ガス濃度検出装置
【課題】被測定ガスのガス温度の影響を受けずに正確にガス濃度を検出することができるガス濃度検出装置を提供する。
【解決手段】第１抵抗／電圧変換回路２０が、測温抵抗体Ｒｓの温度が周囲温度よりも高くなるような大きさの電流を測温抵抗体Ｒｓに供給して測温抵抗体Ｒｓの抵抗値に応じた電圧ΔＶ１１を発生させる。第２抵抗／電圧変換回路２１が、測温抵抗体Ｒｔの温度が周囲温度と等しくなるような大きさの電流を測温抵抗体Ｒｔに供給して測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた電圧ΔＶ２１を発生させる。ＣＰＵ２５ａが、第１、第２抵抗／電圧変換回路２１、２１が発生した測温抵抗体Ｒｓ、Ｒｔの抵抗値に応じた電圧ΔＶ１１、ΔＶ１２を検出して、これら電圧ΔＶ１１、ΔＶ１２に基づいてガス濃度を検出する。
【解決手段】第１抵抗／電圧変換回路２０が、測温抵抗体Ｒｓの温度が周囲温度よりも高くなるような大きさの電流を測温抵抗体Ｒｓに供給して測温抵抗体Ｒｓの抵抗値に応じた電圧ΔＶ１１を発生させる。第２抵抗／電圧変換回路２１が、測温抵抗体Ｒｔの温度が周囲温度と等しくなるような大きさの電流を測温抵抗体Ｒｔに供給して測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた電圧ΔＶ２１を発生させる。ＣＰＵ２５ａが、第１、第２抵抗／電圧変換回路２１、２１が発生した測温抵抗体Ｒｓ、Ｒｔの抵抗値に応じた電圧ΔＶ１１、ΔＶ１２を検出して、これら電圧ΔＶ１１、ΔＶ１２に基づいてガス濃度を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度検出装置に係り、例えば水素ガスなどの被測定ガスの濃度を検出するガス濃度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上述したガス濃度検出装置としては、発熱して温度に依存して抵抗値が変化する測温抵抗体を用いたものが知られている。まず、この測温抵抗体を用いたガス濃度検出装置の原理について説明する。上記測温抵抗体は、被測定ガスである水素（Ｈ2）ガスの供給路に配置される。供給されるＨ2ガスの濃度が高くなるに従ってＨ2ガスの熱伝導率が高くなり、Ｈ2ガスがより多くの熱量を測温抵抗体から奪う。この結果、測温抵抗体の抵抗値が下がる。即ち、測温抵抗体の抵抗値はＨ2ガスの濃度に応じた値となり、この測温抵抗体の抵抗値に基づいてガス濃度を検出することができる。
【０００３】
上述したガス濃度検出装置の一例として図９に示されたものが提案されている（特許文献１）。図中、ＲｓはＨ2ガスの供給路に配置された測温抵抗体である。この測温抵抗体Ｒｓには、抵抗Ｒ１１が直列に接続されている。測温抵抗体Ｒｓ及び抵抗Ｒ１１から成る直列回路には、抵抗Ｒ１２及び抵抗Ｒ１３から成る直列回路が並列に接続されている。即ち、測温抵抗体Ｒｓ、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３によりブリッジ回路が組まれている。上記ガス濃度検出装置は、差動増幅器ＯＰ１と、熱伝導率算出部１０と、濃度算出部１１と、ＲＯＭ１２とを備えている。
【０００４】
上記構成のガス濃度検出装置の検出動作について以下説明する。まず、測温抵抗体ＲｓにＨ2ガスを供給すると、そのＨ2ガスは測温抵抗体Ｒｓからその濃度に応じた熱量を奪う。これにより、測温抵抗体Ｒｓの温度が変化し、その抵抗値が変化する。上述したように測温抵抗体Ｒｓ及び抵抗Ｒ１１の接続点に生ずる電圧が出力電圧Ｖ１１として差動増幅器ＯＰ１の非反転入力に、抵抗Ｒ１２及び抵抗Ｒ１３の接続点に生ずる電圧として出力電圧Ｖ１２が反転入力に供給される。
【０００５】
上述した差動増幅器ＯＰ１は、出力電圧Ｖ１１と出力電圧Ｖ１２との差ΔＶ１１（＝Ｖ１２−Ｖ１１）をブリッジ回路に供給する。即ち、差動増幅器ＯＰ１は、測温抵抗体Ｒｓの抵抗値が一定に保たれるように（Ｒｓ＝（Ｒ１１＋Ｒ１２）／Ｒ１３）、測温抵抗体Ｒｓに流れる電流ｉを制御する。従って、ガス濃度に応じた測温抵抗体Ｒｓの抵抗値変化を出力電圧Ｖ１１の変化として検出することができる。そして、熱伝導率算出部１０が出力電圧Ｖ１１に基づいてＨ2ガスの熱伝導率を算出し、濃度算出部１１が熱伝導率算出部１０により算出した熱伝導率とＲＯＭ１２に格納されている検量線データに基づいてＨ2濃度を算出する。
【特許文献１】特開平７−２４８３０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記測温抵抗体Ｒｓの温度はＨ2ガスの濃度だけでなく、ガス温度によっても変動する。例えば、同じ濃度のＨ2ガスを測温抵抗体Ｒｓに供給しても、ガス温度の低いＨ2ガスが測温抵抗体Ｒｓから奪う熱量の方が、ガス温度の高いＨ2ガスが測温抵抗体Ｒｓから奪う熱量よりも多い。このため、従来のガス濃度検出装置では、ガス温度の影響を受け正確にガス濃度を検出することができないという問題があった。
【０００７】
また、上述した差動増幅器ＯＰ１の出力ΔＶ１１は周囲温度の影響を受けて変動する。このため、高い精度で測温抵抗体Ｒｓの抵抗を一定にする電流制御ができない。従って、従来のガス濃度検出装置では周囲温度の影響を受け正確にガス濃度を検出することができないという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、被測定ガスのガス温度の影響を受けずに正確にガス濃度を検出することができるガス濃度検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、被測定ガスの供給路に配置されて温度に依存して抵抗値が変化する第１測温抵抗体と、該第１測温抵抗体の温度が周囲温度よりも高くなるような大きさの第１の電流を前記第１測温抵抗体に供給して当該第１測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を発生させる第１抵抗／電圧変換手段と、該第１抵抗／電圧変換手段が発生した前記第１測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を検出する第１電圧検出手段と、該第１電圧検出手段が検出した前記第１測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧に基づいて前記被測定ガスの濃度を検出する濃度検出手段とを備えたガス濃度検出装置において、前記被測定ガスの供給路に配置されて温度に依存して抵抗が変化する第２測温抵抗体と、前記第２測温抵抗体の温度が周囲温度と等しくなるような大きさの第２の電流を前記第２測温抵抗体に供給して当該第２測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を発生させる第２抵抗／電圧変換手段と、該第２抵抗／電圧変換手段が発生した前記第２測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を検出する第２電圧検出手段とを備えていることを特徴とするガス濃度検出装置に存する。
【００１０】
請求項２記載の発明は、前記第１抵抗／電圧変換手段が、前記第１測温抵抗体と直列接続される第１抵抗と、前記第１測温抵抗体及び前記第１抵抗からなる直列回路に定電圧を供給する定電圧源とを備えて、そして、前記ガス濃度検出装置が、前記定電圧源から供給される定電圧を検出する定電圧検出手段を備えていることを特徴とするガス濃度検出装置に存する。
【００１１】
請求項３記載の発明は、前記第２抵抗／電圧変換手段が、前記第２測温抵抗体と直列接続される第２抵抗を備えて、そして、前記定電圧源が、前記第２測温抵抗体及び第２抵抗からなる直列回路に前記定電圧を供給していることを特徴とする請求項２記載のガス濃度検出装に存する。
【００１２】
