JP2011052976A - Gas detector - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas detector capable of improving detection sensitivity of a gas to be detected by heightening an amplification factor even in the case of the occurrence of an error potential difference due to the difference in temperature rise characteristics between a sensing element and a compensation element of an adsorption combustion gas sensor. <P>SOLUTION: The gas detector 1 includes an amplification part 6a for amplifying a midpoint potential difference of a bridge circuit 2 provided with the adsorption combustion gas sensor 15 at a prescribed amplification factor; an offset voltage generating part 8 for generating a plurality of offset voltages different from one another; and a voltage addition part 6b for adding the offset voltages to an amplified midpoint potential difference. The gas detector 1 is provided with an offset voltage changeover means 61a for controlling the offset voltage generating part in such a way as to output such an offset voltage as to minimize an error potential difference equal to a prescribed minimum voltage or greater from among the plurality of offset voltages on the basis of offset voltage changeover information during the transition period of a temperature rise of each element. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

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 gas detection device 801 shown in FIG. 9 includes a sensor element 810 that is sensitive to a detection target gas, a sensor circuit unit 810 that is connected in series with the sensor element 811, and a sensor circuit unit 810 that is connected in parallel. And a reference circuit unit 820 comprising a compensation element 812 that is insensitive to the detection target gas and a fixed resistor 813 connected in series with the compensation element 812, and the temperature of the detection element 811 is the detection target A voltage supply source 805 that sequentially supplies the bridge circuit 802 with a low temperature driving voltage for adsorbing gas and a high temperature driving voltage for causing the temperature of the sensitive element 811 to burn the detection target gas adsorbed on the sensitive element 811. The first voltage V1 generated between the sensitive element 811 and the fixed resistor 814, the compensation element 812, and the fixed resistor. 813 is connected to the midpoint of the sensor circuit portion 810 and the midpoint of the reference circuit portion 820 so that the second voltage V2 generated between the first voltage V2 and the second voltage V2 is input. The potential difference between the first voltage V1 and the second voltage V2 An instrumentation amplifier 806 that amplifies (hereinafter referred to as “midpoint potential difference Vc”) at a predetermined amplification factor, and an A / D converter that converts the midpoint potential difference Vc amplified by the instrumentation amplifier 806 from an analog value to a digital value 807 and a known microcomputer (MPU) 860 that detects the concentration of the detection target gas based on the midpoint potential difference Vc converted into a digital value by the A / D converter 807. When a high temperature driving voltage is supplied in an atmosphere that does not include the detection target gas, the bridge circuit 802 is balanced in a steady state in which the temperature change of each element converges (that is, the midpoint potential difference Vc is 0). The resistance values of the fixed resistors 813 and 814 are determined. The instrumentation amplifier 806 is provided with an offset voltage terminal, and has a function of adding the voltage input to the offset voltage terminal to the potential difference after amplification. To the offset voltage terminal of the instrumentation amplifier 806, for example, a constant voltage generation circuit 808 composed of a voltage dividing circuit or the like is connected.

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 sensitive element 811 is Rs, the resistance value of the compensation element 812 is Rr, the resistance value of the fixed resistor 814 is R2, the resistance value of the fixed resistor 813 is R1, and the bridge circuit 2 Assuming that the supply voltage is Vbrg, the following expression (1) is obtained.
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 instrumentation amplifier 806, that is, the output voltage Vo of the instrumentation amplifier 806, is assumed that the amplification factor of the instrumentation amplifier 806 is G and the offset voltage input to the offset voltage terminal is Voffset. Is expressed by the following equation (2).
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 instrumentation amplifier 806 is the resistance value R1, the resistance value R2, the supply voltage Vbrg, the amplification factor G, and the offset at which the values are fixed, respectively. The output voltage Vo is determined by the resistance value Rs of the sensitive element 811 and the resistance value Rr of the compensating element 812, the value of which varies with temperature.

