JP2008129019A - アナログセンサ処理方法、被計測値処理デバイス及びガスセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度に依存せず、迅速で堅牢な直流電圧抑制が可能な、アナログセンサ信号の改善された処理方法及び被計測値処理デバイスの提供。
【解決手段】オペアンプ（７０４，７０６）の第１入力に供給されたアナログセンサ信号は、オペアンプにより増幅される。増幅されたアナログセンサ信号は、計測され、閾値と比較される。増幅されたアナログセンサ信号及び閾値間の差に依存して直流電圧を発生させる。アナログセンサ信号及び直流電圧から差信号が形成される。差信号は増幅され、出力信号が出力される。被計測値処理デバイスは、第１入力に供給されるアナログセンサ信号を増幅するオペアンプと、増幅されたアナログセンサ信号を計測し、増幅されたアナログセンサ信号を閾値と比較するコントローラ（７０８）とを有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、オペアンプ（operational amplifier）を使用したアナログセンサ信号の処理方法に関する。特に、本発明は、ガスセンサ装置に使用するための方法、関連するガスセンサ装置及び計測値処理デバイスに関する。

公知のガスセンサ装置は、放射放出源、計測される少なくとも１種類の検体を有する計測ガスで充満できるガス計測空間、及び検体の存在及び濃度の一方又は両方に依存して出力信号を発生する少なくとも１個の放射検出器デバイスを有する。例えば、二酸化炭素又はメタン等の幅広い検体の存在を証明するためのこのようなガスセンサ装置は公知である。従来のガスセンサ装置は、赤外線波長範囲の放射を吸収する多くの極性ガスの特性に基づく。赤外線は、極性分子の双極子モーメントと相互作用することにより、回転及び振動を励起することによる励起状態に分子を偏移させることができる。このようにして、赤外線の熱エネルギーはガスに転換され、ガスを通過する赤外線ビームの強度が低下する。励起状態に対応して、吸収は、関連するガスの特性である波長で、例えば二酸化炭素の場合には4.25μmで吸収が生ずる。

特に今日、二酸化炭素検出は、多くの応用分野で重要度が増大している。例えば、自動車分野において、二酸化炭素は、暖房及び空調のエネルギー効率を構造させるために室内の空気の二酸化炭素含有量を監視し、必要な場合、例えば二酸化炭素濃度が増加した場合のみに適当な換気装置フラップ駆動を介して新鮮な空気を流入させるのに使用することができる。また、最新の自動車空調システムは、冷媒として二酸化炭素を使用しているので、自動車分野における二酸化炭素ガスセンサは、故障の場合の二酸化炭素の漏れに関連した監視機能を実行することができる。特に、自動車分野において、ガスセンサは、堅牢性、信頼性及び小型化の最高の要求事項を満たさなければならない。さらに、安全用途のために、センサの応答時間は特定制限値を超えてはならない。

特許文献１には、ガスセンサ装置及び早期警告付き計測方法が記載されている。特に、特許文献１は、パルスの形態の放射を放出する放射源に関する。また、特許文献２は、時間的に不連続の計測値を処理する方法に関する。時間にわたった計測値の曲線は、時間の関数を用いて記載することができる。特許文献２に従った方法は、被計測値フィルタを使用して所望の過渡応答を達成する。

多くのガスセンサ装置において、赤外線放射を分析する検出器デバイスとして、いわゆる焦電センサ（パイロセンサ）が使用されている。焦電センサ等により出力されるアナログセンサ信号は、計測に依存して、高いオフセット電圧及び小さい振幅を有する。信号をさらに処理して分析するために、このオフセット電圧を除くと有益であるが、この場合、アナログセンサ信号の振幅は増幅されるべきである。

例えば、公知の装置の場合、図１に示されるように、センサ３０２が出力するアナログ信号は、オペアンプ３０４で増幅される。次に、この増幅された信号のオフセット電圧は、清浄化されたアナログ信号が別のオペアンプ３０８で増幅される前にキャパシタ３０６により除去される。オフセット電圧のないこの増幅アナログ信号は、次に、マイクロコントローラ３１０でさらに処理される。

