JP2007255922A - Gas concentration measuring instrument - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プロトン導電体膜を用いた電気化学式ガスセンサにより周辺雰囲気中の対象ガス濃度を測定する装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for measuring a target gas concentration in an ambient atmosphere by an electrochemical gas sensor using a proton conductor film.
燃焼機器の不完全燃焼等によるCOガスを検出し警報するCO警報器のように、周辺雰囲気中のCO濃度を測定する装置として、従来から、電気化学式COセンサを内蔵したものが知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, devices that incorporate an electrochemical CO sensor have been known as devices for measuring the CO concentration in the surrounding atmosphere, such as a CO alarm device that detects and alarms CO gas due to incomplete combustion or the like of combustion equipment. .
図4に断面図で示すように、この電気化学式COセンサ1は、内部に水5が収容された金属缶2の上部開口4にプロトン導電体膜3を設置して、その対極32を金属缶2内に露出させると共に、反対側の検知極31にガス吸着フィルタ8cを内蔵した金属キャップ8を重ねて金属缶2の上部開口4にかしめ固定して構成されている。
As shown in a cross-sectional view in FIG. 4, this
上述した構成の電気化学式COセンサ1では、周辺雰囲気中のCOが、金属キャップ8の導入孔8aから内部に導入されて、活性炭やシリカゲル、ゼオライト等からなるガス吸着フィルタ8cや導出孔8b、そして、金属キャップ8とプロトン導電体膜3との間に介設した金属製の拡散防止板7の拡散制御孔7aを通過して検知極31に到達し、ここで、対極32側からプロトン導電体膜3に供給される金属缶2内の水5の水分を利用した酸化反応を起こして、検知極31にプロトン(2H+ )と電子(2e- )を発生させる。
In the
検知極31に発生した電子(2e- )はプロトン導電体膜3の内部を通過できないので検知極31に滞留し、一方、プロトン(2H+ )は、プロトン導電体膜3の内部を通過して対極32に移動し、ここで、容器2内の酸素と還元反応を起こして、対極32に水(H2 O)を生成する。
The electrons (2e − ) generated in the
したがって、検知極31と電気的に接続されてそのターミナルとして機能する金属キャップ8と、拡散防止板7を介して対極32と電気的に接続されてそのターミナルとして機能する金属缶2との間に負荷(図示せず)を接続すると、検知極31に滞留した電子(2e- )の対極32に向かう流れが負荷に生じ、これにより対極32から負荷を経て検知極31に向かう短絡電流の流れが生じるので、この負荷に流れる短絡電流を電流−電圧変換することで、周辺雰囲気中のCO濃度に応じた電圧値のCO濃度信号が得られる(例えば特許文献1,2)。
Therefore, between the
このような検出原理の構成による電気化学式COセンサ1は、それ自身では、周辺雰囲気中のCO濃度に応じた電圧値のCO濃度信号を生成するために外部からの電力供給を必要としないことから、電池によって長期間駆動する必要のあるCO警報器での利用に適している。
このように、上述した電気化学式COセンサ1自身はCO濃度信号の元となる電流の生成のために外部からの電力供給を必要としないが、CO濃度信号を取り込んで周辺雰囲気中のCO濃度を割り出す以降の処理を行う後段回路は外部からの電力供給を必要とすることから、電池駆動式のCO警報器では、間欠的に行われるCO濃度の測定時にだけ、後段回路の電源が周期的に投入される。
As described above, the above-described
そのため、後段回路の電源が投入されているCO濃度の測定時には、後段回路を経由して電気化学式COセンサ1の対極32側に移動する、電気化学式COセンサ1の検知極31で発生した電子(2e- )が、後段回路の電源が投入されていないCO濃度の非測定時には検知極31にそのまま滞留する。
Therefore, at the time of measuring the CO concentration when the power of the latter circuit is turned on, electrons generated at the
すると、次に後段回路の電源が投入された時に検知極31の電子(2e- )が、金属缶2から電気化学式COセンサ1の後段回路を経て金属キャップ8に一気に移動して、後段回路で生成、出力されるCO濃度信号の波形に乱れが生じ、これに基づいたCO濃度の測定やCO濃度の警報動作の精度に悪影響が及んでしまう。
Then, when the power of the subsequent circuit is turned on next time, the electrons (2e − ) of the
そして、以上に説明した問題点は、CO警報器においてのみ発生し得るものではなく、電気化学式のガスセンサを用い、後段回路の電源を消費電力抑制のため間欠的に投入する、電池駆動式のガス濃度測定装置の全般に、広く発生するものである。 The above-described problems cannot be generated only in the CO alarm, but the battery-driven gas that uses an electrochemical gas sensor and intermittently turns on the power of the subsequent circuit to suppress power consumption. It occurs widely in all density measuring devices.
