JP2009300088A - Gas detector and secular change correcting method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス検出装置及び経年変化補正方法に関する。 The present invention relates to a gas detection device and an aging correction method.
従来、酢酸やエタノールなどの有極性ガスの濃度を検出する接触燃焼式ガスセンサが知られている。この接触燃焼式ガスセンサでは、触媒上で有極性ガスを燃焼することによって、白金の抵抗値が変化し、この変化に基づいて得られる出力電圧から、有極性ガスの濃度を検出する構成となっている。しかし、このような接触燃焼式ガスセンサでは、触媒上で有極性ガスを燃焼することから、長期的に使用すると、触媒表面に付着した燃えかすにより出力電圧に経年変化が生じてしまう。また、シリコーン被毒によっても経年変化が生じてしまう。 Conventionally, a catalytic combustion type gas sensor that detects the concentration of a polar gas such as acetic acid or ethanol is known. In this contact combustion type gas sensor, the resistance value of platinum is changed by burning the polar gas on the catalyst, and the concentration of the polar gas is detected from the output voltage obtained based on this change. Yes. However, in such a contact combustion type gas sensor, polar gas is burned on the catalyst, and therefore, when used for a long period of time, the aging changes in the output voltage due to debris adhering to the catalyst surface. In addition, secular change is caused by silicone poisoning.
そこで、経年変化した出力電圧を補正して、有極性ガスの濃度を正確に検出し得るようにしたガス検出装置が提案されている。第1の装置は、予め濃度が明らかとなっている校正用のガスの濃度を検出し、検出された濃度が明らかとなっている濃度と一致するように補正する校正計算式を求める構成となっている。そして、第1の装置は、以後の検出において校正計算式により補正演算しつつ濃度検出を行うこととなる(特許文献1参照)。 In view of this, there has been proposed a gas detection device that corrects an output voltage that has changed over time so that the concentration of a polar gas can be accurately detected. The first apparatus is configured to detect the concentration of a calibration gas whose concentration has been clarified in advance, and to obtain a calibration calculation formula for correcting the detected concentration so as to match the clarified concentration. ing. In the subsequent detection, the first apparatus performs density detection while performing a correction operation using a calibration calculation formula (see Patent Document 1).
第2の装置は、測定対象となる被検出気体の濃度を検出する計測センサと、大気中における被検出気体の濃度を検出する基準計測センサとの2つのセンサを備えている。そして、第2の装置は、両センサが同じように経年変化するという前提のもと、計測センサの出力値を、基準センサの出力値で補正する構成となっている(特許文献2参照)。
しかし、特許文献1に記載のガス検出装置では、補正用の校正計算式を求めるために、校正用のガスが必要となってしまうと共に、校正計算式を求めるまでの作業が発生して煩雑となってしまう。さらに、特許文献1に記載のガス検出装置は、校正計算式を求めるまでの期間において、ガス濃度を検出できなくなり、連続的に濃度検出する必要があるガス検出装置(例えばガス警報器など)には不向きである。
However, in the gas detection device described in
また、特許文献2に記載のガス検出装置は、両センサが同じように経年変化するという前提のもと補正をする構成であるため、接触燃焼式ガスセンサのように、検出用のセンサと参照用のセンサを有し、検出用のセンサの経年変化が大きくなるものについては、適用することができない。
Further, the gas detection device described in
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、濃度補正にあたり、有極性ガスの濃度検出を中断することなく校正作業の煩雑さを軽減することが可能なガス検出装置及び経年変化補正方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to reduce the complexity of the calibration work without interrupting the concentration detection of the polar gas in the concentration correction. It is an object of the present invention to provide a gas detection device and an aging correction method that can perform the above-described operation.
本発明のガス検出装置は、接触燃焼式ガスセンサを備えたガス検出装置であって、接触燃焼式ガスセンサを高温駆動させるためにハイレベルの信号を出力する高温制御と接触燃焼式ガスセンサを低温駆動させるためにロウレベルの信号を出力する低温制御とを繰り返し行うセンサ駆動制御手段と、センサ駆動制御手段により駆動された接触燃焼式ガスセンサの出力から、有極性ガスの濃度を算出する濃度算出手段と、濃度算出手段により算出された濃度が所定濃度以下である場合に、低温制御中における接触燃焼式ガスセンサの出力と、高温制御中における接触燃焼式ガスセンサの出力との出力差分から、接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断する劣化判断手段と、を備え、濃度算出手段は、センサ駆動制御手段により駆動された接触燃焼式ガスセンサの出力を、劣化判断手段により判断された接触燃焼式ガスセンサの劣化状態に応じて補正し、有極性ガスの濃度を算出することを特徴とする。 The gas detection device of the present invention is a gas detection device provided with a catalytic combustion type gas sensor, and outputs a high level signal to drive the catalytic combustion type gas sensor at a high temperature and drives the catalytic combustion type gas sensor at a low temperature. Sensor driving control means for repeatedly performing low temperature control for outputting a low level signal, concentration calculating means for calculating the concentration of polar gas from the output of the catalytic combustion type gas sensor driven by the sensor driving control means, When the concentration calculated by the calculating means is equal to or lower than the predetermined concentration, the degradation of the catalytic combustion gas sensor is determined from the output difference between the output of the catalytic combustion gas sensor during low temperature control and the output of the catalytic combustion gas sensor during high temperature control. Deterioration determination means for determining the state, the concentration calculation means is contact combustion driven by the sensor drive control means The output of the gas sensor, and corrected according to the deterioration state of has been catalytic combustion type gas sensor determined by the deterioration determining means, and calculates the concentration of the polar gas.
また、本発明のガス検出装置において、センサ駆動制御手段は、接触燃焼式ガスセンサを高温駆動させて吸着した有極性ガスを燃焼させる燃焼期間、接触燃焼式ガスセンサを低温駆動させて燃焼期間における燃焼により温度上昇した接触燃焼式ガスセンサの温度を低下させる温度低下期間、温度低下期間において温度低下した接触燃焼式ガスセンサを高温駆動させるベース値検出期間、及び、ベース値検出期間において高温駆動された接触燃焼式ガスセンサを低温駆動して有極性ガスを吸着させる吸着期間を繰り返し、劣化判断手段は、温度低下期間における接触燃焼式ガスセンサの出力とベース値検出期間における接触燃焼式ガスセンサの出力との差分を出力差分とすることが好ましい。 In the gas detection device of the present invention, the sensor drive control means is configured to perform combustion in a combustion period in which the polar gas adsorbed by driving the catalytic combustion gas sensor at a high temperature is burned, and in a combustion period in which the catalytic combustion gas sensor is driven at a low temperature. A temperature drop period for lowering the temperature of the contact combustion gas sensor whose temperature has increased, a base value detection period for driving the contact combustion gas sensor whose temperature has dropped during the temperature drop period at a high temperature, and a contact combustion type driven at a high temperature during the base value detection period The adsorption period in which the gas sensor is driven at a low temperature to adsorb the polar gas is repeated, and the deterioration judgment means outputs the difference between the output of the contact combustion gas sensor during the temperature drop period and the output of the contact combustion gas sensor during the base value detection period. It is preferable that
また、本発明のガス検出装置において、劣化判断手段は、温度低下期間における接触燃焼式ガスセンサの出力が安定した定常状態における出力と、ベース値検出期間における接触燃焼式ガスセンサの出力が安定した定常状態における出力との差分を出力差分とすることが好ましい。 Further, in the gas detection device of the present invention, the deterioration determination means includes an output in a steady state where the output of the catalytic combustion type gas sensor is stable during the temperature drop period, and a steady state where the output of the catalytic combustion type gas sensor is stable during the base value detection period. It is preferable that the difference from the output at is the output difference.
また、本発明のガス検出装置において、劣化判断工程では、出力差分と、低温制御中における初期の接触燃焼式ガスセンサの出力と、高温制御中における初期の接触燃焼式ガスセンサの出力との差分である初期差分とから、接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断することが好ましい。 Further, in the gas detection device of the present invention, in the deterioration determination step, the difference between the output difference, the output of the initial catalytic combustion gas sensor during the low temperature control, and the output of the initial catalytic combustion gas sensor during the high temperature control. It is preferable to determine the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor from the initial difference.
また、本発明のガス検出装置において、初期差分は零とされていることが好ましい。 In the gas detection device of the present invention, it is preferable that the initial difference is zero.
