(57)【要約】  計測器は、水深又は他の値を測定する変換器と、干渉誤差を引き起こす物理パラメータを測定する変換器とを含む。較正多項式を用いて、干渉又は非線形性に関して出力信号が補正される。較正多項式は、独立変数として、変換器によって生成される信号と、従属変数として出力信号とを含む。較正多項式は、独立変数として、少なくとも１つの一次測定信号及び少なくとも第１の干渉関連信号と、従属変数として較正済み信号とを有する補正多項式によって形成される。較正多項式を形成するために、一次独立変数及び少なくとも１つの干渉関連独立変数を含む予備較正多項式が生成される。従属変数、一次独立変数及び少なくとも１つの干渉関連独立変数から成る複数のデータセットが、試験装置から生成される。このデータを用いて、予備較正多項式の重要度が最も小さい項を削除し、重要度が最も大きい交差項が追加され、結果として較正多項式が生成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
値を測定し、較正済み信号を与える計測器（３０）であって、該値を検知する少なくとも１つの一次センサ（１８）であって、該少なくとも１つの一次センサ（１８）は一次測定信号を生成する、少なくとも１つの一次センサ（１８）と、前記少なくとも１つの一次センサ（１８）によって生成される前記一次測定信号の精度を低下させる少なくとも１つの干渉関連値を検知する少なくとも１つの干渉関連信号を生成する少なくとも１つの二次センサ（１６）によって特徴付けられるマイクロコントローラ（１４）とを備え、該マイクロコントローラ（１４）は、独立変数として前記少なくとも１つの一次測定信号及び前記少なくとも１つの干渉関連信号と、従属変数として前記較正済み信号とを有する判定基準最適化較正多項式を含み、該マイクロコントローラ（１４）は前記少なくとも１つの一次測定信号及び前記少なくとも１つの干渉関連信号を受信するように接続され、それによって、該マイクロコントローラ（１４）は、前記少なくとも１つの干渉関連信号に関して前記少なくとも１つの一次測定信号を補正し、前記較正済み信号を与える、計測器。
【請求項２】
計測器（３０）であって、該計測器（３０）は、流床（flow bed）内の液体の体積流量を測定する装置であり、前記流床内の前記液体の平均流量を測定する測定装置を備え、該少なくとも１つの一次センサ（１８）は圧力センサであり、該少なくとも１つの一次センサは前記液体の流路の底に配置することができ、それにより、前記少なくとも１つの一次測定信号が前記液体の深度に関連付けられ、前記少なくとも１つの二次センサ（１６）は温度測定センサであり、前記判定基準最適化補正多項式は独立変数として深度及び温度を有し、前記マイクロコントローラ（１４）は、測定された値と平均速度とを乗算する手段であって、体積速度を与える、乗算する手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の計測器。
【請求項３】
計測器（３０）であって、前記測定装置は、前記流床（２０）内の前記液体（２２）の中に超音波信号を送信する手段と、反射した超音波信号を受信する手段と、デジタル信号を利用する手段であって、該デジタル信号に対してフーリエ変換を実行すると共に、該フーリエ変換の係数のうちのいくつかを平均することによって近似的な平均速度を計算する、利用する手段とによって特徴付けられることを特徴とする、請求項２に記載の計測器。
【請求項４】
計測器（３０）であって、前記測定装置（２０）は、流体流の断面積の少なくとも代表的な部分を横断するように、或る角度を成して該流体流の中に超音波信号を送信する手段と、前記流体流の前記断面積の前記少なくとも代表的な部分から、反射した超音波信号を受信する手段と、前記受信された反射した超音波信号を、前記流体流の前記断面積の前記少なくとも代表的な部分からの反射を表す電気信号に変換する手段と、前記流体流の前記断面積の前記少なくとも代表的な部分からの反射を表す前記電気信号の実質的に全てを利用する手段であって、前記流体流の近似的な平均速度を計算する、利用する手段とを備え、前記流体流の前記断面積の前記少なくとも代表的な部分からの反射を表す電気信号の実質的に全てを利用する手段であって、前記流体流の近似的な平均速度を計算する、利用する手段は、前記電気信号に対してフーリエ変換を実行すると共に、前記フーリエ変換の係数のうちのいくつかを平均する手段を含むことを特徴とする、請求項２に記載の計測器。
【請求項５】
計測器（３０）であって、一次値は温度であり、前記少なくとも１つの一次センサ（１８）は有機蒸気化学センサであり、前記少なくとも１つの二次センサ（１６）は湿度を測定することを特徴とする、請求項１に記載の計測器。
【請求項６】
計測器（３０）を較正する方法であって、一次独立変数と少なくとも１つの干渉関連独立変数とを含む予備較正多項式を形成するステップと、従属変数、前記一次独立変数及び前記少なくとも１つの干渉関連独立変数から成る複数のデータセットを得るステップと、前記データセットを用いるステップであって、前記予備較正多項式の重要度が最も小さい項を削除する、用いるステップと、重要度が最も大きい交差項を追加するステップとによって特徴付けられる、計測器を較正する方法。
【請求項７】
前記予備較正多項式を形成するステップは、多項式の項の数を選択するステップと、低い次数の交差項を追加するステップとを含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記多項式の項の数を選択するステップは、独立変数の最も高い次数の最大次数を選択するステップと、前記予備較正多項式の複数の項を作成するステップであって、該複数の項の各項は前記独立変数のうちの異なる独立変数と、前記独立変数の異なる次数とを含む、該作成するステップと、いくつかの試行交差項を追加するステップとによって特徴付けられる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記従属変数、前記一次独立変数及び前記少なくとも１つの干渉関連独立変数から成る複数のデータセットを得るステップは、一次変換器（１８）及び二次変換器（１６）の最初のもののうちの一方が第１の刺激点にあり、該一次変換器（１８）及び該二次変換器（１６）のうちの他方が次々に刺激点を変えられている間に、該一次変換器（１８）及び該二次変換器（１６）の該最初のもののうちの該一方から一連の出力値を得るステップと、前記一次変換器及び前記二次変換器の前記他方から、一連の刺激値のうちの異なる刺激値においてそれぞれ、一連の出力値を得るステップとによって特徴付けられる、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記データセットを用いるステップであって、前記予備較正多項式の重要度が最も小さい項を削除する、用いる前記ステップは、前記予備較正多項式から１つずつ項を削除するステップと、残りの項の係数を求めるステップと、前記項のうちのいくつかに関する最大偏差が求められるまで、該最大偏差を求めるステップと、前記最大偏差への影響が最も小さい項を永久的に削除するステップとを含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
１つずつ交差項を追加するステップと、１つの交差項が追加される度に、前記多項式の係数を計算するステップと、前記最大偏差を求めるステップと、前記最大偏差への有利な影響が最も大きい交差項を永久的に追加するステップとを含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
計測器を形成する方法であって、設計判定基準を選択するステップと、判定基準最適化較正曲線を作成するステップと、一次変換器（１８）及び少なくとも１つの二次変換器（１６）を選択するステップと、マイクロコントローラ（４８）をプログラムするステップであって、前記判定基準最適化較正曲線を用いて前記一次変換器（１８）によって測定される値を補正する、プログラムするステップと、前記補正された値を使用するステップとを含む、方法。
【請求項１３】
