JP2018100932A - Concentration sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、静電容量型の濃度センサに関する。 The present disclosure relates to a capacitance type density sensor.
自動車のエンジンなどの内燃機関の代替燃料として、近年、ガソリンにメタノールやエタノール等のアルコールを混合したアルコール混合燃料が検討されている。アルコール混合燃料は、アルコール濃度に応じて燃焼効率が変化するため、内燃機関の出力を制御する上で、内燃機関に供給するアルコール混合燃料のアルコール濃度を検出が重要となる。 In recent years, alcohol-mixed fuels in which alcohol such as methanol or ethanol is mixed with gasoline have been studied as alternative fuels for internal combustion engines such as automobile engines. Since the combustion efficiency of the alcohol-mixed fuel changes according to the alcohol concentration, it is important to detect the alcohol concentration of the alcohol-mixed fuel supplied to the internal combustion engine when controlling the output of the internal combustion engine.
そして、このような測定液中のアルコール濃度を検出する濃度センサとしては、一対の電極からなるコンデンサをアルコール混合燃料中に浸漬し、誘電率の異なるガソリンとアルコールの混合液中の電極間の静電容量変化を観察することで、アルコール濃度を検出する静電容量検出型の濃度センサが一般的に用いられている。 As a concentration sensor for detecting the alcohol concentration in such a measurement liquid, a capacitor composed of a pair of electrodes is immersed in an alcohol mixed fuel, and a static electricity between electrodes in a gasoline and alcohol mixed liquid having different dielectric constants is immersed. A capacitance detection type concentration sensor that detects an alcohol concentration by observing a change in capacitance is generally used.
なお、静電容量検出型の濃度センサを用いる上で注意しなければならないのは、アルコールの導電性である。導電性(抵抗成分)は導電性イオンが混入することで大きく変化し、導電性(抵抗成分)にともなう電極間の電気導通成分が静電容量検出の誤差として発生する。 Note that it is the conductivity of alcohol that must be taken into account when using a capacitance detection type concentration sensor. The conductivity (resistance component) is greatly changed by mixing conductive ions, and an electrical conduction component between the electrodes due to the conductivity (resistance component) is generated as an error in capacitance detection.
従来このような誤差成分を抑制する手法として、特許文献1では、コンデンサを形成する電極を絶縁体で覆い、電極間の電気導通を防止する構造が提案されている。また、特許文献2では、検出用コンデンサのほかに基準コンデンサを別に設け、双方の位相差の比較によりアルコール濃度の真値を求める構成が提案されている。
Conventionally, as a technique for suppressing such an error component,
そして、このような濃度センサにおいては、上述したように、内燃機関の出力制御に関する部品であるため、さらなる検出精度の向上が求められている。 Since such a concentration sensor is a component related to output control of an internal combustion engine as described above, further improvement in detection accuracy is required.
そこで、本開示はこのような要望に応え、濃度センサの検出精度を向上させることを目的とする。 In view of this, the present disclosure responds to such a demand and aims to improve the detection accuracy of the density sensor.
本開示の一態様における濃度センサは、交流電圧源とコンデンサと検波回路とタイミング生成回路とを備え、タイミング生成回路は、交流電圧源に接続されたAD変換回路と、AD変換回路に接続されたDA変換回路と、DA変換回路に接続された電圧制御発振回路と、電圧制御発振回路に接続された分周回路を有し、AD変換回路のサンプリングタイミング信号は、電圧制御発振回路から出力されたクロック信号であり、DA変換回路におけるサンプリングタイミング信号は、分周回路からの出力信号であり、検波回路の検波タイミング信号は、分周回路からの出力信号φ2とした。 The concentration sensor in one embodiment of the present disclosure includes an AC voltage source, a capacitor, a detection circuit, and a timing generation circuit, and the timing generation circuit is connected to the AD conversion circuit connected to the AC voltage source and the AD conversion circuit. A DA conversion circuit; a voltage control oscillation circuit connected to the DA conversion circuit; and a frequency division circuit connected to the voltage control oscillation circuit. A sampling timing signal of the AD conversion circuit is output from the voltage control oscillation circuit. The sampling timing signal in the DA converter circuit is an output signal from the frequency divider circuit, and the detection timing signal in the detector circuit is the output signal φ2 from the frequency divider circuit.
