JP2012202939A - ガス検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】可燃性ガス検出装置1は、被検出雰囲気に晒される発熱抵抗体34と、発熱抵抗体34を2つの異なる温度に制御する通電制御回路50とを備え、発熱抵抗体34を異なる温度に制御した際に、異なる温度に対応した発熱抵抗体34の両端の各出力電圧を検出し、その出力電圧に基づいてガスの状態を求めるものである。この可燃性ガス検出装置1は、第1、第2増幅回路101、102並びに第1、第2オフセット回路103、104を備えており、2つの異なるオフセット電圧を設定し、各出力電圧から各オフセット電圧を引いた各電位差を増幅し、その増幅後の各電圧に基づいてガスの状態を求める。
【選択図】図3
Description
この対策として、高い分解能を有する演算回路を用いることが考えられるが、一般的に、分解能が高くなれば演算回路の価格も高くなるという問題がある。
つまり、本発明により、入力分解能の低い安価な装置を用いた場合でも、高分解能のガスの状態の検出が可能になり、ガスの状態の測定精度が向上するという顕著な効果を奏する。
<第1実施形態>
ここでは、ガス検出装置として、水素ガス等の可燃性ガスの濃度を検知する可燃性ガス検出装置を例に挙げて説明する。
なお、図1は、本発明が適用された可燃性ガス検出装置1の全体構成図である。図2は、可燃性ガス検出装置1の主要部となるガス検出素子3の構成を示す説明図であり、(a)が平面図(但し、内部構成も一部示す)、(b)が(a)におけるA−A断面図である。
可燃性ガス検出装置1は、熱伝導式のガス検出素子3を用いて、可燃性ガスの濃度を検出するものであり、例えば、燃料電池自動車の車内に設置され、水素の漏れを検出する目的等に用いられる。
次に、ガス検出素子3について説明する。
図2に示すように、ガス検出素子3は、平板形状の基部30を備え、基部30の一方の面(以下「表面」という)には、複数の電極31が形成され、他方の面(以下「裏面」という)には、基部30の中心付近に、基部30の一方の方向に沿って一つの凹部301が形成されている。
[制御回路]
次に、制御回路5の構成について説明する。
通電制御回路50は、発熱抵抗体34を含んで構成されたブリッジ回路(ホイーストンブリッジ回路)51と、ブリッジ回路51で検出される電位差を増幅する増幅回路53と、増幅回路53の出力に従って、ブリッジ回路51に流れる電流を増減調整する電流調整回路55とを備えている。
次に、温度調整回路80は、測温抵抗体35を含んで構成されたブリッジ回路(ホイーストンブリッジ)81と、ブリッジ回路81から得られる電位差を増幅する増幅回路83とを備えている。
そして、被検出雰囲気の温度変化に伴って、測温抵抗体35の抵抗値が変化することにより電位差が生じ、この電位差を増幅したものが温度検出信号VTとして出力される。
マイコン7は、ガス濃度演算処理等を実行するための各種のプログラムやデータを格納する記憶装置(ROM,RAM等)、この記憶装置に記憶されたプログラムを実行するCPU、各種信号を入出力するためのIOポート、計時用タイマー等を備えた周知のものである。
本実施形態の可燃性ガス検出装置1では、上述した基本的な構成に加えて、図3に示す様に、通電制御回路50からマイコン7に到る回路に、第1設定温度CH側(即ち400℃の高温側)の差動増幅回路である前記第1増幅回路101と、第2設定温度CL側(即ち300℃の低温側)の差動増幅回路である前記第2増幅回路102と、400℃側のオフセット回路である第1オフセット回路103と、300℃側のオフセット回路である第2オフセット回路104とが接続されている。
図4(a)に通電制御回路50を模式的に示す様に、演算回路531の非反転入力端子側より、通電制御回路50の出力電圧(検出信号)V1が得られる。即ち、この出力電圧V1は、同図から明かな様に、発熱抵抗体34の両端の電圧(ヒータ電圧)である。
例えば、電源電圧5V、A/D分解能10bitマイコン7に、前記ヒータ電圧を直接に入力して計測したとすると、電圧分解能は、5000mV/1024=5mVとなる。従って、水素濃度の分解能は、400℃側で(5mV/43mV)×10000=1160ppmとなる。
d)次に、本実施形態の可燃性ガス検出装置1における動作について説明する。
ここで、マイコン7のCPUが実行するガス濃度演算処理を、図5及び図6に示すフローチャートに沿って説明する。
400℃側オフセット電圧:VHoff
300℃側オフセット電圧:VLoff
400℃側増幅率:M
300℃側増幅率:N
このマイコン7は、起動スイッチ9がオンされることによって直流電源Vccから給電が開始されると起動して、マイコン7の各部を初期化後、ガス濃度演算処理を開始する。
低温時電圧VL1,高温時電圧VH1を取得する際には、切替信号CG1によりブリッジ回路51の抵抗値、即ち、発熱抵抗体34の設定温度を、一定の周期時間TWの間(以下「低温測定期間」という)、第2設定温度CLに保持した後、設定を切り替えて、再び一定の周期時間TWの間(以下「高温測定期間」という)、第1設定温度CHに保持する制御を行う。
具体的には、図6のS200にて、400℃の高温設定期間においては、第1増幅回路101から出力される増幅後のヒータ電圧VH’を読み込む。
続くS220にて、300℃の高温設定期間においては、第2増幅回路102から出力される増幅後のヒータ電圧VL’を読み込む。