また、本発明のガス検出装置において、予め初期差分を記憶した初期差分記憶手段をさらに備え、劣化判断手段は、出力差分と、初期差分記憶手段により記憶された初期差分とから、接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断することが好ましい。 The gas detection device of the present invention further includes an initial difference storage unit that stores an initial difference in advance, and the deterioration determination unit uses a contact combustion gas sensor based on the output difference and the initial difference stored in the initial difference storage unit. It is preferable to determine the deterioration state of the.
また、本発明の経年変化補正方法は、接触燃焼式ガスセンサの経年変化補正方法であって、接触燃焼式ガスセンサを高温駆動させるためにハイレベルの信号を出力する高温制御と接触燃焼式ガスセンサを低温駆動させるためにロウレベルの信号を出力する低温制御とを繰り返し行うセンサ駆動制御工程と、センサ駆動制御工程において駆動された接触燃焼式ガスセンサの出力から、有極性ガスの濃度を算出する濃度算出工程と、濃度算出工程において算出された濃度が所定濃度以下である場合に、低温制御中における接触燃焼式ガスセンサの出力と、高温制御中における接触燃焼式ガスセンサの出力との出力差分から、接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断する劣化判断工程と、を有し、濃度算出工程では、センサ駆動制御工程において駆動された接触燃焼式ガスセンサの出力を、劣化判断工程において判断された接触燃焼式ガスセンサの劣化状態に応じて補正し、有極性ガスの濃度を算出することを特徴とする。 Further, the aging correction method of the present invention is a aging correction method for a catalytic combustion type gas sensor, wherein the high temperature control for outputting a high level signal to drive the catalytic combustion type gas sensor at a high temperature and the catalytic combustion type gas sensor at a low temperature. A sensor driving control step for repeatedly performing low temperature control for outputting a low level signal for driving, and a concentration calculating step for calculating the concentration of the polar gas from the output of the catalytic combustion type gas sensor driven in the sensor driving control step; When the concentration calculated in the concentration calculation step is equal to or lower than a predetermined concentration, a contact combustion gas sensor is obtained from an output difference between the output of the contact combustion gas sensor during low temperature control and the output of the contact combustion gas sensor during high temperature control. A deterioration determination step for determining the deterioration state of the sensor, and in the concentration calculation step, the drive in the sensor drive control step is performed. It has been the output of the catalytic combustion type gas sensor, and corrected according to the deterioration state of the determined catalytic combustion type gas sensor in a deteriorated decision process, and calculates the concentration of the polar gas.
また、本発明の経年変化補正方法において、センサ駆動制御工程では、接触燃焼式ガスセンサを高温駆動させて吸着した有極性ガスを燃焼させる燃焼期間、接触燃焼式ガスセンサを低温駆動させて燃焼期間における燃焼により温度上昇した接触燃焼式ガスセンサの温度を低下させる温度低下期間、温度低下期間において温度低下した接触燃焼式ガスセンサを高温駆動させるベース値検出期間、及び、ベース値検出期間において高温駆動された接触燃焼式ガスセンサを低温駆動して有極性ガスを吸着させる吸着期間を繰り返し、劣化判断工程では、温度低下期間における接触燃焼式ガスセンサの出力とベース値検出期間における接触燃焼式ガスセンサの出力との差分を出力差分とすることが好ましい。 In the aging correction method of the present invention, in the sensor drive control step, the combustion period in which the catalytic combustion gas sensor is driven at a high temperature to burn the adsorbed polar gas and the contact combustion gas sensor is driven at a low temperature to burn in the combustion period. The temperature drop period during which the temperature of the contact combustion gas sensor whose temperature has increased due to the temperature drop is decreased, the base value detection period during which the contact combustion gas sensor whose temperature has dropped during the temperature drop period is driven at a high temperature, and the contact combustion driven at a high temperature during the base value detection period The adsorption period in which polar gas is adsorbed by driving the gas sensor at low temperature is repeated, and in the deterioration judgment process, the difference between the output of the contact combustion gas sensor during the temperature drop period and the output of the contact combustion gas sensor during the base value detection period is output. It is preferable to use a difference.
また、本発明の経年変化補正方法において、劣化判断工程では、温度低下期間における接触燃焼式ガスセンサの出力が安定した定常状態における出力と、ベース値検出期間における接触燃焼式ガスセンサの出力が安定した定常状態における出力との差分を出力差分とすることが好ましい。 In the aging correction method of the present invention, in the deterioration determination step, the output in a steady state where the output of the catalytic combustion type gas sensor is stable during the temperature drop period and the steady state where the output of the catalytic combustion type gas sensor is stable during the base value detection period. The difference from the output in the state is preferably the output difference.
また、本発明の経年変化補正方法において、劣化判断工程では、出力差分と、低温制御中における初期の接触燃焼式ガスセンサの出力と、高温制御中における初期の接触燃焼式ガスセンサの出力との差分である初期差分とから、接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断することが好ましい。 Further, in the aging correction method of the present invention, in the deterioration determination step, the difference between the output difference, the output of the initial catalytic combustion gas sensor during the low temperature control, and the output of the initial catalytic combustion gas sensor during the high temperature control. It is preferable to determine the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor from a certain initial difference.
また、本発明の経年変化補正方法において、初期差分は零とされていることが好ましい。 In the aging correction method of the present invention, the initial difference is preferably set to zero.
また、本発明の経年変化補正方法において、劣化判断工程では、予め記憶された初期差分を読み出し、出力差分と、記憶された初期差分とから、接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断することが好ましい。 In the aging correction method of the present invention, in the deterioration determination step, it is preferable to read an initial difference stored in advance and determine a deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor from the output difference and the stored initial difference. .
本発明のガス検出装置によれば、有極性ガスの濃度が所定濃度以下である場合に、低温制御中における接触燃焼式ガスセンサの出力と、高温制御中における接触燃焼式ガスセンサの出力との出力差分から、接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断する。ここで、有極性ガスの濃度が所定濃度以下である場合、例えば有極性ガスの濃度がほぼ零に近い場合、出力は有極性ガスの濃度に影響を受けることなく、初期設定時の値に近くなるはずである。ところが、接触燃焼式ガスセンサが劣化している場合、接触燃焼式ガスセンサのうち、検出用センサの抵抗値が低下してしまう。この結果、上記出力差分について変化が生じる。このため、出力差分から接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断することができる。特に、有極性ガスの濃度を算出しつつも接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断して濃度補正を行うので、有極性ガスの濃度検出を中断することなく、校正用ガスを用いるなどの煩雑さが生じないようになっている。従って、濃度補正にあたり、有極性ガスの濃度検出を中断することなく校正作業の煩雑さを軽減することができる。 According to the gas detection device of the present invention, when the concentration of the polar gas is equal to or lower than the predetermined concentration, the output difference between the output of the catalytic combustion type gas sensor during the low temperature control and the output of the catalytic combustion type gas sensor during the high temperature control. From this, the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor is determined. Here, when the concentration of the polar gas is less than or equal to the predetermined concentration, for example, when the concentration of the polar gas is nearly zero, the output is not affected by the concentration of the polar gas and is close to the initial setting value. Should be. However, when the contact combustion type gas sensor is deteriorated, the resistance value of the detection sensor among the contact combustion type gas sensors is lowered. As a result, a change occurs in the output difference. For this reason, it is possible to determine the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor from the output difference. In particular, since the concentration correction is performed by determining the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor while calculating the concentration of the polar gas, it is troublesome to use the calibration gas without interrupting the detection of the concentration of the polar gas. Does not occur. Therefore, in the concentration correction, it is possible to reduce the complexity of the calibration operation without interrupting the detection of the concentration of the polar gas.
また、温度低下期間における接触燃焼式ガスセンサの出力とベース値検出期間における接触燃焼式ガスセンサの出力との差分を出力差分とするため、有極性ガスの濃度に影響を受けにくい2期間における出力から、劣化状態を判断することとなり、劣化状態の判断精度を向上させることができる。 In addition, since the difference between the output of the catalytic combustion type gas sensor during the temperature drop period and the output of the catalytic combustion type gas sensor during the base value detection period is used as the output difference, from the output during the two periods that are not easily affected by the concentration of the polar gas, The deterioration state is determined, and the determination accuracy of the deterioration state can be improved.
また、温度低下期間における接触燃焼式ガスセンサの出力が安定した定常状態における出力と、ベース値検出期間における接触燃焼式ガスセンサの出力が安定した定常状態における出力との差分を出力差分とする。このため、高温制御と低温制御とを切り替えた直後の過渡期の出力を用いることが防止される。従って、劣化状態の判断精度を向上させることができる。 The difference between the output in the steady state where the output of the catalytic combustion type gas sensor is stable during the temperature drop period and the output in the steady state where the output of the catalytic combustion type gas sensor is stable during the base value detection period is defined as the output difference. For this reason, it is possible to prevent the use of the output in the transition period immediately after switching between the high temperature control and the low temperature control. Accordingly, it is possible to improve the determination accuracy of the deterioration state.
