JP6335684B2 - ガス検出器およびプログラム - Google Patents
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Description
つまり、ホイートストンブリッジ回路における4個の抵抗部のうち発熱抵抗体以外の抵抗部の抵抗値が変動した場合、発熱抵抗体の抵抗値(あるいは発熱抵抗体の両端電圧)の検出精度が低下する。これにより、発熱抵抗体から被検出雰囲気に奪われる熱量の測定精度が低下し、ガス濃度の検出精度が低下する。
基準点は、第1辺と第2辺と接続点のうちの一方の接続点であり、ブリッジ制御部による印加電圧の低電位側に接続される。
第1電位点は、第1抵抗部と発熱抵抗体との接続点であり、演算増幅器の一方の入力端子に接続される。第2電位点は、第2抵抗部と第3抵抗部との接続点が演算増幅器の他方の入力点に接続される。
このような構成のガス検出器においては、第1抵抗部が第2抵抗部および第3抵抗部に比べて劣化に由来した抵抗値の変化割合が小さい特性を有していることから、ホイートストンブリッジ回路の抵抗部の中での相対的な比較においては、第2抵抗部および第3抵抗部における劣化が第1抵抗部よりも早期に発生しやすくなる。
このため、ガス検出時における第2抵抗部および第3抵抗部がいずれも劣化していない場合には、ガス検出時における第2抵抗部および第3抵抗部の各抵抗値は、基準となる第2抵抗部および第3抵抗部の各抵抗値と比べて大差がないため、検出時判定値は基準判定値と同程度の値を示すことになる。この場合、例えば、基準判定値と検出時判定値との差分値は小さい値を示し、あるいは、基準判定値と検出時判定値との比は、1.0に近い値を示す。
次に、本発明の他の局面におけるガス検出器は、発熱抵抗体と、ホイートストンブリッジ回路と、ブリッジ制御部と、演算部と、を備えると共に、演算部は、ガス濃度演算部と、基準判定値記憶部と、検出時判定値演算部と、電圧補正部と、を備える。
基準点は、第1辺と第2辺と接続点のうちの一方の接続点であり、ブリッジ制御部による印加電圧の低電位側に接続される。
第1電位点は、第1抵抗部と発熱抵抗体との接続点であり、演算増幅器の一方の入力端子に接続される。第2電位点は、第2抵抗部と第3抵抗部との接続点が演算増幅器の他方の入力点に接続される。
このような構成のガス検出器においては、第1抵抗部が第2抵抗部および第3抵抗部に比べて劣化に由来した抵抗値の変化割合が小さい特性を有しているから、ホイートストンブリッジ回路の抵抗部の中での相対的な比較においては、第2抵抗部および第3抵抗部における劣化が第1抵抗部よりも早期に発生しやすくなる。
このため、ガス検出時における第2抵抗部および第3抵抗部がいずれも劣化していない場合には、ガス検出時における第2抵抗部および第3抵抗部の各抵抗値は、基準となる第2抵抗部および第3抵抗部の各抵抗値と比べて大差がないため、検出時判定値は基準判定値と同程度の値を示すことになる。この場合、例えば、基準判定値と検出時判定値との差分値は小さい値を示し、あるいは、基準判定値と検出時判定値との比は、1.0に近い値を示す。この場合、発熱抵抗体の両端電圧(換言すれば、第1電位点と基準点との間の電位差)は、特定ガス濃度に応じた適切な値を示す。
よって、本発明のガス検出器においては、ホイートストンブリッジ回路に備えられる抵抗部の抵抗値が変動した場合であっても、ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。
つまり、このガス検出器によれば、ホイートストンブリッジ回路に備えられる抵抗部の抵抗値が変動した場合であってもガス濃度の検出精度の低下を抑制できるとともに、ホイートストンブリッジ回路に備えられる抵抗部の劣化を検出できる。
次に、上記のガス検出器においては、演算部は、基準トップ電位と、基準中間電位と、に基づき基準判定値を演算する基準判定値演算部を有してもよい。
本発明の他の局面におけるプログラムは、コンピュータに、上述のガス検出器における演算部の機能を実現させるものであってもよい。
また、本発明のガス検出器においては、ホイートストンブリッジ回路に備えられる抵抗部の抵抗値が変動した場合であっても、ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。
尚、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
[1−1.全体構成]
第1実施形態として、被検出雰囲気に含まれる可燃性ガスである水素ガスの濃度を検出する可燃性ガス検出装置1について説明する。
