JPH0577759U - ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガスセンサの信号を高分解能のＡＤコンバー
タを用いず、高い分解能でＡＤ変換する。 【構成】 ガスセンサ信号ＶRLと基準信号ＶREFとの差
を差動増幅し、ＡＤ変換する。基準信号ＶREFは、セン
サ信号ＶRLから所定の範囲内にあるように追随させ、基
準信号ＶREFとＡＤ変換した信号とから、センサ信号ＶR
Lをデジタルで復元する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の利用分野】

この考案はガス検出装置に関し、特にガスセンサからの小さな信号を、高分解 能でＡＤ変換するようにしたガス検出装置に関する。

【０００２】

【従来技術】

ガスセンサの信号をＡＤ変換し、マイクロコンピュータで処理するようにした ガス検出装置は周知である。このようなガス検出装置は、パターン認識の発展と ともに、微量ガスの検出、特に空調や匂いの検出の分野で用いられている。

【０００３】 マイクロコンピュータにはローエンド版の４ビット・１チップマイクロコンピ ュータが主として用いられ、ＡＤコンバータはマイクロコンピュータに内蔵の分 解能８ビットのものが主として用いられる。

【０００４】 しかしながら微量のガスを検出する場合、ガスセンサの信号は小さく、例えば ８ビットでＡＤ変換すると、２〜３デジットの信号しか得られないことがある。 ここでいう２〜３デジットは検出対象のガスによるガスセンサ信号の振幅で、信 号の最大値である。

【０００５】 １デジットの信号では意味がなく、検出には少なくとも２デジットの信号が必 要である。振幅が２〜３デジットの信号に対し、２デジットの信号が生じてから ガスを検出すると、ガスセンサ信号が最大値に達してから検出を行うことになる 。これではリアルタイムで、速やかな検出を必要とする、空調の制御には不適当 である。また空調の制御以外の用途でも、ＡＤコンバータの分解能が不足するこ とは正確な検出を困難にしている。

【０００６】 ８ビットのＡＤコンバータに替え、例えば１０ビットのＡＤコンバータを用い れば分解能の問題を解決することができる。１０ビットのＡＤコンバータが、例 えば自動車エンジンの制御に用いられる、１６ビット・１チップマイクロコンピ ュータに内蔵されているが、このような１チップマイクロコンピュータは極めて 高価である。仮にＡＤコンバータをマイクロコンピュータとは別付けにする場合 でも、１０ビットや１２ビットのＡＤコンバータは極めて高価である。

【０００７】 ガスセンサ信号のＡＤ変換の分解能不足を補うため、例えば抵抗型のガスセン サの場合、ガスセンサに接続する負荷抵抗の値を順次切り替えることが提案され ている。例えば検出電圧が５Ｖの場合、負荷抵抗に加わる電圧をセンサ抵抗の変 化が最も大きく現れる２.５Ｖ程度に置くように、負荷抵抗を切り替えるのであ る。しかしこの手法で得られる、分解能の向上は大きくはない。例えばセンサ抵 抗と負荷抵抗との抵抗値の比が９：１で、負荷抵抗に５００ｍＶの出力が現れて いるとする。ここでセンサ抵抗と負荷抵抗との比を１：１とすると、出力は２５ ００ｍＶとなる。これらの場合において、センサ抵抗が１０％変化したとする。 すると元のセンサ出力が５００ｍＶの場合に、負荷抵抗への出力の変化は４１. ３ｍＶとなる。一方元のセンサ出力が２５００ｍＶの場合、出力の変化は１１９ ｍＶとなる。負荷抵抗を切り替えることによる分解能の向上は、約２.９倍にす ぎない。

