(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象となる物理量の変化に応じて抵抗値または容量が変動するセンサーと、
このセンサーおよび基準となる抵抗値または容量を備えた第１の基準素子を切換えて発振可能なＲＣ発振回路と、
このＲＣ発振回路を用いて前記センサーによる検出用の発振周波数を測定すると共に、前記第１の基準素子を選択して第１の発振周波数を測定し、前記検出用の発振周波数と前記第１の発振周波数との比により前記物理量の検出値を算出可能な処理手段とを有し、
前記処理手段は、定期的に前記物理量の検出を行い、前記第１の発振周波数を測定した後、所定の時間、前記検出用の発振周波数の変化が所定の範囲内のときは、前記第１の発振周波数の測定を行わずに予め測定された前記第１の発振周波数を用いて前記物理量の検出値を算出する、測定装置。
【請求項２】
請求項１において、前記ＲＣ発振回路は、さらに、第２の基準素子を切換えて発振可能であり、
前記処理手段は、前記第１の基準素子を選択して前記第１の発振周波数を測定し、前記検出用の発振周波数と前記第１の発振周波数との比に基づいて前記物理量の第１の検出値を算出可能な第１の信号処理手段と、
前記検出用の発振周波数が前記第１の基準素子の割当範囲の境界付近のときは、隣接あるいは重複する割当範囲に該当する前記第２の基準素子を選択して第２の発振周波数を測定し、前記検出用の発振周波数と前記第２の発振周波数との比により前記物理量の第２の検出値を算出し、前記第１の検出値および前記第２の検出値を平均して、または前記第１の基準素子の割当範囲および前記第２の基準素子の割当範囲に基づく重み付け平均して、前記物理量の検出値を算出する第２の信号処理手段と、さらに、
前記第１の発振周波数または前記第２の発振周波数を測定した後、所定の時間、前記検出用の発振周波数の変化が所定の範囲内のときには前記第１の発振周波数または前記第２の発振周波数の測定を行わずに予め測定された前記第１の発振周波数または前記第２の発振周波数に基づき前記物理量の検出値を算出する手段を備えていることを特徴とする測定装置。
【請求項３】
請求項１において、前記センサーは温度を検出するサーミスタであり、前記第１の基準素子は抵抗であることを特徴とする測定装置。
【請求項４】
検出対象となる物理量の変化に応じて抵抗値または容量が変動するセンサーおよび基準となる抵抗値または容量を備えた第１の基準素子を含むＲＣ発振回路を用いて前記物理量の検出値を求める測定方法であって、
前記センサーによる検出用の発振周波数を測定し、前記第１の基準素子を選択して第１の発振周波数を測定し、前記検出用の発振周波数と前記第１の発振周波数との比により前記物理量の第１の検出値を求める第１の工程を有し、
前記第１の工程では、定期的に前記物理量の検出を行い、前記第１の発振周波数を測定した後、所定の時間、前記検出用の発振周波数の変化が所定の範囲内のときには前記第１の発振周波数の測定を行わずに予め測定された前記第１の発振周波数を用いて前記物理量の第１の検出値を求めることを特徴とする測定方法。
【請求項５】
請求項４において、前記ＲＣ発振回路は、第２の基準素子を含み、当該測定方法は、さらに、
前記検出用の発振周波数が、前記第１の基準素子の割当範囲の境界付近のときは、隣接あるいは重複する割当範囲に該当する前記第２の基準素子を選択して第２の発振周波数を測定し、前記検出用の発振周波数と前記第２の発振周波数との比により前記物理量の第２の検出値を求め、前記第１の検出値と前記第２の検出値とを平均して、または、前記第１の基準素子の割当範囲および前記第２の基準素子の割当範囲に基づいて重み付け平均して、前記物理量の検出値を算出する第２の工程を有し、
