JP5330075B2 - ガス警報器 - Google Patents

Description

本発明は、ガス警報器に係り、特に、検出対象ガスのガス濃度に応じた大きさの交流信号をセンサ出力として出力するガスセンサを備えたガス警報器に関するものである。

上述したガス警報器として、例えば図６に示されたようなものが知られている（例えば特許文献１）。同図に示すように、ガス警報器１は、ガスセンサ２と、商用交流電源３と、トランス４と、警報判定回路５と、警報ブザー６と、を備えている。上記ガスセンサ２は、ブリッジ回路２１と、カップリングコンデンサＣ１と、差動増幅器２２と、カップリングコンデンサＣ２と、整流・平滑回路２３と、から構成されている。そして、上記ブリッジ回路２１は、センサ素子Ｒｓ、レファ素子Ｒｒ、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２及び可変抵抗ＲＶを有している。

上記センサ素子Ｒｓは、検出対象ガスとの燃焼を促進する触媒（例えばパラジウム（Ｐｄ））を担持した担体（例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃））から成る触媒担体２１Ａと、この触媒担体２１Ａに覆われた白金ヒータ２１Ｂと、から構成されている。上記レファ素子Ｒｒは、検出対象ガスに対して不感となる担体２１Ｃと、この担体２１Ｃに覆われた白金ヒータ２１Ｄと、から構成されている。

上記センサ素子Ｒｓの白金ヒータ２１Ｂと、レファ素子Ｒｒの白金ヒータ２１Ｄとは、検出対象ガスのない空気中（エアベース）ではほぼ等しい抵抗値になるように設けられている。上記固定抵抗Ｒ１及びＲ２も互いにほぼ等しい抵抗値になるように設けられている。そして、上述したセンサ素子Ｒｓ、レファ素子Ｒｒ及び固定抵抗Ｒ１、Ｒ２は、後述する可変抵抗ＲＶと共にブリッジ接続されている。

上記ブリッジ回路２１には、トランス４によって降圧された商用交流電源３からの交流電圧Ｖｄが供給されている。上記可変抵抗ＲＶは、固定抵抗Ｒ１及び固定抵抗Ｒ２の間に接続されている。可変抵抗ＲＶは、エアベースにおいてブリッジ回路２１に交流電圧が供給されたときにセンサ素子Ｒｓ及びレファ素子Ｒｒ間の接続点と、可変抵抗ＲＶの中点と、の間に生じるセンサ出力Ｖｓが小さくなるように調整されている。

上述したセンサ素子Ｒｓ及びレファ素子Ｒｒが同一の温度特性であれば、エアベースではブリッジ回路２１が完全に平衡状態となり、ブリッジ回路２１に交流電圧が供給されてもセンサ出力Ｖｓは常に０である。しかしながら、センサ素子Ｒｓ及びレファ素子Ｒｒは、上述したように異なる構造であるため、温度特性が若干異なる。よって、エアベースでのセンサ出力Ｖｓは、微少な交流信号となる。

これに対して、検出対象ガスを含む空気中では検出対象ガスとの燃焼熱によりセンサ素子Ｒｓの温度が上昇し、これに伴ってセンサ素子Ｒｓの白金ヒータ２１Ｂの抵抗値が増加する。一方、レファ素子Ｒｒは検出対象ガスと燃焼しないため、センサ素子Ｒｓの温度より低くなる。このため、ブリッジ回路２１の平衡が大きく崩れて、センサ出力Ｖｓは、その振幅が大きくなる。

上記カップリングコンデンサＣ１は、図７に示す交流波形のセンサ出力Ｖｓを図８に示すように例えば２．５Ｖ（バイアス電圧）分、プラス側にバイアスするコンデンサである。なお、バイアス電圧は、５Ｖ電源を抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ５とで分圧することにより与えられる。上記差動増幅器２２は、上記バイアスされたセンサ出力を図９に示すように抵抗比（Ｒ６／Ｒ４）で増幅する。上記カップリングコンデンサＣ２は、抵抗Ｒ７を介してグランドに接続されている。カップリングコンデンサＣ２は、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ５でバイアスされた差動増幅器２２からのセンサ出力Ｖｓを図１０に示すようにグランドレベルに落とすためのコンデンサである。

上記整流・平滑回路２３は、カップリングコンデンサＣ２により点がグランドに落とされたセンサ出力Ｖｓを整流するダイオードＤと、整流されたセンサ出力Ｖｓを平滑するコンデンサＣ３と、から構成されている。よって、整流・平滑回路２３は、図１１に示すように、交流信号であるセンサ出力Ｖｓを整流・平滑して直流電圧に変換して出力する。警報判定回路５は、整流・平滑されたセンサ出力Ｖｓと警報値とを比較して、センサ出力Ｖｓが警報値以上のときに警報ブザー６を用いて警報を発生する。