請求項４記載の発明は、前記第２抵抗／電圧変換手段が、前記第２測温抵抗体と直列接続される第２抵抗と、前記第２測温抵抗体及び前記第２抵抗からなる直列回路に定電圧を供給する定電圧源とを備えて、そして、前記ガス濃度検出装置が、前記定電圧源から供給される定電圧を検出する定電圧検出手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のガス濃度検出装に存する。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、測温抵抗体を用いてガス濃度の影響を受けずにガス温度を正確に検出することができる。そして、濃度検出手段が、第２電圧検出手段が検出した第２測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧に基づいて被測定ガスの濃度の温度補正を行うことができるので、被測定ガスのガス温度の影響を受けずに正確にガス濃度を検出することができる。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、濃度検出手段が、定電圧検出手段が検出した定電圧に基づいて第１電圧検出手段が検出した第１測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を補正することができる。このため、周囲温度の影響を受けて定電圧が変動しても、その定電圧の変動の影響を除去したガス濃度を検出することができるので、周囲温度に影響されない正確なガス濃度を検出することができる。
【００１５】
請求項３及び４記載の発明によれば、濃度検出手段が、定電圧検出手段が検出した定電圧に基づいて第２電圧検出手段が検出した第２測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を補正することができる。このため、周囲温度の影響を受けて定電圧が変動しても、その定電圧の変動の影響を除去したガス濃度を検出することができるので、周囲温度に影響されない正確なガス濃度を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明のガス濃度検出装置の一実施形態を示す回路図である。同図に示すように、ガス濃度検出装置は、被測定ガスとしての水素（Ｈ2）ガスの供給路に配置されて温度に依存して抵抗値が変化する測温抵抗体Ｒｓ（第１測温抵抗体）と、測温抵抗体Ｒｓの温度が周囲温度よりも高くなるような大きさの電流Ｉｓを測温抵抗体Ｒｓに供給して測温抵抗体Ｒｓの抵抗値に応じた出力電圧ΔＶ１１を発生させる第１抵抗／電圧変換回路２０（第１抵抗／電圧変換手段）とを備えている。
【００１７】
上述した第１抵抗／電圧変換回路２０は、測温抵抗体Ｒｓと共にブリッジ回路を形成する抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３と、定電圧源２２と、差動増幅器ＯＰ１とから構成されている。抵抗Ｒ１１（第１抵抗）は、測温抵抗体Ｒｓに直列接続されている。測温抵抗体Ｒｓ及び抵抗Ｒ１１から成る直列回路には、抵抗Ｒ１２及び抵抗Ｒ１３から成る直列回路が並列に接続されている。
【００１８】
定電圧源２２は、上記測温抵抗体Ｒｓ及び抵抗Ｒ１１から成る直列回路と、抵抗Ｒ１２及び抵抗Ｒ１３から成る直列回路とに定電圧Ｖを供給している。上記測温抵抗体Ｒｓに流れる電流Ｉｓ（第１の電流）は下記の式（１）で表される。
Ｉｓ＝Ｖ／（Ｒ１１＋Ｒｓ） …（１）
Ｒｓ》Ｒ１１に設定されていると、測温抵抗体Ｒｓに流れる電流Ｉｓは下記の式（２）で表される。
Ｉｓ＝Ｖ／Ｒｓ …（２）
【００１９】
式（２）に示す電流Ｉｓを測温抵抗体Ｒｓに流すと、測温抵抗体Ｒｓにジュール熱が発生する。そして、この測温抵抗体Ｒｓに発生するジュール熱によって測温抵抗体Ｒｓの温度が周囲温度よりも高くなるように、電流Ｉｓの大きさが設定されている。より詳しく説明すると、電流Ｉｓを流すことにより測温抵抗体Ｒｓに発生する熱量が周囲に放熱される熱量より多いと測温抵抗体Ｒｓの温度が周囲温度よりも高くなる。
【００２０】
上記差動増幅器ＯＰ１の反転入力には抵抗Ｒ１１及び測温抵抗体Ｒｓ間の接続点に生ずる電圧が出力電圧Ｖ１１として供給されている。差動増幅器ＯＰ１の非反転入力には抵抗Ｒ１２及び抵抗Ｒ１３間の接続点に生ずる電圧が出力電圧Ｖ１２として供給されている。差動増幅器ＯＰ１が出力電圧Ｖ１１と出力電圧Ｖ１２との差ΔＶ１１（＝Ｖ１２−Ｖ１１）を出力する。
【００２１】
上述した出力電圧Ｖ１１は下記の式（３）で表される値となる。
Ｖ１１＝｛Ｒ１１／（Ｒ１１＋Ｒｓ）｝×Ｖ …（３）
一方、出力電圧Ｖ１２は下記の式（４）で表される値となる。
Ｖ１２＝｛Ｒ１３／（Ｒ１２＋Ｒ１３）｝×Ｖ …（４）
従って、差ΔＶ１１は下記の式（５）で表される値となる。
ΔＶ１１＝｛Ｒ１３／（Ｒ１２＋Ｒ１３）−Ｒ１１／（Ｒ１１＋Ｒｓ）｝×Ｖ …（５）
今、Ｒ１３＝Ｒ１１、Ｒ１２≫Ｒ１３、Ｒｓ≫Ｒ１１となるように測温抵抗体Ｒｓ、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３の値が設定されていると、差ΔＶ１１は下記の式（６）で表される値となる。
ΔＶ１１＝Ｒ１３×（１／Ｒ１２−１／Ｒｓ）×Ｖ …（６）
【００２２】
上述した抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３は温度に依存して抵抗値が変わるものではなく、抵抗値は常に一定である。従って、差ΔＶ１１は、測温抵抗体Ｒｓの抵抗値に応じた電圧である。
【００２３】
また、ガス濃度検出装置は、Ｈ2ガスの供給路に配置されて温度に依存して抵抗値が変化する測温抵抗体Ｒｔ（第２測温抵抗体）と、測温抵抗体Ｒｔの温度が周囲温度と等しくなるような大きさの電流を測温抵抗体Ｒｔに供給して測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた出力電圧ΔＶ２１を発生させる第２抵抗／電圧変換回路２１（第２抵抗／電圧変換手段）とを備えている。
【００２４】
上述した第２抵抗／電圧変換回路２１は、測温抵抗体Ｒｔと共にブリッジ回路を形成する抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３と、上記定電圧源２２と、差動増幅器ＯＰ２とから構成されている。抵抗Ｒ２１（第２抵抗）は、測温抵抗体Ｒｔに直列接続されている。測温抵抗体Ｒｔ及び抵抗Ｒ２１から成る直列回路には、抵抗Ｒ２２及び抵抗Ｒ２３から成る直列回路が並列に接続されている。
【００２５】
定電圧源２２は、上記測温抵抗体Ｒｔ及び抵抗Ｒ２１から成る直列回路と、抵抗Ｒ２２及び抵抗Ｒ２３から成る直列回路とに定電圧Ｖを供給している。上記測温抵抗体Ｒｔに流れる電流Ｉｔ（第２の電流）は下記の式（７）で表される。
Ｉｔ＝Ｖ／（Ｒｔ＋Ｒ２１） …（７）
Ｒ２１》Ｒｔに設定されていると、測温抵抗体Ｒｔに流れる電流Ｉｔは下記の式（８）で表される。
Ｉｔ＝Ｖ／Ｒ２１ …（８）
【００２６】
電流Ｉｔを測温抵抗体Ｒｔに流すと、測温抵抗体Ｒｔにジュール熱が発生する。電流Ｉｔの大きさは、上記測温抵抗体Ｒｔにジュール熱が発生しても測温抵抗体Ｒｔの温度が周囲温度より高くならず、周囲温度と等しくなるよう微少に設定されている。即ち、電流Ｉｔの大きさは、測温抵抗体Ｒｔが自己発熱しないように設定されている。より詳しく説明すると、電流Ｉｔを流すことにより測温抵抗体Ｒｔに発生する熱量が周囲に放熱される熱量より小さいと測温抵抗体Ｒｔの温度は周囲温度と等しいままである。
【００２７】
差動増幅器ＯＰ２の反転入力には抵抗Ｒ２１及び測温抵抗体Ｒｔ間の接続点に生ずる電圧が出力電圧Ｖ２１が供給されている。差動増幅器ＯＰ２の非反転入力には抵抗Ｒ２２及び抵抗Ｒ２３間の接続点に生ずる電圧が出力電圧Ｖ２２として供給されている。差動増幅器ＯＰ２が出力電圧Ｖ２１と出力電圧Ｖ２２との差ΔＶ２１（＝Ｖ２２−Ｖ２１）を出力する。
【００２８】
上述した出力電圧Ｖ２１は下記の式（９）で表される値となる。
Ｖ２１＝｛Ｒ２１／（Ｒｔ＋Ｒ２１）｝×Ｖ …（９）
一方、出力電圧Ｖ２２は下記の式（１０）で表される値となる。
Ｖ２２＝｛Ｒ２２／（Ｒ２２＋Ｒ２３）｝×Ｖ …（１０）
従って、差ΔＶ２１は下記の式（１１）で表される値となる。
ΔＶ２１＝｛−Ｒ２２／（Ｒ２２＋Ｒ２３）＋Ｒ２１／（Ｒｔ＋Ｒ２１）｝×Ｖ …（１１）
今、Ｒ２１＝Ｒ２２、Ｒ２２≫Ｒ２３、Ｒ２１≫Ｒｔとなるように測温抵抗体Ｒｔ、抵抗Ｒ２１〜Ｒ２３の値が設定されていると、差ΔＶ２１は下記の式（１２）で表される値となる。
ΔＶ２１＝｛（Ｒ２３−Ｒｔ）／Ｒ２２｝×Ｖ …（１２）
【００２９】