図1は、可燃性ガス検出装置1の全体構成を説明する図である。
測温抵抗体16は、一定電流の通電時において温度に応じた抵抗値が変化した場合には、自身の両端電圧(両端電位差)が変化する。そして、測温抵抗体16の両端電圧を増幅した電圧は、後述する温度検出信号VTとして出力される。この温度検出信号VTは、ガス検出素子10が晒される被検出雰囲気の温度が予め設定された基準温度の時に、所定の電位差である基準値となる。
また、絶縁層112の内部には、測温抵抗体16と、第2電極123および第2接地電極124と、を電気的に接続する配線膜(図示せず)も設けられている。言い換えると、測温抵抗体16は、一端において第2電極123と導通可能に接続され、他端において第2接地電極124と導通可能に接続されている。
図1に戻り、制御部20には、通電制御回路21と、温度調整回路25と、が設けられている。
温度調整回路25は、測温抵抗体16への通電を行う。また、温度調整回路25は、被検出雰囲気の温度に係る温度検出信号VTを出力する。
抵抗素子214および調整用抵抗部215が直列接続され、抵抗素子214の一端が接続点P−に接続され、調整用抵抗部215の一端が端部PGに接続されている。抵抗素子217および切替スイッチ218が直列接続され、抵抗素子217の一端が端部PGに接続され、切替スイッチ218の一端が接続点P−に接続されている。
第1端子216aは、抵抗素子215aの端部のうち抵抗素子214に接続される端部に接続されており、第2端子216bは、抵抗素子215aと抵抗素子215bとの接続点に接続されており、第3端子216cは、抵抗素子215bの端部のうち端部PGに接続される端部に接続されている。
そして、図1に示すブリッジ回路210は、可変抵抗部213の抵抗値を切り替えることで、発熱抵抗体15の設定温度を、第1設定温度CH(高温側設定温度。例えば、400℃)または第2設定温度CL(低温側設定温度。例えば、300℃)のいずれかに切り替え可能に構成されている。
次に、温度調整回路25について説明する。
温度調整回路25には、測温抵抗体16を含むホイーストーンブリッジであるブリッジ回路250と、ブリッジ回路250から得られる電位差を増幅する増幅回路260と、が設けられている。
演算部30は、温度調整回路25から出力される温度検出信号VTと、通電制御回路21から出力される検出信号V1に基づき水素ガス濃度を演算するものである。演算部30は、直流電源40から給電が開始されて起動するものであり、起動後、演算部30は各部を初期化してガス濃度演算処理を開始するものである。
湿度換算データとしては、被検出雰囲気内の湿度Hと高温時電圧VH、低温時電圧VLおよび温度電圧との相関関係を表す湿度換算データが含まれる。
なお、本実施形態は、高温時電圧VHと水素ガスのガス濃度Xとの相関関係を表す濃度換算データを用いる構成である。なお、各換算データは、換算用マップデータや換算用計算式等からなるものであり、実験等により得られたデータに基づいて予め作成されたものである。
次に、本実施形態の可燃性ガス検出装置1による水素ガス濃度の検出方法について説明する。水素ガス濃度を検出する際には、可燃性ガス検出装置1は、図4(a)および図4(b)に示すように、一定の周期時間tの間(以下「低温期間t」と表記する。)に発熱抵抗体15の設定温度を低温側の第2設定温度CLに保持する制御処理と、一定の周期時間tの間(以下「高温期間t」と表記する。)に高温側の第1設定温度CHに保持する制御処理と、を交互に繰り返し行う。
まず、基準判定値演算処理について説明する。
S150での処理が完了すると、基準判定値演算処理が終了する。
このようにして基準判定値演算処理は、基準判定温度T0を演算するとともに、基準判定温度T0を記憶装置に記憶する。
ガス濃度演算処理は、可燃性ガス検出装置1によるガス検出時に実行されることで、可燃性ガス濃度を演算するための制御処理である。なお、ガス濃度演算処理は、基準判定値演算処理が実行されて基準判定温度T0が記憶装置に記憶された状況下で実行が許可される。図6は、ガス濃度演算処理の前半の処理内容を示すフローチャートであり、図7は、ガス濃度演算処理の後半の処理内容を示すフローチャートである。
なお、判定閾値Tthは、第2ブリッジ固定抵抗212および可変抵抗部213のうち少なくとも一方が劣化状態である場合に差分温度ΔTの絶対値が示す数値範囲と、第2ブリッジ固定抵抗212および可変抵抗部213のいずれも劣化状態ではない場合に差分温度ΔTの絶対値が示す数値範囲と、の境界値が設定される。本実施形態では、判定閾値Tthには「1.0」が設定されている。
