JP7486686B1

JP7486686B1 - 温度計測装置

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Publication number: JP7486686B1
Application number: JP2023571222A
Authority: JP
Inventors: 兼三牧野; 淳二堀; 広幸蔦田; 秀哲有田; 靖久田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2023-06-12
Filing date: 2023-06-12
Publication date: 2024-05-17
Anticipated expiration: 2043-06-12

Abstract

温度計測装置は、第１のアンテナ（８）と信号処理部（３）とを有する信号送受信ユニット（１）と、第２のアンテナ（５）と検温素子（４）とを有するセンサユニット（２）とを有する。検温素子（４）は、計測対象の温度（Θ）に応じて共振周波数（ｘ＊（Θ））が変化する共振特性を持ち、第１のアンテナ（８）から送信された送信電波を第２のアンテナ（５）を介して受信しながら、共振周波数（ｘ＊（Θ））を反映した応答電波を第２のアンテナ（５）を介して送信する。信号処理部（３）は、送信電波を生成しながら応答電波を第１のアンテナ（８）を介して受信し、異なる２つ以上の送信周波数（ｘｉ，ｘｉ－１）の送信電波の各々に対する応答電波の信号強度（Ａｉ）に基づいて検温素子（４）の共振周波数（ｘ＊（Θ））の推定値を計算し、共振周波数（ｘ＊（Θ））の推定値に基づいて前記送信周波数（ｘｉ＋１）を制御する。

Description

本開示は、温度計測装置に関する。

測定対象に配置されたセンサユニットと該センサユニットから離れて配置された信号送受信ユニットとから構成された温度計測装置の提案がある（例えば、特許文献１を参照）。この信号送受信ユニットは、送信期間において所定周波数のバースト波からなる励振信号（送信電波）をセンサユニットに送信し、送信期間の後の受信期間において受信信号をセンサユニットから受信し、励振信号による共振残響信号を受信信号から検出し、共振残響信号の共振周波数から物理量としての温度を検出し、共振残響信号の信号強度が閾値よりも高い場合に励振信号の信号強度を低下させる。

国際公開第２０１４／１２９０７１号

しかしながら、上記従来の温度計測装置では、送信期間において励振信号を送信し、受信期間において受信信号を受信し、共振残響信号を受信信号から検出しており、送信期間と受信期間とを分ける必要がある。そのため、短時間で温度が変動する測定対象の温度を正確に計測することができない。

本開示は、測定対象の温度を正確に計測することができる温度計測装置を提供することを目的とする。

本開示の温度計測装置は、第１のアンテナと信号処理部とを有する信号送受信ユニットと、第２のアンテナと検温素子とを有するセンサユニットと、を有し、前記検温素子は、計測対象の温度に応じて共振周波数が変化する共振特性を持ち、前記第１のアンテナから送信された送信電波を前記第２のアンテナを介して受信しながら、前記共振周波数を反映した応答電波を前記第２のアンテナを介して送信し、前記信号処理部は、前記送信電波を生成しながら前記応答電波を前記第１のアンテナを介して受信し、異なる２つ以上の送信周波数の前記送信電波の各々に対する前記応答電波の前記信号強度に基づいて前記検温素子の前記共振周波数の推定値を計算し、前記共振周波数の前記推定値に基づいて前記送信周波数を制御し、前記信号送受信ユニットは、前記共振周波数より小さい第１の周波数の送信電波と、前記共振周波数より大きい第２の周波数の送信電波とをそれぞれ送信して、前記第１の周波数の送信電波に対する前記センサユニットの応答電波の第１の信号強度と、前記第２の周波数の送信電波に対する前記センサユニットの応答電波の第２の信号強度とをそれぞれ測定し、前記第１の周波数、前記第２の周波数、前記第１の信号強度、及び前記第２の信号強度に基づいて前記共振周波数の前記推定値を計算し、前記推定値に基づいて、前記第１の周波数が前記共振周波数より小さく、前記第２の周波数が前記共振周波数より大きくなるように制御し、前記計測対象の温度変化に追従して、前記送信周波数を逐次変更することを特徴とする。