前記第２の工程では、定期的に前記物理量の検出を行い、前記第１の発振周波数または前記第２の発振周波数を測定した後、所定の時間、前記検出用の発振周波数の変化が所定の範囲内のときは、前記第１の発振周波数または前記第２の発振周波数の測定を行わずに予め測定された前記第１の発振周波数または前記第２の発振周波数を用いて前記物理量の検出値を求めることを特徴とする測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物の温度等の物理量の変化を測定するための測定装置および測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のサーミスタまたはコンデンサを用いた簡易型の温度計では、その測定範囲は比較的狭く測定誤差が問題になることはない。しかしながら、近年、温度計は、さまざまな用途で使用できる比較的測定範囲の広いものが求められており、測定範囲が広がると測定誤差が問題となることがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
サーミスタなどのように検出対象となる温度等の物理量の変化に応じて抵抗値をまたは容量を変化するセンサーと、その出力と比較して検出値を求めるための基準素子となる抵抗値あるいは容量とを備えた測定装置においては、測定範囲を広げたときに、その測定範囲を１つの基準素子でカバーするのではなく、センサーの特性の変化に応じて所定の測定範囲を補正するのに適した基準素子を複数用意し、これらを切換えて測定することにより測定誤差を小さくできる。このため、サーミスタおよび基準素子をＲＣ発振回路に組込み、その発振周波数を測定することによって検出値を求められるようにした測定装置が開発されており、ＲＣ発振回路に接続される複数の基準素子を切換えることによりその基準素子の適用範囲ごとに補正用の発振周波数を得てサーミスタの出力を補正できるので広い測定範囲にわたり精度の良い測定値が得られる。
【０００４】
このように、複数の基準素子を用いる場合、それぞれの基準素子に適合し、割当てられた測定範囲（割当範囲またはレンジ）により、測定範囲全体をカバーすることにより精度の高い測定値が得られる。しかしながら、これらの割当範囲の境界においては、それぞれの補正された検出値に必ずしも一致するとは限らず、基準素子によって得られる補正のためのデータが異なると差が生じ、複数の割当範囲に跨った範囲で測定温度が変化すると、得られた測定温度の変化にギャップが生じてしまう。このため、このような測定結果が測定装置の異常としてユーザに捉えられたり、ギャップ前後（複数のレンジ）のどちらの検出値を採用すべきかなどの問題が生じる。
【０００５】
そこで、本発明においては、複数の基準素子を切換えて精度の高い測定ができるＲＣ発振回路を用いた測定装置において、検出値が各基準素子に割当られた範囲の境界を跨って計測されるときであっても、検出値にギャップが生じない測定装置および測定方法を提供することを目的としている。さらに、電力消費を抑えることができる測定装置および測定方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様は測定装置であり、検出対象となる物理量の変化に応じて抵抗値または容量が変動するセンサーと、このセンサーおよび基準となる抵抗値または容量を備えた第１の基準素子を切換えて発振可能なＲＣ発振回路と、このＲＣ発振回路を用いてセンサーによる検出用の発振周波数を測定すると共に、第１の基準素子を選択して第１の発振周波数を測定し、検出用の発振周波数と第１の発振周波数との比により物理量の検出値を算出可能な処理手段とを有する。処理手段は定期的に物理量の検出を行い、第１の発振周波数を測定した後、所定の時間、検出用の発振周波数の変化が所定の範囲内のときは、第１の発振周波数の測定を行わずに予め測定された第１の発振周波数を用いて物理量の検出値を算出する。
【０００７】
