JPH03503684A - 赤外線ガス分析器用の改良した設定点制御回路 - Google Patents

赤外線ガス分析器用の改良した設定点制御回路

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JPH03503684A JP1505239A JP50523989A JPH03503684A JP H03503684 A JPH03503684 A JP H03503684A JP 1505239 A JP1505239 A JP 1505239A JP 50523989 A JP50523989 A JP 50523989A JP H03503684 A JPH03503684 A JP H03503684A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 I・  ガス  1 の  したー 占! 口技JbL社 本発明は、赤外線ガス分析器に関するものであって、更に詳細には、ガス分析器 制御システムにおいて安定した設定点を与える方法及び装置に関するものである 。
Zlしと1量 非分散型赤外線ガス分析器は、典型的に、赤外線エネルギを発生し且つサンプル セル内に収容されている未知のガス混合物を介して指向させるために赤外線源を 使用する。ある所定の波長で該サンプルセルな介して通過するエネルギが検知さ れ、且つそれを表わす電気信号が発生される。その所定の波長は、興味のある一 つ又はそれ以上のガスの特性吸収周波数と対応すべく選択されている。その電気 信号を処理して、該サンプルセル内のガス混合物内のガスの一つ又はそれ以上の 濃度を表わす出力を発生する。
このような分析器の一つは、米国特許第4,346.296号(Passaro   et  al、)に記載されている。この特許においては、赤外線源は、比 較的広いスペクトルに亘って比較的一定の強度で赤外線照射を射出する。該赤外 線源からの赤外線照射は、チョッパーホイールによって周期的に中断される。サ ンプルセルを通過した後に、チョップされた赤外線照射は夫々の検知器によって 検知される。各々の場合において、その照射は、狭い通過域フィルタによってフ ィルタされ、従って各検知器は夫々のガスの夫々の吸収周波数特性に対応する周 波数の特定の狭い帯域の照射のみ実効的に感応する。
従って、夫々の検知信号は、システム的に、夫々のガスの夫々の濃度に関連して いる。チョッパーホイールを使用しているために、これらの信号はチョッパーホ イールの周波数で決定されるAC信号である0次いで、これらの信号は増幅され 、検知され且つフィルタされて対応するDC信号が発生される。
各フィルタされた信号は、所謂スパン(span)増幅器の一方の入力端へ印加 される。スパン増幅器は、典型的に、加算増幅器を有しており、それはオフセッ トした基準入力信号と制御可能なフィードバック入力信号とを受取る。このオフ セットした基準信号は、該分析器の零点をオフセットし、且つ該フィードバック 信号はフルスケールの出力を与λるために必要とされる入力信号のスパン、即ち 太きさを制御する。
そのフィードバック信号は、該スパン増幅器によって制御されて、零点を決定す ることが可能であるようにオフセット信号をバランスさせる0本明細書において 、「零点」という用語は、入射赤外線照射の吸収がない状態でのスパン増幅器が 零出力を発生する状態を意味している。米国特許第4,346.296号に記載 される如く、スパン増幅器の零点は、サンプルセル内へ所謂零ガスを導入し且つ 零の読取りを与えるようにフィードバック信号入力の利得制御を調整することに よって調節される。この零ガスは、例えば窒素のようなガスであって、それは少 なくとも夫々のフィルタによって通過される周波数において赤外線エネルギに対 して実質的に吸収性がないものである。
所定のキャリブレーション、即ち較正用ガスをサンプルセルに導入すると、フィ ードバック信号の利得は、何らかの所定のキャリプレート、即ち較正した値に調 節される。次いで、分析されるべきガスを導入すると、出力メータは、適切に記 録を行うか、又は夫々の較正ガスの相対的濃度を表示する。
「自動零調整を有する赤外線ガス分析器(Infrared  Gas  An alyzer  WithAutomatic  Zero  Adjustm ent)Jという名称の米国特許第4,687゜934号(Robert  E 、  Pa5saro、Raymond  E、  Rogers、J、  C raig  Griffith)は、赤外線ガス分析器用の自動ゼロ装置を記載 している。この装置は、サンプルセル内に非吸収性ガスが存在する場合に出力信 号を実質的にゼロへ減少させるためにスパン増幅器からの検知器信号の信号レベ ルを自動的に制御する利得制御を具備する比較器を有している。前述した特許は 、所定レベルを超えたガス分析器の温度ドリフトが存在する場合又は所定の時間 周期の後に繰返される零点動作を与えるプログラム可能なマイクロプロセサを使 用している。上述した要素は、オペレータが手作業によってシステムを適切な零 条件に調節することの必要性を除去している7上述した特許は、所定の時間周期 に亘って及び所定レベルを超λた温度ドリフトが存在する場合に自動的に零点を 与える赤外線ガス分析器を開示している。しかしながら、上述したタイプのガス 分析器は、赤外線源の温度における変動及び検知器の温度における変動に起因し て設定点が不安定となる傾向を示すことが知られている。米国特許第4,398 .091号(Passaro)は、このような変動を補償するガス分析器を記載 している。従って、しばしば、分析器内における適宜の場所にヒータを配置させ 、且つ該ヒータをモニタして、ガス分析器の温度を一定温度に維持し、周囲の温 度が変化する場合に必要とされるドリフト補正の多くを除去している。そのよう にする場合、ガス分析器は一層安定であり、従って種々のガスの濃度レベルを正 確に測定することが可能である。
一般的に、これらの要素のモニタ動作は、ガス分析器に対して「設定点」を与え るプロセサと関連する制御回路によって達成される。本願明細書においで設定点 という用語は、既知のガス及びガス濃度において装置が設定されるキャリブレー ション(較正)点であり、それからガスの測定値を取ることが可能なものである 。ガス分析器の読みが正確なものであることを確保するために5例えば赤外線源 の温度及びヒー・夕の温度等のようなある種のパラメータは、ガスの測定を行う 前に安定なものでなければならない、従って、これらのパラメークは、ガス分析 器の「設定点」を与えるためにモニタされ且つ調節される。