本開示の装置によれば、測定対象の温度を正確に計測することができる。

実施の形態に係る温度計測装置の構成を示す機能ブロック図である。実施の形態に係る温度計測装置の信号送受信ユニットのハードウェア構成の例を示す図である。センサユニットの共振特性が温度に応じて変化することを示す図である。（Ａ）は、センサユニットの検温素子の共振周波数の温度特性の例を示す図であり、（Ｂ）は、信号送受信ユニットの温度換算部がセンサユニットの共振周波数の推定値から温度を計算することで、計測対象の温度を推定することができることを示す図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、比較例の温度計測装置の動作を示す図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、実施の形態に係る温度計測装置の動作を示す図である。実施の形態に係る温度計測装置の動作を示すフローチャートである。図７のステップＳ１からＳ３の処理を示す図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、共振周波数の推定値の計算方法の例を示す図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、図７のステップＳ５の処理を示す図である。（Ａ）から（Ｃ）は、共振周波数の推定方法の他の例を示す図である。共振特性の差分特性の計算の例を示す図である。共振特性の差分特性の計算の他の例を示す図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、図７のステップＳ７における送信電波の周波数の設定の例を示す図である。（Ａ）から（Ｃ）は、図７のステップＳ７における送信電波の周波数の設定の他の例を示す図である。（Ａ）から（Ｃ）は、図７のステップＳ７における送信電波の周波数の設定の他の例を示す図である。

以下に、実施の形態に係る温度計測装置を、図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、例にすぎず、各実施の形態を適宜変更することが可能である。

図１は、実施の形態に係る温度計測装置の構成を示す機能ブロック図である。実施の形態に係る温度計測装置は、第１のアンテナ８と信号処理部３とを有する信号送受信ユニット１と、第２のアンテナ５と検温素子４とを有するセンサユニット２とから構成される。検温素子４は、例えば、水晶振動子である。信号送受信ユニット１は、センサユニット２から離れて配置される。信号送受信ユニット１は、センサユニット２に送信電波を送信し、センサユニット２から応答電波を受信し、応答電波に基づいて計測対象の温度Θを換算（計算）する。

センサユニット２は、測定対象上又は測定対象内などに配置される。センサユニット２（特に、検温素子４）は、例えば、温度の計測対象である機器に接して配置される。計測対象である機器は、例えば、動く機器、短時間で温度変化が発生する機器、温度変化を瞬時に計測することが必要な機器、などである。計測対象である機器の具体例は、モータの回転子である。

検温素子４は、計測対象の温度Θに応じて共振周波数ｘ^＊（Θ）が変化する共振特性を持つ。検温素子４は、信号送受信ユニット１の第１のアンテナ８から送信された送信電波（励振信号）を第２のアンテナ５を介して受信しながら、共振周波数ｘ^＊（Θ）を反映した応答電波を第２のアンテナ５を介して送信する。応答電波の信号強度分布は共振周波数ｘ^＊（Θ）でピーク値となることから、応答電波には共振周波数ｘ^＊（Θ）が反映されている。

信号処理部３は、周波数制御部６と、送信部７と、受信部９と、記憶部１０と、共振周波数推定部１１と、温度換算部１２とを有している。信号処理部３では、送信部７が送信電波を生成しながら、受信部９が応答電波を第１のアンテナ８を介して受信する。信号処理部３では、共振周波数推定部１１は、異なる２つ以上の送信周波数（例えば、ｘ_ｉ，ｘ_ｉ－１）の送信電波の各々に対する応答電波の信号強度（例えば、Ａ_ｉ，Ａ_ｉ－１）に基づいて検温素子４の共振周波数ｘ^＊（Θ）の推定値（すなわち、計算値）

を計算する。

本出願では、共振周波数ｘ^＊（Θ）の推定値

を、“ｘ^＊～ _ｉ”とも表記する。

周波数制御部６は、共振周波数ｘ^＊（Θ）の推定値“ｘ^＊～ _ｉ”に基づいて、次に送信する送信電波の送信周波数ｘ_ｉ＋１を制御する。温度換算部１２は、共振周波数の推定値“ｘ^＊～ _ｉ”に基づいて、計測温度を計算する。

信号処理部３を構成する、周波数制御部６と、送信部７と、受信部９と、記憶部１０と、共振周波数推定部１１と、温度換算部１２とは、信号処理部３の各機能を機能ブロックとして表したものであり、これらの機能ブロックは、共通の処理回路によって構成されてもよい。

