JP2006337243A - 接触燃焼式ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【目的】 実ガスによって検査しなくても、ガスセンサ自身で自己の劣化等の異常を検知できるようにする。
【構成】検知対象ガスを接触により燃焼させる酸化触媒を設けた熱伝導層中にヒータコイルを埋設した検知素子と、酸化触媒を有しない熱伝導層中に同等のヒータコイルを埋設した補償素子と、２個の抵抗素子とによってホイートストンブリッジ回路を構成し、そのホイートストンブリッジ回路に直流電圧を印加し、上記検知素子と補償素子の続点と上記２個の抵抗素子の接続点との間の電圧を検出信号として出力するようにしたガス検知部１０を備えた接触燃焼式ガスセンサにおいて、自己診断部２０を設けた。その自己診断部２０は、初期状態において上記ホイートストンブリッジ回路に印加する直流電圧の電圧値の変化に対する上記検出信号の電圧変化の傾きと、使用状態における上記印加する直流電圧の電圧値の変化に対する上記検出信号の測定値による電圧変化の傾きとを比較して、センサ異常を診断する機能を有する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、各種のガス漏れを検知する接触燃焼式ガスセンサに関し、特に長期間の使用による劣化や動作異常を自己診断できるようにした接触燃焼式ガスセンサに関する。

従来から、水素ガスやメタンガス等の可燃性ガスを検知するセンサとして、接触燃焼式ガスセンサが知られている。接触燃焼式ガスセンサは、検知対象ガスを接触により燃焼させる酸化触媒を表面に被覆するか担持する熱伝導層（触媒担体）中にヒータコイルを埋設した検知素子を使用し、その検知素子のヒータコイルに通電して所定の温度に加熱しておき、可燃性ガスが酸化触媒に接触して燃焼すると、その燃焼による温度上昇によりヒータコイルの抵抗値が変化するので、それを電圧として検出することにより燃焼ガスの存在を検知するものである（例えば、特許文献１参照）。

また、周囲温度の変化による影響を補償するために、上記検知素子と直列に補償素子を接続し、２個の抵抗を直列に接続した直列回路と並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成し、その並列回路の両端間に直流電圧を印加し、検知素子と補償素子の接続点と２個の抵抗の接続点との間の電圧を検出するようにしたガス検知装置も、同じ特許文献１に記載されている。この場合の補償素子としては、検知素子と同じ電気的特性をもつヒータコイルを酸化触媒を被覆も担持もしない熱伝導層中に埋設したものを使用する。
特開平３−１６２６５８号公報

このような接触燃焼式ガスセンサは、家庭用及び産業用の可燃性ガスを使用する各種の機器内や、それが設置された室内等におけるガス漏れ検知装置として多用されている。
しかしながら、接触燃焼式ガスセンサは長期間に亘って使用するものであるから、検知素子等の劣化や回路の動作不良などが生じる恐れがあり、しかも実際にガス漏れが発生することは滅多にないため、そのような異常が発生していても判らないという問題があった。

そのため、従来は実際に検知対象ガスを使用して検知動作の検査を行ったり、検査比較用あるいは安全性を高めるために２系統のガスセンサを設けたりしていた。
しかし、実ガスによる検査を定期的に行うのは手間がかかり、特に家庭用の小規模なシステムに設けられたガスセンサまで検査員が個々に訪問して検査するのは困難である。また、２系統のガスセンサを設けるのはコスト高になり、やはり小規模なシステムなどには採用しにくいという問題があったし、２系統設けても両方とも動作不良なってしまう恐れもないとは云えなかった。

この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、接触燃焼式ガスセンサに劣化等の異常が発生した場合に、実ガスによって検査しなくても、ガスセンサ自身でそれを検知して知らせることができるようにすることを目的とする。

