(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の温度を検出する温度検出方法において、
被測定物の近傍に、過渡温度特性が異なる複数の物体を配置し、それら物体の各々に密着した複数の温度センサからの検出温度を重み付け加算することにより被測定物の温度を算出することを特徴とする温度検出方法。
【請求項２】
請求項１の温度検出方法において、その重み付け加算の方法が式（Ａ）によることを特徴とする温度検出方法。
【数１】
0003812884.tif 000002
【請求項３】
被測定物の温度を検出する温度検出器において、
被測定物の近傍に配置された、過渡温度特性が被測定物の特性と異なる複数の物体と、その物体の各々に密着した複数の温度センサと、それらの温度センサからの電気信号を重み付け加算する加算器と、加算された電気信号を温度に変換する温度計とを具備することを特徴とする温度検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、常時または頻繁に温度監視が必要な、しかし可動物体のため温度センサを直接固定できないので、その温度を直接計測することが難しい被測定物に対して、その過渡的な温度変化に対しても正確な温度検出ができる温度検出方法および温度検出器を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
可動物体のように温度センサを直接密着させることができない物体の温度を測る最も一般的で単純な方法は、図１０で示すように、被測定物１０１の近傍に配置した温度センサ１０２を使って被測定物１０１の近傍の雰囲気温度を温度計１０３で測り、この温度を被測定物１０１の温度と見なす方法である。温度センサ１０２としては、サーミスタ、熱伝対、測温抵抗体などがよく用いられる。あらかじめ恒温槽などの安定した温度条件下で温度センサ１０２と被測定物１０１の温度との対応を校正しておけば、静的な環境下において、温度計１０３が示す温度は被測定物１０１の実際の温度と良く一致する。
【０００３】
また過渡的な温度変化をも含めて可動物体の温度を測る方法として、温度が変わることによって変化する別の観測値を測定することにより、温度を間接的に測る方法がある。例えば放射温度計を用いれば、物体より放射される赤外線から温度を測ることができる。
【０００４】
また被測定物が光を透過する物体であれば、図１１で示すように、物体の温度が変わることにより変化する透過波長から温度を調べる方法もある。図１１では透過特性を有する被測定物２０１に白色光源２０２からの白色光を入射し、温度変化により変わる透過周波数を光スペクトルアナライザ２０３で観測し、予め校正された透過周波数と温度の変換テーブル２０４から、温度を検出する方法を示した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、常時または頻繁に温度監視が必要であるが、可動物体のため温度センサを直接固定できないので、その温度を直接計測することが難しい被測定物の温度を検出するために、従来では図１０や図１１に示すような手法が採用されていた。このような従来技術では、その過渡的な温度変化に対して正確な温度検出ができないという欠点や、コストがかかるといった欠点があった。
【０００６】
即ち、温度センサで被測定物の近傍の温度を検出し、この温度を被測定物の温度と見なす方法の欠点は、図１０で示すように熱容量などの違いから被測定物１０１と温度センサ１０２との間には過渡的な温度特性（１０７），（１０８）の相違が存在し、それが温度誤差（１０９）として現れてしまうことにある。
【０００７】
また、温度が変わることによって変化する別の観測値を非接触で測ることにより被測定物の温度を間接的に調べる方法の欠点は、それらの観測値を測定する方法および装置が、温度センサを使った方法と比べて複雑でサイズが大きくコストがかかる点にある。
【０００８】
