JP2011527424A - ゲージ装置を熱的に補償するための方法及び熱的に補償されるゲージステーション - Google Patents

Abstract

トランスデューサを有するゲージ装置（１）における熱ドリフト補償方法は、較正動作の過程で、ゲージ装置（１）の温度（Ｔ）の変化時に熱補償係数（Ｋ）の値を決定して記憶するステップと、ゲージ動作の過程で、ゲージ装置（１）の現在の読取値（Ｘ）を検出するステップと、ゲージ動作の過程で、ゲージ装置（１）の現在の温度（Ｔ）を検出するステップと、ゲージ動作の過程で、ゲージ装置（１）の現在の温度（Ｔ）とゲージ装置（１）の現在の読取値（Ｘ）との両方に応じて、較正動作の過程で既に決定されて記憶された熱補償係数（Ｋ）の値を用いて熱補償係数（Ｋ）の現在の値を決定するステップと、ゲージ動作の過程で、熱補償係数（Ｋ）の現在の値を用いてゲージ装置（１）の現在の読取値（Ｘ）を補正するステップとを含む。

Description

本発明は、ゲージ装置を熱的に補償するための方法、及び、熱的に補償されるゲージステーションに関する。

位置センサなどのゲージ装置によって与えられる情報は、とりわけ、環境温度によって影響される。これは、温度変化が、位置センサの金属構成部品における避けられない熱変形、及び位置センサの電気回路の電気抵抗における避けられない変化の両方によってもたらされる、いわゆる熱ドリフトを引き起こすからである。センサを温度変化にあまり感応させないようにするため、熱変形及び電気抵抗変化が限られた材料を用いて位置センサを実装することができる。しかしながら、温度変化の影響に全く感応しないゲージ装置を得ることはできない。

高精度ゲージ装置及びセンサでは、センサによって与えられる読取値の補償を環境温度に応じて行なうことが知られている。例えば、ＵＳ５６８９４４７Ａ１は、ＬＶＤＴ型、すなわち、「ＬＶＤＴ」（線形可変差動変圧器）誘導トランスデューサを含むゲージヘッド又は位置センサを開示している。この場合、環境温度の影響を考慮に入れるセンサにより与えられる読取値の熱的な補償が行なわれる。ＵＳ６８４４７２０Ｂ１及びＵＳ６９３１７４９Ｂ２は、ＬＶＤＴ型の位置センサの熱的補償の更なる例を開示している。

しかしながら、熱補償係数の値を決定するための既知の方法（例えば、特許ＵＳ５６８９４４７Ａ１に記載されるタイプと同じタイプの方法）は、非常に並外れた概算を伴い、したがって、非常に正確な補償を達成することができない。その結果、既知の方法を、極めて高い精度を必要とするゲージ用途に適用することができない。

米国特許ＵＳ５６８９４４７Ａ１ 米国特許ＵＳ６８４４７２０Ｂ１ 米国特許ＵＳ６９３１７４９Ｂ２

本発明の目的は、ゲージ装置を熱的に補償するための方法及び熱的に補償されるゲージステーションであって、前述した欠点を有さず、容易に且つ安価に実施できる方法及びステーションを提供することである。

本発明によれば、添付の特許請求の範囲に記載される、ゲージ装置を熱的に補償するための方法及び熱的に補償されるゲージステーションが提供される。

ここで、非限定的な一例として与えられる数枚の添付図面を参照して、本発明を説明する。

明確にするために一部の部品が除去された、熱的に補償される位置センサのための較正ステーションの簡略正面図である。 明確にするために一部の部品が除去された、図１の較正ステーションの簡略側面図である。 熱補償係数の値を決定する段階中の図１の較正ステーションに位置される位置センサの温度の時間変化を示すグラフである。 熱補償係数によってとられる値の一例を示す三次元グラフである。

