(57)【要約】【課題】温度に依存せず、迅速で堅牢に直流電圧を抑制できる、改善されたアナログセンサ信号処理方法の提供。【解決手段】アナログセンサ信号は、オペアンプ（４０２）により増幅される。増幅されたアナログセンサ信号は、計測されると共に閾値と比較される。増幅されたアナログセンサ信号及び閾値の差の関数として、直流電圧が発生する。アナログセンサ信号及び直流電圧から、合成信号が形成される。この合成信号は増幅され、出力信号が出力される。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オペアンプによりアナログセンサ信号を増幅する工程と、
増幅された前記アナログセンサ信号を計測する工程と、
前記増幅されたアナログセンサ信号を閾値と比較する工程と、
前記増幅されたアナログセンサ信号及び前記閾値の差の関数として直流電圧を発生する工程と、
前記アナログセンサ信号及び前記直流電圧の合成信号を形成する工程と、
前記合成信号を増幅し、出力信号を出力する工程と
を具備することを特徴とするアナログセンサ信号の処理方法。
【請求項２】
前記直流電圧発生工程は、前記閾値に到達しない場合には第１の直流電圧を発生し、前記閾値を超える場合には第２の小さな直流電圧を発生する工程を具備することを特徴とする請求項１記載のアナログセンサ信号の処理方法。
【請求項３】
前記直流電圧発生工程は、前記差の関数としてパルス幅変調信号のパルスデューティーファクタを調整し、前記直流電圧に変換するために前記パルス幅変調信号を濾波する工程を具備することを特徴とする請求項１又は２記載のアナログセンサ信号の処理方法。
【請求項４】
前記直流電圧は、前記パルス幅変調信号の時間にわたる電圧の積分値に比例することを特徴とする請求項２記載のアナログセンサ信号の処理方法。
【請求項５】
前記増幅されたアナログセンサ信号の計測工程は、前記増幅されたアナログセンサ信号をデジタル信号に変換し、制御デバイスを使用して前記デジタル信号を評価する工程を具備することを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項記載のアナログセンサ信号の処理方法。
【請求項６】
前記閾値は、前記制御デバイスの最大作動電圧であることを特徴とする請求項５記載のアナログセンサ信号の処理方法。
【請求項７】
前記アナログセンサ信号は焦電センサが発生することを特徴とする請求項１ないし６のうちいずれか１項記載のアナログセンサ信号の処理方法。
【請求項８】
前記アナログセンサ信号は、二酸化炭素ガスの存在、濃度の一方又は両方を示すことを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１項記載のアナログセンサ信号の処理方法。
【請求項９】
アナログセンサ信号を処理する被計測値処理デバイスであって、
前記アナログセンサ信号を増幅するオペアンプ（４０２）と、
増幅された前記アナログセンサ信号を計測すると共に、前記増幅されたアナログセンサ信号を閾値と比較する制御デバイス（４０６）と、
前記増幅されたアナログセンサ信号及び前記閾値の差の関数として発生した直流電圧とを具備し、
前記オペアンプは、前記アナログセンサ信号及び前記直流電圧の合計を増幅し、出力信号を出力することを特徴とする被計測値処理デバイス。
【請求項１０】
前記被計測値処理デバイスは、前記増幅されたアナログセンサ信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタルコンバータ（４０４）をさらに具備し、
前記制御デバイスは前記デジタル信号を評価することを特徴とする請求項９記載の被計測値処理デバイス。
【請求項１１】
前記制御デバイスは、前記差の関数としてパルス幅変調信号のパルスデューティーファクタを調整するよう構成され、
前記被計測値処理デバイスは、前記直流電圧に変換するために前記パルス幅変調信号を濾波するフィルタ（４１０）を具備することを特徴とする請求項９又は１０記載の被計測値処理デバイス。
【請求項１２】
放射を放出する少なくとも１個の放射源（１０２）と、少なくとも１種の被計測物に含まれる計測ガスで充填されるガス計測室（１０４）、及び前記被計測物の存在、濃度に依存するアナログセンサ信号を発生する少なくとも１個の放射検出ユニット（１０８）を具備するガスセンサ組立体（１００）において、
該ガスセンサ組立体は、前記アナログセンサ信号を検出すると共に、増幅された出力信号を出力する被計測値処理デバイスをさらに具備し、
