JP5578047B2

JP5578047B2 - 温度監視装置及び温度監視システム

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Publication number: JP5578047B2
Application number: JP2010260218A
Authority: JP
Inventors: 直樹神村
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2030-11-22
Also published as: JP2012112710A

Description

本発明は、温度監視装置及び温度監視システムに関する。

電池で駆動する無線端末を工場等の設備に設置し、各設備の運転状況を各無線端末から管理装置に送信する無線送受信システムが下記特許文献１に開示されている。この無線送受信システムにおける各無線端末は、設備の運転状況などを検出する各センサが設けられており、電池の電力を用いて各センサの検出結果を無線で送信する。無線端末は、無線端末に設けられた発電素子に発生された電力を電池に充電する。

特開２００５−１９１９８６号公報

上記の無線端末は発電素子によって発生された電力で電池を充電することができるが、各種センサの検出結果を送信するために十分な電力量が必要となる。また、別途センサを設けることで端末の回路構成が複雑になり、端末を小型化することができない。
本発明は、装置の小型化を図ると共に監視対象物の温度状態を効率的に出力することができる技術を提供する。

本発明の請求項１に係る温度監視装置は、監視対象物の熱が伝導される位置に設けられ、当該監視対象物の熱に応じた電力を発生させる熱電素子と、前記熱電素子の出力電圧を昇圧する昇圧手段と、前記昇圧手段から出力される電力を充電して放電する充放電手段と、前記充放電手段から放電される電力を駆動電力として用い、前記監視対象物の熱による前記熱電素子の状態に応じた温度情報を生成する生成手段と、前記充放電手段から放電される電力を駆動電力として用い、前記生成手段で生成された前記温度情報を外部に出力する信号形式に変換して出力する出力手段とを備え、前記充放電手段の出力端電圧が所定値以上である場合に、前記生成手段が生成した前記温度情報を前記出力手段が出力し、前記出力端電圧が前記所定値未満である場合に、前記生成手段による前記温度情報の生成と前記出力手段による前記温度情報の出力とを停止することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る温度監視装置は、上記温度監視装置において、前記生成手段は、前記熱電素子の出力電圧に基づいて前記温度情報を生成することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る温度監視装置は、上記温度監視装置において、前記充放電手段から放電される電力を駆動電力として用い、前記熱電素子の抵抗値を検出する検出手段を備え、前記生成手段は、前記検出手段で検出された抵抗値に基づいて前記温度情報を生成することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る温度監視装置は、上記温度監視装置において、前記充放電手段の出力端電圧が前記所定値以上である場合に、前記生成手段による前記温度情報の生成と前記出力手段による前記温度情報の出力とを一定時間間隔で繰り返し、前記生成手段による前記温度情報の生成と前記出力手段による前記温度情報の出力とを行わない期間の自装置の消費電力を低下させることを特徴とする。

また、本発明の請求項５に係る温度監視システムは、監視対象物の熱が伝導される位置に設けられ、当該監視対象物の熱に応じた電力を発生させる熱電素子と、前記熱電素子の出力電圧を昇圧する昇圧手段と、前記昇圧手段から出力される電力を充電して放電する充放電手段と、前記充放電手段から放電される電力を駆動電力として用い、前記監視対象物の熱により前記熱電素子から発生された電力に関する監視情報を生成する生成手段と、前記充放電手段から放電される電力を駆動電力として用い、前記生成手段で生成された前記監視情報を外部に出力する信号形式に変換して送信する送信手段とを有する送信装置と、
前記送信装置から送信された前記監視情報を受信する受信手段と、前記監視対象物の温度と前記熱電素子から発生される電力との関係を予め定義した温度変換情報を記憶する記憶手段と、前記受信手段が受信した前記監視情報と前記記憶手段に記憶された前記温度変換情報とに基づいて、前記監視対象物の温度を特定する特定手段と、前記特定手段が特定した温度を出力する出力手段とを有する受信装置とを備え、前記充放電手段の出力端電圧が所定値以上である場合に、前記生成手段が生成した前記監視情報を前記送信手段が送信し、前記出力端電圧が前記所定値未満である場合に、前記生成手段による前記監視情報の生成と前記送信手段による前記監視情報の送信とを停止することを特徴とする。