設定点を制御するために、ガス分析器の測定された温度信号が設定点回路へ供給 される。これらの信号は、基準信号と比較される。該温度信号が基準信号に対応 しない場合、ガス分析器内のプロセサが、適宜の出力信号が得られる迄、ヒータ の温度を調節する。その結果、後にガス分析器によってなされる測定が正確なも のであることを確保するために設定点が安定なものであることが重要である。
典型的に、ヒータに関連する温度センサの出力信号を何らかの基準信号と比較す ることによってガス分析器において安定な設定点を与えるために差動増幅器回路 が使用されている。所定の信号が該増幅器の出力端上に存在しない場合には、適 切な出力電圧が存在するようになる迄、該プロセサは該ヒータの温度を調節する 。
差動増幅器がガス分析器内の設定点制御回路として効果的に動作するが、それは 、適切な動作を行うために複数個の精密な抵抗を必要とする。精密抵抗の値が相 互作用によって設定点制御回路の出力電圧を与えるので5精密抵抗が必要とされ る。公知の如く、差動増幅器の二つの入力端に対して共通入力信号が与えられる 場合、差動モード出力信号はゼロである。しかしながら、実際的には、両方の入 力端子が正確に同一の電位にあるが両方の入力端子の電位か一体的に変化する場 合には、何らかの出力電圧変動が発生するということが知られている。この出力 変動は共通モードエラー信号と呼ばれている。従って、共通モードエラー信号は 、入力信号が同一である場合の不正確性を表わしている。このエラーは、入力抵 抗が注意深く整合されていることを確保することによって最小とさせることが可 能である。従って、共通モードエラーを最小とするために精密抵抗が使用される 。
精密抵抗は高価であり且つ装置コストを著しく増加させるものであることが知ら れている。より特定的には、ガス分析器においては全体的なコストを可及的に低 (維持することが極めて重要である。このような意味合いから、差動増幅器回路 を使用することは精密抵抗に対する必要性を増加させ、従ってそれと共に使用さ れるガス分析器のコストを不所望に増加させるものであることが判明した。
従って、ガス分析器のコストを低下させる何らかのシステム、デバイス又は装置 は、従来技術と比較して顕著な利点を与えるものである。更に詳細には、ガス分 析器において使用される設定点制御回路において必要な精密抵抗の数を制限し尚 且つガス分析器の安定性を維持するような何らかの構成は、公知の回路と比較し て顕著な改良を与えるものである。
1−辺 広義においては、本発明の目的は、改良した設定点制御回路を具備する赤外線ガ ス分析器を提供することである。
本発明の別の目的とするところは、所定の温度範囲及び時間間隔に亘って与えら れた入力信号に対して安定な出力信号を供給する回路を提供することである。
本発明の更に別の目的とするところは、従来の設定点制御回路と比較して一層廉 価な安定な設定点制御回路を有するガス分析器を提供することである。
1豆五l刀 ガス分析器用の設定点制御回路は、基準信号発生器とセンス信号を発生するため のセンサとを有しており、該センス信号はガス分析器のパラメータに依存してい る0本回路は、更に、基準信号発生器及びセンサへ選択的に結合されるべく適合 されている増幅器を有している。該増幅器は、それに結合された場合に基準信号 を表わす信号を供給し、且つそれに結合された場合にセンサを表わす信号を供給 する。
基準信号発生器とセンサとの間における該増幅器の選択的なスイッチングのため に本回路においてはプロセサが使用されている。該基準及びセンサ信号は該プロ セサ内において比較される。該プロセサは1次いで、そのパラメータが基準信号 に態様するようになる迄、そのセンサ信号と関連するパラメータを調節する。
一実施形態においては、センスされたパラメータは、ガス分析器内のヒータの温 度である。従って、各ヒータに関連するセンサは、その温度を表わす信号を供給 する。設定点回路は、それに接続された場合に、該プロセサに対して基準電圧を 表わす出力信号を供給する。該設定点回路は、それに接続されたへ供給する。こ れらの信号が等しくない場合には、該プロセサは、そのセンサ及び基準信号の両 方が同一の出力を該プロセサに対して供給する迄、関連するヒータ温度を調節す る。
この較正によって、ガス分析器の精度及び安定性を確保する設定点制御回路が提 供される6本設定点制御回路においては精密部品が必要とされることはない、な ぜならば、信号の比較はプロセサによって達成されるからである。従って、この 設定点制御回路のコストは従来のガス分析器において使用されているものよりも 著しく廉価である。
m皿星皇五j 第1図はガス分析器の概略ブロック図である。
第2図は差動増幅器のブロック図である。
第3図はガス分析器において便用される従来の設定点制御回路のブロック図であ る。
第4図は従来の設定点制御回路の概略回路図である。
第5図は本発明に基づいて構成された設定点制御回路の概略回路図である。
第6図は本発明に基づいて構成された設定点制御回路の概略回路図である。
1立] 第1図は、本発明の赤外線ガス分析器10の概略図である。ガス分析器10は、 検知されるべきガス混合物を受取るサンプルセル13を有している。赤外線源1 7は、サンプルセル13を介して赤外線エネルギを指向させる。この赤外線経路 は、チョッパーホイール19によって周期的に中断される。
チョッパーホイール19は、プロセサ39の制御下において、ステッパモータ2 5によって動作される。赤外線源17は、ヒータ要素17aを有しており、それ は設定点回路30に応答しプロセサ39の制御下にある。検知器/フィルタ組立 体24は、サンプルセル13かも出てくる赤外線エネルギを受取る。設定点回路 30は、フィルタ/検知器24のヒータ60へ熱的に結合されている。この設定 点回路30は、ガス分析器10に対する初期的な測定パラメータを与える。