図２ないし図４の４曲線は、アナログセンサ信号が図１の装置を使用してどのように処理されるかを示す。図２において、検出器により出力された信号の振幅は非常に小さいこと、大きな直流電圧部を搬送することが見られる。オペアンプ３０４は弱い信号を増幅するが、直流電圧部も増幅するので、増幅された信号はおそらく続く分析のダイナミックレンジを放置する。キャパシタ３０６は直流電圧部を阻止し（図４参照）、オペアンプ３０８は、良好に計測できるようになるまでこの清浄化された信号を増幅する（図５参照）。
独国特許出願公開第１０２００５０３２７２２号明細書 独国特許出願公開第１０２００６０１９７０５．４号明細書 国際特許公開第２００６０２６２８７号明細書 独国特許第６００１６１２５号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０４９０８４号明細書 英国特許第１４６６３９６号明細書

しかし、結合キャパシタ３０６は、特定の動作温度が確保できないので、温度依存性が高く、自動車分野では困難性を生ずる。−40〜＋85℃の温度範囲において、例えばキャパシタの高いキャパシタンスが変化し、また、長期では安定しない。この結合キャパシタ３０６はその寸法のため、モジュール上に一体化することは容易ではないので、資源集約的で、構成するのが高価である。

従って、本発明は、温度に依存せず、迅速で堅牢な直流電圧抑制が可能な、アナログセンサ信号の改善された処理方法を提供することを目的とする。

本発明は、純粋なアナログセンサ信号がオフセット電圧なしで増幅されると、オフセット電圧がキャパシタを使用することなく除去できる場合に改善された温度的振舞いが生ずるという技術思想に基づいている。この目的のために、オペアンプの出力信号は、オフセットを最小にするために帰還される。

本発明によれば、全電圧範囲にわたり、簡単で、温度に依存しない線形制御が達成される。これにより、部品の製造がより簡単になり、資源集約的な校正が不要である。

本発明に従った抵抗を使用することにより、ガスセンサ装置の小型化が簡単になる。この結果はまた、公知の大きなキャパシタの使用と比較してコストを節約する。

本発明に従った解決手段はまた、より良好な信号解像度によって、より精密な計測が可能になる。

本発明に従った被計測値処理の利点のある特性は、二酸化炭素の漏れを監視するため及び客室の空気の品質を検査するため、特に、例えば、自動車分野で二酸化炭素を検出するために使用されるガスセンサ装置の場合、活用することができる。明らかに、本発明に従った原理はまた、任意の他のガスの検出に関連して使用することができ、信頼性の低い高い直流電圧部を有する計測信号が分析される全てのセンサにとって重要である。

以下、添付図面に示された有利な実施形態に基づいて本発明をより詳細に説明する。図面において、本発明に従った対象の同様の又は対応する詳細には同じ参照符号が付される。本発明に従ったガスセンサ装置の構造、及びアンテナセンサ信号を増幅するための本発明に従った動作方法を、図面を参照して詳細に説明する。

図６に示されるように、検出器ユニット１０８は、ほぼヘビサイド関数であるガス濃度を捕捉する。しかし、明らかに、検出器ユニット１０８用の入力信号はガス濃度である必要はないが、任意のセンサの出力信号は、本発明の原理に従って処理することができる。検出器ユニット１０８は、オフセットを有する時間不連続検出信号１０９を供給する。