信号送受信ユニット１は、例えば、以下のように動作する。信号送受信ユニット１は、共振周波数ｘ^＊（Θ）より小さい第１の周波数ｘ_ｉの送信電波と、共振周波数ｘ^＊（Θ）より大きい第２の周波数ｘ_ｉ－１の送信電波とをそれぞれ送信して、第１の周波数ｘ_ｉの送信電波に対するセンサユニット２の応答電波の第１の信号強度Ａ_ｉと、第２の周波数の送信電波に対するセンサユニット２の応答電波の第２の信号強度Ａ_ｉ－１をそれぞれ測定し、第１の周波数、第２の周波数、第１の信号強度、及び第２の信号強度に基づいて共振周波数ｘ^＊（Θ）の推定値“ｘ^＊～ _ｉ”を計算し、推定値“ｘ^＊～ _ｉ”に基づいて、第１の周波数ｘ_ｉが共振周波数ｘ^＊（Θ）より小さく、第２の周波数ｘ_ｉ－１が共振周波数ｘ^＊（Θ）より大きくなるように設定し、計測対象の温度変化に追従して、送信周波数ｘ_ｉ＋１を逐次変更する。

また、信号送受信ユニット１は、第１の周波数の送信電波と第２の周波数の送信電波とを周期的に交互に送信し、第１の周波数の送信電波と第２の周波数の送信電波とのそれぞれに対するセンサユニット２の応答電波の信号強度を記憶し、第１の周波数又は第２の周波数の測定結果と、記憶部１０に記録した測定結果とを参照することで、測定毎に検温素子の共振周波数の推定値を計算してもよい。

また、信号送受信ユニット１は、共振周波数より小さい第１の周波数の送信電波を送信して、センサユニット２の応答電波の第１の信号強度を計測し、検温素子４の共振特性をもとに、第１の信号強度から第１の送信周波数と共振周波数との差分を推定し、差分を用いて共振周波数の推定値を計算してもよい。

また、信号送受信ユニット１は、共振周波数より大きい第２の周波数の送信電波を送信して、センサユニット２の応答電波の第２の信号強度を計測し、検温素子４の共振特性をもとに、第２の信号強度から第２の送信周波数と共振周波数との差分を推定し、差分を用いて共振周波数の推定値を計算してもよい。

また、信号送受信ユニット１は、第１の周波数の送信電波を送信してセンサユニット２の応答電波の第１の信号強度を計測し、第２の周波数の送信電波を送信してセンサユニット２の応答電波の第２の信号強度を計測し、第１の周波数と第２の周波数との周波数差分と、第１の信号強度と第２の信号強度との信号強度差分とを計算し、検温素子の共振特性の差分特性をもとに、信号強度差分から、第１の周波数又は第２の周波数又は第１の周波数と第２の周波数の中心周波数と前記共振周波数との周波数差分を推定することで、共振周波数の推定値を計算してもよい。

信号送受信ユニット１は、共振周波数より小さい第１の周波数の送信電波を送信してセンサユニット２の応答電波の第１の信号強度を計測し、共振周波数より大きい第２の周波数の送信電波を送信してセンサユニット２の応答電波の第２の信号強度を計測し、第１の周波数と第２の周波数の周波数差分と、第１の信号強度と第２の信号強度の信号強度差分から一次微分係数を計算し、検温素子の共振特性の一次微分特性をもとに、一次微分係数から、第１の周波数、第２の周波数、又は第１の周波数と第２の周波数の中心周波数との周波数差分を推定することで、共振周波数の推定値を計算してもよい。

信号送受信ユニット１は、推定した検温素子の共振周波数の推定値を基に、第１の周波数を共振周波数の推定値から所定の周波数だけ小さい値に変更する処理を行うことができる。また、信号送受信ユニット１は、共振周波数の推定値を基に、第２の周波数を共振周波数の推定値から所定の周波数だけ大きい値に変更することができる。

信号送受信ユニット１は、共振周波数の推定値を基に、第１の周波数と第２の周波数との平均値である平均周波数と、共振周波数の推定値とを比較し、推定値が平均周波数より小さい場合は、第１の周波数又は第２の周波数を所定の周波数だけ減少させ、推定値が平均周波数より大きい場合は、第１の周波数又は第２の周波数を所定の周波数だけ増加させるよう動作してもよい。

信号送受信ユニット１は、共振周波数を、予め準備して記憶部１０に格納されている換算表又は換算式を用いて温度に換算し、温度データを時系列に記録し、ローパスフィルタを用いて平滑化する処理を行って、平滑化された温度データを出力してもよい。

信号送受信ユニット１は、計測対象の加熱・冷却に関する情報を制御入力として受け取り、計測対象の温度変化量を予測して周波数の変化量の範囲を予測することで、送信電波の周波数更新量を変更する制御を行ってもよい。

信号送受信ユニット１は、計算した温度が所定の第１の閾値以上の場合、又は所定の第２の閾値以下の場合、又は温度が所定の第１の閾値以上の場合及び温度が所定の第２の閾値以下の場合の両方で、音、ライト、表示画面などで、アラートを外部に送信する機能を備えてもよい。

