JP2007192629A - ヒータ制御回路及び熱伝導率測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータに加えるエネルギーを必要最小限にして熱的ストレスや電気的ストレスを低減しヒータの劣化を防止するとともに、計測時間を短縮してヒータを所定の温度に制御するヒータ制御回路等を提供する。
【解決手段】ヒータ制御回路は、発熱温度により抵抗値が変化するヒータ１１、ヒータ１１が所定温度を示す抵抗値と等価な抵抗値を持つ固定抵抗１２、これらの抵抗へ電流を流すランプ電流源１４、これらの抵抗に生じる電圧を比較するコンパレータ１３を具備する。そして、ランプ電流源１４は、同等のランプ電流を同一のタイミングで上記抵抗へ通電し、コンパレータ１３は両抵抗に発生した電圧が等しくなる点を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒータ制御回路及び熱伝導率測定装置に関し、特にヒータを発熱させて、ヒータから奪われる熱量や移動する熱量を計測することで、気体や液体の熱伝導率や流量を測定する技術分野に関するものである。

従来から、気体や液体の熱伝導率を測定することによって特定物質濃度を計測する湿度計測器、ガス濃度計測器、液体濃度計測器等が知られ、また測定された熱伝導率を用いて気体や液体の流れを計測する流速計やその計測値から流量を計測する流量計測器が知られている。

熱伝導率は、等方性物体内の所定断面の上下面を通り法線方向に単位時間に流れる熱量が法線方向の温度傾斜と断面積に比例する定数である。例えば、熱伝導率が気体分子量に関係することに着目し、気体の熱伝導率の違いを利用した湿度計においては、加熱された発熱抵抗体から雰囲気中に放熱される放熱量の差によって生ずる発熱抵抗体の抵抗値変化量から湿度を求める。

また、例えば感熱式の流速計においては、発熱抵抗体の上流と下流に測温抵抗体を配置し、発熱抵抗体を流体より一定温度だけ高温に発熱させた状態で上流と下流の測温抵抗体により流体の温度をそれぞれ測定し、この温度差、すなわち上流から下流へ移動した熱量により流体の流速を求める。

このように、発熱抵抗体であるヒータを発熱させて、ヒータから奪われる熱量や移動する熱量を計測することにより、気体等の熱伝導率や流れを測定することができ、その技術に関して多くの技術が開示されている。

例えば、特許文献１では、ヒータを発熱させて、ヒータから移動する熱量を計測することで、気体の流れを計測する流量計測装置のヒータ制御方法に関し、特にヒータ温度を周囲気体温度に対して、一定温度高い温度に制御するヒータ制御方式に関する発明で、ヒータが経年劣化し抵抗値が変化した場合においても、ヒータに加わるエネルギー（ワッテージ）を一定に制御することで、常に周囲温度に対してヒータ発熱温度を一定温度高くする手段について開示されている。

また、例えば特許文献２では、雰囲気の熱伝導率を計測する雰囲気計のヒータ駆動方法で、雰囲気の熱伝導率を計測する装置の中で、特に大気中の水分量（湿度）を計測する方法に関する発明で、ヒータを発熱させるのに、三角波の電流を用いて発熱のピーク温度で周囲気体の熱伝導率を計測することで、ヒータに加わるエネルギーを小さくする方法が提案されている。

また、例えば特許文献３では、ヒータの抵抗値がヒータ温度を示す特性を利用して、ホイートストンブリッチ等を用いてヒータを一定温度で発熱させて周囲気体に奪われる熱量から湿度を計測する方法に関し、特に温度補償方法に関する発明で、ヒータの発熱温度を高温と低温に切り換えられるようにして、低温時にヒータに生じる電圧と高温時にヒータに生じる電圧との差をとることで温度補償を行う方法が開示されている。

また、例えば特許文献４や特許文献５では、気体や液体の熱伝導率の温度依存性を利用し、気体や液体の成分を特定して濃度を計測する技術が提案されている。特許文献４では、周囲温度が変化しても一定温度になるようにヒータを制御して、発熱に要したエネルギーから周囲雰囲気の熱伝導率を計測するガス分析方法が提案されており、発熱させる温度を多段階に変化させて、各温度における周囲気体の熱伝導率の違いから、気体の成分を特定し濃度を計測している。また、特許文献５では、液体、特に液化天然ガス中の成分を検出する方法に関して述べられており、その制御は、ホイートストンブリッチの構成で、ブリッチの抵抗バランスをスイッチによって変えることで、ヒータ発熱温度を切り換える方法を用いている。
特開平９−３０６６３７号公報 特許第２８８９９０９号公報 特許第３５３７５９５号公報 特開平８−５０１０９号公報 特表２００２−５４３３８５号公報

特許文献１の発明は、ヒータが経年劣化してもヒータの発熱温度を周囲温度に対して一定温度高い温度に保つヒータ制御手段に関して述べられているが、ヒータの劣化を防ぐものではなく限度がある。

また、特許文献２の発明は、三角波の電流を用いてヒータを発熱させ、発熱のピーク温度で周囲気体の熱伝導率を計測する方法であるが、この方法は、ヒータへの通電開始から終了までの時間を固定することでヒータに加える電流の最大値を固定としているためヒータの発熱温度が周囲温度によって変動することになる。このような計測原理によるものにおいては、熱伝導率に温度依存性があるために誤差が生じる。また、このヒータ制御方式を上述したヒータ劣化を防ぐ手段として用いることも考えられるが、ヒータの発熱温度の制御方法が異なるため、対応させることは困難である。

また、特許文献３の発明は、ヒータの発熱温度を高温と低温に切り換え、これらの出力差により温度補償が行われているが、通常、このような回路による温度切換えでは、ヒータの熱容量や熱伝達速度によってヒータに熱的な応答遅れが生じ、片や回路では抵抗バランスが取れるように大電流を印加するように動作するため、ヒータに過電流が流されることになる。他の従来技術では、上記の事象への対策として、抵抗やコンデンサを使った過電流防止方法が行われているが、この場合、抵抗とコンデンサによる時定数をヒータの熱時定数より十分大きくする必要があるため、計測に要する時間が長くかかることになってしまう。

