(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサと、前記センサが接続され且つワイドバンドギャップ半導体を使用した発振器を備えたインタフェースと、前記インターフェースとは別に配置され且つインターフェースから出力された発振信号を処理する演算装置と、を備えていて、
前記発振器は、基準となる発振信号を出力する第１発振器と、前記センサの出力に基づいた発振信号を出力する第２発振器とから構成されており、前記第１発振器、第２発振器を構成する回路には、前記ワイドバンドギャップ半導体が使用されていることを特徴とするセンサのモニタリング装置。
【請求項２】
前記演算装置は、前記第１発振器からの発振信号と第２発振器からの発振信号とに基づいて、前記センサで測定した測定値を算出する演算部を備えていることを特徴とする請求項１に記載のセンサのモニタリング装置。
【請求項３】
前記第１発振器及び第２発振器は、ＬＣ発振回路を含むものとされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサのモニタリング装置。
【請求項４】
前記演算装置は、動作温度によって変化する第１発振器の周波数と、動作温度及び温度センサの出力によって変化する第２発振器の周波数と、センサの測定値とが関連付けられたデータベースを備えており、
前記演算部は、第１発振器の周波数及び第２発振器の周波数と、前記データベースとに基づいて、センサの測定値を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセンサのモニタリング装置。
【請求項５】
前記第１発振器と第２発振器とは略同一の発振回路で構成され、前記第１発振器から出力される発振信号の周波数と、センサからの出力が無いときの第２発振信号の発振信号の周波数とは略同じに設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセンサのモニタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサのモニタリング装置に関するものであって、特に高温環境下であっても正常に動作するモニタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、センサのモニタリング装置では、センサからの出力を電圧に変換したり、発振回路にて周波数に変換し、これら電圧出力や周波数出力に基づいてセンサの測定値を求めている。
このようなモニタリング装置に設けられた電圧変換回路や発振回路は、シリコン半導体で構成されたＩＣ（集積回路）などで構成されていることが多い。発振回路をシリコン半導体等で構成したものとして特許文献１や特許文献２に示すものがある。
【０００３】
特許文献１の発振回路では、８個のトランジスタと定電圧源、低電流源とを組み合わせて接続している。
特許文献２の発振回路では、発振器内部に別にコルピッツ発振回路と水晶発振回路と回路切り替えスイッチを具備し、その基本発振周波数と高調波との周波数差がほぼ直線の温度係数を持つことを利用して発振器の環境温度を求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−１４７８１２号公報
【特許文献２】特表平８−５００２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
さて、モニタリング装置は、非常に高温下に配置されることがあり、当該モニタリング装置内の発振回路を構成するＩＣの温度が２００℃超えてしまい、ＩＣが正常に動作することができないことがある。
そのため、モニタリング装置を断熱材で覆うことによってモニタリング装置を配置した環境温度が２００℃以上である高温環境下でも、ＩＣの温度が上がらないようにし、ＩＣを正常に動作するような工夫をする必要がある。
【０００６】
しかしながら、モニタリング装置を断熱材で覆ったとしても、モニタリング装置を高温環境下で長時間使用した場合では、ＩＣの温度が次第に高温環境下と同じ温度に近づき、ＩＣが正常に動作し難くなる場合がある。
また、モニタリング装置を配置する環境温度がさらに高くなり、当該環境温度が４００℃以上となった場合には、ＩＣの温度を２００℃未満にすることができず、短時間でもＩＣを正常に動作させることができないことがある。
【０００７】
本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであり、特に、高温環境下でも正常に動作してセンサの測定値を正確に求めることができるセンサのモニタリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明の技術的手段は、センサと、前記センサが接続され且つワイドバンドギャップ半導体を使用した発振器を備えたインタフェースと、前記インターフェースとは別に配置され且つインターフェースから出力された発振信号を処理する演算装置と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
