JP2008286724A - ガス警報器 - Google Patents

Abstract

【課題】電気化学式センサ、その周辺回路、更に動作試験のための回路を含めて動作確認を個別的に可能として信頼性を向上する。
【解決手段】ガス警報器は、外気に接触する電解質中に少なくとも作用電極、対向電極を離間配置した電気化学式ガスセンサ１２と、電気化学式ガスセンサ１２を動作させ、作用電極１４に接触したＣＯガスのガス濃度に応じたセンサ信号を出力するセンサ動作回路と、所定の試験タイミング毎に対向電極に試験パルスを印加する試験パルス発生回路２５と、電気化学式ガスセンサ１２に対する試験パルスの印加中に出力されるセンサ信号の時間変化から電気化学式センサが正常か異常かを判断する動作確認部５０とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気化学式ガスセンサによりＣＯガスを検出して警報するガス警報器に関し、特に、定期的に試験動作を行って動作を確認するようにしたガス警報器に関する。

従来、電気化学式ガスセンサは、消費電力が少なく、ガスの濃度に対する出力特性がリニアであり、更にガス選択性に優れるなどの特性をもっていることから、住宅内でのＣＯガスを検出するガス警報器などに広く使用されている。

このような電気化学式ガスセンサには、作用電極、対向電極、およびこれらの電極間に電解質を介在させた二極式ガスセンサと、作用電極、対向電極、参照電極、およびこれらの電極間に電解質を介在させた三極式がある。

二極式電気化学式ガスセンサは、ＣＯガスが作用電極に接触することにより生じる電流を作用電極から出力し、この出力電流によりＣＯガス濃度を検出することができる。三極式電気化学式ガスセンサは、作用電極、対向電極の他に、参照電極を設けて、作用電極と参照電極間の電位を一定に保つようにポテンショスタット回路からＣＯガス濃度に比例した電流を流すようにしいる。

ところで、このような電気化学式ガスセンサにあっては、センサに断線、短絡、電極の劣化などが発生した場合に、ＣＯガスに対してセンサの出力が正常に発生しなくなることから、定期的に動作を確認する必要がある。

電気化学式ガスセンサの動作確認には、実ガスを用いてセンサ出力を確認する方法があるが、人による作業が必要であり、定期的かつ自動的に行うことは困難である。そこで自動的に電気化学式ガスセンサの動作を確認して異常を判断する方法が提案されている（特許文献１，２）。

特許文献１の方法は、電気化学式ガスセンサの作用電極、対向電極及び参照電極に対するポテンショスタット回路の接続をアナログスイッチにより切り離し、この状態で対向電極と参照電極との間に電圧を印加し、作用電極に流れる電流の変化から正常に機能していることを判定している。

特許文献２の方法は、電位変更パルスをポテンショスタット回路を介してガスセンサに印加し、その時に得られるセンサ出力電流および電解電圧を読取り、基準値と比較することにより、ガスセンサの異常とガス感度の劣化を判断するようにしている。
特開２００５−０３０９５５号公報 特許第２６１３３１６号公報 特開２００４−１１７３０６号公報 特開２００４−１１７３０７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来の方法にあっては、ガスセンサの動作を確認する際に、アナログスイッチによりセンサ部と回路部の切り離しが必要なため、回路構成が複雑化し、部品点数が多くなるために実装面積も拡大し、更に、アナログスイッチが故障した場合に正常なセンサ出力が得られなくなるという問題がある。

また特許文献２の方法にあっては、センサ出力電流と電解電位を所定の基準値と比較して総合的にガスセンサの異常と感度劣化を複合的に判断する必要があり、判断要素が多くなり過ぎるため、誤判断の可能性が高くなる。またガスセンサの周辺回路部が故障していた場合、センサ出力電流がセンサ正常時と同じになることがあり、このような場合にも正常と判断してしまう問題があった。

本発明は、電気化学式センサ、その周辺回路、更に動作試験のための回路を含めて動作確認を個別的に可能として信頼性を向上させるガス警報器を提供することを目的とする。

本発明は動作確認機能を備えたガス警報器を提供する。本発明のガス警報器は、
外気に接触する電解質中に少なくとも作用電極、対向電極を離間配置した電気化学式ガスセンサと、
電気化学式ガスセンサを動作させ、作用電極に接触したＣＯガスのガス濃度に応じたセンサ信号を出力するセンサ動作回路と、
所定の試験タイミング毎に対向電極に試験パルスを印加する試験パルス発生回路と、
電気化学式ガスセンサに対する試験パルスの印加中に出力されるセンサ信号の時間変化から電気化学式センサが正常か異常かを判断する動作確認部と、
を備えたことを特徴とする。

ここで、電気化学式ガスセンサは作用電極と対向電極に加え、更に参照電極を離間配置した三極式の電気化学式ガスセンサであり、
センサ動作回路は、
電気化学式ガスセンサの作用電極からの信号を増幅してセンサ信号を出力するセンサ出力増幅回路と、
所定の基準電位を設定する基準電位設定回路と、
基準電位と電気化学式ガスセンサの参照電極との電位差を零とするように対極電極に加える電圧を制御することにより、作用電極と対向電極の電位差を零に保つポテンショスタット回路と、
を備え、
動作確認部は、
基準電位設定回路から出力されている基準電位を取得して正常か異常かを判断する基準電位判断部と、
試験パルス発生回路から出力された試験パルスの電位を取得して正常か異常かを判断する試験パルス判断部と、
センサ出力増幅回路から出力されるセンサ信号を取得し、基準電位及び試験パルスが正常と判断されたことを条件に、電気化学式ガスセンサ、ポテンショスタット回路及びセンサ出力増幅回路を含むセンサ部位が正常か異常かを判断するセンサ部位判断部と、
を備えたことを特徴とする。

