JP2011052976A - Gas detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、吸着燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置に関する。 The present invention relates to a gas detection device using an adsorption combustion type gas sensor.
従来知られている接触燃焼式ガスセンサは、感応素子と補償素子を有し、検出対象となるガスを感応素子の触媒作用により燃焼させ、この燃焼熱を白金コイルの抵抗値変化として捉えるように構成されている。検出対象となるガスのうちトルエンや酢酸、エタノール等のように、極性が大きく吸着力の大きなガスは、低温駆動時に、ガス分子が感応素子の触媒表面に吸着し、高温駆動時に、吸着したガスが瞬時に燃焼すると共に接触燃焼反応も同時に起こるので、センサ出力は、短時間でピークに達しその後徐々に減少するピーク波形(山形波形)を生じる。一方、メタンや水素、一酸化炭素等の無極性または極性の小さいガスは、吸着力も小さいので上記のような現象は起こらず、センサ出力は、定常値で安定するまで徐々に増加していく。 A conventionally known catalytic combustion type gas sensor has a sensitive element and a compensating element, and combusts the gas to be detected by the catalytic action of the sensitive element, and captures this combustion heat as a change in the resistance value of the platinum coil. Has been. Among the gases to be detected, gases with high polarity and large adsorption power, such as toluene, acetic acid, and ethanol, are adsorbed when the gas molecules are adsorbed on the catalyst surface of the sensitive element when driven at low temperatures and when they are driven at high temperatures. Burns instantaneously and the catalytic combustion reaction occurs simultaneously, so that the sensor output has a peak waveform (mountain waveform) that reaches a peak in a short time and then gradually decreases. On the other hand, a nonpolar or small polarity gas such as methane, hydrogen, carbon monoxide or the like has a small adsorption power, so the above phenomenon does not occur, and the sensor output gradually increases until it stabilizes at a steady value.
このように、トルエン等の特定種類のガスにおいて固有のピーク波形を呈することを利用して、接触燃焼式ガスセンサを用いてガス濃度の検出やガス種の分別などを行うことができる。このような特定種類のガスの吸着現象を利用する接触燃焼式ガスセンサは、吸着燃焼式ガスセンサとも呼ばれている。上述したような吸着燃焼式ガスセンサは、ガス濃度検出装置やガス種別検出装置などの種々のガス検出装置において用いられている(例えば、特許文献1を参照)。 As described above, by utilizing a specific peak waveform in a specific type of gas such as toluene, it is possible to detect a gas concentration or to classify a gas type using a catalytic combustion type gas sensor. Such a catalytic combustion type gas sensor that utilizes an adsorption phenomenon of a specific type of gas is also called an adsorption combustion type gas sensor. The adsorption combustion type gas sensor as described above is used in various gas detection devices such as a gas concentration detection device and a gas type detection device (see, for example, Patent Document 1).
吸着燃焼式ガスセンサを備えた従来のガス検出装置の構成例を図9に示す。図9に示されるガス検出装置801は、検出対象ガスと感応する感応素子811及び該感応素子811と直列接続された固定抵抗器814からなるセンサ回路部810、並びに、センサ回路部810と並列接続されるとともに、検出対象ガスと感応しない補償素子812及び補償素子812と直列接続された固定抵抗器813からなるレファレンス回路部820、で構成されたブリッジ回路802と、感応素子811の温度が検出対象ガスを吸着する低温となる低温駆動電圧、及び、感応素子811の温度が感応素子811に吸着した検出対象ガスを燃焼させる高温となる高温駆動電圧、をブリッジ回路802に順次供給する電圧供給源805と、感応素子811及び固定抵抗器814間に生じる第1電圧V1と補償素子812及び固定抵抗器813間に生じる第2電圧V2とが入力されるように、センサ回路部810の中点とレファレンス回路部820の中点とに接続されて、これら第1電圧V1と第2電圧V2との電位差(以下、「中点電位差Vc」という)を所定の増幅率で増幅する計装アンプ806と、計装アンプ806によって増幅された中点電位差Vcをアナログ値からデジタル値に変換するA/Dコンバータ807と、A/Dコンバータ807によってデジタル値に変換された中点電位差Vcに基づいて、検出対象ガスの濃度を検出する周知のマイクロコンピュータ(MPU)860と、を備えている。ブリッジ回路802は、検出対象ガスを含まない雰囲気中において高温駆動電圧を供給されたときに、各素子の温度変化が収束した定常状態で平衡(即ち、中点電位差Vcが0)となるように、固定抵抗器813、814の抵抗値が定められている。また、計装アンプ806には、オフセット電圧端子が設けられており、該オフセット電圧端子に入力された電圧を、増幅後の電位差に加算する機能を備えている。計装アンプ806のオフセット電圧端子には、例えば、分圧回路などからなる定電圧生成回路808が接続されている。
FIG. 9 shows a configuration example of a conventional gas detection device provided with an adsorption combustion type gas sensor. A
この中点電位差Vcは、感応素子811の抵抗値をRs、補償素子812の抵抗値をRr、固定抵抗器814の抵抗値をR2、固定抵抗器813の抵抗値をR1、ブリッジ回路2への供給電圧をVbrg、とすると、次の式(1)で示される。
Vc=((Rs/(R2+Rs))−(Rr/(R1+Rr)))×Vbrg・・・(1)
The midpoint potential difference Vc is such that the resistance value of the
Vc = ((Rs / (R2 + Rs)) − (Rr / (R1 + Rr))) × Vbrg (1)
また、計装アンプ806で増幅された中点電位差Vc、即ち、計装アンプ806の出力電圧Voは、計装アンプ806の増幅率をG、オフセット電圧端子に入力されるオフセット電圧をVoffsetとすると、次の式(2)で示される。
Vo=Vc×G+Voffset・・・(2)
Further, the midpoint potential difference Vc amplified by the
Vo = Vc × G + Voffset (2)
上記式(1)、(2)から明らかなように、計装アンプ806の出力電圧Voの変化は、それぞれ値が固定される抵抗値R1、抵抗値R2、供給電圧Vbrg、増幅率G及びオフセット電圧Voffsetの影響は受けず、つまり、出力電圧Voは、温度変化に応じて値が変化する感応素子811の抵抗値Rs及び補償素子812の抵抗値Rrによって決定される。
As is clear from the above equations (1) and (2), the change in the output voltage Vo of the
そして、センサ回路部810の感応素子811及びレファレンス回路部20の補償素子812は、供給電圧Vbrgが低温駆動電圧から高温駆動電圧に切り替わると温度上昇を開始するが、これら感応素子811と補償素子812とは、それぞれの熱容量や熱伝導特性、放熱特性などが異なるので、各素子の温度が安定した定常状態に至るまでの過渡状態の期間(過渡期間)における温度上昇カーブ、即ち、温度上昇特性が異なり、そのため、温度上昇に伴う抵抗値の変化に差異が生じて、過渡期間において、温度上昇特性の差異による中点電位差Vc、即ち、誤差電位差Veが生じてしまう。このような各素子の温度上昇特性の差異によって生じる誤差電位差Veを防ぐために、各素子の製造方法の精度向上や選別等を行うことが考えられるが、完全に温度上昇特性を一致させることは不可能である。この誤差電位差Veは、計装アンプ806により増幅率Gで増幅されて、出力電圧Voに含まれて出力されてしまう。図10に、検出対象ガスを含まない雰囲気中における高温駆動時の計装アンプ806の出力電圧Vo(即ち、増幅後の誤差電位差Ve)のグラフを示す。そして、このような吸着燃焼式ガスセンサは、高温駆動時の中点電位差Vcの変化(即ち、応答波形)に基づいてガス検出を行うので、上述したような、温度上昇特性の差異によって生じる誤差電位差Veが影響して、ガス検出の精度が低下してしまう。
The
そこで、ガス検出装置801では、感応素子811及び補償素子812における温度上昇特性の差異によって生じる中点電位差Vc、即ち、誤差電位差Veの影響を回避するため、以下のようにして検出対象ガスの濃度を検出していた。
Therefore, in the
まず、検出対象ガスを含まない雰囲気中において、ブリッジ回路802に低温駆動電圧を供給したのちに高温駆動電圧を供給したときの中点電位差Vc(即ち、誤差電位差Ve)を所定のサンプリング周期で計測し、この計測した複数の中点電位差Vcを積算して誤差電位差積分値を算出する。次に、検出対象ガスの濃度を検出する雰囲気中において、ブリッジ回路802に低温駆動電圧を供給したのちに高温駆動電圧を供給したときの中点電位差Vcを同様に所定のサンプリング周期で計測し、この計測した複数の中点電位差Vcを積算して濃度電位差積分値を算出する。そして、濃度電位差積分値から誤差電位差積分値を差し引いた値に基づいて、検出対象ガスの濃度を検出する。このようにして、温度上昇特性の差異によって生じる誤差電位差Veの影響を回避して、検出対象ガスの濃度検出の精度低下を防いでいた。
First, in an atmosphere that does not include the detection target gas, the midpoint potential difference Vc (that is, the error potential difference Ve) is measured at a predetermined sampling period when the high temperature drive voltage is supplied after the low temperature drive voltage is supplied to the