図１において、参照符号１は、全体として、ゲージ装置、例えば、例えば米国特許ＵＳ６９３１７４９Ｂ１に記載されるタイプと同じタイプのＬＶＤＴ（線形可変差動変圧器）型線形トランスデューサを含む位置センサを示している。ゲージ装置又は位置センサ１は、固定部２と、フィーラを支持して固定部に対して移動できる可動要素、より具体的にはスライダ３とを含む。位置センサ１のトランスデューサは、固定部２及び可動要素すなわちスライダ３にそれぞれ接続される巻線及び可動コア（それ自体知られており、したがって、添付図面に示されていない）を含んでおり、強度を変えることができる電圧を有し且つ可動スライダ３の位置に依存する交流電気信号を供給するように適合されている。位置センサ１のトランスデューサの巻線は、参照符号４を伴って図１に概略的に示される電気回路の一部であり、該電気回路は、交流電圧が供給されるとともに、可動スライダ３の位置に応じた可変インダクタンスを有する。

位置センサ１は、結合ケーブルと、トランスデューサとゲージユニット６との間に電気的な接続を形成するために使用される電気コネクタ５とを含み、ゲージユニット６は、位置センサ１のスライダ３の正確な位置を決定するために位置センサ１のトランスデューサによって与えられる読取値を検出するように適合されている。ゲージ装置又は位置センサ１及び対応するゲージユニット６は、全体として見ると、ゲージステーションを形成する。

また、電気コネクタ５は、ゲージユニット６によって読み取ることができるデジタルメモリ７も含む。デジタルメモリ７は、コネクタ５に対して取り外し不能に固定される（すなわち、デジタルメモリがコネクタ５内に分離不可能に組み込まれる）のが好ましい。電気コネクタ５は、位置センサ１に交流供給電圧を供給するための一対の供給端子と、強度を変えることができる電圧を有し且つ可動スライダ３の位置に依存する交流電気信号を供給する一対のアナログ端子と、デジタルメモリ７の内容を読み取るために使用できる一対のデジタル端子とを含む。勿論、３つの端子対は単一のアース端子を共有でき、したがって、ちょうど４つの異なる端子が存在し得る。ここに示されない異なる実施形態によれば、デジタルメモリ７をセンサ１のケーシング又は他の部分に対して取り外し不能に接続でき、及び／又は、デジタルメモリは、ゲージユニット６と通信できるようにするための例えばトランスポンダ技術に基づく無線通信装置を含むことができる。この後者の実施形態では、勿論、デジタル端子を省くことができる。

ゲージユニット６は、位置センサ１の現在の温度Ｔ及び位置センサ１の（すなわち、位置センサ１のスライダ３の位置の）読取値Ｘの両方に応じて熱補償係数Ｋの値を決定するように適合されている。位置センサ１のスライダ３の位置の正確な読取を行なうために、ゲージユニット６は、位置センサ１の読取値Ｘを検出して、位置センサ１の現在の温度Ｔを検出するとともに、熱補償係数Ｋの現在の値を決定して、熱補償係数Ｋの現在の値を適用することにより位置センサ１の読取値Ｘを補償する。熱補償係数Ｋが加法タイプを成すことができ、それにより、熱補償係数を位置センサ１の読取値Ｘに対して代数的に加えることができ、あるいは、熱補償係数が乗法タイプを成すことができ、それにより、位置センサ１の読取値Ｘを熱補償係数に掛け合わせることができることを指摘することは重要である。

好ましい実施形態によれば、ゲージユニット６は、位置センサ１のトランスデューサの電気回路４の現在の電気抵抗に応じて位置センサ１の現在の温度Ｔを検出する。すなわち、ゲージユニット６は、位置センサ１のトランスデューサの電気回路４に対して、電気回路４の現在の電気抵抗の値を決定できるようにし且つ可動スライダ３の位置に応じた強度可変電圧を有する交流電気信号に何ら影響を及ぼさない直流供給電圧を供給する。

デジタルメモリ７は、値の複数の三つ組を含む補償係数Ｋのテーブル９を記憶し、三つ組のそれぞれは、位置センサ１の温度Ｔの決定された値及び位置センサ１の読取値Ｘの決定された値における補償係数Ｋの値を与える。想定し得る実施形態によれば、補償係数Ｋのテーブル９は、値の２０個の決定された三つ組を含み、それぞれの三つ組は、位置センサ１の温度Ｔの４つの異なる値（一般的には、１０℃、２０℃、３０℃、４０℃）のうちの１つと位置センサ１の読取値Ｘの５つの異なる値のうちの１つとに対応する、補償係数Ｋの値を示している。位置センサ１の読取値Ｘの５つの異なる値は、位置センサ１の２つの端部位置と、位置センサ１の中心位置と、位置センサ１の２つの中間位置とに対応しており、中間位置のそれぞれは、位置センサ１の中心位置と位置センサ１のそれぞれの端部位置との間に含まれる。