特許文献３による発熱温度の切換方法を図１６に示す。図１６は、小さな電源電圧で有効にヒータを加熱でき、不確定で大きな内部抵抗を有する半導体スイッチ等で回路切換えを行う際の半導体スイッチ等の内部抵抗が無視できるように構成されたものであるが、このような構成においては、温度切換えごとにオペアンプが必要であり、発熱温度を決定する固定抵抗等も複数必要になる。

特許文献４や特許文献５の発明は、ホイートストンブリッチ回路を用いた制御方法で、測定を行うヒータ温度ごとにホイートストンブリッチのバランスを崩しているため、ヒータ温度が安定するのに時間を要し、測定を行うヒータ温度が増えるほど計測時間も長くなる。

そこで、本発明は、上記の事情に鑑み、ヒータに加えるエネルギーを必要最小限にして熱的ストレスや電気的ストレスを低減しヒータの劣化を防止するとともに、計測時間を短縮してヒータを所定の温度に制御するヒータ制御回路等を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ヒータ制御回路において、通電により発熱した温度に基づいて抵抗値が変化する発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体が所定の温度において示す抵抗値と等価な値の抵抗体と、電圧発生手段による電圧を基準として２つの電流を発生させる電流発生手段を備えた通電手段と、前記発熱抵抗体の両端に生じる電圧である発熱抵抗体電圧と前記抵抗体の両端に生じる電圧である抵抗体電圧とを比較する比較手段とを有し、前記比較手段は、前記発熱抵抗体電圧と前記抵抗体電圧とが等しくなるタイミングを検出して検出信号を出力し、前記通電手段は、前記電流発生手段により発生させた２つの電流を前記発熱抵抗体及び前記抵抗体に通電し、前記検出信号に基づいて通電をリセットすることを特徴とする。

本請求項に記載の発明は、発熱温度を決定する発熱抵抗体、発熱温度を示す抵抗値の抵抗体、これらの抵抗へ電流を流す通電手段、これらの抵抗に生じる電圧を比較する比較手段を具備するヒータ制御回路であり、通電手段により同等のランプ電流が同一のタイミングで上記抵抗へ通電され、比較手段により両抵抗に発生した電圧が等しくなる時点を検出し、通電をリセットすることで、必要最小限のエネルギーを用いて目標の発熱温度となるように制御できるものである。

また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載のヒータ制御回路において、前記通電手段は、前記電流発生手段により発生させた大きさの等しい２つのランプ電流を前記発熱抵抗体及び前記抵抗体に通電することを特徴とする。

また、請求項３記載の発明は、請求項１に記載のヒータ制御回路において、前記抵抗体と直列に接続された温度補償用の発熱抵抗体である温度補償抵抗体と、電圧を増幅する増幅手段とを有し、前記通電手段は、前記温度補償抵抗体が発熱しない大きさの微小ランプ電流を前記温度補償抵抗体及び前記抵抗体に通電し、前記増幅手段は、前記発熱抵抗体へのランプ電流と前記微小ランプ電流との比率に基づいて、前記温度補償抵抗体及び前記抵抗体の両端に生じる電圧である温度補償抵抗体電圧を増幅することを特徴とする。

また、請求項４記載の発明は、熱伝導率測定装置において、請求項１から３のいずれか１項に記載のヒータ制御回路と、前記比較手段による前記検出信号の出力までの時間を計測する計時手段を備える制御手段とを有し、前記比較手段は、前記制御手段へ前記検出信号を出力し、前記制御手段は、前記比較手段からの検出信号を入力したときに前記計時手段による時間の計測を停止し、前記通電手段へリセット信号を出力し、前記通電手段は、前記制御手段からのリセット信号に基づいて通電をリセットすることを特徴とする。

また、請求項５記載の発明は、請求項４に記載の熱伝導率測定装置において、回路動作を自由に切り換え可能な切換手段を有し、前記抵抗体は、複数が直列に接続され、かつ、１つに通電するか又は複数に通電するかを前記切換手段により切り換えでき、前記比較手段は、１つの前記抵抗体及び複数の前記抵抗体に通電した場合に、前記発熱抵抗体電圧と前記抵抗体電圧とが等しくなるタイミングをそれぞれ検出して前記制御手段へ前記検出信号を出力し、前記制御手段は、１つの前記抵抗体及び複数の前記抵抗体に通電した場合の前記比較手段からの検出信号に基づく計測結果をそれぞれ記憶し、前記計測結果から時間差を求めることを特徴とする。

また、請求項６記載の発明は、請求項４に記載の熱伝導率測定装置において、回路動作を自由に切り換え可能な切換手段を有し、前記抵抗体は、複数が並列に接続され、かつ、いずれの前記抵抗体に通電するかを前記切換手段により切り換えでき、前記比較手段は、いずれの前記抵抗体にも通電した場合に、前記発熱抵抗体電圧と前記抵抗体電圧とが等しくなるタイミングをそれぞれ検出して前記制御手段へ前記検出信号を出力し、前記制御手段は、いずれの前記抵抗体にも通電した場合の前記比較手段からの検出信号に基づく計測結果をそれぞれ記憶し、前記計測結果から時間差を求めることを特徴とする。

また、請求項７記載の発明は、請求項５又は６に記載の熱伝導率測定装置において、複数の前記切換手段により、前記比較手段や前記増幅手段を共通して使用できることを特徴とする。

また、請求項８記載の発明は、請求項７に記載の熱伝導率測定装置において、前記電流発生手段によるランプ電流のオフセット調整を行うオフセット調整手段と、前記電流発生手段によるランプ電流の傾き調整を行う傾き調整手段とを有することを特徴とする。

また、請求項９記載の発明は、請求項４から８のいずれか１項に記載の熱伝導率測定装置において、前記制御手段は、計測された時間又は求められた時間差に基づいて雰囲気の熱伝導率を算出することを特徴とする。