上述した従来のガス警報器１では、交流信号のセンサ出力Ｖｓを直流信号に変換している。このため、カップリングコンデンサＣ１、Ｃ２、バイアス電圧用の抵抗Ｒ３、Ｒ５、整流用のダイオードＤ、平滑用のコンデンサＣ３が必要であり、部品点数が多くなることが難点である。

上述したカップリングコンデンサＣ１、Ｃ２及び平滑用のコンデンサＣ３は、長期使用すると容量抜けが発生することがある。また、整流用ダイオードＤは、部品毎に順方向電圧にバラツキが生じたり、温度変化によって順方向電圧にバラツキが生じることがある。このため、上述した容量抜けや順方向電圧のバラツキに起因して警報判定回路５に供給されるセンサ出力Ｖｓに変動が生じ、センサ出力Ｖｓが警報値に達したときのガス濃度である警報濃度が部品毎にばらついたり、温度変化によってばらついたり、経年的に変化する、恐れがあった。

特開２００４−１５７９１４号公報

そこで、本発明は、コストダウン及び小型化を図ると共に警報精度の向上を図ったガス警報器を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、交流電源によって駆動するとともに検出対象ガスのガス濃度に応じた大きさの交流信号をセンサ出力として出力するガスセンサを備えたガス警報器において、前記センサ出力を前記交流電源の周期よりも短い時間毎にサンプリングしてデジタル値に変換するアナログ／デジタル変換手段と、前記アナログ／デジタル変換手段によりサンプリングされたセンサ出力の振幅を前記交流電源の１周期分のセンサ出力におけるピークから求めるコンピュータと、前記求めた振幅が警報値以上のときに警報を発生する警報発生手段と、を備えたガス警報器に存する。

請求項２記載の発明は、前記センサ出力を増幅する増幅器を備え、前記増幅器が、前記センサ出力のプラス電圧及びマイナス電圧のうち何れか一方のみを増幅するように設けられ、前記アナログ／デジタル変換手段が、前記増幅器により増幅されたセンサ出力をサンプリングするように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガス警報器に存する。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、交流信号のセンサ出力をコンピュータに供給して、コンピュータによりセンサ出力の振幅を求めることにより、交流のセンサ出力を直流に変換する必要がなくなるため、整流・平滑回路や、整流平滑回路の前段に設けたカップリングコンデンサが不要となり、コストダウン及び小型化を図ると共に警報精度の向上を図ることができる。

請求項２記載の発明によれば、センサ出力のプラス電圧及びマイナス電圧のうち何れか一方のみを増幅するように増幅器を設けることにより、センサ出力をバイアスするためのカップリングコンデンサやバイアス電圧を生成するための抵抗が不要となり、より一層、コストダウン及び小型化を図ると共に警報精度の向上を図ることができる。

第１実施形態における本発明のガス警報器を示す回路図である。 （Ａ）は図１に示すガス警報器のＣ部の電圧波形を示すタイムチャートであり、（Ｂ）は（Ａ）の拡大図である。 図１に示すガス警報器を構成するＣＰＵの処理手順を示すフローチャートである。 第２実施形態における本発明のガス警報器を示す回路図である。 （Ａ）は図４に示すガス警報器のＣ部の電圧波形を示すタイムチャートであり、（Ｂ）は（Ａ）の拡大図である。 従来のガス警報器の一例を示す回路図である。 図６に示すガス警報器のＡ部の電圧波形を示すタイムチャートである。 図６に示すガス警報器のＢ部の電圧波形を示すタイムチャートである。 図６に示すガス警報器のＣ部の電圧波形を示すタイムチャートである。 図６に示すガス警報器のＤ部の電圧波形を示すタイムチャートである。 図６に示すガス警報器のＥ部の電圧波形を示すタイムチャートである。

第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、ガス警報器１は、ガスセンサ２と、交流電圧源としての商用交流電源３と、トランス４と、コンピュータとしてのマイクロコンピュータ（μＣＯＭ）７と、警報ブザー６と、を備えている。上記ガスセンサ２は、ブリッジ回路２１と、カップリングコンデンサＣ１と、増幅器としての差動増幅器２２と、から構成されている。そして、上記ブリッジ回路２１は、センサ抵抗としてのセンサ素子Ｒｓ、レファ素子Ｒｒ、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２及び可変抵抗ＲＶを有している。