位置センサ１の現在の温度Ｔがテーブル９中の２つの隣り合う値同士の間に含まれ、及び／又は、位置センサ１の現在の読取値Ｘがテーブル９中の２つの隣り合う値同士の間に含まれる場合には、対応する補償係数Ｋの値を計算するために（例えば、ラグランジュ多項式を使用して）数学的補間演算が行なわれる。

図４のグラフにおいて、テーブル９の値の三つ組は、特定の温度Ｔで位置センサ１の特定の読取値Ｘを熱的に補償するために使用されるべき補償係数Ｋを特定できるようにする表面Ｓの点に対応する。

補償係数Ｋのテーブル９をそれぞれの位置センサ１毎に形成することができる。このようにすると、補償係数が単一の位置センサ１の特定の特徴の全てを考慮に入れるため、テーブル９に含まれる補償係数Ｋの値が更に正確になるが、マイナス面は、各位置センサ１に較正動作を施す必要があるということである。別の方法として、補償係数Ｋのテーブル９を特定の一群の位置センサ１に関して形成することができる。このようにすると、各位置センサ１に特定の較正動作を施す必要がないが、テーブル９に含まれる補償係数Ｋの値は、各位置センサ１の実際の値ではなく、特定の一群の位置センサ１の平均値を示す。

同等な実施形態によれば、デジタルメモリ７は、補償係数Ｋの値の単一の三つ組の値を記憶せず、補償係数Ｋの値の三つ組を補間する関数（例えば、多項式関数）のパラメータの値を記憶する。この関数は、位置センサ１の温度Ｔの値及び位置センサ１の読取値Ｘの両方の関数として補償係数Ｋの値を与えるように適合されている。

以下、補償係数Ｋのテーブル９を形成するための較正動作について説明する。

補償係数Ｋのテーブル９を形成するため、位置センサ１は、環境温度を非常に正確に調整できる気候室の内側に収容される較正ステーション１０内に位置される。較正ステーション１０は、位置センサ１の固定部２がネジ１３により固定される上側要素１２と、位置センサ１のスライダ３と協働する下側要素１４とを備える、Ｃ形状ロック装置１１を含む。特に、下側要素１４は、ネジ付き貫通穴１６を通じて捩じ込まれ且つ位置センサ１のスライダ３の自由端が当接する当接部を形成する、ネジ１５を含む。ネジ１５を穴１６に捩じ込んだり緩めたりすることにより、ネジ１５の軸方向位置が変化し、したがって、位置センサ１のスライダ３と固定部２との間の相対的な位置も変化する。

なお、ネジ１５は、位置センサ１（すなわち、位置センサ１のスライダ３）を所望の較正位置でロックできる。

位置センサ１がそれぞれの所定の較正位置で較正ステーション１０内に位置されると、補償係数Ｋのテーブル９の値の三つ組中に挿入される位置センサ１の読取値Ｘが検出される。より具体的には、位置センサ１（すなわち、位置センサ１のスライダ３）は、位置センサ１の読取値Ｘによって特定されるそれぞれの所定の較正位置に位置されてロックされる。位置センサ１をそれぞれの所定の較正位置に正確に位置させて（これは、ミクロン程度の精度が必要とされるため、非常に困難な動作である）ロックする必要はなく、位置センサ１を所定の較正位置の近傍に位置させてロックさせれば十分である。このため、位置センサ１が所定の較正位置に位置されてロックされると、実際の較正位置（所定の較正位置の近傍にあるが、実に稀で偶発的なケースでは所定の較正位置に正確に対応する）を決定するために−以下で更に詳しく説明されるように−位置センサ１の対応する読取値Ｘがその後に既知の所定の基準温度Ｔ_refで検出される。