センサ部位判断部は、試験パルス印加前のセンサ第１出力電圧Ｖ０及び試験パルス印加終了直前のセンサ第２出力電圧Ｖ１を検出し、両者の差電圧ΔＶ（＝Ｖ０−Ｖ１）が所定の閾値Ｖｔｈ以上の場合はセンサ部位は正常と判断し、閾値Ｖｔｈ未満の場合はセンサ部位は異常と判断する。

またセンサ部位判断部は、試験パルス印加前のセンサ第１出力電圧Ｖ０、試験パルス印加直後のセンサ第２出力電圧Ｖ１及び試験パルス印加終了直前のセンサ第３出力電圧Ｖ２を検出し、センサ第１出力電圧Ｖ０とセンサ第２出力電圧Ｖ１との差電圧ΔＶ１（＝Ｖ０−Ｖ１）が所定の閾値Ｖｔｈ未満で、且つセンサ第１出力電圧Ｖ０とセンサ第３出力電圧Ｖ２との差電圧ΔＶ２（＝Ｖ０−Ｖ２）が閾値Ｖｔｈ以上の場合はセンサ部位は正常と判断し、それ以外の場合はセンサ部位は異常と判断する。

また、センサ部位判断部は、試験パルス印加中におけるセンサ出力信号の時間的な傾きαを検出し、検出した傾きαが所定の閾値範囲内の場合はセンサ部位は正常と判断し、それ以外の場合はセンサ部位は異常と判断する。

またセンサ部位判断部は、試験パルス印加中におけるセンサ出力信号を微分し、微分値が所定の閾値範囲内の場合はセンサ部位は正常と判断し、それ以外の場合は前記センサ部位は異常と判断する。

更に、センサ部位判断部は、試験パルス印加中におけるセンサ出力信号を積分し、積分値が所定の閾値範囲内の場合はセンサ部位は正常と判断し、それ以外の場合はセンサ部位は異常と判断する。

本発明によれば、電気化学式ガスセンサに、基準電位発生回路、ポテンショスタット回路、センサ出力増幅回路といった周辺回路を接続したままの状態で試験パルスを印加し、試験パルス印加中に出力されるセンサ信号の時間的な変化から電気化学式ガスセンサが正常か異常かを適切に判断することができ、アナログスイッチなどによるセンサ部と回路部との切り離しを必要としないため、回路構成が簡単で小型化でき、長期間に亘り安定して動作確認が保証され、電池寿命で決まる５年を超える使用期間に亘り正常に動作することを確認し続け、ガス警報器としての信頼性を大幅に向上できる。

また電気化学式ガスセンサの動作に必要な基準電圧が正常であり、且つ動作確認に必要な試験パルスが正常であることを判断してから、電気化学式ガスセンサ、ポテンショスタット回路及びセンサ出力増幅回路を含むセンサ部位が正常か異常かを判断しているため、基準電位の異常や試験パルスの異常について、誤って電気化学式ガスセンサを含むセンサ部位の異常と誤判断してしまうことを確実に防止でき、センサ部位とその周辺回路の異常を可能な限り切り分けた動作試験による正常異常の判断ができる。

図１は本発明によるガス警報器の実施形態を示したブロック図である。図１において、本実施形態のガス警報器は監視制御部１０を有し、監視制御部１０に対し警報回路部１１を設け、更にセンサ動作回路部を介して電気化学式ガスセンサ１２を接続している。

本実施形態にあっては、電気化学式ガスセンサ１２として、３極式電気化学式ガスセンサを用いた場合を例にとっている。電気化学式ガスセンサ１２は、センサ内に、外気に接触する電解質１５を充填し、電解質１５に浸漬して作用電極（Ｗ）１４、対向電極（Ｃ）１６、及び参照電極（Ｒ）１８を離間配置している。

電気化学式ガスセンサ１２に対しては、周辺回路としてポテンショスタット回路２２及びセンサ出力増幅回路２４が設けられている。また、センサ出力増幅回路２４、ポテンショスタット回路２２に対しては、基準電位設定回路２０が設けられている。基準電位設定回路２０は所定の基準電位Ｖｒ、例えばＶｒ＝０．５ボルトを出力する。

ポテンショスタット回路２２は差動増幅器２６を有し、差動増幅器２６の非反転入力端子（＋）に基準電位設定回路２０から出力された基準電位Ｖｒを入力し、反転入力端子（−）に参照電極１８を接続している。差動増幅器２６の出力は参照電極１８に接続される。また差動増幅器２６の帰還回路にはコンデンサ２８が接続される。

ポテンショスタット回路２２は、差動増幅器２６の非反転入力（＋）に対する基準電位Ｖｒ＝０．５ボルトと参照電極１８の電圧Ｖｓとの差が零となるように、対向電極１６に加える電圧Ｖｃを制御し、この結果、作用電極１４と対向電極１６の間の電位差を零に保つようにしている。

電気化学式ガスセンサ１２の電解質１５に外部からＣＯガスが接触すると、作用電極１４の近傍でＣＯガスの酸化作用に伴う電流が作用電極１４から流れ出す。この作用電極１４から流れ出す電流は、電気化学式ガスセンサ１２に接触したＣＯガスのガス濃度に比例した電流となる。