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 sensing element 811 of the sensor circuit unit 810 and the compensation element 812 of the reference circuit unit 20 start to rise in temperature when the supply voltage Vbrg is switched from the low temperature driving voltage to the high temperature driving voltage. Since the heat capacity, heat conduction characteristics, heat dissipation characteristics, etc. are different from each other, the temperature rise curve in the transient state (transient period) until the temperature of each element reaches a stable steady state, that is, the temperature rise characteristic is Therefore, a difference occurs in the change of the resistance value with the temperature rise, and the midpoint potential difference Vc due to the difference in the temperature rise characteristic, that is, the error potential difference Ve occurs in the transient period. In order to prevent such an error potential difference Ve caused by the difference in temperature rise characteristics of each element, it is conceivable to improve the accuracy of the manufacturing method of each element or to select it. However, it is not possible to match the temperature rise characteristics completely. Is possible. This error potential difference Ve is amplified with the amplification factor G by the instrumentation amplifier 806 and is included in the output voltage Vo and output. FIG. 10 is a graph of the output voltage Vo (that is, the error potential difference Ve after amplification) of the instrumentation amplifier 806 when driven at high temperature in an atmosphere that does not contain the detection target gas. Such an adsorption combustion type gas sensor performs gas detection based on the change (that is, response waveform) of the midpoint potential difference Vc at the time of high temperature driving, so that the error potential difference caused by the difference in temperature rise characteristics as described above. The influence of Ve affects the accuracy of gas detection.

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 gas detection device 801, in order to avoid the influence of the midpoint potential difference Vc caused by the difference in temperature rise characteristics between the sensitive element 811 and the compensation element 812, that is, the error potential difference Ve, the concentration of the detection target gas is as follows. Was detected.

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 bridge circuit 802. Then, the error potential difference integral value is calculated by integrating the measured middle point potential differences Vc. Next, in the atmosphere for detecting the concentration of the detection target gas, the midpoint potential difference Vc when the high temperature driving voltage is supplied after the low temperature driving voltage is supplied to the bridge circuit 802 is similarly measured at a predetermined sampling period. The concentration potential difference integral value is calculated by integrating the measured plurality of midpoint potential differences Vc. Then, based on a value obtained by subtracting the error potential difference integral value from the concentration potential difference integral value, the concentration of the detection target gas is detected. In this way, the influence of the error potential difference Ve caused by the difference in temperature rise characteristics is avoided, thereby preventing a decrease in accuracy in detecting the concentration of the detection target gas.

特開2005−83950号公報JP 2005-83950 A

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 instrumentation amplifier 806 at a predetermined amplification factor and then input to the A / D converter 807 at the subsequent stage. In general, an instrumentation amplifier has a maximum output voltage (usually the same as or slightly lower than the power supply voltage), so that the voltage output by the instrumentation amplifier 806 is less than or equal to this maximum output voltage. The amplification factor is determined. Similarly, the maximum input voltage is also determined for the A / D converter. Therefore, the amplification factor of the instrumentation amplifier 806 is set so that the voltage input to the A / D converter 807 is equal to or lower than the maximum input voltage. Is determined. And as the amplification factor of the instrumentation amplifier 806 is higher, a minute voltage can be converted into a larger voltage, so that the detection sensitivity can be improved. However, if the value of the above-described error potential difference Ve included in the midpoint potential difference Vc is large, the maximum input voltage or the maximum output voltage is reached even at a low amplification factor, so that the amplification factor of the instrumentation amplifier 806 can be increased. It was not possible to improve the detection sensitivity of the detection target gas.

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 voltage supply source 5 that sequentially supplies the bridge circuit 2 with a high-temperature driving voltage that is a high temperature for burning the detected gas, and (c) an amplifier circuit 9 connected to a pair of midpoints in the bridge circuit 2 The amplifying circuit 9 generates a plurality of offset voltages different from each other, and an amplifying unit 6a that amplifies the potential difference generated between the pair of midpoints at a predetermined amplification factor. In addition, an offset voltage generation unit 8 that outputs one of the plurality of offset voltages, and the offset voltage output by the offset voltage generation unit 8 are added to the potential difference amplified by the amplification unit 6a. And a voltage adding unit 6b, and 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 2 by the voltage supply source 5. Based on preset offset voltage switching information, among the plurality of offset voltages, the difference is caused by a difference in temperature rise characteristics between the sensitive element and the compensating element, and is added to the potential difference amplified by the amplifying unit 6a. The offset voltage that makes the potential difference not less than a predetermined minimum voltage and the smallest As output, it is a gas detection apparatus 1, characterized in that the offset voltage switching means 61a for controlling the offset voltage generator 8 is provided.

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.