【０００８】

【考案の課題】

この考案の課題は、小さなガスセンサの信号を、高分解能のＡＤ変換回路を用 いずに高分解能でＡＤ変換し、正確にガスを検出できるようにすることにある。

【０００９】

【考案の構成】

この考案のガス検出装置は、ガスセンサ信号をＡＤコンバータでＡＤ変換して 、マイクロコンピュータで処理するようにしたガス検出装置において、 基準信号を発生させるための手段と、 基準信号をＤＡ変換するための手段と、 ＤＡ変換した基準信号とガスセンサ信号との差を増幅するための、差動増幅回 路を設けると共に、 前記のＡＤコンバータは、差動増幅回路からの出力をＡＤ変換するものとし、 かつガスセンサ信号と基準信号との差が、所定の範囲から外れた際に、基準信 号を修正し、ガスセンサ信号と基準信号との差を所定の範囲内に保つようにする ための手段、とを設けたことを特徴とする。基準信号の修正は、例えば差動増幅 器の出力をＡＤ変換した値が所定の範囲から外れた際に行えば良い。

【００１０】

【考案の作用】

この考案では、ＡＤ変換したガスセンサ信号を基に基準信号を発生させ、これ をＤＡ変換して、差動増幅回路でガスセンサ信号とＤＡ変換した基準信号との差 を差動増幅する。そして差動増幅回路の出力をＡＤコンバータでＡＤ変換し、マ イクロコンピュータで処理する。

【００１１】 このようにすればガスセンサ信号と基準信号との差を増幅して、ＡＤ変換する ことになるので、ＡＤコンバータの分解能が実質的に著しく増加する。次にガス センサ信号と基準信号との差を、例えばＡＤコンバータの出力でモニターし、こ れが所定の範囲から外れた際に基準信号を修正すれば良い。

【００１２】 マイクロコンピュータの内部で、ガスセンサ信号の１階微分や２階微分等の処 理を施す場合には、ガスセンサ信号の相対値が重要であり、ＡＤ変換した信号を そのまま用いれば良い。これに対してガスセンサ信号の絶対値が重要な場合、Ａ Ｄ変換した信号に、基準信号をデジタル加算した信号が、高分解能でのガスセン サ信号のＡＤ変換値となる。そこでこの信号を用いて、ガスを検出する。

【００１３】

【実施例】

図１〜図３により、自動車の外気導入制御装置を例に実施例を説明する。図１ において、１はＷＯ3等の金属酸化物半導体を用いたガスセンサで、ＲLはその負 荷抵抗、ＲHはヒータである。ガスセンサ１にはこれ以外に、鉛フタロシアニン 等のＮＯｘセンサやＳｎＯ2等の可燃性ガスセンサ、あるいはプロトン導電体等 の起電力型ガスセンサを用いてもよい。また自動車の外気導入制御以外に、匂い の検出やオゾンの検出、室内用空気清浄機の制御、発酵工業でのアルコールの検 出、等に用いても良い。負荷抵抗ＲLへの出力ＶRLを、センサ信号とする。

【００１４】 ２は定電圧電源で、ガスセンサ１の駆動用の５Ｖ等の検出電源ＶCと、７Ｖ等 の付帯回路の駆動用の電源ＶDDの２つの出力を発する。３は電源である。４はバ ッファー用の演算増幅器で、高抵抗（例えば１〜３ＭΩ）の負荷抵抗ＲLから、 センサ信号ＶRLを取り出すために用いる。５は差動増幅器、６は演算増幅器であ る。

【００１５】 ７はマイクロコンピュータで、８は８ビットの基準信号ＶREFの発生回路、９ は分解能８ビットのＡＤコンバータ、１０は１２ビットのメモリー、１１は２階 微分を行うためのデジタル２階微分回路で、ガスセンサ信号のエッジを検出する ためのエッジフィルターである。１２はタイマー、１３は演算論理回路である。 マイクロコンピュータ７の出力は駆動回路１４に接続し、その出力で負荷１５、 例えば自動車の外気導入制御装置のダンパー、を制御する。

【００１６】 １６は８ビットのスイッチ網、１７は８ビットのＲ−２Ｒ抵抗ラダー回路であ り、基準信号発生回路８の８ビットデジタル信号でスイッチ網１６を駆動し、Ｒ −２Ｒ抵抗ラダー回路１７と演算増幅器６で、分解能８ビットのアナログ出力に 変換する。結局これは基準信号ＶREFを８ビットでＤＡ変換することに等しく、 ＤＡ変換の精度は８ビットの他に６ビットや４ビット等でも良い。