上述した抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３は温度に依存して抵抗値が変わるものではなく、抵抗値は常に一定である。従って、差ΔＶ２１は、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値が大きくなるに従って小さくなり、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値が小さくなるに従って大きくなる。即ち、差ΔＶ２１は測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた電圧と言える。
【００３０】
上述した定電圧Ｖ、差ΔＶ１１、ΔＶ２１はマルチプレクサ２３に供給される。マルチプレクサ２３は定電圧Ｖ、差ΔＶ１１、ΔＶ２１のうち一つを選択して、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバーター２４に出力する選択動作を行う。マルチプレクサ２３の選択動作はμＣＯＭ２５によって制御されている。上記Ａ／Ｄコンバーター２４は、マルチプレクサ２３から出力されたアナログの定電圧Ｖ、差ΔＶ１１、ΔＶ２１をデジタル値に変換してμＣＯＭ２５に対して供給する。
【００３１】
μＣＯＭ２５は、処理プログラムに従って各種の処理を行う演算処理装置（以下ＣＰＵ）２５ａと、ＣＰＵ２５ａが行う処理のプログラムなどを格納した読出専用のメモリであるＲＯＭ２５ｂと、ＣＰＵ２５ａでの各種の処理過程で利用するワークエリア、各種データを格納するデータ記憶エリアなどを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ２５ｃとを備えている。
【００３２】
なお、上述した測温抵抗体Ｒｓ、Ｒｔは、図２に示すようにＳｉ基板２６によって支持されるダイヤフラム２７上に設けられている。
【００３３】
次に、上述したように測温抵抗体Ｒｓが自己発熱する大きさの電流Ｉｓを流したときの測温抵抗体Ｒｓの抵抗値変化と、測温抵抗体Ｒｔが自己発熱しない大きさの電流Ｉｔを流したときの測温抵抗体Ｒｔの抵抗値変化について図３〜図６を参照して以下説明する。一般的に抵抗に電流を流すと熱が発生する。この熱量は抵抗に流す電流の大きさに依存する。抵抗に流す電流が大きくなるに従って抵抗には大きな熱量が発生する。抵抗に流す電流が小さくなるに従って抵抗には小さな熱量が発生する。
【００３４】
今、測温抵抗体Ｒｔが自己発熱しない電流Ｉｔを測温抵抗体Ｒｔに流してＨ2ガスを供給すると、図３に示すように、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値はＨ2ガスのガス温度に応じた値となる。測温抵抗体Ｒｔが自己発熱せずにその温度が周囲温度、即ちガス温度と等しいときは、Ｈ2ガスによって奪われる熱量がない。このため、図６に示すように、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値はＨ2ガスのガス濃度に対してまったく不感となる。
【００３５】
測温抵抗体Ｒｔの温度は、その周囲温度、即ちガス温度が高くなるに従って高くなり、ガス温度が低くなるに従って低くなる。このため、自己発熱しない電流Ｉｔを供給している間、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値はＨ2ガスのガス温度に応じた値となる。
【００３６】
一方、測温抵抗体Ｒｓが自己発熱する大きさの電流Ｉｓを測温抵抗体Ｒｓに流すと、測温抵抗体Ｒｓが自己発熱してその温度が周囲温度、即ちガス温度より高くなる。このとき測温抵抗体ＲｓにＨ2ガスを供給すると、Ｈ2ガスはその濃度に応じた熱量を測温抵抗体Ｒｓから奪う。従って、図４に示すように、測温抵抗体Ｒｓの温度はＨ2ガスのガス濃度に応じた値となる。測温抵抗体Ｒｓは温度に応じて抵抗値が変化する抵抗であるため、図５に示すように測温抵抗体Ｒｓの抵抗値はＨ2ガスのガス濃度に応じた値となる。
【００３７】
上述した構成のガス濃度検出装置の動作について図７を参照して以下説明する。図７はガス濃度検出装置を構成するＣＰＵ２５ａの処理手順を示すフローチャートである。まず、ＣＰＵ２５ａは所定のタイミングで濃度検出処理を行う。
【００３８】
まず、ＣＰＵ２５ａは、第１電圧検出手段として働き、上記測温抵抗体Ｒｓの抵抗値に応じた電圧である差ΔＶ１１を検出する（ステップＳ１）。ステップＳ１においてＣＰＵ２５ａは、マルチプレクサ２３を制御して差動増幅器ＯＰ１から出力される差ΔＶ１１をＡ／Ｄコンバーター２４に出力させる。そして、ＣＰＵ２５ａは、このときＡ／Ｄコンバーター２４から出力されるデジタル値を差ΔＶ１１として検出する。この差ΔＶ１１は上述したようにＨ2ガスのガス濃度に応じた値である。
【００３９】
次に、ＣＰＵ２５ａは、第２電圧検出手段として働き、上記測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた電圧である差Δ２１を検出する（ステップＳ２）。ステップＳ２においてＣＰＵ２５ａは、マルチプレクサ２３を制御して差動増幅器ＯＰ２から出力される差ΔＶ２１をＡ／Ｄコンバーター２４に出力させる。そして、ＣＰＵ２５ａは、このときＡ／Ｄコンバーター２４から出力されるデジタル値を差ΔＶ２１として検出する。この差ΔＶ２１は上述したようにＨ2ガスのガス温度に応じた値である。
【００４０】
その後、ＣＰＵ２５ａは、定電圧検出手段として働き、上記定電圧Ｖを検出する（ステップＳ３）。ステップＳ３においてＣＰＵ２５ａは、マルチプレクサ２３を制御して定電圧ＶをＡ／Ｄコンバーター２４に出力させる。そして、ＣＰＵ２５ａは、このときＡ／Ｄコンバータ２４から出力されるデジタル値を定電圧Ｖとして検出する。
【００４１】
次に、ＣＰＵ２５ａは、上記定電圧Ｖを差ΔＶ１１で除算して差ΔＶ１１を補正して、測温抵抗体Ｒｓの抵抗値を求める（ステップＳ４）。差ΔＶ１１は上述したように下記の式（４）で表される。
ΔＶ１１＝Ｒ１３×（１／Ｒ１２−１／Ｒｓ）×Ｖ …（６）
定電圧Ｖをこの差ΔＶ１１で除算することで、下記の式（１３）に示すようにΔＶ１１の項Ｖがキャンセルされる。
Ｖ／ΔＶ１１＝１／｛Ｒ１３×（１／Ｒ１２−１／Ｒｓ）｝ …（１３）
即ち、定電圧Ｖの変動に応じた差ΔＶ１１の変動分を除去することができる。その後、予め分かっている抵抗Ｒ１３、Ｒ１２を上記（９）式に代入して測温抵抗体Ｒｓの値を求める。上記測温抵抗体Ｒｓは定電圧Ｖの変動に影響されないガス濃度に比例した値である。
【００４２】
次に、ＣＰＵ２５ａは、上記定電圧Ｖを差ΔＶ２１で除算して差ΔＶ２１を補正して、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値を求める（ステップＳ５）。上述した差ΔＶ２１は上述したように下記の式（８）で表される。
ΔＶ２１＝｛（Ｒ２３−Ｒｔ）／Ｒ２２｝×Ｖ …（１２）
定電圧Ｖをこの差ΔＶ２１で除算することで、下記の式（１４）に示すようにΔＶ２１の項Ｖがキャンセルされる。
Ｖ／ΔＶ２１＝１／｛（Ｒ２３−Ｒｔ）／Ｒ２２｝ …（１４）
即ち、定電圧Ｖの変動に応じた差ΔＶ２１の変動分を除去することができる。その後、予め分かっている抵抗Ｒ２３、Ｒ２２を上記式（１４）に代入して測温抵抗体Ｒｔの値を求める。この測温抵抗体Ｒｔは定電圧Ｖの変動に影響されないガス温度に比例した値である。
【００４３】
その後、ＣＰＵ２５ａは、ガス濃度に応じた測温抵抗体Ｒｓとガス温度に応じた測温抵抗体Ｒｔとに基づいて補正演算することでガス温度の影響を除去したガス濃度を検出して（ステップＳ６）、処理を終了する。以上のことから明らかなようにステップＳ４〜Ｓ６においてＣＰＵ２５ａは濃度検出手段として働く。上述した測温抵抗体Ｒｓはガス濃度に比例した値である。また、測温抵抗体Ｒｔもガス温度に比例した値である。従って、上記補正演算が一次関数で済み、補正演算を簡素化することができる。
【００４４】
上述したガス濃度検出装置によれば、第２抵抗／電圧変換回路２１が、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値がＨ2ガスのガス温度に応じて変化するような大きさの電流を測温抵抗体Ｒｔに供給してその測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた電圧を発生させる。ＣＰＵ２５ａが、第２抵抗／電圧変換回路２１が発生した測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた電圧である差ΔＶ２１を検出して、差ΔＶ２１に基づいてＨ2ガスの濃度の温度補正を行う。従って、測温抵抗体Ｒｓ、Ｒｔを用いてガス濃度の影響を受けずにガス温度を正確に検出することができる。そして、検出したガス温度に基づいてガス温度の影響を除去したガスの濃度を検出することができ、Ｈ2ガスのガス温度の影響を受けずに正確にガス濃度を検出することができる。