本発明のガス検出装置の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the gas detection apparatus of this invention. 本発明のガス検出装置の一実施形態であるガス濃度検出装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the gas concentration detection apparatus which is one Embodiment of the gas detection apparatus of this invention. (A)、(B)及び(C)は、それぞれ、図2のガス濃度検出装置が備えるガスセンサユニットの平面図、背面図、及び、平面図におけるA−A線に沿う断面図である。(A), (B), and (C) are the sectional views which follow the AA line in the top view of a gas sensor unit with which the gas concentration detection apparatus of FIG. 2 is equipped, respectively, and a top view. 図2のガス濃度検出装置が備えるCPUが行うオフセット電圧切換情報取得処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the offset voltage switching information acquisition process which CPU with which the gas concentration detection apparatus of FIG. 2 is provided performs. 図2のガス濃度検出装置が備えるCPUが行うガス濃度検出処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the gas concentration detection process which CPU with which the gas concentration detection apparatus of FIG. 2 is provided. 図2のガス濃度検出装置における計装アンプの出力電圧(増幅後の誤差電位差)を示すグラフである。It is a graph which shows the output voltage (error potential difference after amplification) of the instrumentation amplifier in the gas concentration detection apparatus of FIG. 従来のガス濃度検出装置における計装アンプの出力電圧(増幅後の誤差電位差)を示すグラフである。It is a graph which shows the output voltage (error potential difference after amplification) of the instrumentation amplifier in the conventional gas concentration detection apparatus. 図2のガス濃度検出装置における計装アンプの出力電圧(増幅後の誤差電位差)及び従来のガス濃度検出装置における計装アンプの出力電圧(増幅後の誤差電位差)をそれぞれA/Dコンバータの最大入力電圧まで増幅したグラフである。The output voltage of the instrumentation amplifier (error potential difference after amplification) in the gas concentration detection device of FIG. 2 and the output voltage (error potential difference after amplification) of the instrumentation amplifier in the conventional gas concentration detection device are the maximum of the A / D converter, respectively. It is the graph amplified to the input voltage. 従来のガス濃度検出装置の構成図である。It is a block diagram of the conventional gas concentration detection apparatus. 従来のガス濃度検出装置における計装アンプの出力電圧(増幅後の誤差電位差)のグラフである。It is a graph of the output voltage (error potential difference after amplification) of an instrumentation amplifier in a conventional gas concentration detection device.

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 gas concentration detector 1 includes a bridge circuit 2, a voltage supply source 5, an amplifier circuit 9, an A / D converter 7, a microcomputer 60, a gas storage chamber (not shown), A display device that does not.

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 bridge circuit 2 includes a first fixed resistor 13, a second fixed resistor 14, and a gas sensor unit 15 as an adsorption combustion type gas sensor. The gas sensor unit 15 includes a sensitive element 11 and a compensating element 12. The sensor circuit unit 10 is configured by connecting the second fixed resistor 14 and the sensitive element 11 in series, and the reference circuit unit 20 is configured by connecting the first fixed resistor 13 and the compensation element 12 in series. Is configured. Further, the bridge circuit 2 is configured by connecting the sensor circuit unit 10 and the reference circuit unit 20 in parallel to each other. A signal line connecting the first fixed resistor 13 and the second fixed resistor 14 in the bridge circuit 2 is connected to the voltage supply source 5. A signal line connecting the sensitive element 11 and the compensating element 12 in the bridge circuit 2 is connected to a ground point (GND). As another bridge circuit, the sensor circuit unit 10 is configured by connecting a sensing element 11 and a compensation element 12 in series, and the reference circuit unit 20 is configured by a first fixed resistor 13 and a second fixed resistor. The resistor 14 may be connected in series.

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 gas sensor unit 15 is formed on a silicon oxide (Si) wafer 41 having a predetermined thickness (for example, about 400 μm) and a silicon oxide having a predetermined thickness (for example, about 600 nm). An insulating thin film of a (SiO 2 ) film 48c, a silicon nitride (SiN) film 48b having a predetermined thickness (for example, about 250 nm), and a hafnium oxide (HfO 2 ) film 48a having a predetermined thickness (for example, about 30 nm) is sequentially formed. A multilayer insulating film is formed.

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(Al23)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) heater 42 as a first heater having a predetermined thickness (for example, about 250 nm) is formed as the sensitive element 11 on the multilayer insulating film, and is in thermal contact with the platinum heater 42. In addition, as a catalyst material, for example, a catalyst layer 43 made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) supporting a platinum group such as palladium (Pd) that adsorbs and burns a detection target gas has a predetermined thickness (for example, 1 to 1 About 40 μm).