作用電極１４はセンサ出力増幅回路２４に設けた差動増幅器３０の反転入力端子（−）に接続されており、予め設定した帰還抵抗３２で定まる増幅率に従って作用電極１４からの電流信号を増幅したＣＯガス濃度を示すＣＯガス検出信号（以下、単に「センサ信号」という）を出力する。

差動増幅器３０は、電気化学式ガスセンサ１２の作用電極１４からの電流入力に比例した電圧入力を反転増幅することで、ＣＯガス濃度が略０ｐｐｍのときの定常電圧からガス濃度に応じて増加するセンサ信号Ｖｏを出力する。

電気化学式ガスセンサ１２及びその周辺回路であるポテンショスタット回路２２及びセンサ出力増幅回路２４を含むセンサ部位の動作を確認するため、試験パルス発生回路２５が設けられる。

試験パルス発生回路２５は、監視制御部１０に設けたＭＰＵ３４からのタイミング信号を受けて、一定の試験タイミング例えば半日に１回の試験周期で決まる試験タイミングごとに動作し、試験パルス４６を電気化学式ガスセンサ１２の対向電極１６に出力する。

試験パルス発生回路２５から出力する試験パルス４６は、パルス電圧がＶｔでパルス幅Ｔｏが例えばＴｏ＝２００ｍｓｅｃである。ここで通常の動作状態において対向電極１６には、ポテンショスタット回路２２より基準電位Ｖｒ＝０．５ボルトと同じＶｃ＝０．５ボルトの電圧が加わっており、そこに試験パルス４６を加えることから、対向電極１６は（０．５ボルト＋Ｖｔ）の電圧が加わることになる。

通常、電気化学式ガスセンサ１２の対向電極１６と作用電極１４間に加える電圧は、水の理論分解電圧である１．２３ボルトを超えると電極にダメージを与えることから、試験パルス４６の印加により対向電極１６に加えるパルス電圧は例えばＶｔ＝０．５ボルトとし、これにポテンショスタット回路２２の出力電圧Ｖｃ＝０．５ボルトに重畳させることで（Ｖｃ＋Ｖｔ）＝１．０ボルトとし、電気化学式ガスセンサ１２の電極にダメージを与えないようにしている。

試験パルス発生回路２５から出力した試験パルス４６を電気化学式ガスセンサ１２に印加した際の動作確認は、監視制御部１０に設けたＭＰＵ３４の処理機能により行われる。

監視制御部１０に設けたＭＰＵ３４には、プログラムの実行により実現される機能としてガス濃度判定部４８と動作確認部５０が設けられている。動作確認部５０には、基準電位判断部５２、試験パルス判断部５４及びセンサ部位判断部５６の機能が設けられている。

また、ＭＰＵ３４に対し電気化学式ガスセンサ１２側の信号電圧を取り込むため、ＡＤ変換部４０，４２，４４が設けられている。ＡＤ変換部４０は、基準電位設定回路２０より出力される基準電位Ｖｒをサンプリングしてデジタルデータに変換し、ＭＰＵ３４に出力している。

ＡＤ変換部４２は、センサ出力増幅回路２４より出力されるセンサ信号をサンプリングしてＭＰＵ３４に取り込んでいる。更にＡＤ変換部４４は、試験パルス発生回路２５から出力される試験パルス４６の信号電圧をサンプリングしてＭＰＵ３４に取り込んでいる。

ＭＰＵ３４に設けたガス濃度判定部４８は、ＡＤ変換部４２で所定のサンプリング周期で読み込んだセンサ出力増幅回路２４から出力されるセンサ信号Ｖｃ、即ちＣＯガス濃度を示す信号を、予め定めた警報閾値と比較し、警報閾値を超えた場合には警報回路部１１に警報動作信号を出力し、警報回路部１１に設けている音響警報出力保持による音響警報、更にはＬＥＤなどによる警報表示灯を動作させる。

ＭＰＵ３４に設けた動作確認部５０は、電気化学式ガスセンサ１２に対する試験パルス発生回路２５からの試験パルス４６の印加中に出力されるセンサ出力増幅回路２４のセンサ信号Ｖｏの時間変化から、電気化学式ガスセンサ１２が正常か異常かを判断する。この電気化学式ガスセンサ１２が正常か異常かの判断は、具体的には、基準電位判断部５２、試験パルス判断部５４及びセンサ部位判断部５６のそれぞれにおいて順次行われる。

まず基準電位判断部５２は、試験パルス発生回路２５より試験パルス４６を出力した試験タイミングの最初の段階で、ＡＤ変換部４０により基準電位設定回路２０よりそのとき出力している基準電位Ｖｒをサンプリングして取り込み、正常状態でＶｒ＝０．５ボルトであることから、０．５ボルトを中心に予め定めた所定範囲、例えば０．５ボルト±５％の範囲に入っているかどうか判断し、この範囲内に入っていれば基準電位Ｖｒは正常と判断し、この範囲を外れていれば基準電位は異常と判断する。

基準電位Ｖｒの異常を判断した場合には、試験パルス判断部５４及びセンサ部位判断部５６による判断動作を行うことなく、電気化学式ガスセンサ１２の動作は異常であることからセンサ異常を判断し、警報回路部１１によりセンサ異常を警報表示させる。