該被計測値処理デバイスは、請求項１ないし８のうちいずれか１項記載の方法を実行するよう構成されていることを特徴とするガスセンサ組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アナログセンサ信号処理方法、及びオペアンプ（operational amplifier）の使用方法に関する。本発明は特に、ガスセンサで使用するためのこの種の方法、関連するガスセンサ組立体及び計測値処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
公知のガスセンサ組立体は、放射を放出する放射源、少なくとも１種の被計測物に含まれる計測ガスで充填されるガス計測室、及び放射を検出して被計測物の存在、濃度に依存する出力信号を発生する少なくとも１個の放射検出器を具備する。例えば二酸化炭素又はメタン等の可能な限り広い範囲の被計測物を検出するこの種のガスセンサ組立体は公知である。従来のガスセンサは、赤外線波長レンジで放射を吸収する多原子ガスの性質に基づいている。この場合、赤外線は、有極性分子の双極子モーメントとの協働で回転及び振動発振を励起することにより、分子を励起することができる。このため、赤外線の熱エネルギーはガスに伝導され、同様にガス容積を通過する赤外線ビームの強度が減少する。この点、関連するガスの各特性における波長での励起状態に応じて、例えば二酸化炭素の場合は4.25μｍで、吸収が生ずる。
【０００３】
今日、特に二酸化炭素の検出が多数の応用分野で重要性を増しつつある。このため、例えば自動車分野では、暖房及び空調システムのエネルギー効率を向上させるため、客室の二酸化炭素濃度を監視するために二酸化炭素検出が使用されるので、必要時、すなわち二酸化炭素濃度が高い場合にのみ、対応する換気扇の起動によって新鮮な空気が供給される。さらに、最新の自動車用空調システムはまた、二酸化炭素を冷媒として使用しているので、二酸化炭素ガスセンサは、故障の際の二酸化炭素漏れに関連した自動車分野の監視機能を満たす。特に自動車分野では、ガスセンサは、堅牢性、信頼性及び小型化可能性の最も過酷な要求事項を満たさなければならない。さらに、安全用途のために、センサの応答時間は、所定の制限値を超えてはならない。
【０００４】
特許文献１は、ガスセンサ組立体と、早期警報付きの計測方法を開示する。特に、文献は、パルスの形態の放射を放出する放射源に関する。さらに、特許文献２は、時間の関数を用いて時間プロフィールに関連して説明される時間不連続(time-discrete)の計測値の処理方法に関する。この文献に従った方法は、所望の過渡応答を達成する被計測値フィルタを使用する。
【０００５】
多くのガスセンサ組立体において、「焦電センサ」（パイロセンサ）は、赤外線放射を評価するための検出デバイスとして使用される。このような焦電センサにより出力されるアナログセンサ信号は、計測の性質のため、大きなオフセット電圧及び小さな振幅を有する。信号をさらに処理し分析するために、このオフセット電圧を除去しながら、アナログセンサ信号の振幅を増幅すると有用である。
【０００６】
例えば図１に示されるような公知の組立体において、センサ３０２によるアナログ信号出力は、オペアンプ３０４で増幅される。次に、補正されたアナログ信号が別のオペアンプ３０８で増幅される前に、この増幅された信号のオフセット電圧がキャパシタ３０６により除去される。そして、オフセット電圧のない増幅アナログ信号は、マイクロコントローラ３１０でさらに処理される。
【０００７】
図２ないし図５の４曲線は、アナログセンサ信号が図１の組立体を用いてどのように調整されるかを示す。検出器による信号出力は、図２では非常に小さい振幅であるが、大きな直流電圧を有することが明らかである。オペアンプ３０４は、弱い信号を増幅するが、直流電圧をも増幅するので、増幅された信号は後の評価のダイナミックレンジをおそらく残す。キャパシタ３０６は直流電圧を除去し（図４参照）、オペアンプ３０８は、容易に計測される程度までこの補正された信号を増幅する。（図５参照）
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００５０３２７２２号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００６０１９７０５．４号明細書