この発明は、図１の機能ブロック図に示すように、検知対象ガスを接触により燃焼させる酸化触媒を表面に被覆するか担持する熱伝導層中にヒータコイルを埋設した検知素子と、酸化触媒を有しない熱伝導層中に上記ヒータコイルと電気的特性が同じヒータコイルを埋設した補償素子とを直列に接続した第１の直列回路と、第１の抵抗素子と第２の抵抗素子とを直列に接続した第２の直列回路とを並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成し、上記第１の直列回路と第２の直列回路の接続点間に直流電圧を印加し、上記検知素子と補償素子との接続点と上記第１の抵抗素子と第２の抵抗素子との接続点との間の電圧を検出信号として出力するようにしたガス検知部１０を備えた接触燃焼式ガスセンサにおいて、上記の目的を達成するため自己診断部２０を設けたことを特徴とする。

その自己診断部２０は、初期状態における上記接続点間に印加する上記直流電圧の電圧値の変化に対する上記検出信号の電圧変化の傾きと、使用状態における上記接続点間に印加する上記直流電圧の電圧値の変化に対する上記検出信号の測定値の電圧変化の傾きとを比較して、センサ異常を診断する機能を有する。

この接触燃焼式ガスセンサにおいて、上記自己診断部が次の（ａ）〜（ｅ）の各手段を有するように構成するとよい。
（ａ）初期状態における上記接続点間に印加する上記直流電圧の電圧値の変化に対する上記検出信号の電圧変化又はその傾きを記憶する初期値記憶手段１１、
（ｂ）使用状態において、前記接続点間に印加する前記直流電圧の電圧値の変化に対する前記検出信号の電圧変化を測定する測定手段１２、
（ｃ）該測定手段によって測定された前記検出信号の電圧変化からその傾きを算出する傾き演算手段１３、
（ｄ）該傾き演算手段によって算出された傾きと、前記初期値記憶手段に記憶されている傾きの初期値又は前記記憶されている検出信号の電圧変化から算出される傾きの初期値とから、傾きの変化率を演算する変化率演算手段１４、
（ｅ）該変化率演算手段によって算出された傾きの変化率が基準値を超えたときにセンサ異常と診断する診断手段１５、

さらに、上記接触燃焼式ガスセンサにおける上記各手段を次のように構成するとよい。
初期値記憶手段１１を、初期状態において上記接続点間に印加する上記直流電圧を定格電圧と該定格電圧より所定比率だけ増加及び減少させた各電圧に切り替えた場合の上記検出信号の各電圧又はその各電圧から算出されるゼロ点の傾きの初期値を記憶する手段とする。
測定手段１２を、使用状態において、上記接続点間に印加する上記直流電圧を定格電圧と該定格電圧より上記所定比率だけ増加及び減少させた各電圧に自動的に切り替えて、その各電圧を印加したときの上記検出信号の各電圧を測定する手段とする。

傾き演算手段１３を、上記測定手段１２によって測定された各電圧値からゼロ点の傾きを演算する手段とする。
変化率演算手段１４を、上記傾き演算手段１３によって算出されたゼロ点の傾きと、上記初期値記憶手段１１に記憶されているゼロ点の傾きの初期値又は上記記憶されている検出信号の各電圧から演算されるゼロ点の傾きの初期値とから傾きの変化率を演算する手段とする。

これらの接触燃焼式ガスセンサにおいて、上記自己診断部２０は、当該センサが取り付けられている機器からの指示によって、センサ異常の自己診断動作を開始する機能を有するとよい。
あるいは、上記自己診断部２０は、設定された時間間隔で周期的にセンサ異常の自己診断動作を開始する機能を有するようにしてもよい。
そして、上記検知対象ガスが水素ガスであれば、燃料電池システムにおける水素ガスの漏れを検知するガスセンサとして極めて有効である。

この発明による接触燃焼式ガスセンサは、劣化等の動作不良が発生した場合に、実ガスによって検査しなくても、ガスセンサ自身でそれを検知して知らせることができるので、燃焼性ガスを使用するシステムや機器の安全性を高めることができ、しかも点検のための余分なコストがかからずに済む。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
図２は、この発明による接触燃焼式ガスセンサの一実施例に使用するセンサ本体の構成を示す部分断面図である。
このセンサ本体３は、セラミックや樹脂からなる板状のマウントベース３１を貫通する外部接続用の電極ピン３２，３３に、検知素子２の両端のリード部２５を固定している。また、この図には現れていないが、検知素子２に並んで、検知素子２のヒータコイルと同一構成で電気的特性が同じヒータコイルを備えた補償素子が設けられている。この検知素子２と補償素子は、マウントベース３１と、ガス透過性を有する金網又は金属粉もしくはセラミック粉の焼結体からなる防爆構造体３４によって囲まれている。