この図６に示されるように、本発明に従ったガスセンサ装置１００はまた、ここでは広帯域赤外線放射源である放射源１０２を有する。原則として、図示のガスセンサ装置１００は、いわゆるＮＤＩＲ（非分散型赤外線）センサである。基本的な部品は、赤外線放射源１０２に加え、ガス計測空間１０４、波長フィルタ１０６、及び検出器ユニット１０８としての赤外線検出器である。任意であるが、温度は、温度センサ１１８で計測することができる。検出されるガス成分が検査される計測ガス１１０は、入口１１２及び出口１１４の記号が付されたガス計測空間１０４内にポンプで送られ、すなわち拡散する。上述したように、求められたガスの存在及び濃度の一方又は両方は、赤外線範囲の特定波長の吸収により電気光学的に決定することができる。

放出された赤外線放射１１６は、ガス計測空間１０４を通って検出器ユニット１０８内に供給される。検出器ユニット１０８において、検出されるガス分子が吸収する波長範囲のみを通過させる光フィルタが配置される。他のガス分子は、通常、この特定波長で光を吸収しないので、検出器ユニット１０８に届く放射の両に影響を与えない。検出器ユニットして、全ての適当な赤外線検出器を使用することができ、本発明に従った信号処理方法は適当な検出器タイプに適応することができる。

例えば、検出器は、焦電素子（pyroelement）、赤外線熱電対又はフォトダイオードであってもよい。適当な検出器はそれぞれ、特有の要求事項に従って選択されるべきである。フォトダイオードは比較的安価な部品であるという利点があるのに対し、熱電対検出器は特に選択されたスペクトル範囲での放射の吸収が高く且つ均等であるという利点がある。最後に、焦電センサは、極めて高い感度及び小型に製造できる可能性という利点がある。

赤外線信号は、所望の信号から熱背景信号を濾し取ることができるように放射源１０２によりパルス化される。このため、検出器ユニットが供給する被計測値は、基本的に指数関数を満たす時間不連続値の形態で現れる。

コントローラ１２０は、放射源１０２を駆動する一方で、検出器ユニット１０８の検出器信号を受信すると共に本発明の原理に従ってそれら受信器信号をさらに処理する。特に、コントローラは、オフセットを伴わないで増幅出力信号に検出器信号１０９を変換するフィルタユニットを有する。

ガスセンサの多くの用途について、信号の最終値のみならず、中でも信号の傾斜もまた、重要な大きさである。

図７に示されるように、アナログセンサ信号は、オペアンプ７０６の１個の入力に供給される。オペアンプの出力信号は、マイクロコントローラ７０８により制御されるアナログ／デジタルコンバータ７０２に接続されている。マイクロコントローラ７０８はまた、「負の供給電圧」、「開放」及び「正の供給電圧」の状態間に切り換えることができる、それ自身のスイッチ出力0〜10を制御する。複数の抵抗Ｒ1〜Ｒ11は、各々が上述の３状態のうちの一つを有することができるマイクロコントローラ７０８のスイッチ出力0〜10と、差動増幅器７０４の負の入力と間の異なる組合せで切り換えられる。この差動増幅器７０４の出力は、抵抗Ｒ13を通って差動増幅器７０６の負の入力に供給され、次に、負の入力に供給された、アナログセンサ信号及びオフセット間の差信号を増幅する。

以下では、本発明に従った被計測値処理デバイスの機能方法を説明する。

増幅器７０６において、マイクロコントローラで制御された電圧は、アナログセンサ信号から差し引かれ、その差は同時に増幅されて出力信号を発生する。マイクロコントローラ７０８は出力信号を計測する。この目的のために、オペアンプ７０６の増幅されたアナログ出力信号をマイクロコントローラ７０８のためにデジタル入力信号に変換するアナログ／デジタルコンバータ７０２が使用される。マイクロコントローラ７０８は、デジタル入力信号及び特定された閾値に基づいて信号修正について決定する。

この閾値は、マイクロコントローラ７０８の動作電圧により決定することができるが、他のファクタも一翼を担ってもよい。差動増幅器７０６の出力信号は、所望の範囲内にない場合、直流電圧で無効にされ、オフセット信号を抑制する。この結果は、図５の対時間の曲線に見られるように、オフセット電圧のない純粋なアナログ信号の増幅である。このようにして、増幅されたアナログセンサ信号は、動作計測範囲に入力される。本発明において、アナログセンサ信号は図３の信号に対応し、オペアンプ７０６の出力信号は図５の信号に対応する。