上記センサ素子Ｒｓは、触媒担体２１Ａと、白金ヒータ２１Ｂと、から構成されている。触媒担体２１Ａは、検出対象ガスとの燃焼を促進する触媒（例えばパラジウム（Ｐｄ））を担持した担体（例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃））から成る。白金ヒータ２１Ｂは、温度に応じて抵抗値が変化する測温抵抗体であり、上記触媒担体２１Ａに覆われている。上記レファ素子Ｒｒは、担体２１Ｃと、白金ヒータ２１Ｄと、から構成されている。担体２１Ｃは、検出対象ガスに対して不感となる上記担体のみで構成されている。白金ヒータ２１Ｄは、温度に応じて抵抗値が変化する測温抵抗体であり、上記担体２１Ｃに覆われている。

上記センサ素子Ｒｓの白金ヒータ２１Ｂと、レファ素子Ｒｒの白金ヒータ２１Ｄとは、検出対象ガスのない空気中（エアベース）ではほぼ等しい抵抗値になるように設けられている。上記固定抵抗Ｒ１及びＲ２も互いにほぼ等しい抵抗値になるように設けられている。そして、上記センサ素子Ｒｓ及びレファ素子Ｒｒは、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２及び可変抵抗ＲＶと共にブリッジ接続されている。

上記レファ素子Ｒｒ及び固定抵抗Ｒ１の接続点と、センサ素子Ｒｓ及び固定抵抗Ｒ２の接続点と、の間には、トランス４によって降圧された商用交流電源３からの交流電圧Ｖｄが供給されている。上記可変抵抗ＲＶは、固定抵抗Ｒ１及び固定抵抗Ｒ２の間に接続されている。また、可変抵抗ＲＶと、レファ素子Ｒｒ及びセンサ素子Ｒｓの接続点と、の間に発生するセンサ出力Ｖｓは、カップリングコンデンサＣ１を介して差動増幅器２２の入力に接続されている。

上記カップリングコンデンサＣ１の＋側には、差動増幅器２２の＋入力端、−入力端及び抵抗Ｒ４を介してバイアス電圧Ｖｂ（＝２．５Ｖ）が供給されている。バイアス電圧Ｖｂは、５Ｖ電源を抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ５とで分圧することにより生成されている。そして、カップリングコンデンサＣ１は、交流信号のセンサ出力Ｖｓ（図７）を図２に示すようにバイアス電圧Ｖｂ分、プラス側にバイアスする。上記差動増幅器２２は、カップリングコンデンサＣ１によりバイアスされたセンサ出力Ｖｓを増幅する。差動増幅器２２によって増幅されたセンサ出力Ｖｓは、μＣＯＭ７に供給される。

上記μＣＯＭ７は、ガス警報器１全体の制御を司るコンピュータであり、差動増幅器２２からのセンサ出力Ｖｓの振幅が警報値以上になったときに後述する警報ブザー６を制御して警報を発生する。

上記μＣＯＭ７は、プログラムに従って各種の処理を行う中央処理ユニット（ＣＰＵ）７１と、ＣＰＵ７１が行う処理のプログラムなどを格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ７２と、ＣＰＵ７１での各種の処理過程で利用するワークエリア、各種データを格納するデータ格納エリアなどを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ７３と、アナログのセンサ出力ＶｓをＣＰＵ７１による処理が可能なデジタル値に変換するアナログ／デジタル変換手段としてのＡ／Ｄ変換器７４と、を備えている。

次に、上述した構成のガス警報器１の動作について説明する。まず、ガス警報器１に電源を投入すると、ブリッジ回路２１にトランス４で降圧された交流電圧Ｖｄが供給され、これに応じて差動増幅器２２から図２に示すようなバイアス・増幅されたセンサ出力Ｖｓが出力される。また、ＣＰＵ７１は、ガス警報器１の電源投入に応じて定期的に図３に示す警報判定処理を開始する。

まず、ＣＰＵ７１は、Ａ／Ｄ変換器７４を制御して、所定時間毎に予め定めた回数ｍ、上記差動増幅器２２から出力されるセンサ出力Ｖｓをサンプリングしてデジタル値に変換させる（ステップＳ１）。なお、所定時間は、商用交流電源３の周期よりも短い時間に設定されている。商用交流電源３の周期は０．０２secである。そこで、本実施形態では、図２（Ｂ）に示すように所定時間を０．０２secの１／２００の０．１msecとしている。上記回数ｍは、所定時間×回数ｍが商用交流電源３の周期よりも長くなるように定められている。即ち、２００回以上に定められている。このように所定時間及び回数を定めることにより、センサ出力Ｖｓの１周期分を細かくサンプリングすることができる。

