(57)【要約】【課題】振幅変動の影響を受けにくく、かつ実用的に超音波受波時刻を測定可能にすることで安定した測定が可能な温度測定方法及び温度測定装置の提供を目的とする。【解決手段】送波器から送波された超音波を、送波器と同一又は異なる受波器で受波し、測定対象となる領域を伝搬する伝搬時間を測定することで超音波の伝搬速度を算出し、当該領域の温度を測定する方法であって、受波側の包絡線ピーク点を受波時刻の基準点に設定し、所定時間正位相波を送信した後に、振幅および波数が制御された逆位相波を送信することで、受波時刻の検出精度を向上させ、温度測定の精度を向上させたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送波器から送波された超音波を、送波器と同一又は異なる受波器で受波し、
測定対象となる領域を伝搬する伝搬時間を測定することで超音波の伝搬速度を算出し、当該領域の温度を測定する方法であって、
受波側の包絡線ピーク点を受波時刻の基準点に設定し、所定時間正位相波を送信した後に、振幅および波数が制御された逆位相波を送信することで、受波時刻の検出精度を向上させ、温度測定の精度を向上させたことを特徴とする超音波を用いた温度測定方法。
【請求項２】
正位相波の駆動信号の振幅よりも、逆位相波の駆動信号の振幅の方が大きいこと、又は／および正位相波の駆動信号の波数よりも、逆位相波の駆動信号の波数の方が少ないことを特徴とする請求項１記載の超音波を用いた温度測定方法。
【請求項３】
受波した包絡線ピーク時刻を基準としてその整数倍周期後のゼロクロス点の時刻を検出することで受波時刻の検出精度を向上させたことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波を用いた温度測定方法。
【請求項４】
超音波を送波する送波器と、当該送波器と同一又は異なる受波器を備え、
測定対象となる領域を伝搬する伝搬時間を測定することで超音波の伝搬速度を算出し、当該領域の温度を測定できる温度測定装置であって、
所定時間正位相波を送信した後に、振幅および波数を任意に制御可能な逆位相波を送信するための送信制御手段と、包絡線ピーク時刻検出手段とを有することを特徴とする超音波を用いた温度測定装置。
【請求項５】
包絡線ピーク時刻検出手段を用いて、当該包絡線ピーク時刻を基準としてその整数倍周期後のゼロクロス点の時刻を検出するゼロクロス時刻検出手段を有していることを特徴とする請求項４記載の超音波を用いた温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波を用いた非接触型の温度測定方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、温度測定には熱電対、サーミスタ、アルコール温度計などが用いられている。
これらの温度測定法ではセンサが接触した部分の温度を測定するため、空間の一点の温度しか測定することができない。
空間の全領域の温度を測定するためにはセンサを多数設置しなければならず、大がかりになり、高コストになる問題があった。
そこで、例えば特開２００３−１３０７３５号公報または特開２０００−３２９６２３号公報に、超音波を用いて空間領域の温度を非接触で測定する方法が開示されている。
超音波を用いた温度測定では伝搬経路の平均温度を非接触で測定でき、センサ自体の熱容量を考慮する必要がないため、従来センサより比較的優れた応答性を持つ。
さらに、超音波の伝搬経路を複数変えることで、空間内に多数のセンサを配置することなく非接触で温度分布を測定できる。
【０００３】
このような特徴を持つ超音波温度測定は、実開平１−１０７９４２号公報に開示されている室内、特開平６−１９４２３７号公報に開示されている車両および非特許文献１において報告されているビニールハウスなどにおける長距離空間の空調等に関する温度監視技術への適用が期待できる。
【０００４】
その空中超音波を用いた温度測定方法としては、伝搬速度が温度に依存することを利用する方法が公知であり、この場合、超音波の伝搬時間を正確に求めることが必要となる。
しかし、一般的に実用されている汎用圧電型超音波センサは、その感度を高めるために狭帯域の共振器を利用することから、包絡線が矩形のパルスで駆動しても、送波信号の波形は変形してしまう。
その送波信号は十分な振幅レベルに達するまで波数が必要であり、受波した第一波を特定することが困難である。