位置センサ１（すなわち、位置センサ１のスライダ３）が所定の較正位置のうちの１つに位置されてロックされると、まず最初に、位置センサ１の対応する読取値Ｘが位置センサ１の温度Ｔ_refで検出される。すなわち、位置センサ１の温度Ｔ（つまり、較正ステーション１０を収容する気候室の内部温度）が既に前述した基準温度Ｔ_refに等しくなるように調整され、また、位置センサ１の現在の温度Ｔが基準温度Ｔ_refに等しく定常状態であるときには、位置センサ１の読取値Ｘが基準温度Ｔ_refで検出される。その後、位置センサ１の現在の温度Ｔが定常状態で全ての設定値（一般的には、１０℃、２０℃、３０℃、４０℃）をとるように位置センサ１の温度Ｔ（較正ステーション１０を収容する気候室の内部温度を意味する）が段階的に変えられる。

図３は、較正ステーション１０内に位置される位置センサ１の現在の温度の段階的な時間変化の一例を示すグラフである。位置センサ１の現在の温度Ｔのそれぞれの値は、位置センサ１の全ての構成要素を熱的に安定させることができるように３時間にわたって維持されるのが好ましい。位置センサ１の現在の温度Ｔの各段階では、位置センサ１の現在の温度Ｔが定常状態にあると、位置センサ１の読取値Ｘの値が検出されるとともに、この読取値Ｘの値と基準温度Ｔ_refでの位置センサ１の読取値Ｘとを比較することにより、補償係数Ｋの値が決定される。このようにして、値の対応する三つ組を形成するために、位置センサ１の温度Ｔ、読取値Ｘ、及び、補償係数Ｋの３つの値が決定される。より具体的には、値の三つ組は、位置センサ１の現在の温度Ｔの段階の最後に、すなわち、位置センサ１の全ての構成要素が熱的に安定したときに決定される。本発明の好ましい実施形態によれば、係数Ｋが加法タイプであり、係数Ｋが数学的符号を有する（係数がプラス又はマイナスの値となり得ることを意味する）とともに、係数Ｋは、位置センサ１の現在の温度での読取値Ｘと位置センサ１の基準温度Ｔ_refでの読取値Ｘとの間の差として計算される。

位置センサ１の現在の温度の段階的な時間変化が終了すると、位置センサ１（すなわち、位置センサ１のスライダ３）は、全ての所定の較正位置が達成されるまで、基準温度Ｔ_refでの位置センサ１の新たな読取値Ｘにより検出される新たな所定の較正位置に位置される。図３のグラフに詳しく示される好ましい実施形態によれば、位置センサ１（すなわち、位置センサ１のスライダ３）が較正位置に位置されると、位置センサ１は、位置センサ１の温度Ｔが設定最小値と設定最大値との間（１０℃〜４０℃を意味する）で変化するように温度安定サイクルに晒される。前記温度安定サイクルの目的は、位置センサ１の構成要素の全ての機械的ヒステリシスの安定化を可能にすることである。

また、好ましい実施形態によれば、位置センサ１の現在の温度Ｔは、位置センサ１のトランスデューサの電気回路４の現在の電気抵抗に応じて検出される。より具体的には、位置センサ１のトランスデューサの電気回路４には、電気回路４の構成要素の現在の電気抵抗の値を決定できるようにする連続供給電圧が供給される。この電圧は、可動スライダ３の位置に応じて変化し得る強度の電圧を有する交流電気信号に何ら影響を及ぼさない。なお、位置センサ１の現在の温度Ｔは、補償係数Ｋのテーブル９を形成するための較正動作中及び位置センサ１の実際の作動中の両方において、位置センサ１のトランスデューサの電気回路４の現在の電気抵抗に応じて検出される。このようにして、位置センサ１の現在の温度Ｔを検出するために同じ方法及び同じ構成要素を使用することにより、位置センサ１の現在の温度Ｔの検出中にもたらされる想定し得るシステマチックな誤差が、補償係数Ｋの生成中及び補償係数Ｋの使用中の両方において同様に繰り返し、したがって、それらが適切な熱補償処理に影響を与えない。

異なる実施形態によれば、位置センサ１の現在の温度Ｔは、電気回路４とは別個の独立した温度センサ（例えば、サーミスタ又は熱電対）であって、位置センサ１の固定部２に対して固定され得る温度センサにより検出することができる。

