(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下のステップで構成される、システムの第１のセンサーと第２のセンサーの現場交換を容易にする方法：
第１のセンサーと電気的に通信している信号処理ユニットを含むシステムを供給し、
前記第１のセンサーの伝達関数を測定し、
前記第１のセンサーの前記伝達関数を第１の数式で記述し、
前記信号処理ユニットの出力関数を第２の数式で記述し、
前記信号処理ユニットの伝達関数を決定し、
前記第１のセンサーを前記システムから取り外し、
前記第２のセンサーを前記システムに設置し、
前記信号処理ユニットの制御装置を上記第２のセンサーのパラメータに対し前記信号処理ユニットの出力が予め決められた値に変化するまで調整する。
【請求項２】
前記伝達関数を記述する前記ステップが前記第１のセンサーの前記伝達関数の最小自乗解析の実行で構成される請求項１の方法。
【請求項３】
伝達関数を決定する前記ステップが前記信号処理ユニットの前記出力関数を前記第１のセンサーの前記伝達関数で割ることで構成される請求項１の方法。
【請求項４】
前記第１の数式が閉形式の数式で構成される請求項１の方法。
【請求項５】
前記第２の数式が閉形式の数式で構成される請求項１の方法。
【請求項６】
前記調整ステップが手動で実行される請求項１の方法。
【請求項７】
前記調整ステップがソフトウェア制御の下に実行される請求項１の方法。
【請求項８】
前記システムが容量変位測定システムで構成される請求項１の方法。
【請求項９】
前記第１のセンサーが容量変位センサーで構成される請求項８の方法。
【請求項１０】
前記第２のセンサーが容量変位センサーで構成される請求項８の方法。
【請求項１１】
前記第２の数式が距離あたりのボルトの単位についてのものである請求項８の方法。
【請求項１２】
前記第２のセンサーをもった前記システムが以下の関係を満たす請求項１の方法
0003583738.tif 000018
ただし、ｖ０は信号処理ユニットの出力電圧、
ｋｐ２は前記第２のプローブについて一定の尺度係数
ｋｓ２は前記第２のプローブをもち、それと電気的に通信している前記信号処理ユニットについて一定な尺度係数
ｄは被測定距離
Ａは公称プローブ面積
ε０はアドミッタンス、
Ｏは前記信号処理ユニットのオフセット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〈関連出願への参照〉
なし
【０００２】
〈連邦政府に資金提供された研究あるいは開発に関する申告〉
なし
【０００３】
〈発明の背景〉
種々の物理量の測定を請求する出願が技術として知られている。一般に行なわれる測定のいくつかを挙げると温度、圧力、および厚さや距離のような寸法がある。そのような測定を行うシステムは一般的に二つのサブ・システムからなっている。すなわち一つあるいはそれ以上のセンサーおよび一つあるいはそれ以上のセンサーと電気的に通信している信号処理ユニットである。センサーが現場交換を要するということは全く普通のことである。そのようなセンサーを交換するときに専門的な装置や技術を要する複雑な再較正手順の必要性を避けるために種々の方式が採用されてきた。典型的にはセンサーはそれらの出力がある特有な関数に合致するよう工場で正規化される。工場で正規化されたセンサーが、特有のセンサー関数を予期すべくやはり工場で正規化された信号処理ユニットに接続されるとき、何らかの所望の精度の出力が得られる。
センサー出力を正規化するためにいくつかの技術が採用されてきた。すなわちセンサーを物理的に調整（例えばレーザ・トリミング）したり、電子部品を選別あるいは調整したりである。センサーはその伝達関数について信号処理ユニットに情報を送る回路構成を含んでいてもよい。例えば、それは不揮発性のディジタル・メモリーを経由してそうしてもよい。ここではいちいち述べない他の技術を採用してもよい。
そのような方法の不利な点はセンサーと信号処理ユニットの両方を正規化しなければならないこと、あるいはもしセンサーがその伝達関数について信号処理ユニットに対して記述する回路構成を含んでいる場合には、この回路構成を設置しなければならないし、信号処理ユニットをやはり正規化しなければならないことである。これらの方法はセンサーおよび信号処理ユニットのコストを上げるし、さらにはサイズ、重さ、あるいはその他の望ましくない制約をセンサー設計に加え得る。
【０００４】
〈発明の簡単な概要〉
センサーの現場交換を容易にする方法が提案されている。簡単な現場交換を達成するためには交換センサーの伝達関数は単に測定するだけで調整する必要はなく、信号処理ユニットの伝達関数は単に調整するだけで測定する必要はない。この方法によればセンサー交換が必要な場合、典型的にはコンピュータ・プログラムによって処理される簡単な計算および調整が現場において行える。本開示の方法によれば、正規化の技術や部品が不要なのでセンサーのコストや大きさが増すことはない。
【０００５】
〈発明の詳細な説明〉
