JP5171693B2 - 状態検出装置、温度制御装置および温度検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度等の物理量検出信号に重畳したノイズを除去する状態検出装置および温度検出方法ならびにこの状態検出装置を適用した温度制御装置に関するものである。

従来、熱電対等により温度等の物理量を検出する状態検出装置は、主に交流電源に起因するハムノイズの影響を排除するために、電源周波数に応じた検出周期で温度等の検出を行っていた。近年、半導体製造等の最適な製造条件を解析するために、より短周期で温度検出を行うことが要求されているが、現状の測定周期は、状態検出装置の電源周波数が５０Ｈｚであれば２０ｍｓ、６０Ｈｚであれば１６．７ｍｓであり、不十分である。

一方、熱電対等から出力される測定電圧に重畳したノイズを除去するための測定装置が、例えば特許文献１に開示されている。この測定装置では、温度検出信号をこの信号の整数倍のサンプリング周期でＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換してデジタル検出信号とし、このデジタル検出信号の１周期分の面積を求め、この面積を１周期の時間で除算して測定値としていた。

特開２００３−１４８９９６号公報

従来の状態検出装置は以上のように構成されているので、検出信号に重畳したハムノイズの影響を排除するためには測定周期を長くする必要があり、短い周期で温度測定を行うことができなかった。また、重畳したノイズを除去するために特許文献１の方法を用いたとしても、測定値はあくまで１周期分の平均値であり、１周期内の温度推移を検出することはできないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、電源周波数よりも短い周期で、かつノイズを除去した真値を検出可能な状態検出装置および温度検出方法ならびにこの状態検出装置を適用した温度制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係る状態検出装置は、対象物の物理量を原検出信号として検出する検出部と、本装置に供給される交流電源の周期を検出する電源同期検出部と、電源同期検出部で検出した交流電源の周期より短い周期で、原検出信号をデジタル変換して変換信号を生成する変換部と、変換部で生成した変換信号を、交流電源のＮ周期分取得する変換信号検出部と、変換信号検出部で取得したＮ周期分の変換信号を、各周期の始点を揃えて平均化して第１のデータ群を生成する第１のデータ群生成部と、変換信号検出部で取得したＮ周期分の変換信号を合算し、Ｎ周期分の変換信号数で除算して第２のデータを生成する第２のデータ生成部と、第１のデータ群の各値から第２のデータを減算して第３のデータ群を生成する第３のデータ群生成部と、交流電源の周期毎に、変換部で生成した変換信号から第３のデータ群を減算して検出信号を生成するノイズ除去部とを備えるようにしたものである。

この発明に係る状態検出装置は、本装置の電源確立直後に生成された第３のデータ群、所定周期で生成される第３のデータ群、または操作部が操作入力を受け付けたときに生成された第３のデータ群を記憶する記憶部を備え、ノイズ除去部は、記憶部に記憶された第３のデータ群を用いて検出信号を生成するようにしたものである。

この発明に係る温度制御装置は、検出部として熱電対または測温抵抗体を有する上記の状態検出装置を備え、当該状態検出装置の検出温度に基づいて対象物の温度を制御するようにしたものである。

この発明に係る温度検出方法は、対象物の温度を原検出信号として検出する検出ステップと、本装置に供給される交流電源の周期を検出する電源同期検出ステップと、電源同期検出ステップで検出した交流電源の周期より短い周期で、原検出信号をデジタル変換して変換信号を生成する変換ステップと、変換ステップで生成した変換信号を、交流電源のＮ周期分取得する変換信号検出ステップと、変換信号検出ステップで取得したＮ周期分の変換信号を、各周期の始点を揃えて平均化して第１のデータ群を生成する第１のデータ群生成ステップと、変換信号検出ステップで取得したＮ周期分の変換信号を合算し、Ｎ周期分の変換信号数で除算して第２のデータを生成する第２のデータ生成ステップと、第１のデータ群生成ステップで生成した第１のデータ群の各値から、第２のデータ生成ステップで生成した第２のデータを減算して第３のデータ群を生成する第３のデータ群生成ステップと、交流電源の周期毎に、変換ステップで生成した変換信号から、第３のデータ群を減算して検出信号を生成するノイズ除去ステップとを備えるようにしたものである。