広帯域のスピーカやマイクロフォンも市販されているが、これらは高価または大型といった課題がある。
また、仮に包絡線が矩形の超音波を送波できたとしても、周波数に依存する高い伝搬減衰の影響から、超音波の伝搬過程において波形が変形してしまう。
その対策として、受波した第一波ではなく、受波基準時刻を設定することが必要となる。
基準時刻の設定方法としては、従来、電圧閾値に対応する時刻を利用する方法が広く用いられている。
しかし、実際は、例えば気流の影響や湿度変化などの要因により超音波信号の振幅が変動または変形すると、正確な受波時刻の決定が困難となる。
閾値を用いた方法は一般的にS/Nが悪く、高精度な計測は困難である。
閾値を用いる方法の改善策として、時間情報と位相情報を組み合わせる方法が、例えば特開平６−１９４２３７号公報に開示されている。
しかし、この方法は原理的には時間情報を超音波の周期以下の誤差で決定する必要があり、従来の閾値を用いた時刻測定法では、特にS/Nが低い環境において十分な精度が得られない場合が多い。
時間情報を超音波の周期以下の誤差で決定できない場合には、例えば特開平６−１９４２３７号公報に開示されているように測定前後の位相変化量が一周期を超えたかを判別して補正することで対応可能であるが、常に位相を測定する必要があるうえ、突発的に大きく温度が変化すると対応が困難である。
他の手法として、例えば非特許文献３において振幅および位相変調信号により形成した超音波波形の振幅ゼロとなる位相変調点を用いる手法、または非特許文献２にあるような包絡線ピーク時刻を用いる手法が提案されている。
しかし、前者は、振幅ゼロ付近を用いるためＳ／Ｎが悪く、後者は、汎用センサより送波された超音波は波形の立ち上がりおよび減衰が緩やかであり包絡線がなだらかであるため、ピーク時刻の検出が容易ではない。
また、受波信号と参照波との相関をとる方法に基づいた技術を導入することも考えられる。
しかし、一般的に長い時間の波形が必要であり、直接到達波と障害物からの反射波が干渉するマルチパスの影響や計算処理が複雑といった問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１３０７３５号公報
【特許文献２】特開２０００−３２９６２３号公報
【特許文献３】特開平６−１９４２３７号公報
【特許文献４】実開平１−１０７９４２号公報
【特許文献５】特開２００７−８５８６７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】工藤  他，植物環境工学，17 (3) (2005) 121
【非特許文献２】J. F. Figueroa et al., J. Acoust. Soc. Amer., 91 (1) (1992) 486.
【非特許文献３】Y. S. Huang et al., Rev. Sci. Instrum., 78 (2007) 115102.
【非特許文献４】菊池 他, 東北大学電通談話会記録, 40 ,4 (1971) 219.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記背景技術に鑑みて、振幅変動の影響を受けにくく、かつ実用的に超音波受波時刻を測定可能にすることで安定した測定が可能な温度測定方法及び温度測定装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る超音波を用いた温度測定方法は、送波器から送波された超音波を、送波器と同一又は異なる受波器で受波し、測定対象となる領域を伝搬する伝搬時間を測定することで超音波の伝搬速度を算出し、当該領域の温度を測定する方法であって、受波側の包絡線ピーク点を受波時刻の基準点に設定し、所定時間正位相波を送信した後に、振幅および波数が制御された逆位相波を送信することで、受波時刻の検出精度を向上させ、温度測定の精度を向上させたことを特徴とする。
ここで、正位相波の駆動信号の振幅よりも、逆位相波の駆動信号の振幅の方が大きく、また正位相波の駆動信号の波数よりも、逆位相波の駆動信号の波数の方が少ない点にも特徴を有する。
また、受波した包絡線ピーク時刻を基準としてその整数倍周期後のゼロクロス点の時刻を検出することで受波時刻の検出精度を向上させてもよい。
【０００９】