図２は、実施の形態に係る温度計測装置の信号送受信ユニット１のハードウェア構成の例を示す図である。信号送受信ユニット１は、プログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）などのプロセッサ１０１と、記憶装置としてのメモリ１０２と、不揮発性の記憶装置１０３と、送信部７と、受信部９とを有している。また、信号送受信ユニット１は、単一回路、複合回路、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）などの処理回路で構成されてもよい。信号送受信ユニット１を処理回路で構成する場合、処理回路はプロセッサ１０１と、プロセッサ１０１によって実行されるプログラムを記憶するメモリ１０２とを含んでもよい。

記憶装置１０３は、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）又はＳＳＤ（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅ）などのストレージである。メモリ１０２は、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）などの半導体メモリである。

図３は、センサユニット２の共振特性が検温素子４の温度Θ（すなわち、計測対象の温度）に応じて変化することを示す図である。センサユニット２の検温素子４は、計測対象の温度Θによって共振周波数ｘ^＊（Θ）が変化する特性を持つ。

信号送受信ユニット１の第１のアンテナ８から、センサユニット２の第２のアンテナ５へ送信電波を送信すると、センサユニット２から応答電波が反射される。応答電波は、計測対象の温度Θに応じた共振特性の信号強度分布を持つ。信号送受信ユニット１では、受信部９は、センサユニット２からの応答電波を第１のアンテナ８で受信し、信号強度又は直交位相振幅を計算する。

図３は、計測対象の温度ΘがΘ_１のときのセンサユニット２の共振特性（共振周波数はｘ^＊（Θ_１）である。）と、温度ΘがΘ_２のときのセンサユニット２の共振特性（共振周波数はｘ^＊（Θ_２）である。）とを示している。ここで、共振特性とは、各周波数の送信電波を信号送受信ユニット１から送信したときに、センサユニット２から反射された応答電波を信号送受信ユニット１で受信したときの信号強度［ａ．ｕ．］の分布のことである。図３に示されるように、計測対象の温度Θに応じて、センサユニット２の共振周波数ｘ^＊（Θ）が変化する。なお、各図において、ａ．ｕ．は、任意単位（ａｒｂｉｔｒａｒｙｕｎｉｔｙ）を示す。

図４（Ａ）は、センサユニット２の検温素子４の共振周波数ｘ^＊（Θ）の温度特性の例を示す図である。図４（Ａ）は、温度ΘがΘ_１であるときの共振周波数がｘ^＊（Θ_１）であり、温度ΘがΘ_２に上がったときの共振周波数がｘ^＊（Θ_２）であることを示している。

図４（Ｂ）は、信号送受信ユニット１の温度換算部１２がセンサユニット２の共振周波数の推定値“ｘ^＊～”から温度（すなわち、温度の換算値）

を計算することで、センサユニット２が取り付けられた計測対象の温度を推定することができることを示す図である。

本出願では、

を、“Θ^～”とも表記する。

図５（Ａ）及び（Ｂ）は、特許文献１に示される比較例の温度計測装置の動作を示す図である。比較例の温度計測装置では、時刻０からＴの間で、信号送受信ユニットからセンサユニットに送信信号を送信し、時刻Ｔから２Ｔの間で、信号送受信ユニットはセンサユニットからの応答電波である残響信号の強度に基づいて共振周波数ｘ^＊を推定する。続いて、時刻２Ｔから３Ｔの間で、信号送受信ユニットからセンサユニットに送信信号を送信し、時刻３Ｔから４Ｔの間で、信号送受信ユニットはセンサユニットからの応答電波である残響信号の強度に基づいて共振周波数ｘ^＊の推定値ｘ^＊～を計算する。このように、比較例では、送信期間と受信期間とが別々に設定されていたので、信期間と受信期間との合計の時間である２Ｔの間隔で共振周波数ｘ^＊を推定する。