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(Al23)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 compensation element 12, a platinum (Pt) heater 44 as a second heater having a predetermined thickness (for example, about 250 nm) and aluminum oxide in thermal contact with the platinum heater 44 are provided. A non-catalytic layer 45 made of only (Al 2 O 3 ) is formed with a predetermined thickness (for example, about 1 to 40 μm).

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 silicon wafer 41 is anisotropically etched to form the recesses 46 and 47 at positions corresponding to the sensitive element 11 and the compensating element 12, and thereby each of the above-described insulations. Thin film diaphragms Ds and Dr are formed by a thin film.

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 sensing element 11 and the compensating element 12 are in a steady state in which the temperature change converges after the low temperature driving voltage and the high temperature driving voltage are supplied by the voltage supply source 5 to be described later in an atmosphere that does not include the detection target gas. The platinum heater 42 of the sensitive element 11 and the platinum heater 44 of the compensating element 12 are formed to have the same resistance value.

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 sensitive element 11 includes the catalyst layer 43 and the compensation element 12 includes the non-catalytic layer 45 (that is, does not include a catalyst), the voltage supply source 5 causes the bridge circuit 2 (sensor circuit unit). 10 and the reference circuit unit 20) are supplied with a predetermined low-temperature driving voltage, the detection target gas is adsorbed to the catalyst layer 43 in the sensitive element 11, while the detection target gas is absorbed in the non-catalytic layer 45 in the compensation element 12. When a predetermined high temperature driving voltage is supplied to the bridge circuit 2 by the voltage supply source 5, the detection target gas is burned by the catalyst in the sensitive element 11, while the detection element is detected in the compensation element 12. Gas does not burn. That is, the sensitive element 11 is sensitive to the detection target gas, and the compensation element 12 is not sensitive to the detection target gas.

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 voltage supply source 5 in the atmosphere including the detection target gas, the sensitive element 11 and the compensating element 12 are adsorbed to the sensitive element 11. The detection target gas burns explosively. Then, due to this combustion energy, the temperature of the sensitive element 11 becomes higher than the temperature of the compensating element 12, and a temperature difference corresponding to the concentration of the detection target gas occurs between the sensitive element 11 and the compensating element 12. There is a difference in resistance between the platinum heater 42 of the sensitive element 11 and the platinum heater 44 of the compensating element 12. The difference between the resistance values is between the second fixed resistor 14 and the sensitive element 11 (that is, the middle point of the sensor circuit unit 10) and between the first fixed resistor 13 and the compensation element 12 (that is, the reference circuit unit 20). Between the pair of midpoints in the bridge circuit 2 and appear as a potential difference. The potential difference between the pair of midpoints is referred to as a “midpoint potential difference Vc”, and the gas concentration is detected based on the midpoint potential difference Vc.

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 gas sensor unit 15 is installed in a gas storage chamber (not shown). The gas storage chamber is filled with a zero gas atmosphere (air base) that does not contain the detection target gas and an atmosphere (test gas) for detecting the concentration of the detection target gas under the control of the microcomputer 60 described later. .

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 fixed resistor 13 and the second fixed resistor 14 are well-known electronic components that generate an electric resistance having a predetermined fixed value. The first fixed resistor 13 and the second fixed resistor 14 may be configured by combining a plurality of fixed resistors in series, in parallel, or in series and in parallel, or fixing the resistance value when measuring the gas concentration. For example, a variable resistor that can change the resistance value for balance adjustment may be used. The first fixed resistor 13 and the second fixed resistor 14 are bridge circuits configured only by the first fixed resistor 13, the second fixed resistor 14, and the gas sensor unit 15 in an atmosphere that does not include the detection target gas. 2 is supplied with a high temperature driving voltage by the voltage supply source 5 so that the changes in the temperature of the sensitive element 11 and the temperature of the compensating element 12 are balanced in a steady state, that is, between a pair of midpoints. The respective resistance values are determined so that the generated midpoint potential difference Vc becomes zero. In the present embodiment, the resistance value of the first fixed resistor 13 is set to 200Ω, and the resistance value of the second fixed resistor 14 is set to 200Ω. These resistance values are examples, and are appropriately determined according to the type of gas concentration detection device or detection target gas. Further, the bridge circuit 2 may be provided with a variable resistor (such as a semi-fixed resistor or a digital potentiometer) separately from the fixed resistor so as to enable balance adjustment in the steady state.

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 sensitive element 11 is Rs, the resistance value of the compensation element 12 is Rr, the resistance value of the first fixed resistor 13 is R1, the resistance value of the second fixed resistor 14 is R2, and the supply voltage to the bridge circuit 2 is Assuming Vbrg, the midpoint potential difference Vc is expressed by the following equation (3).