設定点回路30は、フィルタ/検知器組立体24及び赤外線源17の夫々の温度 を表わすセンサ150及び152からの信号を受取り、次いでこれらの信号をア ナログ・デジタル(A/D)変換器35へ供給する。A/D変換器35は、該信 号をデジタル化し、次いでプロセサ39へ信号を供給する。これらの信号に応答 して、プロセサ39は、ライン70及び72上を、ヒータ要素17a及び60へ 制御信号を供給する。その温度が所定範囲内にある場合には、設定点回路30は ヒータ要素17a又はヒータ60の温度を調節することはない、しかしながら、 ヒータ要素17a又はヒータ60の何れかの温度が範囲外のものである場合には 、プロセサ39によって調節が行われる。設定点が確立された後に1分析される べきガスがサンプルセル13内へ供給される。
プロセサ39は、典型的に、ガス分析器10の種々の機能を制御するマイクロプ ロセサである。ガス分析器10において使用される典型的なマイクロプロセサは 、モトローラ社によって製造販売されているモデル番号688C11である。プ ロセサ39は、ステッパモータ25と、赤外線R17と、フィルタヒータ60と を制御しながら、ガスデータ(即ち、混合物内の成分ガスの百分率)を処理する 。
フィルタ26−1乃至26−3は、サンプルセル13からのエネルギをフィルタ し、且つ適宜のガス信号と共に、そのエネルギを検知器27−1乃至27−3へ 供給する。検知器27−1乃至27−3は、フィルタ26−1乃至26−3から 夫々フィルタされたエネルギを受取り、且つそれらを表わす信号出力を発生する 。典型的に、検知器は、信号出力を適宜のレベルとさせるための増幅器を有して いる。検知器27−1乃至27−3からの信号は、ガスチャンネル48−1乃至 48−3へ供給される。
ガスチャンネル48−1乃至48−3は、典型的に、A/D変換器であり、それ は検知器27−1乃至27−3からのAC信号をDC信号へ変換させ、該DC信 号は測定したガスの濃度レベルを表わしている。ガスチャンネル40−1乃至4 0−3は、プロセサ39への信号を与^る。プロセサ39は、測定したガスの濃 度レベルを表わす出力信号を供給する。
分析器10は以下の如き態様で動作する。典型的には自動車エンジン排気からの ガス混合物が、バルブ14を介してガス分析器10内へ入り、次いでポンプ20 によってサンプルセル13内へ導入される。プロセサ39の制御下にある赤外線 源17が、ヒータ要素17aによって発生さハた赤外線照射をサンプルセル13 を介して指向させ、且つその赤外線照射は、チョッパーホイール乃至はブレード 19によって所定の周波数で周期的に中断される、赤外線源ヒータ要素17aは 、典型的に、抵抗加熱によって赤外線エネルギを発生するセラミックヒータ要素 を有している。
チョッパーブレード19は、ステッパモータ25を介してプロセサ39の制御下 にある6ステツパモータ25を使用することにより、チョッパーブレード19が 個別的なステップで回転され、それによりシャープな方形波AC信号出力が与え られる。
各位置におけるチョッパーブレード19のドエル時間は、所望の波形状を与える ように選択されている。従って、チョッパーブレード19は、バックグラウンド のDC照射を相殺する効果を有するAC信号を供給する。好適実施例においては 、チョッパーブレード19は、円の906に亘るウェッジ形状の金属ブレードを 有している。チョッパーブレード19は、サンプルセル13を介して通過する赤 外線エネルギを交互にブロックするような態様で90°の範囲に亘って回転され る。従って、サンプルセル13の出力側においてAC信号が形成される6勿論、 同様のデユーティサイクルを与えるために当業者がその他のタイプの形態を有す るチョッパーブレードを使用することが可能である。
本発明の図示した実施例においては、サンプルセル13内、のガスの予め選択し た波長において受取った赤外線照射に態様する検知器27−1.27−2.27 −3とフィルタ26−1.26−2゜26−3の共同によって検知信号が発生さ れる。
フィルタ26−1乃至26−3及び検知器27−1乃至27−3は、好適には、 個別的な組立体24であって、該組立体において、光学的フィルタ及びサーモパ イル検知器が測定すべき各ガスに対して使用されている。組立体24は、それを 所定の温度に維持しその際に周囲の状態において変化がある場合に必要とされる ドリフト補正を除去するために抵抗加熱要素60を有している。
検知されるべき夫々のガスの波長の選択は、夫々の狭い通過帯域フィ゛ルタ26 −1.26−2゜26−3によって決定される。赤外線源17は、フィルタ26 −1乃至26−3によってフィルタされる赤外線エネルギを発生する。フィルタ されたエネルギは、夫々、検知器27−1乃至27−3によって受取られる。検 知器27−1.27−2.27−3のAC信号出力は、夫々、ガスチャンネル4 8−1.48−2.48−3によって処理され、適宜の信号を発生し且つプロセ サ39によりアナログ−デジタル変換を制御する。これらの変換された信号は、 システム的に、検知されるべきガスの濃度に関連している。
従って、検知器によって発生される各AC信号は、増幅器29−1.29−2. 29−3によって増幅され、積分器31−1.31−2.31−3によって積分 され、且つ制御論理33−1.33−2.33−3と関連して動作するプロセサ 39によってデジタル形態へ変換される。このようにして形成されたデジタルワ ードは、システム的に、サンプルセル13内において測定される三つのガス(本 例においては、coa 、Co、HC)の濃度に関連している。
本発明の好適実施例は、自動車のエンジンの排気ガスにおけるガスの相対的な存 在を検知するために使用される。特に興味のあるガスは炭化水素及び−酸化炭素 である。しかしながら、本発明はこのような特定のガスに関連する使用に制限さ れるべきものではなく、又自動車エンジンの排気ガスに関連しての使用に制限さ れるべきものではないことは当然である。従って、本発明のガス分析器は当業者 にとって明らかなその他の多くの使用態様を有するものである。
従来のガス分析器においては、赤外線源における温度変化及びフィルタ検知器組 立体における温度変化が分析器の精度に影響を与えるものであることが知られて いる。特に、各ガスチャンネルに対する検知器は温度に影響を受けるものである ことが判明している。従って、ガス分析器の周囲温度における変動は、検知器か らの出力において変動を発生させる場合があり、それはサンプルセル内の各予め 選択したガスの不正確な表示を与えることとなる。