次に、ＣＰＵ７１は、サンプリングしたセンサ出力Ｖｓのピークをセンサ出力Ｖｓの振幅として検出する（ステップＳ２）。次に、ＣＰＵ７１は、ステップＳ２で求めたセンサ出力Ｖｓの振幅が警報値以上になったか否かを判断する（ステップＳ３）。センサ出力Ｖｓの振幅が警報値以上のとき（ステップＳ３でＹ）、ＣＰＵ７１は、警報発生手段として働き、警報ブザー６を用いてガス漏れの旨を警報した後（ステップＳ４）、処理を終了する。

上述したガス警報器１によれば、交流信号のセンサ出力ＶｓをμＣＯＭ７に供給して、μＣＯＭ７によりセンサ出力Ｖｓの振幅を求めることにより、交流のセンサ出力Ｖｓを直流に変換する必要がなくなるため、図６に示す整流・平滑回路２３や、カップリングコンデンサＣ２が不要となり、コストダウン及び小型化を図ると共に警報精度の向上を図ることができる。

なお、上述した第１実施形態によれば、サンプリングしたセンサ出力Ｖｓのピーク（最大値）をセンサ出力Ｖｓの振幅として検出していたが、サンプリングしたセンサ出力の最小値の大きさをセンサ出力Ｖｓの振幅として検出するようにしてもよい。

第２実施形態
上述した第１実施形態では、差動増幅器２２によりブリッジ回路２１から出力されるセンサ出力Ｖｓのプラス電圧及びマイナス電圧の両方を増幅していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、図４に示すようにガス警報器１を構成して、差動増幅器２２によりセンサ出力Ｖｓのプラス電圧のみを増幅するようにしてもよい。同図に示すように、第１実施形態ではセンサ素子Ｒｓ及びレファ素子Ｒｒの接続点はカップリングコンデンサＣ１を介して差動増幅器２２の−入力端に接続されていたが、第２実施形態では、カップリングコンデンサＣ１を介さずに差動増幅器２２の−入力端に接続されている。また、第１実施形態では、差動増幅器２２の＋入力端にはバイアス電圧Ｖｄが供給されていたが、第２実施形態では、グランド電圧が供給されている。

このように差動増幅器２２を接続することにより、図５に示すように、差動増幅器２２は、ブリッジ回路２１から出力されるセンサ出力Ｖｓ（図７）がマイナス電圧のときのみセンサ出力Ｖｓを増幅する（反転増幅）。差動増幅器２２は、ブリッジ回路２１から出力されるセンサ出力Ｖｓがプラス電圧のときは０を出力する。この図５に示すセンサ出力ＶｓはμＣＯＭ７に対して供給される。そして、第１実施形態と同様にμＣＯＭ７は、センサ出力Ｖｓをサンプリングして振幅を求め、求めた振幅が警報値以上のときに警報を発生する。

第２実施形態のガス警報器１によれば、センサ出力Ｖｓのマイナス電圧のみを増幅するように差動増幅器２２を設けることにより、センサ出力ＶｓをバイアスするためのカップリングコンデンサＣ１やバイアス電圧を生成するための抵抗Ｒ３及びＲ５が不要となり、より一層、コストダウン及び小型化を図ると共に警報精度の向上を図ることができる。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ ガス警報器
２ ガスセンサ
Ｖｓ センサ出力
２２ 差動増幅器（増幅器）
７ μＣＯＭ（コンピュータ、警報発生手段）
７１Ｄ Ａ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換手段）

Claims (2)

1. 交流電源によって駆動するとともに検出対象ガスのガス濃度に応じた大きさの交流信号をセンサ出力として出力するガスセンサを備えたガス警報器において、
   前記センサ出力を前記交流電源の周期よりも短い時間毎にサンプリングしてデジタル値に変換するアナログ／デジタル変換手段と、
   前記アナログ／デジタル変換手段によりサンプリングされたセンサ出力の振幅を前記交流電源の１周期分のセンサ出力におけるピークから求めるコンピュータと、
   前記求めた振幅が警報値以上のときに警報を発生する警報発生手段と、
   を備えたガス警報器。
2. 前記センサ出力を増幅する増幅器を備え、
   前記増幅器が、前記センサ出力のプラス電圧及びマイナス電圧のうち何れか一方のみを
   増幅するように設けられ、
   前記アナログ／デジタル変換手段が、前記増幅器により増幅されたセンサ出力をサンプ
   リングするように設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のガス警報器。

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