上述した中点電位差Vcは微小電圧であるので、計装アンプ806において所定の増幅率で増幅されたあとに、後段のA/Dコンバータ807に入力される。一般的に、計装アンプはその最大出力電圧(通常は電源電圧と同じ又は若干低い電圧)が定められており、そのため、計装アンプ806が出力する電圧がこの最大出力電圧以下になるように、その増幅率が定められる。また同様に、A/Dコンバータについても、最大入力電圧が定められており、そのため、A/Dコンバータ807に入力される電圧がこの最大入力電圧以下になるように、計装アンプ806の増幅率が定められる。そして、計装アンプ806の増幅率が高いほど、微小電圧を大きな電圧に変換できるので、検出感度を向上できる。しかしながら、中点電位差Vcに含まれる上述した誤差電位差Veの値が大きいと、低い増幅率でも上記最大入力電圧または上記最大出力電圧に達してしまうので、計装アンプ806の増幅率を高めることが出来ず、検出対象ガスの検出感度の向上が望めなかった。
Since the above-described midpoint potential difference Vc is a minute voltage, it is amplified by the
本発明は、上記課題に係る問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、吸着燃焼式ガスセンサの感応素子及び補償素子における温度上昇特性の差異によって誤差電位差が生じる場合においても、増幅率を高めて検出対象ガスの検出感度を向上できるガス検出装置を提供することを目的としている。 The present invention aims to solve the above problems. That is, the present invention provides a gas detection device capable of increasing the amplification factor and improving the detection sensitivity of the detection target gas even when an error potential difference occurs due to a difference in temperature rise characteristics between the sensitive element and the compensation element of the adsorption combustion type gas sensor. The purpose is to do.
請求項1に記載された発明は、上記目的を達成するために、図1の基本構成図に示すように、(a)検出対象ガスと感応する感応素子及び前記検出対象ガスと感応しない補償素子からなる吸着燃焼式ガスセンサ15を含むブリッジ回路2と、(b)前記感応素子の温度が前記検出対象ガスを吸着する低温となる低温駆動電圧、及び、前記感応素子の温度が前記感応素子に吸着した前記検出対象ガスを燃焼させる高温となる高温駆動電圧、を前記ブリッジ回路2に順次供給する電圧供給源5と、(c)前記ブリッジ回路2における一対の中点と接続される増幅回路9と、を有するガス検出装置1において、前記増幅回路9には、前記一対の中点間に生じる電位差を所定の増幅率で増幅する増幅部6aと、互いに異なる複数のオフセット電圧を生成するとともに前記複数のオフセット電圧のうち1つの前記オフセット電圧を出力するオフセット電圧生成部8と、前記オフセット電圧生成部8が出力する前記オフセット電圧を、前記増幅部6aで増幅された前記電位差に加算する電圧加算部6bと、が設けられ、そして、前記電圧供給源5によって前記ブリッジ回路2に前記高温駆動電圧が供給されたあとの前記感応素子及び前記補償素子の温度が上昇する過渡期間において、予め設定されたオフセット電圧切換情報に基づき、前記複数のオフセット電圧のうち、前記感応素子と前記補償素子との温度上昇特性の差異によって生じるとともに前記増幅部6aによって増幅された前記電位差に加算されることにより、該電位差を所定の最低電圧以上で且つ最も小さくする前記オフセット電圧が出力されるように、前記オフセット電圧生成部8を制御するオフセット電圧切換手段61aが設けられていることを特徴とするガス検出装置1である。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, as shown in the basic configuration diagram of FIG. 1, (a) a sensitive element sensitive to a detection target gas and a compensation element not sensitive to the detection target gas (B) a low temperature driving voltage at which the temperature of the sensitive element is a low temperature for adsorbing the detection target gas, and the temperature of the sensitive element is adsorbed to the sensitive element. A
請求項1に記載された発明によれば、増幅回路には、ブリッジ回路における一対の中点間に生じる電位差を所定の増幅率で増幅する増幅部と、互いに異なる複数のオフセット電圧を生成するとともに前記複数のオフセット電圧のうち1つの前記オフセット電圧を出力するオフセット電圧生成部と、オフセット電圧生成部が出力する前記オフセット電圧を、増幅部で増幅された前記電位差に加算する電圧加算部と、が設けられ、そして、電圧供給源によってブリッジ回路に高温駆動電圧が供給されたあとの感応素子及び補償素子の温度が上昇する過渡期間において、予め設定されたオフセット電圧切換情報に基づき、前記複数のオフセット電圧のうち、前記感応素子と前記補償素子との温度上昇特性の差異によって生じるとともに増幅部によって増幅された前記電位差(即ち、増幅後の誤差電位差)に加算されることにより該電位差を所定の最低電圧以上で且つ最も小さくする前記オフセット電圧が出力されるように、オフセット電圧生成部を制御するので、予め設定された複数のオフセット電圧のうち、上記過渡期間における増幅後の誤差電位差が所定の最低電圧以上で且つ最小となるオフセット電圧を該誤差電位差に加算することができ、そのため、上記過渡期間における増幅後の誤差電位差の最小値と最大値との差を小さくして、増幅器における増幅率をより高めることができ、検出感度を向上できる。また、従来のブリッジ回路をそのまま用いることができるとともに、増幅回路についても簡易な回路で構成でき、さらに、オフセット電圧生成部に対する制御も簡易であるので、検出感度を向上できるガス検出装置を低コストで提供できる。また、感応素子と補償素子とが並列に接続された構成のブリッジ回路において、該ブリッジ回路の平衡調整が困難である場合でも、オフセット電圧を調整することのみで、ブリッジ回路の平衡を調整したことと同様の効果が得られる。さらに、吸着燃焼式ガスセンサの感応素子と補償素子との温度上昇特性を高精度で一致させる必要がないので、現状の素子が利用でき、さらに、コストを低減することができる。 According to the first aspect of the present invention, the amplifier circuit generates a plurality of offset voltages different from each other, and an amplifier that amplifies a potential difference generated between a pair of midpoints in the bridge circuit at a predetermined amplification factor. An offset voltage generation unit that outputs one of the plurality of offset voltages, and a voltage addition unit that adds the offset voltage output by the offset voltage generation unit to the potential difference amplified by the amplification unit. And a plurality of offsets based on preset offset voltage switching information in a transient period in which the temperature of the sensitive element and the compensating element rises after the high temperature driving voltage is supplied to the bridge circuit by the voltage supply source. Among the voltages, the voltage is generated due to a difference in temperature rise characteristics between the sensitive element and the compensating element, and is also caused by the amplifying unit. The offset voltage generator is controlled so that the offset voltage is output by adding the amplified potential difference (that is, the error potential difference after amplification) to the minimum or above the minimum voltage. Therefore, among the plurality of preset offset voltages, an offset voltage in which the error potential difference after amplification in the transient period is not less than a predetermined minimum voltage and becomes the minimum can be added to the error potential difference. By reducing the difference between the minimum value and the maximum value of the error potential difference after amplification in the period, the amplification factor in the amplifier can be further increased, and the detection sensitivity can be improved. In addition, the conventional bridge circuit can be used as it is, the amplifier circuit can be configured with a simple circuit, and the control for the offset voltage generation unit is also simple, so that the gas detection device capable of improving the detection sensitivity can be reduced in cost. Can be provided at. In addition, in a bridge circuit in which a sensitive element and a compensating element are connected in parallel, even when it is difficult to adjust the balance of the bridge circuit, the balance of the bridge circuit is adjusted only by adjusting the offset voltage. The same effect can be obtained. Further, since it is not necessary to match the temperature rise characteristics of the sensitive element and the compensating element of the adsorption combustion type gas sensor with high accuracy, the current element can be used and the cost can be reduced.