試験パルス判断部５４は、試験タイミングで試験パルス発生回路２５から出力された試験パルス４６のパルス電圧ＶｔをＡＤ変換部４４によるサンプリングで取り込んで、予め設定した閾値である０．５ボルトと比較し、０．５ボルトに対し予め定めた範囲、例えば０．５ボルト±５％の範囲にあれば試験パルス４６は正常と判断し、この範囲を外れていれば試験パルスは異常と判断し、次のセンサ部位判断部５６による判断は行わない。試験パルス判断部５４で試験パルスの異常が判断された場合には、電気化学式ガスセンサ１２の正常な動作試験はできないため、センサ異常を警報出力表示させる。

センサ部位判断部５６は、基準電位判断部５２で基準電位Ｖｒが正常と判断され且つ試験パルス判断部５４で試験パルス４６が正常と判断された場合に、試験パルス４６の印加中にＡＤ変換部４２でサンプリングして取り込まれたセンサ出力増幅回路２４からのセンサ信号Ｖｏの時間変化に基づいて、センサ部位が正常か異常かを判断する。

メモリ３８には、基準電位Ｖｒ、試験パルス電圧Ｖｔ、センサ部位が正常か異常かを判断するための各閾値が記憶されている。

センサ部位判断部５６で判断する対象は、電気化学式ガスセンサ１２及びその周辺回路であるポテンショスタット回路２２とセンサ出力増幅回路２４を含んだ部分について、正常か異常かを判断する。

センサ部位判断部５６による正常か異常かの判断方法として、本実施形態にあっては、以下の説明で明らかにする第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態及び第５実施形態のいずれかの方法をとることができる。

図２は本発明の第１実施形態による動作確認処理における試験パルスとセンサ信号を示したタイムチャートである。図２（Ａ）は試験パルスであり、時刻ｔ２の試験タイミングで出力され、パルス幅Ｔｏ＝２００ｍｓに亘り、パルス電圧Ｖｔ＝０．５ボルトとなる試験パルスを出力している。

図２（Ｂ）は試験パルスを印加したときの図１の電気化学式ガスセンサ１２及びポテンショスタット回路２２、更にセンサ出力増幅回路２４がすべて正常な場合、即ちセンサ正常の場合のセンサ信号の時間変化を示している。

即ち、電気化学式ガスセンサ１２に試験パルスが時刻ｔ２で印加されると、対向電極１６と作用電極１４が定常時の０．５ボルトから試験パルス４６の印加により０．５ボルトだけ増加して１．０ボルトとなり、この電位の増加に伴って、電気化学式ガスセンサ１２が正常であれば作用電極１４に電流が流れ出し、センサ出力増幅回路２４による反転増幅で、図２（Ｂ）のように０．５ボルトから試験パルス印加中の時間経過に伴って低下し、パルス印加が断たれた時刻ｔ４から元の０．５ボルトに回復する時間変化を生ずる。

第１実施形態にあっては、試験パルスを印加する時刻ｔ２の直前の時刻ｔ１でセンサ信号電圧Ｖ０を取り込み、続いて試験パルスを印加してから印加が終了する時刻ｔ４の直前の時刻ｔ３でセンサ信号電圧Ｖ１を取り込み、両者の差電圧ΔＶを
ΔＶ＝Ｖ０−Ｖ１
として求め、この差電圧ΔＶが、予め定めた閾値電圧Ｖｔｈ、例えばＶｔｈ＝０．４ボルトと比較し、Ｖｔｈ＝４ボルト以上であれば正常と判断し、Ｖｔｈ＝４ボルト未満であれば異常と判断している。

図２（Ｃ）は電気化学式ガスセンサ１２における感度不良や電極ダメージが起きたセンサ異常時の試験パルス印加中におけるセンサ信号の時間変化を示している。この場合には、電気化学式ガスセンサ１２の感度不良や電極損傷などにより、試験パルスの印加に対し作用電極１４より十分な電流出力が行われず、図２（Ｂ）のセンサ正常時に比べ、センサ異常時のセンサ信号の試験パルス印加中における立ち下がりの度合いは小さくなっている。

この場合にも、試験パルスを印加する時刻ｔ２の直前の時刻ｔ１で検出したセンサ出力電圧Ｖ０と、時刻ｔ４で試験パルスの印加が終了する直前の時ΔＶを閾値電圧Ｖｔｈ＝０．４ボルトと比較する。この場合には、差電圧ΔＶは閾値電圧Ｖｔｈ＝０．４ボルトより小さいため、センサ異常と判断する。

図２（Ｄ）は同じくセンサ異常であるが、電気化学式ガスセンサ１２における電極断線や電極の短絡が起きた場合のセンサ出力電圧を示している。このように電極断線や短絡が起きた場合のセンサ異常については、時刻ｔ２で試験パルスを印加しても、電気化学式ガスセンサ１２の作用電極１４から電流出力は行われず、センサ出力増幅回路２４から出力されるセンサ信号電圧Ｖｃは試験パルス印加前の状態と同じ０．５ボルトを固定的に維持している。

このため、試験パルスを印加する直前の時刻ｔ１で検出したセンサ信号電圧Ｖ０と、試験パルスの印加終了直前の時刻ｔ３のタイミングで検出した信号電圧Ｖ１との差電圧ΔＶは、ほぼ０ボルトであり、閾値電圧Ｖｔｈ＝０．４ボルトを下回っていることでセンサ異常と判断される。