センサーの現場交換を容易にする方法が提案されている。特有のセンサー伝達関数が測定され、閉形式の数式により記述される。同様に信号処理ユニットの出力関数も閉形式の数式により記述される。これらの数式から信号処理ユニットの伝達関数が数学的に決定される。ある場合には信号処理ユニットの伝達関数は出力関数をセンサーの関数で割ったものとなる。
【０００６】
センサーの伝達関数はわずかな変数の数学的関数に合わせ（通常は、最小自乗法によって）得るはずである。従って、センサー変数として知られるこれらの変数が分かるとセンサーの伝達関数を完全に知ることが出来る。大部分のセンサーでは必要な変数の数は少ない。信号処理ユニットはその伝達関数をセンサーの変数が取りうる範囲に合わせるように調整することが出来る。従って、信号処理ユニットはその伝達関数をこれらの変数のそれぞれに対して調整する回路構成を含む。この回路構成はスイッチやポテンショメータのような物理的なものでもよいし、あるいはソフトウェアによってなされてもよい。
【０００７】
図１に言及すれば、センサーの現場交換に採用するためには、交換しようとする古いセンサーと設置しようとする新しいセンサーに対するセンサー変数を決定しなければならない。ステップ１０に示すように旧センサーの伝達関数が測定される。ステップ２０では旧センサーの伝達関数が数式により記述される。前記ユニットは典型的にはこの時点において現場で始動される。信号処理ユニットの出力関数はステップ３０に列挙されているようにやはり数式で記述される。この信号処理ユニットの出力関数は典型的には温度測定システムの場合には一度あたりのボルトのような量であり、変位測定システムの場合には距離あたりのボルトのような量である。ステップ４０のように旧センサーの現場交換が必要な場合には信号処理ユニットの出力伝達関数が決定される。
【０００８】
ステップ５０は旧センサーの取り外しを列挙する。ステップ６０では新センサーが設置され、信号処理ユニットからは範囲内出力が得られる。次にステップ７０において信号処理ユニットから特有の出力を得るために、各センサー変数に対応する信号処理ユニットの各制御装置が調整される。ステップ８０に示すように、この時点において信号処理ユニットは新センサーに対して正しく調整され、交換作業が完了する。
【０００９】
一般的にはこの方法は旧センサーと新センサーを定める変数を決定することからなっている。新センサーを設置した後は新センサーの個々の変数に対して調整する信号処理ユニット制御装置は信号処理ユニットの出力が計算値に変化するまで調整される。各調整に対しては計算値が存在する。
【００１０】
容量変位センサーを含む具体的な例を下記に詳述する。容量変位ゲージは技術としてよく知られ、距離および／または距離変化を精密に測定するのに長年用いられてきた。そのようなユニットはその感知領域が被測定目標に対し典型的には平行に置かれた容量変位センサー（これ以降プローブと呼ぶ）を採用している。プローブの感知領域はコンデンサーの一方の板を形成し、目標はコンデンサーのもう一方の板を形成する。プローブから目標までの距離はこの容量を測定することによって導出される。なぜなら理想的な平行平面コンデンサーに対しては容量と距離は次の公式で関係付けられている。
【００１１】
【数１】
式１
0003583738.tif 000002
ただし、Ｃ＝容量（ファラド）
ε０＝自由空間の誘電率（ファラド／ｍ）
Ａ＝プローブの感知面面積（ｍ２）
ｄ＝両板間の距離（ｍ）
【００１２】
この式のみでは通常大部分の容量センサーの伝達関数を記述するには不十分である。
典型的には電界フリンジングあるいはプローブやプローブに使用される信号処理装置内のその他の非理想的事象が式との不一致を生じる。典型的なプローブの応答はこの式にある項を追加することによって適切にモデル化できる。新しい式は
【数２】
式２
0003583738.tif 000003
ただし、Ｃ０はプローブの感知容量に対して並列の容量を表す。
【００１３】
プローブの出力を測定するためにプローブのセンサーは定電圧で駆動され、プローブの感知要素を通る交流電流が測定されるか、あるいはもっと一般的にはプローブが定電流で駆動され、プローブの感知要素にかかる電圧が測定される。コンデンサー内の電圧と電流の関係は
【数３】
式３
0003583738.tif 000004
ただし、”ｓ”は複素周波数変数である。本決定には位相情報は不要なので式３は簡略化できる。
【００１４】
【数４】
式４
0003583738.tif 000005
式１を式４に代入すると
【００１５】
【数５】
式５
0003583738.tif 000006
となる。
【００１６】
従ってもし電流ｉが一定に保たれるならｖは直接ｄに比例する。信号処理ユニットは距離について線形な出力を生ずるためにＣ０を補償できなければならない。さらに回路構成はプローブに電流を流してその出力電圧を測定するために使用される。さらに回路構成はプローブの出力を増幅および調節するために信号処理ユニット内で使用される。式５はこれらの変数を含むように変形される。