前記マイクロコントローラ（４８）をプログラムするステップであって、前記判定基準最適化較正曲線を用いて前記一次変換器（１８）によって測定される前記値を補正する、プログラムするステップは、項として、一次独立変数と少なくとも１つの干渉関連独立変数とを含む予備較正多項式を形成するステップと、従属変数、前記一次独立変数及び前記少なくとも１つの干渉関連独立変数から成る複数のデータセットを得るステップと、前記データセットを用いるステップであって、前記予備較正多項式の重要度が最も小さい項を削除する、用いるステップと、重要度が最も大きい交差項を追加するステップとを含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば、圧力、液体の流量、化学有機蒸気濃度及び温度のような物理パラメータを測定する装置のような、測定装置及びそれを使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、計測器は雑音、非線形性及び干渉によって影響を及ぼされる。雑音は、ランダムな誤差、すなわち測定された物理パラメータ値と実際の物理パラメータ値との間の差に関連し、付加情報によって補正することはできない。非線形性は系統的誤差であり、測定装置の応答が線形であると仮定することから生じる。多くの変換器は、その電気信号の電圧出力と測定される物理パラメータ値との間に近似的な数学的線形関係を有する。この線形関係は、計測器のデータ処理を非常に簡単にすることができる。データ処理が容易であることと、そのような計測器の設計の精度との間にはトレードオフがある。所与の用途の場合に、データ処理が容易であることよりも、精密度及び精度が重要である場合には、これらの非線形誤差を考慮し、処理しなければならない。これらの非線形性に関する付加情報を用いて、測定された物理パラメータ値を補正することができる。干渉は別の系統的誤差であり、他の物理パラメータが、測定された信号に及ぼす影響から生じる。これらの他の物理パラメータに関する情報を用いて、元の測定された物理パラメータ値を補正することができる。本特許は主に、誤差に対する寄与のうちの最後の２つ、すなわち非線形性及び干渉を処理することに関する。
【０００３】
たとえば、１つのタイプの測定装置では、圧力センサで水底の圧力を検知することによって、水深が測定される。これらの計測器における圧力センサは、圧力を電圧に変換する変換器である。この圧力センサは電圧信号出力を有し、その出力は圧力信号値に変換することができ、圧力信号値はさらに、圧力を深度単位に変換することによって、深度測定値に変換することができる。いくつかの計測器では、深度測定値を用いて、米国特許第５，２７５，０４２号の場合のように流速が求められるか、又は米国特許第５，３７１，６８６号の場合のように平均速度が求められる。付加情報から予測することができない、自然に存在する電気的な「白色雑音」に起因して、測定された圧力パラメータ値は、測定誤差の一因となる雑音を有する。これらのセンサはさらに、実際の圧力と、信号電圧出力との間に線形な数学的関係を有するものと仮定される。この関係は近似にすぎないため、測定された圧力パラメータ値は、測定誤差の一因となる非線形性を有する。また、これらのセンサは、温度、すなわち別の物理パラメータによっても影響を及ぼされる。測定された圧力パラメータ値は、測定誤差の一因となる干渉を有する。
【０００４】
別のタイプのセンサでは、空気中の有機蒸気と酸素との競合に起因する有機蒸気レベル変化の関数として電流への抵抗を変化させる酸化スズビードによって、化学有機蒸気濃度が検知される。有機蒸気は酸化スズを金属スズに還元するのに対して、酸素はスズを酸化して酸化スズに戻す。スズ及び酸化スズは異なる電気抵抗を有する。このタイプの変換器では、測定は温度及び湿度によって影響を及ぼされる。温度及び空気中の水蒸気は、酸化スズビードの抵抗に影響を及ぼす。この効果は、たとえば、米国特許第６，１２３，９０４号に記載されるような、有機不純物に関する水の分析器のような、いくつかの他のタイプの計測器において用いられる。雑音、非線形性及び干渉によって影響を及ぼされる多数の異なるタイプの装置の中に多数の異なるタイプのセンサがあるため、上記の２つの例は、例示のために提供される。温度又は湿度のような他の物理的条件によっても出力信号電圧が影響を及ぼされるため、これらのセンサの精密度及び精度は低下する。
【０００５】
より高次の多変量多項式較正曲線を用いて、非線形性及び干渉に関して測定値を補正することによって、測定の精度を改善することが知られている。最小二乗回帰法を含む、いくつかの方法のうちのいずれかによって、多項式較正曲線内の項の最適な係数を得ることも知られている。一般的に、較正曲線は、マイクロコントローラを通じて、測定値に適用される。
【０００６】
多項式較正曲線の従来技術の使用では、係数を求めることができる前に、項の数及び項の次数のような多項式の一般的な形式が選択されなければならない。多項式の一般的な形式は、較正多項式の使用から得られる精度に大きく影響を及ぼすが、いくつかの較正要件を達成する完全に満足のいく自動的な手法は知られていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、較正多項式を与えるための系統的技法を用いて、測定システムを較正する新規の技法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の上記の目的及びさらなる目的によれば、少なくとも第１の値を測定する計測器が、第１の値又はパラメータを表す第１の信号を生成する少なくとも１つのセンサ又は変換器と、第１の値の測定と干渉することがあるか、誤差を引き起こすことがあるか、又は他の様態で第１の値の精密度又は精度を低下させることがある値又はパラメータを表す第２の信号を生成する少なくとも１つの他のセンサとを備える。測定される値を検知する１つ又は複数のそのようなセンサが存在することができ、干渉することがあるか、誤差を引き起こすことがあるか、又は他の様態で１つ又は複数の測定される値の精密度又は精度を低下させることがある値を測定する１つ又は複数のセンサ又は変換器が存在することができる。測定される１つ又は複数の値を検知する１つ又は複数のセンサを、これ以降、１つ又は複数の一次センサ又は変換器と呼び、測定される１つ又は複数の値を、これ以降、１つ又は複数の一次値と呼ぶ。干渉することがあるか、誤差を引き起こすことがあるか、又は他の様態で精密度を低下させることがある１つ又は複数の値を測定する１つ又は複数のセンサを、これ以降、１つ又は複数の二次センサ又は変換器と呼ぶ。一次センサ又は変換器によって与えられる信号を、本明細書において、一次測定信号と呼ぶ。本明細書において記載される方法に従って一次測定信号を補正することから生じる信号を、これ以降、較正済み信号と呼ぶ。
【０００９】
本明細書において、用語「値」及び用語「パラメータ」はそれぞれ、たとえば、水深、圧力、温度、又はエネルギーの強度等の、検知することができる任意の物理的特性を意味する。本明細書における用語「値」は、人が使用又は理解することができる値だけでなく、使用される値と干渉することがある干渉値も含む。たとえば、測定される値は、圧力センサによって測定されるような圧力とすることができ、干渉関連値は、圧力センサによって与えられる信号を変化させる温度とすることができる。
【００１０】
計測器は、一次測定信号を補正して較正済み信号を与えるためのマイクロコントローラを含むことがある。これ以降、この信号と干渉することがある値を、干渉関連値と呼び、干渉関連値から二次センサ又は変換器によって生成される信号を、干渉関連信号と呼ぶ。信号を補正するマイクロコントローラ又は他の装置は、補正多項式又は補正曲線を含み、これらはこれ以降、判定基準最適化補正多項式若しくは曲線、又は判定基準最適化較正曲線若しくは多項式と呼ぶ。本明細書において、用語「判定基準最適化補正多項式」若しくは「判定基準最適化補正曲線」又は「判定基準最適化較正曲線」若しくは「判定基準最適化較正多項式」は、本明細書において後に説明される特別な手順を用いて形成される関係を意味する。判定基準最適化補正多項式又は判定基準最適化補正曲線は、独立変数として、干渉関連信号及び補正されていない対象値と、従属変数として、較正済み信号によって示されるような、測定される補正済み値とを含む。
【００１１】
マイクロコントローラは、一次測定信号及び１つ又は複数の干渉関連信号を受信するように接続される。これにより、マイクロコントローラは、一次測定信号の干渉を補正し、補正済み対象値を表す較正済み信号を与えることができるようになる。一実施の形態では、その計測器は、流床（flow bed）内の液体の体積流量を測定する装置である。このために、その計測器は、流床内の液体の平均流量を求めるための装置を含み、一次センサは、液体の流路の底に配置される圧力センサである。こうして、一次測定信号は、液体の深度に関連付けられる。この実施の形態において、干渉関連センサは温度測定センサである。
