JP4108131B2 - 空気品質測定のための装置 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は空気品質測定のための装置に関する。従来技術は、アナログ信号が電圧依存ジェネレータ（ＶＣＯ）を制御する。電圧制御ジェネレータはデジタル信号を出力し、この際この周波数がこのアナログ信号の電圧の尺度である。
本発明の課題は、空気品質センサに対する簡単で妨害に強い信号処理部を提供することである。この課題は主請求項の特徴部分記載の構成によって解決される。
本発明の利点
空気品質測定のための本発明の装置の構成にはセンサが設けられ、このセンサのセンサ抵抗値は空気品質に依存する。このセンサ抵抗は信号処理部の部分であり、この信号処理部はこのセンサ抵抗値をこのセンサ抵抗値に依存する周期長Ｔを有する出力信号に変換する。従って、この出力信号の周期長Ｔはセンサ抵抗値の尺度である。この周波数の定められた出力信号は、振幅が有効情報を含んでいるアナログ信号の場合よりも発生する妨害又は線路に関連する妨害に対してより敏感ではない。また温度影響に基づく妨害も低減される。時間乃至は周波数に依存する出力信号は幾つかのマイクロコントローラおいてアナログ電圧よりも高い分解能で検出される。出力信号として可変周期長を有するバイナリ信号を使用する場合、デジタル技術で簡単な信号処理が可能である。従って、面倒なアナログ構成部材は必要ない。
従属請求項記載の構成によって有利な改善実施形態が可能である。信号処理部として電圧/時間変換器又は電圧/周波数変換器を使用する構成が設けられる。電圧制御発振器とも呼ばれるこの回路は標準的なＩＣとして入手しやすい。
他の有利な改善実施形態では、電圧/時間変換器としてＲＣ素子及びコンパレータから成る無安定マルチバイブレータが使用される。この構成によれば、コンパレータの反転入力側には基準電位に接続されたコンデンサＣが接続され、抵抗Ｒがこのコンパレータの出力側に接続される。このコンパレータの非反転入力側には基準電位に接続されたセンサ抵抗Ｒ_sが接続され、第２の抵抗Ｒ２がこのコンパレータの出力側に接続される。このコンパレータの出力側で出力信号が取り出される。この回路によって、出力信号の周期長Ｔが対数的にセンサ抵抗値に依存することが達成される。この周期長Ｔの対数的な経過は、空気品質センサのセンサ抵抗値/空気品質特性曲線に一致する。このセンサ抵抗値/空気品質特性曲線は同様に対数的に乃至は指数的に経過する。このことによって複数のデケードに亘って一定の感度が得られる。同様に一定の感度を惹起するであろうアナログ対数形成器は必要ない。可変周期長Ｔを有する出力信号はアナログ対数形成器の出力信号に比べてより妨害に強い。
有利な使用事例は自動車における空気品質測定のための装置に見いだされる。この場合、空気品質に依存して換気システムが閉ループ制御される。
他の有利な構成はこの記述から得られる。
図面
図１はブロック回路図を示し、図２は回路装置の例を示し、図３は本発明の装置の可能な出力信号経過を示す。
実施例の記述
空気品質１０はセンサ１１によって測定信号１２に変形される。信号処理部１３はこの測定信号１２を出力信号１４に変換する。
実施例によれば、信号処理部１３はコンパレータ２１を有し、このコンパレータ２１の非反転入力側には基準電位に接続されたセンサ抵抗Ｒ_s１７が接続され、第２の抵抗Ｒ２１９はこのコンパレータ２１の出力側に接続されている。このコンパレータ２１の反転入力側には基準電位に接続されたコンデンサＣ１８が接続され、抵抗Ｒ２０がこのコンパレータ２１の出力側に接続されている。このコンパレータ２１の出力側では基準電位に対して出力信号１４が取り出される。
図３ａには、出力信号１４の時間経過が指数的な上昇及び下降によって示されており、これは第１の周期長Ｔ１に従って反復されている。図３ｂに示されているバイナリ出力信号１４は第２の周期超Ｔ２で反復されている。この第２の周期長Ｔ２内において、このバイナリ出力信号１４は第３の周期長Ｔ３の間に論理値１をとり、この値は電圧Ｕに相応する。
空気品質測定のための装置は次のように作動する。センサ１１は空気品質１０を検出する。空気品質１０は例えば既存の一酸化炭素又は酸化窒素の濃度のような空気組成として解釈される。センサ１１のセンサ抵抗値Ｒ_sは有害物質濃度に依存して変化する。通常使用されるＣＯセンサ乃至はＮＯ_xセンサは指数的な抵抗/濃度特性曲線を有する。センサ１１として同様にオーム抵抗センサを使用することもできる。これら全てのセンサ１１は測定信号１２としてセンサ抵抗値Ｒ_s１７を空気品質１０に依存して送出する。特性曲線はその指数的な経過のために複数のデケードに亘って相応に大きな数値範囲を有するので、一定の感度を得るために対数評価が有意義である。
空気品質に依存して例えば自動車において換気システムが制御される。例えばトンネル内で発生するような高い有害物質濃度は、送風機の遮断切換及び/又は換気弁の閉鎖をもたらす。
信号処理部１３は測定信号１２を可変周期長Ｔ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を有する出力信号１４に変換する。信号処理部１３として例えば電圧/時間変換器又は電圧/周波数変換器を使用することができる。この変換器の入力電圧としては例えばセンサ抵抗値Ｒ_s１７に比例するこのセンサ抵抗Ｒ_s１７で取り出される電圧を使用する。従って、結局はアナログ-デジタル変換が達成される。
パルス幅変換器の場合には、測定すべき電圧が鋸歯状電圧と比較される。２ランプ-アナログ-デジタル変換器もアナログ電圧を時間に依存して示すのに適している。電圧/周波数変換器は入力量として変換すべき電圧を受け取り、一連の方形パルスを供給する。このパルスの周波数は印加される電圧の大きさに比例する。電圧-周波数変換は同様に電荷収支法（Ladungsbilanzverfahren）に従って行うこともできる。電圧-周波数特性曲線はこの周知の方法では直線である。
図２のＲＣ素子及びコンパレータからなる無安定マルチバイブレータは、マルチバイブレータ乃至は緩和発振器という呼び名でも周知である。センサ抵抗Ｒ_s１７はこの回路において周波数を決定するように作用する。図２に示されたマルチバイブレータの投入切換の時点ではコンデンサの電圧はゼロである。コンパレータ２１は出力信号１４として図３ｂに示されているような正の電圧Ｕを供給する。この電圧は抵抗Ｒを介してキャパシタンスＣ１８を充電する。センサ抵抗Ｒ_s１７で降下する電圧の形式のスイッチング閾値は、このセンサ抵抗Ｒ_s１７及び第２の抵抗Ｒ２１９から成る分圧器及び出力信号１４によって決定される。コンデンサＣ１８の電圧がこのスイッチング閾値に到達すると、コンパレータ２１が切り換わり、出力信号−Ｕを供給する。コンデンサＣ１８の充電電流は正反対の方向に流れる。このコンデンサＣ１８は、第２のスイッチング閾値に到達するまでの期間放電される。この第２のスイッチング閾値は第１のスイッチング閾値の負の値を有する。コンパレータ２１の出力信号１４は再び極性を替え、出力側に正の電圧Ｕを印加する。上述の過程が繰り返される。
コンデンサＣ１８の指数的な充電及び放電経過によって、周期長Ｔ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は計算によって算出される。