【００１７】 図２，図３により実施例の動作を説明する。図３に、実車走行時のガスセンサ 信号の動作波形を示す。図に○のマークを付した領域が、ディーゼル車からのＮ Ｏｘに対する応答波形である。ディーゼル車からのＮＯｘに対するガスセンサ信 号の特徴はエッジが生じる点にあり、マイクロコンピュータ７内にエッジ検出を 行うための２階微分回路１１を設けて、ディーゼル車からの排ガスによるＮＯｘ を検出する。しかし図３から明らかなように、ＮＯｘに対するセンサ信号は小さ く、単純に８ビットでＡＤ変換すると、通常は２〜３デジットしかない。２〜３ デジットの信号の内、１デジットではノイズやＡＤ変換の量子化誤差との区別が つかず、ＮＯｘを検出することができない。そこで２デジット目で検出を行うこ ととすると、ＮＯｘによる外気の汚染が最大となった時に、検出を行うことにな る。これでは車外の悪臭が車室に導入された後に検出を行うことになり、実用上 意味が無い。

【００１８】 実施例では、図２のアルゴリズムで検出を行う。負荷抵抗ＲLに現れるガスセ ンサ信号ＶRLをバッファー用の演算増幅器４で取り出し、差動増幅器５で基準信 号ＶREFとの差を例えば１６倍に差動増幅する。次にこれをＡＤコンバータ９で 、例えば８ビットにＡＤ変換する。ＡＤ変換した信号は、例えば１２ビットのメ モリー１０に入力し、ＡＤコンバータ９の出力をその下位８ビットとする。そし て基準信号発生回路８に記憶させた基準信号ＶREFを、１２ビットのメモリー１ ０の上位８ビットとしてデジタル加算する。このようにすればメモリー１０には 、１２ビットの分解能でガスセンサ信号ＶRLをＡＤ変換した値を、記憶すること ができる。

【００１９】 実施例では、ディーゼル車等からのＮＯｘによる外気の汚染を検出して、車室 内への外気の導入をオンオフする。このための信号処理は２階微分回路１１での エッジ検出にあり、ガスセンサ信号ＶRLの絶対値自体は重要ではない。このため ２階微分回路１１で必要なのはＡＤコンバータ９の信号であり、基準信号発生回 路８から上位の８ビットのデータを加えてＶRLに復元する必要はない。即ちＡＤ コンバータ９で８ビットにＡＤ変換したデータをそのままメモリー１０に記憶さ せ、２階微分回路１１でこの８ビット信号に対して２階微分を施せば良い。また ２階微分のために、実施例では例えば１秒毎にサンプリングしたセンサ信号を５ 点にわたって用いて２階微分を行う。このためにメモリー１０には、５点のＡＤ 変換したセンサ信号を記憶させ、１秒毎にこれをサイクリックに入れ替える。

【００２０】 デジタル２階微分回路１１では、例えばＶ0，Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4（ここにＶ0 〜Ｖ4はＡＤ変換したセンサ信号の列を現し、最も古いデータがＶ0、最も新しい データがＶ4となる。）を用い、例えば（Ｖ0−２Ｖ1＋２Ｖ2−２Ｖ3＋Ｖ4）等に より２階微分を行う。ここでは４秒間でのセンサ信号の列Ｖ0〜Ｖ4を用いデジタ ル２階微分を行ったが、デジタル２階微分に用いるセンサ信号の時間幅や各点の 信号に対する重み係数（実施例では（１，−２，２，−２，１））等は任意であ る。

【００２１】 図３のエッジでデジタル２階微分信号は０から急激に変化し、これからＮＯｘ を検出して、１分間外気の導入を遮断する。ここで１分間としたのは、通常は１ 分程度でディーゼル車との車間距離が開き、外気が清浄に戻るからである。１回 当りの外気の導入の遮断時間や、外気導入の遮断の終了条件等は任意である。例 えば外気汚染検出時のセンサ信号（Ｖ0）を記憶し、センサ信号とＶ0との差が所 定の範囲に回復したことから、外気の導入を再開しても良い。