直流電圧は以下のように発生する。すなわち、抵抗Ｒ15，Ｒ16がオペアンプ７０４の正の入力信号の電圧値を定め、図７の実施形態では、この電圧は0.1Ｖに設定される。オペアンプ７０４の負の入力信号は、抵抗Ｒ1〜Ｒ11の組合せにより与えられる。これら抵抗Ｒ1〜Ｒ11の各々は、３電圧値、すなわち正の動作電圧、負の動作電圧、又は無電圧すなわち開放状態のうちの一つとしてマイクロコントローラ７０８の切換え可能なデジタル出力0〜10に接続することができる。

次に、負の動作電圧及びオペアンプ７０４の負の入力の電圧の間の抵抗値、並びに正の動作電圧及びオペアンプ７０４の正の入力の電圧の間の抵抗値は、マイクロコントローラ７０８の制御により、個別に又は並行して切り換えることができる。少なくとも２個の抵抗の平行回路は、合成抵抗値を減少する。このようにして、比較的少ない抵抗を介して、多くの異なる電圧値に、すなわち２ⁿ又は３ⁿの組合せに到達することができる。これは、増幅器７０４の負の入力に入力される直流電圧値の可変設定を可能にする。このようにして、増幅器分岐における動的なオフセット補償が達成される。

例えば、時間の経過においてマイクロコントローラ７０８が、出力信号電圧がその最大動作電圧に到達することを検出する場合、信号は、マイクロコントローラ７０８に統合され特定の最大電圧のみを許容するアナログ／デジタルコンバータ７０２に供給され、抵抗Ｒ1〜Ｒ11は、より大きな一定電圧が発生するように切り換えられる。差動増幅器７０６は２信号の差を形成し、本実施形態の場合、より小さくない、より良好な信号分析を達成するために、同時に結果を増幅する。増幅器７０６の信号出力は、図５における信号「Ｕ ＯＰ２」と比較することができる。

放射パルス用に計測値時間の経過を記録する間、抵抗値は一定でなければならない。計測後、必要なら切換えが起こり、新たな計測が始まる。

図７ないし図１４を参照して、本発明の２実施形態が詳細に示され、それらの回路図は図７（第１実施形態）及び図１０（第２実施形態）である。さらに、図８及び図９は第１実施形態に属し、図１１ないし図１４は第２実施形態についてより多い情報を提供する。図８、図１１及び図１３の表において、抵抗Ｒ1〜Ｒ11又はＲ12の使用された値が示される。「１」は抵抗が動作電圧に接続されていることを意味するのに対し、「−１」は抵抗が負の動作電圧に切り換えられたことを示す。関連する列に値がない場合は、マイクロコントローラ７０８内のスイッチが開放している。第２行は、関連する抵抗値をΩで示している。図８及び図１１から、抵抗値は全て異なる値を有し、図１１においてデジタル出力0〜7のみが抵抗がある。他方、図１３において、抵抗Ｒ1〜Ｒ12には、全てが同じ値である20000Ωが与えられている。

図９において、修正電圧はコード数に対して示されている。図１２及び図１４において、修正電圧と比較した合成抵抗が示されている。コード数はまた、抵抗の種々の組合せに対して割当てられており、Ｘ軸上に見ることができる。各コード数は、抵抗の特定の組合せを表わしており、図８、図１１及び図１３の表の行に見ることができる。マイクロコントローラ７０８は、これらのコード数の下で種々の抵抗の組合せを保存する。