以下、本発明に係るガス検出装置の一実施形態としてのガス濃度検出装置を、図2〜図8を参照して説明する。 Hereinafter, a gas concentration detection apparatus as an embodiment of a gas detection apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS.
ガス濃度検出装置1は、図2に示すように、ブリッジ回路2と、電圧供給源5と、増幅回路9と、A/Dコンバータ7と、マイクロコンピュータ60と、図示しない気体収容室と、図示しない表示装置と、を備えている。
As shown in FIG. 2, the
ブリッジ回路2は、第1固定抵抗器13と、第2固定抵抗器14と、吸着燃焼式ガスセンサとしてのガスセンサユニット15と、を備えている。このガスセンサユニット15は、感応素子11と補償素子12とを備えている。そして、第2固定抵抗器14と感応素子11とを互いに直列接続することでセンサ回路部10を構成し、第1固定抵抗器13と補償素子12とを互いに直列接続することでレファレンス回路部20を構成している。また、センサ回路部10とレファレンス回路部20とを互いに並列接続することでブリッジ回路2を構成している。ブリッジ回路2における第1固定抵抗器13と第2固定抵抗器14とを接続する信号線は、電圧供給源5に接続されている。ブリッジ回路2における感応素子11と補償素子12とを接続する信号線は接地点(GND)に接続されている。また、他のブリッジ回路として、上記センサ回路部10を、感応素子11と補償素子12とを直列接続して構成し、且つ、上記レファレンス回路部20を、第1固定抵抗器13と第2固定抵抗器14とを直列接続して、構成するようにしてもよい。
The
ガスセンサユニット15は、図3(A)〜(C)に示すように、所定厚さ(例えば、400μm程度)のシリコン(Si)ウェハ41上に、所定厚さ(例えば、600nm程度)の酸化シリコン(SiO2)膜48c、所定厚さ(例えば、250nm程度)の窒化シリコン(SiN)膜48b、および所定厚さ(例えば、30nm程度)の酸化ハフニウム(HfO2)膜48aの絶縁薄膜が順次成膜され、多層絶縁膜が形成されている。
As shown in FIGS. 3A to 3C, the
この多層絶縁膜上に、感応素子11として、所定厚さ(例えば、250nm程度)の第1のヒータとしての白金(Pt)ヒータ42が形成されていると共に、この白金ヒータ42と熱的に接触するとともに、触媒物質として、例えば、検出対象ガスを吸着及び燃焼させるパラジウム(Pd)などの白金族を担持した酸化アルミニウム(Al2O3)からなる触媒層43が所定厚さ(例えば、1〜40μm程度)で形成されている。
A platinum (Pt)
また、多層絶縁膜上には、補償素子12として、所定厚さ(例えば、250nm程度)の第2のヒータとしての白金(Pt)ヒータ44と、この白金ヒータ44と熱的に接触する酸化アルミニウム(Al2O3)のみからなる非触媒層45が所定厚さ(例えば、1〜40μm程度)で形成されている。
Further, on the multilayer insulating film, as the
また、図3(C)に示すように、シリコンウェハ41を異方性エッチングして、感応素子11及び補償素子12に対応する位置に凹部46、47を形成し、それにより、上述の各絶縁薄膜による薄膜ダイヤフラムDsおよびDrが形成されている。
Further, as shown in FIG. 3C, the
感応素子11及び補償素子12は、検出対象ガスを含まない雰囲気中において、後述する電圧供給源5によって低温駆動電圧及び高温駆動電圧が供給されたのちにそれらの温度変化が収束した定常状態では、感応素子11の白金ヒータ42と補償素子12の白金ヒータ44とが同一の抵抗値となるように形成されている。
The
また、感応素子11は触媒層43を備えているとともに、補償素子12は非触媒層45を備えている(即ち、触媒を備えていない)ので、電圧供給源5によってブリッジ回路2(センサ回路部10及びレファレンス回路部20)に所定の低温駆動電圧が供給されると、感応素子11では検出対象ガスが触媒層43に吸着され、その一方で、補償素子12では検出対象ガスが非触媒層45に吸着されず、そして、電圧供給源5によってブリッジ回路2に所定の高温駆動電圧が供給されると、感応素子11では触媒により検出対象ガスが燃焼し、その一方で、補償素子12では検出対象ガスが燃焼しない。即ち、感応素子11は検出対象ガスと感応し、補償素子12は検出対象ガスと感応しない。
In addition, since the
このため、感応素子11及び補償素子12は、検出対象ガスを含む雰囲気中において、電圧供給源5によって低温駆動電圧が供給されたのちに高温駆動電圧が供給されると、感応素子11に吸着した検出対象ガスが爆発的に燃焼する。すると、この燃焼エネルギーにより感応素子11の温度が補償素子12の温度より高くなり、感応素子11と補償素子12とのそれぞれに検出対象ガスの濃度に応じた温度差が生じて、この温度差によって感応素子11の白金ヒータ42と補償素子12の白金ヒータ44との抵抗値に差が生じる。そして、この抵抗値の差が、第2固定抵抗器14及び感応素子11間(即ち、センサ回路部10の中点)と第1固定抵抗器13及び補償素子12間(即ち、レファレンス回路部20の中点)との間、つまり、ブリッジ回路2における一対の中点間に、電位差として現れる。この一対の中点間の電位差を「中点電位差Vc」といい、この中点電位差Vcに基づいてガス濃度が検出される。
Therefore, when the high temperature driving voltage is supplied after the low temperature driving voltage is supplied from the
ガスセンサユニット15は、図示しない気体収容室内に設置されている。この気体収容室には、検出対象ガスを含まない0ガス雰囲気(エアベース)、及び、検出対象ガスの濃度を検出する雰囲気(被検ガス)が、後述するマイクロコンピュータ60の制御によって充填される。
The
第1固定抵抗器13及び第2固定抵抗器14は、予め定められた固定値の電気抵抗を生じる周知の電子部品である。第1固定抵抗器13及び第2固定抵抗器14は、複数の固定抵抗器を直列、並列、または、直列及び並列に組み合わせて構成してもよく、或いは、ガス濃度測定時に抵抗値を固定して用いるものであれば、例えば、平衡調整のためなどに抵抗値を変更できる、可変抵抗器であってもよい。第1固定抵抗器13及び第2固定抵抗器14は、検出対象ガスを含まない雰囲気中において、これら第1固定抵抗器13、第2固定抵抗器14及びガスセンサユニット15のみで構成されたブリッジ回路2に電圧供給源5によって高温駆動電圧が供給されたときに、感応素子11の温度及び補償素子12の温度の変化が収束した定常状態で平衡となるように、即ち、一対の中点間に生じる中点電位差Vcが0となるように、それぞれの抵抗値が定められている。本実施形態においては、第1固定抵抗器13の抵抗値が200Ω、第2固定抵抗器14の抵抗値が200Ωに設定されている。これら抵抗値は一例であって、ガス濃度検出装置又は検出対象ガスの種類などに応じて適宜定められる。また、ブリッジ回路2には、上記固定抵抗器とは別に可変抵抗器(半固定抵抗器やデジタルポテンショメータなど)を設けて、上記定常状態での平衡調整を可能とする構成としてもよい。
The first
感応素子11の抵抗値をRs、補償素子12の抵抗値をRr、第1固定抵抗器13の抵抗値をR1、第2固定抵抗器14の抵抗値をR2、ブリッジ回路2への供給電圧をVbrg、とすると、上記中点電位差Vcは、以下の式(3)で表される。
The resistance value of the
Vc=((Rs/(R2+Rs))−(Rr/(R1+Rr)))×Vbrg・・・(3) Vc = ((Rs / (R2 + Rs)) − (Rr / (R1 + Rr))) × Vbrg (3)
電圧供給源5は、ブリッジ回路2に所定の電圧を供給する電圧供給回路である。電圧供給源5は、後述するMPU60に接続されるとともに、該MPU60からの電圧制御信号に応じて、感応素子11の温度が検出対象ガスを吸着する低温(例えば、200度)となる低温駆動電圧、及び、感応素子11の温度が感応素子11に吸着した検出対象ガスを燃焼させる高温(例えば、400度)となる高温駆動電圧、などのパルス状の供給電圧Vbrgをブリッジ回路2に供給する。これらの低温及び高温は一例であり、ガス濃度検出装置の構成又は検出対象ガスの種類などに応じて適宜定められる。
The
増幅回路9は、増幅部及び電圧加算部としての計装アンプ6と、オフセット電圧生成部としてのオフセット電圧生成回路8と、を備えている。
The amplifying
