JP5670788B2 - ガス警報器及びブリッジ回路の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス警報器及びブリッジ回路の設計方法に係り、特に、ブリッジ回路を備えたガス警報器及び当該ブリッジ回路の設計方法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１に示されたものが知られている。上記ガス警報器１は、ブリッジ回路２と、演算増幅器としてのＯＰアンプ３と、ＣＰＵ４と、を備えている。上記ブリッジ回路２は、検知対象ガスと燃焼するセンサ素子Ｒｓと、検知対象ガスと燃焼しない比較素子Ｒｒと、第１抵抗素子としての固定抵抗Ｒ１と、第２抵抗素子としての固定抵抗Ｒ２と、がブリッジ接続されて構成されている。

センサ素子Ｒｓは、測温抵抗である白金コイルと、この白金コイルに塗布した検知対象ガスであるメタンガスとの接触燃焼を促進するパラジウム触媒が担持された担体としてのγアルミナと、で構成されている。比較素子Ｒｒは、測温抵抗である白金コイルと、この白金コイルに塗布したメタンガスに対して不感となる材料であるγアルミナと、で構成されている。これらセンサ素子Ｒｓ及び比較素子Ｒｒは、互いに同じ抵抗値になるように設けられている。

上記ＯＰアンプ３の反転入力には、上記センサ素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの中点電位Ｖ１が抵抗Ｒ３を介して入力され、ＯＰアンプ３の非反転入力には、上記固定抵抗Ｒ１と固定抵抗Ｒ２との中点電位Ｖ２が入力されている。ＯＰアンプ３は、入力されたセンサ素子Ｒｓと比較素子Ｒｒの中点電位Ｖ１と、固定抵抗Ｒ１と固定抵抗Ｒ２の中点電位Ｖ２と、の差である中点電位差を増幅してセンサ出力Ｖｓとして出力して、抵抗Ｒ５を介してＣＰＵ４に供給している。

以上の構成によれば、メタンガスを含む空気中では可燃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の抵抗値が増加する。一方、比較素子Ｒｒはメタンガスと接触燃焼しないため、センサ素子Ｒｓの温度より低くなる。このため、センサ素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの中点電位Ｖ１は、可燃ガスの濃度が高くなるに従って低くなる。一方、固定抵抗Ｒ１と固定抵抗Ｒ２との中点電位Ｖ２は可燃ガスの濃度に関係なく一定となるため、中点電位Ｖ１と中点電位Ｖ２との差であるセンサ出力Ｖｓは、雰囲気温度によるセンサ素子Ｒｓの抵抗値の変動分を相殺したメタンガスの濃度に応じた値となる。

上記ＣＰＵ４は、上記センサ出力Ｖｓが警報判定点以上の状態が例えば２５秒継続したとき、または、上記センサ出力Ｖｓが警報判定点よりも高い高濃度判定点以上の状態が例えば５秒継続したときにガス漏れを警報する。また、上記ＣＰＵ４は、ガス警報器１の落下など衝撃が加えられると、ブリッジ回路２のバランスがくずれて可燃ガスのない雰囲気（エアベース）でのセンサ出力Ｖｓがマイナス側に変動することがある。これを検出するためにＣＰＵ４は、センサ出力Ｖｓが故障判定点以下となったときに、センサの故障を検出する。

なお、上記警報判定点、高濃度判定点及び故障判定点は、出荷前の濃度調整工程において設定される。即ち、上記警報判定点は、このエアベースにおけるセンサ出力Ｖｓよりも第１所定値Ｔ１だけ高い値に設定される。また、上記高濃度判定点は、このエアベースにおけるセンサ出力Ｖｓよりも第１所定値Ｔ１よりも大きい第２所定値Ｔ２だけ高い値に設定される。また、故障判定点は、このエアベースにおけるセンサ出力Ｖｓよりも第３所定値Ｔ３だけ低い値に設定される。

ところで、上記ガス警報器１は、ブリッジ回路２を構成するセンサ素子Ｒｓ、比較素子Ｒｒ、固定抵抗Ｒ１及び固定抵抗Ｒ２のばらつきや、駆動電圧Ｅ０のばらつきなどに起因して、製品毎にエアベースにおけるセンサ出力Ｖｓがばらついてしまう。このため、出荷前にエアベースのセンサ出力Ｖｓを求めて、エアベースのセンサ出力Ｖｓが許容ばらつき範囲外のものは規格外として出荷しないようにしている。