請求項１に記載の構成によれば、監視対象物の温度を検出するためのセンサを別途設ける必要がなく、監視対象物の温度情報を効率的に出力することができる。

請求項２に記載の構成によれば、監視対象物の熱による熱電素子の出力電圧に基づいて監視対象物の温度情報を出力することができる。

請求項３に記載の構成によれば、監視対象物の熱による熱電素子の抵抗値に基づいて監視対象物の温度情報を出力することができる。

請求項５に記載の構成によれば、監視対象物の温度を検出するためのセンサを別途設ける必要がなく、監視対象物の温度を効率よく検出して出力することが可能になる。

実施形態に係る温度監視装置の構成例を示す図である。実施形態に係る制御回路の構成例を示す図である。実施形態の温度情報出力処理を説明する図である。

（概要）
本実施形態に係る温度監視装置は、例えば、工場等に設置されたパイプ内を流れる液体の温度によってパイプに伝導された熱を電気に変換して充電すると共に、充電された電力を用いてパイプ等の温度を無線で外部へ出力するものである。以下、本実施形態に係る温度監視装置の詳細について説明する。

（構成）
図１は、本実施形態に係る温度監視装置の構成を表す図である。図１に示すように、温度監視装置１は、熱電素子１０、昇圧回路１１、キャパシタ１２、及びアンテナ１４を有する制御回路１３を有する。

熱電素子１０は、異種の金属又は半導体の両端を接合し、接合点に温度差が生じると電力を発生するペルチェ素子やゼーベック素子などの熱電素子である。熱電素子１０は、工場内のパイプなど、温度を監視すべき対象物（以下、監視対象物と言う）の熱が伝導されるように設けられる。例えば、パイプに熱電素子１０を設置する場合、熱電素子１０の吸熱側をパイプの表面と接触させ、放熱側はパイプに接触しないようパイプから離間して設置する。熱電素子１０は、パイプ表面の温度とパイプが設置された空間の温度との温度差に応じた起電力を発生する。

昇圧回路１１は、例えばチャージポンプ回路等で構成され、熱電素子１０から出力された電圧を所定の電圧まで昇圧する。キャパシタ１２（充放電手段）は、昇圧回路１１で昇圧された出力電圧に応じた電荷を蓄積する。キャパシタ１２で蓄積された電荷は放電によって制御回路１３で利用される。

制御回路１３は、キャパシタ１２の出力端の電圧値が制御回路１３が駆動可能な所定値以上となったときに起動し、所定値を下回ると停止する。制御回路１３は、熱電素子１０の状態、つまり、熱電素子１０の出力電圧に応じた温度情報をアンテナ１４から送信する。ここで、制御回路１３の構成について図２を用いて説明する。なお、図２において昇圧回路１１は省略する。

図２に示すように、制御回路１３は、熱電素子１０から発生される電圧信号を増幅する増幅回路１３１、電圧信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路１３２、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１３３、送信回路１３４、及び、図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）のメモリを含む。ＣＰＵ１３３は、ＲＡＭをワーキングエリアとして、ＲＯＭ（図示略）に記憶された制御プログラムを実行することにより、各部を制御して監視対象物の温度を外部へ出力する出力処理を行う。

