一測定対象の温度を測定するセンサ入力のうち、測定の基準となる基準センサからの入力である基準入力から、切換先のセンサからの入力である切換先入力へ、前記測定に使用するセンサ入力を切換える切換処理部を備え、
前記切換処理部は、
前記基準入力の値が、所定値を超えていない場合は、当該基準入力の値を前記測定対象の測定値として出力し、
前記基準入力の値が前記所定値を超えている、かつ、当該所定値を超えた時点からの経過時間が所定の切換時間未満である場合は、前記基準入力が前記所定値を超えた時点における前記切換先入力の値と前記基準入力の値との偏差量に基づき補正された補正測定値を算出し、当該補正測定値を前記測定対象の測定値として出力し、
前記基準入力の値が前記所定値を超えている、かつ、当該所定値を超えた時点からの経過時間が前記切換時間以上である場合は、前記切換先入力の値を前記測定対象の測定値として出力する、
ことを特徴とする温度測定装置。
（構成２）
前記切換処理部が、前記切換時間と、前記基準入力が前記所定値を超えた時点における前記切換先入力の値と前記基準入力の値との偏差量と、に基づき前記切換時間に対して比例的に補正することで前記補正測定値を算出することを特徴とする請求項１に記載の温度測定装置。
（構成３）
前記切換え処理部が、前記補正測定値を以下の式によって算出することを特徴とする構成１又は２に記載の温度測定装置。

ＰＶａｄｊは前記補正測定値、Ｚは前記切換先入力の値、Ｅは前記所定値を超えた時点における前記切換先入力の値と前記基準入力の値との偏差量、Ｙは前記切換時間、Ｔは前記所定値を超えた時点からの経過時間を表す。
（構成４）
前記切換処理部が、前記所定値を超えた時点における前記偏差量に基づき前記切換時間を決定することを特徴とする構成１から３の何れかに記載の温度測定装置。
（構成５）
構成１から４の何れかに記載の温度測定装置と、前記温度測定装置からの出力を表示する表示部と、を備えることを特徴とする、温度表示計。
（構成６）
構成１から５の何れかに記載の温度測定装置、又は温度表示計と、
前記温度測定装置からの出力と、目標温度に基づいて、前記測定対象の温度を前記目標温度となるように制御するための制御信号を算出する算出部と、
前記測定対象に直接又は他の装置を介して前記制御信号を出力する出力部と、
を備えることを特徴とする温度調節計。

本発明の温度測定装置、温度表示計及び温度調節計によれば、複数のセンサを切換えて温度測定を行っても、測定値の急変を低減する事が可能である。

本発明に係る実施形態１の温度調節計を示す概略構成図である。 センサの切換と測定値との関係を説明した概念図である。 本発明に係る実施形態１の温度調節計の動作を説明したフローチャートである。 ＰＩＤ制御において従来の温度調節計によりセンサの切換えを行った場合の測定値及び出力値を示す概念図である。 ＰＩＤ制御において本発明の温度調節計によりセンサの切換えを行った場合の測定値及び出力値を示す概念図である。 本発明に係る実施形態２の温度表示計を示す概略構成図である。

以下、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。

＜実施形態１＞
図１はこの発明の実施形態による温度調節計の本発明に関する部分を示す概略構成図である。
温度調節計１００は、制御対象１３０を測温するセンサ１４１、１４２からの入力値（以下、ＰＶ１、ＰＶ２とも称する。）に基づき制御対象１３０の温度を制御する装置であり、制御対象１３０の温度を測定する温度測定装置１５０と、制御対象へと制御信号を出力する出力部１２０を備える。
温度測定装置１５０は、ＰＶ１、ＰＶ２に基づき、制御対象１３０の温度を測定する装置であり、センサの切換処理を行う切換処理部１１０を備える。また、センサ１４１、１４２から入力された電圧値をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部（不図示）を備える。