【００１２】
この実施の形態において、判定基準最適化補正多項式は、独立変数として、圧力センサ及び温度センサからの信号を有し、従属変数として深度を有する。体積流量は、深度と水の平均流速とを乗算することによって、マイクロコントローラによって計算される。好ましい実施の形態では、平均流速は、流床内の液体の中に超音波信号を送信し、反射した超音波信号を受信し、その信号を用いて、近似的な平均速度を計算することによって求められる。近似的な平均速度は、米国特許第５，３７１，６８６号に記載されるように、デジタル信号に対してフーリエ変換を実行すること、及びフーリエ変換の係数のうちのいくつかを平均することによって計算される。この特許文献の開示は参照により本明細書に援用される。
【００１３】
一実施の形態では、判定基準最適化補正多項式又は判定基準最適化補正曲線を形成する手順は、複数の独立変数を有する予備較正多項式を形成するステップを含む。これ以降、一次独立変数と呼ぶ独立変数のうちの１つが、一次測定信号である。他の独立変数は、干渉関連信号である。従属変数は、たとえば、圧力センサからの干渉及び非線形性を補正された一次信号のような、測定後に求められる信号を指している。この信号は、本明細書において較正済み信号と呼ぶが、較正済み信号は、計測器の動作にとって重要である他の動作に適合させるために、アナログ信号からデジタル信号に変換されることによって、又は回路の他の構成要素によって操作されることによって、さらに変更されることがある。この圧力センサが、圧力センサが浸漬されている液体の深度を指示するために用いられる場合には、圧力と、用いられている単位の水密度を反映する定数とを乗算することによって、液体の深度を指示する信号が与えられるため、従属変数は液体の深度である。
【００１４】
予備較正多項式は、その項として、計測器に適用する従属変数において望まれるか、又は必要とされる精密度及び精度に関連する判定基準によって選択される次数まで累乗される独立変数を含む。計測器の有用性、又は計測器を用いる最終的な手順の要件にとって重要であるため、精密度及び精度が選択されることがある。たとえば、外科手術用器具は、安全上の理由から、特定の手順を必要とすることがあるか、又は使用できないことがある。この場合、患者の安全が、機器の精度を決定する判定基準である。他方、精度は、使用される装置の観点から選択されることがある。独立変数の次数及び交差項の数が大きくなると、用いられるマイクロコントローラ若しくは他の装置又は技法のメモリが大きくなる。したがって、メモリのサイズが限られる場合には、最終的な測定の精密度に悪影響を及ぼすことになる場合であっても、独立変数の次数が制限されるであろう。好ましい実施の形態では、その判定基準は、メモリのサイズ、又はマイクロコントローラの速度とすることができる。
【００１５】
最も高い次数の独立変数が選択されると、複数の項を含む、予備又は作業多項式（working polynomial）が形成される。各項は、その中に、独立変数のうちの１つだけを有するが、予備補正多項式は、より低い次数の変数を含む。好ましい実施の形態では、生成過程のこの時点において作成される予備補正多項式は、より低い次数の変数のうちの少なくともいくつかを有する項を含む。好ましい実施の形態では、最も高い選択された次数から１次までの全ての次数の独立変数のうちの１つ又は全てが含まれる。たとえば、温度に関して４次が選択される場合、変数Ｃ４Ｔ４が係数Ｃ４を有することになり、Ｔ３、Ｔ２及びＴのようなより低い次数の全ての温度が、対応する係数Ｃ３、Ｃ２及びＣ１を有する。
【００１６】
補正多項式の生成過程のこの時点では、いずれの項も、その一部として多数の独立変数を有しない。２つ以上の独立変数の積を含む項を、これ以降、交差項と呼ぶ。本明細書において、変数の次数は、たとえば、Ｔ４の次数が４であるように、変数が累乗される冪を指している。
【００１７】
従属変数、独立変数及びそれらの次数が選択された後に、予備補正多項式にいくつかの交差項が追加され、最小二乗回帰法と呼ばれる既知の方法のような任意の既知の方法を用いて、係数の数値が求められる。一次センサ及び二次センサを含む、試験装置から得られるデータを用いて、係数が求められる。この時点で追加される交差項は、より低い次数の独立変数だけを含むことが好ましい。交差項を含まないことを含む、任意の数の交差項を選択することができるが、この時点では、取り得る交差項のうちのわずか半分を選択することが望ましい。従属変数、独立変数、及び選択された次数の変数を有する交差項を含む、変数の一般的な形式が得られた後に、係数の数値が求められる。
【００１８】
係数の数値は、試験装置から得られるデータを用いて求められる。補正多項式を用いて較正済み信号を得るように設計される計測器が、試験装置としての役割を果たすことができるか、又は特別な試験装置を用いることができる。いずれの場合でも、一次値が測定可能なように変更されるのに応じて、一次変換器、及び少なくとも１つの二次変換器を用いて、一次値、及び１つ又は複数の干渉関連値が検知され、較正済み信号を求めることができるようにする。一次値、干渉関連値、及び補正済み値を含む各組のデータが取得され、集合的に編集されて予備補正多項式の項の試験に用いられるデータベースになる。たとえば、圧力変換器を一次変換器とすることができ、サーミスタを二次変換器とすることができ、一次変換器の深度を従属変数とすることができる。水域内の既知の深度に変換器を配置することによって、データを収集することができ、最小二乗回帰法のような任意の適切な方法を用いて、深度に関する補正多項式の係数を見つけることができる。生成過程のこの時点における予備補正多項式を、本明細書において、第１段階予備補正多項式と呼ぶ。
【００１９】
第１段階予備補正多項式が形成された後に、第２段階予備補正多項式及び第３段階予備補正多項式が形成され、最終的なステップでは、較正された信号を計算するために用いることができる補正多項式に達する。第２段階予備補正多項式は、測定の精度を改善する度合いが最も小さい項を削除することから生じ、第３段階予備多項式は、測定の精度を改善する度合いが最も大きい交差項を追加することから生じる。
【００２０】
好ましい実施の形態では、第２段階予備補正多項式及び第３段階予備補正多項式は、第２段階予備補正多項式と第３段階予備補正多項式とが実質的に同じになるまで交互に形成される。この時点では、第２段階予備補正多項式から削除された項を追加して、第３段階予備補正多項式が形成されるか、又は第３段階予備補正多項式を形成するために追加された項を削除して、第２段階予備補正多項式が形成される。補正多項式の生成過程のこの時点において、その多項式は自己無撞着（self-consistent）であると言われる。好ましい実施の形態では、この自己無撞着の補正多項式が計測器において用いられ、計測器によって検知される値から較正済み信号が形成される。
【００２１】
第２段階予備補正多項式を形成するために、第１段階予備多項式の各項が試験され、データベース、すなわち複数のデータセットからのデータを用いて、測定の精度を改善する度合いが最も小さい項が、第２段階予備補正多項式から削除される。測定の精度を改善する度合いが最も小さい項を削除することによって、一連の第２段階予備補正多項式が形成される。好ましい実施の形態では、選択された判定基準が満たされるまで、項が削除される。たとえば、多項式がマイクロコントローラのために選択されたメモリのサイズ内で使用できるまで、又は計測器の精度を改善する度合いが最も小さい項を削除して精度を改善する度合いが最も大きい項を追加することによって形成される第３段階予備補正多項式が自己無撞着になるまで、項が削除されることがある。好ましい実施の形態では、一連の第２段階予備補正多項式は連続的ではなく、第３段階予備補正多項式と交互に形成される。
【００２２】
第２段階予備補正多項式を形成するときに、測定の精度を改善する度合いが最も小さいのがどの項であるかを判定するために、一連の試行補正多項式が形成される。試行多項式は、第１段階補正多項式から１つの項を削除し、その項を削除して得られた試行補正多項式において係数を求め、その試行補正多項式が、検討されている他の試行補正多項式よりも、測定の精度を改善する度合いが小さいと判断することによって形成される。どの試行多項式によれば、従属変数を最も精密に、且つ最も正確に求められるかを判断するために、これらの試行多項式が比較される。その試行補正多項式は、第２段階予備補正多項式になり、結果として最終的な第２段階予備補正多項式になることがあるが、判定基準が満たされる場合、又は補正多項式が自己無撞着になる場合に、項を追加することによって、１つ又は複数の可能性のある第３段階予備補正多項式を形成できる場合は別である。