本発明に係る超音波を用いた温度測定装置は、超音波を送波する送波器と、当該送波器と同一又は異なる受波器を備え、測定対象となる領域を伝搬する伝搬時間を測定することで超音波の伝搬速度を算出し、当該領域の温度を測定できる温度測定装置であって、所定時間正位相波を送信した後に振幅および波数を任意に制御可能な逆位相波を送信するための送信制御手段と、包絡線ピーク時刻検出手段とを有することを特徴とする。
ここで、包絡線ピーク時刻検出手段を用いて、当該包絡線ピーク時刻の整数倍周期後のゼロクロス点の時刻を検出するゼロクロス時刻検出手段を有していてもよい。
【００１０】
次に本発明の測定原理について説明する。
例えば発振器から発振した駆動信号を汎用の送波器に印加して信号を送波すると図１（ａ）に示すような超音波波形になる。
図１（ａ）示す超音波波形に対して逆位相の信号（図１（ｂ））を加えることで、図１（ａ）のピーク付近から始まる残留振動を抑制でき、包絡線のピーク点を強調させる（図１（ｃ））ことが可能である。
これにより、包絡線ピーク点を明確にでき、超音波受波時刻の基準点を高精度に検出できる。
特に、より少ない測定点数またはより狭い波形測定範囲での時刻検出を可能とする。
さらに図１（ｄ）に示すように、包絡線ピーク時刻（同図中○）の整数倍周期後（図１（ｄ）の例では０周期後）のゼロクロス点の時刻を検出することで、より高精度な計測が可能となる。
これは、どのゼロクロス点に着目するかを決める長いものさしをピーク時刻により正確に決定でき、最終的な短いものさしは振幅変動の影響を受けない位相レベルの計測で求めることができるためである。
【００１１】
以上の信号処理手順の一形態を示したブロック図を図２に示す。
はじめに包絡線導出手段１１にて超音波受波波形の包絡線を求め、包絡線ピーク時刻検出手段１２にてそのピーク時刻を求める。
次に、位相検出手段１３にて求めたゼロクロス点とピーク時刻との時間差を最終時間差決定手段１４にて求め、その時間差が最小となるゼロクロス点またはその整数倍周期後のゼロクロス点を受波時刻とする。
さらに、一定の基準温度において校正した送受波信号間の時間差に、温度が基準値から変化したときの受波時刻の変化量を加えることで、最終的な送受波信号間の時間差Ｔを最終時間差決定手段１４にて決定できる。
この時間差Ｔと既知の超音波伝搬距離Ｌを用いて、次式により伝搬速度ｃを求める。
【数１】
2010217046.tif 000003
超音波の伝搬速度ｃと超音波が伝搬した経路の平均温度ｔには次式の関係がある。
【数２】
2010217046.tif 000004
ただし式（２）は湿度が０％のときの関係式であるため、ある湿度の伝搬速度ｃｈと湿度０％時の伝搬速度ｃｄの比ＣＦｈ（湿度の補正係数）を求め、ｃｈおよびＣＦｈを次式に代入することで温度ｔを算出する。
【数３】
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ＣＦｈは温度と相対湿度の関数となっており、相対湿度を測定することで求めることができる。
式（１）により求めた伝搬速度をｃｈとし、式（３）に代入することで、温度ｔを算出する。
【００１２】
逆位相信号を用いたことで超音波信号の残留振動を抑制し、包絡線ピーク点を明確にすることで、受波時刻を高精度に検出できる。
特に、より少ない測定点数またはより狭い波形測定範囲での時刻検出が可能である。
さらに位相情報と組み合わせることで、振幅変動の影響をほとんど受けない、より高精度な温度計測システムとなる。
また、逆位相信号の導入により包絡線ピーク位置を早い時刻に形成できるうえピーク付近が鋭いことから比較的マルチパスに強い実用的なシステムとなる。
【００１３】
なお、超音波分野において２つの駆動信号により他方の残留振動を打ち消す概念は、例えば非特許文献４にあるような水中用の超音波センサに関する検討がほとんどであり、その目的も制動信号により残留振動をきれいに打ち消すことで超音波パルス幅の特性を改善する点にある。
空中用のセンサへの応用例は、例えば特開２００７−８５８６７号公報に開示されている。
しかし、この例も上記目的と同様である。
一方、本発明は、超音波が受波した特徴的な基準時刻を形成することで正確に超音波伝搬時間を決定しようとするものであり、この点において上記手法とは異なり、そのために逆位相信号の振幅を大きく変化させるなどの特徴を有している。
通常、逆位相信号の振幅を大きくすると過制動となるためそのような概念は考え難いが、本発明の目的達成のためには有効な手法となる。