前述した如く、米国特許第4,398.091号(PassarO)は、赤外線 源17及びフィルタ/検知器組立体24のヒータ60の温度が所望の温度に維持 されることを確保するためにそれらの温度を調節することを開示している。従っ て、ガス分析器の設定点を表わす出力信号を与えるために差動増幅器回路を使用 することは公知である6第1図のガス分析器10においては、設定点回路30は 、赤外線源17及びフィルタ/検知器組立体24のヒータ60からそれらの温度 を表わす信号を受取る。公知の如く、成分ガスの正確な測定を行うためには、こ れらの温度は所定の範囲内に維持されねばならない。又、ガス分析器の全体的な 精度にとって、ヒータの一つからの特定の温度の読みが常にプロセサに対して同 一の出力の読みを与えることが極めて重要である。従って、設定点回路30は、 これらの温度が一定の状態であることを確保するために設けられている。
従って、設定点回路30は、赤外線源21の温度を表わす信号を受取ると共に、 センサ150及び152からフィルタ/検知器ヒータの温度を表わす信号を受取 る。従って、設定点回路30は、それらを表わす信号を、アナログ−デジタル変 換器(A/D)35を介しライン160及び162を介してプロセサ39へ供給 する。
これらの信号の一つが設定点回路30内の基準信号と対応しない場合には、プロ セサ39はライン90上に信号を送り、該信号が基準信号と合致するようにヒー タ要素17aの温度又はヒータ60の温度をライン70及び72を介して調節す る。そのようにすることにより、成分ガスの爾後の正確な測定を行うことを可能 とする設定点が与えられる。
ガス分析器は、典型的に、設定点回路30のための差動増幅器を使用している。
該増幅器は、温度センサによって発生された信号を回路30内で発生された基準 信号と比較する。これらの回路はそれらの意図した目的のために効果的に動作す るものではあるが、それらは、しばしば、ガス分析器の全体的なコストにかなり の負担を加えるものである。
従来の設定点回路に関連する困難性をより良く説明するために、第2図を参照す る。第2図は、差動増幅器100のブロック図である。公知の如く、差動増幅器 は、二つの入力信号の間の差を増幅する回路である。理想的な差動増幅器におい ては、その出力信号は次式で与えられる。
■。= A a  (V + −V z )尚、A6は差動増幅器の利得である 。
従って、Vl及びV、が等しい場合には、差動出力信号■0は何らかの公称値で あることが理解される。しかしながら、実際的な差動増幅器は、上の式によって 記述されるものではない。なぜならば、一般的には、出力信号は、二つの信号の 差信号V6に依存するばかりでなく、共通モード信号VCと呼ばれる平均レベル 信号にも依存するからである。従って、ある状況下においては、該増幅器の出力 端上の信号は、入力信号■1及び■2が所謂共通モードエラーに起因して等しい ものであったとしても、公称電圧出力■。よりもかなり大きなものである。前述 した如く、共通モードエラーは、入力信号の電位が一体的に変化する場合に発生 し、公称値以外の出力電圧が供給される。
共通モード信号がもし可能なものであることを確保するために、差動増幅器に関 連する抵抗が適切にマツチされていることが極めて重要である。現在の集積回路 技術は、このような形態においてマツチした抵抗を使用することを可能とするも のではあるが、これらの抵抗は、一般的に、所謂精密型抵抗でなければならない 。
精密抵抗は標準的な抵抗よりもかなり高価なものであることは周知である。更に 詳細には、これらの抵抗は、ガス分析器にかなりの付加的な費用を付加させる。
ガス分析器の全体的なコストを低下させることが極めて重要であるので、精密抵 抗を除去することを可能とする改良は、ガス分析器の市場性を向上させることと なる0本明細書において精密抵抗という用語は、lOppM/’C以内の精度を 有する抵抗のことである。
第3図を参照すると、第1図のガス分析器1oにおいて使用することが可能な簡 単化した従来の設定点回路30aをブロック図で示しである。この実施例におい ては、スイッチ170又は172がライン90を介してプロセサからの適宜の信 号によって活性化される。活性化されると、各センサからの信号がVREFと比 較される。増幅器184の入力端180及び182における入力抵抗(不図示) は、共通モードエラーが存在しないことを確保するように精密なものとすべきで ある。集積回路技術は、これらの抵抗をマツチングさせることを可能とする。し かしながら、前述した如く、これらの抵抗をマツチさせる場合には、設定点回路 30aのコストは著しく増加される。
この実施例においては、差動増幅器184によってセンサ150又は152の一 方とV RtFとの比較により、A/D変換器35へDC出力信号が供給され、 それはこれらの信号の差を表わしている1次いで、A/D変換器35がその信号 をデジタル化して、その差を表わすデジタル信号をプロセサ39へ供給する。そ の差が許容可能な範囲内のものでない場合には、プロセサ39は、ライン70又 は72を介して信号を送り、特定のセンサ150又は152と関連するヒータを 調節する。赤外線源17又はヒータ60に対して適切な調節が行われることを確 保するために回路30aがある範囲の電圧に亘って安定であることが極めて重要 である。
設定点回路30aの出力端において与えられる共通モードエラー信号が存在する 場合には、プロセサ39は、ライン70又は72を介し、それに応答して赤外線 R17又はヒータ60を調節する。従って、この調節は、ガス分析器10による 成分ガスの爾後の測定において不正確性を発生することがある。従って、設定点 回路30aの安定性は、適切な設定点調節のために基準信号V*EFの安定性よ りも著しく大きなものでなければならない。
この問題を更に明確に説明するために、第4図を参照する。第4図は、第1図の ガス分析器10において使用される従来の設定点回路30aの実際的な具体例を 示した回路図である。第4図の設定点回路30aは、センサ150及び152を 介して、夫々、赤外ill源17(第1図)及びフィルタ/検知器ユニット24 の加熱要素60からの信号をモニタする。この設定点回路30aは、スイッチ1 02を有しており、その一端は、電圧供給源v3へ結合されており、且つその他 端は抵抗104の一端、センサ150の一端、及び抵抗106の一端へ直列的に 結合されている。この実施例における供給電圧は、典型的に、5vであり、回路 30aの出力端上に適切な電圧が表われることを可能とする。スイッチ102は 、ライン90″を介しての、プロセサ39からの信号によって開閉される。