【００２３】
好ましい実施の形態では、第２段階予備補正多項式はそれぞれ、１つの他の第１段階予備多項式又は第３段階予備多項式から１つずつ交差項を削除することによって形成される全ての試行第２段階多項式を比較することから選択される。しかしながら、交差項に加えて、ただ１つの独立変数を含む項を削除することによって良好な結果を得ることができ、他の第２段階補正多項式から項を削除することによって形成される試行補正多項式を形成及び検討することができ、且つ／又は各交差項を削除することによって試行多項式を形成するのではなく、削除されることになる交差項のうちのいくつかだけを選択して試行多項式を形成することによって、比較用に形成される試行補正多項式の数を減らすことができる。
【００２４】
好ましい実施の形態では、第２段階試行補正多項式が、複数の異なるデータセットを用いて、試行補正多項式毎に何度も従属変数を計算することによって比較される。計算された値と実際の値との間の偏差が、複数のデータセットのそれぞれにおいて試行多項式毎に求められ、これらの結果を用いて比較が行われる。好ましい実施の形態では、従属変数のための予め設定された値毎に、何回かの測定が行われる。たとえば、圧力及び温度が独立変数であり、水深が従属変数である場合には、データベースの生成において、既知の深度において、試験装置を用いて圧力及び温度が何度も測定される。各試行補正多項式を用いて、データベース内の圧力及び温度の値から深度が計算され、計算された深度値が、データベースからの複数のデータセットにおいてデータベースからの測定された値と比較される。本明細書におけるデータセットは、種々の深度、温度及び圧力における１組の測定値である。補正多項式毎にいくつかのデータセットが得られ、各試行補正多項式がいくつかのデータセットで試験される。
【００２５】
好ましい実施の形態では、試行補正多項式毎の複数のデータセットからの最大偏差が、どの項が捨てられることになるかの判断において用いられることになる標準値としてとられるが、最大偏差の１０パーセント以内の値のような、不一致誤差に直に関連付けられ、精度又は測定を改善することへの項の影響を反映する任意の他の値を用いることもできる。試行補正多項式毎の最大偏差の平均が計算され、これを用いて、最も低い平均最大偏差を生じる試行補正多項式が求められる。最も低い平均最大偏差を生じる第２段階試行補正多項式が、第２段階補正多項式と見なされる。好ましい実施の形態では、比較標準値として平均最大偏差が用いられるが、さらに精密で、且つ正確な測定を提供する補正多項式が生成される場合には、この選択に、たとえば、平均偏差のような、偏差の中心傾向の任意の他の指示子を用いることができる。
【００２６】
測定の精度を高めるために、第２段階予備補正多項式に新たな交差項を１つずつ追加して、試行第３段階予備補正多項式が形成される。各第３段階予備補正多項式は、第２段階予備補正多項式の全ての項を含み、交差項が１つ追加されている。試行第３段階予備補正多項式がそれぞれ評価され、測定の精度を改善する度合いが最も高い交差項が、最終的な第３段階予備多項式の中に残される。交差項が追加される度に、全ての項の係数が最適化され、不一致誤差が見つけられる。全ての不一致誤差が見つけられると、その不一致誤差に関する平均最大偏差のような中心傾向値が求められる。試行第３段階補正多項式において最も低い平均偏差を与える交差項が永久的に追加される。上記の手順で得られる多項式を用いて、計測器を較正することができる。こうして、計測器を経済的に形成することができ、それでも高い精度を与えることができる。
【００２７】
上記の概要から、本発明の計測器及びそれを用いる方法は、たとえば、（１）さらに容易に較正できること、（２）そのいくつかの態様が、より容易に自動化されること、及び（３）より正確な動作を提供できることのような、いくつかの利点を有することは理解されよう。
【００２８】
本発明の上記で言及された特徴及び他の特徴は、添付の図面との関連で検討されると、以下の詳細な説明からさらに深く理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図１には、一次変換器１８と、二次変換器１６と、較正マイクロコントローラ１４と、入力出力装置１２とを有する、較正曲線又は較正多項式を生成するシステム１０のブロック図が示される。システム１０によって形成される較正曲線は、本明細書において記述される過程によって形成される最適化された補正多項式であり、最適化された較正曲線又は較正多項式と呼ばれることもある。較正マイクロコントローラ１４は、一次変換器１８、二次変換器１６、及び入力出力装置１２と電気回路を形成する。較正マイクロコントローラ１４は、一次変換器１８及び二次変換器１６からの読み値を入手し、入力出力装置１２の制御下で較正曲線を生成する。その後、較正曲線は、入力出力装置１２を通じて他の装置に転送されることができるか、又は以下でさらに詳細に説明される方法で一次変換器１８からさらに正確な出力を得るために用いることができる。
【００３０】
一次変換器１８は、いくつかの用途において、対象値を表す信号を生成するように意図される。二次変換器１６は干渉関連値である。それは、一次変換器１８からの読み値を補正して干渉関連の影響を補正するために用いられる。一次変換器１８によって検知される値は一次値である。一次変換器１８によって生成される電気信号は、一次測定信号と呼ばれ、補正多項式によって非線形性及び干渉を補正された後に、それは、較正済み信号と呼ばれる。環境の変化が一次測定信号に影響を及ぼすため、これらの変化は干渉値である。一次値及び干渉値は、刺激点と見なすことができる。二次変換器１６からの干渉関連信号は、測定信号を得るために直に用いられることはなく、測定信号を得るために用いられる一次変換器１８の読み値から誤差を除去するためだけに用いられるため、二次と呼ばれる。
【００３１】
たとえば、好ましい実施形態では、システム１０は、既知の流床の深度及び平均速度を測定し、体積流量を求める計測器において用いられる、液体の深度に関する較正曲線を生成する。この計測器及びシステム１０において、一次変換器１８は、電圧を生成することによって圧力に応答する圧力センサである。一次変換器１８は、計測器において、流床の底に配置され、且つシステム１０内のコンテナ２０内の液体２２の異なる既知の深度に配置される。二次変換器１６は液体２２の温度に応答して電圧を生成するサーミスタである。温度は、一次変換器１８の圧力への電圧応答を変化させるため、その計測器では干渉である。
【００３２】
好ましい実施形態では、システム１０は、液体の深度、温度及び一次変換器１８の電圧出力を関連付ける複数組のデータを生成する。深度測定値は一次値であり、結果として、一次測定信号を生成する。各組のデータは、一次測定信号である、一次変換器１８からの電圧出力の複数の読み値と、一次変換器１８の種々の深度における干渉関連値である、液体２２の温度とを含む。たとえば、温度制御デバイス３６によって液体２２を特定の温度にすることができ、コンテナ２０から液体を除去することによって、液体２２内の一次変換器１８の深度を変更することができるか、又は一次変換器１８の深度を変更することによって、一次変換器１８より上にある液体を変更することができる。一次変換器１８からの電圧出力は、一次変換器１８の深度毎に較正マイクロコントローラ１４において読み出されると共に記録されることができ、その後、液体２２を異なる温度にし、再び深度が変化して読み値を得られることによって、異なる温度及び深度において、１組の深度、温度、電圧データが生成及び記録される。この過程は、数組のデータを生成及び記録するために繰り返すことができる。
【００３３】
データセットは、一次変換器１８及び二次変換器１６の最初のもののうちの一方が第１の刺激点にあり、一次変換器及び二次変換器のうちの他方が次々に上記刺激点を変えられている間に、一次変換器１８及び二次変換器１６の最初のもののうちの一方から一連の出力値を入手することによって得られる。一連の刺激値のうちの異なる刺激値それぞれにおける、一連の出力値が、一次変換器及び二次変換器から得られる。一次独立変数は、一次変換器１８から得られる。本明細書では、用語「刺激点」は、独立変数の値を意味する。たとえば、水位が従属変数であるデータセットの形成において、圧力センサ１８が配置される種々の水位がそれぞれ刺激点であり、測定のための種々の温度が刺激点である。