好ましくは、前記発振器は、基準となる発振信号を出力する第１発振器と、前記センサの出力に基づいた発振信号を出力する第２発振器とから構成されており、前記第１発振器、第２発振器を構成する回路には、前記ワイドバンドギャップ半導体が使用されているとよい。
また、前記演算装置は、前記第１発振器からの発振信号と第２発振器からの発振信号とに基づいて、前記センサで測定した測定値を算出する演算部を備えているとよい。
【００１０】
前記第１発振器及び第２発振器は、ＬＣ発振回路を含むものとされていることは好ましい。
より好ましくは、前記演算装置は、動作温度によって変化する第１発振器の周波数と、動作温度及び温度センサの出力によって変化する第２発振器の周波数と、センサの測定値とが関連付けられたデータベースを備えており、前記演算部は、第１発振器の周波数及び第２発振器の周波数と、前記データベースとに基づいて、センサの測定値を算出するとよい。
【００１１】
また、前記第１発振器と第２発振器とは略同一の発振回路で構成され、前記第１発振器から出力される発振信号の周波数と、センサからの出力が無いときの第２発振信号の発振信号の周波数とは略同じに設定されているとよい。
なお、本発明に係るセンサのモニタリング装置の最も好ましい形態は、センサと、前記センサが接続され且つワイドバンドギャップ半導体を使用した発振器を備えたインタフェースと、前記インターフェースとは別に配置され且つインターフェースから出力された発振信号を処理する演算装置と、を備えていて、前記発振器は、基準となる発振信号を出力する第１発振器と、前記センサの出力に基づいた発振信号を出力する第２発振器とから構成されており、前記第１発振器、第２発振器を構成する回路には、前記ワイドバンドギャップ半導体が使用されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高温環境下でも正常に動作してセンサの測定値を正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】センサのモニタリング装置の全体を示す全体構成図である。
【図２】センサ及びインターフェースを高温環境下に設置した例を示した図である。
【図３】（ａ）第１発振器の回路図であり、（ｂ）第２発振器の回路図である。
【図４】発振回路の動作温度と発振周波数との関係を示した図である。
【図５】定電圧器のバイアスの電圧と周波数との関係を示した図である。
【図６】（ａ）トランジスタを変更した場合の第１発振器の回路図であり、（ｂ）トランジスタを変更した場合の第２発振器の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図を基に説明する。
図１に示すように、本発明のセンサのモニタリング装置１は、高温環境下でも正常に動作する装置であり、センサ２と、センサ２が接続されるインターフェース３と、インターフェース３とは別に配置された演算装置４とを備えている。
なお、以下の説明において、環境温度とはインターフェースなどの部品が設置される周辺の温度のことであり、動作温度とは部品が動作しているときの部品自体の温度である。
【００１５】
センサ２は、測定対象物の温度を測定する温度センサ、ガスの濃度等を測定するガスセンサ、流体の圧力を測定する等で構成されたものである。この実施形態では、温度センサ２を例にとり説明する。
図２に示すように、温度センサ２は、測定対象物である高炉や転炉の外壁面５の温度を測定したり、溶融金属が装入された容器（例えば、取鍋）の外壁面５の温度を測定するものであって、例えば、測定温度に応じて起電力を発生する熱電対で構成されている。
【００１６】
インターフェース３は、温度センサ２の近くに配置されていて、２００℃以上の高温状況下に配置されるものである。例えば、高炉の外壁面、転炉の外壁面、取鍋の外壁面の近くに配置されている。
インターフェース３は、発振器６を備えている。詳しくは、インターフェース３は、複数の発振器６，６（例えば、２個）を備えていて、一方の発振器６ａ（第１発振器）は、基準となる発振信号を出力するものであり、他方の発振器６ｂ（第２発振器）は、センサ２の出力に基づいて発振信号を出力するものである。第１発振器６ａの発振信号と第２発振器６ｂの発振信号とは、インターフェース３に設けられた無線等の送信器７により演算装置４に送信される。
【００１７】
まず、第１発振器６ａ及び第２発振器６ｂについて説明する。
図３（ａ），（ｂ）に示すように、第１発振器６ａ及び第２発振器６ｂは、コイル、コンデンサ、トランジスタ、ダイオード、抵抗素子等の電子部品、それらを配備する基板等から構成されている。インターフェース３は、高温状況下に配置されるため、第１発振器６ａ及び第２発振器６ｂの各部品（コイル、コンデンサ、トランジスタ、ダイオード、抵抗素子、配線、基板等）には高温に耐えられるものを使用している。