温度調節計１００は、ヒータ等である制御対象１３０の温度制御を行い、制御対象１３０自体の温度、又は制御対象１３０が温度制御する対象の温度が設定された目標値になるように、対象装置に直接又は他の装置を介して制御信号を出力値（以下、ＭＶとも称する。）として出力するよう構成される。
温度測定装置１５０は、センサ１４１、１４２からの入力を取り込み可能に構成される。
切換処理部１１０は、ＰＶ１、ＰＶ２が入力され、後述するセンサ切換処理を行うと共に、制御対象１３０の温度測定値（以下、ＰＶと称する。）を出力部１２０へと出力するよう構成される。また、切換処理部１１０は、ＰＶ１、ＰＶ２等の種々の値が記録可能に構成される。
出力部１２０は、切換処理部１１０から入力された温度測定値及び目標値に基づきＰＩＤ演算を行うとともに、演算結果である出力値（ＭＶ）を制御対象１３０へと出力するよう構成される。
センサ１４１、１４２は熱電対により構成される。

図２は、温度センサの切換と測定値の関係を説明するための概念図である。
前述の通り、同一の制御対象の温度を測定していたとしても、センサ特性の違いからセンサ毎の測定値は異なる。このような状況における、センサの切換と測定値の関係を図２に示す。
図２上段は従来の手法によるセンサの切換と測定値との関係を示す。センサ１４１からの入力値が所定値を超えた時点で温度測定に用いるセンサをセンサ１４１からセンサ１４２に単純に切り替えた場合、測定値が急変してしまう。
図２下段は、本実施形態１に係る温度調節計１００によるセンサの切換と測定値との関係を示す。ＰＶａｄｊは後述する補正測定値を表す。この図に示されるように、本実施形態１に係る温度調節計１００は、時間の経過とともに比例的にセンサ１４１の値を変化させてゆくことで、測定値の急変を低減するものである。

＜動作＞
次に、図３のフローチャートを参照しつつ、実施形態１の温度調節計１００の本発明に関する処理動作について説明する。

図３の処理は、事前に設定された周期、又は温度調節計１００の動作周期毎に実行される。
以下、当該処理を単に切換処理とも称する。
本実施形態においては、温度測定の基準となるセンサである基準センサをセンサ１４１とし、切換先センサをセンサ１４２とした。
まず、ステップ３００において、温度測定装置１５０が、ＰＶ１とＰＶ２を取得する。そして、温度測定装置１５０は、取得したそれぞれの値を切換処理部１１０内の対応する変数へと格納する。なお、各変数の初期値としては０が格納されている。

続くステップ３１０において、切換処理部１１０はＰＶ１の値が所定値以上かどうかを判定する。ＰＶ１が所定値未満の場合、ステップ３５０へと移行する（ステップ３１０：Ｎｏ→ステップ３５０）。ステップ３５０においては、切換処理部１１０はＰＶ１、すなわちセンサ１４１の測定値を、制御対象１３０の測定値として出力部１２０へと出力するとともに、切換処理部１１０内の対応する変数へと格納する。切換の閾値となる所定値についてはセンサ１４１の使用可能温度範囲の上限値付近に設定される。

一方、ステップ３１０においてＰＶ１の値が所定値以上の場合、ステップ３２０へと移行し、センサの切換処理を実行する。（ステップ３１０：Ｙｅｓ→ステップ３２０）。
ステップ３２０においては、切換処理部１１０は、切換処理開始時からの経過時間が事前に設定された切換時間以下かどうかを判定する。経過時間が切換時間より大きい、すなわち切換処理が完了している場合、ステップ３４０へと移行する（ステップ３２０：Ｎｏ→ステップ３４０）。ステップ３４０においては、切換処理部１１０はＰＶ２、すなわちセンサ１４２の測定値を、制御対象１３０の測定値して出力部１２０へと出力するとともに、切換処理部１１０内の対応する変数へと格納する。
切換時間については事前に設定されるようにしてもよいし、入力部（不図示）等により入力されるようにしてもよく、測定値の急変をどの程度許容するかに応じて適宜定めればよい。
また、経過時間については、ステップ３２０に移行した時点から測定を開始する。
また、切換処理部１１０は、ステップＳ３２０へ移行した際に切換処理を実行したかどうかを示すフラグ信号である、切換フラグをＯＮとするように構成されている。そして、切換フラグがＯＮとなっている場合、切換処理開始後にステップ３２０へと移行するように構成されている。

