JP7190639B2

JP7190639B2 - 演算装置、指示計、温度調節計、および方法

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Publication number: JP7190639B2
Application number: JP2021572233A
Authority: JP
Inventors: 茂文後藤; 裕久吉川
Original assignee: RKC INSTRUMENT Inc
Current assignee: RKC INSTRUMENT Inc
Priority date: 2020-01-24
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2022-12-16
Anticipated expiration: 2040-01-24
Also published as: WO2021149240A1; JPWO2021149240A1

Description

この発明は、センサ等からの入力に基づく出力信号値の演算装置、演算方法に関するものである。

指示計（温度センサ、電圧／電流連続信号などを入力とすることにより、温度、圧力、流量などを表示する装置。温度計や電圧計などの用途に用いる。）におけるセンサ測定値には、機器特性等に由来する定常ノイズや、外乱等種々のノイズが重畳している。通常、ローパスフィルタや移動平均フィルタ等の遅れ要素を含んだ種々のフィルタ処理をすることにより、ノイズの影響を低減し、測定器の出力としている。
上記フィルタを使用することで測定値のふらつきは減衰するが、過去の測定値の情報を使用するため計算量や必要なメモリが多くなり、また、測定対象の実際の温度等に比べて出力値に遅れが生じ、測定対象の温度変化に対する応答速度が低下してしまうという問題があった。

指示計や温度調節計の使用が想定される環境（射出成型等）においては、応答速度の低下は過加熱等の影響を及ぼす。また、ハンディ指示計の使用が想定される環境においては、応答速度の低下により、温度の安定までの時間が増加し、作業性が低下してしまう。そのため、出力精度を保ちつつ、測定対象の温度変化に対する応答速度が高速である手法が望まれていた。

このような問題に対応する技術として、例えば特許文献１にはデータの更新周期が、デジタルフィルタ演算に必要な時間に満たない場合に、平均を算出する期間を短く設定した総和平均演算方式により演算値を出力する手法が開示されている。

特開２００５－２０１６４５号公報

しかし、デジタルフィルタを使用しない期間については単純平均による演算となるため、ノイズ等の影響を受けやすく精度の面で問題があった。また、デジタルフィルタの応答速度については考慮されておらず、高速化の面でも課題がある。そのため、精度の向上及び応答速度の高速化が課題となっていた。

本発明は、上記の点に鑑み、測定対象の温度等の変化に対する応答速度が高速で、高精度なフィルタ演算を行う演算装置及び演算方法の提供を目的とする。

（構成１）
出力信号値の演算装置であって、
前記出力信号値が測定値のフィルタ演算の結果に基づき算出され、
現在の測定値の所定期間内の変動が所定値以上である場合に、過去の前記出力信号値を前記現在の測定値に置き換えて前記フィルタ演算を行うことを特徴とする、演算装置。

（構成２）
前記所定期間及び前記所定値が、事前に測定された測定値の変動に基づき設定される、構成１に記載の演算装置。

（構成３）
前記フィルタ演算が１次遅れ要素に基づくフィルタ演算である、構成１又は２に記載の演算装置。

（構成４）
前記フィルタ演算が高次遅れ要素に基づくフィルタ演算である、構成１又は２に記載の演算装置。

（構成５）
前記フィルタ演算が移動平均に基づくフィルタ演算であり、
前記所定期間内に現在の測定値が所定値以上変動した場合に、平均の算出に用いる全ての測定値を前記現在の測定値に置き換えることを特徴とする、構成１又は２に記載の演算装置。

（構成６）
前記現在の測定値の所定期間内の変動が所定値以上でかつ、所定の上限値未満であった場合に、前記過去の測定値を前記現在の測定値に置き換えて前記フィルタ演算を行うことを特徴とする構成１又は２に記載の演算装置。

（構成７）
測定値の置き換えを示すタイミング信号が入力された場合に、前記過去の測定値を前記現在の測定値に置き換えて前記フィルタ演算を行うことを特徴とする構成１又は２に記載の演算装置。

（構成８）
構成１から７のいずれかに記載の演算装置を備える、指示計。

（構成９）
構成１から７のいずれかに記載の演算装置を備える、温度調節計。

（構成１０）
出力信号値を演算する方法であって、
前記出力信号値が測定値の演算の結果に基づき算出され、
現在の測定値の所定期間内の変動が所定値以上である場合に、過去の前記出力信号値を前記現在の測定値に置き換えて前記フィルタ演算を行うことを特徴とする、方法。