図６（Ａ）及び（Ｂ）は、実施の形態に係る温度計測装置の動作を示す図である。実施の形態に係る温度計測装置では、時刻０からＴの間で、信号送受信ユニット１からセンサユニット２に送信信号を送信し、時刻Ｔから２Ｔの間で、信号送受信ユニット１はセンサユニット２からの応答電波の強度に基づいて共振周波数ｘ^＊の推定値“ｘ^＊～ _１”を計算する。続いて、時刻Ｔから２Ｔの間で、信号送受信ユニット１からセンサユニット２に送信信号を送信し、時刻２Ｔから３Ｔの間で、信号送受信ユニット１はセンサユニット２からの応答電波の強度に基づいて共振周波数ｘ^＊を推定値“ｘ^＊～ _２”を計算する。続いて、時刻２Ｔから３Ｔの間で、信号送受信ユニットからセンサユニットに送信信号を送信し、時刻３Ｔから４Ｔの間で、信号送受信ユニットはセンサユニットからの応答電波の強度に基づいて共振周波数ｘ^＊を推定値“ｘ^＊～ _３”を計算する。このように、実施の形態に係る温度計測装置では、時間Ｔの間隔で共振周波数ｘ^＊を推定する。なお、実施の形態に係る温度計測装置の共振周波数の推定には、センサユニット２の残響信号ではなく、過渡応答信号が用いられる。

図７は、実施の形態に係る温度計測装置の動作を示すフローチャートである。ステップＳ１において、信号送受信ユニット１の信号処理部３は、先ず、測定番号を表す変数ｉを０として、送信電波の周波数ｘ_ｉとして予め決められた初期値の周波数ｘ_０，ｘ_１を設定する。

ステップＳ２において、信号送受信ユニット１の信号処理部３は、周波数ｘ_０，ｘ_１の送信電波に対する、センサユニット２からの応答電波の信号強度Ａ_０，Ａ_１を測定する。

ステップＳ３において、信号送受信ユニット１の信号処理部３は、送信電波の周波数として周波数ｘ_１を設定する。

ループＬ１（開始）において、信号送受信ユニット１の信号処理部３は、変数ｉを１増加させ（ｉ←ｉ＋１）て、ステップＳ４からＳ７を実行する。

ステップＳ４において、信号送受信ユニット１の信号処理部３は、送信周波数ｘ_ｉの送信電波に対する、センサユニット２からの応答電波の信号強度Ａ_ｉを測定する。

ステップＳ５において、信号送受信ユニット１の信号処理部３は、今回の測定結果（ｘ_ｉ，Ａ_ｉ）と１回前の測定結果（ｘ_ｉ－１，Ａ_ｉ－１）とに基づいて、センサユニット２の共振周波数の推定値“ｘ^＊～ _ｉ”計算する。

ステップＳ６において、信号送受信ユニット１の信号処理部３は、センサユニット２の共振周波数の推定値“ｘ^＊～ _ｉ”を温度

に換算する。また、本出願において、温度

は、“Θ^～ _ｉ”とも表記する。

ステップＳ７において、信号送受信ユニット１の信号処理部３は、共振周波数の推定値“ｘ^＊～ _ｉ”と送信電波の周波数ｘ_ｉ及びｘ_ｉ－１とから、次回の送信電波の周波数ｘ_ｉ＋１を設定する。その後、処理は、ループＬ１（開始）に戻り、終了指令を受領するまで、ループＬ１の処理であるステップＳ４からＳ７を繰り返す。

図８は、図７のステップＳ１からＳ３の処理を示す図である。まず、予め、信号処理部３は、周波数制御部６で送信電波の周波数ｘを掃引して、応答電波の信号強度の共振特性Ａ（ｘ）を測定し、応答信号の強度分布のピーク値である共振ピーク値Ａ^＊及び半値半幅σを計算する。

図７のステップＳ１では、信号送受信ユニット１の信号処理部３は、共振周波数の初期推定値

を基に、第１の周波数を共振周波数より低周波側に、第２の周波数を共振周波数より高周波側になるように、送信周波数の初期値ｘ_０及びｘ_１を決める。また、本出願において、共振周波数の初期推定値

は、“ｘ^＊～ _０”とも表記する。

共振周波数の初期推定値“ｘ^＊～ _０”は、例えば、別の温度センサで計測した周囲環境温度Θ_Ｅとセンサユニット２の共振周波数の温度特性（図４（Ａ））から計算した以下の共振周波数としてもよい。

或いは、共振周波数の初期推定値“ｘ^＊～ _０”は、予め得られた共振特性Ａ（ｘ）から計算した以下の共振周波数としてもよい。

或いは、共振特性が極小特性の場合は、共振周波数の初期推定値“ｘ^＊～ _０”は、予め得られた共振特性Ａ（ｘ）から計算した以下の共振周波数としてもよい。

また、信号処理部３は、送信周波数の初期値ｘ_０，ｘ_１を、例えば、共振周波数ｘ^＊（Θ）と共振特性の半値半幅σとを用いて、以下のように設定することができる。
ｘ_０＝ｘ^＊（Θ）－σ
ｘ_１＝ｘ^＊（Θ）＋σ