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 voltage supply source 5 is a voltage supply circuit that supplies a predetermined voltage to the bridge circuit 2. The voltage supply source 5 is connected to an MPU 60 to be described later, and in accordance with a voltage control signal from the MPU 60, a temperature driving voltage at which the temperature of the sensitive element 11 becomes a low temperature (for example, 200 degrees) at which the detection target gas is adsorbed. A pulsed supply voltage Vbrg such as a high temperature drive voltage at which the temperature of the sensitive element 11 becomes a high temperature (for example, 400 degrees) for burning the detection target gas adsorbed on the sensitive element 11 is supplied to the bridge circuit 2. These low temperature and high temperature are examples, and are appropriately determined according to the configuration of the gas concentration detection device or the type of detection target gas.

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 circuit 9 includes an instrumentation amplifier 6 as an amplifying unit and a voltage adding unit, and an offset voltage generating circuit 8 as an offset voltage generating unit.

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 sensor circuit unit 10 is connected to one (V +) of the differential input terminals of the instrumentation amplifier 6, and the middle point of the reference circuit unit 20 is connected to the other (V−). Has been. That is, the instrumentation amplifier 6 receives the midpoint potential of the sensor circuit unit 10 (ie, the first voltage V1) and the midpoint potential of the reference circuit unit 20 (ie, the second voltage V2). The potential difference between the first voltage V1 and the second voltage V2 (that is, the midpoint potential difference Vc, specifically, the voltage obtained by subtracting the second voltage V2 from the first voltage V1) is amplified by a predetermined amplification factor to output voltage. Output from the output terminal as Vo. The instrumentation amplifier 6 has a maximum voltage (maximum output voltage) that can be output, and the amplification factor of the instrumentation amplifier 6 is determined so that the output voltage Vo does not exceed the maximum output voltage.

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 voltage generation circuit 8 includes, for example, a plurality of voltage dividing circuits (not shown) that divide a voltage supplied from a negative voltage supply source (not shown) and generate a plurality of different constant voltages (that is, offset voltages). The signal system includes a plurality of signal systems, the input side of each signal system is connected to any one of the plurality of voltage dividing circuits, and the output side of each signal system is connected together as an output signal line. And a single-pole single-throw (SPST) analog switch (not shown). The control signal line of the analog switch is connected to the MPU 60, and the output signal line of the analog switch is connected to the offset voltage terminal Voffset of the instrumentation amplifier 6.

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 MPU 60, the analog switch of the offset voltage generation circuit 8 has only one voltage dividing circuit connected to the output side among a plurality of voltage dividing circuits connected to the input side of each signal system. Thus, each signal system is turned on or off, that is, one offset voltage among a plurality of offset voltages input to each signal system is output to the offset voltage terminal Voffset. In addition to the configuration described above, the offset voltage generation circuit 8 may be, for example, a configuration in which a known digital-analog converter (D / A converter) and a voltage dividing circuit are combined, or a digital potentiometer instead of a D / A converter. The configuration is arbitrary as long as it can generate a plurality of different offset voltages and can output one offset voltage among the plurality of offset voltages without departing from the object of the present invention. .

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 voltage generation circuit 8 generates three offset voltages (offset voltage A (0 V), offset voltage B (-3.4 V), and offset voltage C (-7.2 V), respectively). Generate one of the offset voltages A, B, and C based on the offset voltage switching control signal. Each of the offset voltages is an example, and is appropriately determined according to the configuration of the gas concentration detection device. In order to cancel or reduce the error potential difference Ve included in the output voltage Vo of the instrumentation amplifier 6 (that is, the error potential difference Ve after amplification) in the transition period described above, the plurality of offset voltages are offset voltages A, B,. .. It is desirable that the voltage is set so that the voltage decreases sequentially with n.

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 / D converter 7 is a well-known analog-digital converter that converts an input analog signal into a digital signal and outputs the digital signal. The output voltage Vo output by the instrumentation amplifier 6 is input to the input portion of the A / D converter 7. The output unit of the A / D converter 7 is connected to the MPU 60, and the output voltage Vo converted into a digital signal is output toward the MPU 60. The A / D converter 7 has a maximum input voltage (maximum input voltage), and the amplification factor of the instrumentation amplifier 6 is determined so that the output voltage Vo does not exceed the maximum input voltage. ing.