【００４５】
また、上述したガス濃度検出装置によれば、ＣＰＵ２５ａが、検出した定電圧Ｖに基づいて差ΔＶ１１を補正する。従って、周囲温度の影響を受けて定電圧Ｖが変動しても、その定電圧の変動の影響を除去したガス濃度を検出することができる。このため、周囲温度に影響されない正確なガス濃度を検出することができる。
【００４６】
また、上述したガス濃度検出装置によれば、ＣＰＵ２５ａが、定電圧Ｖに基づいて差ΔＶ２１を補正する。従って、周囲温度の影響を受けて定電圧Ｖが変動しても、その定電圧Ｖの変動の影響を除去したΔＶ２１／Ｖに基づいてガス濃度の温度補正を行うことができる。このため、周囲温度に影響されない正確なガス濃度を検出することができる。
【００４７】
なお、上述した実施形態では、第１抵抗／電圧変換回路２０は測温抵抗体Ｒｓを含むブリッジ回路により構成されていたが、本発明はこれに限ったものではない。即ち、第１抵抗／電流回路２０は、測温抵抗体Ｒｓの抵抗値がＨ2ガスの濃度に応じて変化するような大きさの電流を測温抵抗体Ｒｓに供給して測温抵抗体Ｒｓの抵抗値に応じた電圧を発生させる回路であればよく、例えば図８に示すような構成であってもよい。
【００４８】
同図に示すように、第１抵抗／電圧変換回路２０は、測温抵抗体Ｒｓに直列に接続された抵抗Ｒ１１と、この抵抗Ｒ１１の両端に生じる電圧を出力する差動増幅器ＯＰ１とから構成されている。この場合、差動増幅器ＯＰ１から出力される差ΔＶ１１は下記の式（１５）に示す値となる。
ΔＶ１１＝｛Ｒ１１／（Ｒ１１＋Ｒｓ）｝×Ｖ …（１５）
今、Ｒ１１≪Ｒｓとなるように測温抵抗体Ｒｓ、抵抗Ｒ１１の値が設定されていると、差ΔＶ１１は下記の式（１６）で表される値となる。
ΔＶ１１＝（Ｒ１１／Ｒｓ）×Ｖ …（１６）
【００４９】
上述した抵抗Ｒ１１は温度に依存して抵抗値が変わるものではなく、抵抗値は常に一定である。従って、式（１６）に示す差ΔＶ１１は、測温抵抗体Ｒｓの抵抗値が大きくなるに従って小さくなり、測温抵抗体Ｒｓの抵抗値が小さくなるに従って大きくなる。即ち、上記実施形態と同様に式（１６）に示す差ΔＶ１１は測温抵抗体Ｒｓの抵抗値に応じた電圧と言える。
【００５０】
上述した実施形態と同様に、定電圧Ｖを式（１６）に示す差ΔＶ１１で除算すれば、式（１７）に示すように測温抵抗体Ｒｓに比例した値を得ることができる。
Ｖ／ΔＶ１１＝Ｒｓ／Ｒ１１ …（１７）
【００５１】
また、従来のように測温抵抗体Ｒｓの抵抗変化を電圧変化として出力するようなものであってもよい。
【００５２】
また、上述した実施形態では、第２抵抗／電圧変換回路２１は測温抵抗体Ｒｔを含むブリッジ回路により構成されていたが、本発明はこれに限ったものではない。即ち、第２抵抗／電圧変換回路２１は、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値がＨ2ガスの温度に応じて変化するような大きさの電流を測温抵抗体Ｒｔに供給して測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた電圧を発生させる回路であればなんでもよい。例えば、差動増幅器ＯＰ２によって、測温抵抗体Ｒｔや、測温抵抗体Ｒｔに直列に接続された抵抗Ｒ２１に生じる両端電圧を測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた電圧として出力させてもよい。
【００５３】
また、上述した実施形態では、定電圧源２２を用いて測温抵抗体Ｒｓ、Ｒｔに電流を流していたが、本発明はこれに限ったものではなく、定電流源を用いて測温抵抗体Ｒｓ、Ｒｔに電流を流してもよい。
【００５４】
また、上述した実施形態では、定電圧源２２としては、測温抵抗体Ｒｓ、Ｒｔに対して共通のものを用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。定電圧源としては、測温抵抗体Ｒｓ、Ｒｔに対応して各々別々に設けても良い。
【００５５】
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明のガス濃度検出装置の一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１に示すガス濃度検出装置を構成する測温抵抗体及び抵抗が搭載されたＳｉ基台及びダイヤフラムを示す図である。
【図３】測温抵抗体Ｒｔに微少電流を流したときの測温抵抗体Ｒｔの抵抗値とガス温度との関係を示すグラフである。
【図４】測温抵抗体Ｒｓに大電流を流したときの測温抵抗体Ｒｓの温度とガス濃度との関係を示すグラフである。
【図５】測温抵抗体Ｒｓに大電流を流したときの測温抵抗体Ｒｓの抵抗値とガス濃度との関係を示すグラフである。
【図６】測温抵抗体Ｒｔに小電流を流したときの測温抵抗体Ｒｔの抵抗値とガス濃度との関係を示すグラフである。
【図７】図１に示すガス濃度検出装置を構成するＣＰＵの処理手順を示すフローチャートである。
【図８】他の実施形態におけるガス濃度検出装置を示す回路図である。
【図９】従来のガス濃度検出装置の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００５７】
２０ 第１抵抗／電圧変換回路（第１抵抗／電圧変換手段）
２１ 第２抵抗／電圧変換回路（第２抵抗／電圧変換手段）
２２ 定電圧源
２５ａ ＣＰＵ（第１電圧検出手段、第２電圧検出手段、濃度検出手段）
Ｉｓ 電流（第１の電流）
Ｉｔ 電流（第２の電流）
Ｒｓ 測温抵抗体（第１測温抵抗体）
Ｒｔ 測温抵抗体（第２測温抵抗体）
Ｒ１１ 抵抗（第１抵抗）
Ｒ２１ 抵抗（第２抵抗）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度検出装置に係り、例えば水素ガスなどの被測定ガスの濃度を検出するガス濃度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上述したガス濃度検出装置としては、発熱して温度に依存して抵抗値が変化する測温抵抗体を用いたものが知られている。まず、この測温抵抗体を用いたガス濃度検出装置の原理について説明する。上記測温抵抗体は、被測定ガスである水素（Ｈ2）ガスの供給路に配置される。供給されるＨ2ガスの濃度が高くなるに従ってＨ2ガスの熱伝導率が高くなり、Ｈ2ガスがより多くの熱量を測温抵抗体から奪う。この結果、測温抵抗体の抵抗値が下がる。即ち、測温抵抗体の抵抗値はＨ2ガスの濃度に応じた値となり、この測温抵抗体の抵抗値に基づいてガス濃度を検出することができる。
【０００３】
上述したガス濃度検出装置の一例として図９に示されたものが提案されている（特許文献１）。図中、ＲｓはＨ2ガスの供給路に配置された測温抵抗体である。この測温抵抗体Ｒｓには、抵抗Ｒ１１が直列に接続されている。測温抵抗体Ｒｓ及び抵抗Ｒ１１から成る直列回路には、抵抗Ｒ１２及び抵抗Ｒ１３から成る直列回路が並列に接続されている。即ち、測温抵抗体Ｒｓ、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３によりブリッジ回路が組まれている。上記ガス濃度検出装置は、差動増幅器ＯＰ１と、熱伝導率算出部１０と、濃度算出部１１と、ＲＯＭ１２とを備えている。
【０００４】
上記構成のガス濃度検出装置の検出動作について以下説明する。まず、測温抵抗体ＲｓにＨ2ガスを供給すると、そのＨ2ガスは測温抵抗体Ｒｓからその濃度に応じた熱量を奪う。これにより、測温抵抗体Ｒｓの温度が変化し、その抵抗値が変化する。上述したように測温抵抗体Ｒｓ及び抵抗Ｒ１１の接続点に生ずる電圧が出力電圧Ｖ１１として差動増幅器ＯＰ１の非反転入力に、抵抗Ｒ１２及び抵抗Ｒ１３の接続点に生ずる電圧として出力電圧Ｖ１２が反転入力に供給される。
【０００５】