この構成により、濃度センサの検出精度を向上させることができる。 With this configuration, the detection accuracy of the density sensor can be improved.
以下では、本開示の実施の形態に係る濃度センサについて、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される形状、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 Hereinafter, the concentration sensor according to the embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. Note that each of the embodiments described below shows a preferred specific example of the present disclosure. Accordingly, the shapes, components, arrangement of components, connection forms, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present disclosure. Therefore, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims showing the highest concept of the present invention are described as optional constituent elements.
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。 Each figure is a mimetic diagram and is not necessarily illustrated strictly. In each figure, substantially the same structure is denoted by the same reference numeral, and redundant description is omitted or simplified.
図1は、濃度センサ100の使用形態を示した模式図である。濃度センサ100は、基本構成として交流電圧源1、コンデンサ2、検波回路4、タイミング生成回路5とを有する。交流電圧源1の出力信号は、コンデンサ2とタイミング生成回路5に接続されている。コンデンサ2の出力は検波回路4に接続されている。タイミング生成回路5の出力は検波回路4に接続されている。コンデンサ2と検波回路4の間には、電流―電圧変換回路3が配置しているが、必ずしも電流―電圧変換回路3を配置しなくてもよい。コンデンサ2は、対向する一対の導電板で構成される。コンデンサ2は、測定対象6の中に配置される。濃度センサ100は、測定対象6の濃度変化に伴うコンデンサ2の静電容量変化を検出する静電容量型センサである。また、交流電圧源1とコンデンサ2を除く各処理回路については、ICやマイコンを用いて形成することができる。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a usage pattern of the
なお、この実施の形態における測定対象6は、ガソリンとアルコールを混合した混合燃料である。ガソリンとアルコールは誘電率が異なるため、混合燃料に含まれるアルコールの割合によって混合燃料の誘電率が変化する。この混合燃料の誘電率の変化をコンデンサ2で検出することで、混合燃料におけるアルコールの濃度を検出する。
In addition, the
図2に濃度センサ100の回路図を示す。タイミング生成回路5は、AD変換回路10、演算回路11、DA変換回路12、フィルタ回路13、電圧制御発振回路14、分周回路15、補償回路16を有する。
FIG. 2 shows a circuit diagram of the
AD変換回路10は、交流電圧源1からの出力信号をデジタル値に変換する。演算回路11は、補償回路16から出力された出力値と、AD変換回路10から出力されたデジタ
ル値の差を演算する。DA変換回路12は、演算回路11から出力された出力値をアナログ信号に変換する。フィルタ回路13は、DA変換回路12から出力されたアナログ信号を積分処理する。電圧制御発振回路14は、フィルタ回路13からの出力電圧に応じた周波数のクロック信号φ0を出力する。クロック信号φ0は、AD変換回路10と分周回路15に入力される。クロック信号φ0は、AD変換回路10のサンプリングタイミング信号となる。分周回路15は、クロック信号φ0を8分周し出力信号φ1、φ2を出力する。出力信号φ1と出力信号φ2の位相は90°異なる。出力信号φ1は、DA変換回路12のサンプリングタイミング信号である。出力信号φ2は、検波回路4の検波タイミング信号である。補償回路16は、温度検出回路17と、演算回路18を有する。温度検出回路17は、測定対象6の温度を検出する。演算回路18は、温度検出回路17の検出結果に応じた目標値を所定の演算式に基づき演算する。目標値とは、交流電圧源1の出力信号の温度に対応した出力値である。
