JP5146758B2 - 信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、変動するオフセットが重畳した微小入力信号をＡＤ変換回路でディジタル信号に変換し所定の信号処理を行う信号処理装置に関し、特に測定ガス流中に第１および第２の補助ガス流を合流させ，一方の合流部には磁界をかけ，前記測定ガス中の酸素濃度により第１および第２の補助ガスの流量が変化することを利用して測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度計の信号処理装置の改良に関するものである。

図６は酸素濃度計の従来例を示す構成図である。測定セル１００は、外壁に設けられたヒータにより温度が一定に保たれた部屋（恒温室‐図示せず）に配置され、酸素濃度の変化を電気信号の変化に変換する。測定セル１００において、第１、第２の測定ガス通路２，３はリングを構成し、測定ガス通路２，３の対称位置に測定ガス用入口１およびガス出口４が設けられている。第１および第２の測定ガス通路２，３の中央部には，両者を結ぶバイパス通路として形成された第１および第２の補助ガス通路６，７が合流している。補助ガス入口５はバイパス通路の中央に開口し、第１および第２の補助ガス通路６，７に分岐する。磁石８は測定ガス通路２と補助ガス通路６との合流する部分に設置され，合流部に磁界を与える。補助ガス流検出用流速センサ９，１０はサーミスタなどからなり、バイパス通路において補助ガス導入口５を挟んで対称位置に設けられた一対の流速センサを構成する。

定抵抗回路１１，１２はサーミスタセンサ９，１０を駆動し、流量（流速）を電気信号に変換する。差動アンプ１３は定抵抗回路１１，１２からの電気信号の差をとり酸素濃度信号を得る。ＡＤ変換回路１４は差動アンプ１３からの出力信号をディジタルデータに変換する。ＣＰＵ１５はＡＤ変換回路１４から出力されたディジタルデータに基づいてスパン調整や校正などを行う。アナログ出力回路１６はＣＰＵ１５でから出力される酸素濃度データを４〜２０ｍＡの標準アナログ信号に変換する。

図６装置の動作を以下に説明する。測定セル１００において、測定ガスＧは測定ガス入口１より分岐してリング状の第１および第２の測定ガス通路２，３内をそれぞれ流れ，再び合流してガス出口４より排出される。補助ガス通路６，７を流れる補助ガスｇは，補助ガス入口５より分岐して第１および第２の補助ガス通路６，７に流れる。

測定ガス中Ｇに酸素分子が含まれていると，酸素分子が磁石８による磁界に引き付けられ，その部分が抵抗となって補助ガスｇの分流比（補助ガス通路６と補助ガス通路７とを流れる補助ガスｇの比）が変わる。その補助ガスの流量変化は、補助ガス通路６，７にそれぞれ設けられた流速センサ（サーミスタ）９，１０で検出される。測定ガス中に酸素分子が含まれていない場合、補助ガス（Ｎ₂）の左右の流量Ｑ_L，Ｑ_Rは等しくＱ_R＝Ｑ_Lとなる。酸素分子が含まれていると、磁界発生側の流量Ｑ_Lは磁界が酸素分子に作用する力ＦによりＱ_Rより小さくなり（Ｑ_R＞Ｑ_L）、その流量の差ΔＱ＝Ｑ_R−Ｑ_Lは測定中に含まれる酸素分子に比例する。

サーミスタ９，１０は定抵抗回路１１，１２により一定の温度（抵抗値）に自己発熱させられ、サーミスタがガスの流れによって冷やされても、常に一定の温度（抵抗値）に自己発熱するようにサーミスタへの供給電力が制御される。これらの供給電力に対応した、定抵抗回路１１，１２からの電気信号ＶＲ，ＶＬは、その差ＶＲ−ＶＬの値が酸素濃度に比例するので、差動アンプ１３で差がとられ、酸素濃度信号が得られる。この酸素濃度信号は、既知の酸素濃度のガスを使用してゼロスパン校正を行うことで値づけされる。図７の動作説明図に示すように、定抵抗回路１１，１２の出力は約１０Ｖのベース電圧があるが、差動アンプ１３によりベース電圧は相殺され、酸素濃度による変化分だけが取り出される。差動アンプ１３からの出力信号はＡＤ変換回路１４でディジタルデータに変換され、ＣＰＵ１５でデータ処理された後、アナログ出力回路１６で標準アナログ信号に変換される。