例えば、サーミスタと温度計の組み合わせでは数千円程度で済む温度検出器が、図１１のように光スペクトルアナライザ２０３を使うと数百万円ほどかかってしまう。よって、温度の校正データを取るなどの応用に光スペクトルアナライザを一時的に使う場合はあるが、常時または頻繁に温度監視が必要な応用に光スペクトルアナライザなどの装置を用いるのはサイズやコストの面で好ましくない。
【０００９】
本発明の目的は、従来の温度センサが持つ過渡的温度誤差を無くす温度検出方法を提供すること、そしてこの方法を用いて、温度変化が頻繁な過渡状況下においても従来の温度センサを用いて正確な温度を計測することが可能な温度検出器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の温度検出器は、過渡温度特性が異なる複数の物体とそれら物体に密着させた温度センサから成る複数の温度検出系を持ち、それらの温度検出系からの温度を加算器により重み付けして加算処理することにより、全体として温度検出器の温度特性を被測定物の温度特性と一致させたことを特徴とする。この構成により、一つの温度検出系だけと比べて、各温度検出系からの温度に対する重み付けの調整により温度検出器を被測定物の温度特性に合わせることができるので、容易に被測定物の温度特性と一致した温度検出器が実現できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図を用いて詳細に説明する。
【００１４】
＜第１の参考例＞
第１の参考例を図１と図２を用いて説明する。
【００１５】
図１は第１の参考例の温度検出器の構成を示した図で、温度検出器は、温度を感知する温度センサ１２、温度センサ１２からの電気信号を温度に変換する温度計１３、被測定物１１の温度特性に合わせた別の物体１４から構成される。この別の物体１４に温度センサ１２を密着させることにより、温度センサ１２の過渡応答温度特性を被測定物１１に合わせている。このため、第１の参考例における温度検出器は過渡状況下においても被測定物１１の温度を正確に検出することが可能となる。
【００１６】
図２は被測定物２１と温度特性を合わせた物体の例を示した図で、全くの同形、同素材の物体２２や、物体の形状や材質、温度センサの位置を工夫することにより熱容量や熱抵抗を最適化した物体２３などを用いることができる。
【００１７】
＜第１の実施の形態＞
請求項１，請求項２および請求項３に係わる本発明の第１の実施の形態を図３と図４を用いて説明する。
【００１８】
図３は本発明の温度検出器の構成を示した図で、温度検出器は、温度を感知する温度センサ３２ａ，３２ｂ，３２ｃと物体３４ａ，３４ｂ，３４ｃとから構成される複数の（本例では３つの）温度検出系３５ａ，３５ｂ，３５ｃを持ち、複数の温度検出系３５ａ，３５ｂ，３５ｃからの電気信号を重み付けして加算する加算器３６と、加算器３６からの電気信号を温度に変換する温度計３３とから構成されることを特徴とする。
【００１９】
物体３４ａ，３４ｂ，３４ｃのサイズや材質をそれぞれ変えることで、それら個々の温度検出系３５ａ，３５ｂ，３５ｃは異なる温度特性を持ち、それら温度検出系３５ａ，３５ｂ，３５ｃから得られた温度に重み付けをして加算平均した温度を被測定物３１の温度とすることで、全体として温度検出器の温度特性を被測定物３１の温度特性に合わせている。
【００２０】
この効果は、一つの温度センサの温度特性を被測定物の温度特性に完全に一致させる場合と比較して、重み付けの調整により温度特性を調整させることができるので、容易に被測定物３１の温度特性に一致させることができることにある。
【００２１】
図４は、本発明の第１の実施の形態において、複数の温度検出系３５ａ，３５ｂ，３５ｃからの電気信号を重み付けして加算する加算回路である。この加算回路は温度センサ３２ａ，３２ｂ，３２ｃから得られた温度に対応する電圧Ｖ1 （４１），Ｖ2 （４２），Ｖ3 （４３）を入力とし、それらに重み付けして加算する加算器４４を持ち、この加算器４４を使って被測定物の温度特性に合わせた電圧Ｖ0 （４５）を出力とする。電圧入力：Ｖ1 ，Ｖ2 ，Ｖ3 に対する重み付け係数をα，β，γ（ただし、α＋β＋γ＝１）とすると、出力電圧Ｖ0 は式（Ｆ）で表すことができる。
α・Ｖ1 ＋β・Ｖ2 ＋γ・Ｖ3 ＝Ｖ0 ・・・（Ｆ）
【００２２】