【００１８】
例えば、第１発振器６ａ及び第２発振器６ｂにおいて、コンデンサには、セラミックスコンデンサ、抵抗素子およびコイルにはセラミックス絶縁が施されたもの、ハンダには融点３１０℃の高温ハンダを用いた。全ての部品で耐熱性が２５０℃以上の金属、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド等を用い、耐熱性が低い材料は使用していない。
【００１９】
また、第１発振器６ａ及び第２発振器６ｂの電源８は、高温用リチウム電池を断熱ボックスに入れ、エナメル線等により発振回路に接続している。第１発振器６ａ、第２発振器６ｂ、送信器７及び断熱ボックスは、１つのケース９（例えば、金属ケース）に納め、金属ケース９の外に送信アンテナ１０を接続することによりインターフェース３全体を構成している。なお、送信器７も耐熱性ある部品を用いて構成している。
【００２０】
なお、電源８として、高温壁の熱を利用した熱電素子やナトリウム硫黄（ＮａＳ）電池などを使用してもよい。
ここで、インターフェース３が配置される環境温度などが変化することによって、各電子部品の動作するときの温度（動作温度）が変わってしまうと、その特性が変化して発振信号の周波数が変化することが知見されている。
【００２１】
そのため、後述するように、第１発振器６ａの温度依存性による発振信号の周波数と第２発振器６ｂのセンサ２の出力に応じた発振信号の周波数とからセンサ２で測定した測定値を求めることとしており、第１発振器６ａ及び第２発振器６ｂの動作温度が変化しても正しい測定値が測定できるように、第１発振器６ａの温度特性（温度依存性）と、第２発振器６ｂの温度特性（温度依存性）とが同じになるように構成している。
【００２２】
具体的には、第１発振器６ａと第２発振器６ｂとの共通する回路部分における各部品の種類、部品の配置（部品の向き）、部品の製造ロット、部品の点数等を同じにしている。さらには、断熱ボックス内における、基板の配備位置、配備向きなども同じとしている。
さて、第１発振器６ａから出力された発振信号や第２発振器６ｂから出力された発振信号は、無線等の送信器７にて送信することから回路全体を小型にし、消費電力を抑える必要があり、発振信号の周波数は高周波にすることが好ましい。本発明では、第１発振器６ａの発振回路や第２発振器６ｂの発振回路は、ＬＣ発振回路を含むものとし、１００ＭＨｚ以上の高周波を出力することができるようにしている。
【００２３】
図３に示すように、第１発振器６ａや第２発振器６ｂの発振回路は、放熱性の高いセラミックス回路基板上にコルピッツ型の回路を設けることにより構成されている。
第１発振器６ａの出力部からは、所定の周波数を有する発振信号が出力するようになっている。第２発振器６ｂは、第１発振器６ａの発振回路に、ダイヤモンドの基板で構成された可変容量ダイオード１１を取り付け、可変容量ダイオード１１の静電容量が変化すると発振信号の周波数が変化する構成とされている。可変容量ダイオード１１には、温度センサ２からの入力（起電力）によって静電容量が変化するように温度センサ２が接続されている。
【００２４】
したがって、第１発振器６ａの発振回路と第２発振器６ｂの発振回路とは、温度センサ２が接続された部分（可変容量ダイオード１１）が設けられているか否かが異なるだけで、第１発振器６ａの発振回路と第２発振器６ｂの発振回路とは略同じ構成である。
ゆえに、温度センサ２からの出力が無いときは、第１発振器６ａから出力される発振信号の周波数と、第２発振信号の発振信号の周波数とは同じとなる。
【００２５】
さらに詳しく説明すると、本発明では、上述したように、第１発振器６ａの発振回路と第２発振器６ｂの発振回路の温度依存性が同じとなるように発振回路の構成を共通化していて、温度センサ２からの入力部分を無視して考えると、温度が同じ（動作温度が同じ）であれば、第１発振器６ａからの発振周波数と第２発振器６ｂからの発振周波数とが等しくなるようにしている。
【００２６】
なお、第１発振器６ａ及び第２発振器６ｂの発振回路をハートレイ型、クラップ型などにしてもよいし、水晶発振子やセラミック発振子等を用いても良いし、マルチバイブレータ型としてもよい。ただし、発振回路の周波数は、上述したように１００ＭＨｚにすることが好ましい。
また、発振回路を構成するに際しては、温度変化による周波数変化、即ち、周波数の温度特性が線形に変化することが好ましく、部品点数は少なくすることが好ましい。例えば、複数のトランジスタを用いて発振回路を構成した場合、トランジスタの各素子は、それぞれ周波数特性や温度特性が異なっていて個体差があるため、温度特性は複雑になってしまう虞がある。この点から言うと、トランジスタ１個で発振回路が構成できるコルピッツ型又はハートレイ型が最も望ましい。
【００２７】
ここで、第１発振器６ａ及び第２発振器６ｂに用いたトランジスタ１２について説明する。
