JP2016020818A

JP2016020818A - ガス検出装置

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Publication number: JP2016020818A
Application number: JP2014143790A
Authority: JP
Inventors: 海田　佳生; Yoshio Kaida; 佳生海田; 和海犬伏; Kazumi Inubushi; 裕松尾; Yutaka Matsuo
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2016-02-04
Anticipated expiration: 2034-07-14
Also published as: JP6344101B2

Abstract

【課題】感温抵抗素子の経時変化による温度係数のドリフトを抑えることにより、測定精度の低下を抑制し、安定した測定を行うことが出来るガス検出装置を提供する。【解決手段】測定対象ガスの濃度に応じた温度及び、雰囲気温度を感温抵抗素子３，４を用いて検出する検出部３０と、雰囲気温度を感温抵抗素子検出する補償部３１と、検出部から第１のバッファ回路１５への出力電圧の伝達を切り替える第１の切替スイッチ１１と、補償部から第２のバッファ回路１６への出力電圧の伝達を切り替える第２の切替スイッチ１２と、検出部３０及び補償部３１からの出力電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器１８と、Ａ／Ｄ変換器１８でデジタル変換された値を読込み、演算処理を行うＭＰＵ２０を有し、ＭＰＵ２０では、検出部３０及び補償部３１からの出力電圧の差分の変化量に応じた温度係数補正を行い、特定のガス濃度を算出するようにしたガス検出装置。【選択図】図１

Description

感温抵抗素子を用いて測定対象環境に於ける雰囲気中の特定のガス濃度を検出するガス検出装置に関するものである。

近年、環境保護や自然保護などの社会的要求から、高い効率を有し且つ、
環境への負荷が少ないエネルギー源として、燃料電池の研究が行われており、家庭用のエネルギー源、又は、車載用のエネルギー源として着目されている。燃料電池は、他の燃料と比較して漏れが発生しやすい水素を燃料として用いているため、水素ガスを検知するためのガス検出装置が必要になると考えられている。

水素ガスを検知するためのガス検出装置として、発熱体を有する検出素子を備えた熱伝導式ガス検出装置が知られている。このガス検出装置は、発熱体から雰囲気に奪われる熱量を測定することにより、雰囲気の熱伝導率の変化を算出して水素濃度を求めるものである。

また、発熱体と、発熱体により加熱される触媒とを有する検出素子を備えた接触燃焼式ガス検出装置がある。このガス検出装置は、触媒上で水素が燃焼した際に発生する熱を測定することにより、雰囲気に含まれる水素の濃度を求めるものである。

従来の湿度検出装置は、図１１に示すように、ガス検出素子２０２は、感温抵抗素子２０３と感温抵抗素子２０４とで構成されており、固定抵抗２０５、２０６とをそれぞれ感温抵抗素子に対して直列に接続することによりブリッジ回路を構成しており、前記感温抵抗素子２０３、２０４の熱放散が雰囲気中に含まれるガス濃度により変化することを利用してガス濃度を測定する。

前記感温抵抗素子２０３は雰囲気中にさらしており、前記感温抵抗素子２０４は乾燥雰囲気中に封入されている。この時、感温抵抗素子２０３，２０４に印加されている電源電圧Ｖｃｃにより、感温抵抗素子２０３、２０４に電流が流れてジュール効果による熱エネルギーが発生し、周囲温度よりも高くなる。感温抵抗素子２０３、２０４の温度は、感温抵抗素子２０３，２０４に加わる電力と感温抵抗素子２０３、２０４の熱放散により決定されるが、雰囲気中にガスが含まれていると、ガスが含まれていない雰囲気に比べて、ガスの熱伝導が作用して熱放散が大きくなるため、感温抵抗素子２０３の温度が感温抵抗素子２０４よりも低くなる。このためブリッジ回路の出力端子２０７と２０８間の電圧に電位差が生じる。この現象を利用し、前記出力端子２０７、２０８からの出力電圧を増幅回路２０９で増幅し、Ａ／Ｄ変換器２１０でデジタル値に変換し、ＭＰＵ２１１で感温抵抗素子２０３によって検出された値を演算処理されて雰囲気中の特定のガス濃度を測定している。

従来の熱伝導式のガス検出素子２０２の構成を断面図として図１２に示す。従来の熱伝導式のガス検出素子２０２は、図１２に示すように、対称に作られた凹部２５７と、２つの空間を形成するために仕切り部２６０が形成された筐体２５４と、貫通孔２５６が形成された蓋部２５５と、感温抵抗素子２０３、２０４とで構成されている。感温抵抗素子２０３、２０４は、接着剤等で筐体２５４に固定され、その後、ボンディングワイヤ２６１により感温抵抗素子２０３、２０４の電極２５８と、筐体２５４に固定された電極２５９とが接続される。次に蓋部２５５を筐体２５４に接着剤（又は溶接等）により固定される。この時、感温抵抗素子２０４が配置された空間が乾燥雰囲気になるように、作業は乾燥雰囲気中で行われる。また、蓋部２５５を筐体２５４に固定する時、貫通孔２５６が形成された側が感温抵抗素子２０３側になるようにする。

