JP4699797B2

JP4699797B2 - 測定方法および装置

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Publication number: JP4699797B2
Application number: JP2005122548A
Authority: JP
Inventors: 昭又吉
Original assignee: Levex Corp
Current assignee: Levex Corp
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2025-04-20
Also published as: JP2006300719A

Description

本発明は、測定方法および装置に関し、さらに詳しくは、距離または温度の一方または両方を正確に測定することが出来る測定方法および装置に関する。

従来、金属物体までの距離に応じて検出コイルのインピーダンスが変化することを利用して金属物体の近接を検知する近接スイッチが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平６−２９８１８号公報

検出コイルのインピーダンスは、金属物体までの距離に応じて変化するだけでなく、温度によっても変化する。
しかし、上記従来の近接スイッチでは、温度による検出コイルのインピーダンスの変化について考慮していないため、温度による誤差を生じる問題点がある。
そこで、本発明の目的は、距離または温度の一方または両方を正確に測定することが出来る測定方法および装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、金属物体までの距離に応じて検出コイルのインピーダンスが変化することを利用して金属物体まで距離を測定する測定方法であって、検出コイルのインピーダンスの直交値Ｌおよび同相値Ｒを実測し、距離ｘと温度Ｔと直交値Ｌの関数ｆ(x,T,L)と，距離ｘと温度Ｔと同相値Ｒの関数ｇ(x,T,R)と，実測した同相値Ｒおよび直交値Ｌとに基づいて、距離ｘまたは温度Ｔの一方または両方を求めることを特徴とする測定方法を提供する。
本願発明者が鋭意研究したところ、検出コイルのインピーダンスの直交値Ｌと同相値Ｒとは、金属物体までの距離ｘおよび温度Ｔの両方に応じて、それぞれ独立の関数ｆ(x,T,L)，ｇ(x,T,R)に従って変化することを見いだした（図３〜図６参照）。
そこで、上記第１の観点による測定方法では、連立方程式ｆ(x,T,L)，ｇ(x,T,R)を立て、実測した直交値Ｌおよび同相値Ｒを代入して解くことにより、２つの未知数ｘ，Ｔを求める。これにより、温度Ｔによる誤差なく、距離ｘを正確に測定することが出来る。また、距離ｘによる誤差なく、温度Ｔを正確に測定することが出来る。さらに、距離ｘと温度Ｔの両方を正確に測定することも出来る。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点による測定方法において、Ｔ＝０℃，ｘ＝∞のときの直交値Ｌ＝Ｌｏとし、Ｔ＝０℃，ｘ＝０のときの直交値Ｌ＝Ｌｏ＋Ｌｍとし、αおよびλを係数とするとき、前記関数ｆ(x,T,L)が、
Ｌ＝（Ｌｍ・exp{−α・ｘ}＋Ｌｏ）（１＋λ・Ｔ）
であり、Ｔ＝０℃，ｘ＝∞のときの直交値Ｒ＝Ｒｏとし、Ｔ＝０℃，ｘ＝０のときの同相値Ｒ＝Ｒｏ＋Ｒｍとし、βおよびνを係数とするとき、前記関数ｇ(x,T,R)が、
Ｒ＝（Ｒｍ・exp{−β・ｘ}＋Ｒｏ）（１＋ν・Ｔ）
であることを特徴とする測定方法を提供する。
本願発明者が鋭意研究したところ、上記のような近似関数を見いだした（図３〜図６参照）。
そこで、上記第２の観点による測定方法では、上記の近似関数を用いた連立方程式ｆ(x,T,L)，ｇ(x,T,R)を立て、実測した同相値Ｒおよび直交値Ｌを代入して解くことにより、２つの未知数ｘ，Ｔを求める。これにより、温度Ｔによる誤差なく、距離ｘを正確に測定することが出来る。また、距離ｘによる誤差なく、温度Ｔを正確に測定することが出来る。