計装アンプ6は、差動入力・シングルエンド出力の平衡入力アンプであり、同相信号除去比(CMRR)を大きくとれるという特徴を有する周知の増幅器である。計装アンプ6は、それぞれ高インピーダンスの一対の差動入力端子に入力された信号の電位差を、所定の増幅率で増幅して出力する。計装アンプ6の差動入力端子の一方(V+)には、センサ回路部10の中点の信号線が接続されており、他方(V−)には、レファレンス回路部20の中点が接続されている。つまり、計装アンプ6は、センサ回路部10の中点の電位(即ち、第1電圧V1)と、レファレンス回路部20の中点の電位(即ち、第2電圧V2)と、が入力されて、これら第1電圧V1と第2電圧V2の電位差(即ち、中点電位差Vc、詳細には第1電圧V1から第2電圧V2を差し引いた電圧)を、所定の増幅率で増幅して出力電圧Voとして出力端子から出力する。計装アンプ6には出力可能な最大電圧(最大出力電圧)が定められており、計装アンプ6の増幅率は、出力電圧Voがこの最大出力電圧を超えないように定められている。
The instrumentation amplifier 6 is a balanced input amplifier having a differential input and a single-ended output, and is a well-known amplifier having a feature that a common mode rejection ratio (CMRR) can be increased. The instrumentation amplifier 6 amplifies the potential difference between the signals input to the pair of differential inputs with high impedance, respectively, with a predetermined amplification factor, and outputs the amplified signal. The middle point signal line of the
また、計装アンプ6には、オフセット電圧端子Voffsetが設けられている。そして、計装アンプ6は、このオフセット電圧端子Voffsetに入力された電圧を、上記所定の増幅率で増幅した後の電位差に加算したのち、出力電圧Voとして出力する。 The instrumentation amplifier 6 is provided with an offset voltage terminal Voffset. The instrumentation amplifier 6 adds the voltage input to the offset voltage terminal Voffset to the potential difference after being amplified at the predetermined amplification factor, and then outputs it as the output voltage Vo.
オフセット電圧生成回路8は、例えば、図示しない負電圧供給源等から供給される電圧を分圧して互いに異なる複数の定電圧(即ち、オフセット電圧)を生成する複数の分圧回路(図示なし)と、複数の信号系統を備えるとともに、各信号系統の入力側がそれぞれ上記複数の分圧回路のうちいずれか1つに接続され、且つ、各信号系統の出力側が出力信号線として1本にまとめて接続された単極単投型(SPST)のアナログスイッチ(図示なし)と、などで構成されている。アナログスイッチの制御信号線はMPU60に接続されており、アナログスイッチの出力信号線は、計装アンプ6のオフセット電圧端子Voffsetに接続されている。
The offset
オフセット電圧生成回路8のアナログスイッチは、MPU60からのオフセット電圧切換制御信号に基づいて、各信号系統の入力側に接続された複数の分圧回路のうち1つの分圧回路のみが出力側に接続されるように各信号系統をオン又はオフし、つまり、各信号系統に入力された複数のオフセット電圧のうち1つのオフセット電圧をオフセット電圧端子Voffsetに向けて出力する。なお、オフセット電圧生成回路8は、上述した構成以外にも、例えば、周知のデジタル−アナログ変換器(D/Aコンバータ)と分圧回路とを組み合わせた構成やD/Aコンバータに代えてデジタルポテンショメータを用いた構成など、本発明の目的に反せず、互いに異なる複数のオフセット電圧を生成するとともに、これら複数のオフセット電圧のうち1つのオフセット電圧を出力できるものであれば、その構成は任意である。
Based on the offset voltage switching control signal from the
本実施形態において、オフセット電圧生成回路8は、3つのオフセット電圧(それぞれ、オフセット電圧A(0V)、オフセット電圧B(−3.4V)、及び、オフセット電圧C(−7.2V))、を生成し、オフセット電圧切換制御信号に基づいて、これらオフセット電圧A、B、Cのうち、1つのオフセット電圧を出力する。上記各オフセット電圧は一例であり、ガス濃度検出装置の構成などに応じて適宜定められる。複数のオフセット電圧は、上述した過渡期間において、計装アンプ6の出力電圧Voに含まれる誤差電位差Ve(即ち、増幅後の誤差電位差Ve)を相殺又は小さくするため、オフセット電圧A、B、・・・、nと順次電圧が低くなっていくように設定されているのが望ましい。
In the present embodiment, the offset
A/Dコンバータ7は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する周知のアナログ−デジタル変換器である。A/Dコンバータ7の入力部には、計装アンプ6によって出力された出力電圧Voが入力される。また、A/Dコンバータ7の出力部は、MPU60に接続されており、デジタル信号に変換された出力電圧VoがMPU60に向けて出力される。また、A/Dコンバータ7には、入力可能な最大電圧(最大入力電圧)が定められており、出力電圧Voがこの最大入力電圧を超えないように、計装アンプ6の増幅率が定められている。
The A /
マイクロコンピュータ(MPU)60は、周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置(CPU)61、CPU61のためのプログラムや各種パラメータ(例えば、低温駆動電圧値、高温駆動電圧値、複数のオフセット電圧の数、サンプリング上限数、各種期間値など)を格納した読み出し専用のメモリであるROM62、各種データを格納するとともにCPU61の処理作業に必要なエリア(例えば、ループ変数、誤差電位差格納領域、誤差電位差積分値1、濃度電位差積分値など)を有する読み出し書き込み自在のメモリであるRAM63、及び、電力供給が断たれた場合でも、格納された各種データの保持が可能であり、CPU61の処理作業に必要な各種格納エリア(例えば、オフセット電圧切換情報格納領域、誤差電位差積分値など)を有するEEPROM64等を備えている。CPU61は、ROM62に格納された各種プログラムを実行することにより、オフセット電圧切換手段として機能する。
As is well known, the microcomputer (MPU) 60 is a central processing unit (CPU) 61 that performs various processes and controls in accordance with a predetermined program, programs for the CPU 61 and various parameters (for example, low temperature drive voltage value). ROM 62, which is a read-only memory that stores high-temperature drive voltage values, the number of offset voltages, the sampling upper limit number, various period values, and the like, and an area necessary for processing operations of the CPU 61 (for example, RAM 63 which is a readable / writable memory having a loop variable, an error potential difference storage area, an error potential difference