更にセンサ出力増幅回路２４の異常による出力停止についても、図２（Ｄ）の電極断線や短絡の場合と同じセンサ出力信号の変化となって異常が判断できる。

図３は図２のタイムチャートに対応した本発明の第１実施形態による動作確認処理を示したフローチャートであり、図１を参照して説明すると次のようなる。

図３において、動作確認処理は、ステップＳ１で例えば半日に１回の試験タイミングへの到達をタイマ部３６により判定すると、ステップＳ２でＡＤ変換部４０により基準電位設定回路２０から出力されている基準電位Ｖｒを取得し、ステップＳ３で基準電位Ｖｒは正常範囲か否か判別する。

正常範囲にあればステップＳ４に進む。一方、基準電位Ｖｒが正常範囲を外れていた場合には、ステップＳ１０に進み、基準電位異常と判断し、ステップＳ１１で基準電位エラー出力を行う。この場合には、通常時の試験パルスの出力による電気化学式ガスセンサ１２の動作試験は行わない。

ステップＳ３で基準電位Ｖｒが正常範囲であった場合には、ステップＳ４で試験前のセンサ出力電圧Ｖ０を取得した後、ステップＳ５で試験パルス発生回路２５を動作させ、試験パルスを電気化学式ガスセンサ１２に印加する。

続いてステップＳ６で、ＡＤ変換部４４により試験パルス４６のパルス電圧Ｖｔを取得する。続いてステップＳ７で、試験パルス印加終了直前のセンサ出力電圧Ｖ１を取得する。続いてステップＳ８において、ステップＳ６で取得した試験パルス電圧Ｖｔが正常か否か判断する。

正常であればステップＳ９に進み、ステップＳ４及びステップＳ７で取得した試験パルス直前のセンサ出力電圧Ｖ０と試験パルス印加終了直前のセンサ出力電圧Ｖ１との差電圧ΔＶ＝（Ｖｏ−Ｖ１）を所定の閾値Ｖｔｈ＝０．４ボルトと比較し、閾値Ｖｔｈより大きい場合は正常と判断する。一方、ステップＳ８で試験パルス電圧Ｖｔが正常でなかった場合には、ステップＳ１２で試験パルス異常を判断し、ステップＳ１３で試験エラー出力を行う。

また、ステップＳ９で差電圧ΔＶが閾値電圧Ｖｔｈ未満の場合には、ステップＳ１４でセンサ異常が判断され、ステップＳ１５でセンサエラー出力を行うことになる。このようなステップＳ１〜Ｓ１５の処理を、ステップＳ１６でログオフなどの停止指示があるまで繰り返す。

図４は本発明の第２実施形態による動作確認処理における試験パルスとセンサ信号を示したタイムチャートである。図４の第２実施形態にあっては、図４（Ａ）の試験パルスの出力に対し、図４（Ｂ）のセンサ正常時に示すように、試験パルス印加直前の時刻ｔ１でセンサ信号電圧Ｖ０を検出し、次に試験パルスの発生直後の時刻ｔ３、例えば時刻ｔ２の試験パルス発生から数十ミリ秒後の時刻ｔ３でセンサ出力電圧Ｖ１を検出し、更に試験パルスの印加終了時刻ｔ５の直前の時刻ｔ４でセンサ出力電圧Ｖ２を検出している。

そして、試験パルス印加直前のセンサ信号電圧Ｖｏと試験パルス印加直後のセンサ出力電圧Ｖ１との差電圧ΔＶ１として
ΔＶ１＝（Ｖｏ−Ｖ１）
を求め、この差電圧ΔＶ１を所定の閾値電圧Ｖｔｈ、例えばＶｔｈ＝０．４ボルトと比較し、
（１）差電圧ΔＶ１が閾値電圧Ｖｔｈ＝０．４ボルト以下であれば正常
（２）差電圧ΔＶ１が閾値電圧Ｖｔｈ＝０．４ボルトより大きければ異常
と判断する。

また試験パルス印加直前のセンサ出力電圧Ｖｏと試験パルス印加終了直前のセンサ出力電圧Ｖ２との差電圧ΔＶ２を
ΔＶ２＝（Ｖｏ−Ｖ２）
として求める。そして、差電圧ΔＶ２と閾値電圧Ｖｔｈ＝０．４ボルトを比較し、
（１）差電圧ΔＶ２が閾値電圧Ｖｔｈ＝０．４ボルト以上であれば正常
（２）差電圧ΔＶ２が閾値電圧Ｖｔｈ＝０．４ボルトより小さければ異常
と判断する。

そして、差電圧ΔＶ１とΔＶ２のそれぞれと、閾値Ｖｔｈ＝０．４ボルトとの比較で、両方とも正常と判断された場合はセンサ正常と判断し、いずれか一方が異常または両方が異常であった場合にはセンサ異常と判断する。

具体的には、図４（Ｂ）のセンサ正常時にあっては、試験パルス印加直前の時刻ｔ１のセンサ出力電圧Ｖ０と試験パルス印加直後の時刻ｔ３のセンサ信号電圧Ｖ１との差電圧ΔＶ１は閾値電圧Ｖｔｈ＝０．４ボルトより小さいことから正常と判断される。

また試験パルス印加直前の時刻ｔ１のセンサ出力電圧Ｖ０と試験パルス印加終了直前の時刻ｔ４のセンサ出力電圧Ｖ２との差電圧ΔＶ２は、閾値電圧Ｖｔｈ＝０．４ボルト以上であることから正常と判断される。そして差電圧ΔＶ１，ΔＶ２の両方につき正常と判断されることで、この場合はセンサ正常と判断される。