加算器４４の各入力には重み付け係数を調整するボリューム４６ａ，４６ｂ，４６ｃがあり、このボリューム４６ａ，４６ｂ，４６ｃを個別に調整することで、いろいろな被測定物の温度特性に合わせることが可能である。
【００２３】
＜第２の参考例＞
第２の参考例を図５，図６および図７を用いて説明する。
【００２４】
図５は第２の参考例の温度検出器の構成を示した図で、温度検出器は、温度を感知する温度センサ５２、温度センサ５２からの電気信号を温度に直して表示する温度計５３、温度を計測した時刻を計るタイマ５７、および演算処理器５８から成り、温度計５３とタイマ５７から得られた温度と時刻の値から、演算処理器５８により被測定物５１の温度を算出する。
【００２５】
この効果として、温度センサ５２の温度特性を被測定物５１の温度特性に一致させる必要がなくなることや、演算処理器の処理方法（ソフトウェア段階）で温度特性の調整が可能になるので被測定物の温度特性に合わせることが容易であることが上げられる。
【００２６】
第２の参考例において、被測定物の温度Ｔobjを算出する式は式（Ｃ）で与えられる。
Ｔobj(t1)＝Ｇin・ｆ（Δｔobs）・Δt obs＋Ｔobj(t0)・・（Ｃ）
ここで、t1，t0は現在（温度を観測する）時刻と前回温度を観測した時刻、Δｔobs は温度を観測した時間間隔、Ｇinは被測定物に加わった温度の時間的な変化率、ｆ（Δｔobs）はΔｔobsに関する多項式である。
【００２７】
図６は式（Ｃ）の導出を示した図である。物体に加わる温度Ｔin（６１）に変化があると、被測定物の温度Ｔobj （６２）もそれに対応して変化する。このとき、被測定物の温度変化率（６３）は温度変化が開始してからある時間Δｔth（６４）までは直線的に変化し、その後、極値ｄＴmax （６５）を経て、ゼロに近づく特性がある。
【００２８】
そこで、直線的に変化する温度変化率を、物体に加わる温度変化率Ｇinと、観測時間間隔に関する二次式などの近似多項式ｆ（Δｔ）の積として表せば、式（Ｃ）が得られる。観測間隔Δｔobsが時間Δｔthより大きい場合は極値ｄＴmax を被測定物の温度変化率とする。式（Ｃ）を使うことにより、温度を観測する時間間隔をΔｔth以内に設定すれば、被測定物の温度によく一致した温度を算出することが可能となる。
【００２９】
第２の参考例において、被測定物の温度を算出する別の式は式（Ｄ）で与えられる。すなわち式（Ｃ）の右辺第一項の係数に雰囲気温度の時間的な変化率Ｇair に比例した利得を加えている。この利得項を加えることにより、雰囲気温度変化の緩急に応じて、算出する被測定物の温度の増減を加減することができる。
Ｔobj(t1)＝｛Ｇin・f(Δｔobs) ＋Ｘ・Ｇair｝・Δｔobs＋Ｔobj(t0) ・・・（Ｄ）
ここでＸは比例係数を表す。
【００３０】
第２の参考例において、被測定物の温度を算出する更に別の式は式（Ｅ）で与えられる。すなわち式（Ｃ）の右辺第一項の係数に雰囲気温度の時間的な変化率Ｇairに関する多項式で表した利得関数Ｄ（Ｇair）を乗じている。この利得関数を乗じることにより、式（Ｄ）と同様に雰囲気温度変化の緩急に応じて、算出する被測定物の温度の増減を加減することができる。
Ｔobj(t1)＝｛Ｄ(Ｇair)・Ｇin・f(Δｔobs)｝・Δｔobs＋Ｔobj（t0) ・・・（Ｅ）
【００３１】
式（Ｄ），（Ｅ）とも、同様な効果を与えるので、一方のみを用いても良いし、式（Ｇ）のように両方を同時に用いても構わないことは言うまでもない。
Ｔobj(t1)＝｛Ｄ(Ｇair)・Ｇin・f(Δtobs)+Ｘ・Ｇair｝・Δtobs+Ｔobj(t0)・・・（Ｇ）
【００３２】
図７は、上述の算出方法に基づいて、コンピュータを用いて被測定物の温度を算出する場合のアルゴリズムの流れ図である。温度センサとタイマを使って計測する、現在の雰囲気温度Ｔnow と時刻ｔnow 、それにメモリに蓄えられた、算出された被測定物の温度Ｔest 、前回の雰囲気温度Ｔprev、前回の計測時の時刻ｔprevを使って、現在の被測定物温度Ｔest を算出する（７０）。
【００３３】