感温抵抗素子２０３，２０４は、白金抵抗体が一般的に使用されることが多いが、ＮＴＣ（ｎｅｇａｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）などの白金抵抗体以外であっても、温度変化により抵抗値が変化する材料であれば良い。

特開平８−１８４５７６号公報特開２０１３−２２８３４６号公報

従来のガス検出装置に於いては、図１１に示すように２個の感温抵抗素子を用いて、雰囲気中にさらしている前記感温抵抗素子２０３と、乾燥雰囲気中に封入されている前記感温抵抗素子２０４とのブリッジ回路からの出力電圧の差分を用いて特定のガス濃度を求めている。

特定のガス濃度とは、雰囲気中の水素、二酸化炭素等だけでなく、雰囲気中に含まれる水蒸気量としての湿度値も含まれる。

感温抵抗素子のオフセット及び、経時変化による特性変化が生じると、その変化量が、そのままガス検出誤差につながるため、２個の感温抵抗素子の特性を揃えておく必要がある。ブリッジ回路からの出力電圧の差分によりガス濃度を求めているため、オフセット及び、経時変化などに対する特性変化が揃っていれば差分により打ち消されるために問題にならないが、２個の感温抵抗素子の特性を揃えることは困難である。さらに、感温抵抗素子の雰囲気の温度分布を一定にするための構成も複雑で低コスト化も困難であるという問題がある。

前記オフセットの課題を解決するための手段として、特許文献１の方法がある。１つの感温抵抗素子と３つの固定抵抗とでブリッジ回路を構成し、感温抵抗素子の熱放散が湿度により変化することを利用して湿度を測定する方法であり、１個の感温抵抗素子で湿度測定を行うことにより、測定雰囲気温度の変化による湿度検出値への影響を小さく抑えることを求めるものである。

しかしながら、前記特許文献１の方法では、温度による抵抗値のオフセットを小さく抑えることは出来ても、感温抵抗素子の経時変化による温度係数のドリフトは抑えることは出来ないため、湿度検出装置の稼働時間の経過とともに検出される湿度値の測定精度が低下していくこととなる。

また、特許文献２では、第１と第２のヒータを用意し、第１のヒータの加熱を行い、その加熱停止後の冷却過程で、温度センサの出力を所定の期間だけ時間積分をして第１の
積分出力とし、その後、第２のヒータの加熱としてヒータを所定の温度になるまで加熱し、その加熱停止後の冷却過程で、温度センサの出力を、第１のヒータの加熱後の時間積分と同一の期間の時間積分を行い第２の積分出力として、これらの第１の積分出力と第２の積分出力の差分を利用して、雰囲気中のガス濃度を計測する際に検出誤差として影響を与える周囲温度の影響をキャンセルしている。

しかしながら、前記特許文献２の方法では、雰囲気中のガス濃度の計測に及ぼす温度変動の影響は小さく抑えることは出来ても、温度センサの経時変化による温度係数のドリフトは抑えることは出来ないため、ガスセンサの稼働時間の経過とともに検出されるガス濃度の測定精度が低下していくこととなる。

本発明の目的は、感温抵抗素子の経時変化による温度係数のドリフトを抑えることにより、測定精度の低下を抑制しつつ、安定した測定を行うことが出来るガス検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供するものである。測定対象の物理量に応じた温度及び、雰囲気温度を検出する検出部３０と、雰囲気温度を検出する補償部３１と、前記検出部３０から第１のバッファ回路１５への出力電圧の伝達を切り替える第１の切り替えスイッチ１１と、前記補償部３１から第２のバッファ回路１６への出力電圧の伝達を切り替える第２の切替スイッチ１２と、前記検出部３０及び補償部３１からの出力電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器１８と、前記Ａ／Ｄ変換器１８でデジタル変換された値を読込み、演算処理を行うＭＰＵ２０を有し、前記ＭＰＵ２０では、前記検出部３０及び前記補償部３１からの出力電圧の差分の変化量に応じた温度係数補正を行い、雰囲気中に含まれる特定のガス濃度を算出するようにしたことを特徴とする。

前記検出部３０は、一端が定電圧電源の正極端子に接続された複数の抵抗と、第１の感温抵抗素子３と、発熱体５と、第１の切替スイッチ１１とで構成され、前記第１の切替スイッチ１１の端子は、前記第１の感温抵抗素子３が、複数の抵抗の他端に接続可能に構成されており、前記第１の切替スイッチ１１を特定のタイミングに於いて切り替えることにより、前記検出部３０は、測定対象の物理量に応じた温度及び、雰囲気温度を検出し電圧として出力することを特徴とするガス検出装置としてもよい。

前記検出部３０は、前記発熱体５によって前記第１の感温抵抗素子３を加熱する加熱制御手段を有し、前記加熱制御手段は、前記第１の切替スイッチ１１の切り替えタイミングと同期しており、前記検出部３０から出力電圧が出力されるタイミングで、前記発熱体５に一定時間毎にパルス電圧を印加することにより前記第１の感温抵抗素子３の表面温度を特定の温度に一定時間加熱する手段であることを特徴とするガス検出装置としてもよい。