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 integral value 1, a concentration potential difference integral value, and the like, and can retain various stored data even when power supply is cut off. Various storage areas (e.g., offset) required for processing operations of the CPU 61 are possible. G Voltage switching information storage area, and a EEPROM64 like having an error difference integral value, etc.). The CPU 61 functions as an offset voltage switching unit by executing various programs stored in the ROM 62.

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 MPU 60 further includes an input / output port (not shown) and an external connection unit having various interface functions. The MPU 60 is connected to the A / D converter 7, the voltage supply source 5, and the offset voltage generation circuit 8 (that is, an analog switch (not shown) included in the offset voltage generation circuit 8) via the external connection unit. The MPU 60 receives the output voltage Vo converted from the A / D converter 7 into a digital signal (that is, the amplified midpoint potential difference Vc), and detects the gas concentration based on the output voltage Vo. For example, the MPU 60 transmits a voltage control signal to the voltage supply source 5 so as to supply a high temperature driving voltage for a predetermined gas combustion period after supplying a low temperature driving voltage for a predetermined gas adsorption period according to the processing. . For example, the MPU 60 transmits an offset voltage switching control signal to the offset voltage generation circuit 8 so that an appropriate offset voltage is output to the instrumentation amplifier 6 according to the processing. The MPU 60 is connected to a display device (not shown) via the external connection unit, and transmits, for example, a display control signal including information on the detected concentration of the detection target gas to the display device. The display device displays information corresponding to the display control signal, that is, the concentration of the detection target gas. Further, the MPU 60 is connected to a gas storage chamber equipped with a pump or the like through this external connection portion, and fills the gas storage chamber with various gases according to processing.

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 gas concentration detector 1 is powered on, the CPU 61 fills the gas storage chamber with a zero gas atmosphere that does not include the detection target gas, and then advances the process to step S110.

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 voltage generation circuit 8. Then, the process proceeds to step S120.

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 bridge circuit 2 is transmitted to the voltage supply source 5. Then, the process proceeds to step S130.

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 sensitive element 11 and the temperature of the compensating element 12 are stabilized (temperature stabilization period, for example, 60 seconds). Then, after the temperature stabilization period has elapsed, the process proceeds to step S140.

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 voltage generation circuit 8 is provided with an offset voltage corresponding to the number of offset voltage switching loops s (offset voltage A when s = 1, offset voltage B when s = 2, and s = 3). Transmits an offset voltage switching control signal for outputting the offset voltage C) to the instrumentation amplifier 6. Then, the process proceeds to step S150.

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 bridge circuit 2 is transmitted to the voltage supply source 5. Then, the process proceeds to step S160.

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 / D converter 7 is acquired as an error potential difference Ve, and an error potential difference storage area provided on the RAM 63 [ s, n]. This error potential difference storage area [s, n] has a two-dimensional array data structure, and the storage position of the acquired error potential difference Ve is designated using the offset voltage switching loop count s and the sampling loop count n as indexes. For example, when the offset voltage switching loop count s = 1 and the sampling loop count n = 3, the error potential difference Ve is stored in the error voltage storage area [1, 3]. Thereafter, the sampling loop count n is incremented by one. Then, the process proceeds to step S170.

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 voltage generation circuit 8 stored in the ROM 62 (that is, three). If the number of offset voltages has been exceeded, it is determined that the acquisition of the error potential difference Ve has been completed for all of the plurality of offset voltages A, B, and C, the process proceeds to step S200 (Y in S190), and the number of the plurality of offset voltages In the following cases, it is assumed that an offset voltage for which the error potential difference Ve has not yet been acquired remains, and the process returns to step S120 (N in S190).

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 integral value 1 = 0). Then, the process proceeds to step S210.

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 integral value 1 provided on the RAM 63. Then, the sampling loop count n is increased by one. Then, the process proceeds to step S230.

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 integral value 1 is completed, and the process proceeds to step S240 (S230). If Y is equal to or less than the sampling upper limit number, the error potential difference integral value 1 is calculated and the process returns to step S210 (N in S230).

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 integral value 1 accumulated in step S220 is stored in the error potential difference integral value provided on the EEPROM 64. And the process of this flowchart is complete | finished.

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 bridge circuit 2 is transmitted to the voltage supply source 5. Then, the process proceeds to Step T130.

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 sensitive element 11 and the temperature of the compensating element 12 are stabilized, and the process waits until a gas adsorption period for adsorbing the detection target gas to the sensitive element 11 elapses (for example, 60 seconds). Then, after the gas adsorption period has elapsed, the process proceeds to step T140.