一方、ステップ３２０において経過時間が切換時間以下の場合、ステップ３３０へと移行する（ステップ３２０：Ｙｅｓ→ステップ３３０）。
ステップ３３０において、切換処理部１１０はセンサの切換のために補正測定値を算出する。切換処理部１１０は、以下の式のように算出された補正測定値（以下、補正ＰＶとも称する。）を制御対象１３０の測定値として出力部１２０へと出力するとともに、切換処理部１１０内の対応する変数へと格納する。

数２において、ＰＶａｄｊは補正ＰＶ、Ｚは切換先入力の値ＰＶ２、ＥはＰＶ１が所定値を超えた時点におけるＰＶ２とＰＶ１との偏差量、Ｙは前記切換時間、Ｔは前記所定値を超えた時点からの経過時間を表す。

図４は従来の手法によりセンサを切換えた場合における、測定値と出力値を表す概念図である。
実線が切換処理部１１０から出力されるＰＶを表す。破線が出力部１２０から出力されるＭＶ値を表す。
所定値を超えた時点でセンサを切り替えたことにより、測定値の急変が発生する。
また、その時点における出力値は、大きく乱れてしまう。

図５は本実施形態における温度調節計１００において、切換処理を行った場合における、測定値と出力値を表す概念図である。
所定値を超えた時点でセンサを切り替えたにも関わらず、測定値の急変が低減される。
出力値についても大きな乱れがなく、図４の場合と比較すると安定状態に到達する時間が短縮される。
なお、図４、図５において、ＰＶの単位は℃、ＭＶの単位は％である。ここでは、波形の確認のため便宜的にＰＶとＭＶを同一平面上に記載している。

以上のように、本実施形態１の温度調節計１００によれば、複数のセンサを切換えて温度測定を行った場合に、切換時間に比例して補正出力値を算出するように構成したため、測定値の急変を低減する事が可能である。
また、複数のセンサを切り替えて温度制御を行った場合においても、制御性の低下を防ぐ事が可能である。
また、上述の数２に記載のように、切換処理が開始されると、事前に設定された切換時間が経過した時点で確実に切換えられるよう構成されているため、補正出力値の演算のための時間コストを予測することが可能である。
また、切換処理においては、ＰＶ１が所定値を超えた時点におけるＰＶ２と、ＰＶ１との偏差に基づき補正測定値が算出されるよう構成されている。そのため、切換処理へ移行後は基準センサの入力を観察する必要がないため、切換処理が開始された後に、基準センサを取り外すことができる。従って、基準センサを新たな切換先センサと換装する場合などに、換装完了までの時間を切換時間分短縮する事が可能となる。

＜実施形態２＞
図６は、本発明に係る実施形態２の温度表示計の構成の概略を示すブロック図である。実施形態１（図１）と同様の構成については同一の符号を使用し、ここでの説明を省略若しくは簡略化する。

実施形態２の温度表示計６００は、実施形態１に対して、表示部６１０及び測定対象６２０が追加されたものである。
表示部６１０はＬＥＤ表示部により構成されており、切換処理部１１０から入力されるＰＶ値を表示し、使用者へ測定対象６２０の温度を表示する。
なお、表示部６１０は液晶パネルなど、ＰＶの値が表示可能な任意のデバイスにより構成されていてもよい。

切換処理部１１０における処理は実施形態１と同様であるため省略する。

本実施形態２の温度表示計６００によれば、複数のセンサを切換えて温度測定を行った場合においても、急変が低減された測定値をユーザへ提示することが可能である。

本実施形態における切換処理部１１０は、切換時間について事前に設定されるように構成されていたが、ＰＶ１が所定値を超えた時点におけるＰＶ２とＰＶ１との偏差量に基づき切換時間が算出されるように構成されていてもよい。
例えば、偏差量が少ない場合には切換時間を設定せずにセンサを切換えたとしても測定値の急変が起こりづらいと考えられるため、切換時間を短く設定するように動作する。一方、偏差量が多い場合には切換時間を長く設定するように動作するものである。

