JP6312918B2 - 導電率センサー向けの駆動回路 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１４年３月１７日に出願されたアメリカ合衆国優先権出願ＵＳ６１／９５４１３４「電気伝導率モジュール」の利益を主張し、その全ての内容を参照によって援用する。

本開示の実施形態は、流体導電率センサーに関し、より詳細には、流体導電率センサー向けの駆動回路に関する。

流体（特に水溶液）中において、その流体の電気伝導率を検出するためのハイエンドのセンサーがこれまでにも存在する。しかしながら、このようなデバイス、特に、センサーによる最終決定が引き続き用いられているロボティクスまたは他の組み込みシステムのデバイスでは、数々の困難に悩まされている。

水溶液の導電率を測定する際に遭遇する１つの困難性は、センサーの電極に悪影響（「ファウリング」と呼ばれる）を及ぼす可能性があることである。これは、電流がセンサーの電極を通過する際に起こり、またアノードとカソードの両方に集まるイオンを生じさせる。これらのイオンが十分に集まると、検査での流体の導電率において、イオンの相互作用に起因して測定量が変わる。

水溶液の導電率を測定する既存の手法は、一般に、単一の電極を通じて変化する電圧を利用するものである。この電圧変化（一般には、固定の正電圧（＋Ｘ（Ｖ））から負電圧（−Ｘ（Ｖ）））は、電極におけるイオンを引き寄せる力を反転させる。このようにして、ファウリングが防止される。しかしながら、この手法では、大きな電圧範囲を要する。一般に、これらの電圧値は、電圧インバータにより得られる。電圧インバータは、駆動回路のエネルギー使用、複雑さ（例えば、負電圧の調整を要する）、およびサイズを増大させると共に、駆動回路におけるノイズを増加させる。

また、既存の手法は、現存のマイクロコントローラを十分に利用するものはない。一般に、相当な量の駆動回路が、測定および結果の判断に用いられている。例えば、オペアンプのパラメータ（入力バイアス電流、オフセット電圧等）を補っている。これは、結果的に、電力消費を増大させ、感度および精度を低下させる。

最後に、既存の手法では、一般に、ロボティクスまたは他の組み込みシステムへの融合が難しい方法で情報が提供される。例えば、導電率センサーの出力は、４〜２０ｍＡ電流ループ（即ち、アナログ）として、またはデジタルディスプレイを介して、表すことができる。これらはいずれも、現存のシステムの大規模なアレイへ組み込むことが、不可能ではないにしても、困難である。尚、現存のシステムでは、他のマイクロコントローラ、コンピュータ・モニタリング・システム、データロガー等のデジタル出力が期待される。

したがって、測定結果を得るためのより簡易な手法を可能とし、必要電力を削減し、感度および精度を向上させ、かつ、転送により離れたシステムによって利用可能なデジタル形式で情報を提示する、流体導電率センサー向けの駆動回路を提供することが望ましい。

本発明の実施の形態は、流体導電率センサー向けの駆動回路を備える。この駆動回路は、パルス幅変調ユニット、Ｈ−ブリッジ、第１および第２の差動アンプ、およびアナログデジタル変換器（ＡＤＣ：analog-to-digital converter）を有する。パルス幅変調ユニットは、２つの相反する駆動信号を生成するように構成されている。Ｈ−ブリッジは、それらの２つの駆動信号を受け取り、少なくとも２つのＨ−ブリッジ出力信号を生成するように構成されている。第１の差動アンプは、シャント抵抗器に並列接続された第１の入力部を含む。第１の入力部のうちの１つに、生成された少なくとも２つのＨブリッジ出力信号のうちの１つが供給される。第２の差動アンプは、それぞれにセンサーが取り付けられた一対の端子に並列接続された第２の入力部を含む。第２の入力部のうちの１つの入力部と、一対の端子とは、生成された少なくとも２つのＨブリッジ出力信号のうちのその他の出力信号に基づく信号を受け取るように構成されている。アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）は、第１の差動アンプからの第１の電流としての第１の出力信号と、第２の差動アンプからの第２の電流としての第２の出力信号とを受け取るように構成されている。

以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。また、添付の図面と共に読むことでより良く理解されるであろう。説明のために、現在において好ましいとされる実施形態を図中に示している。但し、本開示が、図示されたレイアウトや手段そのものに限定されるものではないことは理解されるべきである。