MPU60は、図示しない入出力ポートや各種インタフェース機能を備えた外部接続部をさらに備えている。MPU60は、この外部接続部を介して、A/Dコンバータ7、電圧供給源5及びオフセット電圧生成回路8(即ち、オフセット電圧生成回路8が備える図示しないアナログスイッチ)と接続されている。MPU60は、A/Dコンバータ7からデジタル信号に変換された出力電圧Vo(即ち、増幅後の中点電位差Vc)を受信して、この出力電圧Voに基づいてガス濃度を検出する。MPU60は、処理に応じて、例えば、低温駆動電圧を所定のガス吸着期間供給した後、高温駆動電圧を所定のガス燃焼期間供給するように、電圧供給源5に向けて電圧制御信号を送信する。MPU60は、処理に応じて、例えば、適切なオフセット電圧が計装アンプ6に向けて出力されるように、オフセット電圧生成回路8に向けてオフセット電圧切換制御信号を送信する。また、MPU60は、この外部接続部を介して、図示しない表示装置に接続されており、例えば、検出した検出対象ガスの濃度に関する情報を含む表示制御信号を、該表示装置に向けて送信する。そして、表示装置は、この表示制御信号に応じた情報、即ち、検出対象ガスの濃度などを表示する。また、MPU60は、この外部接続部を介して、ポンプなどを備えた気体収容室に接続されており、処理に応じて各種気体を該気体収容室に充填する。
The
次に、上述したCPU61が実行する本発明に係る処理(オフセット電圧切換情報取得処理)の一例を、図4に示すフローチャートを参照して、以下に説明する。 Next, an example of processing (offset voltage switching information acquisition processing) according to the present invention executed by the CPU 61 described above will be described below with reference to the flowchart shown in FIG.
ガス濃度検出装置1に電源が投入されると、CPU61は、気体収容室内に検出対象ガスを含まない0ガス雰囲気を充填した後、その処理をステップS110に進める。
When the
ステップS110では、本フローチャートの処理に用いられる、RAM63上に設けられたループ変数を初期化する(オフセット電圧切換ループ回数s=1、サンプリングループ回数n=1)。また、オフセット電圧生成回路8に対して、複数のオフセット電圧のうちひとつのオフセット電圧(例えば、オフセット電圧A)を計装アンプ6に向けて出力するためのオフセット電圧切換制御信号を送信する。そして、ステップS120に進む。
In step S110, a loop variable provided on the RAM 63 used for the processing of this flowchart is initialized (offset voltage switching loop count s = 1, sampling loop count n = 1). Further, an offset voltage switching control signal for outputting one of the plurality of offset voltages (for example, offset voltage A) to the instrumentation amplifier 6 is transmitted to the offset
ステップS120では、電圧供給源5に対して、ブリッジ回路2に低温駆動電圧を供給するための電圧制御信号を送信する。そして、ステップS130に進む。
In step S <b> 120, a voltage control signal for supplying a low temperature driving voltage to the
ステップS130では、感応素子11の温度及び補償素子12の温度が安定するまで(温度安定期間、例えば、60秒)待つ。そして、温度安定期間が経過した後、ステップS140に進む。
In step S130, the process waits until the temperature of the
ステップS140では、オフセット電圧生成回路8に対して、オフセット電圧切換ループ回数sに応じたオフセット電圧(s=1のときはオフセット電圧A、s=2のときはオフセット電圧B、s=3のときはオフセット電圧C)を計装アンプ6に向けて出力するためのオフセット電圧切換制御信号を送信する。そして、ステップS150に進む。
In step S140, the offset
ステップS150では、電圧供給源5に対して、ブリッジ回路2に、高温駆動電圧を供給するための電圧制御信号を送信する。そして、ステップS160に進む。
In step S150, a voltage control signal for supplying a high temperature driving voltage to the
ステップS160では、計装アンプ6で増幅されるとともにA/Dコンバータ7でデジタル信号に変換された中点電位差Vcを、誤差電位差Veとして取得して、RAM63上に設けられた誤差電位差格納領域[s、n]に格納する。この誤差電位差格納領域[s、n]は二次元配列データ構造を有しており、オフセット電圧切換ループ回数s及びサンプリングループ回数nをインデックスとして、取得した誤差電位差Veの格納位置が指定される。例えば、オフセット電圧切換ループ回数s=1で、サンプリングループ回数n=3のときは、誤差電位差Veは誤差電圧格納領域[1、3]に格納される。その後、サンプリングループ回数nを1増加する。そして、ステップS170に進む。
In step S160, the midpoint potential difference Vc amplified by the instrumentation amplifier 6 and converted into a digital signal by the A /
ステップS170では、所定のサンプリング間隔時間が経過するまで待つ。このサンプリング間隔時間とは、一例を挙げると、サンプリングが行われる期間(過渡期間、例えば、400ms)をROM62に格納された所定のサンプリング上限数(例えば、400回)で除した値(例えば、1ms)などが用いられる。サンプリング間隔時間は、概ね、数百μs〜数msの範囲で設定される。そして、サンプリング間隔時間が経過した後、ステップS180に進む。 In step S170, the process waits until a predetermined sampling interval time elapses. For example, the sampling interval time is a value (for example, 1 ms) obtained by dividing a sampling period (transient period, for example, 400 ms) by a predetermined sampling upper limit number (for example, 400 times) stored in the ROM 62. ) Etc. are used. The sampling interval time is generally set in the range of several hundred μs to several ms. And after sampling interval time passes, it progresses to step S180.
ステップS180では、サンプリングループ回数nがサンプリング上限数を超えたか否かを判定し、サンプリング上限数を超えていたときは、現在のオフセット電圧における誤差電位差Veの取得が終了したものとして、オフセット電圧切換ループ回数sを1増加したのち、ステップS190に進み(S180でY)、サンプリング上限数以下のときは、現在のオフセット電圧における誤差電位差Veの取得を継続するものとして、ステップS160に戻る(S180でN)。 In step S180, it is determined whether or not the sampling loop count n has exceeded the upper sampling limit, and if it has exceeded the upper sampling limit, it is determined that the acquisition of the error potential difference Ve at the current offset voltage has been completed, and the offset voltage switching is performed. After increasing the number of loops s by 1, the process proceeds to step S190 (Y in S180). When the number is less than the upper limit of sampling, the acquisition of the error potential difference Ve at the current offset voltage is continued, and the process returns to step S160 (in S180). N).