ＲＣ発振回路は、さらに、第２の基準素子を切り換えて発振可能であることが望ましい。処理手段は、第１の基準素子を選択して第１の発振周波数を測定し、検出用の発振周波数と第１の発振周波数との比に基づいて物理量の第１の検出値を算出可能な第１の信号処理手段と、検出用の発振周波数が第１の基準素子の割当範囲の境界付近のときは、隣接あるいは重複する割当範囲に該当する第２の基準素子を選択して第２の発振周波数を測定し、検出用の発振周波数と第２の発振周波数との比により物理量の第２の検出値を算出し、これら第１の検出値および第２の検出値を平均して、または第１の基準素子の割当範囲および第２の基準素子の割当範囲に基づく重み付け平均して、物理量の検出値を算出する第２の信号処理手段と、さらに、第１または第２の発振周波数を測定した後、所定の時間、検出用の発振周波数の変化が所定の範囲内のときには第１または第２の発振周波数の測定を行わずに予め測定された第１または第２の発振周波数に基づき物理量の検出値を算出する手段を備えていることが望ましい。
【０００８】
本発明の異なる態様は、検出対象となる物理量の変化に応じて抵抗値または容量が変動するセンサーおよび基準となる抵抗値または容量を備えた第１の基準素子を含むＲＣ発振回路を用いて物理量の検出値を求める測定方法である。この測定方法は、センサーによる検出用の発振周波数を測定し、第１の基準素子を選択して第１の発振周波数を測定し、検出用の発振周波数と第１の発振周波数との比により物理量の第１の検出値を求める第１の工程を有する。この第１の工程では、定期的に物理量の検出を行い、第１の発振周波数を測定した後、所定の時間、検出用の発振周波数の変化が所定の範囲内のときには第１の発振周波数の測定を行わずに予め測定された第１の発振周波数を用いて物理量の第１の検出値を求めることを特徴とする。
【０００９】
ＲＣ発振回路は、第２の基準素子を含み、当該測定方法は、さらに、検出用の発振周波数が、第１の基準素子の割当範囲の境界付近のときは、隣接あるいは重複する割当範囲に該当する第２の基準素子を選択して第２の発振周波数を測定し、検出用の発振周波数と第２の発振周波数との比により物理量の第２の検出値を求め、第１の検出値と第２の検出値とを平均して、または、第１の基準素子の割当範囲および第２の基準素子の割当範囲に基づいて重み付け平均して、物理量の検出値を算出する第２の工程を有することが望ましい。この第２の工程でも、定期的に物理量の検出を行い、第１または第２の発振周波数を測定した後、所定の時間、検出用の発振周波数の変化が所定の範囲内のときは、第１または第２の発振周波数の測定を行わずに予め測定された第１または第２の発振周波数を用いて物理量の検出値を求めることが望ましい。
【００１０】
定期的に物理量の検出値を求める測定装置または測定方法において、検出値を求めるための第１あるいは第２の発振周波数の測定をセンサーで測定する度に行う代わりに、検出値が所定の範囲に収まるときは第１または第２の発振周波数が変化する可能性は少ないので、センサーを用いて検出値を求めるタイミングより長い予め設定された所定の時間は、事前に測定された第１または第２の発振周波数を用いる。これにより基準素子の測定にかかる時間を削減でき、その処理に使われる消費電力を省くことができる。そして、所定の時間が経過したり、検出値が大きく移動したときは第１の発振周波数、さらに必要に応じて第２の発振周波数を測定することにより精度の良い検出値を得ることができる。
【００１１】
これらの測定装置および測定方法においては、測定装置の処理手段に設けられた第２の信号処理手段あるいは測定方法に設けられた第２の工程により、第１の基準素子の割当範囲の境界付近では、隣接あるいは重複する割当範囲に該当する第２の基準素子による第２の発振周波数が測定され、第１の発振周波数のみならず第２の発振周波数も加味して検出値が求められる。このため、物理量が変化して検出用の発振周波数が第１の基準素子の測定範囲から第２の基準素子の割当範囲に移行するときに検出値にギャップが生じたり、検出値が反転するような現象を防止することができる。温度を測定対象の物理量とする測定装置および測定方法は、センサーにサーミスタを採用し、基準素子に抵抗を用いることができ、広い測定範囲で測定誤差の小さな高精度の温度測定装置を低コストで提供することができる。もちろん湿度、圧力等を測定するためのセンサー素子を用いたり、基準素子として容量可変のコンデンサを用いる測定装置とすることもできる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を示し、本発明につき、さらに説明する。