本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、電池駆動式のガス警報器等、周辺雰囲気中の対象ガス濃度を測定する装置において用いられる電気化学式ガスセンサの、検知極で発生する酸化反応と対極で発生する還元反応とによって、検知極と対極との間に接続された電気化学式ガスセンサの後段回路を対極側から検知極側に流れる、ガス濃度に応じた大きさの電流の波形が、後段回路の電源を間欠的に投入する際に乱れてしまうのを防止することができる、ガス濃度測定装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is generated at a detection electrode of an electrochemical gas sensor used in an apparatus for measuring a target gas concentration in an ambient atmosphere such as a battery-driven gas alarm device. The current of a magnitude corresponding to the gas concentration flows from the counter electrode side to the detection electrode side through the downstream circuit of the electrochemical gas sensor connected between the detection electrode and the counter electrode due to the oxidation reaction that occurs and the reduction reaction that occurs at the counter electrode. An object of the present invention is to provide a gas concentration measuring device capable of preventing the waveform from being disturbed when the power supply of the subsequent circuit is intermittently turned on.
前記目的を達成するため請求項1に記載した本発明のガス濃度測定装置は、電気化学式ガスセンサの検知極と対極とに接続された信号処理回路の、間欠的な電源ON中に、前記電気化学式ガスセンサの周辺雰囲気中の対象ガスの濃度に応じて発生した電子が前記信号処理回路を介して前記検知極に移動することで、前記検知極から前記信号処理回路を介して前記対極に流れる短絡電流を、該信号処理回路において前記電気化学式ガスセンサの周辺雰囲気中の対象ガスの濃度に応じた電圧値のガス濃度信号に変換するガス濃度測定装置において、前記検知極と前記対極とを前記電気化学式ガスセンサの外部で短絡、開放するスイッチ手段と、前記信号処理回路の電源ON中に前記スイッチ手段により前記検知極と前記対極とを開放させ、前記信号処理回路の電源OFF中に前記スイッチ手段により前記検知極と前記対極とを短絡させるスイッチ制御手段とを備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the gas concentration measuring device of the present invention according to
また、請求項2に記載した本発明のガス濃度測定装置は、請求項1に記載した本発明のガス濃度測定装置において、前記スイッチ手段が、前記対極にドレインが電気的に接続され前記検知極にソースが電気的に接続されたノーマリーON型の電界効果トランジスタで構成されており、前記スイッチ制御手段が、前記信号処理回路の電源ON中に、該電界効果トランジスタのゲート−ソース間に逆バイアスをかけて前記電界効果トランジスタのドレイン−ソース間を非導通状態とすると共に、前記信号処理回路の電源OFF中に、前記電界効果トランジスタのゲートとソースを同電位として該電界効果トランジスタのドレイン−ソース間を導通状態とするためのベース電圧を、前記電界効果トランジスタのゲート又はソースに印加するベース電圧発生回路で構成されているものとした。
A gas concentration measuring device according to the present invention described in
請求項1に記載した本発明のガス濃度測定装置によれば、信号処理回路の間欠的な電源ON中には、電気化学式ガスセンサの周辺雰囲気中の対象ガスの濃度に応じて検知極に発生し信号処理回路を介して対極に移動していた電子が、信号処理回路の電源OFF中には、スイッチ制御手段により検知極と対極とを短絡させたスイッチ手段を介して検知極から対極に移動する。
According to the gas concentration measuring apparatus of the present invention as set forth in
