JP7057600B2 - ガス検出装置 - Google Patents

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この発明は呼気中のアルコール等の検出装置に関する。
電気化学ガスセンサを用いて、呼気中のアルコール、アセトン等を検出することが行われている。例えば特許文献１：JP2014-130017Aは、ポンプにより一定容積の呼気を電気化学ガスセンサに供給し、センサ信号を増幅し、次いでセンサの信号を積算することにより、呼気中のアルコール濃度を求めることを開示している。
増幅率を固定すると、ガス濃度が高い場合には増幅回路等がオーバーフローし、低い場合には検出精度が不足する。このため検出できる濃度範囲が限られる。
JP2014-130017A
この発明の課題は、ガス濃度が高い場合も低い場合も、正確にガス濃度を測定できるようにすることにある。
この発明のガス検出装置は、電気化学ガスセンサと、電気化学ガスセンサに所定容積のガスサンプルを供給するポンプ（実施例ではソレノイドポンプ）と、電気化学ガスセンサの出力電流を増幅する増幅器と、増幅器の増幅率を決定する複数の抵抗と、増幅器への抵抗の接続を切り替える複数のスイッチと、増幅器の出力をAD変換すると共に積算するICとを備え、
前記ICは、抵抗の接続毎の増幅率を表すデータを記憶すると共に、１回の測定中に増幅器の出力が所定範囲外になるとスイッチを切り替え、かつ増幅器の出力を増幅率に依存しないデータに変換して積算するように構成されている。
この発明では、１回の測定中は（１回分のガスサンプルの測定中は）、増幅器の出力が所定範囲内に保たれるように、スイッチにより抵抗の接続を切り替える。ICは抵抗の接続と増幅率との関係を記憶しているので、増幅率の影響を補正し積算する。このため、ガス濃度が高くても低くても正確にガス濃度を求めることができ、ガス検出装置の測定レンジが増す。
実施例のガス検出装置のブロック図 実施例のガス検出装置の回路図 実施例のガス検出装置の動作アルゴリズムを示すフローチャート 増幅回路（増幅率固定）の出力波形を示す特性図 増幅回路（実施例に従い増幅率を切り替え）の出力波形を示す特性図
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。
図１～図５に、実施例のガス検出装置を示す。図１の２は電気化学ガスセンサで、電解質と検出極と対極とを備え、これ以外に参照極を備えていても良い。４は増幅回路で、ガスセンサ２の出力を増幅し、６はソレノイド等のポンプで、所定容積のガスサンプルをガスセンサ２に供給する。１０は呼気を吹き込むパイプ等の流路、１２は圧力センサで呼気が吹き込まれたことを検出し、１４は温度センサで検出装置の温度を測定する。表示器１６は、IC８が求めた呼気中アルコール濃度などの出力を表示する。
２０は電流／電圧変換用の演算増幅器，２１は増幅用の演算増幅器で、２３，２４は抵抗である。抵抗R1～R5とスイッチS1～S4により、演算増幅器２１の増幅率βを切り替える。なお抵抗２４に並列に複数の抵抗を配置し、これらをスイッチにより切り替えても良い。実施例では抵抗R1～R5とスイッチS1～S4により、増幅器２１の増幅率βを、20,40,70,120,200の例えば5段階に切り替える。
IC８はADコンバータ３１を備え、増幅器２１の出力に基づいて、スイッチ制御部３２はスイッチS1～S4を切り替える。またADコンバータ３１は圧力センサ１２の出力と温度センサ１４の出力もAD変換する。ポンプ駆動部36は、圧力センサ12の出力に基づいて、ポンプ６を動作させる。メモリ３３はスイッチS1～S4の状態毎に増幅率βを記憶し、積算部３４はADコンバータ３１の出力に増幅率βの逆数に比例する値を乗算したものを積算する。この積算値は呼気中アルコール濃度などに対応する。なお積算する期間はポンプ6の動作後の所定時間で、例えば10秒である。出力部３５は、積算部３４での積算値を出力し、表示器１６に表示させる。
図３は実施例の動作アルゴリズムを示し、図４は増幅率を固定した場合の演算増幅器２１の出力を、図５は増幅率βを切り替えた場合の出力を示す。ガスセンサ２の出力には温度依存性があるので、温度センサ１４により周囲温度を測定する（ステップ１）。圧力センサ１４により負圧を検出すると（ステップ２）、呼気が吹き込まれたものとして、ソレノイドポンプ６を動作させ、一定容積のサンプルガスをガスセンサ２へ供給する（ステップ３）。
ガスセンサ２の出力を増幅器２１で増幅し、AD変換する。そしてAD変換後の増幅器の出力が上限を超えると増幅率βを低下させ、下限未満になると増幅率βを増加させる（ステップ４）。増幅率を固定すると増幅器の出力は図４のようになり、ガス濃度がさらに高いと出力がオーバーフローする可能性があり、またピークの裾の部分（3.5秒以上経過した部分）では分解能が低い。これに対して増幅率を切り替えると、出力は図５のようになり、オーバーフローを防止でき、出力が低いエリアではAD変換精度が向上する。例えば図５では、AD変換値のフルスケール1024に対し、出力が800を超えると増幅率を1段下げ、100未満になると1段増加させる。このためアルコール濃度の検出レンジが広くなり、検出精度も増す。また出力の積算中に自動的に増幅率βを調整できる。
呼気中のアルコール濃度はガスセンサ出力の積算値に比例するので、AD変換値に増幅率βの逆数に比例する数を乗算した後、積算する（ステップ５）。このため増幅率を切り替えても、アルコール濃度を求めることができる。そして積算時間の例えば10秒を経過すると、積算値を出力する（ステップ６，７）。
２ 電気化学ガスセンサ
４ 増幅回路
６ ポンプ
８ IC
１０ 流路
１２ 圧力センサ
１４ 温度センサ
１６ 表示器
２０，２１ 演算増幅器
２３，２４ 抵抗
R1～R5 抵抗
S1～S4 スイッチ
３１ ADコンバータ
３２ スイッチ制御部
３３ メモリ
３４ 積算部
３５ 出力部
３６ ポンプ駆動部

Claims (1)

  1. 電気化学ガスセンサと、電気化学ガスセンサに所定容積のガスサンプルを供給するポンプと、電気化学ガスセンサの出力電流を増幅する増幅器と、増幅器の増幅率を決定する複数の抵抗と、増幅器への抵抗の接続を切り替える複数のスイッチと、増幅器の出力をAD変換すると共に積算するICとを備え、
    前記ICは、抵抗の接続毎の増幅率を表すデータを記憶すると共に、１回の測定中に増幅器の出力が所定範囲外になるとスイッチを切り替え、かつ増幅器の出力を増幅率に依存しないデータに変換して積算するように構成されている、ガス検出装置。
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