【００３４】
データセットは、予備多項式から１つずつ項を削除することによって、予備較正多項式の重要度が最も小さい項を削除するために用いられる。残りの項の係数が求められ、項のうちのいくつかに関して最大偏差が求められるまで、最大偏差が求められる。最大偏差を高める度合いが最も大きい項が永久的に削除される。較正多項式から、重要度が最も小さい項が削除された後に、１つずつ交差項が追加され、交差項が追加される度に、多項式の係数が求められ、最大偏差が求められる。最大偏差に及ぼす影響が最も大きい交差項が、永久的に追加される。
【００３５】
一次値は、一次変換器１８によって検知される値である。この例では、一次値は液体の深度である。一次変換器１８によって生成される電気信号は、一次測定信号と呼ばれ、補正多項式によって非線形性及び干渉を補正された後に、それは較正済み信号と呼ばれる。温度変化が圧力の読み値に影響を及ぼすため、温度変化は干渉値である。二次変換器１６は温度を測定し、サーミスタ１６からの信号は干渉関連信号である。二次変換器１６からの信号は、水深を得るため直に用いられるのではなく、且つ水の平均流速を得るために直に用いられるのでもなく、これらの目的のために用いられる一次変換器１８の読み値から干渉を除去するために用いられるため、二次と呼ばれる。
【００３６】
較正マイクロコントローラ１４は、複数のデータ点における圧力センサ１８からの出力電圧の読み値を入手し、好ましい実施形態では、データ点は水位又は他の圧力誘発手段である。また、マイクロコントローラ１４は、水位の読み値が得られる温度の読み値も得る。また、マイクロコントローラ１４は、モデルの骨格としての役割を果たす多項式の一般的な形式を受信又は生成する。図１及び図１の説明において較正マイクロコントローラが参照されるが、これらの機能は、手動で、又はマイクロコントローラ若しくはマイクロプロセッサによって実行するか、或いは他の目的及び較正の目的のために用いることができる。
【００３７】
好ましい実施形態では、多項式は、独立変数として温度を有する項、独立変数として圧力を有する項、並びに温度及び圧力の積である交差項から成る。変数の次数（冪又は指数）は、要求される精度、及び利用可能なマイクロコントローラメモリに基づいて選択される。開始多項式の係数は、任意の適切な技法を用いて、データセットから求められる。好ましい実施形態では、Eric W. Weisstein著「Least Square Fitting---Polynomial」（Mathworld - http://mathworld. Wolfram.com/Least SquaresFittingPolynomial. html）に記載されるような、よく知られている最小二乗回帰法が用いられる。これらの係数が得られた後に、以下で説明される方法で、重要度が最も小さい交差項が削除され、設計判定基準内にある、重要度が最も大きい交差項が追加される。この多項式を用いて、計測器が較正される。
【００３８】
図２では、制御・計算システム４８と、第１のセンサ１８と、第２のセンサ１６と、第３のセンサ１７と、情報入力／出力システム４９とを有する計測器３０のブロック図が示される。第１のセンサ１８は、測定される値を検知する一次変換器であり、好ましい実施形態では、電気信号を制御・計算システム４８に送信する。この信号は、環境に起因する歪みを受けることがある。温度変化、電磁界、又は他のタイプの無線周波数干渉、振動又は湿気のような環境的な影響等の、いくつかの異なる干渉源が存在することがある。第２のセンサ及び第３のセンサは、干渉に関連する干渉源を別個に測定する干渉変換器である。第２のセンサ１６及び第３のセンサ１７からのこれらの干渉信号も、制御・計算システム４８に送信される。好ましい実施形態では、制御・計算システム４８は判定基準最適化多項式である較正曲線又は較正多項式を含むマイクロプロセッサを備える。
【００３９】
この構成によれば、制御・計算システム４８への入力の結果として、さらに正確な信号が生成され、その信号を情報入力／出力システム４９によって読み出すことができる。好ましい実施形態では、判定基準最適化計測器３０は深度測定システムであり、第１のセンサ１８は圧力センサである。流れの底にあるこの圧力センサは、その流れの中の液圧からの圧力を受け、それを、制御・計算システム４８に送信される電気信号に変換する。好ましい実施形態では、１つの干渉センサだけが用いられる。このセンサは第２のセンサ１６であり、それは温度を検出する。その温度は、制御・計算システム４８内のマイクロプロセッサ内に記録される判定基準最適化多項式を使用することによって、変動及び第１のセンサ１８からの信号出力を補正するために用いられる。
【００４０】
図３には、判定基準最適化計測器において用いる判定基準最適化多項式を形成する方法の流れ図２４が示されており、その方法は主なステップとして、第１段階予備較正多項式を形成するステップ２６と、第１段階多項式又は第３段階多項式から１つずつ項を削除し、１組の試行第２段階多項式を生成するステップ５６と、最良の試行第２段階予備較正多項式を選択するステップ６０と、第３段階予備較正多項式を形成するステップ６６と、図４においてさらに完全に示されるような、最良の試行第２段階多項式を選択するステップ６７とを有する。
【００４１】
第３段階予備較正多項式を形成するステップ６６は、以前に追加された項が削除されたか否かを判定するステップ１１８が「いいえ」である場合にのみ実行される。以前に追加された項が削除された場合には、その多項式は、ステップ７８において示されるように自己無撞着であり、較正多項式の形成が完了している。同様に、プログラム２４は、ステップ１２０において、以前に追加された項が削除されなかったものと判定された場合にのみ、第１段階多項式又は第３段階多項式から１つずつ項を削除し、１組の試行第２段階多項式を生成するステップ５６に戻る。以前に追加された項が削除された場合には、ステップ７８において示されるように、その多項式は自己無撞着であり、既に較正曲線が求められている。
【００４２】
ステップ２６において形成される第１段階多項式は多数の項を有することがあるため、ステップ５６では、削除される項毎に１組ずつの多数の試行第２段階予備多項式が形成される。たとえば、第１段階多項式が３つの項を含む場合には、１組の試行第２段階予備多項式は３つの多項式を含む。さらに別の例として、第１段階多項式がｙ＝Ｃ１Ｘ＋Ｃ２Ｘ２＋Ｃ３ＸＴである場合には、完全な１組の試行第２段階予備多項式は、ｙ＝Ｃ２Ｘ２＋Ｃ３ＸＴ、ｙ＝Ｃ１Ｘ＋Ｃ３ＸＴ及びｙ＝Ｃ１Ｘ＋Ｃ２Ｘ２となるであろう。
【００４３】
予備第２段階多項式に追加される、重要度が最も大きい交差項を選択するために、その過程は、ステップ８４（図４）において生成されるリストから、１つの新たな交差項を第２段階多項式に追加して第３段階試行多項式を形成するステップ６６と、最良の試行多項式を選択するステップ６７とを含む。１組の第３段階試行多項式は、ステップ８４（図４）のリストから１つの交差項を第２段階多項式に追加することによって形成される。一例として、ステップ８４（図４）からのリストが３つの交差項を含む場合には、１組の第３段階試行多項式は３つの多項式を含むであろう。さらに別の例として、交差項のリストが交差項Ｘ２Ｔ、Ｘ２Ｔ２及びＸ３Ｔを含む場合、且つ第２段階多項式がｙ＝Ｃ１Ｘ＋Ｃ２Ｘ２である場合には、完全な１組の第３段階試行多項式は、ｙ＝Ｃ１Ｘ＋Ｃ２Ｘ２＋Ｃ３Ｘ２Ｔ、ｙ＝Ｃ１Ｘ＋Ｃ２Ｘ２＋Ｃ３Ｘ２Ｔ２及びｙ＝Ｃ１Ｘ＋Ｃ２Ｘ２＋Ｃ３Ｘ３Ｔを含むであろう。最良の第３段階試行多項式を選択する図３のステップ６６の過程は、図５において以下でさらに詳細に説明されるような過程６０に拡張される。図５の過程６０は、第２段階及び第３段階試行多項式の両方の選択に適用することができる。
【００４４】
より具体的には、新たな交差項を追加して、第３段階予備補正多項式を形成することによって、選択された判定基準の中に留まりながら、計測器における測定の精度が高められる。追加される交差項は、第１段階予備補正多項式内の独立変数から形成することができる１組の全ての取り得る交差項から選択されるが、第１段階予備補正多項式の一部であるように最初に選択された交差項は除く。元の第１段階予備補正多項式の一部であるように選択された項は、上記で説明されたように、第２段階予備多項式を形成する際に削除されない限り、第２及び第３の予備補正多項式の中に残される。