前記補償部３１は、前記定電圧電源の正極端子に接続された抵抗と、第２の感温抵抗素子４とで構成され、前記第２の切替スイッチ１２の端子は、第２のバッファ回路１６の入力端が、前記検出部３０の出力端と、前記補償部３１の出力端に接続可能に構成されており、前記第２の切替スイッチ１２を特定のタイミングに於いて切り替えることにより、前記補償部３１及び、前記検出部３０で検出した値を電圧値として出力することを特徴とするガス検出装置としてもよい。

前記温度係数補正は、前記検出部３０からの出力電圧と前記補償部３１からの出力電圧との差分について、差分値をデータアドレスとして、予め定められた値と比較することによって得られる前記差分の変動値と、前記第１の感温検出素子３の温度係数の変動値とが対応付けられていることを特徴とするガス検出装置としてもよい。

本発明によれば、感温抵抗素子の経時変化による温度係数のドリフトを抑えることにより、測定精度の低下を抑制しつつ、測定誤差の少ない安定した測定を行うことが可能となる。

本発明のガス検出装置の回路構成を示す説明図である。本発明のガス検出素子を示す断面図である。本発明のガス出力値を求める演算手順を示すフローチャートである。本発明のガス出力値を求める演算手順を示すフローチャートである。本発明の感温抵抗素子の補正係数を格納するデータテーブル１の構成を示す説明図である。本発明のガス演算の補正係数を格納するデータテーブル２の構成を示す説明図である。本発明のガス検出装置の動作タイミングを示すチャートである。本発明の感温抵抗素子の温度係数変化と変動値の関係を示したグラフである。本発明の感温抵抗素子の温度係数変化と補正係数との関係を示したグラフである。本発明による特定ガスとしての湿度出力特性を示すグラフである。従来のガス検出装置の回路構成を示す説明図である。従来のガス検出素子を示す断面図である。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。雰囲気中のガス検出として、雰囲気中の水素、二酸化炭素等のガス濃度及び、雰囲気中に含まれる水蒸気量を測定するための検出方法は、同一の検出方法で行うことが出来る。そのため本実施形態に於いては、雰囲気中の特定のガス濃度検出として、湿度値を検出する形態について説明しているが、特定のガス濃度とは、雰囲気中の水素、二酸化炭素等だけでなく、雰囲気中に含まれる水蒸気量としての湿度値も含まれる。

実施例に於いては、同一符号は同一部材を示すものとする。便宜上、定電圧電源の正極端子をＶｃｃ端子の名称として、負極端子をＧＮＤ端子の名称として、実施例の説明に用いる。また、実施例では、雰囲気中の特定のガス濃度検出として、湿度値を検出する形態を例に挙げて説明しているため、便宜上、湿度を検出対象の名称として実施例の説明に用いる。

図１は、本実施形態に係るガス検出装置の概略構成を示す説明図である。図１に示すように湿度検出装置１は、定電圧電源２９のＶｃｃ端子に接続される抵抗６と、前記抵抗６の他端に接続される第１の切替スイッチ１１の入力ポート３２と、前記定電圧電源２９のＶｃｃ端子に接続される抵抗７と、前記抵抗７の他端に接続される前記第１の切替スイッチ１１の入力ポート３３と、前記第１の切替スイッチ１１の出力ポート３４に直列に接続されるとともに前記定電圧電源２９のＧＮＤ端子に接続され、測定対象の物理量（ガス濃度）に応じた温度に対応して抵抗値が変化する第１の感温抵抗素子３とを有し、前記第１の切替スイッチ１１の前記入力ポート３２と前記出力ポート３４とが接続されたときに第１の出力電圧（ＶＲｄ１）を出力し、前記入力ポート３３と前記出力ポート３４とが接続され且つ、第２の切替スイッチ１２を入力ポート３５側に切り替えたときに第２の出力電圧（ＶＲｃ２）を出力する端子部９と、前記定電圧電源２９のＶｃｃ端子に接続される抵抗８と、前記抵抗８に直列に接続されるとともに、前記電源２９のＧＮＤ端子に接続され、環境温度に対応して抵抗値が変化する第２の感温抵抗素子４とを有し、前記第３の出力電圧（ＶＲｃ３）を第２の切替スイッチ１２を入力ポート３６側に切り替えたときに出力する端子部１０と、発熱体５により前記第１の感温抵抗素子３を加熱する加熱手段を有し、前記加熱手段は、前記端子部９から前記第１の出力電圧（ＶＲｄ１）が出力されるタイミングで、前記発熱体５に一定時間毎にパルス電圧を印加することにより前記第１の感温抵抗素子３の表面温度を定められた特定の温度に一定時間加熱する手段とされ、前記第１の出力電圧（ＶＲｄ１）と、前記第２の出力電圧（ＶＲｃ２）をＭＰＵ２０で補正した電圧値との差分を増幅する信号増幅回路１７と、前記信号増幅回路１７からの第４の出力電圧（ＶＲｄ４）と、第２及び第３の出力電圧（ＶＲｃ２、ＶＲｃ３）に基づいて、第４のデジタル値（ＤＶＲｄ４）、第２のデジタル値（ＤＶＲｃ２）及び、第３のデジタル値（ＤＶＲｃ３）を出力するＡ／Ｄ変換器１８と、前記第２のデジタル値（ＤＶＲｃ２）と前記第３のデジタル値（ＤＶＲｃ３）との差分を求め、予め定められた値と比較し、前記第２及び第３のデジタル値（ＤＶＲｃ２、ＤＶＲｃ３）との差分の変化量に応じて、前記第４のデジタル値（ＤＶＲｄ４）についてオフセット補正と、前記差分の変化量と第１の感温抵抗素子３の温度係数のドリフト量との関係を示す温度係数補正データと前記第４のデジタル値（ＤＶＲｄ４）を基にガス濃度を算出する演算部２７と、前記温度係数補正データを保存しておくメモリ（ＲＯＭ）２５と、演算した結果のガス濃度を外部に出力する出力インタフェース２８とを主要構成として備えている。