第３の観点では、本発明は、金属物体が近接しうる検出コイルと、前記検出コイルのインピーダンスの直交値Ｌおよび同相値Ｒを計測する計測手段と、距離ｘと温度Ｔと直交値Ｌの関数ｆ(x,T,L)と，距離ｘと温度Ｔと同相値Ｒの関数ｇ(x,T,R)と，実測した同相値Ｒおよび直交値Ｌとに基づいて距離ｘまたは温度Ｔの一方または両方を求める換算手段とを具備したことを特徴とする測定装置を提供する。
上記第３の観点による測定装置では、上記第１の観点による測定方法を好適に実施できる。

第４の観点では、本発明は、前記第３の観点による測定装置において、Ｔ＝０℃，ｘ＝∞のときの直交値Ｌ＝Ｌｏとし、Ｔ＝０℃，ｘ＝０のときの直交値Ｌ＝Ｌｏ＋Ｌｍとし、αおよびλを係数とするとき、前記関数ｆ(x,T,L)が、
Ｌ＝（Ｌｍ・exp{−α・ｘ}＋Ｌｏ）（１＋λ・Ｔ）
であり、Ｔ＝０℃，ｘ＝∞のときの直交値Ｒ＝Ｒｏとし、Ｔ＝０℃，ｘ＝０のときの同相値Ｒ＝Ｒｏ＋Ｒｍとし、βおよびνを係数とするとき、前記関数ｇ(x,T,R)が、
Ｒ＝（Ｒｍ・exp{−β・ｘ}＋Ｒｏ）（１＋ν・Ｔ）
であることを特徴とする測定装置を提供する。
上記第４の観点による測定装置では、上記第２の観点による測定方法を好適に実施できる。

第５の観点では、本発明は、前記第３または前記第４の観点による測定装置において、前記換算手段は、実測した直交値Ｌと温度Ｔ＝Ｔｉとを用いて前記関数ｆ(x,T,L)により距離ｘ＝ｘ_Lｉを算出し、実測した同相値Ｒと温度Ｔ＝Ｔｉとを用いて前記関数ｇ(x,T,R)により距離ｘ＝ｘ_Rｉを算出し、差ｄｉ＝｜ｘ_Lｉ−ｘ_Rｉ｜を算出し、差ｄｉが所定値ｅより小さいか否かを判定することを、開始温度Ｔｓから終了温度Ｔｅまで変化分ΔＴだけ変化させながら差ｄｉが所定値ｅより小さくなるまで繰り返し、差ｄｉが所定値ｅより小さくなったときの距離ｘ_Lｉまたはｘ_Rｉの一方または平均値を測定結果の距離ｘとすることを特徴とする測定装置を提供する。
上記第５の観点による測定装置では、最も確からしい距離ｘを求めることが出来る。

第６の観点では、本発明は、前記第３から前記第５のいずれかの観点による測定装置において、前記換算手段は、実測した直交値Ｌと温度Ｔ＝Ｔｉとを用いて前記関数ｆ(x,T,L)により距離ｘ＝ｘ_Lｉを算出し、実測した同相値Ｒと温度Ｔ＝Ｔｉとを用いて前記関数ｇ(x,T,R)により距離ｘ＝ｘ_Rｉを算出し、差ｄｉ＝｜ｘ_Lｉ−ｘ_Rｉ｜を算出し、差ｄｉが所定値ｅより小さいか否かを判定することを、開始温度Ｔｓから終了温度Ｔｅまで変化分ΔＴだけ変化させながら差ｄｉが所定値ｅより小さくなるまで繰り返し、差ｄｉが所定値ｅより小さくなったときの温度Ｔｉを測定結果の温度Ｔとすることを特徴とする測定装置を提供する。
上記第６の観点による測定装置では、最も確からしい温度Ｔを求めることが出来る。