ステップS190では、オフセット電圧切換ループ回数sが、ROM62に格納された、オフセット電圧生成回路8において生成される複数のオフセット電圧の数(即ち、3つ)を超えたか否かを判定し、複数のオフセット電圧の数を超えていたときは、複数のオフセット電圧A、B、Cの全てにおいて誤差電位差Veの取得が終了したものとして、ステップS200に進み(S190でY)、複数のオフセット電圧の数以下のときは、まだ誤差電位差Veを取得していないオフセット電圧が残っているものとして、ステップS120に戻る(S190でN)。
In step S190, it is determined whether or not the number of offset voltage switching loops s exceeds the number of offset voltages generated in the offset
ステップS200では、ループ変数等を初期化する(サンプリングループ回数n=1、誤差電位差積分値1=0)。そして、ステップS210に進む。
In step S200, loop variables and the like are initialized (sampling loop number n = 1, error potential difference
ステップS210では、誤差電位差格納領域[s、n]においてサンプリングタイミングが同一(即ち、nが同一)のものの中から、誤差電位差Veが0より大きく且つ最も小さいものを選定し、この選定された誤差電位差格納領域[s、n]におけるオフセット電圧を特定する情報(即ち、s)を、EEPROM64上に設けられたオフセット電圧切換情報格納領域[n]に格納する。このオフセット電圧切換情報格納領域[n]は、一次元配列データ構造を有しており、サンプリングループ回数nをインデックスとして、オフセット電圧を示す情報の格納位置が指定される。一例を挙げると、誤差電位差格納領域[1、35]=7.5V、誤差電位差格納領域[2、35]=4V、誤差電位差格納領域[3、35]=0Vのとき、オフセット電圧切換情報格納領域[35]に、誤差電位差Veが0より大きく且つ最も小さい「2」を格納する。そして、ステップS220に進む。なお、本実施形態においては、誤差電位差格納領域[s、n]においてサンプリングタイミングが同一(即ち、nが同一)のものの中から、誤差電位差Veが0より大きく且つ最も小さいものを選定するものであったが、これに限らず、例えば、各素子の経時劣化などに伴う抵抗値の変動等により誤差電位差Veが0を下回るのを防ぐためなど、所定の最低電圧以上(例えば、0.5V以上など)で且つ最も小さいものを選定するようにしてもよい。 In step S210, the error potential difference Ve that is larger than 0 and the smallest is selected from those having the same sampling timing (that is, n is the same) in the error potential difference storage area [s, n]. Information specifying the offset voltage in the potential difference storage area [s, n] (ie, s) is stored in the offset voltage switching information storage area [n] provided on the EEPROM 64. The offset voltage switching information storage area [n] has a one-dimensional array data structure, and the storage position of information indicating the offset voltage is designated using the sampling loop number n as an index. For example, when the error potential difference storage area [1, 35] = 7.5 V, the error potential difference storage area [2, 35] = 4 V, and the error potential difference storage area [3, 35] = 0 V, the offset voltage switching information is stored. In the area [35], “2”, which has the error potential difference Ve larger than 0 and smallest, is stored. Then, the process proceeds to step S220. In the present embodiment, the error potential difference Ve is larger than 0 and the smallest is selected from those having the same sampling timing (that is, n is the same) in the error potential difference storage area [s, n]. However, the present invention is not limited to this. For example, in order to prevent the error potential difference Ve from being lower than 0 due to a change in resistance value due to deterioration of each element with time or the like, a predetermined minimum voltage or higher (for example, 0.5 V or higher). Etc.) and the smallest one may be selected.
ステップS220では、ステップS210で選定された誤差電位差格納領域[s、n]に格納されている誤差電位差VeをRAM63上に設けられた誤差電位差積分値1に積算する。そして、サンプリングループ回数nを1増加する。そして、ステップS230に進む。
In step S220, the error potential difference Ve stored in the error potential difference storage area [s, n] selected in step S210 is integrated with the error potential difference
ステップS230では、サンプリングループ回数nがサンプリング上限数を超えたか否かを判定し、サンプリング上限数を超えていたときは、誤差電位差積分値1の算出が終了したものとして、ステップS240に進み(S230でY)、サンプリング上限数以下のときは、誤差電位差積分値1の算出途中として、ステップS210に戻る(S230でN)。
In step S230, it is determined whether or not the number of sampling loops n has exceeded the upper limit number of sampling. If the upper limit number of sampling has been exceeded, the calculation of the error potential difference
ステップS240では、ステップS220で積算した誤差電位差積分値1を、EEPROM64上に設けられた誤差電位差積分値に格納する。そして、本フローチャートの処理を終了する。
In step S240, the error potential difference
次に、上述したCPU61が実行する本発明に係る処理(ガス濃度検出処理)の一例を、図5に示すフローチャートを参照して、以下に説明する。 Next, an example of processing (gas concentration detection processing) according to the present invention executed by the CPU 61 described above will be described below with reference to the flowchart shown in FIG.
上述した、オフセット電圧切換情報取得処理が終了した後、CPU61は、気体収容室内に検出対象ガスの濃度を検出する雰囲気(被検ガス)を充填した後、その処理をステップT110に進める。 After the above-described offset voltage switching information acquisition processing is completed, the CPU 61 fills the atmosphere (test gas) for detecting the concentration of the detection target gas in the gas storage chamber, and then advances the processing to step T110.
ステップT110では、本フローチャートの処理に用いられる、RAM63上に設けられたループ変数等を初期化する(サンプリングループ回数n=1、濃度電位差積分値=0)。そして、ステップT120に進む。 In step T110, a loop variable or the like provided on the RAM 63 used for the processing of this flowchart is initialized (sampling loop number n = 1, concentration potential difference integral value = 0). Then, the process proceeds to Step T120.
ステップT120では、電圧供給源5に対して、ブリッジ回路2に低温駆動電圧を供給するための電圧制御信号を送信する。そして、ステップT130に進む。
In Step T120, a voltage control signal for supplying a low temperature driving voltage to the
ステップT130では、感応素子11の温度及び補償素子12の温度が安定するとともに、感応素子11に検出対象ガスを吸着させるためのガス吸着期間が経過するまで(例えば、60秒)待つ。そして、ガス吸着期間が経過した後、ステップT140に進む。
In step T130, the temperature of the
ステップT140では、電圧供給源5に対して、ブリッジ回路2に、高温駆動電圧を供給するための電圧制御信号を送信する。そして、ステップT150に進む。
In step T140, a voltage control signal for supplying a high temperature driving voltage to the
ステップT150では、当該サンプリングタイミング(即ち、サンプリングループ回数n)に対応するオフセット電圧切換情報格納領域[n]に格納されたオフセット電圧を特定する情報(即ち、オフセット電圧切換情報)を読み出す。そして、ステップT160に進む。 In Step T150, information specifying the offset voltage (that is, offset voltage switching information) stored in the offset voltage switching information storage area [n] corresponding to the sampling timing (that is, the sampling loop number n) is read. Then, the process proceeds to Step T160.
ステップT160では、オフセット電圧生成回路8に対して、ステップT150で読み出した情報によって特定されるオフセット電圧を計装アンプ6に向けて出力するためのオフセット電圧切換制御信号を送信する。そして、ステップT170に進む。
In step T160, an offset voltage switching control signal for outputting the offset voltage specified by the information read in step T150 to the instrumentation amplifier 6 is transmitted to the offset
ステップT170では、計装アンプ6で増幅されるとともにA/Dコンバータ7でデジタル信号に変換された中点電位差Vcを、ガス濃度電位差として取得して、RAM63上に設けた濃度電位差積分値に積算する。その後、サンプリングループ回数nを1増加する。そして、T180に進む。
In step T170, the midpoint potential difference Vc amplified by the instrumentation amplifier 6 and converted into a digital signal by the A /
ステップT180では、上述した所定のサンプリング間隔時間が経過するまで待つ。そして、サンプリング間隔時間が経過した後、ステップT190に進む。 In step T180, the process waits until the predetermined sampling interval time described above elapses. And after sampling interval time passes, it progresses to step T190.