図３は、検知素子２の構成例を示す断面図である。この検知素子２は、ヒータコイル２２のビード部２４を熱伝導層２１に埋設し、その熱伝導層２１の表面に酸化触媒層２３を被覆させている。
ヒータコイル２２は、白金線、白金−ロジウム合金等の白金系合金線で線径が１０μｍ〜５０μｍ、より好ましくは２０μm〜３０μｍ程度の原線を芯金に巻き付けて一重巻回コイルを作成し、それを再度芯金に巻き付けてビード部２４となる部分を二重巻きにしている。このようにするとヒータコイル２２の熱伝導層２１との接触面積が大きくなると共に抵抗値が高くなるので、高いガス感度が得られる。また、リード部２５も一重巻回コイルになっているため、外部からの衝撃を吸収することができ、衝撃に強いセンサとなる。しかし、これに限るものではなく、従来の一般的なヒータコイル、すなわちビード部が一重巻回コイルで、リード部は直線状のものを使用してもよい。

熱伝導層２１は、例えばアルミナ（酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃）により構成される。図示していない補償素子の熱伝導層も同じ材料で同じ熱容量になるように構成される。酸化触媒層２３は、検知対象の可燃性ガスに応じた酸化金属からなる。そして、その酸化触媒層２３はヒータコイル２２の両端に電圧が印加されることによって、検知対象の可燃性ガスに応じた温度に加熱される。検知対象ガスがメタンガスの場合、酸化触媒層２３は約４５０℃に加熱される。なお、補償素子の熱伝導層には酸化触媒を被覆しない。

酸化触媒層２３は、検知対象ガスを接触により酸化燃焼させる触媒であり、例えば酸化スズ（ＳｎＯ₂）に白金（Ｐｔ）とパラジウム（Ｐｄ）を分散させたものを使用する。
検知対象ガスとしては、例えば、メタンガス、水素ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、プロパンガス、ブタンガス、エチレンガス、一酸化炭素ガス、またはエタノールやアセトン等の有機成分ガスが挙げられる。

図４は、図１に示したガス検知部１０を構成するホイートストンブリッジ回路とそれに直流電圧を印加する電源による回路図である。
ガス検知部１０は、センサ本体３の検知素子（Ｄ素子）２と補償素子（Ｃ素子）４とを直列に接続した第１の直列回路と、第１の抵抗素子５１と第２の抵抗素子５２とを直列に接続した第２の直列回路とを並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成している。そして、第１の直列回路と第２の直列回路の接続点ａ−ｂ間に電源５によって直流電圧を印加し、検知素子２と補償素子４との接続点Ａと第１の抵抗素子５１と第２の抵抗素子５２との接続点Ｂとの間の電圧Ｖout を検出信号として出力する。

ここで、検知素子２、補償素子４、第１の抵抗素子５１、および第２の抵抗素子５２の各通電抵抗値を、それぞれＲ_Ｄ，Ｒ_Ｃ，Ｒ_１，Ｒ_２とすると、Ｒ_１×Ｒ_２＝Ｒ_Ｄ×Ｒ_Ｃのときに、ホイートストンブリッジ回路の出力電圧Ｖout はゼロボルト（０mV）になる。なお、第１の抵抗素子５１と第２の抵抗素子５２は同じ抵抗値で温度特性も同じものを使用するのが望ましい。

出力電圧を可変し得る電源５により、検知素子２のヒータコイル２２と補償素子４のヒータコイルの直列回路に定格電圧を印加すると、検知素子２および補償素子４にその動作温度が生成され、清浄な大気中においては、各素子が内蔵するヒータコイルからの熱供給成分と大気中に発散される放熱成分との平衡状態における各通電抵抗値Ｒ_Ｄ，Ｒ_Ｃに依存した出力電圧Ｖout が得られる。このときの出力電圧を「ゼロ点値」という。もし検知対象ガスが存在して、それが検知素子２の酸化触媒層２３に接触して燃焼すると、ヒータコイル２２の温度が上昇してその通電抵抗値Ｒ_Ｄのみが増加するので、出力電圧Ｖoutはガス感度に応じた分だけプラス（＋）側に上昇する。