本発明の一の好ましい実施の形態に係る駆動回路の回路図である。 図１の駆動回路用のヘッダーピンの配置を表す回路図である。 流体導電率センサーの駆動方法の一実施形態の方法を表す流れ図である。

以下の説明では、便宜上用いられる用語があるが、これに限定される訳ではない。「右」，「左」，「下」および「上」という単語は、参照される図において、方向を示している。「内側」という単語は、デバイスおよびその示された部分の幾何学的中心へ向かう方向を示し、「外側」という単語は、デバイスおよびその示された部分の幾何学的中心から離れる方向を示している。これらの用語は、上記単語を含むと共に、その派生語および類義語を含むものである。また、特許請求の範囲と、明細書中の対応する部分において用いられた「１つ」（英語の“a”または“an”）という単語は、「少なくとも１つ」を意味している。

図面を参照すると、至る所において数字等が要素等を示している。図１には、本開示の好ましい実施形態に係る導電率センサー（図示せず）と共に用いられる駆動回路１０が示されている。駆動回路１０は、一対の駆動出力部１２ａ，１２ｂを含むパルス幅変調（ＰＷＭ）ユニット１２を有する。ＰＷＭユニット１２は、第１の駆動信号と、この第１の駆動信号と相補する（即ち、相反する）第２の駆動信号とを生成する。第１および第２の駆動信号はそれぞれ、駆動出力部１２ａ，１２ｂから出力される。第１および第２の駆動信号はそれぞれ、好ましくは、約４ｋＨｚの範囲内の周波数と、５０％のデューティ・サイクルとを示す。但し、これらの周波数、デューティ・サイクルあるいは他の特性は、要望に応じて変化してもよい。

ＰＷＭユニット１２の駆動出力部１２ａ，１２ｂは、好ましくは、Ｈ−ブリッジ１４の対応する入力部１４ａ，１４ｂに接続されている。Ｈ−ブリッジ１４は、更に、２つの出力部１４ｃ，１４ｄと、２つのフィードバック・チャンネル１４ｅ，１４ｆとを有する。フィードバック・チャンネル１４ｅ，１４ｆは、Ｈ−ブリッジのタイミングに関する情報を、入力／出力（Ｉ／Ｏ）ユニット１６に戻すものである。Ｈ−ブリッジ１４は、導電率センサーに供給された信号の極性を交互に反転させるために用いられる。Ｉ／Ｏユニット１６は、以下により詳細に説明するように、Ｈ−ブリッジ１４のタイミングを用いて、導電率センサーから供給される信号のサンプリングを調整する。

Ｈ−ブリッジ１４の一方の出力部１４ｃは、第１の差動アンプ１８に直接に接続されている。第１の差動アンプ１８は、シャント抵抗器２０に跨るように、即ちシャント抵抗器と並列に接続された入力部を含む。シャント抵抗器２０は、好ましくは、約１００（Ω）の範囲で抵抗値を有する。但し、本発明を逸脱しない範囲で、他の抵抗値が用いられてもよい。差動アンプ１８もまた、イネーブル入力信号１８ａとして、ＰＷＭユニット１２によって出力された信号を受け取る。差動アンプ１８は、シャント抵抗器２０を通る電流を出力する。この電流は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２２の入力部２２ａにフィードバックされる。シャント抵抗器２０の固定抵抗と、シャント抵抗器２０を通る電流とを知ることにより、供給された電圧を決定することができる。

Ｈ−ブリッジ１４の他方の出力部１４ｄは、第２の差動アンプ２４に結合している。第２の差動アンプ２４は、一対の端子２６ａ，２６ｂに跨って、即ち並列に接続された入力部を含む。一対の端子２６ａ，２６ｂには、導電率センサーが接続される。端子２６ａ，２６ｂは、ポスト、ソケットまたは同軸レセプタクル等のタイプの電気コネクタを構成してもよい。トランジスタ２８は、端子２６ａ，２６ｂに跨って、即ち並列に接続されており、導電率センサーの動作を制御するためのゲート信号として、Ｉ／Ｏユニット１６からの出力信号を受け取るものである。本明細書に記載された本開示の実施の形態においては、トランジスタ２８およびトランジスタ２８に接続された出力部が、Ｉ／Ｏユニット１６から取り外されてもよいことは、当該分野における通常の知識の１つであることが理解できるだろう。