商２Ｒ_s/Ｒ２が１よりもはるかに大きい場合、式（１）は次のように簡略化される。

この周期長Ｔとセンサ抵抗値Ｒ_sとの対数的な関係は図２の回路装置に関連している。この回路装置においては図３ｂの出力信号１４が実際に表れる。この図３ｂに示された第２の周期長Ｔ２が公式（１）及び（２）の周期長Ｔに相応する。よって、周期長Ｔとセンサ抵抗値Ｒ_sとの間の対数的な関係は冒頭で記述したセンサ１１の特性に適合されている。これによって、とりわけ複数のデケードに亘って一定の感度が達成される。
空気品質測定のための装置は明らかに図２に示された回路実施例に限定されるものではない。よって、図３に示されている出力信号経過とはまったく別の出力信号経過１４を考えることができる。センサ抵抗値Ｒ_s１７は例えば第１の周期長Ｔ１を有する出力信号１４に変換することができる。この出力信号１４は第１の周期長Ｔ１内に指数的に上昇し続いてまた降下する。第１の周期長Ｔ１に従ってこの指数的な上昇及び下降が反復される。図３ｂと同じく、センサ抵抗値Ｒ_s１７の周期長Ｔ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３への変換が行われ、基本周期長である一定の第２の周期長Ｔ２において第３の周期長Ｔ３が変化する。これはパルス占有率の制御に相応する。さらに基本周期長Ｔ２もこのパルス占有率もＴ３を介して変化させる可能性が存する。このために相応の変調方法が使用される。
センサ抵抗値Ｒ_s１７に依存する周期長Ｔ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を検出するためには標準構成素子が使用できる。デジタル的な検出の他に、同じくアナログ電圧への変換も可能である。幾つかのマイクロコントローラは、アナログ電圧を例えば８ビット分解能で測定し、他方で時間を１６ビット分解能で測定することによって優れている。
図２の回路装置では共通基準電位としてアースが使用されている。しかし、これはどうしても必要であるわけではない。よって、例えばセンサ抵抗Ｒ_s１７及びコンデンサＣ１８を共通の基準電位に接続し、他方で出力信号１４をコンパレータ２１に給電する電位と一致する第２の基準電位に対して取り出すことも有意義である。これによって信号整合が的確に行われる。

Claims (4)

1. 少なくとも１つのセンサ（１１）を有し、該センサ（１１）の抵抗Ｒ_s（１７）の値は空気品質（１０）に依存し、
   該抵抗Ｒ_s（１７）は無安定マルチバイブレータに設けられており、
   該無安定マルチバイブレータはＲＣ素子（１８、２０）及びコンパレータ（２１）を含み、
   該コンパレータ（２１）の反転入力側は前記ＲＣ素子（１８、２０）の第１の抵抗（２０）を介して前記コンパレータ（２１）の出力側に接続されており、該出力側で出力信号（１４）が取り出され、
   前記コンパレータ（２１）の非反転入力側は第２の抵抗Ｒ２（１９）を介して前記コンパレータ（２１）の出力側に接続されている、空気品質測定のための装置において、
   前記コンパレータ（２１）の反転入力側には前記ＲＣ素子（１８、２０）のコンデンサ（１８）が接続されており、該コンデンサ（１８）は基準電位に接続されており、
   前記コンパレータ（２１）の非反転入力側には前記センサ（１１）が接続されており、該センサ（１１）も同様に基準電位に接続されており、
   前記出力信号（１４）の周期長（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）は対数的に前記センサ（１１）の前記抵抗Ｒ_s（１７）の値に依存することを特徴とする空気品質測定のための装置。
2. （１＋２＊Ｒ_s/Ｒ２）を（２＊Ｒ_s/Ｒ２）に近似することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. センサ（１１）の抵抗Ｒ_s（１７）はオーム抵抗器であることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 出力信号（１４）に依存して自動車の換気が制御されることを特徴とする請求項１〜３までのうちの１項記載の装置。

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