また、出力差分と初期差分とから接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断するため、初期の劣化のない状態からどの程度出力が変化したかを知ることができ、劣化状態の判断精度を向上させることができる。 In addition, since the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor is judged from the output difference and the initial difference, it is possible to know how much the output has changed from the state without the initial deterioration, and to improve the determination accuracy of the deterioration state. Can do.
また、初期差分は零とされているため、初期の劣化のない状態からどの程度出力が変化したかを、出力差分のみから判断することができる。従って、劣化状態の判断にあたり、処理負荷を軽減させることができる。 Further, since the initial difference is set to zero, it can be determined from the output difference only how much the output has changed from the state without the initial deterioration. Therefore, the processing load can be reduced in determining the deterioration state.
また、予め初期差分を記憶しておき、出力差分と、記憶された初期差分とから、接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断する。このため、初期差分を零にするための回路調整等が不要となり、ガス検出装置の初期設定を簡易に行うことができる。 Further, the initial difference is stored in advance, and the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor is determined from the output difference and the stored initial difference. This eliminates the need for circuit adjustment or the like for making the initial difference zero, and makes it possible to easily perform the initial setting of the gas detection device.
また、本発明の経年変化補正方法によれば、有極性ガスの濃度が所定濃度以下である場合に、低温制御中における接触燃焼式ガスセンサの出力と、高温制御中における接触燃焼式ガスセンサの出力との出力差分から、接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断する。ここで、有極性ガスの濃度が所定濃度以下である場合、例えば有極性ガスの濃度がほぼ零に近い場合、出力は有極性ガスの濃度に影響を受けることなく、初期設定時の値に近くなるはずである。ところが、接触燃焼式ガスセンサが劣化している場合、接触燃焼式ガスセンサのうち、検出用センサの抵抗値が低下してしまう。この結果、上記出力差分について変化が生じる。このため、出力差分から接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断することができる。特に、有極性ガスの濃度を算出しつつも接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断して濃度補正を行うので、有極性ガスの濃度検出を中断することなく、校正用ガスを用いるなどの煩雑さが生じないようになっている。従って、濃度補正にあたり、有極性ガスの濃度検出を中断することなく校正作業の煩雑さを軽減することができる。 Further, according to the aging correction method of the present invention, when the concentration of the polar gas is equal to or lower than the predetermined concentration, the output of the catalytic combustion gas sensor during the low temperature control and the output of the catalytic combustion gas sensor during the high temperature control From this output difference, the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor is determined. Here, when the concentration of the polar gas is less than or equal to the predetermined concentration, for example, when the concentration of the polar gas is nearly zero, the output is not affected by the concentration of the polar gas and is close to the initial setting value. Should be. However, when the contact combustion type gas sensor is deteriorated, the resistance value of the detection sensor among the contact combustion type gas sensors is lowered. As a result, a change occurs in the output difference. For this reason, it is possible to determine the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor from the output difference. In particular, since the concentration correction is performed by determining the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor while calculating the concentration of the polar gas, it is troublesome to use the calibration gas without interrupting the detection of the concentration of the polar gas. Does not occur. Therefore, in the concentration correction, it is possible to reduce the complexity of the calibration operation without interrupting the detection of the concentration of the polar gas.
また、温度低下期間における接触燃焼式ガスセンサの出力とベース値検出期間における接触燃焼式ガスセンサの出力との差分を出力差分とするため、有極性ガスの濃度に影響を受けにくい2期間における出力から、劣化状態を判断することとなり、劣化状態の判断精度を向上させることができる。 In addition, since the difference between the output of the catalytic combustion type gas sensor during the temperature drop period and the output of the catalytic combustion type gas sensor during the base value detection period is used as the output difference, from the output during the two periods that are not easily affected by the concentration of the polar gas, The deterioration state is determined, and the determination accuracy of the deterioration state can be improved.
また、温度低下期間における接触燃焼式ガスセンサの出力が安定した定常状態における出力と、ベース値検出期間における接触燃焼式ガスセンサの出力が安定した定常状態における出力との差分を出力差分とする。このため、高温制御と低温制御とを切り替えた直後の過渡期の出力を用いることが防止される。従って、劣化状態の判断精度を向上させることができる。 The difference between the output in the steady state where the output of the catalytic combustion type gas sensor is stable during the temperature drop period and the output in the steady state where the output of the catalytic combustion type gas sensor is stable during the base value detection period is defined as the output difference. For this reason, it is possible to prevent the use of the output in the transition period immediately after switching between the high temperature control and the low temperature control. Accordingly, it is possible to improve the determination accuracy of the deterioration state.
また、出力差分と初期差分とから接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断するため、初期の劣化のない状態からどの程度出力が変化したかを知ることができ、劣化状態の判断精度を向上させることができる。 In addition, since the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor is judged from the output difference and the initial difference, it is possible to know how much the output has changed from the state without the initial deterioration, and to improve the determination accuracy of the deterioration state. Can do.
また、初期差分は零とされているため、初期の劣化のない状態からどの程度出力が変化したかを、出力差分のみから判断することができる。従って、劣化状態の判断にあたり、処理負荷を軽減させることができる。 Further, since the initial difference is set to zero, it can be determined from the output difference only how much the output has changed from the state without the initial deterioration. Therefore, the processing load can be reduced in determining the deterioration state.
また、予め初期差分を記憶しておき、出力差分と、記憶された初期差分とから、接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断する。このため、初期差分を零にするための回路調整等が不要となり、ガス検出装置の初期設定を簡易に行うことができる。 Further, the initial difference is stored in advance, and the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor is determined from the output difference and the stored initial difference. This eliminates the need for circuit adjustment or the like for making the initial difference zero, and makes it possible to easily perform the initial setting of the gas detection device.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の実施形態に係るガス検出装置を示す構成図である。図1に示すように、ガス検出装置1は、センサ出力をもとに有極性ガスの濃度を検出するものであって、制御部10と、接触燃焼式ガスセンサ21を有するガスセンサ部20とを備えている。ここで、有極性ガスとは、分子内で正電荷と負電荷の重心が一致しないため、分子が電気的な双極子を有するガスであって、単に極性ガスともいう。このような有極性ガスは、例えば、エタノール、酢酸、ホルムアルデヒド及びトルエンなどが該当する。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a gas detection device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