図１に、本発明の測定装置の例として、センサーにサーミスタを用いた測定装置１０の概略構成をブロック図を用いて示してある。本例の測定装置１０は、温度によって抵抗値が変動するサーミスタ２がセンサーとして採用されている。このサーミスタ２に対し抵抗値が異なる３本の基準抵抗１４、１５および１６が並列に接続されており、スイッチ１７によりサーミスタ２と基準抵抗１４、１５および１６のいずれかがオペアンプ１８および容量１９と接続され、その抵抗値に基づく発振周波数が得られるＲＣ発振回路１１が構成されるようになっている。ＲＣ発振回路１１から出力された発振信号は信号処理部２１によって処理され検出値として出力される。この信号処理部２１は、基準抵抗１４、１５および１６のうち割当範囲（レンジ）の基準抵抗を選択して発振周波数を測定する第１の信号処理機能２１ａと、レンジの境界近傍における処理をする第２の信号処理機能２１ｂを備えている。
【００１３】
第１の信号処理機能２１ａは、スイッチ１７を用いてサーミスタ２と３本の基準抵抗１４、１５および１６とのいずれかを切り換えてオペアンプ１８と並列に接続する機能を備えている。そして、サーミスタ２の検出用の発振周波数ｆ０を測定し、その後、３本の基準抵抗１４、１５および１６の中から検出用の発振周波数ｆ０が含まれるレンジの基準抵抗、例えば、基準抵抗１４を選択して補正用の発振周波数ｆ１を測定する。したがって、第１の信号処理機能２１ａにより、複数の基準抵抗の中から発振周波数ｆ０の補正に適したレンジの第１の基準抵抗（例えば、基準抵抗１４）を選択し、その第１の発振周波数を測定して検出用の発振周波数を補正することができる。このため、複数の基準抵抗それぞれに、センサーの出力を補正する異なった範囲（温度測定範囲）を割当てることができる。すなわち、センサーの出力を精度良く補正するのに適した抵抗値を持つ基準抵抗を複数用意し、これらを適宜に選択して利用できるので広い範囲にわたり精度の高い測定値（検出値）を得ることができる。
【００１４】
第２の信号処理機能２１ｂは、サーミスタ２によって検出された発振周波数ｆ０が、第１の基準抵抗として選択された基準抵抗１４の割当範囲の境界付近に相当するか否かを判断し、境界付近のときは、それに隣接あるいは重複する割当範囲に該当する基準抵抗、例えば、基準抵抗１５をスイッチ１７で選択して第２の発振周波数ｆ２を測定する。そして、これら第１の発振周波数ｆ１および第２の発振周波数ｆ２によって平均あるいは重み付け平均により発振周波数ｆｏを補正し、そのときの検出値Ｔを算出する。したがって、第２の信号処理機能２１ｂにより基準抵抗のレンジの境界部分においては、それぞれのレンジを担当する２つの基準抵抗の発振周波数を用いて補正できるのでレンジの境界で検出値Ｔの値が急変することを防止できる。
【００１５】
本例の信号処理部２１は、さらに、基準抵抗の発振周波数の測定の重点を判断する第３の信号処理機能２１ｃを備えている。検出対象の温度変化がそれほど大きくない場合、例えば、１０秒ピッチでセンサーによる検出用の発振周波数ｆ０を測定するとｆ０の値は、ほとんど変化しない。したがって、これを補正するための基準抵抗、例えば基準抵抗１４を接続したときの発振周波数ｆ１も、ほとんど変化しない。このため、センサーの発振周波数ｆ０を測定する度に基準抵抗１４の発振周波数ｆ１を測定する必要がないので、第３の信号処理機能２１ｃは発振周波数ｆ０の変化が所定の範囲内であれば基準抵抗を用いた発振周波数の測定を行わないようにして、無駄な電力消費を抑えると共に処理速度を向上させている。第３の信号処理機能２１ｃは、センサーを用いた発振周波数ｆ０が所定の範囲を超えて変化すると、そのレンジに該当する基準抵抗を用いた発振周波数ｆ１、さらに、その境界近傍であれば第２の基準抵抗を用いた発振周波数ｆ２の測定を上述した第１の信号処理機能２１ａあるいは第２の信号処理機能２１ｂを用いて行う。また、センサーを用いた発振周波数ｆ０の変化が所定の範囲内のときでも、所定の時間が経過すると基準抵抗を用いて第１の発振周波数ｆ１、必要があれば第２の発振周波数ｆ２も測定して更新し、最適な補正ができるようにしている。