第７の観点では、本発明は、前記第３または前記第４の観点による測定装置において、前記換算手段は、実測した直交値Ｌと複数の温度Ｔ＝Ｔ１，Ｔ２，…とを用いて前記関数ｆ(x,T,L)により距離ｘ＝ｘ_L１，ｘ_L２，…を算出すると共に、実測した同相値Ｒと複数の温度Ｔ＝Ｔ１，Ｔ２，…とを用いて前記関数ｇ(x,T,R)により距離ｘ＝ｘ_R１，ｘ_R２，…を算出し、差ｄｉ＝｜ｘ_Lｉ−ｘ_Rｉ｜を算出し、最小の差ｄｉminを与えるｘ_Lｉまたはｘ_Rｉの一方または平均値を測定結果の距離ｘとすることを特徴とする測定装置を提供する。
上記第７の観点による測定装置では、実用上正確とみなしうる距離ｘを短時間で求めることが出来る。

第８の観点では、本発明は、前記第３または前記第４または前記第７の観点による測定装置において、前記換算手段は、実測した直交値Ｌと複数の温度Ｔ＝Ｔ１，Ｔ２，…とを用いて前記関数ｆ(x,T,L)により距離ｘ＝ｘ_L１，ｘ_L２，…を算出すると共に、実測した同相値Ｒと複数の温度Ｔ＝Ｔ１，Ｔ２，…とを用いて前記関数ｇ(x,T,R)により距離ｘ＝ｘ_R１，ｘ_R２，…を算出し、差ｄｉ＝｜ｘ_Lｉ−ｘ_Rｉ｜を算出し、最小の差ｄｉminを与える温度Ｔｉを測定結果の温度Ｔとすることを特徴とする測定装置を提供する。
上記第８の観点による測定装置では、実用上正確とみなしうる温度Ｔを短時間で求めることが出来る。

本発明の測定方法および装置によれば、温度Ｔによる誤差なく、距離ｘを正確に測定することが出来る。また、距離ｘによる誤差なく、温度Ｔを正確に測定することが出来る。さらに、距離ｘと温度Ｔの両方を正確に測定することも出来る。

以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、実施例１に係る測定装置１００を示す説明図である。
この測定装置１００は、金属物体Ｈまでの距離ｘおよび温度Ｔに応じてインピーダンスを変化させる検出コイル１０と、検出コイル１０のインピーダンスＺ（＝Ｒ＋ｊ・ω・Ｌ）を計測するインピーダンス計３０と、インピーダンス計３０からインダクタンス値（インピーダンスの直交値）Ｌおよび抵抗値（インピーダンスの同相値）Ｒを読み出して金属物体Ｈまでの距離ｘおよび温度Ｔを求めるパソコン５０と、検出コイル１０とインピーダンス計３０とを接続するケーブル２０と、インピーダンス計３０とパソコン５０とを接続するケーブル４０とを具備している。

検出コイル１０は、基本的には銅線を巻回したコイルであり、一般に抵抗とインダクタンスの直列回路にキャパシタンスを並列接続した等価回路で表される。計測に使用する周波数が低い場合、キャパシタンスは無視できる。

インピーダンス計３０は、例えば「商品名：ＬＣＲＨＩＴＥＳＴＥＲ、メーカ：ＨＩＯＫＩ、型式：３５３２−５０」である。

パソコン５０は、例えばＲＳ２３２Ｃインタフェースによりインピーダンス計３０と通信できるようになっている。

図２は、温度Ｔが一定の場合のインダクタンス値Ｌ（ｍＨ）と距離ｘ（ｍｍ）の計測結果を示す特性図である。
図３は、温度Ｔが一定の場合の抵抗値Ｒ（Ω）と距離ｘ（ｍｍ）の計測結果を示す特性図である。

図４は、距離ｘが一定の場合のインダクタンス値Ｌ（ｍＨ）と温度Ｔ（℃）の計測結果を示す特性図である。
図６は、距離ｘが一定の場合の抵抗値Ｒ（Ω）と温度Ｔ（℃）の計測結果を示す特性図である。