本発明によれば、ヒータに加えるエネルギーを必要最小限にして熱的ストレスや電気的ストレスを低減しヒータの劣化を防止するとともに、計測時間を短縮しヒータを所定の温度に制御するヒータ制御回路等が実現される。

以下、本発明の実施形態におけるヒータ制御回路及び熱伝導率測定装置について、図面を参照して説明する。

＜実施形態１＞
本実施形態のヒータ制御回路は、経年劣化の原因の１つである熱的ストレスや電気的ストレスを低減できるもので、特にヒータの発熱温度を所定の温度に制御するヒータ制御方式に関する。

図１は、本実施形態のヒータ制御回路の概略構成を示すブロック回路図である。本実施形態のヒータ制御回路は、ヒータ１１、Ｒ１（以下、固定抵抗という）１２、コンパレータ１３、ランプ電流源１４から構成され、ランプ電流源１４は、ランプ電圧発生回路１５、電圧電流変換回路１６及び１７を備えている。

ヒータ１１は、温度に応じて抵抗値が正の変化をする白金抵抗体である。また、固定抵抗１２の抵抗値は、ヒータ１１が所定の温度時に示す抵抗値と同じものとしている。ランプ電圧発生回路１５で発生した電圧は、電圧電流変換回路１６及び１７でランプ電流に変換され、また、ヒータ１１に通電するランプ電流と固定抵抗１２に通電するランプ電流は、同じ電流値を示すものが使用される。コンパレータ１３は、ヒータ１１で生じる電圧と固定抵抗１２で生じる電圧の高低を比較しその比較結果を出力する。

本実施形態では、ヒータを発熱させる通電手段にランプ電流を用いることでヒータの温度上昇速度を制限し、かつ、ヒータの発熱温度を決定する抵抗にも同等のランプ電流を同一タイミングで通電し、ヒータで生じる電圧と抵抗で生じる電圧が交差する点をコンパレータで捉えてランプ電流をリセットすることで、ヒータ発熱温度の最大値を抵抗で決められた発熱温度とし、ヒータに加えるエネルギーを少なくしている。

本実施形態のヒータ制御回路の動作について図２を参照して説明する。図２は、ヒータとＲ１（固定抵抗１２）で生じる電圧特性のグラフと、タイミングチャートを示したものである。

ヒータ１１は通電によって発熱し、発熱することで抵抗値が増加する素子であるため、ヒータ１１に生じる電圧は電流の増加に伴って、図２のヒータ・Ｒ１電圧特性のグラフに示すような電圧波形になり、いずれは固定抵抗１２で生じる電圧と交差する。この交点をコンパレータ１３で捉えて、コンパレータ１３の出力信号によって、ランプ電流のリセットが行なわれる。

このときにコンパレータ１３の入力は不定となってしまうのだが、固定抵抗１２に並列にコンデンサを接続したり（不図示）、コンパレータ１３の出力に微分回路を挿入したり（不図示）することで、コンパレータ１３の入力は、ランプ電流通電開始時の状態に戻る。このように対応することで、グラフに示すような繰り返し動作になる。

上述した一連の動作において、ヒータ１１と固定抵抗１２とで生じる電圧が交差する点では、ヒータ１１と固定抵抗１２に流す電流が同じであるので、ヒータ１１の抵抗値と固定抵抗１２の抵抗値は同じ抵抗値となっている。よって、ヒータ１１が示す抵抗値はヒータ１１の温度を示すものであるので、この交点でのヒータ発熱温度は固定抵抗１２で定められた一定温度になっている。

＜実施形態２＞
本発明の別の実施形態を図３に示す。図３は本実施形態のヒータ制御回路の概略構成を示すブロック回路図で、ヒータの発熱温度が周囲温度より一定温度高い温度となるように制御するヒータ制御回路を表している。本実施形態では、同一特性で同一形状の２つの白金抵抗体を使用し１つを温度補償用として用いており（以下、温度補償素子という）、また増幅器を用いる点で実施形態１と異なる。そして、固定抵抗側の電圧電流変換回路で微小電流に変換している点において相違する。上記の相違点以外の構成は実施形態１と共通するため、共通点の説明は省略する。

ヒータ１１と比較する固定抵抗１２を「温度補償素子＋Ｒ１」として用い、温度補償素子３１が発熱しないように「温度補償素子＋Ｒ１」に通電するランプ電流を微小電流（ヒータ１１に流す電流の１／１０）とする。そして、「温度補償素子＋Ｒ１」で生じる電圧を、ヒータ１１に流すランプ電流と「温度補償素子＋Ｒ１」に流すランプ電流の比率に応じて増幅器３２により増幅（１０倍）し、コンパレータ１３で比較できるようにしている。

上記のように回路を構成することにより、ヒータ１１は「温度補償素子＋Ｒ１」の抵抗値が示す温度まで発熱することになる。すなわち、温度補償素子３１の抵抗値は、ヒータ１１が発熱していない状態での周囲温度に依存した抵抗値を示すものであるから、ヒータ１１は、周囲温度より固定抵抗１２で定められた一定温度の分だけ高い温度まで発熱することになる。

以上述べたように、実施形態１と本実施形態のヒータ制御回路は、連続して発熱を得られるものではなく、発熱のピークにおいて一定温度あるいは一定温度差を得るものであるから、ヒータに加えるエネルギーを少なくできる。さらには、ヒータが急激に温度上昇することもないので、ヒートショックによる劣化を押さえることができ、また消費電流を少なくすることにもつながる。

また、本実施形態のヒータ制御回路を流速計測に用いる場合、ヒータ発熱温度がピークを示すタイミングはコンパレータの出力から容易に得られるので、このタイミングを利用して、測温抵抗体で生じる電圧をサンプルホールド回路等で保持すれば計測が可能になる。また、雰囲気の熱伝導率計測に実施形態１のヒータ制御回路を用いる場合にも、ヒータ発熱温度がピークとなる時点のヒータ電圧をサンプルホールド回路等により保持するようにしてもよい。