制御部10は、ガスセンサ部20の駆動制御、及び、ガス濃度の算出を行うものであって、例えばMPU(Microprocessor Unit)により構成されている。この制御部10は、センサ駆動制御部(センサ駆動制御手段)11、センサ出力取得部12、記憶部(初期差分記憶手段)13、濃度算出部(濃度算出手段)14、及び、劣化判断部(劣化判断手段)15を有している。
The
センサ駆動制御部11は、接触燃焼式ガスセンサ21を駆動制御するものであって、高温制御と低温制御とを繰り返し行うものである。高温制御とは、接触燃焼式ガスセンサ21を高温駆動(例えば約400℃で駆動)させる制御である。低温制御とは、接触燃焼式ガスセンサ21を低温駆動(例えば約200℃で駆動)させる制御である。また、センサ駆動制御部11は、ハイレベル及びロウレベルの駆動パルスを出力し、これによって高温制御と低温制御を行う構成となっている。
The sensor
センサ出力取得部12は、センサ駆動制御部11により高温制御及び低温制御された接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧の情報を取得するものである。このセンサ出力取得部12は、濃度算出部14及び劣化判断部15に接続されており、取得した出力電圧の情報を濃度算出部14及び劣化判断部15に送信する構成となっている。
The sensor
記憶部13は、ガス濃度を算出する際に必要となる情報、及び、接触燃焼式ガスセンサ21の劣化状態を判断する際に必要となる情報を記憶したものである。濃度算出部14は、センサ出力取得部12により取得された接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧の値に基づいて有極性ガスの濃度を算出するものである。この濃度算出にあたり、濃度算出部14は、記憶部13に記憶される情報を用いて、濃度を求めることとなる。
The
また、劣化判断部15は、接触燃焼式ガスセンサ21の劣化状態を判断するものである。ここで、接触燃焼式ガスセンサ21は、長期の使用によって触媒表面に燃えかすが付着し、抵抗値が低下して出力電圧に変化が生じてしまう。また、シリコーン被毒によっても抵抗値が低下して出力電圧に変化が生じてしまう。劣化判断部15は、このような劣化状態を判断することとなる。
Further, the
ガスセンサ部20は、接触燃焼式ガスセンサ21に加えて、各種抵抗Rb,R1〜R3、ブリッジ電流制御部22、計装アンプ23、及びA/D変換器24を有している。
The
接触燃焼式ガスセンサ21は、図1に示すように、2つの抵抗Rr,Rsを有し、これら抵抗Rr,Rsが抵抗R1,R2と共にブリッジ回路を構成している。抵抗R2は、一端が電源電圧側に接続され、他端が接続点Aにつながっている。センサ抵抗Rsは、抵抗R2と直列接続され、一端が接続点Aにつながっており、他端がブリッジ電流制御部22に接続されている。
As shown in FIG. 1, the contact combustion
抵抗R1は、一端が電源電圧側に接続され、他端が接続点Bにつながっている。リファレンス抵抗Rrは、抵抗R1と直列接続され、一端が接続点Bにつながっており、他端がブリッジ電流制御部22に接続されている。
The resistor R1 has one end connected to the power supply voltage side and the other end connected to the connection point B. The reference resistor Rr is connected in series with the
このような接触燃焼式ガスセンサ21の詳細を図2に示す。図2は、図1に示した接触燃焼式ガスセンサ21の詳細を示す外観図であり、(a)は上面図を示し、(b)は断面図を示している。なお、図2(b)は図2(a)のA−A断面を示している。
Details of such a catalytic combustion
図2(a)及び図2(b)に示す接触燃焼式ガスセンサ21は、半導体製造プロセス技術を用いて製造された超小型センサである。この接触燃焼式ガスセンサ21は、シリコンウェハ21a上に、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、及び酸化ハフニウム膜等からなる絶縁膜21bが形成されており、絶縁膜21b上にセンサ抵抗Rsとリファレンス抵抗Rrが設けられている。
A catalytic combustion
センサ抵抗Rsは、白金からなる抵抗体であって、この抵抗体を包むように触媒層21sが設けられている。触媒層21sは、例えばパラジウムを担持したアルミナからなるPd/Al2O3によって構成されている。また、リファレンス抵抗Rrは、センサ抵抗Rsと同様に白金からなる抵抗体であって、この抵抗体を包むようにアルミナ層21rが設けられている。
The sensor resistor Rs is a resistor made of platinum, and a
また、シリコンウェハ21a上には3つのボンディングパッド21c〜21eが形成されている。第1ボンディングパッド21cは接続点Aとなる。第2ボンディングパッド21dは図1に示したブリッジ電流制御部22に接続される。また、第3ボンディングパッド21eは、接続点Bとなる。
In addition, three
さらに、シリコンウェハ21aは、センサ抵抗Rs及びリファレンス抵抗Rrに対応する位置に、裏面から異方性エッチングによって凹部21f,21gが形成されている。接触燃焼式ガスセンサ21は、これらの凹部21f,21gによって熱容量が小さくなっている。
Further, in the
再度、図1を参照する。図1に示すように、抵抗Rbは、一端がセンサ駆動制御部11に接続され、他端がブリッジ電流制御部22に接続されている。ブリッジ電流制御部22は、接触燃焼式ガスセンサ21に流れる電流の値を制御するものである。このブリッジ電流制御部22は、センサ駆動制御部11からの駆動パルスに応じて、電流の値を制御する構成となっている。具体的にブリッジ電流制御部22は、センサ駆動制御部11からハイレベルのパルス電圧が入力されると、接触燃焼式ガスセンサ21に所定電流値の電流を流すように制御する。また、ブリッジ電流制御部22は、センサ駆動制御部11からロウレベルのパルス電圧が印加されると、所定電流値よりも低い電流値を有する電流を接触燃焼式ガスセンサ21に流すように制御する。
Reference is again made to FIG. As shown in FIG. 1, the resistor Rb has one end connected to the sensor
このように、センサ駆動制御部11は、接触燃焼式ガスセンサ21に流れる電流量を制御することで、接触燃焼式ガスセンサ21を高温駆動させたり低温駆動させたりすることとなる。なお、本実施形態では、低温駆動時に接触燃焼式ガスセンサ21に電流を流す構成となっているが、これに限らず、低温駆動時に電流を流さない構成にしてもよい。
In this way, the sensor
計装アンプ23は、非反転入力端子と反転入力端子に入力する電圧の差を増幅するものである。この計装アンプ23は、非反転入力端子が接続点Aにつながっており、反転入力端子が接続点Bにつながっている。このため、計装アンプ23は、接続点Aと接続点Bとの電圧差を増幅することとなる。また、計装アンプ23には、可変抵抗R3が接続されている。可変抵抗R3は、検出対象となる有極性ガスの濃度が「0」であるときに、計装アンプ23からの出力が「0」となるように調整されるものである。A/D変換器24は、計装アンプ23から出力されたアナログの電圧を入力し、A/D変換したうえで、センサ出力取得部12に出力するものである。
The
このような構成となっているため、ガスセンサ部20は以下のように動作する。まず、センサ駆動制御部11からロウレベルのパルス電圧が出力されたとする。これにより、接触燃焼式ガスセンサ21は低温駆動して有極性ガスの燃焼温度未満となり、センサ抵抗Rsを包んで設けられる触媒層21sに有極性ガスが付着することとなる。
Since it becomes such composition,
その後、センサ駆動制御部11からハイレベルのパルス電圧が出力されたとする。これにより、接触燃焼式ガスセンサ21は高温駆動して有極性ガスの燃焼温度にまで達し、触媒層21sに付着していた有極性ガスが燃焼することなる。また、この燃焼と共にセンサ抵抗Rsが温められ、センサ抵抗Rsの抵抗値が変化する。これにより、ブリッジ回路のバランスが崩れ、計装アンプ23からの出力は、付着していた有極性ガスの分子量(すなわち濃度)に応じた値を示すこととなる。
Thereafter, it is assumed that a high-level pulse voltage is output from the sensor
次に、制御部10の基本動作について説明する。図3は、図1に示した制御部10の動作を示す図である。なお、図3において、縦軸はセンサ駆動制御部11からの駆動パルスを示し、横軸は時間を示している。
Next, the basic operation of the
図3に示すように、センサ駆動制御部11は、まず、期間A0だけブリッジ電流制御部22にハイレベルのパルス電圧を出力する。これにより、接触燃焼式ガスセンサ21は付着していた有極性ガスを燃焼させる。次に、センサ駆動制御部11は、期間(吸着期間)b1だけブリッジ電流制御部22にロウレベルの駆動パルスを出力する。これにより、接触燃焼式ガスセンサ21には有極性ガスが付着することとなる。このとき、接触燃焼式ガスセンサ21には、有極性ガスの濃度に応じた数のガス分子が付着する。なお、この期間b1は、特定対象となるガス種に応じて1秒から60秒程度に設定される。
As shown in FIG. 3, the sensor
そして、センサ駆動制御部11は、期間(燃焼期間)B1だけブリッジ電流制御部22にハイレベルのパルス電圧を出力する。これにより、接触燃焼式ガスセンサ21に付着していたガス分子が燃焼する。特に、ガス分子は濃度に応じた数だけ付着しているため、センサ出力取得部12により取得される電圧の値は、濃度に応じて変化することとなる。センサ出力取得部12は、この期間B1における電圧VgBを取得する。ここで、電圧VgBは、期間B1のピーク電圧である。
Then, the sensor
次いで、センサ駆動制御部11は、期間(温度低下期間)a1だけブリッジ電流制御部22にロウレベルの駆動パルスを出力する。これにより、期間B1において温められて約400℃まで上昇した接触燃焼式ガスセンサ21の温度を約200℃まで低下させる。なお、この期間a1は、接触燃焼式ガスセンサ21の温度(約400℃)が約200℃まで戻るのに充分な時間であり、0.05秒から0.5秒程度に設定される。
Next, the sensor
その後、センサ駆動制御部11は、期間(ベース値検出期間)A1だけブリッジ電流制御部22にハイレベルのパルス電圧を出力する。これにより、接触燃焼式ガスセンサ21に有極性ガスがほぼ吸着していない状態で接触燃焼式ガスセンサ21を高温駆動させることとなる。センサ出力取得部12は、この期間A1において得られた電圧VgAをベース電圧として取得する。ここで、電圧VgAは、期間A1のピーク電圧である。
Thereafter, the sensor
本実施形態に係るガス検出装置1では、これら期間b1から期間A1までの期間を検出期間として設定しており、これら検出期間を繰り返すこととなる。
In the
次に、濃度算出部14による濃度算出手法を説明する。図4は、図1に示した濃度算出部14による濃度算出手法を説明する図であり、(a)はベース値検出期間A1において得られた出力電圧VgAを示し、(b)は燃焼期間B1において得られた出力電圧VgBを示し、(c)は出力電圧VgB−VgAを示している。なお、図4(a)〜図4(c)において縦軸は出力電圧を示し、横軸は時間を示している。
Next, a density calculation method by the
図4(a)に示すように、ベース値検出期間A1において得られた出力電圧VgAは、有極性ガスの濃度が10ppmである場合と100ppmである場合とでほぼ同じとなっている。ベース値検出期間A1における出力電圧VgAは、接触燃焼式ガスセンサ21に有極性ガスが殆ど付着していない状態で得られるため、10ppmと100ppmという濃度差によらず、ほぼ同じ値を示すこととなる。
As shown in FIG. 4A, the output voltage VgA obtained in the base value detection period A1 is substantially the same when the concentration of the polar gas is 10 ppm and when it is 100 ppm. The output voltage VgA in the base value detection period A1 is obtained in a state in which almost no polar gas is attached to the catalytic combustion
ところが、濃度が1000ppmである場合、ベース値検出期間A1において得られた出力電圧VgAは、10ppmと100ppmの場合よりも高くなっている。これは、濃度が1000ppmとある程度高いため、ベース値検出期間A1中に、有極性ガスの分子が接触燃焼式ガスセンサ21に付着して燃焼されるためである。
However, when the concentration is 1000 ppm, the output voltage VgA obtained in the base value detection period A1 is higher than those at 10 ppm and 100 ppm. This is because, since the concentration is as high as 1000 ppm, polar gas molecules adhere to the catalytic combustion
また、図4(b)に示すように、燃焼期間B1において得られた出力電圧VgBは、有極性ガスの濃度に応じて異なっている。すなわち、出力電圧VgBは、有極性ガスの濃度が高くなる程、高い値を示している。 Further, as shown in FIG. 4B, the output voltage VgB obtained in the combustion period B1 varies depending on the concentration of the polar gas. That is, the output voltage VgB shows a higher value as the concentration of the polar gas becomes higher.