このため、信号処理回路の電源OFF中に電子の流れが滞って次の電源ONの際に一気に検知極から対極に移動するようになるのを防ぎ、信号処理回路の電源が次にONされて電気化学式ガスセンサの周辺雰囲気中の対象ガスの濃度が測定開始される時に、電気化学式ガスセンサの検知極から信号処理回路を経て対極に流れる短絡電流、ひいては、この信号処理回路に流れる短絡電流から変換されるガス濃度信号の波形に、乱れが生じないようにすることができる。 For this reason, it is possible to prevent the flow of electrons from being delayed while the power of the signal processing circuit is turned off and to move from the detection electrode to the counter electrode at the same time when the power is turned on, and the power of the signal processing circuit is turned on next time. When the measurement of the concentration of the target gas in the ambient atmosphere of the electrochemical gas sensor is started, it is converted from the short-circuit current that flows from the detection electrode of the electrochemical gas sensor to the counter electrode via the signal processing circuit, and then the short-circuit current that flows to this signal processing circuit. It is possible to prevent the disturbance of the waveform of the gas concentration signal.
また、請求項2に記載した本発明のガス濃度測定装置によれば、請求項1に記載した本発明のガス濃度測定装置において、ベース電圧発生回路によってノーマリーON型の電界効果トランジスタのゲート−ソース間の電圧をコントロールして、ドレイン−ソース間の状態を導通、非導通の相互間で切り換えさせることで、電気化学式ガスセンサの外部において行う検知極と対極との短絡、開放を、自らは動作用電源を必要としない電界効果トランジスタを用いて省電力方式で行うことができる。
According to the gas concentration measuring apparatus of the present invention described in
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置を採用した電気化学式COセンサ内蔵CO警報器の斜視図であり、図1中引用符号100で示す本実施形態の電気化学式COセンサ内蔵CO警報器(以下、「CO警報器」と略記する。)は、予め設置先の壁面(図示せず)に取着される取付部材200のフック210に樹脂製のケース110を吊り下げて使用される。
FIG. 1 is a perspective view of an electrochemical CO sensor built-in CO alarm device employing a gas concentration measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. The electrochemical CO sensor built-in CO of this embodiment indicated by
前記ケース110の内部には、従来技術の欄で説明した図4の電気化学式COセンサ1(請求項中の電気化学式ガスセンサに相当)や、図2に電気的構成の回路図で示す電池B、定電圧回路10、信号処理回路20、ベース電圧発生回路30、ノーマリーON型の電界効果トランジスタFET、スイッチ回路IC1、電源スイッチSW、マイクロコンピュータ(以下、「μCOM」と略記する。)40、音声IC50、インジケータ60、及び、スピーカ70が内蔵されている。
Inside the
前記定電圧回路10は、電池Bの電圧を定電圧化するものであり、前記信号処理回路20は、電気化学式COセンサ1の金属キャップ8と金属缶2との間に接続されて、電気化学式COセンサ1の対極32から金属缶2及び信号処理回路20を経て金属キャップ8乃至検知極31に向かう短絡電流を電圧に変換、増幅し、CO濃度(請求項中の対象ガスの濃度に相当)に応じた電圧のCO濃度信号(請求項中のガス濃度信号に相当)として出力するものである。
The
前記ベース電圧発生回路30(請求項中のスイッチ制御手段に相当)は、信号処理回路20におけるCO濃度信号の増幅時のゲインを定めるベース電圧を生成し、電気化学式COセンサ1の検知極31側のターミナルである金属キャップ8と信号処理回路20とに供給するものである。
The base voltage generation circuit 30 (corresponding to the switch control means in the claims) generates a base voltage that determines the gain at the time of amplification of the CO concentration signal in the