検出部３０は、定電圧電源２９のＶｃｃ端子に接続される抵抗６と、前記抵抗６の他端に接続される第１の切替スイッチ１１の入力ポート３２と、前記定電圧電源２９のＶｃｃ端子に接続される抵抗７と、前記抵抗７の他端に接続される前記第１の切替スイッチ１１の入力ポート３３と、前記第１の切替スイッチ１１の出力ポート３４に直列に接続されるとともに前記定電圧電源２９のＧＮＤ端子に接続される第１の感温抵抗素子３と、前記第１の感温抵抗素子３を加熱する発熱体５とで構成されている。

補償部３１は、前記定電圧電源２９のＶｃｃ端子に接続される抵抗８と、前記定電圧電源２９のＧＮＤ端子に接続され、前記抵抗８に直列に接続される第２の感温抵抗素子４とで構成されている。

ガス検出装置１は、特定の環境下に於いて、雰囲気中の水蒸気量を測定するものとして、その構成について説明する。ここで、測定対象の湿度とは、例えば、測定対象の物理量が雰囲気中の水蒸気量であった場合は、雰囲気中の水蒸気量に応じた湿度を指すものである。以下の説明では、測定対象を雰囲気中の水蒸気量として説明する。

図２は、本実施形態に係るガス検出素子２の構成を断面図として示すものである。ガス検出素子２は、図２に示すように、対称に作られた凹部５９が形成された筐体５４と、貫通孔５６が形成された蓋部５５と、第１の感温抵抗素子３、第２の感温抵抗素子４とで構成される。第１の感温抵抗素子３と第２の感温抵抗素子４は、接着剤等で筐体５４に固定され、その後、ボンディングワイヤ６２により第１の感温抵抗素子３、４の電極６０と、筐体５４に固定された電極６１とを接続する。次に蓋部５５を筐体５４に接着剤（又は溶接等）により固定している。

第１の感温抵抗素子３は、温度変化を電気抵抗の変化に変換するサーミスタ膜５７と、保護膜６３と、絶縁膜５８とで構成されている。また、発熱体５がサーミスタ膜５７の下部に配置されている。第２の感温抵抗素子４も第１の感温抵抗素子３と同じ構成であるが、第２の感温抵抗素子４には、発熱体５は配置されていない。尚、第１の感温抵抗素子３及び、第２の感温抵抗素子４には、白金抵抗体などサーミスタ以外の感温抵抗素子を用いてもよい。

前記第１の感温抵抗素子３の表面温度は、前記発熱体５に一定時間毎にパルス電圧を印加することにより、特定の温度に加熱されるが、この温度は常に一定ではなく、検出対象とするガス及び、雰囲気温度によって変更されるものである。例えば、雰囲気中の湿度を検出するのであれば、前記第１の感温抵抗素子３の表面温度は、２００℃以上に加熱されるのが望ましい。

第２の感温抵抗素子４は、ガス検出素子２が配置されている場所の環境温度の変化を電気抵抗に変換する。第１の感温抵抗素子３は、発熱体５に電圧が印加されていない時は、第２の感温抵抗素子４と同様に、ガス検出素子２が配置されている場所の環境温度の変化を電気抵抗に変換する動作を行い、発熱体５に電圧が印加されている時は、第１の感温抵抗素子３のサーミスタ膜５７が、発熱体５に印加される電圧による熱エネルギー（例えば２００℃）によって熱せられることにより、第１の感温抵抗素子３の周囲の空気に含まれている水蒸気の熱伝導が作用して熱放散が大きくなるため、第１の感温抵抗素子３の温度が低下がる。この温度低下により第１の感温抵抗素子３の抵抗値は増大する。第１の感温抵抗素子３の発熱体５に電圧を印加した時の第１の感温抵抗素子３の抵抗値と、発熱体５に電圧を印加していない時の第１の感温抵抗素子３の抵抗値との差分により雰囲気中の湿度を検出することが可能となっている。

測定対象として、雰囲気中の湿度量を挙げて説明しているが、第１の感温抵抗素子３を用いて発熱体５の加熱による熱伝導を利用した第１の感温抵抗素子３の温度変化を電気抵抗に変換するものであれば、測定対象がガス、水蒸気量に限られるものではなく、例えば、流速などを検出するために使用されても良い。