この発明によれば、原検出信号を交流電源の周期より短い周期でデジタル変換した変換信号を交流電源のＮ周期分用いて第３のデータ群を生成し、交流電源の周期毎に変換信号から第３のデータ群を減算して検出信号を生成するようにしたので、交流電源周期よりも短い周期で、かつノイズを除去した真値を検出可能な状態検出装置および温度検出方法を提供することができる。

この発明によれば、電源確立直後、所定周期、または操作入力を受け付けたときに生成された第３のデータ群を用いて検出信号を生成するようにしたので、推定したハムノイズ波形である第３のデータ群と実際のハムノイズ波形との差を少なくし、ノイズ除去をより正確に行うことができる。

この発明によれば、状態検出装置が出力するノイズの除去された検出温度に基づいて対象物の温度を制御可能な温度制御装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る状態検出装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す状態検出装置を適用した状態制御装置を示すブロック図である。 実施の形態１に係る状態検出装置の電源同期検出部の構成例を示す回路図である。 実施の形態１に係る状態検出装置のハム基準波形生成処理を説明するグラフである。 実施の形態１に係る状態検出装置のノイズ除去処理を説明するグラフである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る状態検出装置１０の構成を示すブロック図である。図１に示す状態検出装置１０は、対象物の物理量を検出してアナログ信号を出力する検出部１と、検出部１が出力するアナログ信号を原検出信号として受け付けて所定の周期でアナログデジタル変換して変換信号を出力するＡ／Ｄ変換部（変換部）１１と、交流電源２の電源周期を検出する電源同期検出部１２と、変換信号に重畳したノイズ成分を検出および除去して検出信号を生成する制御部２０と、検出したノイズ成分を記憶する記憶部１３とを備える。制御部２０は、変換信号検出部２１、第１のデータ群生成部２２、第２のデータ生成部２３、第３のデータ群生成部２４、ノイズ除去部２５から構成される。なお、実施の形態１では、検出対象の物理量を温度とし、検出部１に熱電対、測温抵抗体等を用いた温度検出装置を例にして説明する。

図２は、図１に示す状態検出装置１０を適用した状態制御装置３０のハードウェア構成を示すブロック図である。状態制御装置３０は、図１の交流電源２に相当する商用電源と接続する電源接続コネクタ３１と、ＣＰＵ３５等を駆動させる絶縁電源であるロジック電源回路３２と、Ａ／Ｄ変換部４４等を駆動させる絶縁電源であるアナログ電源回路３３とを有する。
また、図１の電源同期検出部１２に相当する電源同期検出部３４と、検出部１を接続するセンサ接続コネクタ４２と、検出部１の原検出信号を増幅する増幅回路４３と、図１のＡ／Ｄ変換部１１に相当する、増幅された原検出信号をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換部４４とを有する。
さらに、状態制御装置３０は、図１の制御部２０の処理内容を記述したプログラムを格納しているＲＯＭ／ＲＡＭプログラム部３７と、ＲＯＭ／ＲＡＭプログラム部３７に格納されたプログラムを実行して制御部２０の処理を行うＣＰＵ３５と、制御部２０が算出したノイズ成分を記憶する記憶部１３に相当する不揮発メモリ３８とを有する。

また、ＣＰＵ３５は、ＣＰＵバス３６を介して表示／操作部３９の動作を制御し、外部からの入力操作を受け付けると共に、外部への表示を行う。また、ＣＰＵ３５は、ＣＰＵバス３６を介して通信部４０の動作を制御し、通信コネクタ４１を介して外部の上位装置等と通信を行って外部からの入力情報を受け付けたり、物理量の検出結果（即ち温度検出結果）を出力したりする。あるいは、通信コネクタ４１を介して制御対象の装置と通信を行って状態制御（即ち温度制御）を実行したりする。