従来では、図３に示すように、エアベースにおけるセンサ出力ＶｓがＯＰアンプ３の最大出力５Ｖの半分よりも少し下の２．２５Ｖとなるようにブリッジ回路２を設計して、許容ばらつき範囲の下限品に設定された故障判定点と、上限品に設定された高濃度判定点と、をＯＰアンプ３の出力範囲内（０Ｖ〜５Ｖ）に収めていた。

しかしながら、上述した従来のガス警報器１では、落下によりバランスが崩れる故障を検出することはできるが、図１中バツ印で示す抵抗Ｒ３のオープン故障やＯＰアンプ３の出力ピンのオープン故障が発生すると、これを検出することができない、という問題があった。

即ち、抵抗Ｒ３のオープン故障（即ちＯＰアンプ３の反転入力とブリッジ回路２との間のオープン故障）が発生すると、ＯＰアンプ３の出力は中点電位Ｖ２に固定され、ＯＰアンプ３の出力ピンのオープン故障が発生すると、ＯＰアンプ３の出力は中点電位Ｖ１に固定される。この中点電位Ｖ１は、センサ素子Ｒｓ及び比較素子Ｒｒが等しい値に設定されているため、２．１Ｖの駆動電圧Ｅ０の１／２である１．０５Ｖとなる。中点電位Ｖ２は、例えば固定抵抗Ｒ１＝４７０Ω、固定抵抗Ｒ２＝５１０Ωに設定すると、１．０９３Ｖとなる。

よって、上記中点電位Ｖ１よりも高い中点電位Ｖ２は、図３中の黒丸でしめすように、許容ばらつき範囲のエアベース下限品に設定された故障判定点よりも大きい値であるため、エアベース下限品に近い製品はこれら抵抗Ｒ３やＯＰアンプ３の出力ピンのオープン故障を検出することができない。

そこで、本発明は、故障検出回路を追加することなく、演算増幅器の反転入力とブリッジ回路との間のオープン故障と、演算増幅器の出力のオープン故障を検出することができるガス警報器及び当該ガス警報器に用いられるブリッジ回路の設計方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための請求項１記載の発明は、検知対象ガスと燃焼するセンサ素子、前記検知対象ガスと燃焼しない比較素子、第１固定抵抗及び第２固定抵抗がブリッジ接続されて構成されたブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の２つの中点電位が入力された演算増幅器と、前記演算増幅器の出力と警報判定点との比較に基づいて警報を発生する警報発生手段と、前記演算増幅器の出力が故障判定点以下のときに故障を検出する故障検出手段と、を備え、前記故障判定点が、エアベースにおける前記演算増幅器の出力よりも低く設定されていることを特徴とするガス警報器において、前記演算増幅器の反転入力と前記ブリッジ回路との間のオープン故障又は前記演算増幅器の出力のオープン故障が発生すると、前記演算増幅器の出力が前記ブリッジ回路の２つの中点電位の何れかに固定され、前記エアベースにおける前記演算増幅器出力の許容ばらつき範囲の下限値から所定値だけ低い故障判定点の下限値が前記エアベースにおいて前記演算増幅器に入力される２つの中点電位のうち高い方よりも高くなるように、前記ブリッジ回路を構成する各素子、抵抗の抵抗値が設定されていることを特徴とするガス警報器に存する。

請求項２記載の発明は、前記エアベースにおける前記演算増幅器出力を求めて、その出力に基づいて前記警報判定点及び前記故障判定点を設定する判定点設定手段と、前記判定点設定手段が求めた前記エアベースにおける前記演算増幅器出力が予め定めた前記許容ばらつき範囲外のときに規格外品を検出する規格外品検出手段と、をさらに備えた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。

請求項３記載の発明は、検知対象ガスと燃焼するセンサ素子、前記検知対象ガスと燃焼しない比較素子、第１固定抵抗及び第２固定抵抗がブリッジ接続されて構成されたブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の２つの中点電位が入力された演算増幅器と、前記演算増幅器の出力と警報判定点との比較に基づいて警報を発生する警報発生手段と、前記演算増幅器の出力が故障判定点以下のときに故障を検出する故障検出手段と、を備え、前記故障判定点が、エアベースにおける前記演算増幅器の出力よりも低く設定されていることを特徴とするガス警報器の前記ブリッジ回路の設計方法において、前記演算増幅器の反転入力と前記ブリッジ回路との間のオープン故障又は前記演算増幅器の出力のオープン故障が発生すると、前記演算増幅器の出力が前記ブリッジ回路の２つの中点電位の何れかに固定され、前記エアベースにおける前記演算増幅器出力の許容ばらつき範囲の下限値から所定値だけ低い故障判定点の下限値が前記エアベースにおいて前記演算増幅器に入力される２つの中点電位のうち高い方よりも高くなるように、前記ブリッジ回路を構成する各素子、抵抗の抵抗値を設定することを特徴とするブリッジ回路の設計方法に存する。