＜実施形態３＞
次に、本発明の別の実施形態について説明する。本実施形態では、実施形態１あるいは実施形態２のヒータ駆動回路を用いて、ランプ電流の通電開始からヒータの発熱温度が所定温度に達するまでの時間をマイコンのタイマ等で計測することによって、ヒータに生じる電圧を求められるようにしている。

図４は、本実施形態のヒータ制御回路の概略構成を示すブロック回路図である。図４の回路は、実施形態１の回路に加えてマイコン４１を具備している。マイコン４１は、外部割込み機能と出力ポート制御機能とタイマ機能を内蔵しており、実施形態１におけるランプ電流のリセット制御を行う。その他の構成は実施形態１と同様であるため、共通する構成の説明は省略する。

本実施形態のヒータ制御回路の動作について図５を参照して説明する。図５は、ヒータとＲ１（固定抵抗１２）で生じる電圧特性のグラフと、タイミングチャートを示したものである。

マイコン４１は、任意のタイミングでリセット信号を解除し、タイマをスタートする。これにより、ヒータ１１と固定抵抗１２にランプ電流が流れる。ヒータ１１で生じる電圧と固定抵抗１２で生じる電圧は、ヒータ・Ｒ１特性のグラフに示すように時間とともに推移する。ヒータ１１は通電により発熱して、発熱による温度上昇で抵抗値が増加する白金抵抗素子であるため、電流の増加に伴って、グラフに示すような電圧波形になる。また、ヒータ１１で生じる電圧は、グラフで示すように時間が経過していくと固定抵抗１２で生じる電圧と交差する。

コンパレータ１３は、電圧が交差した点を捉えてマイコン４１の割込み入力に信号を出力する。マイコン４１は割込みを受けて、リセット信号を出力しタイマを停止する。

ヒータ１１で生じる電圧と固定抵抗１２で生じる電圧が交差する点は、ヒータ１１と固定抵抗１２に同一のランプ電流が流されているため、ヒータ１１と固定抵抗１２の抵抗値も同じ抵抗値になっている。固定抵抗１２の抵抗値は、ヒータを所定の高温で発熱させたときの抵抗値に設定されているものであるので、この交点でヒータ温度は所定の温度に達したことになる。

このように、交点におけるヒータ抵抗値は一定であり、ランプ電流の時間に対する傾きも常に一定であるので、マイコン４１のタイマが示す値はヒータ電圧に比例した値になる（時間＝電流であり、抵抗値は固定なので時間＝電圧になる）。つまり、マイコン４１のタイマ値から、ヒータが所定の温度（抵抗値）になった時点の電圧を計測することができる。

本実施形態において、ヒータ１１の温度上昇速度はランプ電流の傾きと周囲環境で決定されるものであり、高性能なランプ電流源を用いることで、繰り返し計測による再現性が優れたものとなり、かつ、ヒータ温度が上昇していく過程でヒータ発熱温度が所定温度になる電圧を時間により検出できるので、ヒータの発熱が平衡状態になるまでの時間を待たずして繰り返し計測が行うことが可能である。

＜実施形態４＞
次に、本発明の別の実施形態について説明する。本実施形態では、２つの固定抵抗を用いて２つの異なる温度制御を行うとともに、実施形態３におけるマイコンのタイマ機能により計測した２つの時間差から２つの温度時の差電圧を求められるようにしている。

図６は、本実施形態のヒータ制御回路の概略構成を示すブロック回路図である。図６の回路は、実施形態３の回路に加えてＲ２（以下、固定抵抗という）６２及び２つのアナログスイッチを具備している。固定抵抗６２は、固定抵抗１２に直列して接続され、Ｓ１（以下、スイッチという）６３及びＳ２（以下、スイッチという）６４はマイコン６１の出力を受けてＯＮ／ＯＦＦが切り換えられる。その他の構成は実施形態３と同様であるため、共通する構成の説明は省略する。

固定抵抗１２のみではヒータが所定の低温度時に示す抵抗値に等価な値であるが、固定抵抗６２を直列に接続することでヒータが所定の高温度時に示す抵抗値に等価な値となる。また、各々の抵抗で生じる電圧をスイッチ６３及び６４によって切り換えられるようにして、コンパレータ１３にて各々の固定抵抗で生じる電圧とヒータで生じる電圧との比較ができるようにしている。そして、これらの固定抵抗にヒータに流すランプ電流と等価なランプ電流を流して、ヒータで生じる電圧とこれらの固定抵抗で生じる電圧とをコンパレータ１３で比較することによって、ヒータ温度が所定の低温度になる点と所定の高温度になる点を検出することができ、これらの点が発生する時間差をタイマにより計測することで、高温時にヒータに生じる電圧と低温時にヒータに生じる電圧の差電圧を求めることを可能にしている。

また、上述した動作は、ランプ電流を流すことによるヒータ発熱の温度上昇過程でなされるものであり、ヒータに対して発熱温度の切り替え動作がなく、ヒータに過度電流が流れることもないので、特許文献３における問題は生じない。

本実施形態のヒータ制御回路の動作について図７を参照してさらに説明する。図７は、ヒータとＲ１（固定抵抗１２）とＲ２（固定抵抗６２）で生じる電圧特性のグラフと、タイミングチャートを示したものである。

マイコン６１は、任意のタイミングでリセット信号を解除し、さらにスイッチ６３をＯＮ、スイッチ６４をＯＦＦにする。これにより、ヒータ１１と固定抵抗１２と固定抵抗６２にランプ電流が流れる。ヒータ１１で生じる電圧と、固定抵抗１２で生じる電圧と、固定抵抗１２及び６２で生じる電圧は、図７のヒータ・Ｒ１・Ｒ２特性のグラフに示すように時間とともに推移する。ヒータ１１は、発熱による温度上昇で抵抗値が増加する白金抵抗素子であるため、通電により発熱し、電流の増加に伴って、グラフのような電圧波形になる。