The
上述したように、タイミング生成回路5において、AD変換回路10とDA変換回路12を配置さたことで、電圧制御発振回路14の前段にデジタル処理区間19は配置される。タイミング生成回路5にデジタル処理区間19を設けたことで、温度や湿度などの変動要素に対する補償情報を付加する場合において、回路規模の拡大を抑制することができる。
As described above, since the
次に、検波回路4における検波処理について説明する。
Next, the detection process in the
図3に交流電圧源1からの出力信号20を示す。図3における縦軸は、電圧を示し、横軸は時刻を示す。出力信号20は正弦波信号であり、V(t)=Vsinωtで表される。なお、時刻t0、t2、t3、t4は、出力信号20が0Vと交差するタイミングを示す。
FIG. 3 shows an
図4に電流―電圧変換回路3からの出力信号30を示す。図4における縦軸は、電圧を示し、横軸は時刻を示す。図中の時刻t0〜t4は、図3に示す時刻t0〜t4と一致する。出力信号30は、コンデンサ2から出力される電流信号を電流―電圧変換回路3により電圧信号に変換したものである。出力信号30は、I(t)=(V/R)sinωt+(VωC)cosωtで表される。
FIG. 4 shows an
信号31は、出力信号30における抵抗成分電流を示す。抵抗成分電流は、(V/R)sinωtで表される。信号31は、測定対象6の導電率によって変化する。信号31の位相は、図3に示す交流電圧源1からの出力信号20と位相が一致する。
信号32は、出力信号30における静電容量成分電流を示す。静電容量成分電流は、(VωC)cosωtで表される。信号32は、測定対象6の誘電率によって変化する。測定対象6の誘電率は、測定対象6の濃度に比例する。信号32の位相は、図3に示す交流電圧源1からの出力信号20の位相と90°異なる。
A
図5に検波回路4における信号処理動作を示す。図5における縦軸は、電圧を示し、横軸は時刻を示す。なお、時刻t0〜t4は、図3に示す時刻t0〜t4と一致する。時刻j0、j1、j2、j3は、図4に示す信号32が0Vと交差するタイミングを示す。
FIG. 5 shows a signal processing operation in the
信号40は、検波回路4の検波タイミング信号である。つまり、信号40は、図2における分周回路15の出力信号φ2である。図3に示す交流電圧源1からの出力信号20と信号40の位相の差は90°である。タイミング生成回路5における検波タイミング信号の形成については後述する。
The
検波回路4における検波処理は、電流−電圧変換回路3からの出力信号30に対して時刻j0〜j1の区間と時刻j2〜j3の区間において反転処理をおこなう。そして、反転処理を行った信号に対して時刻j0〜j4のタイミングで積分処理するものである。
The detection processing in the
電流−電圧変換回路3から出力信号30は、上述したように、抵抗成分電流である信号31と容量成分電流である信号32を含む。
As described above, the
抵抗成分電流の信号31は、時刻j0〜j1の区間と、時刻j2〜j3の区間で反転されて反転信号31aを形成する。反転信号31aは、時刻j0〜j4のタイミングで積分処理されることで、電圧が0Vの信号41となる。つまり、抵抗成分電流は検波処理によりキャンセルされる。
The resistance component
静電容量成分電流の信号32は、時刻j1〜j2の区間と、時刻j3〜j4の区間で反転されて反転信号32aを形成する。反転信号32aは、時刻j0〜j4のタイミングで積分処理されることで、電圧がv1Vの信号42となる。
The
つまり、検波回路4から出力される信号は、抵抗成分電流の影響がキャンセルされるので、高い検出精度の濃度センサ100が実現できる。
That is, since the influence of the resistance component current is canceled in the signal output from the
次に、タイミング生成回路5における検波タイミング信号の生成について説明する。
Next, generation of a detection timing signal in the
図6から図8に、タイミング生成回路5における信号処理動作を示す。図3における縦軸は、電圧を示し、横軸は時刻を示す。
6 to 8 show signal processing operations in the