【００４５】
第１段階予備多項式に追加するために検討される各交差項は、第３段階試行補正多項式に導く１つのステップとして、図３のステップ６６に示されるように、第２段階予備補正多項式に追加される。好ましい実施形態では、交差項は１つずつ追加され、多項式の係数が最適化されて第３段階試行補正多項式が形成された後に、上記で説明されたように、第２段階予備補正多項式から項を削除するために用いられる手順と同じような手順において、評価されると共に測定の精度を改善する交差項が選択される。
【００４６】
好ましい実施形態では、試行補正多項式を形成するために追加される交差項は、（１）第１段階予備補正多項式内にない交差項、及び（２）第１段階予備補正多項式内の独立変数の最も高い次数以下の次数の独立変数を含む交差項である。たとえば、好ましい実施形態では、独立変数のうちの１つにおける最も高い次数がＴ４である場合には、状況によっては、さらに高次の次数の独立変数を含むこともできるが、独立変数Ｔ４、Ｔ３、Ｔ２及びＴのうちの１つ又は複数を含むが、Ｔ５を含まない交差項を与えるために必要とされる範囲内で、交差項が追加される。好ましい実施形態では、交差項を形成するために独立変数のうちの低い次数を選択することは、独立変数毎に行われる。好ましい実施形態では、試行多項式には、新しい交差項が１つだけ含まれるが、２つ以上の交差項を含むこともできる。
【００４７】
交差項が追加される度に、第２段階予備補正多項式の生成に関連して説明されたように、全ての項の係数の数値が求められ、不一致誤差が見つけられる。全ての不一致誤差が見つけられると、それらの不一致誤差に関して、平均最大偏差のような中心傾向値が求められる。試行第３段階補正多項式において最も低い平均偏差を与える交差項が永久的に追加される。こうして、１つだけ独立変数を有する項内の最も次数が高い独立変数よりも低い独立変数をその中に有し、測定の精度を改善する交差項が、予備補正多項式に永久的に追加される。交差項は、予備補正多項式が自己無撞着になるまで、又は第１段階予備補正多項式内の独立変数の最も高い次数以下の次数を有する独立変数を有する全ての交差項が検討されるまで追加される。
【００４８】
好ましい実施形態は、第１段階予備補正多項式内の独立変数よりも低い次数を有する独立変数を有する交差項だけを含むが、これは絶対に必要とは限らない。より高い次数の変数を有する交差項、又は独立変数を１つだけ有する項を追加することによって、設計判定基準が、より良好に満たされる場合には、これらの項が、本明細書に記載される手順によって評価され、評価された後に選択され、それらが選択された判定基準を満たす場合には追加されることができる。こうして、判定基準が、補正多項式によって必要とされるメモリ量に関する限度であり、より大きな容量のメモリが与えられる場合には、この手順によって、補正多項式に追加する新たな項を評価することができる。
【００４９】
好ましい実施形態では、過程２４は、以前に追加された項が削除され、多項式が自己無撞着であることが示されるまで、ステップ５６、６０、１１８又は６６，６７及び１２０を続ける。本明細書において、用語「最適化較正曲線」が用いられるが、その較正曲線は、本発明の範囲内にあるような最適化された較正多項式と見なされる最も実効的な形で、完全に、又は最適に生成される必要はない。ステップ６０及び６６は、回数を重ねるほど発展していくため、任意の決まった時点まで実行される必要はない。さらに、重要度が最も小さい項を削除することは、重要な項を追加するステップと交互に行われる必要もなければ、追加されるのと同じ数の項が削除される必要もなく、重要度が小さい項を削除する過程又は重要度が大きい項を追加する過程のうちの一方だけを用いられることができる。しかしながら、好ましい実施形態では、重要度が小さい項を削除するステップ及び重要度が大きい項を追加するステップが交互に行われ、項が追加されるステップ中に追加された項が削除されるか、又は以前に削除されている項が追加されるまで、その反復過程が続けられる。この時点において、その較正曲線は、自己無撞着であると言われる。
【００５０】
図４には、予備多項式を形成する過程の流れ図２６が示されており、その過程は、判定基準に適している独立変数の最大次数を選択すると共に判定基準に従って多項式の項の数を選択するステップ３８と、全ての取り得る交差項のリストを生成するステップ８４と、データベースを得るステップ２８（図６を参照）と、多項式の次数までの全ての冪の一次独立変数と低い冪の交差項のうちのいくつかとを組み合わせて、第１段階予備多項式を生成するステップ２７とを含む。この過程は、その重要度に従って自動的に交差項を含むことになるため、使用者が交差項の重要度の序列について確信がない場合には特に、第１段階予備多項式は交差項を含まないこともできる。
【００５１】
独立変数の最大次数、及び多項式の項の数の選択は、一般的には、装置が複雑になること、用いられるメモリのサイズ、及び得られる測定の精度の間で妥協を図ることを伴う。測定の精度は、項の数が増加し、変数の次数が高くなり、交差項の数が増加するのに応じて高くなる。一方、マイクロコントローラによって実現される実施形態では、項の数を増やし、変数の次数を高くし、交差項の数を増やすには、装置を複雑にし、メモリのサイズを大きくする必要がある。好ましい実施形態では、マイクロコントローラが用いられるが、本明細書において説明される過程は、マイクロコントローラを用いることなく手動で実行することもできる。
【００５２】
独立変数の最大次数が選択されると、複数の項を含む、第１段階予備多項式又は作業多項式が形成される。これらの項のうちのいくつかは、複数の冪の独立変数を含み、他の項は、ステップ８４において示されるように、２つ以上の独立変数の積を含む交差項である。２つ以上の独立変数の積を含む項は、本明細書において、交差項と呼ばれる。項の係数は、既知の最小二乗回帰法のような任意の既知の曲線当てはめ方法を用いて選択される。好ましい実施形態では、最も高い選択された次数から１次までの全ての次数の独立変数のうちの１つ又は全てが含まれる。たとえば、温度のために４次が選択されている場合、変数Ｃ４Ｔ４は、係数Ｃ４を有することになり、Ｔ３、Ｔ２及びＴ１のような温度の低い冪の全ては、対応する係数Ｃ３、Ｃ２及びＣ１を有する。
【００５３】
図５には、最良の試行多項式を選択する過程６０の流れ図が示されており、その過程は、多項式をデータベース内の１つのデータセットに当てはめることによって、試行多項式の項の最適な係数を求めるステップ５８と、ステップ５８において得られた多項式の従属値と、データセット内の刺激点毎の対応する従属データ値との間の偏差又は不一致誤差を求めるステップ６１と、特定のデータセットに関する最大絶対値を有する偏差を見つけるステップ６２とを含む。ステップ５８、６１及び６２は、ステップ６３に示されるようなデータベース内のデータセット毎に繰り返される。
【００５４】
データベースの解析を完了した後に、ステップ６４において、データベース内の全てのデータセットに関する全ての最大偏差の平均値が求められる。その特定の試行多項式に関して、平均最大偏差の値が、重要度の序列に関連付けられる。重要度の序列を求めるために、次の試行多項式に関して、ステップ６３において示されるように、ステップ５８、６１、６２及び６４が繰り返される。全ての試行多項式が重要度に関して序列を付けられるまで、この過程が続けられる。全ての試行多項式が序列を付けられた後に、ステップ６５において示されるように、平均最大偏差の値が最も低い試行多項式が、最良の多項式として選択される。この試行多項式は、データベースとの偏差又は不一致誤差が最も小さい。過程６０は、第２段階及び第３段階の両方の試行予備較正多項式にも同じく当てはまる。
【００５５】
第２段階予備補正多項式を形成するとき、どの項が測定の精度を改善する度合いが最も小さいかを判定するために、一連の試行補正多項式が形成される。第１段階補正多項式から１つの項を削除すること、その削除された項に従って最適な係数を求めて第２段階試行補正多項式を得ること、及び検討されている他の第２段階試行補正多項式よりも精度を改善する度合いが小さい第２段階試行補正多項式を削除することによって、試行多項式が形成される。これらの試行多項式を比較して、どの試行多項式によれば、従属変数が最も正確に求められるかを判定する。最も正確な測定値を与える第２段階試行補正多項式が、第２段階予備補正多項式になり、それが結果として、最終的な第２段階予備補正多項式になることがあるが、判定基準が満たされるとき、又は補正多項式が自己無撞着になるときに、項を追加することによって、１つ又は複数の第３段階補正多項式を形成できる場合は別である。