計測対象の温度Θは、時間によって変化し、それに伴い、共振周波数ｘ^＊（Θ）も時間によって変化すると考えられる。

そこで、信号処理部３は、共振周波数の推定値“ｘ^＊～ _ｉ”を精度よく計算するために、送信周波数の値を共振特性の傾きが急峻な領域、すなわち、共振周波数から半値幅離れた２つの周波数（ｘ^＊＋σ）と（ｘ^＊－σ）の近傍の値になるよう、周波数制御部６で第１の周波数と第２の周波数を更新する（ステップＳ４以降）。共振特性の傾きが急峻な領域では、周波数の変化に対して信号強度の変化が大きいため、測定した信号強度の変化から周波数の変化を推定しやすい。

図９（Ａ）及び（Ｂ）は、図７のステップＳ５における共振周波数の推定値“ｘ^＊～ _ｉ”の計算方法の例を示す図である。図９（Ａ）は、第１の周波数から共振周波数の推定値“ｘ^＊～ _ｉ”を計算する例を示し、図９（Ｂ）は、第２の周波数から共振周波数の推定値“ｘ^＊～ _ｉ”を計算する例を示す。図９（Ａ）及び（Ｂ）は、共振特性が極大特性の場合を示す。

図９（Ａ）では、ｘ_ｉ＜ｘ_ｉ－１であり、ｘ_ｉが第１の周波数であり、共振周波数ｘ^＊（Θ）より十分小さく設定しているため、信号処理部３は、ｘ_ｉ≦ｘ^＊（Θ）と仮定して共振周波数の推定値“ｘ^＊～ _ｉ”を計算する。信号処理部３は、共振周波数ｘ^＊（Θ）より低周波側の共振特性を基に信号強度Ａ_ｉからｘ^＊（Θ）とｘ_ｉの周波数差Δｘ＜０を算出する。

図９（Ｂ）では、ｘ_ｉ－１＜ｘ_ｉであり、ｘ_ｉが第２の周波数であり、共振周波数ｘ^＊（Θ）より十分大きく設定しているため、信号処理部３は、ｘ^＊（Θ）≦ｘ_ｉと仮定して共振周波数の推定値“ｘ^＊～ _ｉ”を計算する。信号処理部３は、共振周波数ｘ^＊（Θ）より高周波側の共振特性を基に信号強度Ａ_ｉからｘ^＊（Θ）とｘ_ｉの周波数差Δｘ＞０を算出する。

共振周波数の推定値“ｘ^＊～ _ｉ”は、周波数差Δｘを用いて以下の式で表される。

Δｘの算出方法としては、以下の方法がある。例えば、検温素子４の共振特性がローレンツ関数形の場合、共振特性を以下の式

のように置くと、Ａ（ｘ^＊＋Δｘ）＝Ａ_ｉの解Δｘは、以下の式のようになる。

この式では、図９（Ａ）に示すｘ_ｉ＜ｘ_ｉ－１の場合は、負の解を用い、図９（Ｂ）に示すｘ_ｉ－１＜ｘ_ｉの場合は、正の解を用いる。

図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、図７のステップＳ５における共振周波数の推定値“ｘ^＊～ _ｉ”の計算方法の例を示す図である。図１０（Ａ）は、第１の周波数から共振周波数の推定値を計算する例を示し、図１０（Ｂ）は、第２の周波数から共振周波数の推定値を計算する例を示す。図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、共振特性が極小特性の場合を示す。図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、共振特性が極小特性の場合を示す点を除き、共振特性が極大特性の場合を示す図９（Ａ）及び（Ｂ）の場合と同様である。

図１１（Ａ）から（Ｃ）は、共振周波数の推定方法の他の例を示す図である。図１１（Ａ）は、信号強度の測定を示し、図１１（Ｂ）は、共振特性の差分特性を示し、図１１（Ｃ）共振周波数の推定を示す。

図１１（Ａ）に示すように、信号処理部３は、ｉ－１番目の測定結果（ｘ_ｉ－１，Ａ_ｉ－１）と、ｉ番目の測定結果（ｘ_ｉ，Ａ_ｉ）を取得する。信号処理部３は、周波数の差分ｗと、信号強度の差分ΔＡ_ｉとをそれぞれ計算する。ｗは、周波数の差分の半幅を示し、以下の式によってｗが計算される。