波形表示装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

実開平５−９０３６１号公報

しかし、従来技術では、定抵抗回路１１，１２の出力に含まれるベース電圧は周囲温度の影響を受けるので、２つのサーミスタに感度差があると周囲温度によるベース電圧の変化量に差が発生し、それが差動アンプの出力に現れて誤差となる。このため、調整工程では、定抵抗回路１１，１２のループゲインを調節し、サーミスタの感度差を補正している。この補正は調整と確認を繰り返し行う必要があり、規定値に追い込むために多大な時間を要している。

また、定抵抗回路の制御出力の温度による変動の大きさはガス流量による変化に比べ非常に大きいので、Ａ／Ｄ変換回路の入力レンジを越えてしまうことが問題となる。この場合に、入力アンプのゲインを下げることでＡ／Ｄ変換回路の入力範囲内に信号を減衰させると、Ａ／Ｄ変換の分解能が低下する欠点があった。

本発明はこのような課題を解決しようとするもので、温度によって変動する定抵抗回路の出力値を、アンプのゲインを変えずに常にＡ／Ｄ入力範囲内にコントロールすることのできる信号処理装置を提供することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
測定ガス流中に第１および第２の補助ガス流を合流させて一方の合流部に磁界をかけ、前記第１および第２の補助ガスの流量の変化を一対の流速センサで検出し、両検出信号の差に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度計の信号処理装置において、
第１の前記流速センサの出力からシフト電圧および第１のベース電圧を減算する第１の演算回路と、
第２の前記流速センサの出力から前記シフト電圧および第２のベース電圧を減算する第２の演算回路と、
前記第１の演算回路および前記第２の演算回路の出力を順次取り込むＡＤ変換部と、
前記第１の演算回路および前記第２の演算回路の出力に対応した前記ＡＤ変換部の出力の差、前記シフト電圧および前記ベース電圧に基づいて前記測定ガス中の酸素濃度を演算するとともに、前記各演算回路の出力が前記ＡＤ変換部の入力範囲内に設けられた上限値または下限値に達すると前記シフト電圧をそれぞれ所定量増加または減少し、第１のＤＡ変換回路を介して前記各演算回路に出力するとともに、第１のベース電圧を第２のＤＡ変換回路を介して第１の演算回路に出力し、第２のベース電圧を第３のＤＡ変換回路を介して第２の演算回路に出力するＣＰＵと
を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の信号処理装置において、
前記酸素濃度計は、
リング状を成す測定ガス通路の対称位置に設けられた測定ガス用入口およびガス出口と、
前記測定ガス通路を結んで形成されたバイパス通路と、
このバイパス通路の途中に設けられた補助ガス導入口と、
前記バイパス通路と前記リング状測定ガス通路の接続部分の一方に設けられた磁石と、
前記バイパス通路において前記補助ガス導入口を挟んで対称位置に設けられ補助ガス流を検出する一対の流速センサと
を備えることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１または２に記載の信号処理装置において、
前記ＡＤ変換部は、マルチプレクサを内蔵したマルチチャンネル入力形であり、前記第１の演算回路および前記第２の演算回路の出力を順番に取り込むことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
請請求項１乃至３に記載の信号処理装置において、
前記流速センサはサーミスタからなることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、
請求項１乃至４のいずれかに記載の信号処理装置において、
前記下限値および前記上限値がそれぞれ前記ＡＤ変換回路の入力範囲に対して所定のマージンを有していることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、
請求項１乃至４のいずれかに記載の信号処理装置において、
前記下限値および前記上限値がそれぞれ前記ＡＤ変換回路の入力範囲と一致していることを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、温度によって変動する定抵抗回路の出力値を、アンプのゲインを変えずに常にＡ／Ｄ入力範囲内にコントロールすることのできる信号処理装置を提供することができる。