図２および図４の特性図から、Ｔ＝０℃，ｘ＝∞のときのインダクタンス値Ｌ＝Ｌｏとし、Ｔ＝０℃，ｘ＝０のときのインダクタンス値Ｌ＝Ｌｏ＋Ｌｍとし、αおよびλを係数とするとき、
Ｌ＝（Ｌｍ・exp{−α・ｘ}＋Ｌｏ）（１＋λ・Ｔ） …（１）
なる近似関数で表すことが出来る。
なお、Ｌｏ，Ｌｍ，α，λは、予め求めておくことが出来る。

図３および図６の特性図から、Ｔ＝０℃，ｘ＝∞のときの抵抗値Ｒ＝Ｒｏとし、Ｔ＝０℃，ｘ＝０のときの抵抗値Ｒ＝Ｒｏ＋Ｒｍとし、βおよびνを係数とするとき、
Ｒ＝（Ｒｍ・exp{−β・ｘ}＋Ｒｏ）（１＋ν・Ｔ） …（２）
なる近似関数で表すことが出来る。
なお、Ｒｏ，Ｒｍ，β，νは、予め求めておくことが出来る。

図６は、パソコン５０による実施例１に係る測定処理を示すフロー図である。
ステップＳ１では、インピーダンス計３０により検出コイル１０のインダクタンス値Ｌおよび抵抗値Ｒを実測する。

ステップＳ２では、予め設定した開始温度Ｔｓ（例えば−１０℃）を温度カウンタｔに初期設定する。

ステップＳ３では、上述の（１）式の温度Ｔにｔを代入し、インダクタンス値Ｌに実測した値を代入して、距離ｘを計算する。計算結果の距離ｘをＸ_Lとする。

ステップＳ４では、上述の（２）式の温度Ｔにｔを代入し、抵抗値Ｒに実測した値を代入して、距離ｘを計算する。計算結果の距離ｘをＸ_Rとする。

ステップＳ５では、予め設定した許容値ｅ（例えば１ｍｍ）よりも｜Ｘ_L−Ｘ_R｜が小さくないならステップＳ６へ進み、小さいならステップＳ９へ進む。

ステップＳ６では、温度カウンタｔに変化分ΔＴ（例えば１℃）を加える。
ステップＳ７では、温度カウンタｔの値が終了温度Ｔｅ（例えば１２０℃）以下ならステップＳ３に戻り、終了温度Ｔｅを超えたらステップＳ８へ進む。

ステップＳ８では、「測定不能」のメッセージを出力し、処理を終了する。

ステップＳ８では、現在の計算結果Ｘ_Lを距離ｘとして出力し、現在の温度カウンタｔの値を温度Ｔとして出力し、処理を終了する。

実施例１に係る測定装置１００によれば、距離ｘと温度Ｔの両方を正確に測定することが出来る。また、許容値ｅよりも｜Ｘ_L−Ｘ_R｜が小さくなると処理を止めるので、パソコン５０での処理時間が短くて済む可能性がある。

図６は、パソコン５０による実施例２に係る測定処理を示すフロー図である。
ステップＢ１では、インピーダンス計３０により検出コイル１０のインダクタンス値Ｌおよび抵抗値Ｒを実測する。

ステップＢ２では、予め設定した開始温度Ｔｓ（例えば−１０℃）を温度カウンタｔに初期設定すると共に、予め設定した許容値ｅ（例えば１ｍｍ）を最小値カウンタＸminに初期設定する。

ステップＢ３では、上述の（１）式の温度Ｔにｔを代入し、インダクタンス値Ｌに実測した値を代入して、距離ｘを計算する。計算結果の距離ｘをＸ_Lとする。

ステップＢ４では、上述の（２）式の温度Ｔにｔを代入し、抵抗値Ｒに実測した値を代入して、距離ｘを計算する。計算結果の距離ｘをＸ_Rとする。

ステップＢ５では、最小値カウンタＸminの値よりも｜Ｘ_L−Ｘ_R｜が小さいならステップＢ６へ進み、小さくないならステップＢ８へ進む。

ステップＢ６では、現在の｜Ｘ_L−Ｘ_R｜の値を最小値カウンタＸminに入れる。
ステップＢ７では、現在の計算結果Ｘ_Lを距離ｘとして記憶し、現在の温度カウンタｔの値を温度Ｔとして記憶する。