信号50は、AD変換回路10のサンプリングタイミング信号である。つまり、信号50は、電圧制御発振回路14から出力されたクロック信号φ0である。信号50は、交流電圧源1の出力信号20を8逓倍したパルス波である。AD変換回路10は、信号50の立下り時刻s0〜s7において出力信号20をサンプリングしたデジタル値を出力する。時刻s0、s4は、交流電圧源1の出力信号20が0Vとなるタイミングと一致している。信号51は、DA変換回路12のサンプリングタイミング信号である。信号51は、分周回路15出力信号φ1である。信号51の周波数は、交流電圧源1からの出力信号20の周波数と一致する。DA変換回路12は、信号51の立下りタイミングでデジタル値をサンプリングしアナログ信号として出力する。したがって、クロック信号φ0は、時刻s0のタイミングにおいて交流電圧源1の出力信号20と同期するように制御される。信号52は、分周回路15の出力信号φ2である。信号51と信号52の位相の差は90°である。
A
図6は、信号50と出力信号20の位相が時刻s0において一致している状態での信号処理動作を示す。この場合、時刻s0における出力信号20の電圧20aが0Vなので、AD変換回路は0をデジタル値として出力する。したがって、後段に配置された電圧制御発振回路14の出力クロックφ0の状態が維持される。
FIG. 6 shows a signal processing operation in a state where the phases of the
図7は、時刻s0のタイミングにおいて出力信号20の位相が進んだ状態での信号処理動作を示す。この場合、時刻s0における出力信号20の電圧20bが負の値なので、AD変換回路10は負の値をデジタル値として出力する。したがって、後段に配置されたフィルタ回路13は、このデジタル値に応じて、電圧制御発振回路14の出力クロックの周波数が下がる極性の信号を出力する。電圧制御発振回路14は、フィルタ回路13の出力に応じて出力クロックの周波数が減少される。
FIG. 7 shows a signal processing operation in a state where the phase of the
図8は、時刻s0のタイミングにおいて出力信号20の位相が遅れた状態での信号処理
動作を示す。この場合、時刻s0における出力信号20の電圧20cが正の値なので、AD変換回路10は正の値をデジタル値として出力する。したがって、後段に配置されたフィルタ回路13は、このデジタル値に応じて、電圧制御発振回路14の出力クロックの周波数が上がる極性の信号を出力する。電圧制御発振回路14は、フィルタ回路13の出力に応じて出力クロックの周波数が増加される。
FIG. 8 shows a signal processing operation in a state where the phase of the
タイミング生成回路5は、図7における信号処理動作と図8における信号処理動作を繰り返すことで、最終的に図6に示す目標の信号処理動作の状態に収束される。なお、このようなタイミング生成回路5はAD変換回路10の分解能単位で設定することが出来るため、電圧制御発振器25のクロック周波数に因らず微細な設定が可能である。
The
また、AD変換回路10とDA変換回路12の間は、デジタル処理区間である。デジタル区間においては付加的な信号処理を行う場合での回路規模の拡大が抑制される。上述したタイミング生成回路5では、AD変換回路10とDA変換回路12の間に演算回路11が配置されている。演算回路11には、補償回路16が接続されている。補償回路16では、温度条件や湿度条件といった環境変化に応じた目標値を出力する。演算回路11では、補償回路16から出力された目標値とAD変換回路10から出力されたデジタル値の差を演算し、DA変換回路12に出力される。したがって、タイミング生成回路5は環境変化の影響を抑制することができる。
Further, a portion between the
このタイミング生成回路5では、補償回路16が温度検出回路17と演算回路18で構成している。温度検出回路17は温度を検出する。演算回路18は、予め設定された関数により検出温度に応じた目標値を決定して出力する。これにより濃度センサ100は、温度変化の影響を抑制した高い精度での検出が可能となる。
In the
例えば、温度検出回路17で測定対象6の温度を検出する場合、測定対象6の温度変化に伴う出力変動を抑制することができる。特に、測定対象6が、上述したようにガソリンとアルコールを混合した混合燃料であれば、温度変化に伴う出力変動が大きくなるので、温度変化に伴う出力変動の抑制が有効である。また、温度検出回路17で電圧制御発振回路14や検波回路4などの濃度センサ100を構成する処理回路の温度を検出する場合、処理回路の温度変化に伴う出力変動を抑制することができる。特に、複数の処理回路を集積したICを用いる場合であれば、温度変化に伴う出力変動が大きくなるので、温度変化に伴う出力変動の抑制が有効である。
For example, when the temperature of the
本開示の濃度センサは、特に自動車などの内燃機関用途において有効となる。 The concentration sensor of the present disclosure is particularly effective in an internal combustion engine application such as an automobile.