【特許文献３】独国特許第１９８４６４６１号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第０２６１４５２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
結合キャパシタ３０６のキャパシタンスは高い温度依存性があるが、所与の作動温度が保証されないので、自動車分野では問題を生ずる。−40〜＋85℃の温度範囲において、キャパシタの例えば高いキャパシタンスが変化し、さらにこの特性は長期にわたって安定しない。この結合キャパシタ３０６はまた、その寸法のため、組立体へ容易に一体化することに適していないので、設計が複雑で高価である。
【０００９】
従って、本発明は、温度に依存せず、迅速で堅牢に直流電圧を抑制できる、改善されたアナログセンサ信号の処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的は、独立請求項の主題により達成される。本発明の更なる利点は、従属請求項の主題を構成する。
【００１１】
本発明は、キャパシタを使用することなくオフセット電圧を除去できれば、オフセット電圧のない純粋なアナログセンサ信号の増幅時に、温度応答が改善されるという技術思想に基づいている。この目的のために、オペアンプの出力信号は帰還され、オフセットを最小にする。
【００１２】
本発明によれば、簡単で、温度に依存しない線形制御が全電圧範囲にわたって達成される。本発明によれば、必要なマイクロコントローラ線が少数、例えば、１本の信号線のみであるので、より有利で小さいプロセッサの選択が可能になるという利点がある。これはまた、電流負荷が小さく、独立した制御が自立したマイクロコントローラ周辺機器を用いて、特に一体化したＵＡＲＴ（汎用非同期受信器／送信器）を用いて可能であることを意味する。これは、マイクロコントローラＣＰＵ（中央処理ユニット）の負担軽減という結果になり、少ないプログラムメモリ消費で、簡単な調整機構を使用できることを意味する。
【００１３】
直流電圧を制御するためにパルス幅変調信号の本発明に従った使用は、迅速な範囲の振動の可能性のため、時間の最適化という利点を有する。
【００１４】
本発明に従った解決手段はまた、ガス濃度が突然増加した場合、アナログセンサ信号のより迅速な処理を保証できるという利点を有する。
【００１５】
本発明に従った被計測値の処理の有利な特徴は、例えば自動車分野において、漏れ点から漏れる二酸化炭素を監視すること、及び客室の空気の品質を検査することの両方のために、二酸化炭素を検出するのに使用されるガスセンサ組立体に特に活用することができる。しかし、言うまでもないが、本発明に従った原理はまた、任意の他の所望のガスの検出に関連して使用することができ、大きな直流電圧を有する計測信号が評価される必要がある全てのセンサにとって重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面に図示される有利な実施形態を参照して、本発明をより詳細に説明する。本発明に従った主題の同様な又は対応する詳細には、同一の参照番号が付される。
【００１７】
アナログセンサ信号を増幅するための、本発明に従ったガスセンサ組立体の構造及び本発明に従った方法の作動モードを、図を参照して以下に詳細に説明する。
【００１８】
図６に示されるように、検出器ユニット１０８は、混合ガスの濃度に依存する放射エネルギーを検出する。言うまでもないが、検出器ユニット１０８用の入力信号は特にガス濃度である必要はないが、任意の所望のセンサは、本発明の原理に従って時間応答に影響を受けてもよい。検出器ユニット１０８は、オフセットを有する時間不連続の検出器信号１０９を供給する。
【００１９】
図６は、本発明に従ったフィルタユニットを使用するガスセンサ組立体の概略を示す。図６に示されるように、本発明に従ったガスセンサ組立体１００は、本明細書では広帯域赤外線放射源である放射源１０２を有する。原理上、図示のガスセンサ組立体１００は、いわゆるＮＤＩＲ（非分散赤外線）センサである。赤外線放射源１０２に加えて、必要不可欠の部品は、ガス計測室１０４、波長フィルタ１０６、及び検出ユニット１０８としての赤外線検出器である。温度は、温度センサ１１８で計測することができる。ガス成分が検出される被計測ガス１１０は、入口１１２及び出口１１４で記号化されるように、ガス計測室１０４内に送り込まれるか、又はガス計測室１０４内に拡散される。狙ったガスの存在、濃度は、赤外線レンジの特定波長の吸収により、上述したように電気光学的に決定できる。図２は、光源のオン及びオフ切換えに応じた検出器信号のダイナミックプロフィールを示す。