図８、図１１及び図１３の表の実施形態は、明確に表わすことを確保するために部分的にのみ埋められているが、より多い中間の段階が可能であることが指摘されている。可能な限り小さい段階幅に加えて、装置の可能な限り一定の合成抵抗が望ましい。さらに、対称的コード対間の電圧差は、ほぼ等しくなるべきであり、正又は負の動作電圧に接続された抵抗Ｒ1〜Ｒ11のみならず「開放」であるマイクロコントローラ７０８の多くのデジタル入力0〜10によっても達成される。これは、マイクロコントローラ７０８におけるコード割当て表に必要なメモリ空間がより小さいという別の利点を有する。図８において、表の第１行のみがリストされており、他の値は即座に計算することができる。原理上、ブール代数のやり方でカウントダウンが起こる。

また、マイクロコントローラ７０８のデジタル出力0〜10が著しい内部抵抗を有することが考慮されていない場合、オフセット修正の線形過程が可能であることが示されている。

オフセットのないアナログセンサ信号の増幅は、図２ないし図５を使用してさらに明瞭になる。焦電センサの出力信号は図２に与えられている。図３で明瞭にされたように、この信号は増幅されているので、信号の振幅は増幅されているが、オフセットも拡大されている。図３の信号は、増幅されたアナログセンサ信号である。次に、オペアンプ７０６の出力信号は図５に示されている。ここで、オフセットは低減され、信号の振幅が増幅されていることが明瞭にわかる。この効果は、例えば、自動利得制御（ＡＧＣ）では達成することができない。というのは、ＡＧＣでは、オフセットが依然として増幅されているからである。

明らかに、本発明の実施形態は、上述の値、抵抗及び他の部品の数に限定されない。例えば、抵抗Ｒ1〜Ｒ11の数は、マイクロコントローラ７０８の自由なスイッチ出力0〜10の数のみにより限定される。

本発明に従った被計測値処理では、特にガスセンサに関連して、より良好な信号解像度のため、より精密で長期間安定して温度に依存しない計測が可能である。ＮＤＩＲ二酸化炭素センサの特別なケースについて説明したが、本発明は、オフセットを有するアナログセンサ信号が存在する全てのセンサシステムに適応可能であることは明らかである。

公知の被計測値処理デバイスを示す回路図である。 図１の計測における信号対時間の第１曲線を示すグラフである。 図１の計測における信号対時間の別の曲線を示すグラフである。 図１の計測における信号対時間のさらに別の曲線を示すグラフである。 図１の計測における信号対時間の別の曲線を示すグラフである。 本発明に従ったガスセンサユニットを示す概略図である。 本発明に従った被計測値処理デバイスの有利な回路図である。 本発明の一実施形態に従った抵抗値の表である。 図８の表に従った合成抵抗に依存した修正電圧のグラフである。 本発明に従った被計測値処理デバイスの別の回路図である。 本発明の別の実施形態に従った抵抗値の表である。 図１１の表に従った合成抵抗に依存した修正電圧のグラフである。 本発明の別の実施形態に従った抵抗値の表である。 図１３の表に従った合成抵抗に依存した修正電圧のグラフである。

符号の説明

１００ ガスセンサ装置
１０２ 放射源
１０４ ガス計測空間
１０８ 検出器ユニット
７０２ アナログ／デジタルコンバータ
７０４，７０６ オペアンプ
７０８ マイクロコントローラ（コントローラ）
Ｒ1〜Ｒ11 抵抗

Claims (18)