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 bridge circuit 2 is transmitted to the voltage supply source 5. Then, the process proceeds to Step T150.

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 voltage generation circuit 8. Then, the process proceeds to Step T170.

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 / D converter 7 is acquired as a gas concentration potential difference and integrated into the concentration potential difference integral value provided on the RAM 63. To do. Thereafter, the sampling loop count n is incremented by one. Then, the process proceeds to T180.

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 concentration detection apparatus 1 will be described.

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 concentration detection device 1 performs the initialization process for the offset voltage switching information acquisition process after filling the gas storage chamber with the 0 gas atmosphere not including the detection target gas (S110). Then, the low temperature driving voltage is supplied to the bridge circuit 2 (S120, S130), and the offset voltage A is output to the instrumentation amplifier 6 (S140), and then the high temperature driving voltage is supplied to the bridge circuit 2. (S150), at each predetermined sampling timing, the midpoint potential difference Vc (that is, the error potential difference Ve) is acquired and stored (stored) in the RAM 63 (S160 to S180). Then, the offset voltage generation circuit 8 is switched, and the offset voltage B and the offset voltage C are sequentially output to the instrumentation amplifier 6, and the above series of error potential difference Ve acquisition operations are also performed for the offset voltage B and the offset voltage C. (S120 to S180) are performed.

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 concentration detection device 1 performs an initialization process for the gas concentration detection process after filling the atmosphere for detecting the concentration of the detection target gas in the gas storage chamber (T110). After the low temperature driving voltage is supplied to the bridge circuit 2 for a predetermined gas adsorption period and the detection target gas is adsorbed to the sensitive element 11 (T120, T130), the high temperature driving voltage is sampled to the bridge circuit 2. A period to be performed (that is, a gas combustion period) is supplied (T140), and at each predetermined sampling timing, based on the offset voltage switching information corresponding to the sampling timing read from the EEPROM 64 (T150), a plurality of offset voltages A , B, and C, the offset voltage with the smallest error potential difference Ve is output to the instrumentation amplifier 6 (T160), and the midpoint potential difference Vc is acquired as a gas concentration potential difference and integrated (ie, integrated). (T170). Thus, the concentration potential difference integral value is calculated by acquiring, integrating and integrating the gas concentration potential difference for all sampling timings. Finally, the value obtained by subtracting the error potential difference integral value from the concentration potential difference integral value is compared with the conversion table to obtain the gas concentration and displayed on the display device (T200).

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 (amplification factor 200 times) measured in the above-described gas concentration detection apparatus 1 according to the present invention, and FIG. 7 shows only one of the offset voltages A, B, and C. The graph of the error potential difference Ve (amplification factor 200 times) measured in the gas concentration detection apparatus (conventional structure A, B, and C in order) of the conventional structure (FIG. 9) input into the instrumentation amplifier 6 is shown. The graphs of FIGS. 6 and 7 are obtained by making the amplification factors of the gas concentration detection device 1 according to the present invention and the gas concentration detection devices of the conventional configurations A, B, and C the same. FIG. 8 shows a graph when the error potential difference Ve measured in the gas concentration detection apparatus according to the present invention is amplified until the maximum voltage reaches 10 V (that is, the maximum input voltage in the A / D converter 7), and the conventional configuration. The graph when the error potential difference Ve measured in the gas concentration detection apparatus of A is amplified until the maximum voltage becomes 10V is shown.

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 concentration detection apparatus 1 according to the present invention has an offset voltage A of 0 to 10 ms, an offset voltage B of 11 to 35 ms, an offset voltage C of 36 to 180 ms, an offset voltage B and 266 of 181 to 265 ms. It was found that at ˜400 ms, the offset voltage A was sequentially switched and output toward the instrumentation amplifier 6, and therefore the maximum value of the error potential difference Ve was suppressed to about 4V. On the other hand, from the graph of FIG. 7, in the gas concentration detection device of the conventional configuration A, the maximum value of the error potential difference Ve is about 10 V, and in the gas concentration detection devices of the conventional configuration B and the conventional configuration C, the error potential difference Ve. Is slightly lower than that of the conventional configuration A, but there is a section in which the error potential difference Ve becomes 0 V before reaching a steady state (approximately 400 ms or more) where the temperature of each element is stable, that is, a part of the transient period. It was found that only normal measurement was possible.