本発明の演算装置、指示計、温度調節計、演算方法によれば、測定対象の温度等の変化に対する応答速度が高速なフィルタ演算を行うことが可能である。

本発明に係る実施形態の演算装置を示す概略構成図である。本発明に係る実施形態のフィルタ演算と、従来のフィルタ演算との比較図である。本発明に係る実施形態の演算装置の動作を説明したフローチャートである。本発明に係る実施形態の一次遅れフィルタを用いる場合の演算部１１０の模式図である。本発明に係る実施形態の移動平均フィルタを用いる場合の演算部１１０の模式図である。

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。なお、以下の実施形態は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲内に限定するものではない。

＜実施形態＞
図１はこの発明の実施形態における演算装置を示す概略構成図である。
演算装置１００は、センサ等の入力装置（不図示）から入力された測定値に対して、演算部１１０にてフィルタ演算を行い、その結果を表示部等の外部機器（不図示）へと出力する装置である。
また、演算部１１０はＡ／Ｄ変換器を備えており、本実施形態では電圧である測定値を離散化して演算を行う。
また、演算装置１００については、本実施形態では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としているが、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。
また、本実施形態においては演算装置１００は指示計に組み込まれているものとし、測定対象は温度であるものとする。

＜従来手法＞
以下、本発明における演算方法について説明する。
本発明のフィルタ演算方法は、過去の出力値に基づく（遅れ要素を含んだ）フィルタ演算であれば適用が可能であるが、本実施形態では１次遅れ要素に基づくフィルタ演算を例として説明する。
１次遅れフィルタ（従来技術）の一般計算式は以下の数１のように表される。但し、数１においてＹ_ｎは現在の出力信号値、Ｘ_ｎは現在の測定値、τは演算周期（サンプリング周期）、Ｔは１次遅れフィルタの時定数である。

このように、過去の出力値を用いて演算する一次遅れフィルタを用いることで、入力値のふらつきを吸収することができる。しかし、入力値の変化に対する応答速度が低下するという問題がある。

＜本実施形態の演算方法＞
このような問題に対して本出願の手法においては、前後のデータにおいて測定値が所定の値以上ステップ的に変化した場合には、以下の数２のように、フィルタ演算における値を変換する。すなわち、所定の条件を満たした場合に、過去の出力値を現在の測定値に変換する。

このように、所定条件下においてのみ遅れ要素を全て現在の測定値に整列させるように変化させることにより、出力値に遅れを生じることなく高速にフィルタ演算を行うことが可能となる。さらに、所定の条件を満たして測定値がステップ的に変化した後は、通常通り（所定の条件を満たしていない場合）フィルタ演算処理を行うため、測定値のふらつきを小さくすることができる。
本実施形態の演算方法によれば、ノイズ等の影響によるふらつきを抑え、出力精度を保ちつつ、温度変化に対する応答速度を高めることができる。

なお、所定の条件については、入力値とノイズの値の関係を考慮し、事前に設定されるものとする。本実施形態においては、演算装置１００を搭載した指示計により、定常状態における測定値を一定時間測定した際の入力値の変動幅（ふらつき幅）から算出する。具体的には、測定値の平均値を基準とした正のピーク及び負のピークの絶対値の平均値に任意のマージンを加え、ノイズに反応しないように設定した値を閾値とする。

図２は式１においてτ＝１、Ｔ＝２０とした場合の本実施形態の演算結果と従来手法（式１）の演算結果との比較を示した図である。図２中の細線を入力信号とした場合に、太線が本実施形態の演算結果、破線が従来手法の演算結果である。横軸は時間としてのカウント値であり、縦軸は電圧値としてのカウント値である。
従来手法と比較して、本手法の測定値の変動に対する応答速度が向上していることがわかる。

＜動作＞
次に、図３のフローチャートを参照しつつ、本実施形態における演算装置１００の本発明に関する処理動作について説明する。

まずＳ３００において、センサ等から測定値Ｘｎが演算部１１０に入力され、次のステップへ移行する。
次にＳ３１０において、所定期間内に測定値が所定の閾値Ｚ以上変動したかを判定する。ここでは、上述の通り前後データにおける測定値の変動値、｜Ｘ_ｎ－Ｘ_ｎ－１｜を算出し、その結果が閾値Ｚ以上かどうかを判定する。
変動値が閾値Ｚ未満であった場合には、Ｓ３２０に移行する（Ｓ３１０：ＮＯ→Ｓ３２０）。