VL1=VL’/N+VLoff…(2)
続くS240では、温度調整回路80から温度電圧(測温抵抗体電圧)VTを読み込む。
具体的には、図5のS120では、S110にて取得した低温時電圧VL1,高温時電圧VH1を次式(3)の入力値として、電圧比VCを算出する。
また、これと並行して、S130では、S110にて取得した温度電圧VTと、電圧比換算用マップデータとに基づいて、環境温度T(ひいては温度電圧VT)においてガス濃度X、及び、湿度Hがゼロのときの電圧比VC(0)を算出する。
次に、S150では、S140にて算出した電圧比差ΔVCと、湿度換算用マップデータとに基づいて、電圧比差ΔVCのときの湿度Hを算出する。
また、これと並行して、S190では、S110にて取得した高温時電圧VH1,温度電圧VTと、ガス感度換算用マップデータとに基づいて、高温時電圧VH1について環境温度T(ひいては温度電圧VT)毎に予め設定された可燃性ガスに対する感度(単位はガス濃度Xの逆数)を表すガス感度G(VT)を算出する。
このように、本処理では、周期時間TW毎に切替信号CG1を切替スイッチ部520に出力することにより、固定抵抗512と可変抵抗部52との接続点P−から端部PG(可変抵抗部52における接地側端部)への通電経路(可変抵抗部52における通電経路)を、第1、第2固定抵抗521,522のいずれか一方側から他方側に切り替える。
以上、説明したように、本実施形態の可燃性ガス検出装置1は、第1、第2増幅回路101、102並びに第1、第2オフセット回路103、104を備えている。
なお、本実施形態において、通電制御回路50が制御回路、第1オフセット回路103が第1オフセット設定手段、第2オフセット回路104が第2オフセット設定手段、第1増幅回路101が第1増幅手段、第2増幅回路102が第2増幅手段に相当する。
<第2実施形態>
次に、第2実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。
図7に示す様に、本実施形態の可燃性ガス検出装置110は、前記第1実施形態と同様に、通電制御回路やブリッジ回路等を備えている(第1実施形態と同様な構成は図示しない)。
具体的には、高温測定期間においては、1つの増幅回路130に対して、高温時に対応した第1オフセット電圧VHoffの出力が可能な様に、(第2切替スイッチ1209はオフの状態で)第1切替スイッチ1208をオンし、固定抵抗1205を接続する。
本実施形態においても、前記第1実施形態と同様な効果を奏するとともに、オフセット回路120及び増幅回路130がそれぞれ一つで済むので、コスト低減に寄与するという利点がある。
<第3実施形態>
次に、第3実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。
図8に示す様に、本実施形態の可燃性ガス検出装置150は、前記第1実施形態と同様に、通電制御回路やブリッジ回路等を備えている(第1実施形態と同様な構成は図示しない)。
具体的には、高温測定期間においては、高温時に対応した第1オフセット電圧VHoffの出力が可能な様に、マイコン180から高温時に対応した制御信号(詳しくは5Vという電圧)が出力される。
本実施形態においても、前記第1実施形態と同様な効果を奏するとともに、オフセット回路及び増幅回路がそれぞれ一つで済むので、コスト低減に寄与するという利点がある。特に、切り替えのためのスイッチを使用しないので、コストが極めて安価である。
ここでは、例えば前記第1実施形態の可燃性ガス検出装置と、本発明の範囲外の(比較例1、2の)可燃性ガス検出装置とを例に挙げて、その電圧分解能の違いを説明する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
Claims (3)
- 被検出雰囲気に晒される発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体を2つの異なる温度に制御する制御回路と、
を備え、
前記発熱抵抗体を異なる温度に制御した際に、該異なる温度に対応した該発熱抵抗体からの各出力電圧を検出し、その出力電圧に基づいてガスの状態を求めるガス検出装置において、
2つの異なるオフセット電圧を設定し、前記各出力電圧から前記各オフセット電圧を引いた各電位差を増幅し、該増幅後の各電圧に基づいて、前記ガスの状態を求めることを特徴とするガス検出装置。 - 前記2つの異なるオフセット電圧を設定する手段として、前記2つの異なる温度のうちの一方の温度に対応する第1オフセット電圧を設定する第1オフセット設定手段と、前記2つの異なる温度のうちの他方の温度に対応する第2オフセット電圧を設定する第2オフセット設定手段とを備えるとともに、
前記一方の温度に対応する出力電圧と前記第1オフセット電圧との電位差を増幅する第1増幅手段と、前記他方の温度に対応する出力電圧と前記第2オフセット電圧との電位差を増幅する第2増幅手段とを備えることを特徴とする請求項1に記載のガス検出装置。 - 1つの増幅手段を備え、電子制御装置からの制御信号に基づいて、前記増幅手段に入力されるオフセット電圧を、当該増幅手段に入力される異なる温度に対応した前記発熱抵抗体からの各出力電圧に対応した前記2つの異なるオフセット電圧のいずれかに切り替えることを特徴とする請求項1に記載のガス検出装置。
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