図４（Ｃ）は図１のセンサ出力増幅回路２４に異常が発生して出力が変化しなくなった場合の確認動作である。この場合、センサ信号電圧は試験パルスの印加にかかわらず、一定値である０．５ボルトに固定され、時刻ｔ１，ｔ３，ｔ４のそれぞれで検出されるセンサ信号電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２はすべて同じ０．５ボルトであり、ΔＶ１＝０ボルトで正常と判断されるが、ΔＶ２＝０ボルトでは異常と判断され、したがってセンサ出力増幅回路２４の異常に対しセンサ異常と判断することができる。

この図４（Ｃ）のセンサ出力増幅回路２４の出力が変化しない異常は、図２（Ｄ）に示した電気化学式ガスセンサ１２で電極断線や短絡が起きた場合のセンサ異常と同じセンサ出力電圧の変動であり、したがって図４の第２実施形態にあっては、電気化学式ガスセンサ１２の電極断線や短絡についてもセンサ異常を判断することができる。

図４（Ｄ）は図１のポテンショスタット回路２２の異常によるセンサ出力電圧の変化を示している。この場合のポテンショスタット回路２２の異常としては、電気化学式ガスセンサ１２の対向電極１６に対する試験パルスの印加により、それまでの０．５ボルトから１．０ボルトに増加し、これに伴って参照電極１８の電圧Ｖｓも０．５ボルトから１．０ボルトに上昇し、本来ならば参照電極１８の電圧Ｖｓを基準電位Ｖｒ＝０．５ボルトに一致させるようにポテンショスタット回路２２の差動増幅器２６の出力電圧Ｖｃの出力が行われるが、この動作が正常に行われない場合には、図４（Ｄ）に示すように作用電極１４からの出力電流が急激に流れ出し、センサ出力増幅回路２４から出力されるセンサ出力信号電圧は通常の０．５ボルトから０ボルトに試験パルスの印加中、固定され、試験パルスの印加が終了すると元の０．５ボルトに回復することになる。

このようなポテンショスタット回路２２の異常時のセンサ出力電圧の変化に対し、時刻ｔ１，ｔ３，ｔ４で検出されたセンサ出力電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２について、差電圧ΔＶ１＝Ｖ０−Ｖ１＝０．５−０＝０．５ボルトとなり、差電圧ΔＶ１は閾値電圧Ｖｔｈ＝０．４ボルトを超えていることから異常と判断される。

また差電圧ΔＶ２はΔＶ２＝Ｖ０−Ｖ２＝０．５−０＝０．５ボルトとなり、閾値電圧Ｖｔｈ＝０．４ボルトを超えていることから正常と判断される。しかしながら、差電圧ΔＶ１につき異常と判断されているため、この場合にはセンサ異常が判断される。

このように図４の第２実施形態にあっては、図２の第１実施形態では異常と判断できなかったポテンショスタット回路２２の異常についても、センサ異常と判断することができる。

図５は図４に示した本発明の第２実施形態による動作確認処理を示したフローチャートである。図５の動作確認処理において、ステップＳ１〜Ｓ６は図３の第１実施形態と同じであるが、ステップＳ７で試験パルス印加直後と終了直前のセンサ出力電圧Ｖ１，Ｖ２を取得している点が相違する。

またステップＳ９のセンサ出力判定について、差電圧ΔＶ１＝（Ｖ０−Ｖ１）が閾値Ｖｔｈ以下で、且つ差電圧ΔＶ２＝（Ｖ０−Ｖ２）が閾値電圧Ｖｔｈ以上であることを条件に、正常と判断している点が相違する。それ以外は図３の第１実施形態と基本的に同じになる。

図６は本発明の第３実施形態による動作確認処理による試験パルスとセンサ信号を示したタイムチャートである。図６の第２実施形態にあっては、図６（Ａ）のように試験パルスを印加したときの電気化学式ガスセンサ１２の出力電流に基づくセンサ出力増幅回路２４からのセンサ信号電圧の傾きを検出して、正常か異常かを判断するようにしたことを特徴とする。

図６（Ｂ）はセンサ正常時であり、この場合には図４（Ｂ）と同じセンサ信号電圧の変化となり、試験パルス印加時の時刻ｔ２のセンサ出力電圧を、試験パルス印加直前の時刻ｔ１でセンサ出力電圧Ｖ０として検出し、続いて試験パルス印加中の時刻ｔ３で検出したセンサ信号電圧Ｖ１との経過時間Ｔ１に対する傾きα、即ち図示の一点鎖線で示す直線の傾きαを求め、傾きαが予め定めた正常範囲にあればセンサ正常と判断し、正常範囲を外れた場合には異常と判断する。

図６（Ｃ）は電気化学式ガスセンサ１２の感度不良や電極損傷のセンサ異常であり、この場合の傾きαは正常範囲を外れて小さくなることで、センサ異常を判断する。図６（Ｄ）は電気化学式ガスセンサ１２の電極断線や短絡の場合であり、この場合、試験パルス印加中のセンサ出力信号の傾きαは零であることから異常と判断する。