以下、図１を用いて状態検出装置１０の動作を説明する。
先ず、ハムノイズ除去動作に必要となるハムノイズ成分を検出するための動作を説明する。図１において、Ａ／Ｄ変換部１１は、検出部１から入力される原検出信号を所定の周期でアナログデジタル変換して、変換信号として出力する。交流電源２が５０Ｈｚの場合、Ａ／Ｄ変換部１１は例えば５０Ｈｚの１周期分である２０ｍｓより短い１ｍｓ周期でサンプリングする。

電源同期検出部１２は、交流電源２の電源周期を検出して、電源同期検出信号を出力する。図３は、電源同期検出部１２の構成の一例を示す回路図である。この例では、抵抗Ｒ１，Ｒ２によって交流電源２の電圧の一部を分圧してフォトカプラＰＣへ送り、交流電源２の周期で発光素子を発光させて受光素子を導通し、これを電源同期検出信号とする。

制御部２０の変換信号検出部２１は、電源同期検出部１２から入力される電源同期検出信号に基づいて、Ａ／Ｄ変換部１１から入力される変換信号を、電源周期のＮ周期分取得する。図４は、制御部２０の処理を説明するグラフであり、図４（ａ）は変換信号検出部２１が取得したＮ＝４周期分の変換信号を示す図である。図４（ａ）では、交流電源２が５０Ｈｚであるものとし、５０Ｈｚの１周期分である２０ｍｓの期間の変換信号を４周期分取得した場合を例示している。変換信号検出部２１は、電源同期検出部１２の電源同期検出信号と同期して始点ｎ＝０で始まる各周期の変換信号を取得する。なお、Ａ／Ｄ変換部１１が１ｍｓ周期でサンプリングしているので、１周期分は２０サンプル（ｎ＝０〜１９）である。

制御部２０の第１のデータ群生成部２２は、変換信号検出部２１が取得したＮ周期分の変換信号を各周期の始点（ｎ＝０）を揃えてＮ周期分合算し、各合算値をそれぞれＮで除してサンプル点毎の平均値を算出し、これらを第１のデータ群とする。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す４周期分の変換信号から生成した第１のデータ群を示す図であり、４周期分の波形が平均化された波形である。

制御部２０の第２のデータ生成部２３は、変換信号検出部２１が取得したＮ周期分の変換信号を合算し、合算値をＮ周期分の変換信号数で除して全サンプルの平均値を算出し、これを第２のデータとする。図４（ｃ）は、４周期分の８０サンプルを合算し、この合算値を８０で除して生成した第２のデータを示す図であり、８０サンプルの平均値である。

制御部２０の第３のデータ群生成部２４は、第１のデータ群生成部２２が生成した第１のデータ群の値それぞれから第２のデータの値を減じて、第３のデータ群を算出する。図４（ｄ）は、図４（ｂ）に示す第１のデータ群から図４（ｃ）に示す第２のデータを減じて生成した第３のデータ群を示す図である。

このように、Ｎ周期分の変換信号をサンプル点毎にＮ個重ね合わせて合算してＮで除すことにより、検出部１の測定真値と交流電源２に起因したハムノイズとが含まれている第１のデータ群を生成する。次に、Ｎ周期分の全サンプルを合算して全サンプル数で除すことにより、測定真値のみ含む第２のデータを生成する。最後に、第１のデータ群から第２のデータを減じることにより、１周期分のハムノイズ（以下、ハム基準波形という）を第３のデータ群として生成する。

第１のデータ群生成部２２、第２のデータ生成部２３および第３のデータ群生成部２４によるハム基準波形生成処理は、状態検出装置１０の電源投入時の電源確立直後、所定の周期、手動操作による指示があったとき等に行う構成とし、生成した第３のデータ群は記憶部１３に格納しておく。手動操作による指示は、例えば図２に示す表示／操作部３９が受け付ければよい。