具体的には、ＣＰＵ１３３は、制御プログラムを実行することにより、電圧値を温度に変換するための予め設定された第１演算式を用い、熱電素子１０から出力された電圧信号をＡ／Ｄ変換した電圧値に対応する温度情報を生成する生成部１３３ａとしての機能を有する。また、ＣＰＵ１３３は、生成された温度情報を補正するための予め設定された第２演算式（補正情報）を用いて温度情報を補正する補正部１３３ｂとしての機能とを有する。この第２演算式は、例えば、熱電素子１０が設けられる監視対象物の種類や材料、又は監視対象物や熱電素子１０の設置環境など、監視対象物の温度監視条件に応じて定められ、本実施形態では、温度監視条件に応じて熱電素子１０からの出力電圧と温度とを予め計測した結果に基づいて設定された演算式である。ＣＰＵ１３３は、熱電素子１０の出力電圧と温度情報の温度とを第２演算式に代入して温度情報を補正する。また、ＣＰＵ１３３は、補正された温度情報を送信回路１３４から一定時間毎に出力する出力部１３３ｃとしての機能を有する。
送信回路１３４は、ＣＰＵ１３３の制御の下、アンテナ１４を介して、ＣＰＵ１３３から出力された温度情報を送信する。

（動作）
監視対象物の熱が熱電素子１０に伝導すると、熱電素子１０は熱に応じた電力を発生する。昇圧回路１１は、熱電素子１０の出力電圧を所定の電圧まで昇圧し、キャパシタ１２は、昇圧回路１１の出力電圧に応じた電荷を蓄積する。

キャパシタ１２の出力端電圧が制御回路１３の駆動可能な電圧になると制御回路１３は起動する。制御回路１３は、熱電素子１０から発生された電力の電圧信号を増幅回路１３１において増幅すると共に、Ａ／Ｄ変換回路１３２において増幅された電圧信号をＡ／Ｄ変換する。

制御回路１３のＣＰＵ１３３は、Ａ／Ｄ変換された電圧値を第１演算式に代入して当該電圧値を温度に変換して温度情報を生成すると共に、第２演算式に当該温度情報の温度と電圧値とを代入して温度情報を補正する。ＣＰＵ１３３は、補正後の温度情報を無線で送信するための信号形式に変換して一定時間毎に送信回路１３４に出力し、送信回路１３４からアンテナ１４を介して当該温度情報を送信する。

例えば、図３に示すようにキャパシタ１２における出力端電圧が変化している場合、制御回路１３は、キャパシタ１２の出力端電圧が制御回路１３が駆動可能な電圧値Ｖｔｈとなるｔ１のタイミングで起動する。制御回路１３は、ｔ１〜ｔ２までの間、熱電素子１０から出力される電圧信号から温度情報を生成し、一定時間間隔（例えば、１０秒間隔）で温度情報を送信する。
図３の例では、キャパシタ１２の出力端電圧はタイミングｔ２の後、Ｖｔｈ未満となる。制御回路１３は、電圧値がＶｔｈ未満となるタイミングで停止する。そして、キャパシタ１２の出力端電圧が再びＶｔｈ以上となるｔ３のタイミングで制御回路１３は起動する。制御回路１３は、ｔ３〜ｔ４までの間、熱電素子１０が発する電力の電圧から温度情報を生成し、一定時間間隔で温度情報を送信する。また、熱電素子１０の状態として、熱電素子１０の抵抗値を検出することにより温度情報を生成することもできる。その場合、制御回路１３は微弱な定電流を印加して電圧値と電流値から抵抗値を検出し、検出した抵抗値を温度情報として出力してもよい。また、制御回路１３は、検出した抵抗値を温度に変換する予め設定された演算式や変換テーブルを用いて抵抗値に対応する温度を特定し、特定した温度を温度情報として出力するようにしてもよい。