ヒータ１１で生じる電圧は、時間が経過していくと、ｔ１でＲ１（固定抵抗１２）に生じる電圧と交差する。そして、コンパレータ１３は、電圧が交差した点を捉えてマイコン６１に割込み信号を出力する。すると、マイコン６１は、割込みを受けて、スイッチ６３をＯＦＦ、スイッチ６４をＯＮにしてタイマをスタートする。

さらに時間が経過することによって、ヒータ１１に生じる電圧は、「Ｒ１（固定抵抗１２）＋Ｒ２（固定抵抗６２）」で生じる電圧とｔ２で交差する。そして、コンパレータ１３は、電圧が交差した点を捉えてマイコンに割込み信号を出力する。すると、マイコン６１は、割込みを受けてリセット信号を出力し、タイマを停止する。

ヒータ１１で生じる電圧が固定抵抗１２で生じる電圧と交差する点ｔ１と、「固定抵抗１２＋固定抵抗６２」で生じる電圧と交差する点ｔ２において、ヒータ１１と固定抵抗１２と固定抵抗６２には同一のランプ電流が流されているのだから、ヒータの抵抗値は、固定抵抗１２及び「固定抵抗１２＋固定抵抗６２」の抵抗値と同じ抵抗値になる。そして、固定抵抗１２の抵抗値は、ヒータ１１を所定の低温で発熱させたときの抵抗値に設定されており、また、「固定抵抗１２＋固定抵抗６２」の抵抗値は、ヒータ１１を所定の高温で発熱させたときの抵抗値に設定されているので、これらの交点でヒータ温度は所定の低温と高温になっている。

ランプ電流の時間に対する傾きは常に一定であるので、マイコンのタイマが示す値は、「高温時のヒータ電圧−低温時のヒータ電圧」に比例した値になる。このようにして得られたタイマ値をマイコンの演算機能で電圧値に、あるいは直接周囲気体の熱伝導率に変換することが容易にできる。

＜実施形態５＞
本発明の別の実施形態を図８に示す。図８は、本実施形態のヒータ制御回路の概略構成を示すブロック回路図で、実施形態４で直列に設けられた２つの固定抵抗を並列に接続されたヒータ制御回路が表されている。図８では、固定抵抗８２の抵抗値は図６の「固定抵抗１２＋固定抵抗６２」と同等としている。

本実施形態では、実施形態４と同様にランプ電流駆動であるので、電流を切り換えるスイッチを入れてもスイッチのインピーダンスに影響されることなく、実施形態４の回路と同様の動作が可能である。

＜実施形態６＞
次に、本発明の別の実施形態について説明する。本実施形態では、半導体スイッチ等を複数用いてコンパレータ等の比較検出器を共通で使用できるようにし、また傾き調整回路及びオフセット調整回路を設けて傾き調整やオフセット調整ができるようにしている。

図９は、本実施形態のヒータ制御回路の概略構成を示すブロック回路図である。図９の回路は、図６の回路にランプ電流のオフセット調整回路と傾き調整回路を付加し、さらにヒータで温度計測を行えるようにしたものである。調整回路の制御には、マイコン内臓のＤＡコンバータを用いている。また、実施形態２のように固定抵抗側の電圧電流回路では微小電流に変換し、増幅器を用いてヒータ側の電圧と比較可能に増幅させている。本回路においては、スイッチの組み合わせによって複数の動作状態が実現できるものであり、代表的な４つの状態に関して以下説明する。

図１０は熱伝導率計測状態を示す図で、（ａ）は制御状態、（ｂ）はヒータや固定抵抗の電圧特性を表す。図９の回路と図６の回路との違いは、温度計測を行えるようにするためには、微弱のランプ電流源が必要であるため、Ｒ１（固定抵抗１２）とＲ２（固定抵抗６２）に流す電流をヒータ１１に流れる電流の１／１０にして、固定抵抗１２と固定抵抗６２で生じる電圧と、ヒータ１１で生じる電圧との比較が行えるように１０倍の増幅器を用いて増幅している点である。

マイコン９１は、まず任意のタイミングでリセット信号を解除し、電圧電流変換回路１６及び３３をＯＮにして、Ｓ１（スイッチ１０１）、Ｓ４（スイッチ１０４）、Ｓ７（スイッチ１０７）、Ｓ１０（スイッチ１１０）及びＳ１３（スイッチ１１３）のみをＯＮにする。これにより、ヒータ１１と固定抵抗１２と固定抵抗６２にランプ電流が流れ、ヒータで生じる電圧と、固定抵抗１２で生じる電圧と、固定抵抗６２で生じる電圧は図１０（ｂ）のグラフに示すように時間とともに推移する。

ヒータ１１で生じる電圧は時間が経過すると固定抵抗１２で生じる電圧と交差する。そして、コンパレータ１３は電圧が交差した点を捉えてマイコン９１に割込み信号を出力し、マイコン９１は、割込みを受け、スイッチ１０７をＯＦＦ、スイッチ１０６をＯＮにし、タイマをスタートする。

さらに時間が経過すると、ヒータ１１に生じる電圧は「固定抵抗１２＋固定抵抗６２」で生じる電圧と交差する。コンパレータ３２は、電圧が交差した点を捉えマイコン９１に割込み信号を出力し、マイコン９１は割込みを受けてリセット信号を出力し、タイマを停止する。

このようにして得られたタイマ値について、実施形態４と同様に、マイコンの演算機能を用いて直接周囲気体の熱伝導率に変換することができる。

図１１は温度計測状態を示す図で、（ａ）は制御状態、（ｂ）は基準電源電圧とヒータで生じる電圧の関係を表す。図１１では、ヒータ１１に１／１０のランプ電流が流れるようにスイッチを切り換えている。

すなわち、マイコン９１は、任意のタイミングでリセット信号を解除し、電圧電流変換回路１６及び３３をＯＮにして、Ｓ３（スイッチ１０３）、Ｓ５（スイッチ１０５）、Ｓ９（スイッチ１０９）及びＳ１１（スイッチ１１１）のみをＯＮにする。これにより、ヒータ１１に１／１０のランプ電流が流れるが、１／１０のランプ電流では、ヒータ１１はほとんど発熱しないので、ヒータ１１の抵抗値は周囲温度に依存した値となり、ヒータ１１で生じる電圧は、図１１（ｂ）のグラフに示すように、ランプ電流の電流増加に伴って単調増加する波形を示す。