以下本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る信号処理装置の一実施例を示す構成ブロック図である。図６と同じ部分は同一の記号を付して重複する説明は省略する。第１および第２の演算回路２３Ｌ，２３Ｒは演算部２３を構成し、それぞれ定抵抗回路１１，１２からの出力信号ＶＬ，ＶＲをそれぞれ入力する。ＡＤ変換回路２４はマルチプレクサを内蔵しているマルチチャネル入力形で演算回路２３Ｌ，２３Ｒからの出力ＶＬｉｎとＶＲｉｎそれぞれを順番に取り込みディジタルデータに変換する。ＣＰＵ２５はＡＤ変換回路２４から出力されるディジタルデータの差に基づいて酸素濃度を演算し出力する。また、ＣＰＵ２５でコントロールされ、第１のＤ／Ａ変換回路２６から出力されるシフト電圧Ｖ＿ｓｈｉｆｔは演算回路２３Ｌと２３Ｒの両方に入力され、第２のＤ／Ａ変換回路２７から出力される第１のベース電圧Ｖ＿ｂａｓｅＬは演算回路２３Ｌに入力され、第３のＤ／Ａ変換回路２８から出力される第２のベース電圧Ｖ＿ｂａｓｅＲは演算回路２３Ｒに入力される。

図１装置の動作の概要を以下に説明する。定抵抗回路１１，１２からの出力信号ＶＬ，ＶＲは第１および第２の演算回路２３Ｌ，２３Ｒにそれぞれ入力され、ＤＡ変換回路２６の出力が共通に減算されるとともに、それぞれＤＡ変換回路２７，２８の出力が減算される。演算回路２３Ｌ，２３Ｒからの出力（以下演算出力という）ＶＬｉｎとＶＲｉｎはＡＤ変換回路２４にそれぞれ順番に取り込まれてディジタルデータに変換される。ＣＰＵ２５において演算出力ＶＬｉｎのディジタルデータと演算出力ＶＲｉｎのディジタルデータとの差が演算され、その値に基づいて酸素濃度が演算され、出力される。

図１装置の動作の詳細を図２のフローチャートを用いて以下に説明する。あらかじめ、ＡＤ変換回路２４からのディジタルデータに基づき、ＣＰＵ２５においてソフトウェアによってループゲインの調整が行われる。すなわち、流速センサ９から演算回路２３Ｌまでの回路と流速センサ１０から演算回路２３Ｒまでの回路の間の感度差が補正される。

酸素濃度の測定が開始すると、各ベース電圧の設定が次のように行われる（ステップ３１）。酸素が含まれない安定したガス（窒素ガス）を流した状態で、セル１００周辺の温度が十分安定した時、演算出力ＶＬｉｎが４ＶになるようにＤＡ変換回路２７の出力を調整し、演算出力ＶＲｉｎが１ＶになるようにＤＡ変換回路２８の出力を調整する。

以上の設定のもとで、２つの定抵抗回路１１，１２から出力された流速検出信号ＶＬ，ＶＲは、演算回路２３Ｌ，２３ＲにおいてＤＡ変換回路２７，２８から出力されるベース電圧Ｖ＿ｂａｓｅＬ，Ｖ＿ｂａｓｅＲがそれぞれ減算されるとともに、ＤＡ変換回路２６から出力されるシフト電圧Ｖ＿ｓｈｉｆｔが共通に減算される（下記（１）（２）式）。（ステップ３２）。
ＶＬｉｎ＝｛ＶＬ−（Ｖ＿ｂａｓｅＬ＋Ｖ＿ｓｈｉｆｔ）｝×ａ （１）
ＶＲｉｎ＝｛ＶＲ−（Ｖ＿ｂａｓｅＲ＋Ｖ＿ｓｈｉｆｔ）｝×ａ （２）
（ａは必要分解能に応じたゲイン）