最初に初期化（７１）を行い次からの計算に必要な値を変数に代入する。温度計算は時々刻々行う必要があるため、ループ構造になっている。なにか割り込みなどが起こらなければ、時間間隔Δｔobs で温度の算出を繰り返す。温度算出ループの開始時には、まず初めに現在の温度と時間の値を前回計測時用の変数Ｔprevとｔprevに代入する（７２）。
【００３４】
次に、現在の温度と時刻を温度計とタイマにより測り、これを現在用の変数Ｔnow とｔnow に代入する（７３）。これらの変数を使って、温度計測時間間隔Δｔobs 、雰囲気温度の時間変化率Ｇair 、物体に加わる温度の時間変化率Ｇinを求める（７４）。
【００３５】
次に、計測間隔Δｔobs がある時間ｔth以下かを判定基準にして条件分岐を行う。図７では、ｔthは物体に加わる温度の変化率Ｇinに反比例するとして、その比例定数をＡとしている（７５）。Δｔobs がｔth以下であれば、さらに物体に加わる温度の変化率Ｇinの絶対値がある閾値Ｇth未満かを判定基準にして条件分岐を行う（７６）。
【００３６】
Ｇinの絶対値がＧth未満であれば、温度変化は極小さいとして現在の温度Ｔnow を物体の温度Ｔest に代入する（７７）。Ｇinの絶対値がＧth以上であれば、式（Ｅ）を使って物体の温度Ｔest を算出する（７８）。Δｔobs がｔthより大きければ、図６における極値ｄＴmax を温度変化率として、物体の温度Ｔest を算出する。図７では、このｄＴmax も観測時間Δｔosb の関数f2（Δｔosb）として表している（７９）。
【００３７】
この（７７），（７８），（７９）において算出された物体の温度Ｔest が時刻ｔnow における被測定物の温度である。物体の温度算出後は、適当な観測時間間隔を開けたのち（７１０）、再度（７２）へ戻る。
【００３８】
以後、この（７２）〜（７１０）にわたる処理を割り込みなどが起こらない限り繰り返す。本発明のアルゴリズムは、常時メモリを確保する必要がある主な変数７０が５個と少なく、使用している計算式も複雑なもので２次の多項式程度なので、大量のメモリや強力なＣＰＵを必要としないという特徴がある。よって、組み込み用の安価な演算処理器で十分に温度の算出が可能である。
【００３９】
＜第３の参考例＞
第３の参考例を図８を用いて説明する。図８は図７のアルゴリズムに従い温度を検出する、温度検出器の温度検出回路で、内部にローカルバス８７を持ち、バスに接続されたメモリ８４、ＣＰＵ８５、クロック８６、温度センサ８２用の入力アンプおよびＡ／Ｄ変換回路８３、それに必要に応じて内蔵表示器８８や外部制御機器８１０と通信を行う入出力回路８９が接続されていることを特徴とする。
【００４０】
メモリ８４はＲＯＭとＲＡＭで構成され、ＲＯＭには図７のアルゴリズムに従うプログラムと初期値定数、ＲＡＭには温度算出に必要な定数や変数が記憶される。
【００４１】
クロック８６に従い、一定時間ごとにディジタル値化された温度センサ８２からの値をＡＤ変換回路８３から受け取り、この値を基にＣＰＵ８５でこの時点の被測定物の温度を算出する仕組みになっている。算出結果は内蔵表示器８８で表示したり、外部制御機器８１０の要求に従い送信したりする。
【００４２】
この温度検出回路により、本発明の温度検出機能をモジュール化することが可能になり、本発明に適したＣＰＵやメモリサイズに合わせて回路を設計することが可能となる。そのため、大量のメモリや強力なＣＰＵを必要としないという本発明の特徴を活かした安価な回路を実現できる。
【００４３】
＜第４の参考例＞
第４の参考例を、図９を用いて説明する。第４の参考例は、温度を感知する温度センサ９２、温度センサ９２からの電気信号を温度に直して表示する温度計９３、被測定物と温度特性を合わせた別の物体９４、温度を計測した時刻を計るタイマ９７、および演算処理器９８から成り、被測定物９１に温度特性を合わせた別の物体９４に温度センサ９２を密着させることにより、温度センサ９２の過渡的な応答特性も含んだ温度特性を被測定物９１に合わせるとともに、温度計９３とタイマ９７から得られた温度と時刻の値から、演算処理器９８により被測定物の温度を算出することを特徴とする。
【００４４】