上記実施形態では、監視対象物に熱電素子１０を設置することにより、監視対象物の温度に応じて蓄電し、その電力を用いて監視対象物の温度を外部に送信することができる。そのため、監視対象物の温度を測定するためのセンサや電池等の交換が不要となり、温度を測定することが困難な場所に監視対象物が設けられている場合や、監視対象物が多数ある場合などにおいて、安全且つ効率的に監視対象物の温度を監視することができる。また、電圧値から変換した温度は、監視対象物や監視対象物の設置環境に応じた補正情報に基づいて補正されるので、監視対象物のより的確な温度を得ることができる。また、温度情報が一定時間毎に外部に送信されるので、温度情報を送信するための電力を節電することができる。なお、上記実施形態において、温度情報を送信する毎に制御回路１３を停止し、送信後一定時間が経過したときに制御回路１３を起動して温度情報を生成して送信してもよい。つまり、制御回路１３を間欠的に駆動させるようにしてもよい。このようにすれば、キャパシタ１２の電力をより節電することができる。この場合、制御回路１３は一定時間を計測するためのタイマー回路を有し、動作停止中はタイマー回路だけが給電を受けて計時する。タイマー回路の消費電力は微小にすることができるので、消費電力の大幅な低減が得られる。

＜変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、以下の変形例も含まれる。

（１）上述した実施形態では温度監視装置１について説明したが、温度監視装置１（送信装置）と、温度監視装置１と有線又は無線により接続されたパソコン等の受信装置とを有する温度監視システムとして構成してもよい。この場合、温度監視装置１は、熱電素子１０から出力された電圧値や抵抗値等を監視情報として生成し、受信装置に対して監視情報を送信する。受信装置は、温度監視装置１から送信された監視情報を受信し、受信した監視情報から監視対象物の温度を求める。受信装置は、例えば、熱電素子１０から発せられた電力の電圧値を監視情報として受信した場合、上記第１演算式を用い、監視情報の電圧値に対応する温度を特定する。さらに、受信装置は、第１演算式で求めた温度と監視情報の電圧値とを、監視対象物の温度監視条件に応じた第２演算式に代入して当該温度を補正する。なお、温度監視装置１は、実施形態と同様に、上記第１演算式を用いて電圧値を温度に変換した温度情報を監視情報として受信装置に送信してもよい。この場合は、受信装置において、実施形態と同様に、第２演算式を用いて監視情報の温度を補正するようにしてもよい。

（２）上述した実施形態及び変形例（１）では、第１演算式を用いて電圧値を温度に変換し、第１演算式で求めた温度を第２演算式を用いて補正する例を説明したが、熱電素子１０が発生させた電力の電圧値から監視対象物の温度を求める方法はこれに限らない。例えば、第１演算式と第２演算式とを組合わせた演算式、つまり、監視対象物の温度監視条件に応じて定めた熱電素子１０から発生した電力を温度に変換するための演算式を用いて温度を求めるようにしてもよい。また、演算式ではなく、電力と温度との対応関係を定義したテーブルを予め温度監視装置１又は受信装置において記憶し、温度監視装置１又は受信装置は、テーブルに基づいて温度を特定するようにしてもよい。

（３）上述した実施形態では、予め一つの補正情報が設定されている例であるが、例えば、監視対象物の材質や使用環境に応じた複数の補正情報のいずれかを温度監視装置１においてユーザが選択できるように構成してもよい。この場合、例えば、温度監視装置１に複数の補正情報を記憶させておくと共に、補正情報を選択するための操作部を設ける。ユーザは、温度監視装置１を監視対象物に設定する前に、監視対象物に応じた補正情報を選択する。制御回路１３は、起動した際に選択されている補正情報を読み出し、当該補正情報に基づいて熱電素子１０から出力した電圧信号に基づく温度を補正する。また、変形例（１）の場合には、受信装置に複数の補正情報を記憶させておき、温度監視装置１が設置されている環境や温度監視装置１が監視する監視対象物に応じて、ユーザが補正情報を選択する。受信装置は、選択された補正情報を用いて、温度監視装置１から受信した温度情報を補正する。

（４）上述した実施形態では、熱電素子１０を用いて、監視対象物の温度情報を出力する例を説明したが、例えば、監視対象物の位置、姿勢、圧力、湿度、ひずみなどの温度以外の情報を検出するセンサを設け、各センサの出力値を温度情報と共に外部に送信するようにしてもよい。