前述した例において、ゲージ装置は、軸方向に移動できるスライダ３により支持されるフィーラを有するとともに、ＬＶＤＴ型の誘導線形トランスデューサを含む位置センサ１である。本発明の想定し得る別の実施形態によれば、ゲージ装置は、異なる機械的特徴を有することができ、及び／又は、異なる種類の誘導線形トランスデューサ（例えば、「ハーフブリッジ」又はＨＢＴトランスデューサ）又は非誘導線形トランスデューサを含むことができる。想定し得る機械的な別の手段として、前述した特許ＵＳ５６８９４４７のゲージヘッドに実質的に示されるように、フィーラを、固定部に対して支点を中心に回動するように適合されている可動要素によって支持することができる。

前述した補償方法は、容易に且つ安価に実施できるため、多くの利点を与えるとともに、とりわけ、極めて高い精度を必要とするゲージ用途に適用することもできる非常に正確な補償を得ることができる。

Claims (16)

1. 較正動作の過程で、ゲージ装置（１）の温度（Ｔ）の変化時に熱補償係数（Ｋ）の値を決定して記憶するステップと、
   ゲージ動作の過程で、ゲージ装置（１）の現在の読取値（Ｘ）を検出するステップと、
   ゲージ動作の過程で、ゲージ装置（１）の現在の温度（Ｔ）を検出するステップと、
   ゲージ動作の過程で、較正動作の過程で既に決定されて記憶された熱補償係数（Ｋ）の前記値を用いて熱補償係数（Ｋ）の現在の値を決定するステップと、
   ゲージ動作の過程で、熱補償係数（Ｋ）の現在の値を用いてゲージ装置（１）の現在の読取値（Ｘ）を補正するステップと、
   を含む、ゲージ装置（１）を熱的に補償するための方法であって、
   ゲージ動作の過程で、ゲージ装置（１）の現在の温度（Ｔ）とゲージ装置（１）の現在の読取値（Ｘ）とに応じて、熱補償係数（Ｋ）の現在の値を決定する更なるステップを含むことを特徴とする、方法。
2. 較正動作の過程で、値の複数の三つ組を含む熱補償係数（Ｋ）の値のテーブル（９）を形成する更なるステップを含み、値の前記三つ組のそれぞれは、ゲージ装置（１）の温度（Ｔ）の決定された値及びゲージ装置（１）の読取値（Ｘ）の決定された値における補償係数（Ｋ）の値を与える、請求項１に記載の方法。
3. 較正動作の過程で補償係数（Ｋ）の値のテーブル（９）を形成するステップは、
   ゲージ装置（１）の温度の制御された変化を引き起こす更なるステップと、
   ゲージ装置（１）が所定の較正位置に配置されるときに、所定の温度（Ｔ）での基準温度（Ｔ_ref）に対するゲージ装置（１）の読取値（Ｘ）の変化を検出する更なるステップと、
   ゲージ装置（１）の読取値（Ｘ）の検出された変化のそれぞれを使用して、ゲージ装置（１）の対応する読取値（Ｘ）とゲージ装置（１）の対応する温度（Ｔ）とに関連付けられる熱補償係数（Ｋ）の値を得る更なるステップと、
   を含む、請求項２に記載の方法。
4. 基準温度（Ｔ_ref）でのゲージ装置（１）の読取値（Ｘ）に基づいてゲージ装置（１）の所定の較正位置を規定する更なるステップを含む、請求項３に記載の補償方法。
5. 補償係数（Ｋ）の値のテーブル（９）をゲージ装置（１）のデジタルメモリ（７）内に記憶する更なるステップを含む、請求項２、３、又は、４に記載の方法。
6. 補償係数（Ｋ）の値のテーブル（９）を備えるデジタルメモリ（７）をゲージ装置（１）の電気コネクタ（５）内に配置する更なるステップを含む、請求項５に記載の方法。
7. ゲージ動作の過程で、ゲージ装置（１）の現在の温度（Ｔ）が前記テーブル（９）中の２つの隣り合う値同士の間に含まれ、及び／又は、ゲージ装置（１）の現在の読取値（Ｘ）が前記テーブル（９）中の２つの隣り合う値同士の間に含まれるときに、補償係数（Ｋ）の現在の値を計算するために数学的補間演算を行なう更なるステップを含む、請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の方法。
8. 較正動作の過程で補償係数（Ｋ）の値のテーブル（９）を形成するステップは、