本実施形態における切換処理部１１０は、制御対象１３０の昇温時のセンサ切換処理を想定した構成について記載されているが、降温時に用いるように構成されていてもよい。即ち、ＰＶ１が減少してゆき所定値を超える、即ち、所定値を下回る時点で、切換処理部１１０がセンサ切換処理を実行されるように構成されていてもよい。
また、本実施形態においてはセンサの数を２としたが、３以上の任意の数であってもよい。その場合は、ＰＶの範囲毎に使用するセンサが設定され、それぞれの境界毎に所定値が設定される。切換処理部１１０は、上記設定に基づき切換処理を実行し、切換処理が終了すると、当該切換処理において切換先であったセンサを基準センサへと設定する。
また、本実施形態における温度調節計１００の動作周期は、例えば５０ｍｓなどの任意の周期であり、事前に設定されていてもよいし、入力部等（不図示）により設定されるように構成されていてもよい。
また、切換処理部１１０における所定値については事前に設定されるようにしてもよいし、入力部（不図示）等により入力されるようにしてもよく、センサの温度特性等に応じて適宜定めればよい。
また、本実施の形態における温度調節計１００は、熱電対により構成されたセンサに対して適用しているが、測温抵抗体など任意のセンサに対して適用が可能である。
また、本実施形態における出力部１２０はＰＩＤ演算を行うように構成されているが、任意の制御演算を用いるように構成されていてもよい。
また、補正測定値の算出において、経過時間を外部の機器により測定し、温度測定装置１５０により取得するように構成されていてもよい。

なお、上記各実施形態における各構成は、それぞれ専用回路等でハード的に構成されるものであってもよいし、マイコン等の汎用的な回路上でソフトウェア的に実現されるものであってもよい。

１００…温度調節計
１１０…切換処理部
１２０…出力部
１３０…制御対象
１４１、１４２…センサ
１５０…温度測定装置
６００…温度表示計
６１０…表示部
６２０…測定対象
ＰＶ、ＰＶ１、ＰＶ２…測定値
ＰＶａｄｊ…補正測定値
ＭＶ…出力値

Claims (6)

1. 同一測定対象の温度を測定するセンサ入力のうち、測定の基準となる基準センサからの入力である基準入力から、切換先のセンサからの入力である切換先入力へ、前記測定に使用するセンサ入力を切換える切換処理部を備え、
   前記切換処理部は、
   前記基準入力の値が、所定値を超えていない場合は、当該基準入力の値を前記測定対象の測定値として出力し、
   前記基準入力の値が前記所定値を超えている、かつ、当該所定値を超えた時点からの経過時間が所定の切換時間未満である場合は、前記基準入力が前記所定値を超えた時点における前記切換先入力の値と前記基準入力の値との偏差量に基づき補正された補正測定値を算出し、当該補正測定値を前記測定対象の測定値として出力し、
   前記基準入力の値が前記所定値を超えている、かつ、当該所定値を超えた時点からの経過時間が前記切換時間以上である場合は、前記切換先入力の値を前記測定対象の測定値として出力する、
   ことを特徴とする温度測定装置。
2. 前記切換処理部が、前記切換時間と、前記基準入力が前記所定値を超えた時点における前記切換先入力の値と前記基準入力の値との偏差量と、に基づき前記切換時間に対して比例的に補正することで前記補正測定値を算出することを特徴とする請求項１に記載の温度測定装置。
3. 前記切換え処理部が、前記補正測定値を以下の式によって算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の温度測定装置。
   

   

   ＰＶａｄｊは前記補正測定値、Ｚは前記切換先入力の値、Ｅは前記所定値を超えた時点における前記切換先入力の値と前記基準入力の値との偏差量、Ｙは前記切換時間、Ｔは前記所定値を超えた時点からの経過時間を表す。
4. 前記切換処理部が、前記所定値を超えた時点における前記偏差量に基づき前記切換時間を決定することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の温度測定装置。
5. 請求項１から４の何れかに記載の温度測定装置と、前記温度測定装置からの出力を表示する表示部と、を備えることを特徴とする、温度表示計。
6. 請求項１から５の何れかに記載の温度測定装置、又は温度表示計と、
   前記温度測定装置からの出力と、目標温度に基づいて、前記測定対象の温度を前記目標温度となるように制御するための制御信号を算出する算出部と、
   前記測定対象に直接又は他の装置を介して前記制御信号を出力する出力部と、
   を備えることを特徴とする温度調節計。

Images