JP6534849B2 - 流体状態検出装置 - Google Patents
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Description
被検出雰囲気内における流体状態を検出する流体状態検出装置としては、検出対象の流体状態に応じて抵抗値が変化する発熱抵抗体を備えたものが知られている。この流体状態検出装置は、例えば、発熱抵抗体から検出対象流体に奪われる熱量を測定することにより、検出対象流体の熱伝導率の変化を算出して流体状態(例えば、水素濃度など)を求めることができる。
発熱抵抗体は、被検出雰囲気内に配置されて、検出対象の流体状態に応じて抵抗値が変化する。ホイートストンブリッジ回路は、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、が並列に接続されて構成されている。ブリッジ制御部は、電源装置からホイートストンブリッジ回路への通電状態を制御する。演算部は、発熱抵抗体の抵抗値を用いて被検出雰囲気内における流体状態を演算する。
この流体状態検出装置は、当該装置の起動時におけるホイートストンブリッジ回路の各部の電位状態が不適切な状態であっても、強制通電部によってホイートストンブリッジ回路への通電を行うことができる。このように、強制的にホイートストンブリッジ回路への通電を行うことで、ホイートストンブリッジ回路の各部の電位(第1電位点、第2電位点など)が適正値に変化する。
また、強制通電部は、少なくとも流体状態検出装置の起動時に、ホイートストンブリッジ回路への通電を行うことから、流体状態検出装置の起動後、ホイートストンブリッジ回路の各部の電位を迅速に適正値に変化させることができる。
なお、この流体状態検出装置においては、強制通電部を備えると共に、ブリッジ制御部として帰還抵抗部を備えるブリッジ制御部を備える構成としても良い。このような構成であれば、帰還抵抗部を備えることによる作用効果(例えば、ブリッジ制御部での制御状態が安定化するなどの作用効果)を得ることができる。
次に、上述の流体状態検出装置においては、強制通電部は、ブリッジ制御部とは異なる通電経路を介して、電源装置からホイートストンブリッジ回路への通電を行う構成であっても良い。
よって、この流体状態検出装置によれば、当該装置の起動後、迅速にホイートストンブリッジ回路の通電制御を実行できる。
水素ガス濃度を検出する用途に用いられる流体状態検出装置は、温度や湿度などが大きく変化する環境に設置される場合があり、そのような環境変化の影響によって、少なくとも当該装置の起動時におけるホイートストンブリッジ回路の各部の電位状態が不適切な状態となる場合がある。
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。
可燃性ガス検出装置1は、水素ガス濃度を検出するガス検出素子10と、ガス検出素子10を制御する制御部20と、ガス検出素子10の出力信号に基づいて水素ガス濃度を演算する処理を少なくとも実行する演算部30と、制御部20および演算部30に電力を供給する直流電源40と、を主に備えている。
ガス検出素子10は、図2(a)の平面視図、および、図2(b)のA−A線矢視断面図に示すように、平板状に形成された基部11と、基部11の一方の面(以下、「表面」と表記する。)に配置された複数の電極12と、他方の面(以下、「裏面」と表記する。)に形成された凹部13と、を主に備えている。ガス検出素子10は、凹部13が形成された裏面が被検出雰囲気に晒された状態で配置されるものである。
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。
また、後述するように、第1ブリッジ固定抵抗211と発熱抵抗体15との接続点P+と、第2ブリッジ固定抵抗212と可変抵抗部213との接続点P−とは、増幅回路220および電流調整回路230によるフィードバック制御によって、それぞれの電位が同電位となるように制御されている。
電流調整回路230(詳細には、定温度制御回路231)は、調整信号Cに応じてブリッジ回路210に流れる電流を増減調整するものであり、調整信号Cが大きくなるほどブリッジ回路210に流れる電流を減少させ、調整信号Cが小さくなるほどブリッジ回路210に流れる電流を増加させる。
定温度制御回路231は、駆動電圧Vccを供給する電源ラインとブリッジ回路210(詳細には、接続端部PV)との間に接続されている。定温度制御回路231は、制御ラインCL1を流れる信号に従って通電状態(オン抵抗)が変化するトランジスタを備えて構成されている。具体的には、定温度制御回路231は、増幅回路220から出力される調整信号Cに従って、ブリッジ回路210へ電流供給を開始する。そして、定温度制御回路231は、ブリッジ回路210への電流供給が開始されると、増幅回路220の出力である調整信号Cに従って、調整信号Cが大きいほどオン抵抗が大きくなってブリッジ回路210に流れる電流を減少させ、逆に、調整信号Cが小さいほどオン抵抗が小さくなってブリッジ回路210に流れる電流を増大させるように構成されている。