上述した差動増幅器ＯＰ１は、出力電圧Ｖ１１と出力電圧Ｖ１２との差ΔＶ１１（＝Ｖ１２−Ｖ１１）をブリッジ回路に供給する。即ち、差動増幅器ＯＰ１は、測温抵抗体Ｒｓの抵抗値が一定に保たれるように（Ｒｓ＝（Ｒ１１＋Ｒ１２）／Ｒ１３）、測温抵抗体Ｒｓに流れる電流ｉを制御する。従って、ガス濃度に応じた測温抵抗体Ｒｓの抵抗値変化を出力電圧Ｖ１１の変化として検出することができる。そして、熱伝導率算出部１０が出力電圧Ｖ１１に基づいてＨ2ガスの熱伝導率を算出し、濃度算出部１１が熱伝導率算出部１０により算出した熱伝導率とＲＯＭ１２に格納されている検量線データに基づいてＨ2濃度を算出する。
【特許文献１】特開平７−２４８３０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記測温抵抗体Ｒｓの温度はＨ2ガスの濃度だけでなく、ガス温度によっても変動する。例えば、同じ濃度のＨ2ガスを測温抵抗体Ｒｓに供給しても、ガス温度の低いＨ2ガスが測温抵抗体Ｒｓから奪う熱量の方が、ガス温度の高いＨ2ガスが測温抵抗体Ｒｓから奪う熱量よりも多い。このため、従来のガス濃度検出装置では、ガス温度の影響を受け正確にガス濃度を検出することができないという問題があった。
【０００７】
また、上述した差動増幅器ＯＰ１の出力ΔＶ１１は周囲温度の影響を受けて変動する。このため、高い精度で測温抵抗体Ｒｓの抵抗を一定にする電流制御ができない。従って、従来のガス濃度検出装置では周囲温度の影響を受け正確にガス濃度を検出することができないという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、被測定ガスのガス温度の影響を受けずに正確にガス濃度を検出することができるガス濃度検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、被測定ガスの供給路に配置されて温度に依存して抵抗値が変化する第１測温抵抗体と、該第１測温抵抗体の温度が周囲温度よりも高くなるような大きさの第１の電流を前記第１測温抵抗体に供給して当該第１測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を発生させる第１抵抗／電圧変換手段と、該第１抵抗／電圧変換手段が発生した前記第１測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を検出する第１電圧検出手段と、該第１電圧検出手段が検出した前記第１測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧に基づいて前記被測定ガスの濃度を検出する濃度検出手段とを備えたガス濃度検出装置において、前記被測定ガスの供給路に配置されて温度に依存して抵抗が変化する第２測温抵抗体と、前記第２測温抵抗体の温度が周囲温度と等しくなるような大きさの第２の電流を前記第２測温抵抗体に供給して当該第２測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を発生させる第２抵抗／電圧変換手段と、該第２抵抗／電圧変換手段が発生した前記第２測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を検出する第２電圧検出手段とを備えていることを特徴とするガス濃度検出装置に存する。
【００１０】
請求項２記載の発明は、前記第１抵抗／電圧変換手段が、前記第１測温抵抗体と直列接続される第１抵抗と、前記第１測温抵抗体及び前記第１抵抗からなる直列回路に定電圧を供給する定電圧源とを備えて、そして、前記ガス濃度検出装置が、前記定電圧源から供給される定電圧を検出する定電圧検出手段を備えていることを特徴とするガス濃度検出装置に存する。
【００１１】
請求項３記載の発明は、前記第２抵抗／電圧変換手段が、前記第２測温抵抗体と直列接続される第２抵抗を備えて、そして、前記定電圧源が、前記第２測温抵抗体及び第２抵抗からなる直列回路に前記定電圧を供給していることを特徴とする請求項２記載のガス濃度検出装に存する。
【００１２】
請求項４記載の発明は、前記第２抵抗／電圧変換手段が、前記第２測温抵抗体と直列接続される第２抵抗と、前記第２測温抵抗体及び前記第２抵抗からなる直列回路に定電圧を供給する定電圧源とを備えて、そして、前記ガス濃度検出装置が、前記定電圧源から供給される定電圧を検出する定電圧検出手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のガス濃度検出装に存する。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、測温抵抗体を用いてガス濃度の影響を受けずにガス温度を正確に検出することができる。そして、濃度検出手段が、第２電圧検出手段が検出した第２測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧に基づいて被測定ガスの濃度の温度補正を行うことができるので、被測定ガスのガス温度の影響を受けずに正確にガス濃度を検出することができる。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、濃度検出手段が、定電圧検出手段が検出した定電圧に基づいて第１電圧検出手段が検出した第１測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を補正することができる。このため、周囲温度の影響を受けて定電圧が変動しても、その定電圧の変動の影響を除去したガス濃度を検出することができるので、周囲温度に影響されない正確なガス濃度を検出することができる。
【００１５】
請求項３及び４記載の発明によれば、濃度検出手段が、定電圧検出手段が検出した定電圧に基づいて第２電圧検出手段が検出した第２測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を補正することができる。このため、周囲温度の影響を受けて定電圧が変動しても、その定電圧の変動の影響を除去したガス濃度を検出することができるので、周囲温度に影響されない正確なガス濃度を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明のガス濃度検出装置の一実施形態を示す回路図である。同図に示すように、ガス濃度検出装置は、被測定ガスとしての水素（Ｈ2）ガスの供給路に配置されて温度に依存して抵抗値が変化する測温抵抗体Ｒｓ（第１測温抵抗体）と、測温抵抗体Ｒｓの温度が周囲温度よりも高くなるような大きさの電流Ｉｓを測温抵抗体Ｒｓに供給して測温抵抗体Ｒｓの抵抗値に応じた出力電圧ΔＶ１１を発生させる第１抵抗／電圧変換回路２０（第１抵抗／電圧変換手段）とを備えている。
【００１７】
上述した第１抵抗／電圧変換回路２０は、測温抵抗体Ｒｓと共にブリッジ回路を形成する抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３と、定電圧源２２と、差動増幅器ＯＰ１とから構成されている。抵抗Ｒ１１（第１抵抗）は、測温抵抗体Ｒｓに直列接続されている。測温抵抗体Ｒｓ及び抵抗Ｒ１１から成る直列回路には、抵抗Ｒ１２及び抵抗Ｒ１３から成る直列回路が並列に接続されている。
【００１８】
定電圧源２２は、上記測温抵抗体Ｒｓ及び抵抗Ｒ１１から成る直列回路と、抵抗Ｒ１２及び抵抗Ｒ１３から成る直列回路とに定電圧Ｖを供給している。上記測温抵抗体Ｒｓに流れる電流Ｉｓ（第１の電流）は下記の式（１）で表される。
Ｉｓ＝Ｖ／（Ｒ１１＋Ｒｓ） …（１）
Ｒｓ》Ｒ１１に設定されていると、測温抵抗体Ｒｓに流れる電流Ｉｓは下記の式（２）で表される。
Ｉｓ＝Ｖ／Ｒｓ …（２）
【００１９】
式（２）に示す電流Ｉｓを測温抵抗体Ｒｓに流すと、測温抵抗体Ｒｓにジュール熱が発生する。そして、この測温抵抗体Ｒｓに発生するジュール熱によって測温抵抗体Ｒｓの温度が周囲温度よりも高くなるように、電流Ｉｓの大きさが設定されている。より詳しく説明すると、電流Ｉｓを流すことにより測温抵抗体Ｒｓに発生する熱量が周囲に放熱される熱量より多いと測温抵抗体Ｒｓの温度が周囲温度よりも高くなる。
【００２０】
上記差動増幅器ＯＰ１の反転入力には抵抗Ｒ１１及び測温抵抗体Ｒｓ間の接続点に生ずる電圧が出力電圧Ｖ１１として供給されている。差動増幅器ＯＰ１の非反転入力には抵抗Ｒ１２及び抵抗Ｒ１３間の接続点に生ずる電圧が出力電圧Ｖ１２として供給されている。差動増幅器ＯＰ１が出力電圧Ｖ１１と出力電圧Ｖ１２との差ΔＶ１１（＝Ｖ１２−Ｖ１１）を出力する。