【００１６】
図２に、本例の温度測定装置１０を用いた測定方法をフローチャートを用いて示してある。まず始めに、ステップＳＴ１で、信号処理機能２１ａによりスイッチ１７がサーミスタ２に切換えられ、オペアンプ１８および容量１９とによりＲＣ発振回路１１が構成され、サーミスタの抵抗値に基づく発振周波数ｆ０が測定される。ステップＳＴ２において、信号処理機能２１ｃにより検出された発振周波数ｆ０の変化Δｆ０が所定の範囲Ｆ以下であり、かつ基準抵抗を用いて発振周波数ｆ１を測定した経過時間Ｓが所定の時間Ｓ０以下であるか否かを確認する。このとき、条件を満たしている場合は、ステップＳＴ１３へ移行し、事前に測定されたデータを用いて検出値Ｔ１を算出する。また、いずれかの条件が異なると、ステップＳＴ１１において、信号処理機能２１ａによりスイッチ１７がサーミスタ２から３本の基準抵抗１４、１５および１６のうち、該当するレンジの第１の基準抵抗Ｒ１、例えば基準抵抗１４へ切換えられてＲＣ発振回路１１が構成される。そして、ステップＳＴ１２において基準抵抗１４（Ｒ１）に基づく発振周波数ｆ１が測定され、ステップＳＴ１３において、基準抵抗Ｒ１の発振周波数ｆ１とサーミスタ２の発振周波数ｆ０との周波数比から検出値Ｔ１が算出される。
【００１７】
このようにして、ステップＳＴ１１、ステップＳＴ１２およびステップＳＴ１３により基準抵抗Ｒ１を用いて検出値Ｔ１を求める第１の工程（ステップＳＴ１０）の処理が行われる。
【００１８】
次に、ステップＳＴ２１において、ステップＳＴ１３で得られた検出値Ｔ１が該当する基準抵抗Ｒ１の割当範囲の境界近傍の値であるか否かが判断される。たとえば、図３に示したように、基準抵抗Ｒ１の割当範囲ｋ１レンジに隣接する基準抵抗Ｒ２の割当範囲ｋ２レンジとの境界の温度ＴＢに対し±２℃の範囲が境界近傍Ｂと定義されていると、検出値Ｔ１がこの境界近傍Ｂに属しているかが判断される。この判断はサーミスタの発振周波数ｆ０を直に用いて行うことも、もちろん可能である。検出値Ｔ１が境界近傍Ｂに入らないときは、ステップＳＴ４０へ移行して、ステップＳＴ１３にて基準抵抗Ｒ１により算出された検出値Ｔ１を検出値Ｔとして出力する。
【００１９】
一方、ステップＳＴ２１において、検出値Ｔ１が境界近傍Ｂに入るときは、信号処理機能２１ｂにより基準抵抗Ｒ２を用いて検出値を算出する処理を行う。また、ステップＳＴ３０において、ステップＳＴ２同様に、信号処理機能２１ｃにより検出された発振周波数ｆ０の変化Δｆ０が所定の範囲Ｆ以下であり、基準抵抗の測定の経過時間Ｓが所定の時間Ｓ０以下であるか否かを確認する。条件を満たしている場合は発振周波数ｆ２の測定は行わず、ステップＳＴ２４において、事前に測定されたデータに基づき検出値Ｔ２を算出する。ｆ０の値が変化していたり、時間が経過していると、ステップＳＴ２２において、図３に示したｋ２レンジの第２の基準抵抗Ｒ２（本例では基準抵抗１５）にスイッチ１７が切換えられ、基準抵抗１５とオペアンプ１８および容量１９を備えたＲＣ発振回路１１が構成される。そして、ステップＳＴ２３で、基準抵抗Ｒ２に基づく発振周波数ｆ２が測定され、ステップＳＴ２４において、サーミスタの発振周波数ｆ０との比から基準抵抗１５に基づく第２の検出値Ｔ２が算出される。
【００２０】
このようにして、検出値Ｔ１およびＴ２が得られるとステップＳＴ２５において、２つの検出値Ｔ１およびＴ２を平均して検出値Ｔを求める。本例では、検出値Ｔを境界近傍Ｂの領域における検出値Ｔ１の値に基づく重み付け平均により求めており、以下の式（１）より検出値Ｔを算出している。
【００２１】
Ｔ＝｛Ｔ１×（ｎ＋３）＋Ｔ２×（５−ｎ）｝／８  ・・・（１）
ここでｎは、ｋ１レンジの境界近傍Ｂをｎ等分したときに検出値Ｔ１の位置する区画であり、たとえば、境界近傍ＴＢ±２℃を８等分すると、１区画は０．５℃ピッチとなる。そして得られた検出値Ｔ１が境界値ＴＢから３番目の区画に属するときは、ｎ＝３として式（１）を用いて計算することにより検出値Ｔ１と検出値Ｔ２が重みづけ平均された検出値Ｔを得ることができる。平均化の方法は本例に限られないことはもちろんである。