以上説明したように請求項１〜３記載の発明によれば、エアベースにおける演算増幅器出力の許容ばらつき範囲の下限値から所定値だけ低い故障判定点の下限値がエアベースにおいて演算増幅器の入力される２つの中点電位のうち高い方よりも高くなるように、ブリッジ回路を構成する各素子、抵抗の抵抗値が設定されている。従って、演算増幅器の反転入力とブリッジ回路との間のオープン故障や演算増幅器の出力のオープン故障が発生して、演算増幅器の出力が２つの中点電位のいずれかに固定されると故障判定点以下となり故障検出手段により故障が検出される。従って、故障検出回路を追加することなく、演算増幅器の反転入力とブリッジ回路との間のオープン故障と、演算増幅器の出力のオープン故障を検出することができる。

本発明のガス警報器の一実施形態を示す回路図である。 本発明におけるガス警報器の高濃度判定点、警報判定点、故障判定点及びエアベースにおけるセンサ出力の関係を示すグラフである。 従来のガス警報器の高濃度判定点、警報判定点、故障判定点及びエアベースにおけるセンサ出力の関係を示すグラフである。

以下、本発明のガス警報器を図１及び図２に基づいて説明する。上記ガス警報器１は、ブリッジ回路２と、演算増幅器としてのＯＰアンプ３と、ＣＰＵ４と、を備えている。上記ブリッジ回路２は、検知対象ガスと燃焼するセンサ素子Ｒｓと、検知対象ガスと燃焼しない比較素子Ｒｒと、第１固定抵抗としての固定抵抗Ｒ１と、第２固定抵抗としての固定抵抗Ｒ２と、がブリッジ接続されて構成されている。

センサ素子Ｒｓは、測温抵抗である白金コイルと、この白金コイルに塗布した検知対象ガスであるメタンガスとの接触燃焼を促進するパラジウム触媒が担持された担体としてのγアルミナと、で構成されている。比較素子Ｒｒは、測温抵抗である白金コイルと、この白金コイルに塗布したメタンガスに対して不感となる材料であるγアルミナと、で構成されている。

これらセンサ素子Ｒｓ及び比較素子Ｒｒは、互いに直列接続され、同じ抵抗値になるように設けられている。上記固定抵抗Ｒ１及び固定抵抗Ｒ２は、互いに直列接続され、上記センサ素子Ｒｓ及び比較素子Ｒｒに対して並列に接続されている。そして、上記センサ素子Ｒｓ及び固定抵抗Ｒ１間の接続点と、比較素子Ｒｒ及び固定抵抗Ｒ２間の接続点と、の間に２．１Ｖの駆動電圧Ｅ０が供給されている。

上記ＯＰアンプ３は、５Ｖの電源電圧の供給を受けて動作し、その反転入力には上記センサ素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの中点電位Ｖ１が抵抗Ｒ３を介して入力され、その非反転入力には固定抵抗Ｒ１及び固定抵抗Ｒ２の中点電位Ｖ２が入力されている。ＯＰアンプ３は、入力されたセンサ素子Ｒｓと比較素子Ｒｒの中点電位Ｖ１と、固定抵抗Ｒ１と固定抵抗Ｒ２の中点電位Ｖ２と、の差である中点電位差を増幅してガス濃度に応じたセンサ出力Ｖｓとして出力して、抵抗Ｒ５を介してＣＰＵ４に供給している。

ＣＰＵ４は、アナログのセンサ出力Ｖｓをデジタルに変換する図示しないＡ／Ｄ変換器が内蔵されていて、変換したセンサ出力Ｖｓに基づいて各種演算処理を行う。次に、このＣＰＵ４が行う各種演算処理について以下説明する。

まず、上記ＣＰＵ４は、電源オンに応じて、警報発生手段として働き、上記センサ出力Ｖｓが警報判定点以上の状態が例えば２５秒継続したとき、または、センサ出力Ｖｓが警報判定点よりも高い高濃度判定点以上の状態が例えば５秒継続したときに例えば図示しないブザーを鳴動させて警報発生する警報発生処理を行う。また、ＣＰＵ４は、故障検出手段として働き、上記センサ出力Ｖｓが故障判定点以下となったときに故障を検出し、例えば図示しないＬＥＤを点滅させてその旨を報知する故障検出処理を行う。