【００２１】
上述した出力電圧Ｖ１１は下記の式（３）で表される値となる。
Ｖ１１＝｛Ｒ１１／（Ｒ１１＋Ｒｓ）｝×Ｖ …（３）
一方、出力電圧Ｖ１２は下記の式（４）で表される値となる。
Ｖ１２＝｛Ｒ１３／（Ｒ１２＋Ｒ１３）｝×Ｖ …（４）
従って、差ΔＶ１１は下記の式（５）で表される値となる。
ΔＶ１１＝｛Ｒ１３／（Ｒ１２＋Ｒ１３）−Ｒ１１／（Ｒ１１＋Ｒｓ）｝×Ｖ …（５）
今、Ｒ１３＝Ｒ１１、Ｒ１２≫Ｒ１３、Ｒｓ≫Ｒ１１となるように測温抵抗体Ｒｓ、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３の値が設定されていると、差ΔＶ１１は下記の式（６）で表される値となる。
ΔＶ１１＝Ｒ１３×（１／Ｒ１２−１／Ｒｓ）×Ｖ …（６）
【００２２】
上述した抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３は温度に依存して抵抗値が変わるものではなく、抵抗値は常に一定である。従って、差ΔＶ１１は、測温抵抗体Ｒｓの抵抗値に応じた電圧である。
【００２３】
また、ガス濃度検出装置は、Ｈ2ガスの供給路に配置されて温度に依存して抵抗値が変化する測温抵抗体Ｒｔ（第２測温抵抗体）と、測温抵抗体Ｒｔの温度が周囲温度と等しくなるような大きさの電流を測温抵抗体Ｒｔに供給して測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた出力電圧ΔＶ２１を発生させる第２抵抗／電圧変換回路２１（第２抵抗／電圧変換手段）とを備えている。
【００２４】
上述した第２抵抗／電圧変換回路２１は、測温抵抗体Ｒｔと共にブリッジ回路を形成する抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３と、上記定電圧源２２と、差動増幅器ＯＰ２とから構成されている。抵抗Ｒ２１（第２抵抗）は、測温抵抗体Ｒｔに直列接続されている。測温抵抗体Ｒｔ及び抵抗Ｒ２１から成る直列回路には、抵抗Ｒ２２及び抵抗Ｒ２３から成る直列回路が並列に接続されている。
【００２５】
定電圧源２２は、上記測温抵抗体Ｒｔ及び抵抗Ｒ２１から成る直列回路と、抵抗Ｒ２２及び抵抗Ｒ２３から成る直列回路とに定電圧Ｖを供給している。上記測温抵抗体Ｒｔに流れる電流Ｉｔ（第２の電流）は下記の式（７）で表される。
Ｉｔ＝Ｖ／（Ｒｔ＋Ｒ２１） …（７）
Ｒ２１》Ｒｔに設定されていると、測温抵抗体Ｒｔに流れる電流Ｉｔは下記の式（８）で表される。
Ｉｔ＝Ｖ／Ｒ２１ …（８）
【００２６】
電流Ｉｔを測温抵抗体Ｒｔに流すと、測温抵抗体Ｒｔにジュール熱が発生する。電流Ｉｔの大きさは、上記測温抵抗体Ｒｔにジュール熱が発生しても測温抵抗体Ｒｔの温度が周囲温度より高くならず、周囲温度と等しくなるよう微少に設定されている。即ち、電流Ｉｔの大きさは、測温抵抗体Ｒｔが自己発熱しないように設定されている。より詳しく説明すると、電流Ｉｔを流すことにより測温抵抗体Ｒｔに発生する熱量が周囲に放熱される熱量より小さいと測温抵抗体Ｒｔの温度は周囲温度と等しいままである。
【００２７】
差動増幅器ＯＰ２の反転入力には抵抗Ｒ２１及び測温抵抗体Ｒｔ間の接続点に生ずる電圧が出力電圧Ｖ２１が供給されている。差動増幅器ＯＰ２の非反転入力には抵抗Ｒ２２及び抵抗Ｒ２３間の接続点に生ずる電圧が出力電圧Ｖ２２として供給されている。差動増幅器ＯＰ２が出力電圧Ｖ２１と出力電圧Ｖ２２との差ΔＶ２１（＝Ｖ２２−Ｖ２１）を出力する。
【００２８】
上述した出力電圧Ｖ２１は下記の式（９）で表される値となる。
Ｖ２１＝｛Ｒ２１／（Ｒｔ＋Ｒ２１）｝×Ｖ …（９）
一方、出力電圧Ｖ２２は下記の式（１０）で表される値となる。
Ｖ２２＝｛Ｒ２２／（Ｒ２２＋Ｒ２３）｝×Ｖ …（１０）
従って、差ΔＶ２１は下記の式（１１）で表される値となる。
ΔＶ２１＝｛−Ｒ２２／（Ｒ２２＋Ｒ２３）＋Ｒ２１／（Ｒｔ＋Ｒ２１）｝×Ｖ …（１１）
今、Ｒ２１＝Ｒ２２、Ｒ２２≫Ｒ２３、Ｒ２１≫Ｒｔとなるように測温抵抗体Ｒｔ、抵抗Ｒ２１〜Ｒ２３の値が設定されていると、差ΔＶ２１は下記の式（１２）で表される値となる。
ΔＶ２１＝｛（Ｒ２３−Ｒｔ）／Ｒ２２｝×Ｖ …（１２）
【００２９】
上述した抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３は温度に依存して抵抗値が変わるものではなく、抵抗値は常に一定である。従って、差ΔＶ２１は、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値が大きくなるに従って小さくなり、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値が小さくなるに従って大きくなる。即ち、差ΔＶ２１は測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた電圧と言える。
【００３０】
上述した定電圧Ｖ、差ΔＶ１１、ΔＶ２１はマルチプレクサ２３に供給される。マルチプレクサ２３は定電圧Ｖ、差ΔＶ１１、ΔＶ２１のうち一つを選択して、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバーター２４に出力する選択動作を行う。マルチプレクサ２３の選択動作はμＣＯＭ２５によって制御されている。上記Ａ／Ｄコンバーター２４は、マルチプレクサ２３から出力されたアナログの定電圧Ｖ、差ΔＶ１１、ΔＶ２１をデジタル値に変換してμＣＯＭ２５に対して供給する。
【００３１】
μＣＯＭ２５は、処理プログラムに従って各種の処理を行う演算処理装置（以下ＣＰＵ）２５ａと、ＣＰＵ２５ａが行う処理のプログラムなどを格納した読出専用のメモリであるＲＯＭ２５ｂと、ＣＰＵ２５ａでの各種の処理過程で利用するワークエリア、各種データを格納するデータ記憶エリアなどを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ２５ｃとを備えている。
【００３２】
なお、上述した測温抵抗体Ｒｓ、Ｒｔは、図２に示すようにＳｉ基板２６によって支持されるダイヤフラム２７上に設けられている。
【００３３】
次に、上述したように測温抵抗体Ｒｓが自己発熱する大きさの電流Ｉｓを流したときの測温抵抗体Ｒｓの抵抗値変化と、測温抵抗体Ｒｔが自己発熱しない大きさの電流Ｉｔを流したときの測温抵抗体Ｒｔの抵抗値変化について図３〜図６を参照して以下説明する。一般的に抵抗に電流を流すと熱が発生する。この熱量は抵抗に流す電流の大きさに依存する。抵抗に流す電流が大きくなるに従って抵抗には大きな熱量が発生する。抵抗に流す電流が小さくなるに従って抵抗には小さな熱量が発生する。
【００３４】
今、測温抵抗体Ｒｔが自己発熱しない電流Ｉｔを測温抵抗体Ｒｔに流してＨ2ガスを供給すると、図３に示すように、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値はＨ2ガスのガス温度に応じた値となる。測温抵抗体Ｒｔが自己発熱せずにその温度が周囲温度、即ちガス温度と等しいときは、Ｈ2ガスによって奪われる熱量がない。このため、図６に示すように、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値はＨ2ガスのガス濃度に対してまったく不感となる。
【００３５】
測温抵抗体Ｒｔの温度は、その周囲温度、即ちガス温度が高くなるに従って高くなり、ガス温度が低くなるに従って低くなる。このため、自己発熱しない電流Ｉｔを供給している間、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値はＨ2ガスのガス温度に応じた値となる。
【００３６】
一方、測温抵抗体Ｒｓが自己発熱する大きさの電流Ｉｓを測温抵抗体Ｒｓに流すと、測温抵抗体Ｒｓが自己発熱してその温度が周囲温度、即ちガス温度より高くなる。このとき測温抵抗体ＲｓにＨ2ガスを供給すると、Ｈ2ガスはその濃度に応じた熱量を測温抵抗体Ｒｓから奪う。従って、図４に示すように、測温抵抗体Ｒｓの温度はＨ2ガスのガス濃度に応じた値となる。測温抵抗体Ｒｓは温度に応じて抵抗値が変化する抵抗であるため、図５に示すように測温抵抗体Ｒｓの抵抗値はＨ2ガスのガス濃度に応じた値となる。
【００３７】
上述した構成のガス濃度検出装置の動作について図７を参照して以下説明する。図７はガス濃度検出装置を構成するＣＰＵ２５ａの処理手順を示すフローチャートである。まず、ＣＰＵ２５ａは所定のタイミングで濃度検出処理を行う。