第１の感温抵抗素子３及び、第２の感温抵抗素子４は、温度の上昇に応じて抵抗値が減少するＮＴＣ（ｎｅｇａｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を使用する場合に於いては、ＮＴＣサーミスタの温度に対する抵抗値は近似的に以下の式（数式１）で表わすことが出来る。

（数式１）

式中のＲ_ＴＨはＴに於けるＮＴＣサーミスタの抵抗値、Ｒ_０はＴ_０に於ける基準抵抗、Ｔ_０は基準温度、Ｔはサーミスタ温度、Ｂはサーミスタの温度に対する感度である。

図１を用いて、ガス検出装置１の動作について、又、図７を用いて第１の切替スイッチ１１、１２の動作タイミングについて説明する。第１の切替スイッチ１１、１２の制御は、ＭＰＵ２０より第１の切替スイッチ１１に制御信号１３を、第２の切替スイッチ１２に制御信号１４を出力して制御を行っている。

制御信号１３は、第１の切替スイッチ１１の出力ポート３４との接続を、入力ポート３２側にするのか、入力ポート３３側にするのかを決定する信号である。スイッチの切替が入力ポート３２側になると、抵抗６と第１の感温抵抗素子３とでブリッジ回路が構成され、端子部９から第１の出力電圧（ＶＲｄ１）が出力されて、第１のバッファ回路１５に印加される。第１の切替スイッチ１１の切替が入力ポート３３側になり且つ、第２の切替スイッチ１２を入力ポート３５側に切り替わると、抵抗７と第１の感温抵抗素子３とでブリッジ回路が構成され、端子部９から第２の出力電圧（ＶＲｃ２）が出力されて、第２のバッファ回路１６に印加される。ＭＰＵ２０は、制御信号１３を用いて、端子部９に第１の出力電圧（ＶＲｄ１）を出力させるのか、第２の出力電圧（ＶＲｃ２）を出力させるのかを決める制御を行っている。尚、第１のバッファ回路１５にも第２の出力電圧（ＶＲｃ２）は印加されているが、実際に使用する信号は第２のバッファ回路１６を通した信号を使用する。

第１の切替スイッチ１１を入力ポート３２側に切り替える制御は、発熱体５にパルス電圧を印加する動作と同期して行われる。発熱体５の発熱により、第１の感温抵抗素子３は、発熱体５の発熱温度と同等の温度に加熱される。この作用により第１の感温抵抗素子３は熱放散により温度が低下する。この温度低下に伴って抵抗値は温度の低下分だけ大きくなる。第１の感温抵抗素子３の抵抗変化は、抵抗６とのブリッジ回路が構成され、端子部９から第１の出力電圧（ＶＲｄ１）に変換されて出力される。

制御信号１４は、第２の切替スイッチ１２の出力ポート３７との接続を、入力ポート３５側にするのか、入力ポート３６側にするのかを決定する信号である。第２の切替スイッチ１２の切替が入力ポート３５側になると、端子部９と接続されて、前記第２の出力電圧（ＶＲｃ２）が出力されて、第２のバッファ回路１６に印加される。スイッチの切替が入力ポート３６側になると、抵抗８と第２の感温抵抗素子４とのブリッジ回路からの電圧が端子部１０から第３の出力電圧（ＶＲｃ３）が出力されて、第２のバッファ回路１６に印加される。ＭＰＵ２０は、制御信号１４を用いて、第２のバッファ回路１６に第２の出力電圧（ＶＲｃ２）を印加させるのか、第３の出力電圧（ＶＲｃ３）を印加させるのか、制御を行っている。

端子部９から出力された第１の出力電圧（ＶＲｄ１）は、第１のバッファ回路１５へ、端子部９から出力された第２の出力電圧（ＶＲｃ２）は、第２のバッファ回路１６へ出力される。端子部１０から出力された第２の出力電圧（ＶＲｃ２）は、第２のバッファ回路１６へ出力される。第１のバッファ回路１５は、端子部９から出力された第１の出力電圧（ＶＲｄ１）の減衰を防ぐために検出部３０（抵抗６と第１の感温抵抗素子３）のブリッジ回路が有するインピーダンスよりも十分に大きいインピーダンス（１０倍以上）を有する入力インピーダンスで受けた後、増幅回路１７に低インピーダンスで信号を出力する役目を有する。第２のバッファ回路１６は、端子部９から出力された第２の出力電圧（ＶＲｃ２）の減衰を防ぐために検出部３０（抵抗７と第１の感温抵抗素子３）のブリッジ回路が有するインピーダンスよりも又、補償部３１（抵抗８と第２の感温抵抗素子４）のブリッジ回路が有するインピーダンスよりも十分に大きいインピーダンス（１０倍以上）を有する入力インピーダンスで受けた後、Ａ／Ｄ変換器１８に低インピーダンスで信号を出力する役目を有している。

増幅回路１７の入力インピーダンスが、検出部３０のブリッジ回路が有するインピーダンスよりも十分に大きい入力インピーダンスを有していれば、第１のバッファ回路１５は無くてもよい。Ａ／Ｄ変換器１８の入力インピーダンスが、検出部３０のブリッジ回路が有するインピーダンス及び、補償部３１のブリッジ回路が有するインピーダンスよりも十分に大きい入力インピーダンスを有していれば、第２のバッファ回路１６は無くてもよい。