【００１７】
【数６】
式６
0003583738.tif 000007
ただし、ｖ０＝信号処理ユニットの出力
ｋｐ＝プローブについて一定な尺度係数
ｋｓ＝信号処理ユニットについて一定な尺度係数
Ｃｃ＝補償容量
Ａ＝公称センサー面積
Ｏ＝信号処理ユニットによって適用されるオフセット
【００１８】
ＣｃがＣ０に等しく設定される場合、分母中の距離が関連する項は消え、式はｄについて線形である。一般的にはｋｓとＯは所望の出力尺度係数およびオフセットを得るために調整される。
【００１９】
ここで開示された方法による現場プローブ交換を行うためには、顧客への出荷に先立ち全てのプローブに対してｋｐとＣ０を測定されなければならない。信号処理ユニットの出力尺度係数（ｓｆ）とＯはある決められた値に設定される。プローブが変化すれば新しいプローブが設置され、信号処理ユニットから範囲内出力読み値を得るべく設定される。
【００２０】
この時点において
ｋｐ１  旧プローブのｋｐ
ｋｐ２  新プローブのｋｐ
Ｃ０１  旧プローブのＣ０
Ｃ０２  新プローブのＣ０
Ａ  公称プローブ面積
ｓｆ  信号処理ユニットの所望の出力尺度係数
ｖ０  信号処理ユニットの現在の出力
Ｏ  信号処理ユニットによって適用されるオフセット
処理ユニットのｋｓは未知であるが、以下のように計算される。
【００２１】
【数７】
式７
0003583738.tif 000008
ただし、ｋｓ１＝旧プローブに対して調整されたときのｋｓ
【００２２】
交換された新プローブについては式６から信号処理ユニットの出力は
【数８】
式８
0003583738.tif 000009
【００２３】
信号処理ユニットは旧プローブに関して線形応答をもつように調整されたはずなのでＣ０１がＣｃの代わりに代入される。ｄについて解くために式８は以下のように再整理される。
【数９】
式９
0003583738.tif 000010
【００２４】
信号処理ユニットの出力尺度係数（ｓｆ）は新プローブについては旧プローブについてのものと同じでなければならない。従って、
【数１０】
式１０
0003583738.tif 000011
【００２５】
もし信号処理ユニットのｋｓが新プローブに対して正しければ、その出力ｖｎｅｗ１は
【数１１】
式１１
0003583738.tif 000012
【００２６】
ｖｎｅｗ１をｖ０で割ってｖｎｅｗ１について解くと
【数１２】
式１２
0003583738.tif 000013
となる。
【００２７】
式１２を使って信号処理ユニットの尺度係数制御装置がｖｎｅｗ１を得るために調整される。この時点では信号処理ユニットの出力は正しい尺度係数を持っているが、Ｃ０は以下に示すように適切に補償されていない。
【数１３】
式１３
0003583738.tif 000014
【００２８】
信号処理ユニットのＣｃ制御装置は以下のような新しい出力を得るために調整される。
【数１４】
式１４
0003583738.tif 000015
【００２９】
信号処理ユニットの出力はこれで正しく較正される。ｖｎｅｗ２をｖｎｅｗ１で割ってｖｎｅｗ２について解くと結局、
【数１５】
式１５
0003583738.tif 000016
【００３０】
信号処理ユニットはこれで正しく較正され、従ってその伝達関数は
【数１６】
式１６
0003583738.tif 000017
【００３１】
ここで開示された方法を使えばプローブの出荷に先立って各プローブのｋｐとＣ０を測定することだけが必要である。全てのプローブの公称感知面積（Ａ）は既知である。次にプローブを交換するために新しいプローブが信号処理ユニットに接続され信号処理ユニットから範囲内読み値を得るために位置決めされる。処理ユニットの出力は先ず式１２に従って調整され、式９によって距離ｄが計算され、最後に出力が式１５に従って調整される。この時点でシステム（新プローブも含め）は正しく較正されたことになる。
【００３２】
関連する変数（ｋｐ１，ｋｐ２等）の入力や前記計算はコンピュータ・プログラムの使用により大いに簡略化されるということが認識されるであろう。このプログラムおよび信号処理ユニット制御装置の調整手段は自動化できるし、信号処理ユニットそのものの中に入れることもできる。あるいはプログラムを別個の装置で実行し、調整を手動で行ってもよい。
【００３３】
本発明の好ましい実施例について述べたように、この技術の通常の専門家にとってこれらの概念を使って他の実施例やここで開示された実施例の変形を、ここで開示された発明の概念から逸脱することなく実施し得るということは明らかである。従って、発明は述べられた実施例に限定されるべきではなく、むしろ付属のクレームの範囲および精神によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
〈種々の図面の簡単な説明〉
下記の添付図と連携して行われる以下の詳細説明により発明はもっとよく理解されるであろう。
【図１】本発明の方法のフロー・チャート図。
【図１】
0003583738.tif 000019