また、図4(c)に示すように、電圧VgB−VgAについても、有極性ガスの濃度に応じて異なっており、有極性ガスの濃度が高くなる程、高い値を示している。ここで、記憶部13には、VgB−VgAの値に応じて、濃度を算出するための演算式又はマップを記憶している。このため、濃度算出部14は、図4(c)に示すVgB−VgAの値と、記憶部13に記憶される演算式やマップとに基づいて、濃度を算出することとなる。なお、濃度算出部14は、出力電圧の積分値に基づいて濃度算出してもよい。
Further, as shown in FIG. 4C, the voltage VgB-VgA also differs depending on the concentration of the polar gas, and shows a higher value as the concentration of the polar gas increases. Here, the
次に、劣化判断部15による劣化判断手法を説明する。まず、劣化判断は以下の原理に基づいている。すなわち、接触燃焼式ガスセンサ21の触媒層21sに燃えかすが付着すると熱容量が増加し、低温駆動時に比べて高温駆動時はより放熱が促進されセンサ抵抗Rsの到達温度が低下する。このように到達温度が低下すると、白金の抵抗値は到達温度の低下に伴い高くなりきらず、結果としてセンサ抵抗Rsの抵抗値が低下することとなる。また、シリコーン被毒によっても酸化シリコンが触媒層21sに付着して、上記と同様にセンサ抵抗Rsの抵抗値が低下することとなる。このため、以下のような現象が生じる。
Next, a deterioration determination method by the
図5は、接触燃焼式ガスセンサ21の劣化による出力電圧の変化を説明する図である。まず、図5に示すように、ブリッジ電流制御部22に代えてトランジスタQ1が設置され、トランジスタQ1のベースに入力する電圧が0V(ロウレベル)と所定電圧E0(ハイレベル)である場合を想定する。さらに、ブリッジ回路は理想的なものであってバランスがとれており、且つ、接触燃焼式ガスセンサ21は有極性ガス雰囲気中にないものと仮定する。
FIG. 5 is a diagram for explaining a change in the output voltage due to deterioration of the catalytic combustion
この場合において、劣化していない接触燃焼式ガスセンサ21では、トランジスタQ1のベースに0Vの電圧が印加されると、トランジスタQ1は非導通状態となる。このため、接続点A,Bの電圧は0Vとなり、計装アンプ23からの出力電圧は0Vとなる。
In this case, in the contact
一方、トランジスタQ1のベースに所定電圧E0が印加されたとすると、トランジスタQ1は導通状態となる。ここで、ブリッジ回路のバランスが調整されており、且つ、接触燃焼式ガスセンサ21は有極性ガス雰囲気中にないことから、計装アンプ23からの出力電圧は0Vとなる。従って、高温駆動時と低温駆動時との電圧差(出力差分)は0Vとなる。
On the other hand, when the predetermined voltage E0 is applied to the base of the transistor Q1, the transistor Q1 becomes conductive. Here, since the balance of the bridge circuit is adjusted and the catalytic
これに対して、劣化した接触燃焼式ガスセンサ21では、センサ抵抗Rsの抵抗値が低下することとなり、以下のようになる。まず、トランジスタQ1のベースに0Vの電圧が印加されとする。この場合、トランジスタQ1は非導通状態となり、接続点A,Bの電圧は0Vとなる。よって、計装アンプ23からの出力電圧は0Vとなる。
On the other hand, in the deteriorated catalytic combustion
一方、トランジスタQ1のベースに所定電圧E0が印加されたとすると、トランジスタQ1は導通状態となる。ここで、センサ抵抗Rsの抵抗値が低下していることから、接続点Aにおける分圧は低くなる。一方、接続点Bにおける分圧は劣化していない場合と同様である。従って、計装アンプ23からは0Vを下回る電圧が出力されることとなり、高温駆動時と低温駆動時との電圧差(出力差分)は絶対値が0Vを上回る値となる。
On the other hand, when the predetermined voltage E0 is applied to the base of the transistor Q1, the transistor Q1 becomes conductive. Here, since the resistance value of the sensor resistance Rs is lowered, the partial pressure at the connection point A is lowered. On the other hand, the partial pressure at the connection point B is the same as in the case where there is no deterioration. Accordingly, a voltage lower than 0V is output from the
より詳細に説明すると、接触燃焼式ガスセンサ21が劣化していない場合、高温駆動時における接続点Aの分圧は、Vcc・Rs/(R2+Rs)である。一方、接続点Bの分圧は、Vcc・Rr/(R1+Rr)である。ここで、ブリッジ回路はバランスがとれていることから、(Vcc・Rs/(R2+Rs))=(Vcc・Rr/(R1+Rr))であり、(Vcc・Rs/(R2+Rs))−(Vcc・Rr/(R1+Rr))=0となる。従って、高温駆動時と低温駆動時との電圧差は0Vとなる。
More specifically, when the catalytic combustion
一方、接触燃焼式ガスセンサ21が経年劣化した場合、高温駆動時における接続点Aの分圧は、Vcc・Rs’/(R2+Rs’)である。一方、接続点Bの分圧は、Vcc・Rr/(R1+Rr)である。ここで、Rs’は、劣化したセンサ抵抗Rsの抵抗値であって、Rsよりも低い値である。このため、(Vcc・Rs’/(R2+Rs’))<(Vcc・Rr/(R1+Rr))が成立する。よって、(Vcc・Rs’/(R2+Rs’))− (Vcc・Rr/(R1+Rr))=N(Nは0を下回る数)となる。従って、高温駆動時と低温駆動時との電圧差は絶対値が0Vを上回る値となる。
On the other hand, when the contact combustion
特に、(Vcc・Rs’/(R2+Rs’))の式から明らかなように、センサ抵抗Rsの劣化が一層進行して、Rs’の値が小さくなるほど、(Vcc・Rs’/(R2+Rs’))の値は小さくなり、Nの絶対値は大きくなる。従って、高温駆動時と低温駆動時との電圧差(出力差分)は、接触燃焼式ガスセンサ21の劣化度合いを示すこととなる。
In particular, as is apparent from the equation (Vcc · Rs ′ / (R2 + Rs ′)), as the sensor resistance Rs further deteriorates and the value of Rs ′ decreases, (Vcc · Rs ′ / (R2 + Rs ′) ) Decreases and the absolute value of N increases. Therefore, the voltage difference (output difference) between the high temperature driving and the low temperature driving indicates the degree of deterioration of the catalytic combustion
なお、上記電圧差は、接触燃焼式ガスセンサ21が有極性ガス雰囲気にない場合でのものであり、接触燃焼式ガスセンサ21が有極性ガス雰囲気にある場合、電圧差は有極性ガスの影響を受けて変化する。従って、上記理論は、有極性ガスの濃度がゼロ又は小さい場合のみに成立する。
The above voltage difference is obtained when the catalytic combustion
図6は、各条件において得られる出力電圧の波形を示す図であって、(a)は初期の(劣化していない)接触燃焼式ガスセンサ21が有極性ガス雰囲気中にない場合における波形を示し、(b)は初期の接触燃焼式ガスセンサ21が特定濃度の有極性ガス雰囲気中にある場合における波形を示している。また、(c)はある程度劣化した接触燃焼式ガスセンサ21が有極性ガス雰囲気中にない場合における波形を示し、(d)はある程度劣化した接触燃焼式ガスセンサ21が特定濃度の有極性ガス雰囲気中にある場合における波形を示している。さらに、(e)は一層劣化した接触燃焼式ガスセンサ21が有極性ガス雰囲気中にない場合における波形を示し、(f)は、一層劣化した接触燃焼式ガスセンサ21が特定濃度の有極性ガス雰囲気中にある場合における波形を示している。なお、図6において縦軸は出力電圧を示し、横軸は時間を示している。また、図6(a)、図6(c)及び図6(e)の縦軸のスケールは同じであり、図6(b)、図6(d)及び図6(f)の縦軸のスケールは同じであるが、これら両者の縦軸のスケールは異なっている。さらに、ブリッジ回路のバランスは可変抵抗R3によって調整されて、初期差分は0Vとなっているものとする。
FIG. 6 is a diagram showing a waveform of an output voltage obtained under each condition. FIG. 6A shows a waveform when the initial (not deteriorated) catalytic
まず、図6(a)に示すように、接触燃焼式ガスセンサ21が有極性ガス雰囲気中にないため、出力電圧は、吸着期間b1、燃焼期間B1、温度低下期間a1及びベース値検出期間A1において特定電圧E1となる。そして、接触燃焼式ガスセンサ21が劣化していないため、特定濃度の有極性ガス雰囲気において出力電圧は、図6(b)に示すように、図6(d)及び図6(f)と比較し大きな値を示す。