ステップＢ８では、温度カウンタｔに変化分ΔＴ（例えば１℃）を加える。
ステップＢ９では、温度カウンタｔの値が終了温度Ｔｅ（例えば１２０℃）以下ならステップＢ３に戻り、終了温度Ｔｅを超えたらステップＢ１０へ進む。

ステップＢ１０では、最小値カウンタＸminの値が許容値ｅのままならステップＢ１１へ進み、許容値ｅより小さくなっていたらステップＢ１２へ進む。

ステップＢ１１では、「測定不能」のメッセージを出力し、処理を終了する。

ステップＢ１２では、記憶していた距離ｘおよび温度Ｔを出力し、処理を終了する。

実施例２に係る測定装置によれば、距離ｘと温度Ｔの両方を正確に測定することが出来る。また、最も確からしい距離ｘと温度Ｔとを得ることが出来る。

本発明の測定方法および装置は、温度変化がある環境下で、金属物体までの距離を測定するのに利用できる。

実施例１に係る測定装置を示す説明図である。温度Ｔが一定の場合のインダクタンス値Ｌと距離ｘの計測結果を示す特性図である。温度Ｔが一定の場合の抵抗値Ｒと距離ｘの計測結果を示す特性図である。距離ｘが一定の場合のインダクタンス値Ｌと温度Ｔの計測結果を示す特性図である。距離ｘが一定の場合の抵抗値Ｒと温度Ｔの計測結果を示す特性図である。実施例１に係る測定処理を示すフロー図である。実施例２に係る測定処理を示すフロー図である。