尚、信号処理回路20及びベース電圧発生回路30は、CO警報器1の周辺雰囲気中のCO濃度を測定する際にONされる電源スイッチSWの投入中に、定電圧回路10からの定電圧を電源として作動するものであり、ベース電圧発生回路30が電気化学式COセンサ1の金属キャップ8と信号処理回路20とに出力する、信号処理回路20内のアンプ(図示せず)のゲインを定めるベース電圧(レファレンス電圧)は、電源スイッチSWがONしているCO濃度の測定時は、定電圧回路10から供給される定電圧電源から作られた例えば2.7Vとなり、電源スイッチSWがOFFしているCO濃度の非測定時は、定電圧回路10から定電圧電源が供給されないので0Vとなる。
The
前記電界効果トランジスタFET(請求項中のスイッチ手段に相当)は、接合型FETやディプレッション型MOS−FETといったノーマリーON型のものであり(図2では接合型FETを用いる場合を示している)、そのドレインは対極32側のターミナルである金属缶2に、動作安定用の抵抗Rを介して接続されており、そのソースは検知極31側のターミナルである金属キャップ8に接続されており、ゲートは接地(0V)されている。
The field effect transistor FET (corresponding to the switch means in the claims) is a normally ON type such as a junction type FET or a depletion type MOS-FET (FIG. 2 shows a case where a junction type FET is used), The drain is connected to the metal can 2 which is a terminal on the
この電界効果トランジスタFETは、ゲート−ソース間に逆バイアスがかかるとドレイン−ソース間が非導通状態となって、プロトン導電体膜3の検知極31側のターミナルである金属キャップ8から対極32側のターミナルである金属缶2を絶縁させ、ゲートとソースを同電位にするとドレイン−ソース間が導通状態となって、金属キャップ8を金属缶2に電気的に接続させる。
In the field effect transistor FET, when a reverse bias is applied between the gate and the source, the drain and the source become nonconductive, and the
前記スイッチ回路IC1は、電源スイッチSWの投入中に定電圧回路10から供給される定電圧を電源として作動するものであり、電源スイッチSWがOFFしているCO濃度の非測定時に強制的にOFFとなるノーマリーOFF型に構成されていて、このOFF状態では信号処理回路20からプロトン導電体膜3の対極32を切り離し、電源スイッチSWがONされたCO濃度の測定時に、後述するμCOM40の制御によりONされると、信号処理回路20をプロトン導電体膜3の対極32に接続するものである。
The switch circuit IC1 operates with the constant voltage supplied from the
前記μCOM40は、電源スイッチSWのON、OFFに関係なく常時、定電圧回路10からの定電圧電源の供給を受けて作動するもので、電源スイッチSWや電界効果トランジスタFET、スイッチ回路IC1のON、OFFを制御すると共に、信号処理回路20から入力されるCO濃度信号に基づいて、CO警報器1の周辺雰囲気中のCO濃度が警報レベルに達しているか否かの判定を行い、達している場合に、インジケータ60を点灯させると共に、「ピッポピッポ、空気が汚れて危険です。窓を開けて換気をして下さい。」等の音声メッセージを音声IC50から読み出してスピーカ70により鳴動(音声出力)させる。
The
ちなみに、電池Bの−側、定電圧回路10、信号処理回路20、ベース電圧発生回路30、スイッチ回路IC1、及び、μCOM40は、いずれも接地(0V)されている。
Incidentally, the negative side of the battery B, the
このような構成のCO警報器100においては、電気化学式COセンサ1の周辺雰囲気中のCO濃度の非測定時に、μCOM40の制御により電源スイッチSWがOFFされ、これにより、スイッチ回路IC1がOFFされて信号処理回路20からプロトン導電体膜3の対極32が切り離されると共に、ベース電圧発生回路30からプロトン導電体膜3の検知極31側のターミナルである金属キャップ8に0Vのベース電圧が供給される。
In the
すると、金属キャップ8に接続された電界効果トランジスタFETのソースの電位(0V)が、接地(0V)されているゲートの電位と等しくなって、ゲートに逆バイアスがかからない電界効果トランジスタFETのドレイン−ソース間が導通状態となるので、電気化学式COセンサ1の周辺雰囲気中のCO濃度に応じてプロトン導電体膜3の検知極31に発生する電子(2e- )は、スイッチ回路IC1のOFFによりプロトン導電体膜3の対極32から切り離された信号処理回路20に代わって、電界効果トランジスタFETのドレイン−ソース間を介して、プロトン導電体膜3の対極32に移動する。
Then, the source potential (0 V) of the field effect transistor FET connected to the
したがって、μCOM40の制御により電源スイッチSWがOFFされる電気化学式COセンサ1の周辺雰囲気中のCO濃度の非測定時に、プロトン導電体膜3の検知極31に発生する電子(2e- )が検知極31にそのまま滞留することはない。