なお、上述した一連のハム基準波形生成処理は、正確なハム基準波形を算出するために、検出部１の検出温度が安定しているときに行う。具体的には、変換信号検出部２１がＮ周期分の変換信号を取得した際に各周期の積分値を比較して、各周期の積分値のずれが所定の条件範囲以内であれば検出温度が安定していると判断して、第１のデータ群生成部２２へＮ周期分の変換信号を出力するようにする。
あるいは、ハム基準波形生成処理を行った後でそのハム基準波形が正確か否かを判断するようにしてもよい。具体的には、第３のデータ群生成部２４が第３のデータ群を生成した際に、第３のデータ群の始点（ｎ＝０、図４（ｄ）に示す始点Ａ）と終点＋１サンプル点（ｎ＝２０、図４（ｄ）に示すみなし終了点Ｂ）とが同じ値になった場合に限り、その第３のデータ群をハム基準波形として採用することとし、記憶部１３に格納する。

なお、第１〜３のデータ群は離散数値データでも波形データでもよい。上記説明では１ｍｓ毎にデジタル変換した変換信号を離散数値データとしたが、例えば第１のデータ群生成部２２がＮ周期分の離散的な変換信号を正弦関数等で近似して波形データを生成してもよい。

次に、状態検出装置１０のハムノイズ除去動作を説明する。図５は、実施の形態１に係る状態検出装置１０によるハムノイズ除去処理を説明するグラフである。ここでは、上述した一連のハム基準波形生成処理によって生成したハム基準波形が記憶部１３に格納されているものとする。

Ａ／Ｄ変換部１１は、ハム基準波形生成処理の場合と同様に、検出部１から入力される原検出信号をアナログデジタル変換し、変換信号としてノイズ除去部２５へ出力する。同様に、電源同期検出部１２も交流電源２の電源周期を検出し、電源同期検出信号としてノイズ除去部２５へ出力する。ノイズ除去部２５は、予め、記憶部１３からハム基準波形を取得しておく。そして、ノイズ除去部２５は、電源同期検出信号の示す電源周期に同期して、周期毎に変換信号からハム基準波形の成分を減じ、ハムノイズを除去した検出信号を生成する。ノイズ除去を電源周期毎に行うのは、変換信号に重畳しているハムノイズとハム基準波形の波形形状を一致させることを目的として、始点ｎ＝０を合わせるためである。

以上のように、実施の形態１によれば、対象物の温度を原検出信号として検出する検出部１と、原検出信号を所定の周期でデジタル変換して変換信号を生成するＡ／Ｄ変換部１１と、状態検出装置１０に供給される交流電源２の周期を検出する電源同期検出部１２と、Ａ／Ｄ変換部１１で生成した変換信号を、交流電源２のＮ周期分取得する変換信号検出部２１と、変換信号検出部２１で取得したＮ周期分の変換信号を、各周期の始点を揃えて平均化して第１のデータ群を生成する第１のデータ群生成部２２と、変換信号検出部２１で取得したＮ周期分の変換信号を合算し、Ｎ周期分の変換信号数で除算して第２のデータを生成する第２のデータ生成部２３と、第１のデータ群の各値から第２のデータを減算して第３のデータ群を生成する第３のデータ群生成部２４と、交流電源２の周期毎に、Ａ／Ｄ変換部１１で生成した変換信号から第３のデータ群を減算して検出信号を生成するノイズ除去部２５とを備えるように構成した。このため、交流電源周期よりも短い周期で、かつノイズを除去した真値を検出可能な状態検出装置および温度検出方法を提供することができる。

また、Ａ／Ｄ変換部１１が電源同期検出部１２で検出した交流電源２の周期より短い周期で原検出信号をアナログデジタル変換するよう構成した。このため、交流電源の周期より短い周期で検出信号を生成することができ、交流電源の周期より短い周期の温度推移も検出可能となる。

また、電源確立直後、所定周期、または手動操作による指示があったとき等に第３のデータ群を生成し直して記憶部１３に記憶し、ノイズ除去部２５が記憶部１３からハム基準波形を取得してノイズ除去するように構成した。このため、第３のデータ群であるハム基準波形と実際のハムノイズ波形との差を少なくし、ノイズ除去をより正確に行うことができる。