図５は、この発明による接触燃焼式ガスセンサの具体的な実施例の構成を示すブロック図である。図６はその診断用マイクロコンピュータ７による自己診断処理の内容を示すフローチャートである。
図５に示すガスセンサ１は、接触燃焼式ガスセンサであり、図４に示したガス検知部１０及び電源５と、Ａ−Ｄ変換回路６及び診断用マイクロコンピュータ７とによって構成されている。

診断用マイクロコンピュータ７は、通常のマイクロコンピュータと同様に、中央処理装置であるＣＰＵ、読み出し専用メモリであるＲＯＭ、書き込みと読み出しが可能なメモリであるＲＡＭ、とタイマやＩ／Ｏポートなどで構成されている。そのＲＯＭにガス検知処理用のプログラムと共に図６に示す自己診断処理用のプログラムと、後述する初期値のデータを格納している。

この診断用マイクロコンピュータ７と、その制御信号に応じてガス検知部１０に印加する電圧Ｖinを可変する電源５と、ガス検知部１０からの出力電圧をデジタル信号に変換して診断用マイクロコンピュータ７に入力させるＡ−Ｄ変換回路６とによって、図１に示した自己診断部２０の各手段の機能を果たしている。その自己診断機能については後述する。

図７は接触燃焼式ガスセンサの動作中、矢示Ｆで示す時点で不具合の原因を印加した場合の出力変動の例を示し、（ａ）はゼロ点変動を、（ｂ）はガス感度劣化（メタンガス：４０００ｐｐｍを検知対象ガスとした場合）をそれぞれ示す。不具合によるゼロ点変動は、検知素子の通電抵抗値Ｒ_Ｄと補償素子の通電抵抗値Ｒ_Ｃの一方あるいは両方の変動が原因であり、変動後の測定値と初期値とを比較することによって比較的容易に発見できる。
一方、ガス感度の劣化に関しては、ガス検出時における検知素子の通電抵抗値Ｒ_Ｄの上昇値が初期値に比べて小さくなることによって発生するが、殆どの場合、その劣化原因は同時に検知素子及び補償素子のいずれかあるいは両方に対してその表面積の変化を誘発させている。

上述したように、清浄な大気中におけるガスセンサのゼロ点値は、検知素子の通電抵抗値Ｒ_Ｄと補償素子の通電抵抗値Ｒ_Ｃの大小関係によって確定するが、その要因の一つが両素子それぞれの表面積であり、ガス感度劣化はそのような表面積変化に対応したゼロ点の変化を見ることによって、間接的に知ることができる。
そこで、意図的にセンサ本体のガス感度を劣化させたガス検知部に対して、電源電圧を定格値と、定格値の９０％および１１０％の電圧に変化させて順次印加し、清浄な大気中における出力電圧であるゼロ点値を測定してプロットすると、図８〜図１１に示すような傾向が得られ、ガス感度の劣化を印加電圧に対するゼロ点の傾きの変化として捉えることができることが判った。

図８はセンサ本体への衝撃印加によるゼロ点変動と水素感度例を示し、図９は１０％硫酸水溶液への浸漬によって、図１０は酢酸エチルへの浸漬によって、図１１はＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）によって、それぞれセンサ本体のガス感度を劣化させた場合のゼロ点変動と水素感度の劣化例を示す線図である。なお、これらの各図において、実線は初期値、破線は劣化処理を１回行った場合、一点鎖線は劣化処理を２回行った場合の実験結果をそれぞれ示している。また、破線と一点鎖線の右側に初期感度からの劣化割合を表示している。