Therefore, when the CO concentration in the ambient atmosphere of the
また、その後、電気化学式COセンサ1の周辺雰囲気中のCO濃度を間欠的に測定するタイミングが到来すると、μCOM40の制御により電源スイッチSWがONされ、これにより、スイッチ回路IC1がONされて信号処理回路20がプロトン導電体膜3の対極32に接続されると共に、ベース電圧発生回路30からプロトン導電体膜3の検知極31側のターミナルである金属キャップ8に2.7Vのベース電圧が供給される。
Thereafter, when the timing for intermittently measuring the CO concentration in the ambient atmosphere of the
すると、金属キャップ8に接続された電界効果トランジスタFETのソースの電位(2.7V)が、接地(0V)されているゲートの電位よりも高くなって、ゲートに逆バイアスがかかった電界効果トランジスタFETのドレイン−ソース間が非導通状態となるので、電気化学式COセンサ1の周辺雰囲気中のCO濃度に応じてプロトン導電体膜3の検知極31に発生する電子(2e- )は、非導通状態となった電界効果トランジスタFETのドレイン−ソース間ではなく、スイッチ回路IC1のONによりプロトン導電体膜3の対極32に接続された信号処理回路20を介して、対極32に移動する。
Then, the potential (2.7 V) of the source of the field effect transistor FET connected to the
したがって、電子(2e- )の移動経路上にある信号処理回路20に短絡電流が流れて、信号処理回路20における短絡電流のCO濃度信号への電流−電圧変換や信号増幅が行われ、このCO濃度信号が入力されるμCOM40において、CO濃度信号の示すCO濃度が警報レベルに達したか否かの判定や、警報レベルに達した際のインジケータ60やスピーカ70を用いた警報動作が、適宜行われることになる。
Therefore, a short-circuit current flows through the
このように本実施形態のCO警報器100によれば、μCOM40の制御により電源スイッチSWがOFFされる電気化学式COセンサ1の周辺雰囲気中のCO濃度の非測定時には、ベース電圧発生回路30から供給される0Vのベース電圧によってゲートに逆バイアスがかからず導通状態となった電界効果トランジスタFETのドレイン−ソース間を介して、電気化学式COセンサ1の周辺雰囲気中のCO濃度に応じてプロトン導電体膜3の検知極31に発生する電子(2e- )が対極32に移動し、検知極31にそのまま滞留しない。
As described above, according to the
このため、CO濃度のを間欠測定タイミングの到来でμCOM40の制御により電源スイッチSWがONされて、スイッチ回路IC1のONにより信号処理回路20がプロトン導電体膜3の対極32に接続された際に、それまで検知極31に滞留していた電子(2e- )が対極32に一気に移動するようになるのを防ぎ、信号処理回路20を介して対極32から検知極31に流れる短絡電流、ひいては、この信号処理回路20に流れる短絡電流から変換されるCO濃度信号の波形に、乱れが生じないようにして、μCOM40によりCO濃度を精度よく検出させて、周辺雰囲気中のCO濃度が警報レベルに達した旨のインジケータ60やスピーカ70による警報の表示や鳴動を、的確に行わせることができる。
Therefore, when the CO concentration is intermittently measured, the power switch SW is turned on by the control of the
尚、電界効果トランジスタFETに代えて、図3に電気的構成の回路図で示す、電源スイッチSWのON、OFFに関係なく常時、定電圧回路10からの定電圧電源の供給を受けて作動する第2スイッチ回路IC2を用い、電源スイッチSWがOFFしているCO濃度の非測定時に、μCOM40の制御によりONさせて、プロトン導電体膜3の検知極31側のターミナルである金属キャップ8を対極32側のターミナルである金属缶2に電気的に接続させると共に、電源スイッチSWがONされたCO濃度の測定時に、μCOM40の制御によりOFFさせて、金属キャップ8から金属缶2を絶縁させるように構成することもできる。
In place of the field effect transistor FET, the constant voltage power supply from the
そのように構成する場合は、第2スイッチ回路IC2が請求項中のスイッチ手段に相当し、μCOM40が請求項中のスイッチ制御手段に相当することになる。
In such a configuration, the second switch circuit IC2 corresponds to the switch means in the claims, and the
しかし、上述した図2の電界効果トランジスタFETを用いる方が、定電圧回路10から供給される定電圧を電源として作動する図3の第2スイッチ回路IC2を用いるよりも、消費電力を抑えて初期の効果を得ることができるので、電池Bの長寿命化を図る上で有利である。