このようにピーク点を鋭くすることで、時刻検出の精度の向上およびマルチパスの影響の低減を目的としている。
さらに本発明はこのようにして求めた時刻と位相情報とを組み合わせることでより一層時刻検出精度を向上させ、高精度に空間温度を測定することに特徴を有するものであり、従来技術とは目的と手法が異なるものである。
【発明の効果】
【００１４】
従来は熱電対、サーミスタ、アルコール温度計などにより測定空間の一部の温度を測定していたが、本発明システムにより送受波一組の超音波センサにより空間の平均温度を非接触で計測することが可能となる。
あるいは、複数のセンサを測定空間内に配置するといった大掛かりな設備を導入することなく非接触で温度計測が可能となる。
さらに、超音波はセンサ自体の熱容量を考慮する必要がないため従来センサより比較的優れた応答性を有した温度計測が可能となる。
【００１５】
特定領域の空間温度を非接触で測定できるという特徴から、長距離空間の温度計測への応用が期待できる。
空気中の超音波は周波数に依存した伝搬減衰が大きいため、長距離を対象とした温度計測では十分なＳ／Ｎを得ることが困難であるが、本発明システムを利用することで、低いＳ／Ｎの環境下においても高精度な温度計測が可能となる。
このような特徴により、１０ｍ前後を対象とした長距離の空間平均温度を非接触で測定可能となる。
【００１６】
また、室内における壁面反射を利用した室内環境の温度監視および温度制御技術への適用も期待できる。
超音波の反射波を用いた計測は伝搬距離が透過法の２倍と長くなるため、高いＳ／Ｎを有するシステムが要求されるが、本発明システムを利用することでこれを実現できる。
さらに複数の壁面からの反射波を用いれば、少数の超音波センサにより室内の各領域の温度を非接触で測定できる可能性も有している。
【００１７】
また、上記温度計測の際に超音波伝搬経路付近に障害物がある場合でも、本システムを用いることで、障害物からの反射波の影響を受けにくく、実用上での制約を低減できる。
以上のような本発明により、多様な応用が可能であり、省エネルギーや快適空間を支援することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る超音波伝搬時間測定の原理説明図を示す。
【図２】本発明に係る信号処理手段のフロー図の例を示す。
【図３】本発明に係る温度測定装置のシステム構成例を示す。
【図４】本発明に係る駆動信号例（ａ）とその受波波形（ｂ）の例を示す。
【図５】従来の駆動信号例（ａ）とその受波波形（ｂ）の例を示す。
【図６】逆位相信号の振幅比ｋと波数ｎを変えた場合の３ｄＢパルス幅の評価の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図２の構成に基づいた温度測定装置の一実施例を示すシステム構成図を図３に示す。
発振器２１から発振した駆動信号を増幅器２２にて増幅した後、送波器２３に印加することで、空気中に超音波を送波させ、空気中を距離Ｌだけ伝搬した超音波を受波器２４で受波する。
送波器を駆動する信号とその受波波形の一例を図４（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す。
同図における最初の正位相信号は、発生する超音波信号をある程度立ち上がらせ、適切な振幅レベルを得るための信号である。
次の逆位相の信号は、上記原理に基づき、図５（ａ）の信号で駆動したときの従来の受波波形［図５（ｂ）］のピーク付近以降の残留振動を抑制させ、包絡線のピーク点を明確にするための信号である。
図４（ａ）におけるｖ１とｖ２の振幅比をｋ＝ｖ２／ｖ１とし、逆位相信号の波数をｎ、正位相信号に対する逆位相信号の遅延時間ｔｄとする。
振幅比ｋと波数ｎを変化させ（ｔｄ＝２０Ｔｐｅｒｉｏｄ（Ｔｐｅｒｉｏｄは超音波の周期））、包絡線の鋭さの指標として受波波形の包絡線の３ｄＢ幅を求めた結果を図６のグラフに示す。
同グラフより、振幅比ｋ＝１とした場合はｎ＝１０程度で十分であった。
また、ｋ＝１、ｎ＝１０よりも、ｋを大きくしたほうが３ｄＢ幅を短くでき、効果的であることがわかった。
さらに、ｋ=２ではｎ＝４、ｋ＝５ではｎ＝３、ｋ=１０および２０ではｎ＝２程度の少ない波数で十分であることが明らかになった。
消費電力量と同グラフの結果を考慮するとｋを１０以上に大きくすることは効率的ではない。
以上より、ｋ=１〜１０の範囲でｎを必要最小限としたうえで、精度や消費電力量など目的に応じて設定すればよい。