【００２２】 基準信号ＶREFは、絶えずガスセンサ信号ＶRLから所定の範囲にあるようにす る。そしてこの範囲がガスセンサ信号ＶRLをＡＤ変換する際のダイナミックレン ジを定め、実施例ではＶRLとＶREFとの差を増幅前の値で例えば７８.１２ｍＶと ２３４.３８ｍＶとの間に保つようにする。これは差動増幅回路５で１６倍に差 動増幅した後、ＡＤコンバータ９で８ビットＡＤ変換すると、６４〜１９２デジ ットとなる。そこでＡＤコンバータ９の出力がこの範囲から外れた際に、基準信 号発生回路８に記憶させた基準信号ＶREFを変更し、ＡＤコンバータ９の出力が この範囲に収まるようにする。具体的には、リセット時に適当な基準信号ＶREF を発生させ、これが所定の範囲から外れると基準信号ＶREFを修正し、以後はガ スセンサ信号ＶRLの変化に追随して基準信号ＶREFを修正する。即ち実施例で行 うのは、ガスセンサ信号ＶRLと基準信号ＶREFとの差が、所定の範囲から外れな いように、基準信号ＶREFをフィードバック制御することである。

【００２３】 基準信号発生回路８には、例えば８ビットのデジタル出力ＶREFを記憶して発 生させ、この信号でスイッチ網１６を制御する。そしてスイッチ網１６の信号に よりＲ−２Ｒ抵抗ラダー回路１７を駆動し、演算増幅器６で基準信号ＶREFを８ ビットにＤＡ変換した信号を取り出す。そしてこれをアナログ基準信号として差 動増幅器５に入力する。この操作は基準信号ＶREFをＤＡ変換し、差動増幅器５ の比較電位側に入力することに等しい。

【００２４】 なお実施例ではマイクロコンピュータ７内で基準信号ＶREFを発生させたが、 例えば積分回路でガスセンサ信号ＶRLのボトムを求めてこれを基準信号ＶREFと し、ＶRLとＶREFの差を増幅してＡＤ変換しても良い。この場合には、積分回路 の出力ＶREFを別にＡＤ変換し、ＶREFとの差とのＡＤ変換値にデジタル加算すれ ば、元のＶRLをデジタル信号として復元できる。

【００２５】

【考案の効果】

この考案では、小さなガスセンサの信号でも、高分解能のＡＤ変換回路を用い ずに、高分解能でＡＤ変換でき、正確にガスを検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例のガス検出装置の回路図

【図２】 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

【図３】 実車走行時のガスセンサ出力を示す特性図

【符号の説明】

１ ガスセンサ ＲH ヒータ ＲL 負荷抵抗 ２ 定電圧電源 ３ 電源 ４ バッファー用の演算増幅器 ５ 差動増幅器 ６ 演算増幅器 ７ マイクロコンピュータ ８ 基準信号発生回路 ９ ＡＤ変換部 １０ １２ビットセンサ信号メモリー １１ デジタル微分回路 １２ タイマー １３ 演算論理回路 １４ 駆動回路 １５ 負荷 １６ ８ビットスイッチ網 １７ ８ビットＲ−２Ｒ抵抗ラダー回路 ＶRL ガスセンサ出力 ＶC 検出電源 ＶDD 回路電源

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスセンサ信号をＡＤコンバータでＡＤ
   変換して、マイクロコンピュータで処理するようにした
   ガス検出装置において、 基準信号を発生させるための手段と、 基準信号をＤＡ変換するための手段と、 ＤＡ変換した基準信号とガスセンサ信号との差を増幅す
   るための、差動増幅回路を設けると共に、 前記のＡＤコンバータは、差動増幅回路からの出力をＡ
   Ｄ変換するものとし、 かつガスセンサ信号と基準信号との差が、所定の範囲か
   ら外れた際に、基準信号を修正し、ガスセンサ信号と基
   準信号との差を所定の範囲内に保つようにするための手
   段、とを設けたことを特徴とする、ガス検出装置。
2. 【請求項２】 前記の基準信号を修正するための手段
   は、前記の差動増幅器の出力が所定の範囲から外れた際
   に、基準信号を修正するようにしたことを特徴とする、
   請求項１に記載のガス検出装置。