抵抗106の他端は、抵抗138及びセンサ152へ結合されている。センサ1 50の他端は抵抗108の一端へ結合されている。抵抗108の他端は接地へ結 合されている。抵抗138及び138′も、夫々、スイッチ110及び110’ の一端へ結合されている。スイッチ110及び110’の他端は、共通結合され ており、且つオペアンプ(OPAMP)120の非反転入力端134へ結合され ている。スイッチ110及び110’は、ライン90及び90′を介して、プロ セサ39からの適宜の信号によって開閉される。
抵抗114は、その一端が接地へ結合されており、且つその他端は抵抗112へ 結合されている。
抵抗112は、オペアンプ120の反転入力端132へ結合されている。抵抗1 18は、入力端132と出力端136との間において、オペアンプ120とフィ ードバック関係で結合されている。オペアンプ120の出力端136はスイッチ 130の一端へ結合されている。スイッチ130の他端は抵抗128へ結合され ている。スイッチ130は、ライン90′″を介して、プロセサ39からの適宜 の信号によって開閉される。
抵抗128は、オペアンプ(OP  AMP)124の反転入力端140へ結合 されている。基準電圧V FIEFは、オペアンプ124の非反転入力端126 へ供給される。ガス分析器においては、V)IEFは。
典型的に、2.5Vであり、且つ0,4%以内の精度での安定な電圧を供給する 。
コンデンサ122が、入力端140と出力端142との間においてオペアンプ1 24とフィードバック関係で結合されている。オペアンプ124の出力端142 は、抵抗116の一端へ結合されている。
抵抗116の他端はオペアンプ120の入力端134へ結合されている。
スイッチ102,110,110’ 、130は。
種々のタイプのものとすることが可能である。典型的なガス分析器においては、 これらのスイッチは電界効果トランジスタ(FET)である、これらのスイッチ は、プロセサ39の制御下で動作し、ライン90.90’ 、90″、90”を 介して、回路30aの異なったモードの動作を与える。
設定点回路30aは二つのモード、即ちキャリブレーション(較正)モードと動 作モードとを有している。キャリブレーションモードにおいては、スイッチ13 0が閉成され且つスイッチ102及びスイッチ11O′が開成される。そのよう にすることにより、閉ループが確立され、その顕著なエラ一点はオペアンプ12 0の出力端136である。オペアンプ120の二つの入力端132及び134は この点において接地される。
オペアンプ120の出力端136における信号は、抵抗128を介して供給され 、該抵抗を介しての電流が停止する迄、コンデンサ12Bを横断しての電圧を変 化させる。フィードバック接続型コンデンサを具備するオペアンプ124は、積 分器として動作し、オペアンプ120のオフセット電圧を除去する。従って、該 オペアンプの出力は、このキャリブレーションステップを介して、究極的に何ら かの公称電圧に到達する。この出力電圧は、A/D変換器35(第1図)へ供給 される6次いで、デジタル化された信号がプロセサ39へ供給される。このデジ タル化された信号は、該公称電圧(典型的には、2.5V)を表わす。
動作モードにおいては、スイッチ130が開成され且つスイッチ102が閉成さ れ、且つスイッチ110が閉成され、且つスイッチ110′が開成される。供給 電圧■、が、抵抗106と、抵抗回路網104及び136と関連するセンサ15 2とから構成されるブリッジ回路へ供給される。抵抗118を介して印加される オフセット電圧は、コンデンサ122によって一定電圧に維持される。従って、 オペアンプ120の出力は、抵抗104及び114の結合体と抵抗106及びセ ンサ152の結合体との間の変動の測定値である。
オペアンプ120の出力端上に公称電圧が存在すると、ガス分析器10(第1図 )の通常の動作が開始される。しかしながら、オペアンプ120の出力端上に何 らかのそれ以外の電圧が存在する場合には、その公称電圧が得られる迄、プロセ サはセンサ152と関連するヒータを調節する。この動作プロセスは、スイッチ 110′の活性化とスイッチl】0の不活性化によって他のセンサ150の測定 のために繰返し行うことが可能である。
回路30aはその意図した目的のために効果的に動作するものではあるが、この 構成における問題は、基準レベルにおいて相殺されない共通モードエラーが存在 していることである。このことが意味することは、全ての抵抗が回路30aの能 力と相互作用を行って設定点からのそれの正確な値を測定することである。従っ て、センサ電圧が基準電圧から変動しない場合であっても、精密でない場合には 、これらの抵抗が回路30aの出力端上に誤った電圧を発生する場合がある。従 って、不正確な信号がプロセサ39へ供給されることとなる。従って、プロセサ 39は関連するヒータを調節し、その際にガス分析器の精度に悪影響を与えるこ ととなる。
特に、設定点調節が正確なものであることを確保するために、抵抗138、抵抗 106及び抵抗152と共にスイッチ110の抵抗の比及び抵抗104及び13 6と共に抵抗112の比がマツチせねばならない。従って、これらの抵抗の全て は、精密抵抗でなければならない、更に、抵抗116を介してのオフセット電流 は、しばしば、抵抗138′及び138を介して異なったオフセット電流を発生 し、従ってそれらも精密抵抗であることが必要とされる。
これらのことは、上述した抵抗が設定点安定条件よりもより顕著に安定なもので なければならないことを必要とする。精密抵抗は、標準的な抵抗よりも著しく高 価なものである6例えば、設定点回路30aにおいて使用される典型的な精密抵 抗は約7ドルするが、標準的な抵抗は約0.04ドルであるにすぎない。
従って、精密抵抗を使用することは、ガス分析器において回路30aを使用する ことの実現性を阻止する程度の影響を与える費用増加を伴うものである。より廉 価で且つより信頼性のあるガス分析器に対する要望が高まると共に、可能である 限りガス分析器の種々の構成部品を減少する必要性も存在している。
従って、設定点回路30aはその意図した目的のために効果的に動作するもので はあるが、上述した如き欠点を解消するガス分析器用の設定点制御回路が必要と されている。