この構成により、本発明の第１の参考例に比較して、温度センサ９２の温度特性を被測定物の温度特性に合わせる精度が緩和され、温度センサ９２だけでは合わせきることができずに残った温度特性のずれは演算処理により除去することにより、過渡応答に対しても温度誤差の少ない温度感知が可能となる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、過渡温度特性が異なる複数の物体とこれら物体に密着させた温度センサからなる複数の温度検出系を、被測定物の近傍に配置し、各温度検出系により測定した温度を重み付けして加算処理することにより、被測定物の温度を検出しているため、容易に被測定物の温度特性と一致した温度検出ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の参考例の温度検出器を示す構成図である。
【図２】第１の参考例の温度検出器に用いる、被測定物と温度特性を合わせた物体を示す構造図である。
【図３】請求項１，２，３に係わる本発明の第１の実施の形態である温度検出器を示す構成図である。
【図４】請求項１，２，３に係わる本発明の第１の実施の形態である温度検出機構に用いる、複数の温度計からの電気信号を重み付け加算する加算回路とその回路の入出力の関係を示す説明図である。
【図５】第２の参考例の温度検出器を示す構成図である。
【図６】第２の参考例に係わる温度を算出する式の導出理由を説明する説明図である。
【図７】第２の参考例において、コンピュータなどの演算処理器を用いて被測定物の温度を算出するアルゴリズムの流れを説明する説明図である。
【図８】第３の参考例である温度検出器を示す構成図である。
【図９】第４の参考例である温度検出器を示す構成図である。
【図１０】直接温度センサを密着できない被測定物の温度を検出する従来の温度検出器を説明した説明図である。
【図１１】直接温度センサを密着できない被測定物の温度を非接触で測定する従来の温度検出方法を説明した説明図である。
【符号の説明】
１１，２１，３１，５１，９１，１０１，２０１ 被測定物
１２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，５２，８２，９２，１０２ 温度センサ
１３，３３，５３，９３，１０３ 温度計
１４，２２，２３，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，９４ 温度特性を被測定物に合わせた別の物体
３５ａ，３５ｂ，３５ｃ 温度センサと別の物体の組み合わせによる温度検出系
３６，４４ 加算器
５７，９７ タイマ
５８，９８ 演算処理器
４１，４２，４３ 時間と温度に応じた電圧の関係を示したグラフ
４５ 時間と加算器により合成された出力電圧の関係を示したグラフ
４６ａ，４６ｂ，４６ｃ ボリューム
２０２ 白色光源
２０３ 光スペクトルアナライザ
６１，６２，１０７，１０８ 時間と温度の関係を示したグラフ
６３，６６ 時間と温度変化率の関係を示したグラフ
６４ 温度変化率が直線的に変化している時間
６５ 温度変化率の極値
１０９ 時間と温度誤差の関係を示したグラフ
７０ 主な変数の説明
７１，７２，７３，７４，７７，７８，７９，７１０ 演算／代入処理
７５，７６ 条件分岐
８３ 入力アンプおよびＡ／Ｄ変換回路
８４ メモリ
８５ ＣＰＵ
８６ クロック
８７ ローカルバス
８８ 内蔵表示器
８９ 入出力回路
８１０ 外部制御機器
【図１】
0003812884.tif 000003
【図２】
0003812884.tif 000004
【図３】
0003812884.tif 000005
【図４】
0003812884.tif 000006
【図５】
0003812884.tif 000007
【図６】
0003812884.tif 000008
【図７】
0003812884.tif 000009
【図８】
0003812884.tif 000010
【図９】
0003812884.tif 000011
【図１０】
0003812884.tif 000012
【図１１】
0003812884.tif 000013