従来のＳｉトランジスタでは、動作温度が２００℃以上では、リーク電流が多くなり、即ち、消費電力が大きくなる。動作温度が２５０℃以上になると、正常に動作することができなくなる。本発明では、高温状況下でも正常に動作させるために、少なくともインターフェース３内の回路を構成する半導体（例えば、トランジスタ１２）には、バンドギャップが大きいもの、即ち、ワイドバンドギャップ半導体が用いられている。トランジスタ１２は、２．５ｅＶ以上のバンドギャップを有するワイドバンド半導体で構成されていることが好ましい。
【００２８】
具体的には、トランジスタ１２は、ダイヤモンド基板にｐ-ｉ-ｐ構造を構築したＭＩＳＦＥＴ型とされている（バンドギャップ≒５ｅＶ）。また、このトランジスタ１２は、ゲート電圧をかけないときはチャネルが存在せずドレイン電流が流れないノーマリオフ型としていて消費電力を抑えている。なお、第１発振器６ａや第２発振器６ｂに用いるトランジスタ１２は、バンドギャップが大きく高温下で確実に動作するものであれば、型式は限定されない。ＭＥＳＦＥＴ型でもよく、より消費電力が小さいＭＯＳＦＥＴ型でもよい。
【００２９】
上述した可変容量ダイオード１１もダイヤモンド基板から構成していてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体である。
したがって、第１発振器６ａ及び第２発振器６ｂにワイドバンドギャップ半導体を使用しているため、例えば、環境温度（周囲の温度）が２００℃以上となる高温環境下でも第１発振器６ａ及び第２発振器６ｂは正常に作動させることができる。
【００３０】
斯かる第１発振器６ａ及び第２発振器６ｂで構成されたインターフェース３では、温度センサ２により温度を測定すると、温度センサ２の出力に応じて第２発振器６ｂの発振信号の発振周波数が変化することになる。そして、温度センサ２の出力に応じて周波数が変化した発振信号は送信器７を介して演算装置４に送信されると共に、第１発振器６ａの発振信号も送信器７を介して演算装置４に送信される。演算装置４にて、温度センサ２の測定値が求められるようになっている。
【００３１】
さて、第２発振器６ｂの発振信号における周波数は、温度センサ２の出力に応じて変化するものであるが、温度センサ２の出力が同じであっても、第２発振器６ｂの動作温度により発振周波数が異なってしまうことがある。このような場合、第２発振器６ｂの発振周波数をそのまま測定値に置き換えると、正確に温度センサ２による求めることができないことから、本発明では、第２発振器６ｂと同じ温度特性を有する第１発振器６ａの発振周波数を用いることによって、温度変化による修正（較正）を行い、正確な測定値を求めることとしている。
【００３２】
次に、温度センサ２の温度を求める演算方法を、演算装置４の構成説明に合わせて述べることにする。
演算装置４は、例えば、コンピュータから構成されている。この演算装置４は、インターフェース３の設置場所とは異なっていて別の場所に配置されていて、インターフェース３のように環境温度が２００℃以上というような高温環境下では無い場所に配置されている。例えば、演算装置４は、雰囲気温度が常温となる場所に配置されている。
【００３３】
この演算装置４は、温度センサ２で測定した温度を求めるためのデータが保存されているデータベース１４と、温度センサ２で測定した温度を求める演算部１５とを備えている。なお、演算装置４にスペクトラムアナライザ１３を接続して、第１発振器６ａの発振信号の周波数や第２発振器６ｂの発振信号の周波数を表示するとよい。
データベース１４は、第１発振器６ａから送られてきた発信信号の周波数と、第２発振器６ｂから送られてきた発信信号の周波数と、温度センサ２の測定値とが関連付けられて保存されている。
【００３４】
詳しく説明すると、図１に示すように、第１発振器６ａの動作温度が変化すると、第１発振器６ａにおける発振周波数（周波数１）も変化する。また、第２発振器６ｂの動作温度が変化すると第２発振器６ｂにおける発振周波数（周波数２）も変化する。
ここで、第１発振器６ａと第２発振器６ｂとの温度特性は同じであって、インターフェース３内で第１発振器６ａと第２発振器６ｂとは等温となるように配慮されているため、第１発振器６ａの発振周波数と、第２発振器６ｂの発振周波数とが分かれば、第２発振器６ｂにおける温度センサ２のみの出力に対応した周波数を取り出すことができる。
【００３５】
このように、動作温度によって変化する第１発振器６ａの発振周波数と、動作温度及び温度センサ２の出力によって変化する第２発振器６ｂの発振周波数と、温度センサ２の実測値による実測温度（温度センサ値）との関係を整理したデータ群がデータベース１４内に保存されている。即ち、データベース１４には、第１発振器６ａの発振周波数と、第２発振器６ｂの発振周波数と、温度センサ２の温度とが関連付けられたデータが保存されている。
【００３６】
よって、データベース１４によれば、例えば、第１発振器６ａの発振周波数が３１９．１ＭＨｚであり、第２発振器６ｂの発振周波数が３１７．９ＭＨｚであると、温度センサ２の測定値は１３９８℃であることが分かるようになっている。