通電制御回路21は、直流電源40からブリッジ回路210への電流供給を開始するように定温度制御回路231を制御するための強制通電回路233を備えている。
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。
温度換算データとしては、被検出雰囲気の環境温度Tと温度検出信号VTでもある温度電圧VTとの相関関係を表す温度換算データが含まれる。
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で構成されるものであり、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3(a)および図3(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。
ここで、ガス濃度演算処理について説明する。
具体的には、強制通電回路233(FET)をオン状態にするための強制作動信号S1を、強制通電回路233に対して出力する。本実施形態では、予め定められた強制通電時間(例えば、1.0[mSec])にわたり、強制通電回路233がオン状態となるように、強制作動信号S1を出力する。
なお、トップ電位V21は、このときに検出されるTOP電圧信号V2の電位であり、検出電位V11は、このとき検出される検出信号V1の電位であり、温度電圧VTは、このとき検出される温度検出信号VTの電圧である。
次のS180では、S130で得られた高温時電圧VHと、S130で取得した温度電圧VTと、高温時電圧換算用マップデータと、に基づいて、環境温度Tひいては温度電圧VTにおけるガス濃度Xがゼロ、および、湿度Hがゼロのときの高温時電圧VH(0)を演算する。
なお、本実施形態では、第1異常判定値Vth1は2.5[V]に設定されている。
次のS250では、フィードバック制御異常カウンタCNTが予め定められた許容回数Nthよりも大きいか否かを判定しており、肯定判定する場合にはS260に移行し、否定判定する場合にはS120に移行する。なお、本実施形態では、許容回数Nthに「3」が設定されている。
つまり、強制通電(S120)を実行しているにも関わらず、フィードバック制御異常と判定(S230で肯定判定)される回数が許容回数を超える場合には、フィードバック制御の異常ではなく、ガス検出素子10および制御部20を含めた可燃性ガス検出装置1のいずれかの箇所におけるハードウェア異常(配線異常など)が発生していると考えられる。そのため、S250で肯定判定された場合、S260で、ハードウェア異常確定と判定する。
S250で否定判定されてS120に移行すると、S120では、上述のように、強制通電回路233を用いたブリッジ回路210への電流供給(換言すれば、強制通電)を実行する。
また、ガス濃度演算処理では、S120からS250およびS270の上述の処理を繰り返し実行することで、ガス濃度を演算する。
上述のように、ガス濃度演算処理においては、起動後のS120で、強制通電回路233を用いたブリッジ回路210への電流供給(換言すれば、強制通電)を実行する。
さらに、ガス濃度Xを演算した後、S230にて、フィードバック制御が異常状態であると判定すると、S240を実行した後、S250にて、フィードバック制御異常カウンタCNTと許容回数Nthとの比較結果に基づいてハードウェア異常であるか否かを判定する。S250で否定判定されると、S120に移行して、強制通電回路233を用いたブリッジ回路210への電流供給(換言すれば、強制通電)を実行する。S250にて肯定判定されると、ハードウェア異常確定と判定して、ガス濃度演算処理を終了する。
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は、当該装置の起動時(起動直後)に、ガス濃度演算処理のS120を実行することで、増幅回路220および電流調整回路230によるフィードバック制御の制御状態に関わらず、ブリッジ回路210への通電を行う。
この結果、増幅回路220および電流調整回路230は、適正な制御動作(フィードバック制御動作)が可能となり、増幅回路220および電流調整回路230によるブリッジ回路210への通電制御を適正に実行できる。