ステップT190では、サンプリングループ回数nがサンプリング上限数を超えたか否かを判定し、サンプリング上限数を超えていたときは、濃度電位差積分値の算出が終了したものとして、ステップT200に進み(T190でY)、サンプリング上限数以下のときは、濃度電位差積分値の算出途中として、ステップT150に戻る(T190でN)。 In step T190, it is determined whether or not the number of sampling loops n has exceeded the upper limit of sampling. If the upper limit of sampling has been exceeded, it is determined that the calculation of the concentration potential difference integral value has been completed, and the process proceeds to step T200 (in T190). Y) If the number is not more than the sampling upper limit number, the process returns to step T150 in the middle of calculating the concentration potential difference integral value (N in T190).
ステップT200では、ステップT170で積算した濃度電位差積分値から、EEPROM64に格納された誤差電位差積分値を差し引いた値を算出し、ROM62上に予め格納された、電位差積分値及びガス濃度の関係についての変換テーブルに基づいて、当該算出した値からガス濃度を求め、このガス濃度についての情報を含む表示情報を生成して、表示装置に対して送信する。そして、再度ガス濃度を測定するため、ステップT110に戻る(フローチャート終了)。 In step T200, a value obtained by subtracting the error potential difference integral value stored in the EEPROM 64 from the concentration potential difference integral value accumulated in step T170 is calculated, and the relationship between the potential difference integral value and the gas concentration stored in advance in the ROM 62 is calculated. Based on the conversion table, the gas concentration is obtained from the calculated value, and display information including information on the gas concentration is generated and transmitted to the display device. Then, the process returns to step T110 to measure the gas concentration again (end of the flowchart).
なお、上述したステップT150、T160が、請求項中のオフセット電圧切換手段に相当する。また、上記ではオフセット電圧切換情報取得処理及びガス濃度検出処理を別々に説明するものであったが、これら処理は別々に行われてもよく、又は、補正情報取得処理に連続してガス濃度検出処理を行ってもよい。 The steps T150 and T160 described above correspond to the offset voltage switching means in the claims. In the above description, the offset voltage switching information acquisition process and the gas concentration detection process are separately described. However, these processes may be performed separately, or the gas concentration detection is performed continuously with the correction information acquisition process. Processing may be performed.
次に、上述したガス濃度検出装置1における本発明に係る動作(作用)について説明する。
Next, the operation (action) according to the present invention in the above-described gas
ガス濃度検出装置1は、気体収容室内に検出対象ガスを含まない0ガス雰囲気を充填したのち、オフセット電圧切換情報取得処理のための初期化処理を実行する(S110)。そして、ブリッジ回路2に対して低温駆動電圧を供給し(S120、S130)、オフセット電圧Aを計装アンプ6に向けて出力した後(S140)、ブリッジ回路2に対して高温駆動電圧を供給して(S150)、所定のサンプリングタイミング毎に、中点電位差Vc(即ち、誤差電位差Ve)を取得するとともにRAM63に格納(記憶)する(S160〜S180)。そして、オフセット電圧生成回路8を切り換えて、オフセット電圧B及びオフセット電圧Cを順次計装アンプ6に向けて出力して、これらオフセット電圧B及びオフセット電圧Cについても、上記一連の誤差電位差Ve取得動作(S120〜S180)を行う。
The gas
そして、複数のオフセット電圧A、B、Cのそれぞれを用いて取得した誤差電位差Veについて、同一のサンプリングタイミングで取得した誤差電位差Veを互いに比較して、誤差電位差Veが0より大きく且つ最も小さい値となるオフセット電圧を、当該サンプリングタイミングにおいて最も誤差電位差Veを小さくできるオフセット電圧として、このオフセット電圧を特定する情報(即ち、オフセット電圧切換情報)をEEPROM64に格納(記憶)する(S210)。このようにして、すべてのサンプリングタイミングについて、オフセット電圧切換情報を生成する。また、同時に誤差電位差積分値も生成する(S220)。 For the error potential difference Ve acquired using each of the plurality of offset voltages A, B, and C, the error potential difference Ve acquired at the same sampling timing is compared with each other, and the error potential difference Ve is greater than 0 and the smallest value The offset voltage that becomes the offset voltage that can minimize the error potential difference Ve at the sampling timing is stored (stored) in the EEPROM 64 (ie, the offset voltage switching information) (S210). In this way, offset voltage switching information is generated for all sampling timings. At the same time, an error potential difference integral value is also generated (S220).
次に、ガス濃度検出装置1は、気体収容室内に検出対象ガスの濃度を検出する雰囲気を充填したのち、ガス濃度検出処理のための初期化処理を実行する(T110)。そして、ブリッジ回路2に対して低温駆動電圧を所定のガス吸着期間供給して感応素子11に検出対象ガスを吸着させた後(T120、T130)、ブリッジ回路2に対して高温駆動電圧をサンプリングが行われる期間(即ち、ガス燃焼期間)供給して(T140)、所定のサンプリングタイミング毎に、EEPROM64から読み出した当該サンプリングタイミングに対応するオフセット電圧切換情報に基づいて(T150)、複数のオフセット電圧A、B、Cのうち、誤差電位差Veが最も小さくなるオフセット電圧を計装アンプ6に向けて出力して(T160)、中点電位差Vcをガス濃度電位差として取得するとともに積算(即ち、積分)する(T170)。このようにして、すべてのサンプリングタイミングについて、上記ガス濃度電位差を取得、積分、及び、積算して、濃度電位差積分値を算出する。そして、最後に、濃度電位差積分値から誤差電位差積分値を差し引いた値を、変換テーブルと照らし合わせてガス濃度を求め、表示装置に表示する(T200)。
Next, the gas
図6に、上述した本発明に係るガス濃度検出装置1において測定した誤差電位差Ve(増幅率200倍)のグラフを示し、図7に、オフセット電圧A、B、Cのうちいずれかひとつのみを計装アンプ6に入力する、従来の構成(図9)のガス濃度検出装置(順に従来構成A、B、Cという)において測定した誤差電位差Ve(増幅率200倍)のグラフを示す。図6及び図7のグラフは、本発明に係るガス濃度検出装置1及び従来構成A、B、Cのガス濃度検出装置のそれぞれの増幅率を同一にして取得したものである。また、図8に、本発明に係るガス濃度検出装置において測定した誤差電位差Veを最大電圧が10V(即ち、A/Dコンバータ7における最大入力電圧)になるまで増幅したときのグラフと、従来構成Aのガス濃度検出装置において測定した誤差電位差Veを最大電圧が10Vになるまで増幅したときのグラフと、を示す。
FIG. 6 shows a graph of the error potential difference Ve (
図6のグラフから、本発明に係るガス濃度検出装置1は、0〜10msではオフセット電圧A、11〜35msではオフセット電圧B、36〜180msではオフセット電圧C、181〜265msではオフセット電圧B、266〜400msではオフセット電圧Aに、順次切り換えられて計装アンプ6に向けて出力されており、そのため、誤差電位差Veの最大値が4V程度に抑えられていることがわかった。その一方で、図7のグラフから、従来構成Aのガス濃度検出装置では、誤差電位差Veの最大値が約10Vになり、また、従来構成B及び従来構成Cのガス濃度検出装置では誤差電位差Veの最大値は従来構成Aより若干低いものの、各素子の温度が安定する定常状態(概ね400ms以降)に達する前に誤差電位差Veが0Vになる区間が生じてしまい、つまり、過渡期間の一部のみしか正常に測定できないことがわかった。
From the graph of FIG. 6, the gas
そして、計装アンプ6の後段に接続されたA/Dコンバータ7の最大入力電圧を10Vとしたとき、図8に示すように、従来構成Aのガス濃度検出装置が備える計装アンプ6の増幅率を1とすると、本発明に係るガス濃度検出装置1では、計装アンプ6の増幅率を2.5倍に設定することができた。このことから、本発明によれば、従来のガス濃度検出装置より高い増幅率を設定することができるので、検出感度を向上できる。なお、実際に検出対象ガスの濃度を測定するときは、誤差電位差Veに濃度に応じた電圧が加わるので、A/Dコンバータ7の最大入力電圧を超過しないように、これら増幅率より低い値が設定される。