前記第１の出力電圧（ＶＲｄ１）は、前記第２の出力電圧（ＶＲｃ２）をＭＰＵ２０で湿度の影響を補正した電圧との差分を信号増幅回路１７にて差動増幅を行い、Ａ／Ｄ変換器１８に入力されてデジタル値に変換後、第４のデジタル値（ＤＶＲｄ４）として、ＭＰＵ２０に入力される。前記第２の出力電圧（ＶＲｃ２）及び、前記第３の出力電圧（ＶＲｃ３）は、Ａ／Ｄ変換器１８入力されてデジタル値に変換後、第２のデジタル値（ＤＶＲｃ２）及び、第３のデジタル値（ＤＶＲｃ３）としてＭＰＵ２０に入力される。ＭＰＵ２０に入力された各デジタル値は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２６に一時的に保存される。

ＲＡＭ２６に一時保存された第２のデジタル値（ＤＶＲｃ２）、第３のデジタル値（ＤＶＲｃ３）及び、第４のデジタル値（ＤＶＲｄ４）は、演算部２７に転送される。ガス検出素子２が配置されている環境温度（Ｔｃ）は、第２のデジタル値（ＤＶＲｃ２）を用いて数式２の演算により求める。

（数式２）

式中のＤＶｃｃはガス検出装置の電源電圧であり、Ｂは感温抵抗素子の温度に対する感度である。

前記演算により求めた、環境温度（Ｔｃ）を用いて、発熱体５に印加するパルス電圧の出力値を演算により求める。発熱体５には、白金測温体などが使用されるが、環境温度によって発熱体５の自己抵抗は変化している。このため、パルス電圧印加時の発熱体５の発熱温度を一定にするために、発熱体５に印加する電力を環境温度に関係なく一定になるようにＭＰＵ２０で制御を行っている。つまり、環境温度の上昇に伴い、発熱体５の自己抵抗が大きくなると、発熱体５に印加するパルス電圧値を上げる制御をし、環境温度の低下に伴い、発熱体５の自己抵抗が小さくなると、発熱体５に印加するパルス電圧値を下げる制御を行っている。パルス電圧の出力は、出力するパルス電圧の電圧値の大きさを演算により求めた後、ＭＰＵ２０の制御により、制御信号１３による第１の切替スイッチ１１を入力ポート３２側に切り替える制御信号と同期して、パルス電圧を発熱体５に出力する。

図５、図６を用いて、補正値を格納するデータテーブルについて説明する。図５は、第１の感温抵抗素子３及び、第２の感温抵抗素子４を用いた補正係数を格納するデータテーブル１の構成を示しており、第２のデジタル値（ＤＶＲｃ２）と第３のデジタル値（ＤＶＲｃ３）との差分の初期値及び、補正係数を求めるための計算式の係数を保存している。図６は、第１の感温抵抗素子３を用いた湿度演算の補正係数を格納するデータテーブル２の構成を示しており、第４のデジタル値（ＤＶＲｄ４）から湿度値を求めるための計算式の係数を保存している。

ＲＡＭ２６に一時保存された第２のデジタル値（ＤＶＲｃ２）と第３のデジタル値（ＤＶＲｃ３）との比較演算を行い、変動値（ΔＤＲｃ＿ｐ２）を求める。この変動値と、初期起動時に保存した第２のデジタル値（ＤＶＲｃ２）と第３のデジタル値（ＤＶＲｃ３）との差分値（ΔＤＲｃ＿ｐ１）１５１をＲＯＭ２５のデータテーブル１より読み出し、初期値からの変動値（ΔＤＲＣ＿ｐ）を求める。この演算により、第１の感温抵抗素子３の変動値がわかる。

図８は、感温抵抗素子の温度係数変化と変動値との関係を示したグラフである。このグラフより、感温抵抗素子に於ける前記初期値からの変動値（ΔＤＲＣ＿ｐ）と、感温抵抗素子の温度係数の変動値（ΔＢ）とは、ほぼ二次の近似線上に乗っている。

図９は、感温抵抗素子の温度係数変化と補正係数との関係を示したグラフである。このグラフより、感温抵抗素子の温度係数（ΔＢ）と、湿度測定値として取り込んだ第４のデジタル値（ＤＶＲｄ４）を補正するための補正係数（Ｋ）とは、ほぼ二次の近似線上に乗っている。

図８、図９の近似式を基に、ＲＯＭ２５のデータテーブル１、２に係数を保存している。

ＲＯＭ２５のデータテーブル１に配列保存してある係数（ａａ，ｂａ，ｃａ）１５２及び、第１の感温抵抗素子３の変動値（ΔＤＲｃ＿ｐ）を数式３に代入し、温度係数の変動値（ΔＢ）を求める。

（数式３）

ＲＯＭ２５のデータテーブル１に配列保存してある係数（ａｂ，ｂｂ，ｃｂ）１５３及び、数式３にて求めた温度係数の変動値（ΔＢ）を数式４に代入し、第４のデジタル値（ＤＶＲｄ４）を補正する補正値（Ｋ）求める。