First, as shown in FIG. 6A, since the catalytic combustion
また、図6(c)に示すように、接触燃焼式ガスセンサ21がある程度劣化した場合、有極性ガス雰囲気中にないときには、上記したように、高温駆動時に出力電圧が特定電圧E1を下回る値となる。このため、出力電圧は、吸着期間b1、及び温度低下期間a1において特定電圧E1を示すが、燃焼期間B1、及びベース値検出期間A1において特定電圧E1を下回る値を示す。そして、接触燃焼式ガスセンサ21はある程度劣化しているため、特定濃度の有極性ガス雰囲気において出力電圧は、図6(d)に示すように、図6(b)と比較して小さな値を示す。
Further, as shown in FIG. 6C, when the catalytic combustion
また、図6(e)に示すように、一層接触燃焼式ガスセンサ21が劣化した場合、有極性ガス雰囲気中にないときには、上記したように、高温駆動時に出力電圧が特定電圧E1を下回る値となる。しかも、出力電圧は、図6(c)に示した値よりも低くなる。従って、図6(e)に示すように、出力電圧は、吸着期間b1、及び温度低下期間a1において特定電圧E1を示すが、燃焼期間B1、及びベース値検出期間A1において図6(c)に示す値よりも低い電圧値を示す。そして、接触燃焼式ガスセンサ21は一層劣化しているため、特定濃度の有極性ガス雰囲気において出力電圧は、図6(f)に示すように、図6(d)と比較して小さな値を示す。
Further, as shown in FIG. 6 (e), when the contact combustion
劣化判断部15は、上記図6(a)、図6(c)及び図6(e)に示した電圧変化に基づいて、接触燃焼式ガスセンサ21の劣化度合いを判断する。すなわち、劣化判断部15は、低温制御中における接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧と、高温制御中における接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧との出力差分から、接触燃焼式ガスセンサ21の劣化状態を判断する。
The
なお、劣化判断部15は、有極性ガスの濃度がゼロ又は小さい場合に劣化判断を行う。上記したように、濃度が高い場合には、有極性ガスの影響を受けて図6(a)、図6(c)及び図6(e)に示したような出力電圧が得られず、図6(b)、図6(d)及び図6(f)に示したような出力電圧が得られてしまう。このため、劣化判断部15は、劣化判断できなくなってしまう。よって、劣化判断部15は、濃度算出部14により算出された濃度が所定濃度以下である場合に限り、劣化判断を行う。
The
また、劣化判断部15は、図6(a)、図6(c)及び図6(e)に示したような出力電圧を得ると、記憶部13に記憶される記憶内容に従って、劣化状態を判断する。図7は、図1に示した記憶部13に記憶される記憶内容を示す図である。なお、図7において縦軸はセンサ感度(劣化状態)を示し、横軸は電圧差を示している。図7に示すように、記憶部13は、劣化状態と電圧差との相関関係を示すマップを記憶している。このため、劣化判断部15は、高温駆動時と低温駆動時との電圧差を求めると、図7に示すようなマップを参照して、劣化状態を判断することとなる。
Further, when the
また、図1に示すように、濃度算出部14は、補正部14aを備えている。補正部14aは、劣化判断部15により判断された劣化状態に応じて、接触燃焼式ガスセンサ21から得られた出力電圧を補正するものである。すなわち、劣化判断部15により劣化状態が判断されると、濃度算出部14は、以後、補正部14aによって補正された出力電圧をもとに、濃度を算出することとなる。
In addition, as shown in FIG. 1, the
図8は、図1に示した記憶部13に記憶される記憶内容の他の例を示す図である。図7に示す例では、劣化していない接触燃焼式ガスセンサ21の低温駆動時と高温駆動時との電圧差が0V(すなわち初期差分が0V)であるときの例を示した。しかし、これに限らず、図8に示すように、劣化していない接触燃焼式ガスセンサ21の低温駆動時と高温駆動時との電圧差が90mV(すなわち初期差分が90mV)など、「0」以外の値を示していてもよい。
FIG. 8 is a diagram showing another example of the stored contents stored in the
この場合、記憶部13は、図8(a)に示すように、予め電圧差が90mVにおいてセンサ感度100%となるようなマップを記憶することとなる。また、記憶部13は、初期の接触燃焼式ガスセンサ21の電圧差が90mVであることを記憶しており、劣化判断部15は、高温駆動時と低温駆動時との電圧差から90mVを差し引き、差し引いて得られた値と図7に示すようなマップとから、劣化状態を判断するようにしてもよい。
In this case, as shown in FIG. 8A, the
加えて、記憶部13は、マップを記憶していなくともよく、図8(b)の破線に示すようなマップデータを直線近似した演算式を記憶しておいてもよい。すなわち、図8(b)に示すように、記憶部13は、センサ感度をyとし、電圧差をxとした場合において、y=−1.9126x+268.5なる演算式を記憶しておいてもよい。この場合、劣化判断部15は、直線近似された演算式から劣化状態を判断することとなる。また、記憶部13は、直線近似した演算式よりも精度を高めるために、対数近似した演算式を記憶しておいてもよい。すなわち、図8(c)に示すように、記憶部13は、センサ感度をyとし、電圧差をxとした場合において、y=−215.08Ln(x)+1066.4なる演算式を記憶しておいてもよい。この場合、劣化判断部15は、対数近似された演算式から劣化状態を判断することとなる。
In addition, the
図9は、図8に示した直線近似された演算式及び対数近似された演算式による補正後の出力電圧を示す図である。補正部14aは、劣化判断部15により劣化状態が判断されると、劣化状態に応じて接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧を補正し、濃度を算出することで、濃度補正を行う。
FIG. 9 is a diagram illustrating an output voltage after correction by the arithmetic expression approximated by the straight line and the arithmetic expression approximated by the logarithm shown in FIG. When the
例えば、補正部14aは、劣化判断部15においてセンサ感度が60%であると判断された場合、(VgB−VgA)/0.60なる演算式によって、(VgB−VgA)を補正し、補正により得られた値から、濃度を算出することとなる。図9に示すように、出力電圧を補正しないよりも、補正した方がセンサ感度100%であるときのセンサ出力である1300mVに近くなっており、劣化状態に対応できていることがわかる。
For example, when the
さらに、劣化判断部15は、図6に示した各期間のうち、温度低下期間a1における接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧Vaと、ベース値検出期間A1における接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧VAとの差分から、接触燃焼式ガスセンサ21の劣化状態を判断することが好ましい。上記2期間において得られる出力電圧は、有極性ガスの濃度に影響を受けにくいためである。
Further, the
特に、劣化判断部15は、図6に示すように、温度低下期間a1における接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧が安定した定常状態における出力電圧Vaと、ベース値検出期間A1の出力電圧が安定した定常状態における接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧VAとの差分から、接触燃焼式ガスセンサ21の劣化状態を判断することが好ましい。これにより、温度低下期間a1及びベース値検出期間A1になった直後の過渡期における出力電圧を用いてしまうことが防止されるためである。
In particular, as shown in FIG. 6, the
次に、本実施形態に係るガス検出装置1の経年変化補正方法を説明する。図10は、本実施形態に係る経年変化補正方法を示すフローチャートである。図10に示すように、まず、制御部10は、初期差分を算出済みであるか否かを判断する(S1)。初期差分を算出済みでないと判断した場合(S1:NO)、制御部10は、ベース値検出期間A1の出力電圧が安定した定常状態における接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧VAと、温度低下期間a1における接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧が安定した定常状態における出力電圧Vaとをn回(nは2以上の整数)取得する(S2)。
Next, a method for correcting aging of the
そして、制御部10は、VA−Vaのn回平均値を算出し、これを初期差分として記憶部13に記憶させる(S3)。そして、処理はステップS4に移行する。これらステップS1〜ステップS3の処理により、初期差分の取得が完了する。なお、抵抗R1,R2を調整してブリッジ回路のバランスを調整することにより初期差分を「0」とし、ステップS1〜ステップS3の処理を実行しないようにしてもよい。特に、VAを上昇させたり、Vaを低下させたりする場合、抵抗R1を大きくしたり、抵抗R2を小さくしたりすればよい。
And the
また、初期差分を算出済みであると判断した場合(S1:YES)、センサ出力取得部12は、燃焼期間B1におけるピーク電圧VgBを取得する(S4)。次に、センサ出力取得部12は、温度低下期間a1における定常状態の出力電圧Vaを取得する(S5)。その後、センサ出力取得部12は、ベース値検出期間A1におけるピーク電圧VgAを取得する(S4)。次いで、センサ出力取得部12は、ベース値検出期間A1における定常状態の出力電圧VAを検出する(S7)。