【００３８】
まず、ＣＰＵ２５ａは、第１電圧検出手段として働き、上記測温抵抗体Ｒｓの抵抗値に応じた電圧である差ΔＶ１１を検出する（ステップＳ１）。ステップＳ１においてＣＰＵ２５ａは、マルチプレクサ２３を制御して差動増幅器ＯＰ１から出力される差ΔＶ１１をＡ／Ｄコンバーター２４に出力させる。そして、ＣＰＵ２５ａは、このときＡ／Ｄコンバーター２４から出力されるデジタル値を差ΔＶ１１として検出する。この差ΔＶ１１は上述したようにＨ2ガスのガス濃度に応じた値である。
【００３９】
次に、ＣＰＵ２５ａは、第２電圧検出手段として働き、上記測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた電圧である差Δ２１を検出する（ステップＳ２）。ステップＳ２においてＣＰＵ２５ａは、マルチプレクサ２３を制御して差動増幅器ＯＰ２から出力される差ΔＶ２１をＡ／Ｄコンバーター２４に出力させる。そして、ＣＰＵ２５ａは、このときＡ／Ｄコンバーター２４から出力されるデジタル値を差ΔＶ２１として検出する。この差ΔＶ２１は上述したようにＨ2ガスのガス温度に応じた値である。
【００４０】
その後、ＣＰＵ２５ａは、定電圧検出手段として働き、上記定電圧Ｖを検出する（ステップＳ３）。ステップＳ３においてＣＰＵ２５ａは、マルチプレクサ２３を制御して定電圧ＶをＡ／Ｄコンバーター２４に出力させる。そして、ＣＰＵ２５ａは、このときＡ／Ｄコンバータ２４から出力されるデジタル値を定電圧Ｖとして検出する。
【００４１】
次に、ＣＰＵ２５ａは、上記定電圧Ｖを差ΔＶ１１で除算して差ΔＶ１１を補正して、測温抵抗体Ｒｓの抵抗値を求める（ステップＳ４）。差ΔＶ１１は上述したように下記の式（４）で表される。
ΔＶ１１＝Ｒ１３×（１／Ｒ１２−１／Ｒｓ）×Ｖ …（６）
定電圧Ｖをこの差ΔＶ１１で除算することで、下記の式（１３）に示すようにΔＶ１１の項Ｖがキャンセルされる。
Ｖ／ΔＶ１１＝１／｛Ｒ１３×（１／Ｒ１２−１／Ｒｓ）｝ …（１３）
即ち、定電圧Ｖの変動に応じた差ΔＶ１１の変動分を除去することができる。その後、予め分かっている抵抗Ｒ１３、Ｒ１２を上記（９）式に代入して測温抵抗体Ｒｓの値を求める。上記測温抵抗体Ｒｓは定電圧Ｖの変動に影響されないガス濃度に比例した値である。
【００４２】
次に、ＣＰＵ２５ａは、上記定電圧Ｖを差ΔＶ２１で除算して差ΔＶ２１を補正して、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値を求める（ステップＳ５）。上述した差ΔＶ２１は上述したように下記の式（８）で表される。
ΔＶ２１＝｛（Ｒ２３−Ｒｔ）／Ｒ２２｝×Ｖ …（１２）
定電圧Ｖをこの差ΔＶ２１で除算することで、下記の式（１４）に示すようにΔＶ２１の項Ｖがキャンセルされる。
Ｖ／ΔＶ２１＝１／｛（Ｒ２３−Ｒｔ）／Ｒ２２｝ …（１４）
即ち、定電圧Ｖの変動に応じた差ΔＶ２１の変動分を除去することができる。その後、予め分かっている抵抗Ｒ２３、Ｒ２２を上記式（１４）に代入して測温抵抗体Ｒｔの値を求める。この測温抵抗体Ｒｔは定電圧Ｖの変動に影響されないガス温度に比例した値である。
【００４３】
その後、ＣＰＵ２５ａは、ガス濃度に応じた測温抵抗体Ｒｓとガス温度に応じた測温抵抗体Ｒｔとに基づいて補正演算することでガス温度の影響を除去したガス濃度を検出して（ステップＳ６）、処理を終了する。以上のことから明らかなようにステップＳ４〜Ｓ６においてＣＰＵ２５ａは濃度検出手段として働く。上述した測温抵抗体Ｒｓはガス濃度に比例した値である。また、測温抵抗体Ｒｔもガス温度に比例した値である。従って、上記補正演算が一次関数で済み、補正演算を簡素化することができる。
【００４４】
上述したガス濃度検出装置によれば、第２抵抗／電圧変換回路２１が、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値がＨ2ガスのガス温度に応じて変化するような大きさの電流を測温抵抗体Ｒｔに供給してその測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた電圧を発生させる。ＣＰＵ２５ａが、第２抵抗／電圧変換回路２１が発生した測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた電圧である差ΔＶ２１を検出して、差ΔＶ２１に基づいてＨ2ガスの濃度の温度補正を行う。従って、測温抵抗体Ｒｓ、Ｒｔを用いてガス濃度の影響を受けずにガス温度を正確に検出することができる。そして、検出したガス温度に基づいてガス温度の影響を除去したガスの濃度を検出することができ、Ｈ2ガスのガス温度の影響を受けずに正確にガス濃度を検出することができる。
【００４５】
また、上述したガス濃度検出装置によれば、ＣＰＵ２５ａが、検出した定電圧Ｖに基づいて差ΔＶ１１を補正する。従って、周囲温度の影響を受けて定電圧Ｖが変動しても、その定電圧の変動の影響を除去したガス濃度を検出することができる。このため、周囲温度に影響されない正確なガス濃度を検出することができる。
【００４６】
また、上述したガス濃度検出装置によれば、ＣＰＵ２５ａが、定電圧Ｖに基づいて差ΔＶ２１を補正する。従って、周囲温度の影響を受けて定電圧Ｖが変動しても、その定電圧Ｖの変動の影響を除去したΔＶ２１／Ｖに基づいてガス濃度の温度補正を行うことができる。このため、周囲温度に影響されない正確なガス濃度を検出することができる。
【００４７】
なお、上述した実施形態では、第１抵抗／電圧変換回路２０は測温抵抗体Ｒｓを含むブリッジ回路により構成されていたが、本発明はこれに限ったものではない。即ち、第１抵抗／電流回路２０は、測温抵抗体Ｒｓの抵抗値がＨ2ガスの濃度に応じて変化するような大きさの電流を測温抵抗体Ｒｓに供給して測温抵抗体Ｒｓの抵抗値に応じた電圧を発生させる回路であればよく、例えば図８に示すような構成であってもよい。
【００４８】
同図に示すように、第１抵抗／電圧変換回路２０は、測温抵抗体Ｒｓに直列に接続された抵抗Ｒ１１と、この抵抗Ｒ１１の両端に生じる電圧を出力する差動増幅器ＯＰ１とから構成されている。この場合、差動増幅器ＯＰ１から出力される差ΔＶ１１は下記の式（１５）に示す値となる。
ΔＶ１１＝｛Ｒ１１／（Ｒ１１＋Ｒｓ）｝×Ｖ …（１５）
今、Ｒ１１≪Ｒｓとなるように測温抵抗体Ｒｓ、抵抗Ｒ１１の値が設定されていると、差ΔＶ１１は下記の式（１６）で表される値となる。
ΔＶ１１＝（Ｒ１１／Ｒｓ）×Ｖ …（１６）
【００４９】
上述した抵抗Ｒ１１は温度に依存して抵抗値が変わるものではなく、抵抗値は常に一定である。従って、式（１６）に示す差ΔＶ１１は、測温抵抗体Ｒｓの抵抗値が大きくなるに従って小さくなり、測温抵抗体Ｒｓの抵抗値が小さくなるに従って大きくなる。即ち、上記実施形態と同様に式（１６）に示す差ΔＶ１１は測温抵抗体Ｒｓの抵抗値に応じた電圧と言える。
【００５０】
上述した実施形態と同様に、定電圧Ｖを式（１６）に示す差ΔＶ１１で除算すれば、式（１７）に示すように測温抵抗体Ｒｓに比例した値を得ることができる。
Ｖ／ΔＶ１１＝Ｒｓ／Ｒ１１ …（１７）
【００５１】
また、従来のように測温抵抗体Ｒｓの抵抗変化を電圧変化として出力するようなものであってもよい。
【００５２】
また、上述した実施形態では、第２抵抗／電圧変換回路２１は測温抵抗体Ｒｔを含むブリッジ回路により構成されていたが、本発明はこれに限ったものではない。即ち、第２抵抗／電圧変換回路２１は、測温抵抗体Ｒｔの抵抗値がＨ2ガスの温度に応じて変化するような大きさの電流を測温抵抗体Ｒｔに供給して測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた電圧を発生させる回路であればなんでもよい。例えば、差動増幅器ＯＰ２によって、測温抵抗体Ｒｔや、測温抵抗体Ｒｔに直列に接続された抵抗Ｒ２１に生じる両端電圧を測温抵抗体Ｒｔの抵抗値に応じた電圧として出力させてもよい。
【００５３】
また、上述した実施形態では、定電圧源２２を用いて測温抵抗体Ｒｓ、Ｒｔに電流を流していたが、本発明はこれに限ったものではなく、定電流源を用いて測温抵抗体Ｒｓ、Ｒｔに電流を流してもよい。
【００５４】