（５）上述した実施形態では、温度情報を一定時間毎に外部に送信する例を説明したが、温度情報の送信は一定時間毎でなくてもよいし、温度情報の送信を行っていない間に、熱電素子１０の温度情報を生成して送信するようにしてもよい。

（６）上述した実施形態では、昇圧回路１１は、熱電素子１０とキャパシタ１２の間に設ける例を説明したが、熱電素子１０から発生された電力をキャパシタ１２に充電し、キャパシタ１２の出力電圧を昇圧回路１１で昇圧して制御回路１３に出力するようにしてもよい。

１…温度監視装置、１０…熱電素子、１１…昇圧回路、１２…キャパシタ、１３…制御回路、１４…アンテナ、１３１…増幅回路、１３２…Ａ／Ｄ変換回路、１３３…ＣＰＵ、１３３ａ…生成部、１３３ｂ…補正部、１３３ｃ…出力部、１３４…送信回路

Claims

監視対象物の熱が伝導される位置に設けられ、当該監視対象物の熱に応じた電力を発生させる熱電素子と、
前記熱電素子の出力電圧を昇圧する昇圧手段と、
前記昇圧手段から出力される電力を充電して放電する充放電手段と、
前記充放電手段から放電される電力を駆動電力として用い、前記監視対象物の熱による前記熱電素子の状態に応じた温度情報を生成する生成手段と、
前記充放電手段から放電される電力を駆動電力として用い、前記生成手段で生成された前記温度情報を外部に出力する信号形式に変換して出力する出力手段と
を備え、
前記充放電手段の出力端電圧が所定値以上である場合に、前記生成手段が生成した前記温度情報を前記出力手段が出力し、前記出力端電圧が前記所定値未満である場合に、前記生成手段による前記温度情報の生成と前記出力手段による前記温度情報の出力とを停止する
ことを特徴とする温度監視装置。
前記生成手段は、前記熱電素子の出力電圧に基づいて前記温度情報を生成することを特徴とする請求項１に記載の温度監視装置。
前記充放電手段から放電される電力を駆動電力として用い、前記熱電素子の抵抗値を検出する検出手段を備え、
前記生成手段は、前記検出手段で検出された抵抗値に基づいて前記温度情報を生成することを特徴とする請求項１に記載の温度監視装置。
前記充放電手段の出力端電圧が前記所定値以上である場合に、前記生成手段による前記温度情報の生成と前記出力手段による前記温度情報の出力とを一定時間間隔で繰り返し、前記生成手段による前記温度情報の生成と前記出力手段による前記温度情報の出力とを行わない期間の自装置の消費電力を低下させる
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の温度監視装置。
監視対象物の熱が伝導される位置に設けられ、当該監視対象物の熱に応じた電力を発生させる熱電素子と、
前記熱電素子の出力電圧を昇圧する昇圧手段と、
前記昇圧手段から出力される電力を充電して放電する充放電手段と、
前記充放電手段から放電される電力を駆動電力として用い、前記監視対象物の熱により前記熱電素子から発生された電力に関する監視情報を生成する生成手段と、
前記充放電手段から放電される電力を駆動電力として用い、前記生成手段で生成された前記監視情報を外部に出力する信号形式に変換して送信する送信手段とを有する送信装置と、
前記送信装置から送信された前記監視情報を受信する受信手段と、
前記監視対象物の温度と前記熱電素子から発生される電力との関係を予め定義した温度変換情報を記憶する記憶手段と、
前記受信手段が受信した前記監視情報と前記記憶手段に記憶された前記温度変換情報とに基づいて、前記監視対象物の温度を特定する特定手段と、
前記特定手段が特定した温度を出力する出力手段とを有する受信装置と
を備え、
前記充放電手段の出力端電圧が所定値以上である場合に、前記生成手段が生成した前記監視情報を前記送信手段が送信し、前記出力端電圧が前記所定値未満である場合に、前記生成手段による前記監視情報の生成と前記送信手段による前記監視情報の送信とを停止する
ことを特徴とする温度監視システム。