他方、S260で肯定判定されてS280に移行すると、S280では、差分温度ΔTに基づいて電圧誤差ΔV1を演算する。このとき、発熱抵抗体15の温度と発熱抵抗体15の両端電圧との相関関係を表す電圧換算データを用いて、電圧誤差ΔV1を演算する。
以上説明したように、本実施形態の可燃性ガス検出装置1においては、第1ブリッジ固定抵抗211は、第2ブリッジ固定抵抗212および可変抵抗部213と比べて、相対的に劣化しがたい抵抗素子(換言すれば、経時的劣化または環境負荷による劣化(温度や湿度、通電などの影響による劣化)に由来した抵抗値の変化割合が小さい特性を有している抵抗素子)で構成されている。
そして、基準判定温度T0は、可燃性ガス検出装置1の出荷前段階における第2ブリッジ固定抵抗212および可変抵抗部213の各抵抗値に応じた値を示しており、検出時判定温度T1は、可燃性ガス検出装置1のガス検出時における第2ブリッジ固定抵抗212および可変抵抗部213の各抵抗値に応じた値を示している。
次に、ガス検出時における第2ブリッジ固定抵抗212および可変抵抗部213がいずれも劣化していない場合には、発熱抵抗体15の両端電圧に対応する検出信号V1は、水素濃度(特定ガス濃度)に応じた適切な値を示す。
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
可燃性ガス検出装置1がガス検出器の一例に相当し、ブリッジ回路210がホイートストンブリッジ回路の一例に相当し、増幅回路220および電流調整回路230がブリッジ制御部の一例に相当し、演算部30が演算部の一例に相当する。
端部PGが基準点の一例に相当し、接続端部PVが高電位点の一例に相当し、接続点P+が第1電位点の一例に相当し、接続点P−が第2電位点の一例に相当する。
[2.他の実施形態]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
また、上記実施形態では、劣化判定処理および電圧補正処理(高温時電圧VH、低温時電圧VLの補正処理)を、ガス検出器の作動中は常時実行する構成について説明したが、これら各処理の実行タイミングは「常時」に限られることはない。例えば、ガス検知器の起動時毎に各処理を実行しても良く、あるいは、所定の時間間隔毎に各処理を実行しても良い。
さらに、ガス検出器の起動直後は、補正後の電圧値が大きく変動する虞があるため、起動後所定時間(例えば、5secなど)が経過した後に、電圧補正処理を実行する構成としても良い。
次に、上記実施形態では、基準判定値(基準判定温度T0)が基準判定値演算処理で演算される構成であるが、このような構成に限られることはなく、基準判定値が予め記憶部(ROMなど)に記憶されている構成であっても良い。また、記憶部は、ROMに限られることはなく、EEPROMなどの記憶部を用いてもよい。
Claims (7)
- 被検出雰囲気内に配置されて、自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体と第1抵抗部とが直列に接続された第1辺と、第2抵抗部と第3抵抗部とが直列に接続された第2辺と、が並列に接続されたホイートストンブリッジ回路と、
前記ホイートストンブリッジ回路が平衡状態となるように、前記ホイートストンブリッジ回路への通電状態を制御するブリッジ制御部と、
前記被検出雰囲気内における特定ガス濃度を演算する演算部と、
を備えるガス検出器であって、
前記ブリッジ制御部は、
出力端子および2つの入力端子を有する演算増幅器を備え、
前記演算増幅器の出力に従って、前記演算増幅器の2つの入力端子間の電位差がゼロとなるように前記ホイートストンブリッジ回路への通電状態を制御しており、
前記ホイートストンブリッジ回路は、
前記第1辺と前記第2辺との接続点のうちの一方が、前記ブリッジ制御部による印加電圧の低電位側に接続される基準点となり、
前記第1辺と前記第2辺との接続点のうちの他方が、前記ブリッジ制御部による前記印加電圧の高電位側に接続される高電位点となり、
前記第1抵抗部と前記発熱抵抗体との接続点が前記演算増幅器の一方の入力端子に接続される第1電位点となり、前記第2抵抗部と前記第3抵抗部との接続点が前記演算増幅器の他方の入力点に接続される第2電位点となるよう構成され、
前記第1抵抗部は、前記第2抵抗部および前記第3抵抗部に比べて、経時的劣化または環境負荷による劣化に由来した抵抗値の変化割合が小さい特性を有しており、
前記演算部は、
少なくとも前記第1電位点の電位に基づき検出される前記発熱抵抗体の両端電圧を用いて、前記被検出雰囲気内における特定ガス濃度を演算するガス濃度演算部と、