（数式４）

ＲＯＭ２５のデータテーブル２に配列保存してある係数（ａｎ，ｂｎ，ｃｎ）、第４のデジタル値（ＤＶＲｄ４）及び、数式４で求めた補正値（Ｋ）を数式５に代入し、湿度値を求める。

（数式５）

出力インタフェース２８は、演算部２７で求めた湿度データを、外部からの要求により出力する。

図３、４は、ガス検出装置１に於ける、検出部３０及び、補償部３１からの信号をＭＰＵ２０に取り込み、演算部２７で演算・補正処理を行い湿度値を求める手順について示したフローチャートである。図３は、湿度値を求める演算処理のメインフローチャートであり、図４は、図３のメインフローチャートに於ける演算処理のサブフローチャートである。

ステップ１０１にて、環境温度データとして、第２の出力電圧（ＶＲｃ２）、第３の出力電圧（ＶＲｃ３）を読み込む。

ステップ１０２にて、第２の出力電圧（ＶＲｃ２）、第３の出力電圧（ＶＲｃ３）をＡ／Ｄ変換器１８を通して、第２のデジタル値（ＤＶＲｃ２）及び、第３のデジタル値（ＤＶＲｃ３）として、ＭＰＵ２０に取り込む。

ステップ１０３にて、第２のデジタル値（ＤＶＲｃ２）より、数式２の演算式を用いて、湿度検出装置１が配置されている環境の温度を求める。

ステップ１０４にて、第１の感温抵抗素子３の背面に配置してある発熱体５に対して印加するパルス電圧の電圧振幅を求める。パルス電圧のＯＮ／ＯＦＦの時間間隔は予め設定されている。パルス電圧の電圧振幅は、先ず、ＲＯＭ２５のデータテーブル１に配列保存してある係数（ａ_ＭＨ，ｂ_ＭＨ，ｃ_ＭＨ）１５４を数式６の演算式に代入して、発熱体５の環境温度下でのインピーダンス（Ｒ_ＭＨ）求める。そして、ＲＯＭ２５のデータテーブル１に配列保存してある発熱体５に印加する電力値（Ｐ_ＭＨ）１５５及び、数式６で求めた発熱体５のインピーダンス（Ｒ_ＭＨ）を数式７の演算式に代入して、発熱体５に印加するパルス電圧の電圧振幅を求める。発熱体５の発熱温度は、配置された環境に関係なく常に特定の温度に発熱するようにＭＰＵ２０にて制御されている。

（数式６）

（数式７）

Ｒ_ＭＨは、発熱体５の現環境温度下でのインピーダンス、Ｐ_ＭＨは、発熱体５に加える電力、Ｖ_ＭＨは、発熱体５に印加するパルス電圧の振幅値である。

ステップ１０５にて、第１の感温抵抗素子３の背面に配置してある発熱体５に対して、数式６で求めたパルス電圧を特定の時間間隔で出力する。

ステップ１０６にて、湿度データとして、第４の出力電圧（ＶＲｄ４）を読み込む。第４の出力電圧（ＶＲｄ４）をＡ／Ｄ変換器１８を通して、第４のデジタル値（ＤＶＲｄ４）として、ＭＰＵ２０に取り込む。

ステップ１０７にて、オフセット電圧量を検出・演算処理を行うサブルーチンに接続する。ステップ１１１にて、第２のデジタル値（ＤＶＲｃ２）と、第３のデジタル値（ＤＶＲｃ３）との差分値（ΔＤＶＲｃ）を求める。

ステップ１１２にて、前記差分値（ΔＤＶＲｃ）の第３のデジタル値（ＤＶＲｃ３）に対する変動値（ΔＤＲｃ＿ｐ２）を求める。

ステップ１１３にて、ＲＯＭ２５のデータテーブル１に配列保存してある第２のデジタル値（ＤＶＲｃ２）と、第３のデジタル値（ＤＶＲｃ３）との初期差分値（ΔＤＲｃ＿ｐ１）１５１を読み出す。

ステップ１１４にて、測定した変動値（ΔＤＲｃ＿ｐ２）と初期の差分値（ΔＤＲｃ＿ｐ１）１５１との比較を行い、初期からの変動値（（ΔＤＲｃ＿ｐ）を求める。

ステップ１０８にて、ドリフト補正係数演算処理を行うサブルーチンに接続する。ステップ１１５にて、ＲＯＭ２５のデータテーブル１に配列保存してある係数（ａａ，ｂａ，ｃａ）１５２及び、第１の感温抵抗素子３の変動値（ΔＤＲｃ＿ｐ）を数式３に代入し、温度係数の変動値（ΔＢ）を求める。

ステップ１１６にて、ＲＯＭ２５のデータテーブル１に配列保存してある係数（ａｂ，ｂｂ，ｃｂ）１５３及び、数式３にて求めた温度係数の変動値（ΔＢ）を数式４に代入し、第４のデジタル値（ＤＶＲｄ４）を補正する補正値（Ｋ）求める。

