JP2010032479A - 赤外線方式ガス濃度値センサー - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ２ガス吸収による検出信号強度の違いは１０％程度で、大きな信号中の小さな変化を検出する必要がある。従来は高精度・高安定な増幅器を使用しているが、赤外線素子の検出信号強度はガス濃度に反比例し、信号処理が簡単でない。また、短時間にランプを点灯するＣＯ２濃度計測回路では、ガス雰囲気を通過した赤外線信号は連続ではなく、短時間の振幅情報を持つパルス信号となる。この信号を連続情報に変換する必要があり、サンプル・ホールド回路などのデジタル技術を使用してきた。
【解決手段】短時間の振幅情報のパルス信号の、ガス吸収による変化部分だけを拡大増幅する。即ち、ある電圧以上の振幅情報を持ったパルス状信号を増幅率で増幅する。前記、ガス吸収の変化部分信号と、濃度検出用コンデンサへの充放電によるコンデンサ両端電圧を増幅した電圧と比較し、この出力により前記コンデンサへの充放電を制御し、ガス濃度に比例した出力を得る。
【選択図】図１

Description

本発明はＣＯ２ガス濃度を検出するための検出回路に関する。

従来のＣＯ２ガス濃度センサーには、測定時の変化する信号の変化の量とは無関係に、一定値を保持されている前回の値に対し、変化の増減方向に応じて保持している前回の値を増減させ保持しピーク値とする方法がある。（例えば、特許文献１参照。）
特開２００４−２０５５６

ＣＯ２ガスによる赤外線の吸収が、ＣＯ２ガスの濃度に比例するという現象を使用したガス濃度センサーにおいては、ＣＯ２ガス吸収による赤外線の検出信号強度の違いは、ＣＯ２ガス濃度が１００００ＰＰＭで１０パーセント程度であるために、大きな信号中の小さな変化を検出する必要があり、従来は高精度・高安定な増幅器を使用してきた。

また、赤外線素子により検出した信号強度はＣＯ２ガスの濃度に反比例することになり、信号処理が簡単でない。

電池駆動のガス濃度センサーにおいては、電池の消耗を防ぐためにランプを連続点灯させず短時間の間点灯する方法をとるが、ＣＯ２ガス雰囲気を通過した赤外線信号は連続信号ではなく、短時間の振幅情報を持ったパルス状の信号となる。この信号を連続情報に変換する必要があり、従来は高精度なサンプル・ホールド回路などのデジタル技術を使用する必要がありコストが高い。

短時間の振幅情報を持ったパルス状信号の、ＣＯ２ガス吸収による変化部分だけを拡大して増幅する。具体的には、ある電圧（ＲＥＦ電圧）以上の振幅情報を持ったパルス状信号を高い増幅率（−Ａ）で増幅する。
Ｓ２＝−Ａ（Ｓ１−ＲＥＦ電圧）
ここで、Ｓ１は振幅情報を持ったパルス状信号の振幅
Ｓ２はＣＯ２ガス吸収による変化部分だけの信号

また、前記、ＣＯ２ガス吸収による変化部分だけの信号と、濃度検出用コンデンサへの充放電により得られたコンデンサ両端電圧を増幅した電圧と比較し、この出力により前記コンデンサへの充放電を制御することでＣＯ２ガス濃度に比例した出力を得ることができる。

前記の増幅器の使用により、高精度・高安定な増幅器を使用する必要はない。

また、高精度なサンプル・ホールド回路などのデジタル技術を使用することなく、ＣＯ２ガス濃度に比例した出力を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図１の回路図と、図２のフローチャートに基づいて説明する。

図１において、タイマーは例えば１０秒に１回だけ短時間のパルスを出力し、インバーターにより反転信号を出力する。これは電源の消費を少なくするためのもので、ランプを短時間点灯するためである。ランプにはＦＥＴ２により電流が流れ、短時間例えば０．５秒間点灯する。

センサーはランプからの赤外線を受光する。センサーの出力を増幅器１で増幅すると図２のＳ１のような信号が出力される。即ちこの信号は、０．５秒間だけの、ＣＯ２ガス濃度により強度が変化した信号である。ここで、Ｓ１はランプとセンサーの間に介在する気体のＣＯ２ガス濃度が低いと大きく出力され、ＣＯ２ガス濃度が高いと赤外線が吸収され小さな信号となる。

ところが、この信号の差はＣＯ２ガス濃度が１００００ＰＰＭの場合に１０〜１５％しか変化しないので、増幅器２でＲＥＦ電圧以上のＳ１の信号を高い増幅率：−Ａで増幅する。ここで、ＲＥＦ電圧は基準電圧×Ｒｃ／（Ｒｃ＋Ｒｄ）で決定され、測定すべき最大のＣＯ２ガス濃度により出力される信号レベル以下に設定される。例えばＳ１の信号が、測定すべき最大のＣＯ２ガス濃度により１．５Ｖ以上出るような場合には、１．５Ｖに設定される。