第5図を参照すると、本発明に基づいて構成された安定な設定点制御回路30b がブロック図で示されている。そこに図示されているものは、増幅器192であ り、それは第一基準電圧入力端へ結合されており、スイッチ190によってプロ セサ39の動作を介してセンサ150又はセンサ152の何れかへ選択的にスイ ッチされる。プロセサ39によって該センサ入力端の一方と基準入力端との間で の増幅器192の選択的なスイッチングによって、該信号の測定は、従来の回路 30aにおいて示した如(、直接的な比較測定によるのではなく1時間をベース とした測定となる。そのようにすることにより、設定点回路30bは、ガス分析 器10の著しく廉価な部分となる。
本発明は、A/D変換器35によって変換されるべきVREFを供給する。A/ D変換器35は、基準入力を表わす第−DC信号をプロセサ39へ供給する。そ の後に、該増幅器は、該センサの一方(150又は152)ヘスイッチされ、且 つ、その後に、A/D変換器35へ供給される。次いで、そのセンサ信号を表わ す第二〇C信号がプロセサ39へ供給される。センサ入力及び基準信号を表わす これらの第−及び第二DC信号は、プロセサ39内において比較される。これら 二つの信号の間に差がある場合には、プロセサ39は、ライン70又は72を介 して、七のセンサ(150又は〕52)と関連するヒータを調節し、そのセンサ 信号をV *EFと対応するようにさせる。
この構成により、センサ信号と基準信号との間の差の大きさは、制御性能にとっ て比較的影響のないようにされ、即ち第3図及び第4図の従来の構成とは異なり 、10%の推定ズレエラーは最終的な設定点精度に影響を与えることはない5重 要な特徴は、増幅器192が、スイッチ190によってV +ttrとセンサと の間でスイッチされる場合に、均等な出力をプロセサ39へ供給するということ である。従って、プロセサ39は、その中での比較に応答して、その後に、プロ セサ39へ供給される出力信号が増幅器192へ結合される場合に■■rによっ て与えられる出力信号と同一となる迄、そのセンサと関連するヒータを調節する 。従って、夫々のエラー信号の正確な利得は重要ではないので、増幅器192に おいては精密抵抗は必要とはされない。このように精密抵抗を除去することは、 設定点回路30bのコストを著しく低下させるばかりか、ガス分析器10の全体 的なコストを低下させることを表わしている。
本発明を更に詳細に説明するために、第6図を参照する。第6図は1本発明の設 定点回路30bの一実施例を示した回路図である。設定点回路30bは、スイッ チ110及び110′を有しており、それらは、第3図の回路と同様に、センサ 150及び152を、夫々、該回路の残存部分へ接続している。スイッチ110 は、オペアンプ(OP  AMP)220の非反転入力端250へ結合されてい る。オペアンプ220の反転入力端252は、フィードバック関係で抵抗218 と結合されており、更に抵抗214及び216とも結合されている。オペアンプ 220の出力端236はスイッチ230へ結合されている。スイッチ230は抵 抗228へ結合されており、抵抗228はオペアンプ(OP  AMP)224 の反転入力端240へ結合されている。
コンデンサ222が、反転入力端240と出力端242との間においてオペアン プ224とフィードバック関係で結合されている。オペアンプ224の非反転入 力端226は基準電圧V IIEFへ結合されており、且つ更にオペアンプ26 0の非反転入力端256へ結合されている。第4図に関して説明した如く、■□ 、は、2.5■の安定電圧とすることが可能であり、それは0.4%の精度を有 するものとすることが可能である。V 、E、は、抵抗214の他端へ結合され ている。オペアンプ224の出力端242には抵抗232が結合されており、抵 抗232はオペアンプ(OP  AMP)260の反転入力端258へ結合され ている。抵抗234が、入力端258と出力端262との間においてオペアンプ 260とフィードバック関係で結合されている。オペアンプ262の出力端26 2は、抵抗216の一端へ結合されている。
この回路30bは、制御センサ150及び152をモニタし、且つ夫々の入力信 号に従ってヒータを調節する。オペアンプ220,224,260及び抵抗21 4,216,218,234,232,228及びコンデンサ222を有する増 幅器回路は、第5図の増幅器192を表わしている。プロセサ39は、制御ライ ン70及び72を介して、センサ150及び152の何れかと基準電圧■□、と によって発生される信号の間の差を除去する。
本発明は、以下の如き態様で動作する。キャリブレーションモードにおいては、 スイッチ110及び110′が開成され且つスイッチ102が閉成され且つスイ ッチ230が閉成される。従って、閉ループが確立され、その顕著なエラ一点は オペアンプ220の出力端である。信号が抵抗228を介して供給されて、電流 が停止する迄、コンデンサ222における電圧を変化させる。この時に、オペア ンプ220の出力は、オペアンプ224において供給される基準電圧V□、′− オフセット電圧と等しい、その出力はオペアンプ220の出力端236において 読取られ、且つこの値は設定点として確立される。
動作モードにおいては、スイッチ230が開成され且つスイッチ102が開成さ れる。従って、スイッチ110が閉成される。従って、センサ150の出力はス イッチ120が閉成された場合に受取られる電圧、即ち本実施例においては基準 電圧V□。
と比較される。従って、センサ150の電圧変動は、スイッチ110及び102 の間で制御回路30aをスイッチングさせることにより、同期的に基準電圧と比 較することが可能である。同様に、センサ152と基準電圧との間の変動は、ス イッチ110′と102との間で制御回路30bをスイッチングさせることによ り、同期的に比較させることが可能である。
本実施例においては、この変動の正確なスケールファクタは、比較的に重要性の ないものであり、従って使用される抵抗の全ては標準的な抵抗とすることが可能 である0両方の信号(基準及びセンサ)が増幅器回路を介して供給されるので、 それらの出力をプロセサ39によって比較することが可能である、従って、出力 信号の値乃至は大きさは重要ではない。重要なことは、基準信号及びセンサ信号 が互いに対応しており且つV口Fが安定な電圧であるということである。