信号強度の差分ΔＡは、以下の式によって計算される。
ΔＡ_ｉ＝Ａ_ｉ－Ａ_ｉ－1

図１１（Ｂ）に、共振特性の差分特性Ｂ（ｘ；ｗ）から周波数差Δｘを計算する例を示す。

図１１（Ｃ）に、計算したΔｘと平均周波数

とから共振周波数を以下の式で推定する。

図１２は、共振特性の差分特性Ｂ（ｘ；ｗ）の計算の例を示す図である。ステップＳ１で予め得られた共振特性を、Ａ（ｘ）とおくと、共振特性がローレンツ関数形の場合、共振特性は以下の式のようになる。

差分特性として、離調ξは、以下の式で表される。
ξ＝ｘ－ｘ^＊

差分特性Ｂ（ｘ；ｗ）は、離調ξを用いて以下のように定義される。

以下の式

を解いて、解ξ＝Δｘを得る。

図１３は、共振特性の差分特性の計算の他の例を示す図である。Δｘの近似的な計算方法として、差分特性を原点（共振点）で線形化して求める方法がある。原点におけるＢ（ξ；ｗ）の傾きを“ａ”とすると、以下の式が成立する。

また、

と線形近似した方程式を解いて、解

として、Δｘを近似的に求めてもよい。

また、微分係数を用いた解法として、以下の式

を用いて、

と一次微分係数を近似した方程式を解いて解ξ＝Δｘを計算してもよい。

図１４（Ａ）及び（Ｂ）は、図７のステップＳ７における送信電波の周波数の設定の例を示す図である。図１４（Ａ）及び（Ｂ）は、共振特性が極大特性の場合を示す。図１４（Ａ）は、ｘ_ｉ＜ｘ_ｉ－１の場合を示し、図１４（Ｂ）は、ｘ_ｉ－１＜ｘ_ｉの場合を示す。

図７のステップＳ７では、共振周波数の推定値

と送信電波の周波数ｘ_ｉ，ｘ_ｉ－１との関係から、次回の送信電波の周波数ｘ_ｉ＋１を設定する。

δを所定の周波数更新量とした場合にｘ_ｉ＜ｘ_ｉ－１ならば、以下のように送信電波の周波数ｘ_ｉ＋１を設定する。

δを所定の周波数更新量とした場合にｘ_ｉ－１＜ｘ_ｉならば、以下のように送信電波の周波数ｘ_ｉ＋１を設定する。

図１５（Ａ）から（Ｃ）及び図１６（Ａ）から（Ｃ）は、図７のステップＳ７における送信電波の周波数の設定の他の例を示す図である。図１５（Ａ）から（Ｃ）及び図１６（Ａ）から（Ｃ）は、共振特性が極大特性の場合を示す。

共振周波数の推定値

と送信電波の周波数ｘ_ｉ，ｘ_ｉ－１との関係から、次回の送信電波の周波数ｘ_ｉ＋１を設定する。δを所定の周波数更新量とし、

をｘ_ｉ，ｘ_ｉ－１の平均周波数としたときに、平均値は以下の式で表される。

ならば、ｘ_ｉ＋１＝ｘ_ｉ－１－δである。

ならば、ｘ_ｉ＋１＝ｘ_ｉ－１である。

ならば、ｘ_ｉ＋１＝ｘ_ｉ－１＋δである。

この方法では、送信電波がδステップで更新されるため、送信部７の構成が簡便にできる。例えば、所定の周波数更新量δを、δ＝σ／１０としてもよい。

以上に説明したように、実施の形態に係る温度計測装置によれば、対象の温度の過渡応答を計測することができる。また、１回の温度推定に必要な時間を短くすることができるため、温度が短時間に時間変化する計測対象の温度過渡応答を計測することができる。

また、計測対象の温度変化によって検温素子４の共振周波数が変化しても、現時刻の共振周波数を推定することができる。

また、２つの信号強度の差分から共振周波数を推定しているため、受信部の信号強度のオフセットの揺らぎ（低周波ノイズ）を打ち消すことができ、共振周波数の推定精度が向上する。

また、送信周波数を共振周波数の推定に適した値になるように逐次変更するので、温度の計測精度が向上する。

１信号送受信ユニット、２センサユニット、３信号処理部、４検温素子、５第２のアンテナ、６周波数制御部、７送信部、８第１のアンテナ、９受信部、１０記憶部、１１共振周波数推定部、１２温度換算部、 Θ 温度、ｘ^＊（Θ）共振周波数。