また、増幅器２の増幅率ＡはＲｂ／Ｒａで決定され、この信号強度変化が増幅器２の出力にフルに現れるように設定する。例えば、ＣＯ２ガス濃度により変化する割合が１０〜１５％程度あれば、この変化が増幅器２の出力にフルに現れるように、増幅率は１／０．１５＝６．６、即ち６倍程度に設定する。

これにより、増幅器２出力には逆位相の信号で、変化が拡大された信号が現れる。

ここでＦＥＴ１はランプ点灯信号の反転信号で駆動されているので、ランプが点灯する時間だけＯＦＦとなり、Ｓ１の信号が増幅器２に出力される。ランプが点灯していない時間はＯＮとなり、Ｓ１の信号は増幅器２に出力されない。

ランプが点灯していない時間はＲＥＦ電圧をＲｂ／Ｒａの増幅率で増幅するので、増幅器２の電源が例えば±３Ｖの場合には（＋）３Ｖに飽和してしまい、この間のノイズは無視される。

次に、短時間のＣＯ２ガス濃度により強度が変化した信号を、濃度変化に応じた連続信号に変換する方法について記載する。

濃度検出用コンデンサＣ１は、Ｒ１、Ｒ２及びＤ１を通して、ランプが点灯している間だけＳ４の信号により充電される。一方、濃度検出用コンデンサＣ１の両端電圧を増幅器３により増幅した信号Ｓ７と、増幅器２の出力Ｓ２が比較器により比較されて、Ｓ７＞Ｓ２となる時間だけ比較器に負の信号Ｓ３を出力する。

この信号は、Ｓ４の信号をＳ７＞Ｓ２となる時間だけゼロとした図２のＳ５の信号となる。一方Ｄ２、Ｒ３を通して、この信号の期間だけ濃度検出用コンデンサＣ１を放電する。これにより、コンデンサＣ１はランプ点灯時間の内、Ｓ７＞Ｓ２となる時間だけ放電され、残りの時間は充電される。

ＣＯ２ガス濃度が低い場合には、増幅器２の出力Ｓ２は大きくなり、Ｓ７＞Ｓ２となる放電時間が長くなりＣ１の両端電圧は図２のように大きく上昇しない。一方ＣＯ２ガス濃度が高い場合には、増幅器２の出力Ｓ２は小さくなり、Ｓ７＞Ｓ２となる放電時間が短くなってＣ１の両端電圧は図２のように大きく上昇する。

ここで、増幅器２出力のＳ２とＳ７が比較された比較器の出力により、濃度検出用コンデンサＣ１の充放電を制御しているので、Ｓ７の最終的な出力は増幅器２出力のＳ２とほぼ同じレベルに安定する。

したがって、増幅器３の出力Ｓ７はＣＯ２ガス濃度により変化する信号Ｓ２の変曲点と同じであり、ＣＯ２ガス濃度を示す出力になる。また、ランプからの赤外線がＣＯ２ガスにより吸収され、センサーにより検出された出力はＣＯ２ガス濃度に反比例するが、増幅器３の出力Ｓ７はＣＯ２ガス濃度に比例しており、この出力を取り扱う上で容易である。

よって、この出力Ｓ７をＡ／Ｄコンバーター等でデジタル値に変換して表示すれば、ＣＯ２ガス濃度が表示できる。

回路図 フローチャート

符号の説明

［図１］
１ ランプ
２ センサー
３ 増幅器１
４ 増幅器２
５ 増幅器３
６ 濃度検出用コンデンサＣ１
７ 比較器
８ インバーター
９ タイマー
１０ ＦＥＴ１
１１ ＦＥＴ２

Claims (2)

1. 短時間に点灯するランプを光源とする赤外線方式ガス濃度値センサーにおいて、測定すべき最大のＣＯ２ガス濃度により出力される信号レベル以下に設定された基準電圧を持ち、この基準電圧以上の赤外線センサーからの信号を大きく増幅することにより、ＣＯ２ガスによる赤外線の吸収による信号中の小さな変化を拡大することのできる増幅器を備えたことを特徴とする赤外線方式ガス濃度値センサー。
2. 短時間に点灯するランプを光源とする赤外線方式ガス濃度値センサーにおいて、前記増幅器の出力と、濃度検出用コンデンサの両端電圧を増幅した信号とを比較出力して、この出力信号により濃度検出用コンデンサの充放電を制御することにより、短時間の振幅情報を持ったパルス状の信号を連続的なＣＯ２ガス濃度情報に変換する回路を備えたことを特徴とする赤外線方式ガス濃度値センサー。

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