【００５６】
好ましい実施形態では、第２段階予備補正多項式はそれぞれ、１つの他の第１段階多項式又は第３段階予備多項式から１つずつ交差項を削除することによって形成される全ての試行第２段階多項式を比較することから選択される。しかしながら、交差項に加えて、ただ１つの独立変数を含む項を削除することによって良好な結果を得ることができ、他の第２段階補正多項式から項を削除することによって形成される補正多項式を形成及び検討することができ、且つ／又は各交差項を削除することによって試行多項式を形成するのではなく、削除される交差項のうちのいくつかだけを選択して試行多項式を形成することによって、比較用に形成される試行補正多項式の数を減らすことができる。
【００５７】
好ましい実施形態では、第２段階試行補正多項式が、複数の異なるデータセットを用いて、試行補正多項式毎に何度も従属変数を計算することによって比較される。計算された値と実際の値との間の偏差が、複数のデータセットのそれぞれにおいて試行多項式毎に求められ、これらの結果を用いて比較が行われる。好ましい実施形態では、従属変数のための予め設定された値毎に、何度かの測定が行われる。たとえば、圧力及び温度が独立変数であり、水深が従属変数である場合には、データベースの生成において、既知の深度において、試験装置を用いて圧力及び温度が何度も測定される。各試行補正多項式を用いて、データベース内の圧力及び温度の値から深度が計算され、計算された深度値が、データベースからの複数のデータセットにおいてデータベースからの測定された値と比較される。本明細書におけるデータセットは、種々の深度、温度及び圧力における１組の測定値である。補正多項式毎にいくつかのデータセットが得られ、各試行補正多項式がいくつかのデータセットで試験される。
【００５８】
好ましい実施形態では、試行補正多項式毎の複数のデータセットからの最大偏差が、どの項が捨てられるかを判定する際に用いられる標準値として用いられるが、最大偏差の１０パーセント以内の値のような、不一致誤差に直に関連付けられ、精度又は測定の改善への項の影響を反映する任意の他の値を用いることもできる。試行補正多項式毎の最大偏差の平均が計算され、これを用いて、最も低い平均最大偏差を生じる試行補正多項式が求められる。最も低い平均最大偏差を生じる第２段階試行補正多項式が、第２段階補正多項式と見なされる。好ましい実施形態では、比較標準値として平均最大偏差が用いられるが、さらに精密な測定を提供する補正多項式が生成される場合には、この選択に、たとえば、平均偏差のような、偏差の中心傾向の任意の他の指示子を用いることができる。
【００５９】
図６には、複数のデータセットを得る過程２８の流れ図が示されており、その過程は、圧力変換器又はセンサ及びサーミスタを、温度及び水位が制御される水槽内に配置するステップ８８と、水槽内の温度及び水位を或る選択された初期条件に設定するステップ９０と、水位、温度、並びに複数の水位及び温度における電圧を記録して、データセットを形成するステップ１２２と、そのデータセットが完成した後に、異なる日に、又は異なるセンサで繰り返すことによって、付加的なデータセットで継続するステップ１２８とを含む。全てのデータセットが収集されていない限り、各データセットが完成した後に、判定ステップ１２６はステップ８８に戻る。全てのデータセットが収集された後に、ステップ１２４に示されるように、データベースが完成する。
【００６０】
図７には、水位、温度、並びに複数の水位及び温度における電圧を記録して、データセットを形成するステップ１２２（図６）の流れ図が示されており、そのステップは、水位及び温度が安定するまで待つサブステップ９２と、水位又は変換器の深度、温度、及び全ての変換器からの電圧信号出力を記録するサブステップ９４と、水位若しくは温度、又はその両方を新たな条件に調整し直すサブステップ９６と、１２６において示されるように、全ての水位及び温度がサンプリングされている場合、先行するステップ９２、９４及び９６を繰り返すこととを有する。これらのステップは、複数の深度及び温度において、温度を圧力信号に関連付けるデータが得られるまで繰り返される。これらのステップは、上記の図１の説明との関連でさらに十分に説明される。当然、変換器は最初に、水槽内の１つの場所に保持され、温度を変更して、水中の１つの場所に関して複数の温度のデータを得ることができ、その後、異なる深度に変換器を動かして、再び温度を変更して、十分なデータが得られるまで、これらのステップを繰り返すこともできるが、この過程はさらに時間を要するであろう。
【００６１】
ステップ９２、９４及び９６が繰り返されて、ただ１つのデータセットが生成される。データベースは、データセットの集合体、すなわち複数のデータセットと見なされる。言い換えると、１つのデータセットはデータベースのサブセットである。データセットは、特定の変換器及び特定の日に関する較正データだけを含む。データベースは、全ての変換器及び全ての日に関する較正データを含む。初日に特定の変換器において収集される較正データは、完全な１つのデータセットを構成するであろう。別の日に同じ変換器において収集される較正データは、異なるが、完全な１つのデータセットを構成するであろう。別の変換器において収集される較正データは、さらに別の、異なるが、完全な１つのデータセットを構成するであろう。３つの全てのデータセットがデータベース内に含まれるであろう。他の場所では、データベースは複数のデータセットとも呼ばれる。
【００６２】
上記の手順によれば、較正多項式を形成して干渉及び非線形性を補正された測定値を指示する較正済み信号を与えることによって、計測器が較正される。較正多項式を作成するために、一次独立変数、少なくとも１つの干渉関連独立変数を含み、さらにいくつかの交差項を含むか、又は交差項を含まない第１段階予備補正多項式が最初に作成される。従属変数、一次独立変数、及び少なくとも１つの干渉関連独立変数から成る複数のデータセット、すなわちデータベースが得られる。上記で説明されたように、それらのデータセットを用いて、第１段階予備補正多項式の重要度が最も小さい項が削除され、重要度が最も大きい交差項が追加される。
【００６３】
計測器を形成する際に、要求される精度、又は計測器を較正するために用いることができるメモリのサイズ等の設計判定基準が選択され、この判定基準を満たす判定基準最適化較正曲線が作成される。測定される値、及び計測器の精密度を低下させることがある干渉関連信号又は要因を検知するために、一次変換器１８及び少なくとも１つの二次変換器１６が選択される。マイクロコントローラ１４が、一次変換器１８によって測定される値を補正するようにプログラムされる。その計測器は、この補正された値を用いて、さらに計算を行うことができ、且つ／又は補正された値の表示を与えることができる。
【００６４】
図８には、体積流量計３０Ａのブロック図が示されており、それは、平均速度検知システム１１４と、深度検知システム１１６と、制御・計算システム４８Ａと、情報入力出力システム４９Ａとを有する。制御・計算システム４８Ａは、平均速度検知システム１１４、深度検知システム１１６及び情報入力出力システム４９Ａと通信する。制御・計算システム４８Ａは、（１）入力出力システム４９Ａからデータ及びコマンドのような入力情報を受信し、（２）情報入力出力システム４９Ａに情報を与え、（３）深度検知システム１１６からデータ及び情報を受信し、（４）平均速度検知システム１１４から平均移動時間情報を受信する。制御・計算システム４８Ａは、深度検知システム１１６から受信されるデータから判定基準最適化多項式を計算することができるか、又は情報入力出力システム４９Ａを通じて、この情報を受信することができ、深度情報及び平均速度から体積流量を計算することができる。
【００６５】
平均速度検知システム１１４は、自動範囲及びしきい値設定システムの制御下にある超音波ドップラ送信機及び超音波ドップラ受信機を備える。速度計は、流れの代表的な断面を通じて、又は流れの断面全体を通じて音波を送信し、戻される複素信号を受信し、その信号はデジタル化され、高速フーリエ変換解析装置を用いて解析される。この構成によれば、受信変換器３４及び送信変換器３２は、水平方向に対して、或る角度を成して配置され、流れの代表的な部分にビームを放射し、その反射を受信する。