差動アンプ２４もまた、イネーブル入力信号２４ａとして、ＰＷＭユニット１２によって出力された信号を受け取る。差動アンプ２４は、端子２６ａ，２６ｂを通じて導電率センサーを通る電流を出力する。電流の測定値は、ＡＤＣ２２のもう一方の入力部２２ｂにフィードバックされる。この導電率センサーを通る電流と、シャント抵抗器２０における測定値から既に決定されている供給電圧とを用いて、導電率センサーによって対象とされた流体の抵抗値を決定することができる。流体の導電率は、算出された抵抗値の逆数により決定される。

ＰＷＭユニット１２、Ｉ／Ｏユニット１６およびＡＤＣ２２は、好ましくは、中央制御ユニット（ＣＰＵ）３０の一部であるか、または少なくともＣＰＵ３０によって制御されるものである。ＣＰＵ３０は、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、またはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等である。例えば、ＰＷＭユニット１２、Ｉ／Ｏユニット１６およびＡＤＣ２２のうちの１つ以上は、上述した入力部および出力部がＣＰＵ３０のピン形状（図示せず）を成すように、ＣＰＵ３０内に存在していてもよい。また、ＰＷＭユニット１２、Ｉ／Ｏユニット１６およびＡＤＣ２２のうちの１つ以上は、ＣＰＵ３０の外部に配置された回路であってもよく、トレース、ワイヤー等の電気コネクタ（図示せず）を介してＣＰＵ３０に接続されていてもよい。ＣＰＵ３０は、例えば、ＰＷＭユニット１２、Ｉ／Ｏユニット１６およびＡＤＣ２２のための、出力パワー、設定およびパラメータを制御すると共に、通信を容易にすることができる。

少なくとも、Ｈ−ブリッジ１４、第１および第２の差動アンプ１８，２４、シャント抵抗器２０および端子２６ａ，２６ｂは、共通の筐体内に収容されている。この筐体（図示せず）はまた、要望に応じて、ＰＷＭユニット１２、Ｉ／Ｏユニット１６、ＡＤＣ２２、および／またはＣＰＵ３０を含んでいてもよい。

導電率センサーから得られた情報は、好ましくは、駆動回路１０から外部回路（図示せず）へ、ＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）プロトコル（例えば、ＲＳ−２３２，ＴＴＬシリアル，ＲＳ−４２２，ＲＳ−４８５等）またはＩ²Ｃ（Inter-Integrated Circuit）プロトコル等の一般的な手法を用いて送信される。図２に示したように、一対のトランスミッターピン３２，レシーバーピン３４は、好ましくは、上述のような外部回路と通信可能となるように配置されている。パワーピン３６とグラウンドピン３８もまた、設けられているとよい。加えて、プローブピン４０，４２は、導電率センサーを端子２６ａ，２６ｂに接続させるように設けられているとよい。

再び図１を参照する。ＬＥＤ５０，５２，５４は、好ましくは、ユーザに対して駆動回路１０のステータスを示すために設けられている。例えば、赤色ＬＥＤ５０は、エラーインジケータとして設けられている。緑色ＬＥＤ５２は、ＵＡＲＴプロトコルに従った通信がなされていることを指し示すように設けられている。同様に、青色ＬＥＤ５４は、Ｉ²Ｃプロトコルに従った通信がなされていることを指し示すように設けられている。本実施の形態では、ＬＥＤが用いられているが、例えば英数字ディスプレイ（Alphanumeric Display）やオーラルインジケータ等を含む他のタイプのインジケータが用いられてもよい。また、駆動回路１０および／または導電率センサーの他の状態が、ユーザに伝達されてもよい。

駆動回路１０の動作について述べる。初期化の際、ＰＷＭユニット１２は、駆動信号の生成を開始する。しかしながら、このＰＷＭユニット１２の出力部１２ａ，１２ｂと、Ｈ−ブリッジ１４とは、最初は作動しないことが望ましい。ＰＷＭユニット１２の出力部１２ａ，１２ｂとＨ−ブリッジ１４とは、読み出しのために作動する。Ｈ−ブリッジ１４は、常時、端子２６ａ，２６ｂに供給された極性を反転させるように機能する。第１の差動アンプ１８および第２の差動アンプ２４は、交互に、ＡＤＣ２２へサンプリング信号を出力するように作動する。これにより、シャント抵抗器２０と、端子２６ａ，２６ｂとから、交互に電流が読み出される。