1. アナログセンサ信号をオペアンプの第１入力に供給する工程と、
   前記オペアンプで前記アナログセンサ信号を増幅する工程と、
   増幅された前記アナログセンサ信号を計測する工程と、
   前記増幅されたアナログセンサ信号を閾値と比較する工程と、
   前記増幅されたアナログセンサ信号及び前記閾値間の差に依存して直流電圧を発生させる工程と、
   前記アナログセンサ信号及び前記直流電圧から差信号を形成する工程と、
   該差信号を増幅し、出力信号を出力する工程と
   からなることを特徴とするアナログセンサ信号処理方法。
2. 前記直流電圧は、前記オペアンプの第２入力と、基準電圧を有する基準点との間の可変抵抗により発生することを特徴とする請求項１記載のアナログセンサ信号処理方法。
3. 前記直流電圧発生工程は、可変抵抗が接続された基準点を選択する工程を有することを特徴とする請求項１又は２記載のアナログセンサ信号処理方法。
4. 前記直流電圧発生工程は、複数の抵抗内の少なくとも１個と平行な抵抗に接続することにより、可変抵抗を発生させる工程を有することを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項記載のアナログセンサ信号処理方法。
5. 前記直流電圧発生工程は、所定の組合せに従って少なくとも１個のスイッチを駆動するコントローラにより、複数の抵抗を接続する工程を有することを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項記載のアナログセンサ信号処理方法。
6. 前記複数の抵抗は全て同じ値を有することを特徴とする請求項４又は５記載のアナログセンサ信号処理方法。
7. 前記複数の抵抗は異なる値を有することを特徴とする請求項４又は５記載のアナログセンサ信号処理方法。
8. 前記オペアンプは、２個の差動増幅器を有することを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１項記載のアナログセンサ信号処理方法。
9. 前記増幅されたアナログセンサ信号を計測する工程は、前記増幅されたアナログセンサ信号をデジタル信号に変換し、該デジタル信号をコントローラにより分析する工程を有することを特徴とする請求項１ないし８のうちいずれか１項記載のアナログセンサ信号処理方法。
10. 前記閾値は、前記コントローラの最大動作電圧であることを特徴とする請求項９記載のアナログセンサ信号処理方法。
11. 前記アナログセンサ信号は、焦電センサが発生することを特徴とする請求項１ないし１０のうちいずれか１項記載のアナログセンサ信号処理方法。
12. 前記アナログセンサ信号は、極性ガスの存在及び濃度の一方又は両方を示すことを特徴とする請求項１ないし１１のうちいずれか１項記載のアナログセンサ信号処理方法。
13. アナログセンサ信号を処理する被計測値処理デバイスであって、
    第１入力に供給される前記アナログセンサ信号を増幅するオペアンプと、
    増幅された前記アナログセンサ信号を計測し、該増幅されたアナログセンサ信号を閾値と比較するコントローラとを具備し、
    該コントローラは、前記増幅されたアナログセンサ信号及び前記閾値間の差に依存して直流電圧を発生させ、
    前記オペアンプは、前記アナログセンサ信号及び前記直流電圧からの差信号を増幅し、出力信号として出力することを特徴とする被計測値処理デバイス。
14. 前記増幅されたアナログセンサ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタルコンバータをさらに有し、
    前記コントローラは、前記デジタル信号を分析することを特徴とする請求項１３記載の被計測値処理デバイス。
15. 前記オペアンプの第２入力と、基準電圧を有する基準点との間に可変抵抗を有することを特徴とする請求項１３又は１４記載の被計測値処理デバイス。
16. 前記可変抵抗は、複数の抵抗内の少なくとも１個と平行な抵抗に接続することにより発生し、
    前記複数の抵抗内の前記抵抗は、全てが同じ値を有するか、異なる値を有することを特徴とする請求項１５記載の被計測値処理デバイス。
17. 前記オペアンプは、２個の差動増幅器を有することを特徴とする請求項１３ないし１６のうちいずれか１項記載の被計測値処理デバイス。
18. 少なくとも１個の放射放出放射源と、
    計測される少なくとも１個の検体を有する計測ガスで充満され得るガス計測空間と、
    前記検体の存在及び濃度の一方又は両方に依存してアナログセンサ信号を発生する少なくとも１個の放射検出器ユニットと、
    前記アナログセンサ信号を捕捉すると共に増幅された出力信号を出力する被計測値処理デバイスとを具備し、
    該被計測値処理デバイスは、請求項１ないし１２のうちいずれか１項に従った方法を実行するよう構成されていることを特徴とするガスセンサ装置。

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