一例として、ｋ＝１０、ｎ＝２の受波波形例は図４（ｂ）に示す通りであり、図５（ｂ）の従来波形に比べてピーク点が鋭くかつ明確であることがわかる。
包絡線の変局点の変化量が大きいことからピーク点を高精度に検出できる。
また、パルス幅が短いことから波形解析範囲も従来に比べて狭くてよいため、少数点数での測定やマルチパスの影響を受けにくいといった特徴を有する。
遅延時関ｔｄについては、これを短くすることでピーク点を早い時刻で形成し、直接到達波と障害物による反射波との識別を容易にするように構成してもよい。
受波器２４で受波したアナログ信号を増幅器２５にて増幅した後、Ａ／Ｄ変換器２６にてＡ／Ｄ変換することでディジタル信号に変換する。
この信号をメモリ手段２７にてメモリに書き込んだ後、演算装置により包絡線の導出およびゼロクロス点を検出する。
包絡線の導出は、例えば受波信号の搬送波のピークを求めた後、その近似曲線を求めることで行う。
その後、包絡線ピーク値に対応する受波時刻を算出し、必要に応じてその時刻の整数倍周期後のゼロクロス点を求め、これを受波時刻とすることで高精度に超音波伝搬時間を算出する。
受波時刻を式（１）に代入して求めた伝搬速度ｃを式（２）に代入することで温度ｔを算出し、表示する。
湿度が大きく変動する環境下では、湿度センサ３１を配置し、測定した湿度をメモリ手段２９に記憶させ、この値と超音波より求めた温度から湿度の補正係数ＣＦｈを求め、これを式（３）に代入することで温度ｔを求めてもよい。
なお、符号２８は演算装置で３０は表示装置である。
【００２０】
本発明は以下のような構成例もとり得る。
超音波の送受波は送波と受波のセンサを対向に配置する透過法、または送波と受波用センサを分離して配置する送受分離型反射法、または送波と受波用センサを同一で送受波する送受兼用型反射法でもよい。
超音波センサは送受波センサ一組として単一の受波波形に着目してもよいし、送波または受波用センサを複数とし、複数の超音波受波信号の情報を利用してもよい。
伝搬経路を複数とした場合、コンピュータ断層撮影（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：  ＣＴ）の再構成アルゴリズムを利用して温度分布画像を再構成してもよい。
【００２１】
超音波の伝搬媒質は主として空気を対象としているが、気体に限らず液体または固体でもよい。
超音波の周波数は空気中で利用する場合、４０ｋＨｚの周波数帯が最もよく用いられており、この周波数帯において本発明を利用することが最も効果的である。
しかし、原理的には、直流に近い低周波数から実用上の上限と考えられる１０ＭＨｚ程度までが対象となり得る。
固体または液体においては、１０ＭＨｚ以上の超音波も利用可能である。
【００２２】
本システムは主として温度測定を対象としているが、本質的には超音波の伝搬時間測定法に特徴を有するものであり、温度のみではなく、気流、距離または湿度の測定にも適用可能であると考えられる。
例えば、超音波の送受波方向が異なる２組の送受波系を並列に配置し、それぞれの受波信号の伝搬時間の情報を利用することで、気流と温度の同時計測が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、室内における壁面反射を利用した温度監視、車両内空調用温度監視およびビニールハウスにおける長距離空間の温度監視など様々な環境における応用が可能となる。
特に車両内の温度計測ではセンサと壁面などの物体が近接している状況が多いと考えられ、このような状況下でより一層効果を発揮できると考えられる。
また、車両内空調では従来センサによる測定温度が一部の温度情報であることや、応答性の悪さが懸念される場合があるが、本発明により優れた応答性で空間温度を測定可能となる。
また、超音波センサの配置やセンサ数を変えることで、複数の領域の温度測定ができ、温度分布計測も可能となり、省エネルギーや快適空間を支援し得るシステムとなる。
ボイラー内の温度分布計測への応用化も考えられる。
さらに利用する周波数を低周波に選定すれば大型の屋内競技場やホール等の空調への応用も期待できる。
超音波を利用した風速計や屋内位置認識技術への応用展開も可能となる。
【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図３】
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