基準となる、前記高電位点の電位である基準トップ電位と、前記第1電位点および前記第2電位点のうちいずれかの電位である基準中間電位と、に基づき定められた基準判定値が記憶された基準判定値記憶部と、
当該ガス検出器のガス検出時において、前記高電位点の電位である検出時トップ電位と、前記第1電位点および前記第2電位点のうちいずれかの電位である検出時電位と、に基づき検出時判定値を演算する検出時判定値演算部と、
前記基準判定値と前記検出時判定値とに基づいて、前記第2抵抗部および前記第3抵抗部の劣化状態を判定する劣化判定部と、を備えること、
を特徴とするガス検出器。 - 被検出雰囲気内に配置されて、自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体と第1抵抗部とが直列に接続された第1辺と、第2抵抗部と第3抵抗部とが直列に接続された第2辺と、が並列に接続されたホイートストンブリッジ回路と、
前記ホイートストンブリッジ回路が平衡状態となるように、前記ホイートストンブリッジ回路への通電状態を制御するブリッジ制御部と、
前記被検出雰囲気内における特定ガス濃度を演算する演算部と、
を備えるガス検出器であって、
前記ブリッジ制御部は、
出力端子および2つの入力端子を有する演算増幅器を備え、
前記演算増幅器の出力に従って、前記演算増幅器の2つの入力端子間の電位差がゼロとなるように前記ホイートストンブリッジ回路への通電状態を制御しており、
前記ホイートストンブリッジ回路は、
前記第1辺と前記第2辺との接続点のうちの一方が、前記ブリッジ制御部による印加電圧の低電位側に接続される基準点となり、
前記第1辺と前記第2辺との接続点のうちの他方が、前記ブリッジ制御部による前記印加電圧の高電位側に接続される高電位点となり、
前記第1抵抗部と前記発熱抵抗体との接続点が前記演算増幅器の一方の入力端子に接続される第1電位点となり、前記第2抵抗部と前記第3抵抗部との接続点が前記演算増幅器の他方の入力点に接続される第2電位点となるよう構成され、
前記第1抵抗部は、前記第2抵抗部および前記第3抵抗部に比べて、経時的劣化または環境負荷による劣化に由来した抵抗値の変化割合が小さい特性を有しており、
前記演算部は、
少なくとも前記第1電位点の電位に基づき検出される前記発熱抵抗体の両端電圧を用いて、前記被検出雰囲気内における特定ガス濃度を演算するガス濃度演算部と、
基準となる、前記高電位点の電位である基準トップ電位と、前記第1電位点および前記第2電位点のうちいずれかの電位である基準中間電位と、に基づき定められた基準判定値が記憶された基準判定値記憶部と、
当該ガス検出器のガス検出時において、前記高電位点の電位である検出時トップ電位と、前記第1電位点および前記第2電位点のうちいずれかの電位である検出時電位と、に基づき検出時判定値を演算する検出時判定値演算部と、
前記基準判定値と前記検出時判定値とに基づいて、前記発熱抵抗体の両端電圧を補正する電圧補正部と、を備えること、
を特徴とするガス検出器。 - 請求項2に記載のガス検出器であって、
前記演算部は、
前記基準判定値と前記検出時判定値とに基づいて、前記第2抵抗部および前記第3抵抗部の劣化状態を判定する劣化判定部を備えること
を特徴とするガス検出器。 - 請求項2または請求項3に記載のガス検出器であって、
前記被検出雰囲気の温度である環境温度の変化により抵抗値が変化する測温抵抗体を備えており、
前記ガス濃度演算部は、前記発熱抵抗体の両端電圧に加えて、前記測温抵抗体を用いて検出した前記環境温度を用いて前記特定ガス濃度を演算すること、
を特徴とするガス検出器。 - 請求項1から請求項4のうちいずれか一項に記載のガス検出器であって、
前記演算部は、前記第1電位点の電位を取得する取得部を有し、
前記取得部によって取得された前記第1電位点の電位が、前記ガス濃度演算部による前記特定ガス濃度の演算、および前記検出時判定値演算部による前記検出時判定値の演算に用いられること、
を特徴とするガス検出器。 - 請求項1から請求項5のうちいずれか一項に記載のガス検出器であって、
前記演算部は、前記基準トップ電位と、前記基準中間電位と、に基づき前記基準判定値を演算する基準判定値演算部を有すること、
を特徴とするガス検出器。 - コンピュータを、請求項1から請求項6のうちいずれか一項に記載のガス検出器における前記演算部として機能させるためのプログラム。
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