図８に示す例は、センサ本体に強い衝撃を与えた場合の実験例であるが、ゼロ点変動は発生しているもののガス感度の劣化は発生せず、印加電圧に対するゼロ点の傾きは殆ど変化しなかった。
図９から図１１に示す実験例では、それぞれゼロ点変動が発生しただけでなく、印加電圧に対するゼロ点の傾きが初期状態における傾きに対して大きく変化している。特に、図１１に示す実験例では、ＨＭＤＳによる劣化処理を２回行った場合には、印加電圧に対するゼロ点の傾きが初期状態における傾きに対して反転している（傾きが逆になっている）。

そこで、このような特性を利用して接触燃焼式ガスセンサの自己診断機能を実現することができる。
例えば、図４及び図５に示したガス検知部１０に電源５から印加する電圧Ｖinを、定格電圧に対して１００％、７０〜９０％のいずれか、および１１０〜１３０％のいずれかの３種類に切り替えられるようにする。そして、初期状態（工場出荷前）において清浄な大気中で、ガス検知部１０にこれらの電圧を順次印加し、その各印加電圧に対する出力電圧Ｖout （ゼロ点値）を測定して、その各電圧値をＡ−Ｄ変換回路６によって変換したデジタル値、あるいはそれから算出されるゼロ点の傾きの値を、初期値データとしてガスセンサ１の内部メモリ（例えば、診断用マイクロコンピュータ７内のＲＯＭ）に記憶させておく。

そして、このガスセンサ１が実際の使用状態にある（検知対象ガスは存在していない）とき、診断用マイクロコンピュータ７が電源５にＶin制御信号を出力して、電源５に上記と同じ３種類の電圧をガス検知部１０に順次印加させ、その各印加電圧に対する出力電圧Ｖout （ゼロ点値）を測定する。そして、その各値からゼロ点の傾きの値を算出し、それをメモリに記憶している傾きの初期値と比較してガス感度の劣化等の異常（以下単に「異常」という）の有無を判定（診断）する。例えば、初期値に対する傾きの変化率が予め設定した診断基準値の変化率を超えているか否かによって異常の有無を診断する。

また、ガス検知部１０に定格電圧を印加したときのゼロ点の初期値に対する変動量が、予め設定した範囲を超えた場合にも異常と診断する。
この診断結果をガスセンサ装備機器８に送り、診断結果が「正常」の場合はガスセンサ１は継続使用され、「異常」の場合は機器側で動作を停止するかあるいは異常を知らせる警告を発する。

ここで、図５に示したガスセンサ１の診断用マイクロコンピュータ７による具体的な自己診断処理について、図６のフローチャートによって説明すが、その前に、センサ内部のメモリ、例えば診断用マイクロコンピュータ７内のＲＯＭあるいは別に設けた不揮発性メモリ等のメモリに予め記憶させておく初期値及び診断の基準値について説明する。

この実施例では、まず「ガス感度の初期値のＸ％以上に相当」するゼロ点変動を検知した時点で「異常（劣化）あり」と診断する。
ここで、「ガス感度の初期値のＸ％以上に相当」とは、例えば水素４０００ｐｐｍ感度が３０ｍＶであるセンサにおいて、１５ｍＶのゼロ点変動がＸ＝５０％であることを示す。このＸの値は、ガスセンサを装備する機器における監視ガス濃度に依存し、ガスセンサ装備機器メーカが設定してセンサメーカに要望する仕様であるが、一般的には２５〜５０％程度に設定するのが、安全側として扱いやすいと考えられる。このＸに相当する診断用電圧値Ｖ０（上述の例では１５ｍＶ）を、センサの製造工程において上記メモリに記憶させておく。

また、上述したゼロ点の傾きの変化率によって異常の有無を診断するために、初期状態（工場出荷前）において清浄な大気中で、ガス検知部１０に定格電圧を印加したときの出力電圧Ｖout(100) と、定格電圧より１０％だけ減少させた９０％の電圧を印加したときの出力電圧Ｖout(90) と、定格電圧より１０％だけ増加させた１１０％の電圧を印加したときの出力電圧Ｖout(110) とをそれぞれ測定して、その各値をゼロ点の初期値として上記メモリに記憶させておく。あるいは、そのゼロ点の初期値から算出されるゼロ点の傾き、すなわち印加電圧に対して出力電圧（ゼロ点値）をプロットした一次関数である直線ｙ＝ａｘ＋ｂにおけるｘの係数「ａ」に相当する傾き（例えば最小自乗法によって計算される）の値を、初期値ａ０として上記メモリに記憶させておくとなおよい。