Ｓ３２０においては、従来手法と同様に、前データにおける出力信号値であるＹ_ｎ－１を読み出し、Ｓ３４０において現在の測定値Ｘｎ、過去の出力信号値Ｙ_ｎ－１から、数１に基づき出力信号値Ｙ_ｎを算出する。その後、外部の表示機器等（不図示）へと値を出力する。
その後、Ｓ３５０において出力信号値Ｙ_ｎを記録し、添字ｎをインクリメントし、Ｓ３００へと戻る。
なお、ｎは１から開始するものとし、初期値Ｙ_０には任意の値を設定してよい。

ここでＳ３１０に戻り、変動値が閾値Ｚ以上であった場合の動作を説明する。
Ｓ３１０において、｜Ｘ_ｎ－Ｘ_ｎ－１｜を算出し、その結果が閾値Ｚ以上であった場合には、Ｓ３３０に移行する（Ｓ３１０：Ｙｅｓ→Ｓ３３０）。
Ｓ３３０において、測定値に閾値Ｚ以上の変動があったため、過去の出力信号値Ｙ_ｎ－１を現在の測定値Ｘ_ｎに置き換える。その後Ｓ３４０において現在の測定値Ｘ_ｎ、Ｙ_ｎ－１（この場合は置き換えたため、Ｙ_ｎ－１＝Ｘ_ｎ）から、数１に基づき出力信号値Ｙ_ｎを算出する。以後の動作は既に説明したＳ３４０以降の動作と同様である。

＜効果＞
以上のように、本実施形態１の演算装置１００によれば、現在の測定値の所定期間内の変動が所定値以上である場合に、過去の出力測定値を現在の測定値に置き換えてフィルタ演算をするため、測定対象の温度等の変化に対する応答速度が高速なフィルタ演算を行うことができる。
また、本実施形態においては、測定値の変動を判断するための所定の期間及び変動の値が、事前に測定された定常状態における測定値の変動に基づき設定される。そのため、入力値が定常ノイズの幅を超えた場合、即ち、入力値の変化がノイズではなく実際の信号の変化である可能性が高い場合にのみ本発明の演算方法を実施するように構成されているため、演算結果の精度が向上する。

＜その他の構成＞
なお、本実施形態の演算装置１００はフィルタ演算について、１次遅れフィルタを用いるよう構成されていたが、１次遅れ要素を複数段組み合わせた高次遅れフィルタを用いるように構成されていてもよい。その場合、１次遅れフィルタと同様に、所定の条件を満たした場合に、各１次遅れ要素における過去の出力信号値を、現在の値に変換する。

また、本実施形態の演算装置１００は、移動平均フィルタを用いるように構成されていてもよい。例えば、２０個前の入力値から現在の入力値までの平均を求めるフィルタの場合、所定の条件を満たした場合には、２０点全ての入力値を現在の入力値に変換し、平均値を算出するようにすればよい。

なお、移動平均フィルタを用いる場合、移動平均の計算に用いるデータ個数がｍ＋１個である場合の一般計算式は以下の数３のように表される。各文字の意味は数１と同様である。

そして、前後のデータにおいて測定値が所定の値以上ステップ的に変化した場合には、以下の数４のように、移動平均に用いるすべてのデータ値を現在の測定値に変換する。

なお、演算部１１０を、より具体的に機能ごとに模式図として示したものを図４及び図５に示す。演算部１１０は、入力信号に閾値以上の変化があったかどうかを判断する、入力信号変化幅判断部１１１と、出力信号を記憶する出力信号記憶部１１２と、入力信号を記憶する入力信号記憶部１１３と、フィルタ演算を行うフィルタ演算部１１４を備えている。
なお、図４はフィルタ演算部１１４が１次遅れフィルタを用いる場合の動作に基づく模式図であり、図５はフィルタ演算部１１４が移動平均フィルタを用いる場合の動作に基づく模式図である。図４、図５については便宜上、別の図として表現しているが、演算部１１０が図４、５にて示したように別個の構成となっている必要はない。
また、フィルタ演算部１１４がどの種類のフィルタ演算を行うかについては、事前に設定されていてもよいし、常にすべての種類の演算を行うように構成されていてもよい。

なお、本実施形態の演算装置１００は前後のデータにおいて閾値以上の変動があった場合を条件に本実施形態の演算方法を実施するように構成されていたが、過去の出力値の現在の入力値への置き換えを指示するタイミング信号が外部入力装置等から入力された場合を条件としてもよい。