図７は図６に示した本発明の第３実施形態による動作確認処理を示したフローチャートであり、ステップＳ４で試験前のセンサ出力電圧Ｖ０を取得した後、ステップＳ７で試験パルス印加中のセンサ出力電圧Ｖ２により傾きαを取得し、ステップＳ９で傾きαが予め定めた最小値αｍｉｎと最大値αｍａｘの間にあるか否か判断し、この範囲にあれば正常と判断し、それ以外であれば異常と判断する点が先の実施形態に相違する。それ以外の処理は図４の第１実施形態と基本的に同じである。

図８は本発明の第４実施形態による動作確認処理による試験パルスとセンサ信号を示したタイムチャートである。図８の第４実施形態にあっては、図８（Ａ）のように試験パルスを印加したときの電気化学式ガスセンサ１２の出力電流に基づくセンサ出力増幅回路２４からのセンサ信号電圧を微分し、微分値が所定を閾値範囲内にあれば正常と判断し、範囲外であれば異常と判断するようにしたことを特徴とする。

図８（Ｂ）はセンサ正常時であり、この場合には図４（Ｂ）と同じセンサ信号電圧の変化となり、その微分値は微分波形６０のように変化する。この微分波形６０について試験パルス印加中の微分波形６０のピーク絶対値Ｄ（＝ピーク最大値−ピーク最小値）を求め、所定の最小値Ｄｍｉｎと最大値Ｄｍａｘで決まる閾値範囲内にあることから正常と判断する。

図８（Ｃ）は電気化学式ガスセンサ１２の感度不良や電極損傷のセンサ異常であり、この場合の微分値は微分波形６２のように変化し、試験パルス印加中の微分波形６２のピーク絶対値Ｄを求め、所定の最小値Ｄｍｉｎより小さいことで異常と判断する。

図８（Ｄ）は電気化学式ガスセンサ１２の電極断線や短絡の場合であり、この場合、試験パルス印加中のセンサ出力信号の微分ピーク絶対値Ｄは零であることから異常と判断する。

なお、図４（Ｄ）に示したようなポテンショスタット回路２２の異常時のセンサ信号電圧についての微分値は、試験パルス印加開始時と終了時にパルス的に発生することから、微分ピーク絶対値の検出範囲を試験パルス印加中の開始時と終了を除く区間に制約することで、異常と判断できる。

図９は図８に示した本発明の第４実施形態による動作確認処理を示したフローチャートである。図９の動作確認処理は、ステップＳ６で試験パルスの印加中のセンサ出力電圧につき微分値を取得し、その後、ステップＳ８でセンサ出力の判定で試験パルス印加中に取得した微分値のピーク絶対値Ｄについて、最小値Ｄｍｉｎと最大値Ｄｍａｘの範囲にあれば正常と判断し、範囲外にあれば異常と判断しており、それ以外の点は図３の第１実施形態のフローチャートと基本的に同じになる。

図１０は本発明の第５実施形態による動作確認処理における試験パルスとセンサ信号を示したタイムチャートであり、第５実施形態にあっては試験パルス印加中のセンサ信号電圧の積分値からセンサの正常か異常かを判断するようにしたことを特徴とする。

図１０（Ａ）は試験パルスであり、図１０（Ｂ）はセンサ正常時のセンサ信号電圧である。また図１０（Ｃ）は電気化学式ガスセンサ１２に感度不良や電極損傷が生じた場合のセンサ異常、図１０（Ｄ）は電気化学式ガスセンサ１２に電極断線や短絡が生じた場合のセンサ異常である。

このような図１０（Ｂ）のセンサ正常時と図１０（Ｃ）（Ｄ）のセンサ異常時のセンサ信号電圧の試験パルス印加中の変化につき、斜線で示すように積分値Ｓを求め、積分値Ｓが所定の範囲内にあれば正常、その範囲を超えれば異常と判断する。具体的には、センサ正常時の積分値Ｓがセンサ異常時の積分値Ｓに対し小さい関係にあることが分かる。

更に、図４（Ｄ）に示したようなポテンショスタット回路２２の異常時のセンサ信号電圧についての積分値は零となることが分かる。したがって、積分値Ｓが所定範囲内にあれば正常、所定範囲を外れると異常と判断することが可能となる。

図１１は本発明の第５実施形態による動作確認処理を示したフローチャートである。図１１の動作確認処理は、ステップＳ６で試験パルスの印加中のセンサ出力電圧につき積分値Ｓを取得し、その後、ステップＳ８でセンサ出力の判定で試験パルス印加中に取得した積分値Ｓについて、最小値Ｓｍｉｎと最大値Ｓｍａｘの範囲にあれば正常と判断し、範囲外にあれば異常と判断しており、それ以外の点は図３の第１実施形態のフローチャートと基本的に同じになる。

また本発明は、図１の監視制御部１０に設けたＭＰＵ３４で実行される動作確認処理のためのプログラムを提供する。このプログラムは、図３，図５，図７、図９及び図１１のフローチャートに示した処理内容を持つことになる。

なお上記の実施形態にあっては、基準電位の異常、試験パルスの異常、あるいはセンサ部位の異常を判断した際に、それぞれの異常内容を示すエラー種別を出力しているが、エラー種別を持たせることなく、共通のセンサ異常のエラー出力としてもよい。

また本実施形態におけるセンサ異常時のセンサ出力信号電圧の変化は上記の実施形態のタイムチャートに限定されず、これ以外の信号波形の変化となることも予想されるが、前記第１実施形態もしくは第５実施形態のいずれかもしくはその組合せにより、ほぼ完全にセンサ異常を判断して警報することができる。