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 / D converter 7 connected to the subsequent stage of the instrumentation amplifier 6 is 10 V, the amplification of the instrumentation amplifier 6 provided in the gas concentration detection device of the conventional configuration A as shown in FIG. When the rate is 1, in the gas concentration detection apparatus 1 according to the present invention, the amplification factor of the instrumentation amplifier 6 can be set to 2.5 times. From this, according to this invention, since a higher amplification factor than the conventional gas concentration detection apparatus can be set, detection sensitivity can be improved. When the concentration of the detection target gas is actually measured, a voltage corresponding to the concentration is added to the error potential difference Ve. Therefore, a value lower than these amplification factors is set so as not to exceed the maximum input voltage of the A / D converter 7. Is set.

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 circuit 9 amplifies the midpoint potential difference Vc generated between the pair of midpoints in the bridge circuit 2 with a predetermined amplification factor, and offsets the amplified midpoint potential difference Vc. The offset voltage input to the voltage terminal Voffset is added and output, and an instrumentation amplifier 6 generates a plurality of different offset voltages A, B, and C, and one offset voltage among the plurality of offset voltages is generated. And an offset voltage generation circuit 8 that outputs the offset voltage to the offset voltage terminal Voffset of the instrumentation amplifier 6, and the sensing element 11 and the compensation after the high temperature driving voltage is supplied to the bridge circuit 2 by the voltage supply source 5. During the transition period in which the temperature of the element 12 rises, the plurality of offsets are based on preset offset voltage switching information. Of the set voltage, it is generated due to a difference in temperature rise characteristics between the sensitive element 11 and the compensating element 12 and is added to the midpoint potential difference Vc (that is, the amplified error potential difference Ve) amplified by the instrumentation amplifier 6. As a result, the offset voltage generation circuit 8 is controlled so that the offset voltage that makes the error potential difference Ve larger than 0 and the smallest is output. Therefore, among the preset offset voltages A, B, and C, An offset voltage at which the error potential difference Ve after amplification in the transient period is equal to or higher than a predetermined minimum voltage can be added to the error potential difference Ve, and therefore, the minimum value of the error potential difference Ve after amplification in the transient period. And the maximum value can be reduced, the amplification factor in the instrumentation amplifier 6 can be further increased, and the detection sensitivity can be improved. In addition, the conventional bridge circuit 2 can be used as it is, the amplifier circuit 9 can also be configured with a simple circuit, and the control for the offset voltage generation circuit 8 is also simple, so that the gas detection device capable of improving the detection sensitivity. 1 can be provided at low cost. Further, in the bridge circuit 2 having a configuration in which the sensor circuit unit 10 including the sensitive element 11 and the reference circuit unit 20 including the compensation element 12 are connected in parallel, even when balance adjustment of the bridge circuit 2 is difficult Only by adjusting the offset voltage, the same effect as that obtained by adjusting the balance of the bridge circuit 2 can be obtained. Furthermore, since it is not necessary to match the temperature rise characteristics of the sensitive element 11 and the compensating element 12 of the gas sensor unit 15 with high accuracy, the current element can be used and the cost can be reduced.

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 voltage generation circuit 8 generates three offset voltages A, B, and C. However, the present invention is not limited to this, and the number of offset voltages is arbitrary as long as the offset voltages are different from each other. is there. Further, the larger the number of offset voltages, the smaller the difference between the minimum value and the maximum value of the error potential difference Ve described above.

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 bridge circuit 2 and the instrumentation amplifier 6. As long as the offset voltage switching information is obtained on the basis of the above and set in the EEPROM 64 (or ROM 62) in advance, the offset voltage generation circuit 8 does not contradict the purpose of the present invention. If the offset voltage switching information can output the offset voltage with the smallest error potential difference to the instrumentation amplifier 6 during the transient period, the setting method is arbitrary.

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)
2 Bridge circuit 5 Voltage supply source 6 Instrumentation amplifier (amplification unit, voltage addition unit)
7 A / D converter 8 Offset voltage generator (offset voltage generator)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Amplification circuit 10 Sensor circuit part 11 Sensing element 12 Compensation element 15 Gas sensor unit (adsorption combustion type gas sensor)
20 Reference circuit section 60 MPU
61 CPU (offset voltage switching means)

Claims (1)

(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を含むブリッジ回路と、(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に順次供給する電圧供給源と、(c)前記ブリッジ回路における一対の中点と接続される増幅回路と、を有するガス検出装置において、
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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