また、上述した実施形態では、定電圧源２２としては、測温抵抗体Ｒｓ、Ｒｔに対して共通のものを用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。定電圧源としては、測温抵抗体Ｒｓ、Ｒｔに対応して各々別々に設けても良い。
【００５５】
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明のガス濃度検出装置の一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１に示すガス濃度検出装置を構成する測温抵抗体及び抵抗が搭載されたＳｉ基台及びダイヤフラムを示す図である。
【図３】測温抵抗体Ｒｔに微少電流を流したときの測温抵抗体Ｒｔの抵抗値とガス温度との関係を示すグラフである。
【図４】測温抵抗体Ｒｓに大電流を流したときの測温抵抗体Ｒｓの温度とガス濃度との関係を示すグラフである。
【図５】測温抵抗体Ｒｓに大電流を流したときの測温抵抗体Ｒｓの抵抗値とガス濃度との関係を示すグラフである。
【図６】測温抵抗体Ｒｔに小電流を流したときの測温抵抗体Ｒｔの抵抗値とガス濃度との関係を示すグラフである。
【図７】図１に示すガス濃度検出装置を構成するＣＰＵの処理手順を示すフローチャートである。
【図８】他の実施形態におけるガス濃度検出装置を示す回路図である。
【図９】従来のガス濃度検出装置の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００５７】
２０ 第１抵抗／電圧変換回路（第１抵抗／電圧変換手段）
２１ 第２抵抗／電圧変換回路（第２抵抗／電圧変換手段）
２２ 定電圧源
２５ａ ＣＰＵ（第１電圧検出手段、第２電圧検出手段、濃度検出手段）
Ｉｓ 電流（第１の電流）
Ｉｔ 電流（第２の電流）
Ｒｓ 測温抵抗体（第１測温抵抗体）
Ｒｔ 測温抵抗体（第２測温抵抗体）
Ｒ１１ 抵抗（第１抵抗）
Ｒ２１ 抵抗（第２抵抗）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスの供給路に配置されて温度に依存して抵抗値が変化する第１測温抵抗体と、該第１測温抵抗体の温度が周囲温度よりも高くなるような大きさの第１の電流を前記第１測温抵抗体に供給して当該第１測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を発生させる第１抵抗／電圧変換手段と、該第１抵抗／電圧変換手段が発生した前記第１測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を検出する第１電圧検出手段と、該第１電圧検出手段が検出した前記第１測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧に基づいて前記被測定ガスの濃度を検出する濃度検出手段とを備えたガス濃度検出装置において、
前記被測定ガスの供給路に配置されて温度に依存して抵抗が変化する第２測温抵抗体と、
前記第２測温抵抗体の温度が周囲温度と等しくなるような大きさの第２の電流を前記第２測温抵抗体に供給して当該第２測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を発生させる第２抵抗／電圧変換手段と、
該第２抵抗／電圧変換手段が発生した前記第２測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を検出する第２電圧検出手段とを備えていることを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
前記第１抵抗／電圧変換手段が、前記第１測温抵抗体と直列接続される第１抵抗と、前記第１測温抵抗体及び前記第１抵抗からなる直列回路に定電圧を供給する定電圧源とを備えて、そして、
前記ガス濃度検出装置が、前記定電圧源から供給される定電圧を検出する定電圧検出手段を備えていることを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記第２抵抗／電圧変換手段が、前記第２測温抵抗体と直列接続される第２抵抗を備えて、そして、
前記定電圧源が、前記第２測温抵抗体及び第２抵抗からなる直列回路に前記定電圧を供給していることを特徴とする請求項２記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
前記第２抵抗／電圧変換手段が、前記第２測温抵抗体と直列接続される第２抵抗と、前記第２測温抵抗体及び前記第２抵抗からなる直列回路に定電圧を供給する定電圧源とを備えて、そして、
前記ガス濃度検出装置が、前記定電圧源から供給される定電圧を検出する定電圧検出手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のガス濃度検出装置。
【請求項１】
被測定ガスの供給路に配置されて温度に依存して抵抗値が変化する第１測温抵抗体と、該第１測温抵抗体の温度が周囲温度よりも高くなるような大きさの第１の電流を前記第１測温抵抗体に供給して当該第１測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を発生させる第１抵抗／電圧変換手段と、該第１抵抗／電圧変換手段が発生した前記第１測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を検出する第１電圧検出手段と、該第１電圧検出手段が検出した前記第１測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧に基づいて前記被測定ガスの濃度を検出する濃度検出手段とを備えたガス濃度検出装置において、
前記被測定ガスの供給路に配置されて温度に依存して抵抗が変化する第２測温抵抗体と、
前記第２測温抵抗体の温度が周囲温度と等しくなるような大きさの第２の電流を前記第２測温抵抗体に供給して当該第２測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を発生させる第２抵抗／電圧変換手段と、
該第２抵抗／電圧変換手段が発生した前記第２測温抵抗体の抵抗値に応じた電圧を検出する第２電圧検出手段とを備えていることを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
前記第１抵抗／電圧変換手段が、前記第１測温抵抗体と直列接続される第１抵抗と、前記第１測温抵抗体及び前記第１抵抗からなる直列回路に定電圧を供給する定電圧源とを備えて、そして、
前記ガス濃度検出装置が、前記定電圧源から供給される定電圧を検出する定電圧検出手段を備えていることを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記第２抵抗／電圧変換手段が、前記第２測温抵抗体と直列接続される第２抵抗を備えて、そして、
前記定電圧源が、前記第２測温抵抗体及び第２抵抗からなる直列回路に前記定電圧を供給していることを特徴とする請求項２記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
前記第２抵抗／電圧変換手段が、前記第２測温抵抗体と直列接続される第２抵抗と、前記第２測温抵抗体及び前記第２抵抗からなる直列回路に定電圧を供給する定電圧源とを備えて、そして、
前記ガス濃度検出装置が、前記定電圧源から供給される定電圧を検出する定電圧検出手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のガス濃度検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−２８５８４８（Ｐ２００７−２８５８４８Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１１３１０４（Ｐ２００６−１１３１０４）
【出願日】平成１８年４月１７日（２００６．４．１７）
【出願人】（０００００６８９５）矢崎総業株式会社 (7,019)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１７日（２００６．４．１７）
【出願人】（０００００６８９５）矢崎総業株式会社 (7,019)
【Ｆターム（参考）】
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