また、ランプ電流を１／１０としたことで、ヒータ１１で発生する電圧も１／１０となるため、熱伝導率計測時に用いた1０倍の増幅器３２にて増幅を行っている。コンパレータ１３は、こうして増幅した電圧を基準電源９４の電圧と比較し、ヒータ１１の電圧が基準電源の電圧と交差する点でマイコン９１に対し割込み信号を出力する。

マイコン９１は、リセット信号の解除によるランプ電流の通電開始から、コンパレータ１３からの割込み信号が入力されるまでの時間を計測することで、ヒータの抵抗値を求めて周囲温度を計測する（時間＝電流値であり、基準電源９４の電圧値が固定であることから、（基準電源の電圧値／時間）×係数で求められる）。

図１２はオフセット調整状態を示す図で、（ａ）は制御状態、（ｂ）はタイミングチャート、（ｃ）は調整制御のフローチャートを表す。ランプ電流がリセット状態のときに「Ｒ１（固定抵抗１２）＋Ｒ２（固定抵抗６２）」に生じた電圧とＧＮＤレベルをコンパレータ１３で比較し、マイコン９１でコンパレータ１３の出力を監視して、マイコン９１のＤＡコンバータによって調整するものである。

図１２（ａ）に示すとおり、マイコン９１は、任意のタイミングでリセット信号を解除して電圧電流変換回路１６をＯＮにするときは、Ｓ２（スイッチ１０２）、Ｓ８（スイッチ１０８）及びＳ１２（スイッチ１１２）のみをＯＮにする。電圧電流変換回路３３をＯＮにするときは、Ｓ４（スイッチ１０４）、Ｓ６（スイッチ１０６）、Ｓ８（スイッチ１０８）及びＳ１１（スイッチ１１１）のみをＯＮにする。

また、マイコン９１の行うオフセット調整の制御を図１２（ｃ）に基づいて説明する。まず、３種類の変数ｎ、ｍ、ａを０に設定する（ステップＳ１０１）。後述するが、ｎはＤＡコンバータデータに対する減算カウント、ｍは加算カウント、ａはｎ及びｍが１以上のときのカウントを表す。

次に、コンパレータ１３の出力を判定し、出力Ｈｉｇｈの場合（ステップＳ１０２／ＹＥＳ）はＤＡコンバータデータから１減算するためｎ＝ｎ＋１とし（ステップｓ１０３）、出力Ｌｏｗの場合（ステップＳ１０２／ＮＯ）はＤＡコンバータデータに１加算するためｍ＝ｍ＋１とカウントする（ステップｓ１０３）。

次に、ｎ≧１かつｍ≧１である場合（ステップＳ１０５／ＹＥＳ）はａ＝ａ＋１とカウントするとともに、ｎとｍを０に設定する（ステップｓ１０６）。ｎ≧１かつｍ≧１でない場合（ステップＳ１０５／ＮＯ）はコンパレータ１３の出力判定に戻る（ステップＳ１０２）。そして、ａ≧５である場合（ステップＳ１０７／ＹＥＳ）は終了となり、ａ＜５の場合（ステップＳ１０７／ＮＯ）はコンパレータ１３の出力判定に戻る（ステップＳ１０２）。

なお、上記の場合、ＤＡコンバータの出力電圧範囲は、回路オフセットが変動する範囲でよいため、ＤＡコンバータの出力電圧範囲を絞り込むことで、精度が悪いものでも充分に活用できる。また、回路の温度変化によってＤＡコンバータの出力が変化したとしても、定期的にオフセット調整を行うことでＤＡコンバータの温度依存性に左右されることなく使用することが可能である。

図１３は傾き調整状態を示す図で、（ａ）は制御状態、（ｂ）は基準電源電圧と固定抵抗で生じる電圧の関係、（ｃ）は調整制御のフローチャートを表す。ランプ電流を「Ｒ１（固定抵抗１２）＋Ｒ２（固定抵抗６２）」に流して、これらの固定抵抗に生じた電圧と基準電源の電圧との交点をコンパレータ１３で検出して、マイコン９１に対して割込み信号を出力する。マイコン９１は、ランプ電流の通電開始からコンパレータ１３からの割込み信号が入力されるまでの時間を計測することで、ランプ電流の傾きを求め、あらかじめ決められた傾きと比較して、誤差に見合った補正値をＤＡコンバータから出力して再度調整を実行する。この動作を複数回繰り返すことで完全な補正を行うことができる。

図１３（ａ）に示すとおり、マイコン９１は、任意のタイミングでリセット信号を解除して電圧電流変換回路１６をＯＮにするときは、Ｓ２（スイッチ１０２）、Ｓ９（スイッチ１０９）及びＳ１２（スイッチ１１２）のみをＯＮにする。電圧電流変換回路３３をＯＮにするときは、Ｓ４（スイッチ１０４）、Ｓ６（スイッチ１０６）、Ｓ９（スイッチ１０９）及びＳ１１（スイッチ１１１）のみをＯＮにする。

また、マイコン９１が行う傾き調整の制御を図１３（ｃ）に基づいて説明する。まず、ＤＡコンバータのデータ値を７ＦＨ、カウンタを０に設定したうえで、ＯＮ／ＯＦＦ制御をＯＮにし（ステップＳ２０１）、外部割込み許可を行う（ステップＳ２０２）。

次に、割込みが発生したら（ステップＳ２０３）、割込みの禁止を行いＯＮ／ＯＦＦ制御をＯＦＦにする（ステップＳ２０４）。そして、「カウンタ値−基準値」が０となった場合（ステップＳ２０５／ＹＥＳ）は、ＤＡ値を確定し終了となる（ステップＳ２０６）。一方、「カウンタ値−基準値」が０とならなかった場合（ステップＳ２０５／ＮＯ）は、「カウンタ値−基準値」からＤＡ設定値を求め（ステップＳ２０７）、例えばＤＡをｘｘＦに、カウンタを０に設定し、ＯＮ／ＯＦＦ制御をＯＮにし（ステップＳ２０８）、外部割込み許可を行う（ステップＳ２０９）。