上述した警報判定点、高濃度判定点及び警報判定点は、ガス警報器１の出荷前濃度調整工程により各製品毎に設定される。次に、このガス警報器１の出荷前濃度調整工程について説明する。出荷前にこれらガス警報器１は、検査設備内に配置され、電源がオンされる。検査設備内は、基準温度（例えば２５℃）、エアベース（０ｐｐｍ）になるように調整されていて、ガス警報器１の周囲雰囲気が基準温度、エアベースになるように調整されている。

この状態で、ガス警報器１内のＣＰＵ４は、例えば外部機器からの調整命令の入力を受けると、判定点設定手段及び規格外品検出手段として働き、濃度調整処理を行う。この濃度調整処理について図２を参照して説明する。濃度調整処理において、ＣＰＵ４はまずＯＰアンプ３からのセンサ出力Ｖｓをエアベースにおけるセンサ出力Ｖｓとして取り込む。次に、ＣＰＵ４は取り込んだエアベースにおけるセンサ出力Ｖｓが予め定めた許容ばらつき範囲内（図２参照）であるか判定し、許容ばらつき範囲外であればその旨を報知して規格外品が出荷されるのを防ぐ。

一方、ＣＰＵ４は、取り込んだエアベースにおけるセンサ出力Ｖｓが許容ばらつき範囲内であると判定した場合、取り込んだエアベースにおけるセンサ出力Ｖｓに第１所定値Ｔ１を加算した値を警報判定点として設定し、第１所定値Ｔ１よりも大きい第２所定値Ｔ２を加算した値を高濃度判定点として設定して、不揮発性のメモリに記憶させておく。また、ＣＰＵ４は、取り込んだエアベースにおけるセンサ出力Ｖｓから第３所定値Ｔ３を引いた値を故障判定点として設定して不揮発性のメモリに記憶させた後、濃度調整処理を終了する。

その後、一旦電源がオフされて家庭などの設置場所にガス警報器１を設置して電源が再びをオンすると、ガス警報器１内のＣＰＵ４は、この濃度調整処理により設定し不揮発性のメモリに記憶させた警報判定点、高濃度判定点及び故障判定点を用いて上述した警報発生処理、故障検出処理を行う。

次に、上述したガス警報器１を構成するブリッジ回路２の設計方法について説明する。上述した背景技術で説明したように、抵抗Ｒ３がオープン故障すると、ＯＰアンプ３の出力は可燃ガスの濃度に関係なく中点電位Ｖ２に固定される。また、ＯＰアンプ３の出力ピンがオープン故障すると、ＯＰアンプ３の出力は可燃ガスの濃度に関係なく中点電位Ｖ１に固定される。

そこで、図２に示すように、エアベースにおけるセンサ出力Ｖｓの許容ばらつき範囲の下限値から第３所定値Ｔ３だけ低い故障判定点の下限値が、エアベースにおいてＯＰアンプ３に入力される２つの中点電位Ｖ１、Ｖ２のうち高いほうよりも高くなるように、ブリッジ回路２を構成するセンサ素子Ｒｓ、比較素子Ｒｒ、固定抵抗Ｒ１及び固定抵抗Ｒ２の抵抗値が設定されている。

具体的には、許容ばらつき範囲内の幅を２．２Ｖとし、第１所定値Ｔ１を０．３Ｖ、第２所定値Ｔ２を０．７Ｖ、第３所定値Ｔ３を０．７Ｖとしたときに、エアベースにおけるセンサ出力Ｖｓが約３Ｖとなるようにブリッジ回路２を構成する各素子の抵抗値が設定されている。具体的には、センサ素子Ｒｓ及び比較素子Ｒｒは等しい抵抗値となるように設定され、固定抵抗Ｒ１は４４２Ω、固定抵抗Ｒ２は５１０Ωとなるように設定されている。

エアベースのセンサ出力Ｖｓは約３Ｖが基準となり、許容ばらつき範囲を１．９Ｖから４．１Ｖに設定できる。よって許容ばらつき範囲の上限品に設定された高濃度判定点を４．８Ｖに設定することができ、許容ばらつき範囲の下限品に設定された故障判定点を１．２Ｖに設定することができる。また、このとき中点電位Ｖ１は２．１Ｖ／２＝１．０５Ｖ、中点電位Ｖ２は（２．１Ｖ×５１０Ω）／（５１０Ω＋４４２Ω）＝１．１２５Ｖとなる。従って、中点電位Ｖ１、Ｖ２のうち高い方の中点電位Ｖ２＝１．１２５Ｖよりも許容ばらつき範囲の下限品に設定された故障判定点（＝１．２Ｖ）が高く設定されている。