なお、本実施形態における所定の条件は、数１に示されるように前後データにおける測定値の関係によって判断するように構成されていたが、事前に設定された時間内に事前に設定された所定値を一度でも超えた場合、としてもよいし、事前に設定された時間幅において測定値を積分し、その値が事前に設定された値を超えた場合、としてもよい。

なお、上述の閾値については上記＜動作＞にて説明した閾値Ｚを超えたかどうかだけではなく、さらに閾値に上限値Ｚ_upを設定し、Ｚ_upが所定の値以下であるかどうかの判断を実施するように構成されていてもよい。ここでのＺ_upについても、制御対象の定常状態における測定結果から算出される。例えば、定常状態の温度に下限値である閾値Ｚと任意のマージンを加算し、サージ等の測定値が大きくなるものに反応しないように設定する。

なお、製造ライン等において目的の精度を満たすために、ゼロ点調整やフルスケール調整を行う場合、これらの調整が実行されている場合にのみ本手法が使用されるように構成されていてもよい。例えば、調整工程が実行されている間は、演算装置１００にフラグ信号を送信するように構成され、フラグ信号を受信している間のみ、本手法を実施するように構成されていてもよい。このように構成されていることにより、調整を実施していない場合の温度変化には反応しなくなるため、ユーザが必要とする場合にのみ調整時間の短縮をすることが可能となる。

なお、本実施形態における演算装置１００は指示計に搭載されているものとしたが、ＰＩＤ調節計等の調節計に搭載されていてもよい。この場合、上記Ｚ_upが、ＰＩＤ制御における制御目標値に基づいて設定されるように構成されていてもよい。
また、閾値の上限値Ｚ_upについては例えば、閾値Ｚ（下限値）に制御目標値を加算したものを上限値としてもよい。また、所定の条件を満たした場合には、過去の出力値を制御目標値に変換するように構成されていてもよい。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成及び動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解しうる様々な変更を行うことができる。

１００…演算装置
１１０…演算部
１１１…入力信号変化幅判断部
１１２…出力信号記憶部
１１３…入力信号記憶部
１１４…フィルタ演算部

Claims

出力信号値の演算装置であって、
前記出力信号値が測定値のフィルタ演算の結果に基づき算出され、
現在の測定値の所定期間内の変動が所定値以上である場合に、過去の前記出力信号値を前記現在の測定値に置き換えて前記フィルタ演算を行うことを特徴とする、演算装置。
前記所定期間及び前記所定値が、事前に測定された測定値の変動に基づき設定される、請求項１に記載の演算装置。
前記フィルタ演算が１次遅れ要素に基づくフィルタ演算である、請求項１又は２に記載の演算装置。
前記フィルタ演算が高次遅れ要素に基づくフィルタ演算である、請求項１又は２に記載の演算装置。
出力信号値の演算装置であって、
前記出力信号値が移動平均に基づくフィルタ演算の結果に基づき算出され、
所定期間内に現在の測定値が所定値以上変動した場合に、平均の算出に用いる全ての測定値を前記現在の測定値に置き換えることを特徴とする、演算装置。
出力信号値の演算装置であって、
前記出力信号値が移動平均に基づくフィルタ演算の結果に基づき算出され、
現在の測定値の所定期間内の変動が所定値以上でかつ、所定の上限値未満であった場合に、平均の算出に用いる全ての測定値を前記現在の測定値に置き換えることを特徴とする、演算装置。
出力信号値の演算装置であって、
前記出力信号値が移動平均に基づくフィルタ演算の結果に基づき算出され、
測定値の置き換えを示すタイミング信号が入力された場合に、平均の算出に用いる全ての測定値を前記現在の測定値に置き換えることを特徴とする、演算装置。
請求項１から７のいずれかに記載の演算装置を備える、指示計。
請求項１から７のいずれかに記載の演算装置を備える、温度調節計。
出力信号値を演算する方法であって、
前記出力信号値が測定値のフィルタ演算の結果に基づき算出され、
現在の測定値の所定期間内の変動が所定値以上である場合に、過去の前記出力信号値を前記現在の測定値に置き換えて前記フィルタ演算を行うことを特徴とする、方法。
出力信号値を演算する方法であって、
前記出力信号値が移動平均に基づくフィルタ演算の結果に基づき算出され、
所定期間内に現在の測定値が所定値以上変動した場合に、平均の算出に用いる全ての測定値を前記現在の測定値に置き換えることを特徴とする、方法。