If it is determined that the initial difference has been calculated (S1: YES), the sensor
その後、制御部10は、接触燃焼式ガスセンサ21の劣化状態が判断済みであるか否かを判断する(S8)。劣化状態が判断済みでないと判断した場合(S8:NO)、処理はステップS10に移行する。一方、劣化状態が判断済みであると判断した場合(S8:YES)、補正部14aは、ピーク電圧VgB,VgAを補正する(S9)。そして、濃度算出部14は、VgB−VgAなる演算式と記憶部13に記憶される記憶内容とから、濃度を算出する(S10)。
Thereafter, the
次に、劣化判断部15は、ステップS10において算出された濃度が所定濃度以下であるか否かを判断する(S11)。ここで、所定濃度とは、劣化判断精度によって定められる数値であり、劣化判断精度が高くなるほど、小さな値とされる。
Next, the
ステップS10において算出された濃度が所定濃度以下でないと判断した場合(S11:NO)、処理はステップS4に移行する。一方、ステップS10において算出された濃度が所定濃度以下であると判断した場合(S11:YES)、劣化判断部15は、VA−Vaなる演算式と記憶部13に記憶される記憶内容とから、劣化状態を判断する。そして、劣化判断部15は、判断した劣化状態の情報を更新する(S13)。その後、処理はステップS4に移行する。
If it is determined that the concentration calculated in step S10 is not less than the predetermined concentration (S11: NO), the process proceeds to step S4. On the other hand, when it is determined that the concentration calculated in step S10 is equal to or lower than the predetermined concentration (S11: YES), the
なお、図10に示すフローチャートはガス検出装置1の電源がオフされるまで繰り返し実行される。また、電源オフ後に、再度電源がオンされた場合、処理はステップS4から実行される。
In addition, the flowchart shown in FIG. 10 is repeatedly performed until the power supply of the
このようにして、本実施形態に係るガス検出装置1及び経年変化補正方法によれば、有極性ガスの濃度が所定濃度以下である場合に、低温制御中における接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧と、高温制御中における接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧との出力差分から、接触燃焼式ガスセンサ21の劣化状態を判断する。ここで、有極性ガスの濃度が所定濃度以下である場合、例えば有極性ガスの濃度がほぼ零に近い場合、出力電圧の差分は有極性ガスの濃度に影響を受けることなく、初期設定時の値に近くなるはずである。ところが、接触燃焼式ガスセンサ21が劣化している場合、接触燃焼式ガスセンサ21のうち、センサ抵抗Rsの抵抗値が低くなる。この結果、上記出力差分について変化が生じる。このため、出力差分から接触燃焼式ガスセンサ21の劣化状態を判断することができる。特に、有極性ガスの濃度を算出しつつも接触燃焼式ガスセンサ21の劣化状態を判断して濃度補正を行うので、有極性ガスの濃度検出を中断することなく、校正用ガスを用いるなどの煩雑さが生じないようになっている。従って、濃度補正にあたり、有極性ガスの濃度検出を中断することなく校正作業の煩雑さを軽減することができる。
Thus, according to the
また、温度低下期間a1における接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧Vaとベース値検出期間A1における接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧VAとの差分を出力差分とするため、有極性ガスの濃度に影響を受けにくい2期間における出力から、劣化状態を判断することとなり、劣化状態の判断精度を向上させることができる。
Further, since the difference between the output voltage Va of the catalytic combustion
また、温度低下期間a1における接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧が安定した定常状態における出力電圧Vaと、ベース値検出期間A1における接触燃焼式ガスセンサ21の出力電圧が安定した定常状態における出力電圧VAとの差分(VA−Va)を出力差分とする。このため、高温制御と低温制御とを切り替えた直後の過渡期の出力を用いることが防止される。従って、劣化状態の判断精度を向上させることができる。
Further, an output voltage Va in a steady state where the output voltage of the catalytic combustion
また、出力差分と初期差分とから接触燃焼式ガスセンサ21の劣化状態を判断するため、初期の劣化のない状態からどの程度出力が変化したかを知ることができ、劣化状態の判断精度を向上させることができる。
Further, since the deterioration state of the catalytic combustion
また、初期差分は零とされているため、初期の劣化のない状態からどの程度出力が変化したかを、出力差分のみから判断することができる。従って、劣化状態の判断にあたり、処理負荷を軽減させることができる。 Further, since the initial difference is set to zero, it can be determined from the output difference only how much the output has changed from the state without the initial deterioration. Therefore, the processing load can be reduced in determining the deterioration state.
また、予め初期差分を記憶しておき、出力差分と、記憶された初期差分とから、接触燃焼式ガスセンサ21の劣化状態を判断する。このため、初期差分を零にするための回路調整等が不要となり、ガス検出装置1の初期設定を簡易に行うことができる。
Further, the initial difference is stored in advance, and the deterioration state of the catalytic combustion
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、上記実施形態において接触燃焼式ガスセンサ21は、リファレンス抵抗Rrとセンサ抵抗Rsとが直列接続され、抵抗R1と抵抗R2とが直列接続されているが、これに限らず、抵抗R1とリファレンス抵抗Rrとを直列接続し、抵抗R2とセンサ抵抗Rsとを直列接続してもよい。
As described above, the present invention has been described based on the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment, and may be modified without departing from the gist of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the contact combustion
また、本実施形態では、有極性ガスの濃度が所定濃度以下である場合に、劣化判断を行っているが、これに限らず、有極性ガスの濃度が所定濃度を超えていたとしても、濃度算出部14により算出された各濃度に対応できるよう複数(濃度毎)のマップや式を用意し、劣化判断を行うようにしてもよい。
In this embodiment, the determination of deterioration is performed when the concentration of the polar gas is equal to or lower than the predetermined concentration. However, the present invention is not limited to this, and even if the concentration of the polar gas exceeds the predetermined concentration, the concentration is determined. A plurality of (for each density) maps and formulas may be prepared so as to correspond to each density calculated by the
1…ガス検出装置
10…制御部
11…センサ駆動制御部(センサ駆動制御手段)
12…センサ出力取得部
13…記憶部(初期差分記憶手段)
14…濃度算出部(濃度算出手段)
14a…補正部
15…劣化判断部(劣化判断手段)
20…ガスセンサ部
21…接触燃焼式ガスセンサ
21a…シリコンウェハ
21b…絶縁膜
21c〜21e…ボンディングパッド
21f,21g…凹部
21s…触媒層
21r…アルミナ層
22…ブリッジ電流制御部
23…計装アンプ
24…A/D変換器
Rs…センサ抵抗
Rr…リファレンス抵抗
R1〜R3,Rb…抵抗
Q1…トランジスタ
b1…吸着期間
B1…燃焼期間
a1…温度低下期間
A1…ベース値検出期間
DESCRIPTION OF
12 ... Sensor
14 ... Density calculation section (concentration calculation means)
14a ...