1 交流電圧源
2 コンデンサ
4 検波回路
5 タイミング生成回路
6 測定対象
10 AD変換回路
11 演算回路(第一の演算回路)、
12 DA変換回路
14 電圧制御発振回路
15 分周回路
16 補償回路
17 温度検出回路
18 演算回路(第二の演算回路)
20 出力信号
100 濃度センサ
φ0 クロック信号
φ1 出力信号
φ2 出力信号
DESCRIPTION OF
12
20
Claims (3)
前記コンデンサに交流電圧を印加する交流電圧源と、
前記コンデンサからの出力信号を検波する検波回路と、
前記交流電圧から前記検波回路の検波タイミング信号を生成するタイミング生成回路と、を備え、
前記タイミング生成回路は、
前記交流電圧源からの出力信号をデジタル値に変換するAD変換回路と、
前記AD変換回路から出力されたデジタル値をアナログ信号に変換するDA変換回路と、前記DA変換回路から出力されたアナログ信号に応じたクロック信号を出力する電圧制御発振回路と、
前記電圧制御発振回路から出力されたクロック信号を分周する分周回路と、を有し、
前記AD変換回路におけるサンプリングタイミング信号は、前記電圧制御発振回路から出力されたクロック信号であり、
前記DA変換回路におけるサンプリングタイミング信号は、前記分周回路からの出力信号であり、
前記検波回路の検波タイミング信号は、前記分周回路からの出力信号である、
濃度センサ。 A capacitor placed in the measurement object;
An AC voltage source for applying an AC voltage to the capacitor;
A detection circuit for detecting an output signal from the capacitor;
A timing generation circuit that generates a detection timing signal of the detection circuit from the AC voltage,
The timing generation circuit includes:
An AD conversion circuit for converting an output signal from the AC voltage source into a digital value;
A DA conversion circuit that converts a digital value output from the AD conversion circuit into an analog signal; a voltage-controlled oscillation circuit that outputs a clock signal corresponding to the analog signal output from the DA conversion circuit;
A frequency dividing circuit that divides the clock signal output from the voltage controlled oscillation circuit,
The sampling timing signal in the AD conversion circuit is a clock signal output from the voltage controlled oscillation circuit,
The sampling timing signal in the DA converter circuit is an output signal from the frequency divider circuit,
The detection timing signal of the detection circuit is an output signal from the frequency divider circuit.
Concentration sensor.
前記第一の演算回路に接続された補償回路とを、備えた、
請求項1に記載の濃度センサ。 A first arithmetic circuit connected between the AD conversion circuit and the DA conversion circuit;
A compensation circuit connected to the first arithmetic circuit,
The concentration sensor according to claim 1.
温度検出回路と、
前記温度検出回路の検出結果に基づいて出力値を演算する第二の演算回路を有し、
前記第一の演算回路において、前記第二の演算回路からの出力値と前記AD変換回路からの出力値の差を演算する、
請求項2に記載の濃度センサ。 The compensation circuit includes:
A temperature detection circuit;
A second arithmetic circuit that calculates an output value based on a detection result of the temperature detection circuit;
In the first arithmetic circuit, a difference between an output value from the second arithmetic circuit and an output value from the AD converter circuit is calculated.
The concentration sensor according to claim 2.
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