好ましくは、ＡＤＣ２２は、第１の差動アンプ１８および第２の差動アンプ２４のそれぞれから、１６個のサンプリング信号を受信する。これらのサンプリング信号には、ＡＤＣ２２および／またはＣＰＵ３０によって、ローパスフィルタおよびオーバーサンプリング等の処理が施される。シャント抵抗器２０と導電率センサーとの測定値の平均値が算出され、この平均値が、導電率センサーが浸された流体の導電率を決定するために用いられる。この導電率は、ＡＤＣ２２および／またはＣＰＵ３０において、導電率センサーのＫファクターと組み合わされた導電率によって決定される。また、この導電率は、温度補償式であってもよい。最後に、この導電率が外部回路に発信される。

図３は、流体導電率センサーの駆動方法の一実施の形態の方法を示す流れ図である。この方法は、いくつかのステップを含むが、これらのステップは、いずれかの適した順序で行われればよい。ステップ３０１は、パルス幅変調ユニットによって、２つの相反する駆動信号を生成することを含む。ステップ３０３は、Ｈ−ブリッジによって、上記２つの駆動信号を受け取ることを含む。ステップ３０５は、Ｈ−ブリッジによって、上記２つの駆動信号に応じて少なくとも２つのＨ−ブリッジ出力信号を生成することを含む。ステップ３０７は、生成された少なくとも２つのＨ−ブリッジ出力信号のうちの１つの出力信号を、第１の差動アンプによって、受け取ることを含む。ステップ３０９は、生成された少なくとも２つのＨ−ブリッジ出力信号のうちの他の出力信号に基づく信号を、第２の差動アンプによって、受け取ることを含む。ステップ３１１は、第１および第２の差動アンプのそれぞれから得られた第１および第２の電流としての第１および第２の出力信号を、アナログデジタル変換器によって受け取ることを含む。

前述の記載から、本発明の実施の形態は、電気化学センサー向けのセンシング回路を含むものであることが理解され得る。また、上述の実施の形態の広い発明思想を逸脱しない範囲で、これらの実施の形態を変形させ得ることは、当業者によって理解されるであろう。したがって、本発明が特に開示された実施の形態に限定されず、特許請求の範囲の請求項によって定義される本発明の要旨および範囲を逸脱しない変形例を包含することが、理解される。

Claims (20)