センサと該基準電圧との間で増幅器回路をスイッチングさせ次いでプロセサ39 内でそれらの信号を比較することにより、設定点回路30bは、第4図の従来回 路30aよりも著しく廉価なものとなる。
プロセサ39と関連してこの設定点回j!830bを使用することにより、精密 抵抗は必要ではなくなり、従って従来のものと比較して著しく廉価なガス分析器 が提供される。
以上、本発明の好適実施例について説明したが、本発明の技術的範囲を逸脱する ことなしに当業者が種々の変形及び変更を行うことが可能であることは明らかで ある。
特に、本発明において説明したプロセサは、多様なその他のタイプの装置とする ことが可能である。
更に詳細には、基準電圧とセンサとの間で設定点制御回路のスイッチングを行う ためにディスクリートな論理回路を使用することも可能である。又、多くのタイ プの安定な基準電圧発生器が公知であり、本発明に基づいて使用することが可能 なものである。
更に1本発明の図示した実施例においては二つのセンサが使用されるものである が、任意の数のセンサを使用することが可能であることは明らかである。最後に 、設定点実施例を与えるために使用したパラメータは温度であるが、例えば圧力 、温度等のようなその他のパラメータを使用してガス分析器用の設定点を与える ことも可能である。
従って、本発明を特定の図示例に基づいて説明したが、本発明の原理は当業者に よって広範な修正を行うことが可能なものである。従って1本発明は以下の請求 の範囲によってのみ制限されるものである。
国際調査報告

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.ガス分析器用の安定な設定点を与える回路において、基準信号を発生する手 段が設けられており、センス信号を発生するセンサが設けられており、前記セン ス信号は前記ガス分析器のパラメータに依存するものであり、設定点回路が設け られており、前記設定点回路は、入力端及び出力端を具備するスイッチ手段を有 しており、前記スイッチ手段の前記入力端は前記基準信号発生手段と前記センサ とに交互に結合されるべく適合されており、且つ前記基準信号手段と前記センサ との間で前記増幅器の前記入力端へ交互に結合させるために前記スイッチ手段を 選択的に制御し且つ前記信号を受取るべく前記スイッチ手段の前記出力端へ結合 されているプロセサ手段を有しており、前記プロセサ手段は、更に、前記基準信 号と前記センス信号とを比較し、前記プロセサ手段は前記基準信号と前記センス 信号との比較に応答し且つ前記センス信号が前記基準信号に対応して前記ガス分 析器に対する安定な設定点を与える迄前記パラメータを制御することを特徴とす る回路。
  2. 2.請求の範囲第1項において、前記スイッチ手段が、更に、入力端と出力端と を持った増幅器を有しており、前記増幅器の前記入力端は、それに結合された場 合に前記出力端上に前記基準信号手段を表わす信号を与え且つそれに結合された 場合に前記出力端上に前記センサを表わす信号を供給するために前記基準信号手 段と前記センサとに選択的に結合されるべく適合されていることを特徴とする回 路。
  3. 3.請求の範囲第2項において、更に、前足増幅器に結合されており前記基準信 号及び前記センス信号を第一及び第二デジタル信号へ変換する手段が設けられて おり、前記プロセサ手段は、前記第一及び第二デジタル信号を比較し且つ、前記 第二デジタル信号が前記第一デジタル信号に対応する迄、前記パラメータを制御 することを特徴とする回路。
  4. 4.請求の範囲第3項において、前記設定点回路が、更に、前記センサへ結合す べく適合されている第一スイッチを有しており、反転及び非反転入力端と出力端 とを持った第一オペアンプを有しており、前記第一オペアンプの前記非反転入力 端が前記第一スイッチへ結合されており、前記第一オペアンプの前記出力端へ結 合されている第二スイッチを有しており、前記第一オペアンプ手段によって与え られるオフセット電圧を除去するための第一及び第二入力端と出力端とを具備す る積分器を有しており、前記積分器手段の前記第一入力端は前記第二スイッチへ 結合されており、前記積分器手段の前記第二入力端は前記基準電圧発生手段へ結 合されており、且つ反転及び非反転入力端と出力端とを持った第二オペアンプを 有しており、前記オペアンプの前記反転入力端は前記積分器の前記出力端へ結合 されており、前記第二オペアンプの前記反転入力端は前記基準電圧発生手段へ結 合されており、前記第二オペアンプの前記出力端は前記第一オペアンプの前記反 転入力端へ結合されていることを特徴と回路。
  5. 5.請求の範囲第4項において、前記第1オペアンプは、更に、前記第一オペア ンプの前記反転入力端と前記出力端との間においてフィードバック関係で結合さ れている第一抵抗を有することを特徴とする回路。
  6. 6.請求の範囲第5項において、前記第二オペアンプは、更に、前記第二オペア ンプの前記反転入力端と前記出力端との間においてフィードバック関係で結合さ れている抵抗を有することを特徴とする回路。
  7. 7.請求の範囲第6項において、前記積分器手段が、反転及び非反転入力端と出 力端とを具備するオペアンプを有すると共に前記反転入力端と前記出力端との間 に結合されているコンデンサを有することを特徴とする回路。
  8. 8.請求の範囲第7項において、更に、前記第二スイッチと前記積分器手段の前 記反転入力端との間に結合して抵抗が設けられていることを特徴とする回路。
  9. 9.請求の範囲第8項において、更に、前記積分器の前記出力端と前記第二オペ アンプの前記反転入力端との間に結合して抵抗が設けられていることを特徴とす る回路。
  10. 10.請求の範囲第9項において、更に、前記第ニオベアンプの前記反転入力端 と前記第一オペアンプの前記反転入力端との間に結合して抵抗が設けられている ことを特徴とする回路。
  11. 11.請求の範囲第10項において、前記第一及び第二スイッチの各々が電界効 果トランジスタを有することを特徴とする回路。
  12. 12.請求の範囲第11項において、前記プロセサ手段がマイクロプロセサを有 することを特徴とする回路。
  13. 13.請求の範囲第12項において、前記パラメータが温度であることを特徴と する回路。
  14. 14.請求の範囲第13項において、前記変換手段がアナログーデジタル変換器 を有することを特徴とする回路。