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記接触燃焼式ガスセンサを高温駆動させるためにハイレベルの信号を出力する高温制御と接触燃焼式ガスセンサを低温駆動させるためにロウレベルの信号を出力する低温制御とを繰り返し行うセンサ駆動制御手段と、
前記センサ駆動制御手段により駆動された前記接触燃焼式ガスセンサの出力から、有極性ガスの濃度を算出する濃度算出手段と、
前記濃度算出手段により算出された濃度が所定濃度以下である場合に、前記低温制御中における前記接触燃焼式ガスセンサの出力と、前記高温制御中における前記接触燃焼式ガスセンサの出力との出力差分から、前記接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断する劣化判断手段と、を備え、
前記濃度算出手段は、前記センサ駆動制御手段により駆動された前記接触燃焼式ガスセンサの出力を、前記劣化判断手段により判断された前記接触燃焼式ガスセンサの劣化状態に応じて補正し、有極性ガスの濃度を算出する
ことを特徴とするガス検出装置。 A gas detection device including a catalytic combustion type gas sensor,
Sensor drive control means for repeatedly performing high temperature control for outputting a high level signal for driving the catalytic combustion gas sensor at a high temperature and low temperature control for outputting a low level signal for driving the contact combustion gas sensor at a low temperature;
Concentration calculation means for calculating the concentration of the polar gas from the output of the catalytic combustion gas sensor driven by the sensor drive control means;
When the concentration calculated by the concentration calculating means is equal to or lower than a predetermined concentration, from the output difference between the output of the catalytic combustion gas sensor during the low temperature control and the output of the catalytic combustion gas sensor during the high temperature control, Deterioration determining means for determining a deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor,
The concentration calculating means corrects the output of the catalytic combustion type gas sensor driven by the sensor drive control means in accordance with the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor determined by the deterioration determining means. A gas detector characterized by calculating a concentration.
前記劣化判断手段は、前記温度低下期間における前記接触燃焼式ガスセンサの出力と前記ベース値検出期間における前記接触燃焼式ガスセンサの出力との差分を出力差分とする
ことを特徴とする請求項1に記載のガス検出装置。 The sensor drive control means is a contact combustion type in which the catalytic combustion type gas sensor is driven at a high temperature to burn the adsorbed polar gas, and the catalytic combustion type gas sensor is driven at a low temperature to increase the temperature by combustion in the combustion period. A temperature drop period for lowering the temperature of the gas sensor, a base value detection period for driving the catalytic combustion gas sensor whose temperature has dropped during the temperature drop period at a high temperature, and the contact combustion gas sensor driven at a high temperature during the base value detection period. Repeat the adsorption period to adsorb polar gas by driving at low temperature,
The said deterioration judgment means makes the difference of the output of the said contact combustion type gas sensor in the said temperature fall period and the output of the said contact combustion type gas sensor in the said base value detection period an output difference. Gas detection device.
ことを特徴とする請求項2に記載のガス検出装置。 The deterioration determining means is a difference between an output in a steady state where the output of the catalytic combustion type gas sensor is stable during the temperature drop period and an output in a steady state where the output of the catalytic combustion type gas sensor is stable during the base value detection period. The gas detection device according to claim 2, wherein the difference is an output difference.
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のガス検出装置。 The deterioration determining means is based on the output difference, an initial difference which is a difference between an initial contact combustion gas sensor output during the low temperature control and an initial contact combustion gas sensor output during the high temperature control. The gas detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein a deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor is determined.
ことを特徴とする請求項4に記載のガス検出装置。 The gas detection device according to claim 4, wherein the initial difference is zero.
前記劣化判断手段は、前記出力差分と、前記初期差分記憶手段により記憶された前記初期差分とから、前記接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断する
ことを特徴とする請求項4に記載のガス検出装置。 An initial difference storage means for storing the initial difference in advance;
The gas detection according to claim 4, wherein the deterioration determination unit determines a deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor from the output difference and the initial difference stored by the initial difference storage unit. apparatus.
前記接触燃焼式ガスセンサを高温駆動させるためにハイレベルの信号を出力する高温制御と接触燃焼式ガスセンサを低温駆動させるためにロウレベルの信号を出力する低温制御とを繰り返し行うセンサ駆動制御工程と、
前記センサ駆動制御工程において駆動された前記接触燃焼式ガスセンサの出力から、有極性ガスの濃度を算出する濃度算出工程と、
前記濃度算出工程において算出された濃度が所定濃度以下である場合に、前記低温制御中における前記接触燃焼式ガスセンサの出力と、前記高温制御中における前記接触燃焼式ガスセンサの出力との出力差分から、前記接触燃焼式ガスセンサの劣化状態を判断する劣化判断工程と、を有し、
前記濃度算出工程では、前記センサ駆動制御工程において駆動された前記接触燃焼式ガスセンサの出力を、前記劣化判断工程において判断された前記接触燃焼式ガスセンサの劣化状態に応じて補正し、有極性ガスの濃度を算出する
ことを特徴とする経年変化補正方法。 A method for correcting aging of a catalytic combustion type gas sensor,
A sensor drive control step for repeatedly performing a high temperature control for outputting a high level signal to drive the catalytic combustion gas sensor at a high temperature and a low temperature control for outputting a low level signal to drive the contact combustion gas sensor at a low temperature;
A concentration calculating step of calculating the concentration of the polar gas from the output of the catalytic combustion type gas sensor driven in the sensor driving control step;
When the concentration calculated in the concentration calculation step is equal to or lower than a predetermined concentration, from the output difference between the output of the catalytic combustion gas sensor during the low temperature control and the output of the catalytic combustion gas sensor during the high temperature control, A deterioration determining step of determining a deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor,
In the concentration calculation step, the output of the catalytic combustion type gas sensor driven in the sensor drive control step is corrected according to the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor determined in the deterioration determination step, An aging correction method characterized by calculating a concentration.
前記劣化判断工程では、前記温度低下期間における前記接触燃焼式ガスセンサの出力と前記ベース値検出期間における前記接触燃焼式ガスセンサの出力との差分を出力差分とする
ことを特徴とする請求項7に記載の経年劣化補正方法。 In the sensor drive control step, the catalytic combustion type gas sensor is driven at a high temperature to burn a polar gas adsorbed, and the catalytic combustion type gas sensor is driven at a low temperature to increase the temperature by combustion in the combustion period. A temperature drop period for lowering the temperature of the gas sensor, a base value detection period for driving the catalytic combustion gas sensor whose temperature has dropped during the temperature drop period at a high temperature, and the contact combustion gas sensor driven at a high temperature during the base value detection period. Repeat the adsorption period to adsorb polar gas by driving at low temperature,
The difference between the output of the catalytic combustion type gas sensor in the temperature decrease period and the output of the catalytic combustion type gas sensor in the base value detection period is set as an output difference in the deterioration determination step. Correction method for aging.
ことを特徴とする請求項8に記載の経年劣化補正方法。 In the deterioration determination step, a difference between an output in a steady state where the output of the catalytic combustion type gas sensor is stable during the temperature decrease period and an output in a steady state where the output of the catalytic combustion type gas sensor is stable during the base value detection period. The aging deterioration correction method according to claim 8, wherein the difference is an output difference.
ことを特徴とする請求項7から請求項9のいずれか1項に記載の経年劣化補正方法。 In the deterioration determination step, from the output difference, the initial difference that is the difference between the initial contact combustion gas sensor output during the low temperature control and the initial contact combustion gas sensor output during the high temperature control, The method for correcting aging deterioration according to any one of claims 7 to 9, wherein the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor is determined.
ことを特徴とする請求項10に記載の経年劣化補正方法。 The aging deterioration correction method according to claim 10, wherein the initial difference is zero.
ことを特徴とする請求項10に記載の経年劣化補正方法。 The deterioration determination step reads the initial difference stored in advance, and determines the deterioration state of the catalytic combustion type gas sensor from the output difference and the stored initial difference. Aged deterioration correction method described.
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