However, the use of the above-described field effect transistor FET of FIG. 2 suppresses the power consumption and reduces the initial power than using the second switch circuit IC2 of FIG. 3 that operates using the constant voltage supplied from the
そして、本実施形態では電気化学式COセンサ1を用いてCO濃度の測定及び警報動作を行うCO警報器を例に取って説明したが、本発明はCOに限らず、酸素や二酸化炭素等、電気化学式のガスセンサで対象ガスのガス濃度を測定する場合に広く適用可能であることは、言うまでもない。
In the present embodiment, the CO alarm device that measures the CO concentration and performs the alarm operation using the
1 電気化学式COセンサ(電気化学式ガスセンサ)
31 検知極
32 対極
20 信号処理回路
30 ベース電圧発生回路(スイッチ制御手段)
40 マイクロコンピュータ(スイッチ制御手段)
FET 電界効果トランジスタ(スイッチ手段)
IC2 第2スイッチ回路(スイッチ手段)
1 Electrochemical CO sensor (electrochemical gas sensor)
31
40 Microcomputer (switch control means)
FET field effect transistor (switching means)
IC2 Second switch circuit (switch means)
Claims (2)
前記検知極と前記対極とを前記電気化学式ガスセンサの外部で短絡、開放するスイッチ手段と、
前記信号処理回路の電源ON中に前記スイッチ手段により前記検知極と前記対極とを開放させ、前記信号処理回路の電源OFF中に前記スイッチ手段により前記検知極と前記対極とを短絡させるスイッチ制御手段と、
を備えることを特徴とするガス濃度測定装置。 Electrons generated at the detection electrode according to the gas concentration in the ambient atmosphere of the electrochemical gas sensor during the intermittent power ON of the signal processing circuit connected to the detection electrode and the counter electrode of the electrochemical gas sensor are the signal processing. A voltage corresponding to the gas concentration in the ambient atmosphere of the electrochemical gas sensor in the signal processing circuit in the signal processing circuit by causing a short circuit current flowing from the counter electrode to the detection electrode through the signal processing circuit by moving to the counter electrode through a circuit. In the gas concentration measuring device that converts the gas concentration signal of the value,
Switch means for short-circuiting and opening the detection electrode and the counter electrode outside the electrochemical gas sensor;
Switch control means for causing the switch means to open the detection electrode and the counter electrode while the signal processing circuit is turned on, and for causing the switch means to short-circuit the detection electrode and the counter electrode while the signal processing circuit is turned off. When,
A gas concentration measuring device comprising:
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JP2017037549A (en) * | 2015-08-12 | 2017-02-16 | 新コスモス電機株式会社 | Alarm unit |
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