Claims

第１のアンテナと信号処理部とを有する信号送受信ユニットと、
第２のアンテナと検温素子とを有するセンサユニットと、
を有し、
前記検温素子は、
計測対象の温度に応じて共振周波数が変化する共振特性を持ち、
前記第１のアンテナから送信された送信電波を前記第２のアンテナを介して受信しながら、前記共振周波数を反映した応答電波を前記第２のアンテナを介して送信し、
前記信号処理部は、
前記送信電波を生成しながら前記応答電波を前記第１のアンテナを介して受信し、
異なる２つ以上の送信周波数の前記送信電波の各々に対する前記応答電波の信号強度に基づいて前記検温素子の前記共振周波数の推定値を計算し、
前記共振周波数の前記推定値に基づいて前記送信周波数を制御し、
前記信号送受信ユニットは、
前記共振周波数より小さい第１の周波数の送信電波と、前記共振周波数より大きい第２の周波数の送信電波とをそれぞれ送信して、
前記第１の周波数の送信電波に対する前記センサユニットの応答電波の第１の信号強度と、前記第２の周波数の送信電波に対する前記センサユニットの応答電波の第２の信号強度とをそれぞれ測定し、
前記第１の周波数、前記第２の周波数、前記第１の信号強度、及び前記第２の信号強度に基づいて前記共振周波数の前記推定値を計算し、
前記推定値に基づいて、前記第１の周波数が前記共振周波数より小さく、前記第２の周波数が前記共振周波数より大きくなるように制御し、前記計測対象の温度変化に追従して、前記送信周波数を逐次変更する
ことを特徴とする温度計測装置。
前記信号送受信ユニットは、
前記第１の周波数の送信電波と前記第２の周波数の送信電波とを周期的に交互に送信し、前記第１の周波数の送信電波と前記第２の周波数の送信電波とのそれぞれに対する前記センサユニットの前記応答電波の信号強度を記憶し、
前記第１の周波数又は前記第２の周波数の測定結果と、記憶部に記録した測定結果とを参照することで、各測定毎に検温素子の共振周波数の推定値を計算する
ことを特徴とする請求項１に記載の温度計測装置。
前記信号送受信ユニットは、
前記第１の周波数の送信電波を送信してセンサユニットの応答電波の第１の信号強度を計測し、前記第２の周波数の送信電波を送信してセンサユニットの応答電波の第２の信号強度を計測し、
前記第１の周波数と前記第２の周波数との周波数差分と、前記第１の信号強度と前記第２の信号強度との信号強度差分とを計算し、前記検温素子の共振特性の差分特性をもとに、前記信号強度差分から、前記第１の周波数又は前記第２の周波数又は前記第１の周波数と前記第２の周波数の中心周波数と前記共振周波数との周波数差分を推定することで、前記共振周波数の前記推定値を計算する
ことを特徴とする請求項１に記載の温度計測装置。
前記信号送受信ユニットは、
前記共振周波数より小さい第１の周波数の送信電波を送信して前記センサユニットの応答電波の第１の信号強度を計測し、
前記共振周波数より大きい第２の周波数の送信電波を送信して前記センサユニットの応答電波の第２の信号強度を計測し、
前記第１の周波数と前記第２の周波数の周波数差分と、前記第１の信号強度と前記第２の信号強度の信号強度差分から一次微分係数を計算し、
前記検温素子の共振特性の一次微分特性をもとに、前記一次微分係数から、前記第１の周波数、前記第２の周波数、又は前記第１の周波数と前記第２の周波数の中心周波数との周波数差分を推定することで、前記共振周波数の推定値を計算する
ことを特徴とする請求項１に記載の温度計測装置。
前記信号送受信ユニットは、
推定した検温素子の共振周波数の前記推定値を基に、前記第１の周波数を前記共振周波数の推定値から所定の周波数だけ小さい値に変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の温度計測装置。
前記信号送受信ユニットは、
前記共振周波数の前記推定値を基に、前記第２の周波数を前記共振周波数の推定値から所定の周波数だけ大きい値に変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の温度計測装置。
前記信号送受信ユニットは、
前記共振周波数の前記推定値を基に、前記第１の周波数と前記第２の周波数との平均値である平均周波数と、前記共振周波数の推定値とを比較し、
前記推定値が前記平均周波数より小さい場合は、前記第１の周波数又は前記第２の周波数を所定の周波数だけ減少させ、
前記推定値が前記平均周波数より大きい場合は、前記第１の周波数又は前記第２の周波数を所定の周波数だけ増加させる
ことを特徴とする請求項１に記載の温度計測装置。
前記信号送受信ユニットは、計測対象の加熱・冷却に関する情報を制御入力として受け、計測対象の温度変化量を予測して周波数の変化量の範囲を予測することで、送信電波の周波数更新量を変更する
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の温度計測装置。