なお、上記の調整は、先に述べたオフセット調整状態と同様の理由で精度があまりよくないＤＡコンバータでも充分に活用できるものである。

以上述べたように本実施形態では、回路に半導体スイッチ等を自由に入れることによってランプ電流のオフセットや傾きを容易に補正することができ、精度が要求される部品点数を少なくして、計測精度を高めることが可能である。さらに、ヒータで温度計測することができ、また、上述した制御状態でスイッチの組み合わせを変えることで、別の目的で利用することも可能である。例えば、図１２のオフセット調整の状態を利用して、ランプ電流がリセット状態時におけるヒータ抵抗値を固定抵抗１２とバランスが取れるようにＤＡコンバータで調整し、リセット状態におけるヒータ温度を低温発熱状態にしたり、図１３で示すランプ電流の傾き調整状態を利用して、傾きを意図的に変化させることで計測分解能を変更したりすることもできる。

＜実施形態７＞
次に、本発明の別の実施形態について説明する。本実施形態では、実施形態４の回路にさらにヒータと比較する固定抵抗を複数個使用することにより、１度のランプ電流の通電で複数の温度でのヒータ電圧を計測できるようにしている。

図１４は、本実施形態のヒータ制御回路の概略構成を示すブロック回路図である。固定抵抗がＲ１からＲｎまでｎ個直列に接続されており、それぞれマイコン６１によりＯＮ／ＯＦＦ切換えがなされる複数個のアナログスイッチが設けられている。その他の構成は実施形態４と同様である。図１４では、図６の回路をもとにしているが、もちろん図９をもとにして構成することも可能であり、その場合にはより高性能化することができる。

本実施形態のヒータ制御回路の動作について図１５を参照してさらに説明する。図１５は、ヒータと固定抵抗で生じる電圧特性のグラフと、タイミングチャートを示したものである。

本回路の起動は、マイコン２０１によりリセット信号を解除して、ヒータ１１と固定抵抗（Ｒ１〜Ｒｎ）にランプ電流を通電し、スイッチ２１１をＯＮにすることで開始される（この段階では他のスイッチはＯＦＦ）。ランプ電流の通電が開始され、時間経過に伴う電流の増加によって、ヒータ１１で生じる電圧と固定抵抗１２で生じる電圧がｔ１で交差し、コンパレータ１３からマイコン２０１に対して割込み信号が発生する。これを受けてマイコン２０１ではタイマをスタートしてスイッチ２１１をＯＦＦ、スイッチ２１２をＯＮにする。

さらに時間が経過することで、電流が増加し、ヒータ１１で生じる電圧と「Ｒ１（固定抵抗１２）＋Ｒ２（固定抵抗２０２）」で生じる電圧がｔ２で交差し、コンパレータ１３からマイコン２０１に対して割込み信号が発生する。これを受けてマイコン２０１は、タイマ値をメモリに保存して、スイッチ２１２をＯＦＦ、スイッチ２１３をＯＮにする。

このような動作を繰り返して、最終的にＲ１（固定抵抗１２）＋Ｒ２（固定抵抗２０２）＋・・・・＋Ｒｎ（固定抵抗２０３）で生じる電圧とヒータ１１で生じる電圧がｔｎで交差し、コンパレータ１３からマイコン２０１に割込み信号が発生して、マイコン２０１はタイマ値をメモリに保存後、スイッチ２１３をＯＦＦにしてタイマを停止し、リセット信号をセットすることで、ランプ電流を停止する。

メモリに保存されている数値は、ヒータの温度が所定の温度（抵抗値）に到達したときの電流値であるわけだから容易に電圧値に変換することができる。このように、本実施形態においては、１度のランプ電流の通電により、複数の温度でのヒータ電圧を計測でき、温度切換えごとにヒータ温度が安定する時間を待つ必要がなく、また連続した時間としてＡＤ変換が行えるので、計測に無駄な時間を要さない。さらには、コンパレータ１つで複数の温度を検出できるのでコンパレータのオフセットばらつき等を考慮する必要がない。

上記の実施形態によれば、ヒータに加わる電力を小さくすることができ、これにより電気的及び熱的ストレスを低減することが可能となる。

また、上記の実施形態によれば、ヒータが所定の温度に発熱したときの電圧を時間により計測することで、周囲気体の熱伝導率を計測することが可能となる。

また、上記の実施形態によれば、ヒータの発熱温度を切り換える際に発生するヒータへの過電流を流すことなく、高速に計測することが可能となる。

また、上記の実施形態によれば、スイッチを自由に入れられることによって、機能の追加が容易に行えて、かつ、部品点数を少なくすることができ、計測精度を高めることが可能となる。

また、上記の実施形態によれば、１度のランプ電流の通電により、複数のヒータ温度時でのヒータ電圧を計測でき、熱伝導率の温度依存性から複数のガスの弁別に対応することが可能となる。

なお、上述する実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。

本発明の実施形態に係るヒータ制御回路のブロック回路図である。 本発明の実施形態に係るヒータ制御回路の動作についての説明図である。 本発明の実施形態に係るヒータ制御回路のブロック回路図である。 本発明の実施形態に係るヒータ制御回路のブロック回路図である。 本発明の実施形態に係るヒータ制御回路の動作についての説明図である。 本発明の実施形態に係るヒータ制御回路のブロック回路図である。 本発明の実施形態に係るヒータ制御回路の動作についての説明図である。 本発明の実施形態に係るヒータ制御回路のブロック回路図である。 本発明の実施形態に係るヒータ制御回路のブロック回路図である。 本発明の実施形態に係るヒータ制御回路の動作についての説明図である。 本発明の実施形態に係るヒータ制御回路の動作についての説明図である。 本発明の実施形態に係るヒータ制御回路の動作についての説明図である。 本発明の実施形態に係るヒータ制御回路の動作についての説明図である。 本発明の実施形態に係るヒータ制御回路のブロック回路図である。 本発明の実施形態に係るヒータ制御回路の動作についての説明図である。 従来技術におけるヒータ制御回路のブロック回路図である。