次に、可燃性ガス検出装置1は、直流電源40からブリッジ回路210への通電状態を制御するために増幅回路220および電流調整回路230を備えている。強制通電回路233は、電流調整回路230(定温度制御回路231)を強制的に通電状態に制御することで、ブリッジ回路210への通電を行う。
このような構成であれば、温度変化、経年劣化や環境変化などの影響による帰還抵抗部の抵抗値変化によって、増幅回路220の特性が変化することを抑制できる。これにより、温度変化、経年劣化や環境変化などの影響によってガス濃度X(水素濃度)の検出精度が低下することを抑制できる。
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が流体状態検出装置の一例に相当し、発熱抵抗体15が発熱抵抗体の一例に相当し、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。
演算増幅器221が信号生成部の一例に相当し、定温度制御回路231が通電制御部の一例に相当する。
[2.第2実施形態]
上記実施形態では、強制通電部として、電流調整回路230(定温度制御回路231)を制御してブリッジ回路210への通電を行う強制通電回路233を備える構成について説明したが、本発明の流体状態検出装置は、このような構成に限られることはない。
第2可燃性ガス検出装置101は、可燃性ガス検出装置1のうち強制通電回路233に代えて第2強制通電回路234を備えて構成されている。
この結果、増幅回路220および電流調整回路230は、適正な制御動作(フィードバック制御動作)が可能となり、増幅回路220および電流調整回路230によるブリッジ回路210への通電制御を適正に実行できる。
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。
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。
このような構成の第3可燃性ガス検出装置201においては、当該装置の起動後、迅速にブリッジ回路210の通電制御を実行できるとともに、帰還抵抗部を備えることによる作用効果(例えば、第2増幅回路240および電流調整回路230での制御状態が安定化するなどの作用効果)を得ることができる。
Claims (4)
- 被検出雰囲気内に配置されて、検出対象の流体状態に応じて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、
電源装置から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、
前記発熱抵抗体の抵抗値を用いて前記被検出雰囲気内における前記流体状態を演算する演算部と、
を備える流体状態検出装置であって、
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第2電位点となるよう構成され、
前記ブリッジ制御部は、前記第1電位点および前記第2電位点が入力され、前記第1電位点と前記第2電位点と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フィードバック制御するよう構成されており、
少なくとも当該流体状態検出装置の起動時において、前記ブリッジ制御部による制御状態に関わらず、前記ホイートストンブリッジ回路への通電を行う強制通電部と、
前記ブリッジ制御部によるフィードバック制御が異常状態であるか否かを判定する制御状態判定部と、
を備え、
前記強制通電部は、
前記制御状態判定部にて前記フィードバック制御が異常状態であると判定されると、前記ホイートストンブリッジ回路への通電を行う、
流体状態検出装置。 - 請求項1に記載の流体状態検出装置であって、
前記ブリッジ制御部は、
前記第1電位点と前記第2電位点との電位差に応じて、前記第1電位点と前記第2電位点との電位差をゼロするためのフィードバック信号を生成する信号生成部と、
前記フィードバック信号に基づいて、前記電源装置から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通電制御部と、
を備え、
前記強制通電部は、前記通電制御部を強制的に通電状態に制御することで、前記ホイートストンブリッジ回路への通電を行う、
流体状態検出装置。 - 請求項1に記載の流体状態検出装置であって、
前記強制通電部は、前記ブリッジ制御部とは異なる通電経路を介して、前記電源装置から前記ホイートストンブリッジ回路への通電を行う、
流体状態検出装置。 - 請求項1から請求項3のうちいずれか一項に記載の流体状態検出装置であって、
前記演算部は、前記流体状態として、水素ガス濃度を演算する、
流体状態検出装置。
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