また、自己診断時におけるゼロ点の傾きの初期値に対する変化率（Ｙ）がガス感度の劣化率（Ｘ）に相当するため、この実施例ではこの変化率（Ｙ）を算出して異常の有無を診断する。そのため、変化率の許容値Ｙ０も上記メモリに記憶させておく。このＹ０の値もガスセンサ装備機器の仕様として設定される。上記変化率（Ｙ）と劣化率（Ｘ）との関係はガスセンサ自体の仕様やガスセンサ装備機器におけるセンサの取り付け環境、ガス感度の劣化原因などにより左右されるので一概には決められない。しかし、前述したように、Ｘ＝２５〜５０％に対応するように設定するのが望ましいと考えられる。

これらのデータを記憶したガスセンサ１内のメモリが、図１における初期値記憶手段１１に相当する。そして、図５に示すようにこのガスセンサ１がガスセンサ装備機器８に装備されて使用されているときに、ガスセンサ装備機器８から診断指示信号がガスセンサ１に送られると、診断用マイクロコンピュータ７が図６に示す自己診断処理を実行する。あるいは、診断用マイクロコンピュータ７自身のタイマ機能によるか別に設けたタイマを用いて、予めメモリに設定された時刻あるいは時間間隔で周期的に図６に示す自己診断処理を実行するようにしてもよい。

この図６のフローチャートに示す自己診断処理を開始すると、まずステップＳ１で電源５に定格の１００％の電圧Ｖin(100) をガス検知部１０に印加させて、そのときのガス検知部１０の出力電圧をゼロ点Ｖout(100) として測定してＲＡＭに記憶する。
そして、ステップＳ２で、そのゼロ点Ｖout(100) がメモリに記憶している診断用電圧値Ｖ０の負の値−Ｖ０以上か否かを判断し、否であれば異常と診断してステップＳ１１へ進み、異常信号をガスセンサ装備機器８へ出力して処理を終了する。

ステップＳ２でゼロ点Ｖout(100) が−Ｖ０以上と判断した場合は、次にステップＳ３で、そのゼロ点Ｖout(100) が診断用電圧値Ｖ０の正の値＋Ｖ０以下か否かを判断し、否であれば異常と診断してステップＳ１１へ進み、異常信号をガスセンサ装備機器８へ出力して処理を終了する。
ここでゼロ点Ｖout(100) が＋Ｖ０以下であればステップＳ４へ進み、電源５に定格の９０％の電圧Ｖin(90) をガス検知部１０に印加させて、そのときのガス検知部１０の出力電圧をゼロ点Ｖout(90) として測定してＲＡＭに記憶する。

次いで、ステップＳ５で電源５に定格の１１０％の電圧Ｖin(110) をガス検知部１０に印加させて、そのときのガス検知部１０の出力電圧をゼロ点Ｖout(110) として測定してＲＡＭに記憶する。
その後、ステップＳ６で、ステップ１，４，５で得た各印加電圧に対するゼロ点Ｖout(90)，Ｖout(100)，Ｖout(110) の測定結果からゼロ点の傾きａ１を演算して算出する。これは、前述した初期値の傾きを演算する場合と同様に、印加電圧に対して出力電圧（ゼロ点値）をプロットした一次関数である直線ｙ＝ａｘ＋ｂにおけるｘの係数「ａ」に相当する傾き「ａ１」を、例えば最小自乗法によって計算する。

また、次のステップＳ７で、メモリに記憶しているゼロ点の傾きの初期値ａ０を読み出すか、前述した３種類の電圧に対する各ゼロ点の値を記憶している場合には、それを読み出して上記と同様にそのゼロ点の傾きの初期値ａ０を演算して算出する。
そして、ステップＳ８において、測定結果から演算したゼロ点の傾きａ１とゼロ点の傾きの初期値ａ０とから、傾きの変化率ＹをＹ＝｜｛（ａ１−ａ０）／ａ０｝｜×１００（％）の演算によって算出する。