また、状態検出装置１０を適用した状態制御装置３０は、ハムノイズの除去された検出信号に基づいて対象物の状態を制御することができる。

１ 検出部
２ 交流電源
１０ 状態検出装置
１１ Ａ／Ｄ変換部（変換部）
１２ 電源同期検出部
１３ 記憶部
２０ 制御部
２１ 変換信号検出部
２２ 第１のデータ群生成部
２３ 第２のデータ生成部
２４ 第３のデータ群生成部
２５ ノイズ除去部
３０ 状態制御装置
３１ 電源接続コネクタ
３２ ロジック電源回路
３３ アナログ電源回路
３４ 電源同期検出部
３５ ＣＰＵ
３６ ＣＰＵバス
３７ ＲＯＭ／ＲＡＭプログラム部
３８ 不揮発メモリ
３９ 表示／操作部
４０ 通信部
４１ 通信コネクタ
４２ センサ接続コネクタ
４３ 増幅回路
４４ Ａ／Ｄ変換部

Claims (7)

1. 対象物の物理量を原検出信号として検出する検出部と、
   本装置に供給される交流電源の周期を検出する電源同期検出部と、
   前記電源同期検出部で検出した交流電源の周期より短い周期で、前記原検出信号をデジタル変換して変換信号を生成する変換部と、
   前記変換部で生成した変換信号を、前記交流電源のＮ周期分取得する変換信号検出部と、
   前記変換信号検出部で取得したＮ周期分の変換信号を、各周期の始点を揃えて平均化して第１のデータ群を生成する第１のデータ群生成部と、
   前記変換信号検出部で取得したＮ周期分の変換信号を合算し、Ｎ周期分の変換信号数で除算して第２のデータを生成する第２のデータ生成部と、
   前記第１のデータ群の各値から前記第２のデータを減算して第３のデータ群を生成する第３のデータ群生成部と、
   前記交流電源の周期毎に、前記変換部で生成した変換信号から前記第３のデータ群を減算して検出信号を生成するノイズ除去部とを備えた状態検出装置。
2. 任意のタイミングで生成された第３のデータ群を記憶する記憶部を備え、
   ノイズ除去部は、前記記憶部に記憶された前記第３のデータ群を用いて検出信号を生成することを特徴とする請求項１記載の状態検出装置。
3. 記憶部は、本装置の電源確立直後に生成された第３のデータ群を記憶することを特徴とする請求項２記載の状態検出装置。
4. 記憶部は、所定周期で生成される最新の第３のデータ群を記憶することを特徴とする請求項２記載の状態検出装置。
5. 外部からの操作入力を受け付ける操作部を備え、
   記憶部は、前記操作部が操作入力を受け付けたときに生成された第３のデータ群を記憶することを特徴とする請求項２記載の状態検出装置。
6. 検出部として熱電対または測温抵抗体を有する請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の状態検出装置を備え、当該状態検出装置の検出温度に基づいて対象物の温度を制御する温度制御装置。
7. 対象物の温度を原検出信号として検出する検出ステップと、
   本装置に供給される交流電源の周期を検出する電源同期検出ステップと、
   前記電源同期検出ステップで検出した交流電源の周期より短い周期で、前記原検出信号をデジタル変換して変換信号を生成する変換ステップと、
   前記変換ステップで生成した変換信号を、前記交流電源のＮ周期分取得する変換信号検出ステップと、
   前記変換信号検出ステップで取得したＮ周期分の変換信号を、各周期の始点を揃えて平均化して第１のデータ群を生成する第１のデータ群生成ステップと、
   前記変換信号検出ステップで取得したＮ周期分の変換信号を合算し、Ｎ周期分の変換信号数で除算して第２のデータを生成する第２のデータ生成ステップと、
   前記第１のデータ群生成ステップで生成した第１のデータ群の各値から、前記第２のデータ生成ステップで生成した第２のデータを減算して第３のデータ群を生成する第３のデータ群生成ステップと、
   前記交流電源の周期毎に、前記変換ステップで生成した変換信号から、前記第３のデータ群を減算して検出信号を生成するノイズ除去ステップとを備えた温度検出方法。

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