ステップ１０９にて、湿度演算処理を行うサブルーチンに接続する。ＲＯＭ２５のデータテーブル２に配列保存してある係数（ａｎ，ｂｎ，ｃｎ）、第４のデジタル値（ＤＶＲｄ４）及び、数式４で求めた補正値（Ｋ）を数式５に代入し、湿度値を求める。

図１０は、第１の感温抵抗素子３で検出した湿度値を、ＭＰＵ２０に取り込み、演算部２７で演算処理した後に、インタフェース２８から出力された湿度値をグラフに表わしたものであり、横軸に環境湿度を、縦軸にインタフェース２８から出力された湿度値を取っている。図中のｒｅｆは、環境湿度に対して理想的な湿度の出力値を表わしたものであり、Ｎ１は、使用開始時に感温抵抗素子を用いて湿度を検出し、補正処理無しの湿度値を求める演算を行った結果を表わしたものであり、Ｎ２は、使用開始後、一定時間が経過した後に感温抵抗素子を用いて湿度を検出し、補正処理無しの湿度値を求める演算を行った結果を表わしたものであり、Ｎ２補正は、前記Ｎ２の湿度演算結果に補正演算を追加したものである。この結果より、感温抵抗素子のドリフトに対して、温度係数の補正を施すことにより、出力値の誤差を大幅に小さくして、図中：ｒｅｆ、Ｎ１のグラフ値とほぼ同等の湿度値にすることが可能となっていることがわかる。

図１０に於けるグラフＮ１からＮ２への変動値は、絶対湿度値で≒２．０ｇ／ｍ３（相対湿度値で≒１０％ＲＨ）であるが、補正を行うことにより変動値は、絶対湿度値で≒０．２ｇ／ｍ３（相対湿度値で≒１％ＲＨ）にまで抑えられている。

この様に前記実施例では、感温抵抗素子から得られた湿度検出データについて、最適な補正パラメータを用いて関数演算を行っているため、簡易な演算手段で測定環境の湿度を精度良く求めることが可能である。

実施例では、雰囲気中に含まれるガスとして、水蒸気量を検出し測定環境に於ける湿度値を求めるための演算処理を説明したが、検出する対象が水素、二酸化炭素等であったとしても、演算処理の流れは何ら変わるものではない。

雰囲気中に含まれる特定のガス濃度を測定するガス検出装置、および、ガス検出装置を利用する電気機器に適用可能である。

１ガス検出装置
２ガス検出素子
３、４感温抵抗素子
５発熱体
６、７、８抵抗
１１、１２切替スイッチ
１７信号増幅回路
１８Ａ／Ｄ変換器
２０ＭＰＵ
２１制御部
２５ＲＯＭ
２７演算部
２９定電圧電源

Claims

測定対象ガスの濃度に応じた温度及び、雰囲気温度を検出する検出部と、
雰囲気温度を検出する補償部と、
前記検出部から第１のバッファ回路への出力電圧の伝達を切り替える第１の切り替えスイッチと、前記補償部から第２のバッファ回路への出力電圧の伝達を切り替える第２の切替スイッチと、
前記検出部及び補償部からの出力電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器でデジタル変換された値を読込み、演算処理を行うＭＰＵを有し、
前記ＭＰＵでは、前記検出部及び前記補償部からの出力電圧の差分の変化量に応じた温度係数補正を行い、雰囲気中に含まれる特定のガス濃度を算出するようにしたことを特徴とするガス検出装置。
前記検出部は、一端が定電圧電源の正極端子に接続された複数の抵抗と、
第１の感温抵抗素子と、発熱体と、第１の切替スイッチとで構成され、
前記切替スイッチの端子は、前記第１の感温抵抗素子が、複数の抵抗の他端に接続可能に構成されており、
前記切替スイッチを特定のタイミングに於いて切り替えることにより、
前記検出部は、測定対象ガスの濃度に応じた温度及び、雰囲気温度を検出し電圧として出力することを特徴とする請求項１記載のガス検出装置。
前記検出部は、前記発熱体によって前記第１の感温抵抗素子を加熱する加熱制御手段を有し、
前記加熱制御手段は、前記第１の切替スイッチの切り替えタイミングと同期しており、前記検出部から出力電圧が出力されるタイミングで、前記発熱体に一定時間毎にパルス電圧を印加することにより前記第１の感温抵抗素子の表面温度を特定の温度に一定時間加熱する手段であることを特徴とする請求項２に記載のガス検出装置。
前記補償部は、前記定電圧電源の正極端子に接続された抵抗と、第２の感温抵抗素子とで構成され、
前記第２の切替スイッチの端子は、第２のバッファ回路の入力端が、前記検出部の出力端と、前記補償部の出力端に接続可能に構成されており、
前記切替スイッチを特定のタイミングに於いて切り替えることにより、前記補償部及び、前記検出部で検出した値を電圧値として出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガス検出装置。
前記温度係数補正は、前記検出部からの出力電圧と前記補償部からの出力電圧との差分について、差分値をデータアドレスとして、予め定められた値と比較することによって得られる前記差分の変動値と、前記第１の感温検出素子の温度係数の変動値とが対応付けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のガス検出装置。