次いで、ステップＳ９で算出した変化率Ｙとメモリに記憶している変化率の許容値Ｙ０とを比較し、Ｙ≦Ｙ０であれば正常と診断してステップＳ１０へ進み、正常信号をガスセンサ装備機器８へ出力して処理を終了する。あるいは、何もせずにそのまま処理を終了するようにしてもよい。Ｙ≦Ｙ０でなければ、変化率Ｙが許容値Ｙ０を超えているので異常と診断してステップＳ１１へ進み、異常信号をガスセンサ装備機器８へ出力して処理を終了する。

ここで、図１１のＨＭＤＳによる劣化処理を２回行った場合のように、初期のゼロ点の傾きに対して自己診断時におけるゼロ点の傾きの方向が逆になった（反転した）場合には、ａ０とａ１の符号が反対になるので、（ａ１−ａ０）の絶対値はａ０より大きくなる。したがって、Ｙは１００％以上になるので、当然ながらＹ≦Ｙ０にはならないので、異常と判断することになる。なお、ａ０とａ１の傾きの方向が同じか否か（正負の符号が同じか否か）の判断を別に行って、同じでない場合は異常と診断するようにしてもよい。

この実施例によるガスセンサ１は、ガス検知部１０に劣化等の動作不良が発生した場合には、実ガスによって検査しなくても、ガスセンサ１自身が診断用マイクロコンピュータ７の自己診断機能によってそれを診断して、ガスセンサ装備機器８にその異常を通知することができる。それによって、ガスセンサ装備機器８は動作を停止したり、センサ異常を知らせる警報（警報ランプの点灯や点滅、ブザーよる警報音の発生、遠隔地へセンサ異常を知らせる信号の送信など）を発したりすることがてきる。

したがって、警告が発生するまでは安心してガスセンサを使用し続けることができ、警報が発生したら直ちにガスセンサを交換すればよいので、ガスセンサ装備機器の信頼性と安全性が高まるとともに、その保守点検に要する費用を大幅に低減することができる。特に家庭用などの小型の機器やシステムの場合には、メンテナンスフリー化を実現することが可能になる。

なお、メモリに記憶させる初期値や診断基準値などは、仕様に応じて種々に変更可能であり、自己診断処理の手順も上述した実施例の手順に限るものではなく、この発明の趣旨に沿う限り種々に変更可能である。

この発明による接触燃焼式ガスセンサは、各種の可燃性ガスを使用する機器やシステムあるいはそれらを設置した室内などのガス漏れ検知装置として広範に適用することができる。特に、今後急速な実用化が望まれる燃料電池は、燃料として可燃性の水素ガスを使用するため、水素漏れを検出するセンサを装備することが必須であり、燃料電池自動車においては、内部の１区画ごとに水素センサを設置することが義務付けられた。また、産業用あるいは家庭用の補助電源として使用する燃料電池システムなどにも水素ガスセンサを設けることは必須であり、これらの水素センサにもこの発明を適用することが極めて有効である。

この発明による接触燃焼式ガスセンサの基本的な実施例の構成を示す機能ブロック図である。 この発明による接触燃焼式ガスセンサの一実施例に使用するセンサ本体の構成を示す部分断面図である。 図２における検知素子の構成例を示す断面図である。 図１に示したガス検知部を構成するホイートストンブリッジ回路とそれに直流電圧を印加する電源による回路図である。 この発明による接触燃焼式ガスセンサの具体的な実施例の構成を示すブロック図である。 図５における診断用マイクロコンピュータによる自己診断処理の内容を示すフローチャートである。

接触燃焼式ガスセンサの動作中に不具合の原因を印加した場合の出力変動（ゼロ点変動とガス感度劣化）の例を示す線図である。 センサ本体への衝撃印加によるゼロ点変動と水素感度例を示す線図である。 センサ本体の１０％硫酸水溶液への浸漬によるゼロ点変動と水素感度の劣化例を示す線図である。 センサ本体の酢酸エチルへの浸漬によるゼロ点変動と水素感度の劣化例を示す線図である。 センサ本体のＨＭＤＳによるゼロ点変動と水素感度の劣化例を示す線図である。