【００２０】
放出された赤外線放射１１６は、ガス計測室１０４を通って検出器１０８に案内される。検出されるガス分子が吸収する波長レンジのみを通過させる光学フィルタは、検出器１０８に配置される。他のガス分子は通常、他の特定波長の光を吸収するので、検出器１０８に到達する放射量に影響を与えない。任意の適当な赤外線検出器を検出器ユニットとして使用してもよく、本発明に従った方法は特定のタイプの検出器に適合することができる。
【００２１】
検出器１０８は、例えば焦電要素（pyroelement）、赤外線熱電対、又はフォトダイオードであってもよい。適当な各検出器は、それぞれの要求事項に従って選択すべきである。例えば、フォトダイオードは比較的安価な部品であるという利点があるのに対し、熱電対検出器としても知られる熱電対は選択されたスペクトルレンジにおける放射の吸収が特に高く且つ一様であるという利点がある。最後に、焦電センサは、感度が高く小型に製造可能であるという利点を有する。
【００２２】
焦電センサが変動に応答するのみであるので、赤外線信号は、ダイナミック信号を発生するために、放射源１０２によってパルス化される。このため、検出器ユニットにより供給される被計測値は、図２に示されるように指数関数を満たす時間不連続な値の形態で現れる。
【００２３】
制御手段１２０は、一方で放射源１０２を駆動し、他方で検出器１０８からの検出器信号を受信し、本発明の原理に従って検出器信号を処理する。特に制御手段は、検出信号をオフセットなしで増幅出力信号に変換するフィルタユニット１０９を有する。
【００２４】
図７に示されるように、アナログセンサ信号は、オペアンプ４０２の入力部に供給される。オペアンプの出力信号は、制御デバイス４０６により制御されるアナログ・デジタルコンバータ４０４に接続される。制御デバイス４０６はまた、パルス幅変調信号を出力するパルス幅変調信号発生器４０８を制御する。フィルタ４１０は、オペアンプ４０２の別の入力に供給される前に、このパルス幅変調信号を濾波する。
【００２５】
本発明に従った被計測値処理デバイスの作動モードを以下に説明する。
【００２６】
マイクロコントローラに制御された電圧はオペアンプ４０２のアナログセンサ信号に付加され、差は出力信号に同時に増幅される。マイクロコントローラ４０６は出力信号を計測する。この目的のために、オペアンプ４０２からの増幅されたアナログ出力信号をマイクロコントローラ４０６用にデジタル入力信号に変換するアナログ・デジタルコンバータ４０４が使用される。マイクロコントローラ４０６は、デジタル入力信号及び所定の閾値を使用して信号を補正する。
【００２７】
この閾値は、マイクロコントローラ４０６の作動電圧により決定することができる。しかし、他の要素も一翼を担ってもよい。オペアンプ４０２の出力信号が所定範囲内にない場合、フィルタ４１０により、次にオフセット信号を抑制するために直流により滑らかにされた電圧パルス幅変調信号を使用して対策が採られる。この結果は、図５の時間プロフィールに見られるように、オフセット電圧のない純粋なアナログ信号の増幅である。このようにして、増幅されたアナログセンサは、動作計測範囲へ強制される。
【００２８】
本発明において、アナログセンサ信号は図３の信号に対応し、ＰＷＭ信号は（マイクロコントローラ４０６により制御された）異なる幅及び間隔を有する純粋な矩形波である。続くフィルタ４１０は、矩形波を、入ってくる矩形波の面積に比例する定電圧に変換する。このため、矩形波のパルス対幅の比が変化すると、面積、このためフィルタ４１０の定電圧ダウンストリームが変化する。
【００２９】
マイクロコントローラ４０６は例えば、出力信号電圧がその最大作動電圧に到達することを時間プロフィール内で検出することができる。信号は、マイクロコントローラ４０６に対して内部のアナログ・デジタルコンバータ４０４に到達する。このコンバータは、基準電圧までの信号を認めるのみである。次に、パルス幅変調信号は、より小さな定電圧がフィルタ４１０の下流で発生するように（より小さなパルス幅の比となるように）、変化する。オペアンプ４０２は、この場合、より小さくなった２信号の合計（合成）を形成し、より良好な信号評価を得るために同時にその結果を増幅する。次に、オペアンプ４０２の信号出力は、図５の「U OP2」信号と比較可能である。
【００３０】