【００２２】
これらのステップＳＴ２１〜ステップＳＴ２５により、基準抵抗のレンジの境界部分において、基準抵抗Ｒ１およびＲ２の発振周波数ｆ１およびｆ２を用いて検出値Ｔを求める第２の工程（ステップＳＴ２０）の処理が行われる。
【００２３】
ステップＳＴ４０において、このようにして求められた検出値Ｔが、そのときの測定値として出力され表示されたり、あるいはメモリーなどに記録される。さらに、ステップＳＴ５０において、続いて測定するか否かが判断され、所定のサンプリング時間ごとに測定を繰り返すときは、ステップＳＴ１へ戻り上記と同様の処理を繰り返す。
【００２４】
以上のように、本例の測定装置１０および測定方法においては、境界近傍Ｂの領域で第１の検出値Ｔ１および第２の検出値Ｔ２の両方を用いて検出値Ｔを算出するようにしているので、測定対象が変化し検出用の発振周波数が第１の基準抵抗の測定範囲から第２の基準抵抗の割当範囲にわたって測定されるときに検出値にギャップが生じたり、検出値が反転するような現象を防止することができる。さらに、割当範囲が隣合う第１の基準抵抗と第２の基準抵抗とを用いて得られた検出値Ｔ１と検出値Ｔ２を重み付け平均して検出値Ｔを得るようにしているので、境界付近で滑らかに変化するように検出値を算出することができる。このように、本例の測定装置は複数の基準抵抗を測定温度範囲に合せて切換えて温度測定できるようになっており、広い温度範囲で精度の高い検出値が得られる。さらに、それぞれの基準抵抗の割当範囲の境界においても急激な検出値の変化のない精度の高い検出値を得ることができ、測定対象となる温度がどのような範囲を変化しても極めて精度の高い検出値を得ることができる。また、基準抵抗を切換えるポイントでギャップや検出値が反転するような現象が発生することがないので、ユーザ等の信頼度の高いデータが得られる測定装置および測定方法を提供できる。
【００２５】
なお、上記では３本の基準抵抗を用いた例を説明しているが、基準抵抗の本数は、２本でも良く、あるいは４本以上であってももちろん良い。さらに、センサーとしてサーミスタの代わりに、温度によって容量が変動する容量可変型のコンデンサを用いても、本発明と同様に適用できる。たとえば、サーミスタの代わりに温度特性を有する可変容量型コンデンサを配置すると共に、複数の基準抵抗素子の代わりに、複数の基準容量コンデンサを配置することができる。また、本発明の測定装置および測定方法は、温度以外の物理量、たとえば、圧力等の測定をするための測定装置あるいは測定方法に対しても、もちろん適用可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の測定装置および測定方法においては、定期的に物理量の検出を行い、第１の基準抵抗による第１の発振周波数を測定した後、所定の時間、検出用の発振周波数の変化が所定の範囲内のときは、第１の発振周波数の測定を行わずに予め測定された第１の発振周波数を用いて物理量の検出値を算出する。したがって、基準素子の測定にかかる時間を削減でき、その処理に使われる消費電力を省くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る温度計を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例に係る図１の測定方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施例に係る図１の基準抵抗のレンジの境界付近に該当する例を示す模式図である。
【符号の説明】
２・・サーミスタ
１０・・測定装置
１１・・発振回路
１５、１６・・基準抵抗値
１７・・スイッチ
１８・・オペアンプ
１９・・容量
２１ａ・・第１の信号処理機能
２１ｂ・・第２の信号処理機能
２１ｃ・・第３の信号処理機能
【図１】
0004011181.tif 000002
【図２】
0004011181.tif 000003
【図３】
0004011181.tif 000004