ところで、以上述べたデータベース１４の作成方法には様々な手法があるが、本実施形態では以下の方法で、データベース１４を作成した。
【００３７】
まず、データベース１４を作成するためには、第２発振器６ｂの可変容量ダイオード１１の入力端子は短絡しておき、第２発振器６ｂの発振周波数を送信器７を介して演算装置４側で受信した後、当該第２発振器６ｂの発振周波数をスペクトラムアナライザ１３を用いて計測した。そして、第２発振器６ｂの発振周波数と、第１発振器６ａの発振周波数とが同じとなるように、各発振器６ａ，６ｂ内の回路をチューニングした。例えば、第２発振器６ｂの発振周波数と第１発振器６ａの発振周波数とが、３１７ＭＨｚとなるように、発振回路を調整した。なお、第２発振器６ｂの発振周波数（第１発振器６ａの発振周波数）の発振周波数は、３１７ＭＨｚに限定されるものではない。
【００３８】
次に、インターフェース３（金属ケース９）を高温環境下に晒したことを模しするために加熱装置（例えば、ホットプレート）上に置き、図４に示すように、第２発振器６ｂの発振周波数の温度特性を測定した。そして、温度センサ２からの入力を模擬するために可変容量ダイオード１１に可変可能な定電圧源を接続すると共に、金属ケース９の温度を２５０℃で安定させた。
【００３９】
その後、図５に示すように、温度センサ２から起電力を発生させることができる範囲にて、定電圧原の電圧を変化させ、この電圧と第２発振器２ｂからの発振周波数との相関を記録した。
そして、図４に示した発振周波数の温度特性と、図５に示した発振周波数及びバイアス電圧（定電圧源の電圧）とを用いて、データベース１４を作成した。
【００４０】
一方、演算装置４内に備えられた演算部１５は、上記の如く作成されたデータベース１４を基に、温度センサ２で測定した測定値を算出するものである。
詳しくは、演算部１５は、まず、インターフェース３から送信された第１発振器６ａの発振信号を受信して、当該第１発振器６ａの発振周波数を抽出する。また、インターフェース３から送信された第２発振器６ｂの発振信号を受信して、温度センサ２からの出力に対応した第２発振器６ｂの発振周波数を抽出する。
【００４１】
そして、第１発振器６ａの発振周波数と、第２発振器６ｂの発振周波数とをデータベース１４に参照し、これら２つの両周波数に対応するデータベース１４内の値を、温度センサ２による実測値（推定値）とする。
以上述べたように、本発明のセンサのモニタリング装置１では、センサ２とインターフェース３を温度の高い場所に設置しても正常に動作させることができる。加えて、インターフェース３とは別に配置された演算装置４において、温度較正がなされたデータベース１４を用いて、温度センサ２の計測値を推定するようにしている。それ故、センサのモニタリング装置１は、高温環境下であって温度変化があったとしてもセンサの測定値を正確に求めることができる。
【００４２】
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各部材２の形状、構造、組み合わせなどを適宜変更可能である。
例えば、発振回路のためのトランジスタ１２をディプリーションモードで作動するもの（ＳｉＣで作られたｎチャネル・ディプリーションモードＦＥＴなど）とした場合、第１発振器６ａ、第２発振器６ｂの回路を、図６（ａ）、（ｂ）に示すようなものとするとよい。
【００４３】
また、インターフェース３が高温環境下に配置されるため、上述したように発振器や送信器に用いる半導体だけでなく、インターフェース３に用いる半導体は全てバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体を用いることが好ましい。
また、演算装置４において、第１発振器６ａの周波数と第２発振器６ｂの周波数との差を求め、求めた差の周波数と温度センサ２の電圧（実測値）との関係をデータベース化又は関数化しておくことによって、温度センサ２による実測値を求めることもできる。
【００４４】
なお、この実施形態では、発振器６等にワイドバンドギャップ半導体を使用することによって、インターフェース３を高温環境下でも使用できることを説明したが、放射線強度が強い強放射線環境下でも使用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１ モニタリング装置
２ センサ
３ インターフェース
４ 演算装置
５ 外壁面
６ 発振器
６ａ 第１発振器
６ｂ 第２発振器
７ 送信器
８ 電源
９ 金属ケース
１０ 送信アンテナ
１１ 可変容量ダイオード
１２ トランジスタ
１３ スペクトラムアナライザ
１４ データベース
１５ 演算部
【図１】
0005377438.tif 000002
【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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