符号の説明

１：ガスセンサ ２：検知素子 ３：センサ本体
４：補償素子 ５：電源 ６：Ａ−Ｄ変換回路
７：診断用マイクロコンピュータ ８：ガスセンサ装備機器
１０：ガス検知部 １１：初期値記憶手段 １２：測定手段
１３：傾き演算手段 １４：変化率演算手段 １５：診断手段
２０：自己診断部 ２１：熱伝導層 ２２：ヒータコイル
２３：酸化触媒層

Claims (6)

1. 検知対象ガスを接触により燃焼させる酸化触媒を表面に被覆するか担持する熱伝導層中にヒータコイルを埋設した検知素子と、前記酸化触媒を有しない熱伝導層中に前記ヒータコイルと電気的特性が同じヒータコイルを埋設した補償素子とを直列に接続した第１の直列回路と、第１の抵抗素子と第２の抵抗素子とを直列に接続した第２の直列回路とを並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成し、前記第１の直列回路と前記第２の直列回路の接続点間に直流電圧を印加し、前記検知素子と前記補償素子との接続点と前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子との接続点との間の電圧を検出信号として出力するようにしたガス検知部を備えた接触燃焼式ガスセンサにおいて、
   初期状態における前記接続点間に印加する前記直流電圧の電圧値の変化に対する前記検出信号の電圧変化の傾きと、使用状態における前記接続点間に印加する前記直流電圧の電圧値の変化に対する前記検出信号の測定値の電圧変化の傾きとを比較して、センサ異常を診断する自己診断部を設けたことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ。
2. 請求項１記載の接触燃焼式ガスセンサにおいて、前記自己診断部が、
   初期状態における前記接続点間に印加する前記直流電圧の電圧値の変化に対する前記検出信号の電圧変化又はその傾きを記憶する初期値記憶手段と、
   使用状態において、前記接続点間に印加する前記直流電圧の電圧値の変化に対する前記検出信号の電圧変化を測定する測定手段と、
   該測定手段によって測定された前記検出信号の電圧変化からその傾きを算出する傾き演算手段と、
   該傾き演算手段によって算出された傾きと、前記初期値記憶手段に記憶されている傾きの初期値又は前記記憶されている検出信号の電圧変化から算出される傾きの初期値とから、傾きの変化率を演算する変化率演算手段と、
   該変化率演算手段によって算出された傾きの変化率が基準値を超えたときにセンサ異常と診断する診断手段と、
   を有することを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ。
3. 請求項２記載の接触燃焼式ガスセンサにおいて、
   前記初期値記憶手段が、初期状態において前記接続点間に印加する前記直流電圧を定格電圧と該定格電圧より所定比率だけ増加及び減少させた各電圧に切り替えた場合の前記検出信号の各電圧又はその各電圧から算出されるゼロ点の傾きの初期値を記憶する手段であり、
   前記測定手段が、使用状態において、前記接続点間に印加する前記直流電圧を定格電圧と該定格電圧より前記所定比率だけ増加及び減少させた各電圧に自動的に切り替えて、その各電圧を印加したときの前記検出信号の各電圧を測定する手段であり、
   上記傾き演算手段が、前記測定手段によって測定された各電圧値からゼロ点の傾きを演算する手段であり、
   前記変化率演算手段が、前記演算手段によって算出されたゼロ点の傾きと、前記初期値記憶手段に記憶されているゼロ点の傾きの初期値又は前記記憶されている検出信号の各電圧から演算されるゼロ点の傾きの初期値とから傾きの変化率を演算する手段である
   ことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ。
4. 前記自己診断部は、当該センサが取り付けられている機器からの指示によって、センサ異常の自己診断動作を開始する機能を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
5. 前記自己診断部は、設定された時間間隔で周期的にセンサ異常の自己診断動作を開始する機能を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
6. 前記検知対象ガスが水素ガスである請求項１乃至５のいずれか一項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
   

Images