【００６６】
測定の分解能は、流れにおいて取り得る速度の範囲によって生じる周波数偏移の最大範囲にわたって、フーリエ変換解析装置の項毎に選択される周波数の範囲の数に依拠する。好ましい実施形態では、予想される速度範囲が求められ、フーリエ変換解析装置の正の項及び負の項のために、２５６の周波数帯が選択される。
【００６７】
本明細書における用語「代表的な部分」は、流れ全体の一部であり、流れ全体は或る体積を有し、その体積は、その中にさらに小さな複数の流体流部分を含み、それらの流体流部分はそれぞれ、流れ全体の中でそれぞれの速度で流れており、流れの中のより小さな部分の速度毎の流体流は反射性の部分を有し、その反射性の部分は、流れ全体の反射性の部分のサイズと同じ割合であり、流れ全体の反射性の部分は、代表的な部分において異なる速度を有する任意の他の反射性のより小さな部分と同じ速度を有する。そのような比例は、流れを切断する虚数平面からではなく、液体の体積から信号を反射することによって部分的に達成することができる。
【００６８】
この代表的な部分の定義では、代表的な部分内の特定の速度において流れている各単位面積は、その流量において流れている流れ全体の液体の面積に対して、或る比を有し、その比は、その流量において流れている全ての他の断面積と同じ比である。したがって、この代表的な部分は、流れ全体の平均流量を正確に反映する。
【００６９】
実際には、流れの断面積全体、又はまさに代表的な部分である部分のいずれかを適切にサンプリングし損なうことから、いくらかの誤差が常に生じる。全断面積よりも、代表的な部分を利用するのが容易であるため、好ましい実施形態は代表的な部分を利用し、超音波が反射される角度を選択すると共に、各速度で流れている流体の比例する量が、受信している１つ又は複数の変換器３４への信号を反射するように、受信される角度を選択することによって、この代表的な部分に達することが好ましい。１つのそのような誤差は、反射される信号が円錐形と見なされるときに、変換器に対して垂直な軸に対する反射信号の対称性の欠如によって引き起こされる。しかしながら、これは、容易に補正することができる。対称性の欠如は、２パーセント又は他の値のような一定の係数を用いて相違をなくすことによって、補正することができる。
【００７０】
平均速度検知システム１１４はさらに、入力回路４０と、反射処理回路４２と、時間制御・計算システム４８Ａと、情報入力出力システム４９Ａと、タイミング回路４４と、送信信号発生器４６とを備える。入力回路４０は、導体６５を通じて、受信変換器又は変換器アレイ３４に電気的に接続され、そこから信号を受信し、その信号を自動利得制御で増幅し、それらの信号を、導体７４を通じて反射処理回路４２に送信する。
【００７１】
反射処理回路４２は、（１）導体５０、５２、５４及び５８を通じてタイミング回路４４に電気的に接続され、それらの導体は振幅の走査及びしきい値の設定を制御し、また反射処理回路４２は、（２）導体７０及び７２を通じてタイミング制御・計算システム４８Ａに電気的に接続され、それらの導体を通じて、タイミング制御・計算システム４８Ａによって用いるためのデータを送信し、導体６８を通じて、タイミング制御・計算システム４８Ａから、タイミング制御・計算システム４８Ａへのデータの送信の時刻を制御する信号を受信する。
【００７２】
タイミング制御・計算システム４８Ａは導体６３及び７６を通じてタイミング回路４４に電気的に接続され、流量計３０Ａ全体の同期を制御すると共に、入力回路４０へのサンプリングレート及び周波数カットオフ点を確立し、適度な信号を得るために自動利得制御回路の振幅レベルを調整する。タイミング回路４４は、導体６１を通じて、送信信号発生器４６に電気的に接続され、その導体を通じて、タイミング回路４４は、送信信号発生器４６が導体６７を通じて送信変換器又は変換器アレイ３２に信号を送信する時刻を制御する。これらの信号は、精度を高めるために、或る範囲のサンプリング時間及びサンプリングレートにわたって操作するために、送信される超音波信号のサンプリング時間及び繰返し速度を制御する。
【００７３】
圧力センサ１８Ａは、タイミング制御・計算システム４８Ａに電気的に接続され、それに深度情報を送信し、情報入力出力システム４９Ａは、コンピュータキーボード及び他の入力デバイスを含み、流れの断面積等の情報を、タイミング制御・計算システム４８Ａに供給する。これらの値を用いて、タイミング制御・計算システム４８Ａは、流れの中の流れの面積及び平均速度を計算することができ、そこから、当該技術分野において既知の方法で、流れの液体の流量を計算することができる。
【００７４】
一般的には、流れの断面全体からドップラシフト情報を受信する試みがなされる。それらの信号は、実際の速度、及び速度のそれぞれの断面積の全てを表すことを意図している。これらの速度及び断面積は曲線において表すことができ、グラフで見るとき、速度は横座標に沿って表され、断面積の量はそれぞれ縦座標として速度又は速度の小さな範囲を有する。これらの値は、受信された超音波信号の速度及び振幅を、その速度を有する面積として表すドップラ周波数シフトで測定される。平均速度システムは、前述の米国特許第５，７７７，８９２号にさらに詳細に説明されており、その特許の開示は参照により本明細書に援用される。
【００７５】
判定基準最適化多項式のやや詳しい説明が提供されてきたが、用語「判定基準最適化多項式」は、この説明の全ての特徴に限定されることは意図していない。用語「判定基準最適化多項式」は、一次独立変数及び少なくとも１つの干渉関連独立変数を含む、予備較正多項式を形成するステップと、従属変数、一次独立変数及び少なくとも１つの干渉関連独立変数から成る複数のデータセットを得るステップと、それらのデータセットを用いて、予備較正多項式の重要度が最も小さい項を削除するか、又は一般的な目的のために恣意的に選択された判定基準が満たされるまで、予備較正多項式に重要度が最も大きい交差項を追加するか、又は測定の精度を高める較正多項式を与える項を追加するステップとを含む、任意の手順を指している。
【００７６】
本明細書において、用語「判定基準最適化」は、計測器に適用されるときには、判定基準最適化多項式を用いて、その精度を改善する機器を意味し、較正曲線又は多項式に適用されるときには、最初に、一次独立変数及び少なくとも１つの干渉関連独立変数を含む、予備又は予備較正多項式を形成し、多項式を形成する前又は後に、従属変数、一次独立変数及び少なくとも１つの干渉関連独立変数から成る複数のデータセットを入手し、その後、それらのデータセットを用いて、予備較正多項式の重要度が最も小さい項を削除するか、又は重要度が大きい項を追加することによって、較正曲線又は較正多項式が形成されていることを意味する。
【００７７】
上記の説明から、本発明の計測器、及びそれを使用する方法が、たとえば、（１）さらに容易に較正できること、（２）そのいくつかの態様が、より容易に自動化されること、及び（３）より精密な動作を提供できること等の、いくつかの利点を有することは理解されよう。
【００７８】
本発明の好ましい実施形態がやや詳細に説明されてきたが、本発明から逸脱することなく、そのシステムにおいて多数の変更及び変形が可能である。それゆえ、本発明は、添付の特許請求の範囲内で、具体的に説明された以外の態様で実施されることがあることは理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の一実施形態による、較正曲線を作成する装置のブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による、判定基準最適化計測器のブロック図である。
【図３】判定基準最適化多項式又は判定基準最適化曲線を得るための過程の流れ図である。
【図４】図３の過程において用いられる第１段階多項式を形成する部分過程の流れ図である。
【図５】図３の過程において用いられる最良の試行第２段階多項式を選択する部分過程の流れ図である。
【図６】浸漬されている水深を求めるために用いられる圧力センサに適用されるときに、図３の過程の別のステップを実行する過程のブロック図である。
【図７】図６の流れ図の一部のさらに詳細な流れ図である。
【図８】本発明の一実施形態による体積速度流量計のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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