  15. 15.ガス分析器用の安定な設定点を与える方法において、(a)基準信号を発 生し、(b)前記基準信号を最終的デジタル信号へ変換し、(c)前記第一デジ タル信号をプロセサへ送給し、(d)前記ガス分析器のパラメータに依存する信 号を発生し、(e)前記パラメータ信号を第二デジタル信号へ変換し、(f)前 記第二デジタル信号を前記プロセサへ送給し、(g)前記第二デジタル信号と前 記第一デジタル信号とを前記プロセサ内で比較し、(h)前記第一及び第二デジ タル信号の前記比較に応答して前記パラメータを制御する、上記各ステップを有 することを特徴とする方法。
  16. 16.請求の範囲第15項において、前記パラメータが温度であることを特徴と する方法。
  17. 17.所定のガスの存在に対して分析されるべき第一サンブルガス混合物を収容 するサンブルセルが設けられており、前記サンブルセルを介して赤外線エネルギ を指向させる手段が設けられており、前記赤外線エネルギの振幅を変調する手段 が設けられており、前記所定のガスの特性波長において前記サンブルセルを介し て通過する赤外線エネルギを検知し且つそれを表わす出力信号を発生する手段が 設けられており、前記検知手段を所定の温度へ加熱する手段が設けられており、 且つ前記指向手段及び前記加熱手段に応答しガス分析器用の安定な設定点を与え る手段が設けられているガス分析器において、前記安定な設定点手段が、基準信 号を発生する手段を有しており、センス信号を発生するセンサを有しており、前 記センス信号は前記所定温度に依存するものであり、設定点回路を有しており、 前記設定点回路が、入力端と出力端とを持った増幅器を有しており、前記増幅器 の前記入力端は前記基準信号手段及び前記増幅器のセンサへ選択的に結合すべく 適合されていてそれと結合された場合に前記出力端上に前記基準信号手段を表わ す信号を供給し且つそれと結合された場合に前記出力端上に前記センサを表わす 信号を供給し、且つ入力端と出力端とを具備するスイッチ手段を有しており、前 記スイッチ手段の前記入力端は前記基準信号発生手段と前記センサとに交互に結 合されるべく適合されており且つ前記スイッチ手段の前記出力端は前記増幅器の 前記入力端へ結合され、前記増幅器の前記出力端へ結合されており前記基準信号 及び前記センス信号を第一及び第二デジタル信号へ変換する手段を有しており、 且つ前記第一及び第二デジタル信号を供給するために前記基準信号手段と前記セ ンサとの間において前記増幅器の前記入力端を交互に結合させるために前記スイ ッチ手段を選択的に制御するプロセサ手段を有しており、前記プロセサ手段は更 に前記第一及び第二デジタル信号を比較し、その際に、前記プロセサ手段は前記 第一及び第二デジタル信号の比較に応答して、前記ガス分析器の安定な設定点を 与えるために前記第二デジタル信号が前記第一デジタル信号に対応する迄、前記 加熱手段を調節することを特徴とするガス分析器。
  18. 18.請求の範囲第17項において、前記設定点回路が、更に、前記センサへ結 合されるべく適合されている第一スイッチを有しており、反転及び非反転入力端 と出力端とを持った第一オペアンプを有しており、前記第一オペアンプの前記非 反転入力端は前記第一スイッチへ結合されており、前記第一オペアンプの前記出 力端へ結合される第二スイッチを有しており、前記第一オペアンプ手段によって 与えられるオフセット電圧を除去するために第一及び第二入力端と出力端とを具 備する積分器を有しており、前記積分器手段の前記第一入力端は前記第二スイッ チへ結合されており、前記積分器手段の前記第二入力端は前記基準電圧発生手段 へ結合されており、且つ反転及び非反転入力端と出力端とを持った第二オペアン プ手段を有しており、前記第二オペアンプ手段の前記反転入力端は前記積分器の 前記出力端へ結合されており、前記第二オペアンプの前記第二入力端は前記基準 電圧発生手段へ結合されており、前記第二オペアンプの前記出力端は前記第一オ ペアンプの前記反転入力端へ結合されていることを特徴とするガス分析器。
  19. 19.請求の範囲第18項において、前記第一オペアンプは、更に、前記第一オ ペアンプ手段の前記反転入力端と前記出力端との間にフィードバック関係で結合 されている第一抵抗を有することを特徴とするガス分析器。
  20. 20.請求の範囲第19項において、前記第二オペアンプが、更に、前記第二オ ペアンプの前記反転入力端と前記出力端との間にフィードバック関係で結合され ている抵抗を有することを特徴とするガス分析器。
  21. 21.請求の範囲第20項において、前記積分器手段が、反転及び非反転入力端 と出力端とを具備するオペアンプを有しており、且つ前記反転入力端と前記出力 端との間に綜合されているコンデンサを有することを特徴とするガス分析器。
  22. 22.請求の範囲第21項において、前記安定な設定点手段が、更に、前記第二 スイッチと前記積分器手段の前記反転入力端との間に結合されている抵抗を有す ることを特徴とするガス分析器。
  23. 23.請求の範囲第22項において、前記安定な設定点手段が、更に、前記積分 器の前記出力端と前記第二オペアンプの前記反転入力端との間に結合されている 抵抗を有することを特徴とするガス分析器。
  24. 24.請求の範囲第23項において、前記安定な設定点手段が、更に、前記第二 オペアンプの前記非反転入力端と前記第一オペアンプの前記反転入力端との間に 結合されている抵抗を有することを特徴とするガス分析器。
  25. 25.請求の範囲第24項において、前記安定な設定点手段が、更に、前記第二 オペアンプの前記出力端と前記第一オペアンプの前記非反転入力端との間に結合 して抵抗を有することを特徴とするガス分析器。
  26. 26.請求の範囲第25項において、前記第一及び第二スイッチの各々が電界効 果トランジスタを有することを特徴とするガス分析器。
  27. 27.請求の範囲第26項において、前記プロセサ手段がマイクロプロセサを有 することを特徴とするガス分析器。
  28. 28.請求の範囲第26項において、前記パラメータが温度であることを特徴と するガス分析器。
  29. 29.請求の範囲第28項において、前記変換手段がアナログーデジタル変換器 を有することを特徴とするガス分析器。
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