時間プロフィールにわたって被計測値を記録している間、パルス幅変調信号（パルス幅の比）は、必然的に一定にならなければならない。計測後、任意であるが調整を実行（パルス幅の比が変化）してもよいし、次に新たな計測が開始する。
【００３１】
図８は、本発明に従った方法をフローチャートの形態で示す。焦電センサの出力信号は、オペアンプにより工程５０２でアナログセンサ信号として増幅される。従って、アナログセンサ信号のオフセットはまた、この工程で増幅される。この増幅されたアナログセンサ信号は、工程５０４で計測されると共に工程５０６で閾値と比較される。この閾値は、制御デバイスの最大作動電圧にとりわけ依存する所定電圧である。マイクロコントローラは、パルス幅変調信号の濾波の後、直流電圧が得られる（工程５０８）という効果が得られるようパルス幅変調信号の発生を制御する。直流電圧の値は、オペアンプの出力信号従って増幅されたアナログセンサ信号、及び所与の閾値の間の差に依存する。
【００３２】
次に、オペアンプは、工程５１０でこの直流電圧をアナログセンサ信号に加え、出力信号を出力するために工程５１２でこの成分信号を増幅する。
【００３３】
工程５０８で増幅されたアナログセンサ信号及び閾値の差がより小さいほど、加えられる直流電圧はより小さくなるべきであるので、オペアンプの出力信号は小さなオフセットを有するのみである。逆に、増幅されたアナログセンサ信号及び閾値の差が大きい場合、加えられる直流電圧はより大きくなるべきである。この理由は、オペアンプの出力信号はマイクロコントローラの作動電圧が過大になることなく、可能な最も大きい程度まで増幅されるべきであるからである。このため、利用可能な振幅が利用されるべきである。増幅されたアナログセンサ信号、すなわち焦電センサの増幅された出力信号は、マイクロコントローラの作動電圧に既に近い場合、加えられる量は多くはないが、焦電センサの増幅された出力信号が弱い場合、マイクロコントローラの最大作動電圧が達成される前に、より大きな直流電圧が加えられる。ここでは、基準変数が常に増幅されたアナログセンサ信号、すなわちオペアンプの出力信号であると仮定される。
【００３４】
ガスセンサの多くの用途では、信号の最終値のみならず、特に問題の変数である信号の傾斜もまた然りである。
【００３５】
図２ないし図５を参照して、これをより詳細に説明する。焦電センサの出力信号は図２に与えられる。図３で明らかであるように、この信号は増幅されているので、信号の振幅が増幅され、オフセットも拡大する。図３におけるこの信号は、増幅されたアナログセンサ信号である。次に、オペアンプの出力信号は図５に図示される。図５からは、オフセットが小さくされ、信号の振幅が増幅されることを明瞭に見ることができる。この効果は、例えば自動利得制御（ＡＧＣ）を用いて達成することはできない。オフセットが常に増幅されるからである。
【００３６】
本発明に従った被計測値処理では、特にガスセンサに関連して、突然増加したガス濃度値に対して、センサシステム全体によってより迅速な応答を達成することが可能である。上述の説明は特定のＮＤＩＲ二酸化炭素センサの場合について言及しているが、本発明は、オフセットを有するアナログセンサ信号が存在する全センサシステムに適用可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】公知の被計測値処理デバイスの回路図である。
【図２】図１の組立体の時間に対する信号プロフィールを示すグラフである。
【図３】図１の組立体の時間に対する信号プロフィールを示すグラフである。
【図４】図１の組立体の時間に対する信号プロフィールを示すグラフである。
【図５】図１の組立体の時間に対する信号プロフィールを示すグラフである。
【図６】本発明に従ったガスセンサユニットの概略図である。
【図７】本発明に従った被計測値処理デバイスの概略図である。
【図８】本発明に従った方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００３８】
１００  ガスセンサ組立体
１０２  放射源
１０４  ガス計測室
１０８  検出ユニット
４０２  オペアンプ
４０４  アナログ・デジタルコンバータ
４０６  制御デバイス
４１０  フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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