   少なくとも２つの所定の較正位置を規定する更なるステップと、
   所定の較正位置のそれぞれにゲージ装置（１）を配置してロックする更なるステップと、
   ゲージ装置（１）の現在の温度（Ｔ）が定常状態で全ての設定値をとるようにゲージ装置（１）の温度（Ｔ）を段階的に変える更なるステップと、
   ゲージ装置（１）の温度（Ｔ）が定常状態にあるときに、ゲージ装置（１）の現在の温度（Ｔ）の値、ゲージ装置（１）の現在の読取値（Ｘ）の値、及び、補償係数（Ｋ）の値を決定して、値の対応する三つ組を生成する更なるステップと、
   を含む、請求項２から請求項７のいずれか一項に記載の方法。
9. 較正動作の過程で補償係数（Ｋ）の値のテーブル（９）を形成するステップは、ゲージ装置（１）が前記所定の較正位置のうちの１つに配置されると、ゲージ装置（１）の温度（Ｔ）が設定最小値と設定最大値との間で変化される温度安定サイクルに対してゲージ装置（１）を晒す更なるステップを含む、請求項８に記載の方法。
10. トランスデューサを含むゲージ装置（１）において、較正動作の過程でゲージ装置（１）の現在の温度（Ｔ）の値を決定するステップは、
    ゲージ装置（１）のトランスデューサの電気回路（４）の現在の電気抵抗を決定する更なるステップと、
    ゲージ装置（１）のトランスデューサの電気回路（４）の現在の電気抵抗に応じてゲージ装置（１）の現在の温度（Ｔ）の前記値を決定する更なるステップと、
    を含む、請求項８又は請求項９に記載の方法。
11. ゲージ動作の過程でゲージ装置（１）の現在の温度（Ｔ）を検出するステップは、
    ゲージ装置（１）のトランスデューサの電気回路（４）の現在の電気抵抗を決定する更なるステップと、
    ゲージ装置（１）のトランスデューサの電気回路（４）の現在の電気抵抗に応じてゲージ装置（１）の前記現在の温度（Ｔ）を決定する更なるステップと、
    を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 固定部（２）と、可動要素（３）と、可動要素（３）の位置に応じて電気信号を供給するように適合されているトランスデューサとを有するゲージ装置（１）と、
    ゲージ動作の過程で、ゲージ装置（１）の現在の読取値（Ｘ）と、ゲージ装置（１）の現在の温度（Ｔ）とを検出して、ゲージ動作の過程で、較正動作の過程において既に決定されて記憶された熱補償係数（Ｋ）の値を利用することにより熱補償係数（Ｋ）の現在の値を決定し、及び、ゲージ動作の過程で、熱補償係数（Ｋ）の現在の値により、ゲージ装置（１）の現在の読取値（Ｘ）を補正するためのゲージユニット（６）と、
    を備える、熱的に補償されるゲージステーションであって、
    ゲージユニット（６）は、ゲージ動作の過程で、ゲージ装置（１）の現在の温度（Ｔ）とゲージ装置（１）の現在の読取値（Ｘ）とに応じて熱補償係数（Ｋ）の現在の値を決定することを特徴とする、熱的に補償されるゲージステーション。
13. 値の複数の三つ組を含む補償係数（Ｋ）の値のテーブル（９）を記憶するデジタルメモリ（７）を更に含み、前記三つ組のそれぞれは、ゲージ装置（１）の温度（Ｔ）の決定された値及びゲージ装置（１）の読取値（Ｘ）の決定された値における補償係数（Ｋ）の値を与える、請求項１２に記載のゲージステーション。
14. 前記デジタルメモリ（７）がゲージ装置（１）の電気コネクタ（５）内に配置される、請求項１３に記載のゲージステーション。
15. ゲージユニット（６）は、ゲージ動作の過程で、ゲージ装置（１）のトランスデューサの電気回路（４）の現在の電気抵抗に応じてゲージ装置（１）の現在の温度（Ｔ）を決定する、請求項１２、１３、又は、１４に記載のゲージステーション。
16. ゲージ装置（１）の前記可動要素は、固定部（２）に対して軸方向に移動できるスライダ（３）である、請求項１２から請求項１５のいずれか一項に記載のゲージステーション。

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