演算回路２３Ｌ，２３Ｒからの演算出力ＶＬｉｎ、ＶＲｉｎはＡ／Ｄ変換回路２４で順次ディジタルデータに変換される（ステップ３３）。

ＣＰＵ２５において、演算出力ＶＲｉｎのディジタルデータは、下限値０．５Ｖに相当するデータと比較され（ステップ３４）、０．５Ｖ以下の場合は０．７５Ｖとなるようにシフト電圧Ｖ＿ｓｈｉｆｔが所定量（ここでは０．２５Ｖ／ａ）減少され（ステップ３５）、ステップ３２に戻る。

演算出力ＶＲｉｎのディジタルデータが０．５Ｖより大きい場合は、演算出力ＶＬｉｎのディジタルデータが、上限値４．５Ｖに相当するデータと比較され（ステップ３６）、４．５Ｖ以上の場合は４．２５Ｖとなるようにシフト電圧Ｖ＿ｓｈｉｆｔが所定量（ここでは０．２５Ｖ／ａ）増加され（ステップ３７）、ステップ３２に戻る。４．５Ｖより小さい場合は演算出力の差ＶＲｉｎ−ＶＬｉｎ、シフト電圧Ｖ＿ｓｈｉｆｔ、ベース電圧Ｖ＿ｂａｓｅＬ，Ｖ＿ｂａｓｅＲに基づいて酸素濃度が演算される（ステップ３８）。

図３は、演算回路２３Ｌ，２３Ｒの出力ＶＬｉｎ、ＶＲｉｎがベース電圧から変化する方向を示す動作説明図である。測定ガスＧ（図６）に酸素が含まれるとマグネット８（図６）側の定抵抗回路１１の出力ＶＬは小さくなり、ＶＲ側は大きくなる。この結果、演算回路２３Ｌの出力ＶＬｉｎは４Ｖから減少し、演算回路２３Ｒの出力ＶＲｉｎは１Ｖから増加する方向に変化する。

図４は、セル１００周辺の温度が変化したときの演算回路の出力ＶＬｉｎ、ＶＲｉｎの変化を示す動作説明図である。酸素が含まれないガスを流した状態で、セル周辺の温度が上昇した場合、それぞれの定抵抗回路１１，１２がサーミスタを８０℃に保つために供給する電力が減少するので、出力ＶＬ、ＶＲは減少する方向に変化する。それに伴って演算回路２３Ｌ，２３Ｒの出力ＶＬｉｎ、ＶＲｉｎも減少する方向に変化する（エリアａ）。ここで演算出力ＶＲｉｎが０．５Ｖまで減少した時、演算出力ＶＲｉｎが０．７５Ｖになる（すなわち、０．２５Ｖ増加する）ようシフト電圧Ｖ＿ｓｈｉｆｔを所定量（すなわち、０．２５Ｖ／ａ）減少させる（ｂ点）。ＤＡ変換回路２６から出力されるシフト電圧Ｖ＿ｓｈｉｆｔは演算出力ＶＬｉｎ側にも同じだけ入力されるので、演算出力の差ＶＲｉｎ−ＶＬｉｎの値には影響を与えない。

反対に、セル周辺の温度が下降した場合、演算出力ＶＬｉｎ、ＶＲｉｎは増加する方向に変化する（エリアｃ）。演算出力ＶＬｉｎが４．５Ｖまで増加した時、演算出力ＶＬｉｎが４．２５Ｖになる（すなわち、０．２５Ｖ減少する）よう、シフト電圧Ｖ＿ｓｈｉｆｔを所定量（すなわち、０．２５Ｖ／ａ）増加させる（ｄ点）。このように、演算出力ＶＬｉｎ、ＶＲｉｎの値をＶ＿ｓｈｉｆｔによって調節することで、演算出力の差（ＶＲｉｎ−ＶＬｉｎ）に影響を与えずに演算出力ＶＬｉｎ、ＶＲｉｎをＡ／Ｄ変換回路２４の入力範囲Ａ以内に常に保つことができる。演算出力の差（ＶＬｉｎ−ＶＲｉｎ）の値は、（ＶＬ−ＶＲ）に比例するので、酸素濃度に比例し、既知の酸素濃度のガスを使用してゼロスパン校正を行うことにより値づけされる。