また本発明は、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。

本発明によるガス警報器の実施形態を示したブロック図 本発明の第１実施形態による動作確認処理における試験パルスとセンサ信号を示したタイムチャート 本発明の第１実施形態による動作確認処理を示したフローチャート 本発明の第２実施形態による動作確認処理における試験パルスとセンサ信号を示したタイムチャート 本発明の第２実施形態による動作確認処理を示したフローチャート 本発明の第３実施形態による動作確認処理における試験パルスとセンサ信号を示したタイムチャート 本発明の第３実施形態による動作確認処理を示したフローチャート 本発明の第４実施形態による動作確認処理における試験パルスとセンサ信号を示したタイムチャート 本発明の第４実施形態による動作確認処理を示したフローチャート 本発明の第５実施形態による動作確認処理における試験パルスとセンサ信号を示したタイムチャート 本発明の第５実施形態による動作確認処理を示したフローチャート

符号の説明

１０：監視制御部
１１：警報回路部
１２：電気化学式ガスセンサ
１４：作用電極
１５：電解質
１６：対向電極
１８：参照電極
２０：基準電位設定回路
２２：ポテンショスタット回路
２４：センサ出力増幅回路
２５：試験パルス発生回路
２６，３０：差動増幅器
３４：ＭＰＵ
３６：タイマ部
３８：メモリ
４０，４２，４４：ＡＤ変換部
４８：ガス濃度判定部
５０：動作確認部
５２：基準電位判断部
５４：試験パルス判断部
５６：センサ部位判断部
６０，６２：微分波形

Claims (7)

1. 外気に接触する電解質中に少なくとも作用電極、対向電極を離間配置した電気化学式ガスセンサと、
   前記電気化学式ガスセンサを動作させ、前記作用電極に接触したＣＯガスのガス濃度に応じたセンサ信号を出力するセンサ動作回路と、
   所定の試験タイミング毎に前記対向電極に試験パルスを印加する試験パルス発生回路と、
   前記電気化学式ガスセンサに対する前記試験パルスの印加中に出力されるセンサ信号の時間変化から前記電気化学式センサが正常か異常かを判断する動作確認部と、
   を備えたことを特徴とするガス警報器。
   
2. 請求項１記載のガス警報器に於いて、
   前記電気化学式ガスセンサは作用電極と対向電極に加え、更に参照電極を離間配置した三極式の電気化学式ガスセンサであり、
   前記センサ動作回路は、
   前記電気化学式ガスセンサの作用電極からの信号を増幅して前記センサ信号を出力するセンサ出力増幅回路と、
   所定の基準電位を設定する基準電位設定回路と、
   前記基準電位と前記電気化学式ガスセンサの参照電極との電位差を零とするように前記対極電極に加える電圧を制御することにより、前記作用電極と対向電極の電位差を零に保つポテンショスタット回路と、
   を備え、
   前記動作確認部は、
   前記基準電位設定回路から出力されている基準電位を取得して正常か異常かを判断する基準電位判断部と、
   前記試験パルス発生回路から出力された試験パルスの電位を取得して正常か異常かを判断する試験パルス判断部と、
   前記センサ出力増幅回路から出力される前記センサ信号を取得し、前記基準電位及び試験パルスが正常と判断されたことを条件に、前記電気化学式ガスセンサ、前記ポテンショスタット回路及び前記センサ出力増幅回路を含むセンサ部位が正常か異常かを判断するセンサ部位判断部と、
   を備えたことを特徴とするガス警報器。
   
3. 請求項２記載のガス警報器に於いて、前記センサ部位判断部は、前記試験パルス印加前のセンサ第１出力電圧及び前記試験パルス印加終了直前のセンサ第２出力電圧を検出し、両者の差電圧が所定の閾値以上の場合は前記センサ部位は正常と判断し、前記閾値未満の場合は前記センサ部位は異常と判断することを特徴とするガス警報器。
   
4. 請求項２記載のガス警報器に於いて、前記センサ部位判断部は、前記試験パルス印加前のセンサ第１出力電圧、前記試験パルス印加直後のセンサ第２出力電圧及び前記試験パルス印加終了直前のセンサ第３出力電圧を検出し、前記センサ第１出力電圧と前記センサ第２出力電圧との差電圧が所定の閾値未満で、且つ前記センサ第１出力電圧と前記センサ第３出力電圧との差電圧が前記閾値以上の場合は前記センサ部位は正常と判断し、それ以外の場合は前記センサ部位は異常と判断することを特徴とするガス警報器。
   
5. 請求項２記載のガス警報器に於いて、前記センサ部位判断部は、前記試験パルス印加中におけるセンサ出力信号の時間的な傾きを検出し、検出した傾きが所定の閾値範囲内の場合は前記センサ部位は正常と判断し、それ以外の場合は前記センサ部位は異常と判断することを特徴とするガス警報器。
   
6. 請求項２記載のガス警報器に於いて、前記センサ部位判断部は、前記試験パルス印加中におけるセンサ出力信号を微分し、微分値が所定の閾値範囲内の場合は前記センサ部位は正常と判断し、それ以外の場合は前記センサ部位は異常と判断することを特徴とするガス警報器。
   
7. 請求項２記載のガス警報器に於いて、前記センサ部位判断部は、前記試験パルス印加中におけるセンサ出力信号を積分し、積分値が所定の閾値範囲内の場合は前記センサ部位は正常と判断し、それ以外の場合は前記センサ部位は異常と判断することを特徴とするガス警報器。

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