符号の説明

１０検出コイル
３０インピーダンス計
５０パソコン

Claims

金属物体までの距離に応じて検出コイルのインピーダンスが変化することを利用して金属物体まで距離を測定する測定方法であって、検出コイルのインピーダンスの直交値Ｌおよび同相値Ｒを実測し、距離ｘと温度Ｔと直交値Ｌの関数ｆ(x,T,L)と，距離ｘと温度Ｔと同相値Ｒの関数ｇ(x,T,R)と，実測した同相値Ｒおよび直交値Ｌとに基づいて、距離ｘまたは温度Ｔの一方または両方を求め、Ｔ＝０℃，ｘ＝∞のときの直交値Ｌ＝Ｌｏとし、Ｔ＝０℃，ｘ＝０のときの直交値Ｌ＝Ｌｏ＋Ｌｍとし、αおよびλを係数とするとき、前記関数ｆ(x,T,L)が、
Ｌ＝（Ｌｍ・exp{−α・ｘ}＋Ｌｏ）（１＋λ・Ｔ）
であり、Ｔ＝０℃，ｘ＝∞のときの直交値Ｒ＝Ｒｏとし、Ｔ＝０℃，ｘ＝０のときの同相値Ｒ＝Ｒｏ＋Ｒｍとし、βおよびνを係数とするとき、前記関数ｇ(x,T,R)が、
Ｒ＝（Ｒｍ・exp{−β・ｘ}＋Ｒｏ）（１＋ν・Ｔ）
であることを特徴とする測定方法。
金属物体が近接しうる検出コイルと、前記検出コイルのインピーダンスの直交値Ｌおよび同相値Ｒを計測する計測手段と、距離ｘと温度Ｔと直交値Ｌの関数ｆ(x,T,L)と，距離ｘと温度Ｔと同相値Ｒの関数ｇ(x,T,R)と，実測した同相値Ｒおよび直交値Ｌとに基づいて距離ｘまたは温度Ｔの一方または両方を求める換算手段とを具備し、Ｔ＝０℃，ｘ＝∞のときの直交値Ｌ＝Ｌｏとし、Ｔ＝０℃，ｘ＝０のときの直交値Ｌ＝Ｌｏ＋Ｌｍとし、αおよびλを係数とするとき、前記関数ｆ(x,T,L)が、
Ｌ＝（Ｌｍ・exp{−α・ｘ}＋Ｌｏ）（１＋λ・Ｔ）
であり、Ｔ＝０℃，ｘ＝∞のときの直交値Ｒ＝Ｒｏとし、Ｔ＝０℃，ｘ＝０のときの同相値Ｒ＝Ｒｏ＋Ｒｍとし、βおよびνを係数とするとき、前記関数ｇ(x,T,R)が、
Ｒ＝（Ｒｍ・exp{−β・ｘ}＋Ｒｏ）（１＋ν・Ｔ）
であることを特徴とする測定装置。
請求項２に記載の測定装置において、前記換算手段は、実測した直交値Ｌと温度Ｔ＝Ｔｉとを用いて前記関数ｆ(x,T,L)により距離ｘ＝ｘ _L ｉを算出し、実測した同相値Ｒと温度Ｔ＝Ｔｉとを用いて前記関数ｇ(x,T,R)により距離ｘ＝ｘ _R ｉを算出し、差ｄｉ＝｜ｘ _L ｉ−ｘ _R ｉ｜を算出し、差ｄｉが所定値ｅより小さいか否かを判定することを、開始温度Ｔｓから終了温度Ｔｅまで変化分ΔＴだけ変化させながら差ｄｉが所定値ｅより小さくなるまで繰り返し、差ｄｉが所定値ｅより小さくなったときの距離ｘ _L ｉまたはｘ _R ｉの一方または平均値を測定結果の距離ｘとすることを特徴とする測定装置。
請求項２または請求項３のいずれかに記載の測定装置において、前記換算手段は、実測した直交値Ｌと温度Ｔ＝Ｔｉとを用いて前記関数ｆ(x,T,L)により距離ｘ＝ｘ _L ｉを算出し、実測した同相値Ｒと温度Ｔ＝Ｔｉとを用いて前記関数ｇ(x,T,R)により距離ｘ＝ｘ _R ｉを算出し、差ｄｉ＝｜ｘ _L ｉ−ｘ _R ｉ｜を算出し、差ｄｉが所定値ｅより小さいか否かを判定することを、開始温度Ｔｓから終了温度Ｔｅまで変化分ΔＴだけ変化させながら差ｄｉが所定値ｅより小さくなるまで繰り返し、差ｄｉが所定値ｅより小さくなったときの温度Ｔｉを測定結果の温度Ｔとすることを特徴とする測定装置。
請求項２に記載の測定装置において、前記換算手段は、実測した直交値Ｌと複数の温度Ｔ＝Ｔ１，Ｔ２，…とを用いて前記関数ｆ(x,T,L)により距離ｘ＝ｘ _L １，ｘ _L ２，…を算出すると共に、実測した同相値Ｒと複数の温度Ｔ＝Ｔ１，Ｔ２，…とを用いて前記関数ｇ(x,T,R)により距離ｘ＝ｘ _R １，ｘ _R ２，…を算出し、差ｄｉ＝｜ｘ _L ｉ−ｘ _R ｉ｜を算出し、最小の差ｄｉminを与えるｘ _L ｉまたはｘ _R ｉの一方または平均値を測定結果の距離ｘとすることを特徴とする測定装置。
請求項２または請求項５に記載の測定装置において、前記換算手段は、実測した直交値Ｌと複数の温度Ｔ＝Ｔ１，Ｔ２，…とを用いて前記関数ｆ(x,T,L)により距離ｘ＝ｘ _L １，ｘ _L ２，…を算出すると共に、実測した同相値Ｒと複数の温度Ｔ＝Ｔ１，Ｔ２，…とを用いて前記関数ｇ(x,T,R)により距離ｘ＝ｘ _R １，ｘ _R ２，…を算出し、差ｄｉ＝｜ｘ _L ｉ−ｘ _R ｉ｜を算出し、最小の差ｄｉminを与える温度Ｔｉを測定結果の温度Ｔとすることを特徴とする測定装置。