従って、抵抗Ｒ３のオープン故障やＯＰアンプ３の出力ピンのオープン故障が発生して、ＯＰアンプ３の出力が２つの中点電位Ｖ１、Ｖ２のいずれかに固定されると故障判定点以下となりＣＰＵ４の故障検出処理により故障が検出される。従って、故障検出回路を追加することなく、抵抗Ｒ３のオープン故障と、ＯＰアンプ３の出力ピンのオープン故障を検出することができる。

なお、上述した固定抵抗Ｒ１及び固定抵抗Ｒ２の値は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。

また、上述した実施形態では、センサ素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの接続点を中点電位Ｖ１とし、固定抵抗Ｒ１と固定抵抗Ｒ２との接続点を中点電位Ｖ２としていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、センサ素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの接続点と、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点と、の間に駆動電圧Ｅ０を印加し、センサ素子Ｒｓと固定抵抗Ｒ１との接続点を中点電位Ｖ１とし、比較素子Ｒｒと固定抵抗Ｒ２との接続点を中点電位Ｖ２としてもよい。

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 ブリッジ回路
３ ＯＰアンプ（演算増幅器）
４ ＣＰＵ（警報発生手段、故障検出手段、判定点設定手段、規格外品検出手段）
Ｒｓ センサ素子
Ｒｒ 比較素子
Ｒ１ 固定抵抗（第１固定抵抗）
Ｒ２ 固定抵抗（第２固定抵抗）
Ｖ１ 中点電位
Ｖ２ 中点電位

Claims (3)

1. 検知対象ガスと燃焼するセンサ素子、前記検知対象ガスと燃焼しない比較素子、第１固定抵抗及び第２固定抵抗がブリッジ接続されて構成されたブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の２つの中点電位が入力された演算増幅器と、前記演算増幅器の出力と警報判定点との比較に基づいて警報を発生する警報発生手段と、前記演算増幅器の出力が故障判定点以下のときに故障を検出する故障検出手段と、を備え、前記故障判定点が、エアベースにおける前記演算増幅器の出力よりも低く設定されていることを特徴とするガス警報器において、
   前記演算増幅器の反転入力と前記ブリッジ回路との間のオープン故障又は前記演算増幅器の出力のオープン故障が発生すると、前記演算増幅器の出力が前記ブリッジ回路の２つの中点電位の何れかに固定され、
   前記エアベースにおける前記演算増幅器出力の許容ばらつき範囲の下限値から所定値だけ低い故障判定点の下限値が前記エアベースにおいて前記演算増幅器に入力される２つの中点電位のうち高い方よりも高くなるように、前記ブリッジ回路を構成する各素子、抵抗の抵抗値が設定されている
   ことを特徴とするガス警報器。
2. 前記エアベースにおける前記演算増幅器出力を求めて、その出力に基づいて前記警報判定点及び前記故障判定点を設定する判定点設定手段と、
   前記判定点設定手段が求めた前記エアベースにおける前記演算増幅器出力が予め定めた前記許容ばらつき範囲外のときに規格外品を検出する規格外品検出手段と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のガス警報器。
3. 検知対象ガスと燃焼するセンサ素子、前記検知対象ガスと燃焼しない比較素子、第１固定抵抗及び第２固定抵抗がブリッジ接続されて構成されたブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の２つの中点電位が入力された演算増幅器と、前記演算増幅器の出力と警報判定点との比較に基づいて警報を発生する警報発生手段と、前記演算増幅器の出力が故障判定点以下のときに故障を検出する故障検出手段と、を備え、前記故障判定点が、エアベースにおける前記演算増幅器の出力よりも低く設定されていることを特徴とするガス警報器の前記ブリッジ回路の設計方法において、
   前記演算増幅器の反転入力と前記ブリッジ回路との間のオープン故障又は前記演算増幅器の出力のオープン故障が発生すると、前記演算増幅器の出力が前記ブリッジ回路の２つの中点電位の何れかに固定され、
   前記エアベースにおける前記演算増幅器出力の許容ばらつき範囲の下限値から所定値だけ低い故障判定点の下限値が前記エアベースにおいて前記演算増幅器に入力される２つの中点電位のうち高い方よりも高くなるように、前記ブリッジ回路を構成する各素子、抵抗の抵抗値を設定する
   ことを特徴とするブリッジ回路の設計方法。

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