以上から明らかなように、上記のような構成の信号処理装置によれば、Ａ／Ｄ変換回路の入力範囲以上のダイナミックレンジ（変化量）を持つ信号を、減衰処理なし（アンプのゲインを落とすことなく）で、Ａ／Ｄ変換回路の入力範囲内に入力させることができる。Ａ／Ｄ変換回路の入力範囲内に信号を減衰（アンプのゲインを落とす）させる必要がないので、Ａ／Ｄ変換の分解能が低下しないという利点がある。

また、ループゲインの調整をソフトウェアによって行うので、調整に要する時間を短縮することができる。

なお、上記実施例ではベース電圧により演算出力ＶＬｉｎ、ＶＲｉｎを４Ｖ、１Ｖに調整しているがこれに限らない。また、下限値、上限値はそれぞれ０．５Ｖ、４．５Ｖに限らず、ＡＤ変換回路の入力範囲内で、ベース電圧から所定の範囲の任意の値をとることができる。

また、上記の実施例ではＡＤ変換回路としてマルチプレクサを内蔵したマルチチャンネル入力形を用いているが、これに限らず、マルチプレクサと通常のＡＤ変換回路を組み合わせてもよい。

また、図４に示すように、上記の実施例では、演算部２３の出力の下限値および上限値は、それぞれＡＤ変換回路２４の入力範囲Ａとの間に所定のマージンを持っているが、これに限らず、ＡＤ変換回路２４の入力範囲と一致させてもよい。

図５は本発明の実施の形態に係る信号処理装置の第２の実施例で、本発明の原理により近いものを示す構成ブロック図である。入力アンプ４１は入力端子４０に与えられる入力信号を増幅する。演算部４３は、入力アンプ４１で増幅された信号からＤ／Ａ変換回路４６より出力される信号を減算する。ＡＤ変換回路４４は演算部４３から出力される信号をディジタル信号に変換する。ＣＰＵ４５は、演算部４３の出力がＡＤ変換回路４４の入力範囲内に設けられた演算部４３出力の上限値または下限値に達すると、それぞれ増加または減少したシフト電圧をＤＡ変換回路４６を介して演算部４３に出力するとともに、ＡＤ変換回路４４からの出力に基づいて信号処理を行う。

図５の装置の動作を以下に説明する。入力端子４０を介して入力された微小入力信号はアンプ４１で増幅され、演算部４３でＤ／Ａ変換回路４６から出力される信号が減算される。演算部４３から出力された信号は、ＡＤ変換回路４４でディジタルデータに変換され、ＣＰＵ４５で、ＡＤ変換回路４４の入力範囲内に設けられた演算部４３出力の上限値および下限値のディジタルデータと比較される。演算部４３の出力が上限値に達すると所定量増加したシフト電圧をＤＡ変換回路４６を介して演算部４３に出力し、演算部４３の出力が上限値より下降するようにする。また、下限値に達すると所定量減少したシフト電圧をＤＡ変換回路４６を介して演算部４３に出力し、演算部４３の出力が下限値より上昇するようにする。このようにしてＣＰＵ４５によりＤＡ変換回路４６を制御することにより、微小信号入力に変動する大きなオフセットが重畳する場合でも、演算部４３の出力を常にＡＤ変換回路４４の入力範囲内に収めておくことができる。ＡＤ変換回路４４の出力とシフト電圧からＣＰＵ４５で入力信号の値が求められ、これに基づいて信号処理が行われる。

以上から明らかなように、上記のような構成の信号処理装置によれば、入力信号をＤ／Ａ変換回路４６からの信号でシフトすることにより、演算部４３の出力がゲインを変えずにＡ／Ｄ変換回路４４の入力範囲内に調節されるので、微少信号処理において高分解能を必要とする場合、高ゲインの入力アンプ４１の増幅率を、Ａ／Ｄ変換回路４４+の入力範囲を気にすることなく決めることができる。従来は、信号の変化量とＡ／Ｄ変換回路の入力範囲の関係からアンプの増幅率は制限されていた。