Then, when the maximum input voltage of the A /
以上より、本発明によれば、増幅回路9には、ブリッジ回路2における一対の中点間に生じる中点電位差Vcを所定の増幅率で増幅するとともに、該増幅された中点電位差Vcにオフセット電圧端子Voffsetに入力されたオフセット電圧を加算して出力する、計装アンプ6と、互いに異なる複数のオフセット電圧A、B、Cを生成するとともに前記複数のオフセット電圧のうち1つの前記オフセット電圧を計装アンプ6のオフセット電圧端子Voffsetに向けて出力するオフセット電圧生成回路8と、が設けられ、そして、電圧供給源5によってブリッジ回路2に高温駆動電圧が供給されたあとの感応素子11及び補償素子12の温度が上昇する過渡期間において、予め設定されたオフセット電圧切換情報に基づき、前記複数のオフセット電圧のうち、前記感応素子11と前記補償素子12との温度上昇特性の差異によって生じるとともに計装アンプ6によって増幅された中点電位差Vc(即ち、増幅後の誤差電位差Ve)に加算されることにより該誤差電位差Veを0より大きく且つ最も小さくする前記オフセット電圧が出力されるように、オフセット電圧生成回路8を制御するので、予め設定された複数のオフセット電圧A、B、Cのうち、上記過渡期間における増幅後の誤差電位差Veが所定の最低電圧以上で且つ最小となるオフセット電圧を該誤差電位差Veに加算することができ、そのため、上記過渡期間における増幅後の誤差電位差Veの最小値と最大値との差を小さくして、計装アンプ6における増幅率をより高めることができ、検出感度を向上できる。また、従来のブリッジ回路2をそのまま用いることができるとともに、増幅回路9についても簡易な回路で構成でき、さらに、オフセット電圧生成回路8に対する制御も簡易であるので、検出感度を向上できるガス検出装置1を低コストで提供できる。また、感応素子11を備えたセンサ回路部10と補償素子12を備えたレファレンス回路部20とが並列に接続された構成のブリッジ回路2において、該ブリッジ回路2の平衡調整が困難である場合でも、オフセット電圧を調整することのみで、ブリッジ回路2の平衡を調整したことと同様の効果が得られる。さらに、ガスセンサユニット15の感応素子11と補償素子12との温度上昇特性を高精度で一致させる必要がないので、現状の素子が利用でき、さらに、コストを低減することができる。
As described above, according to the present invention, the amplifying
本実施形態では、オフセット電圧生成回路8は、3つのオフセット電圧A、B、Cを生成するものであったが、これに限らず、互いに異なる複数のオフセット電圧であれば、その数は任意である。また、オフセット電圧の数が多いほど、上述した誤差電位差Veの最小値と最大値との差をより小さくすることが可能となる。
In the present embodiment, the offset
また、本実施形態では、実測に基づいて、オフセット電圧切換情報を設定するものであったが、これに限らず、例えば、ブリッジ回路2及び計装アンプ6について、コンピュータ上でシミュレーションを行った結果に基づいてオフセット電圧切換情報を求めて、事前にEEPROM64(又は、ROM62)に設定しておくなど、本発明の目的に反しない限り、オフセット電圧生成回路8によって生成される複数のオフセット電圧のうち、過渡期間において誤差電位差が最も小さくなるオフセット電圧を計装アンプ6に向けて出力できるオフセット電圧切換情報であれば、その設定方法は任意である。
Further, in the present embodiment, the offset voltage switching information is set based on actual measurement. However, the present invention is not limited to this, and for example, a result of simulation on the computer for the
また、本実施形態は検出対象ガスの濃度を検出するものであったが、これに限らず、本発明は、成分不明の被検ガスに含まれるガスの種別を検出するガス種別検出装置など、他の種類のガス検出装置に適用してもよい。 Although the present embodiment detects the concentration of the detection target gas, the present invention is not limited to this, and the present invention includes a gas type detection device that detects the type of gas contained in the test gas whose component is unknown, You may apply to another kind of gas detection apparatus.
なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。 In addition, embodiment mentioned above only showed the typical form of this invention, and this invention is not limited to embodiment. That is, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 ガス濃度検出装置(ガス検出装置)
2 ブリッジ回路
5 電圧供給源
6 計装アンプ(増幅部、電圧加算部)
7 A/Dコンバータ
8 オフセット電圧生成回路(オフセット電圧生成部)
9 増幅回路
10 センサ回路部
11 感応素子
12 補償素子
15 ガスセンサユニット(吸着燃焼式ガスセンサ)
20 レファレンス回路部
60 MPU
61 CPU(オフセット電圧切換手段)
1 Gas concentration detector (gas detector)
7 A /
DESCRIPTION OF
20
61 CPU (offset voltage switching means)
Claims (1)
前記増幅回路には、前記一対の中点間に生じる電位差を所定の増幅率で増幅する増幅部と、互いに異なる複数のオフセット電圧を生成するとともに前記複数のオフセット電圧のうち1つの前記オフセット電圧を出力するオフセット電圧生成部と、前記オフセット電圧生成部が出力する前記オフセット電圧を、前記増幅部で増幅された前記電位差に加算する電圧加算部と、が設けられ、そして、
前記電圧供給源によって前記ブリッジ回路に前記高温駆動電圧が供給されたあとの前記感応素子及び前記補償素子の温度が上昇する過渡期間において、予め設定されたオフセット電圧切換情報に基づき、前記複数のオフセット電圧のうち、前記感応素子と前記補償素子との温度上昇特性の差異によって生じるとともに前記増幅部によって増幅された前記電位差に加算されることにより該電位差を所定の最低電圧以上で且つ最も小さくする前記オフセット電圧が出力されるように、前記オフセット電圧生成部を制御するオフセット電圧切換手段が設けられている
ことを特徴とするガス検出装置。 (A) a bridge circuit including an adsorption combustion type gas sensor composed of a sensitive element sensitive to the detection target gas and a compensation element not sensitive to the detection target gas; and (b) a low temperature at which the temperature of the sensitive element adsorbs the detection target gas. A voltage supply source that sequentially supplies the bridge circuit with a low temperature driving voltage that becomes a high temperature driving voltage at which the temperature of the sensitive element becomes a high temperature for burning the detection target gas adsorbed on the sensitive element; In the gas detection device having an amplification circuit connected to a pair of midpoints in the bridge circuit,
The amplifying circuit amplifies a potential difference generated between the pair of midpoints at a predetermined amplification factor, generates a plurality of offset voltages different from each other, and generates one offset voltage among the plurality of offset voltages. An offset voltage generation unit that outputs, and a voltage addition unit that adds the offset voltage output by the offset voltage generation unit to the potential difference amplified by the amplification unit, and
In a transient period in which the temperature of the sensitive element and the compensating element rises after the high temperature driving voltage is supplied to the bridge circuit by the voltage supply source, based on preset offset voltage switching information, the plurality of offsets Among the voltages, the potential difference is caused by a difference in temperature rise characteristics between the sensitive element and the compensating element and added to the potential difference amplified by the amplifying unit, thereby making the potential difference equal to or higher than a predetermined minimum voltage and minimized. A gas detection apparatus comprising an offset voltage switching means for controlling the offset voltage generator so that an offset voltage is output.
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