1. ２つの相反する駆動信号を生成するように構成されたパルス幅変調ユニットと、
   前記２つの相反する駆動信号を受け取ると共に、少なくとも２つのＨ−ブリッジ出力信号を生成するように構成されたＨ−ブリッジと、
   シャント抵抗器に並列接続された第１の入力部を含み、前記第１の入力部のうちの１つが、生成された少なくとも２つのＨ−ブリッジ出力信号のうちの１つの出力信号を受け取るように構成された第１の差動アンプと、
   センサーが取り付けられる一対の端子に並列接続された第２の入力部を含み、前記第２の入力部のうちの１つと前記一対の端子とが、生成された少なくとも２つのＨ−ブリッジ出力信号のうちの他の出力信号を受け取るように構成された第２の差動アンプと、
   前記第１の差動アンプから第１の電流としての第１の出力信号を、前記第２の差動アンプから第２の電流としての第２の出力信号を、それぞれ受け取るように構成されたアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と
   を備えた
   流体導電率センサー向けの駆動回路。
2. 更に、前記パルス幅変調ユニットおよび前記ＡＤＣのうちの少なくとも１つを制御するように構成されたプロセッサを備えた
   請求項１に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
3. 更に、前記センサーの動作を制御するように構成された入力／出力ユニットを備えた
   請求項１に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
4. 更に、前記駆動回路の動作状態を示すように構成された１つ以上のインジケータを備えた
   請求項１に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
5. 前記ＡＤＣは、前記第１および第２の出力信号のそれぞれに基づくサンプリング信号を交互に受け取るように構成された
   請求項１に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
6. プロセッサは、受け取ったサンプリング信号の少なくとも一部に基づいて流体導電率を決定するように構成された
   請求項５に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
7. 更に、前記駆動回路から離れた回路へ前記流体導電率を伝達するように構成されたトランシーバを備えた
   請求項６に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
8. ２つの相反する駆動信号を生成するように構成されたパルス幅変調ユニットと、
   前記２つの相反する駆動信号を受け取ると共に、少なくとも２つのＨ−ブリッジ出力信号を生成するように構成されたＨ−ブリッジと、
   シャント抵抗器に並列接続された第１の入力部を含み、前記第１の入力部のうちの１つが、生成された少なくとも２つのＨ−ブリッジ出力信号のうちの１つの出力信号に結合された第１の差動アンプと、
   センサーが取り付けられる一対の端子に並列接続された第２の入力部を含み、前記第２の入力部のうちの１つと前記一対の端子とが、生成された少なくとも２つのＨ−ブリッジ出力信号のうちの他の出力信号から得られた信号を受け取るように構成された第２の差動アンプと、
   前記第１の差動アンプから得られる第１の電流としての第１の出力信号に基づくサンプリング信号と、前記第２の差動アンプから得られる第２の電流としての第２の出力信号に基づくサンプリング信号とを交互に受け取るように構成されたアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と
   を備えた
   流体導電率センサー向けの駆動回路。
9. 更に、前記センサーの動作を制御するように構成された入力／出力ユニットを備えた
   請求項８に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
10. 前記パルス幅変調ユニット、前記Ｈ−ブリッジ、前記第１の差動アンプおよび前記第２の差動アンプのうちの少なくとも２つは、共通の筐体内に収容されている
    請求項８に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
11. 更に、受け取ったサンプリング信号の少なくとも一部に基づいて流体導電率を決定するように構成されたプロセッサを備えた
    請求項８に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
12. 更に、前記駆動回路から離れた回路へ前記流体導電率を伝達するように構成されたトランシーバを備えた
    請求項１１に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
13. 前記プロセッサは、前記パルス幅変調ユニットおよび前記ＡＤＣのうちの少なくとも１つを制御するように構成された
    請求項１１に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
14. 更に、前記駆動回路の動作状態を示すように構成された１つ以上のインジケータを備えた
    請求項８に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
15. ２つの相反する駆動信号を生成するように構成されたパルス幅変調ユニットと、
    前記２つの相反する駆動信号を受け取ると共に、少なくとも２つのＨ−ブリッジ出力信号を生成するように構成されたＨ−ブリッジと、
    シャント抵抗器に並列接続された第１の入力部を含み、前記第１の入力部のうちの１つが、生成された少なくとも２つのＨ−ブリッジ出力信号のうちの１つの出力信号に結合された第１の差動アンプと、
    センサーが取り付けられる一対の端子に並列接続された第２の入力部を含み、前記第２の入力部のうちの１つと前記一対の端子とが、生成された少なくとも２つのＨ−ブリッジ出力信号のうちの他の出力信号から得られた信号を受け取るように構成された第２の差動アンプと、
    前記第１の差動アンプから得られる第１の電流としての第１の出力信号に基づくサンプリング信号と、前記第２の差動アンプから得られる第２の電流としての第２の出力信号に基づくサンプリング信号とを交互に受け取るように構成されたアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と、
    受け取ったサンプリング信号の少なくとも一部に基づいて流体導電率を決定するように構成されたプロセッサと
    を備えた
    流体導電率センサー向けの駆動回路。
16. 前記パルス幅変調ユニット、前記Ｈ−ブリッジ、前記第１の差動アンプおよび前記第２の差動アンプのうちの少なくとも２つは、共通の筐体内に収容されている
    請求項１５に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
17. 更に、前記駆動回路から離れた回路へ前記流体導電率を伝達するように構成されたトランシーバを備えた
    請求項１５に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
18. 更に、前記センサーの動作を制御するように構成された入力／出力ユニットを備えた
    請求項１５に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
19. 前記Ｈ−ブリッジは、更に、前記入力／出力ユニットへのタイミング情報を伝達するように構成されている
    請求項１８に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。
20. 前記入力／出力ユニットは、前記タイミング情報を用いて、前記センサーからの１つ以上の信号のサンプリングを制御する
    請求項１９に記載の流体導電率センサー向けの駆動回路。

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