本発明の実施の形態に係る信号処理装置の一実施例を示す構成ブロック図である。 図１装置の動作の詳細を示すフローチャートである。 演算回路２３Ｌ，２３Ｒの出力の変化方向を示す動作説明図である。 セル１００周辺の温度が変化したときの図１装置の動作を示す動作説明図である。 本発明の実施の形態に係る信号処理装置の第２の実施例を示す構成ブロック図である。 酸素濃度計の従来例を示す構成図である。 図６装置の動作を示す動作説明図である。

符号の説明

１ 測定ガス入口
２ 第１の測定ガス通路
３ 第２の測定ガス通路
４ ガス出口
５ 補助ガス導入口
６，７ バイパス通路
８ 磁石
９ 第１の流速センサ
１０ 第２の流速センサ
２３Ｌ 第１の演算回路
２３Ｒ 第２の演算回路
２３，４３ 演算部
２４，４４ ＡＤ変換回路
２５，４５ ＣＰＵ
２６，４６ 第１のＤＡ変換回路
２７ 第２のＤＡ変換回路
２８ 第３のＤＡ変換回路
Ｖ＿ｓｈｉｆｔ シフト電圧
Ｖ＿ｂａｓｅＬ 第１のベース電圧
Ｖ＿ｂａｓｅＲ 第２のベース電圧

Claims (6)

1. 測定ガス流中に第１および第２の補助ガス流を合流させて一方の合流部に磁界をかけ、前記第１および第２の補助ガスの流量の変化を一対の流速センサで検出し、両検出信号の差に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度計の信号処理装置において、
   第１の前記流速センサの出力からシフト電圧および第１のベース電圧を減算する第１の演算回路と、
   第２の前記流速センサの出力から前記シフト電圧および第２のベース電圧を減算する第２の演算回路と、
   前記第１の演算回路および前記第２の演算回路の出力を順次取り込むＡＤ変換部と、
   前記第１の演算回路および前記第２の演算回路の出力に対応した前記ＡＤ変換部の出力の差、前記シフト電圧および前記ベース電圧に基づいて前記測定ガス中の酸素濃度を演算するとともに、前記各演算回路の出力が前記ＡＤ変換部の入力範囲内に設けられた上限値または下限値に達すると前記シフト電圧をそれぞれ所定量増加または減少し、第１のＤＡ変換回路を介して前記各演算回路に出力するとともに、第１のベース電圧を第２のＤＡ変換回路を介して第１の演算回路に出力し、第２のベース電圧を第３のＤＡ変換回路を介して第２の演算回路に出力するＣＰＵと
   を備えることを特徴とする信号処理装置。
2. 前記酸素濃度計は、
   リング状を成す測定ガス通路の対称位置に設けられた測定ガス用入口およびガス出口と、
   前記測定ガス通路を結んで形成されたバイパス通路と、
   このバイパス通路の途中に設けられた補助ガス導入口と、
   前記バイパス通路と前記リング状測定ガス通路の接続部分の一方に設けられた磁石と、
   前記バイパス通路において前記補助ガス導入口を挟んで対称位置に設けられ補助ガス流を検出する一対の流速センサと
   を備えることを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
3. 前記ＡＤ変換部は、マルチプレクサを内蔵したマルチチャンネル入力形であり、前記第１の演算回路および前記第２の演算回路の出力を順番に取り込むことを特徴とする請求項１または２に記載の信号処理装置。
4. 前記流速センサはサーミスタからなることを特徴とする請求項１乃至３に記載の信号処理装置。
5. 前記下限値および前記上限値がそれぞれ前記ＡＤ変換回路の入力範囲に対して所定のマージンを有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の信号処理装置。
6. 前記下限値および前記上限値がそれぞれ前記ＡＤ変換回路の入力範囲と一致していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の信号処理装置。

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