符号の説明

１１ ヒータ
１２ 固定抵抗（Ｒ１）
１３，８３，８４ コンパレータ
１４ ランプ電流源
１５ ランプ電圧発生回路
１６，１７ 電圧電流変換回路
３１ 温度補償素子
３２ 増幅器
３３ 電圧電流変換回路（×１／１０）
４１，６１，８１，９１，２０１ マイコン
６２，８２，２０２ 固定抵抗（Ｒ２）
６３，１０１，２１１ スイッチ（Ｓ１）
６４，１０２，２１２ スイッチ（Ｓ２）
９２ 傾き調整回路
９３ オフセット調整回路
９４ 基準電源
１０３ スイッチ（Ｓ３）
１０４ スイッチ（Ｓ４）
１０５ スイッチ（Ｓ５）
１０６ スイッチ（Ｓ６）
１０７ スイッチ（Ｓ７）
１０８ スイッチ（Ｓ８）
１０９ スイッチ（Ｓ９）
１１０ スイッチ（Ｓ１０）
１１１ スイッチ（Ｓ１１）
１１２ スイッチ（Ｓ１２）
１１３ スイッチ（Ｓ１３）
２０３ 固定抵抗（Ｒｎ）
２１３ スイッチ（Ｓｎ）
３００ 演算増幅回路
３１０ 差動増幅器
３２０ スイッチ
３３０ 抵抗
３４０ 演算増幅回路

Claims (9)

1. 通電により発熱した温度に基づいて抵抗値が変化する発熱抵抗体と、
   前記発熱抵抗体が所定の温度において示す抵抗値と等価な値の抵抗体と、
   電圧発生手段による電圧を基準として２つの電流を発生させる電流発生手段を備えた通電手段と、
   前記発熱抵抗体の両端に生じる電圧である発熱抵抗体電圧と前記抵抗体の両端に生じる電圧である抵抗体電圧とを比較する比較手段とを有し、
   前記比較手段は、前記発熱抵抗体電圧と前記抵抗体電圧とが等しくなるタイミングを検出して検出信号を出力し、
   前記通電手段は、前記電流発生手段により発生させた２つの電流を前記発熱抵抗体及び前記抵抗体に通電し、前記検出信号に基づいて通電をリセットすることを特徴とするヒータ制御回路。
2. 前記通電手段は、前記電流発生手段により発生させた大きさの等しい２つのランプ電流を前記発熱抵抗体及び前記抵抗体に通電することを特徴とする請求項１に記載のヒータ制御回路。
3. 前記抵抗体と直列に接続された温度補償用の発熱抵抗体である温度補償抵抗体と、
   電圧を増幅する増幅手段とを有し、
   前記通電手段は、前記温度補償抵抗体が発熱しない大きさの微小ランプ電流を前記温度補償抵抗体及び前記抵抗体に通電し、
   前記増幅手段は、前記発熱抵抗体へのランプ電流と前記微小ランプ電流との比率に基づいて、前記温度補償抵抗体及び前記抵抗体の両端に生じる電圧である温度補償抵抗体電圧を増幅することを特徴とする請求項１に記載のヒータ制御回路。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のヒータ制御回路と、
   前記比較手段による前記検出信号の出力までの時間を計測する計時手段を備える制御手段とを有し、
   前記比較手段は、前記制御手段へ前記検出信号を出力し、
   前記制御手段は、前記比較手段からの検出信号を入力したときに前記計時手段による時間の計測を停止し、前記通電手段へリセット信号を出力し、
   前記通電手段は、前記制御手段からのリセット信号に基づいて通電をリセットすることを特徴とする熱伝導率測定装置。
5. 回路動作を自由に切り換え可能な切換手段を有し、
   前記抵抗体は、複数が直列に接続され、かつ、１つに通電するか又は複数に通電するかを前記切換手段により切り換えでき、
   前記比較手段は、１つの前記抵抗体及び複数の前記抵抗体に通電した場合に、前記発熱抵抗体電圧と前記抵抗体電圧とが等しくなるタイミングをそれぞれ検出して前記制御手段へ前記検出信号を出力し、
   前記制御手段は、１つの前記抵抗体及び複数の前記抵抗体に通電した場合の前記比較手段からの検出信号に基づく計測結果をそれぞれ記憶し、前記計測結果から時間差を求めることを特徴とする請求項４に記載の熱伝導率測定装置。
6. 回路動作を自由に切り換え可能な切換手段を有し、
   前記抵抗体は、複数が並列に接続され、かつ、いずれの前記抵抗体に通電するかを前記切換手段により切り換えでき、
   前記比較手段は、いずれの前記抵抗体にも通電した場合に、前記発熱抵抗体電圧と前記抵抗体電圧とが等しくなるタイミングをそれぞれ検出して前記制御手段へ前記検出信号を出力し、
   前記制御手段は、いずれの前記抵抗体にも通電した場合の前記比較手段からの検出信号に基づく計測結果をそれぞれ記憶し、前記計測結果から時間差を求めることを特徴とする請求項４に記載の熱伝導率測定装置。
7. 複数の前記切換手段により、前記比較手段や前記増幅手段を共通して使用できることを特徴とする請求項５又は６に記載の熱伝導率測定装置。
8. 前記電流発生手段によるランプ電流のオフセット調整を行うオフセット調整手段と、
   前記電流発生手段によるランプ電流の傾き調整を行う傾き調整手段とを有することを特徴とする請求項７に記載の熱伝導率測定装置。
9. 前記制御手段は、計測された時間又は求められた時間差に基づいて雰囲気の熱伝導率を算出することを特徴とする請求項４から８のいずれか１項に記載の熱伝導率測定装置。

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