JP2011133401A - ガス濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサが設けられるセンサブロック内に湿度センサを設けることなく、当該ガスセンサにより得られる可燃性ガス濃度を湿度補正して測定誤差を可及的に低減する。
【解決手段】外部配管Ｚ１に設けた第１温度測定部４及び湿度測定部６と、センサブロック２２内に設けた第２温度測定部５を用いてセンサブロック２２内の測定対象ガスの相対湿度ＲＨ_Ｔを算出し、当該算出した相対湿度ＲＨ_Ｔを用いて可燃性ガス濃度を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象ガス中の発熱量を検出することにより、当該測定対象ガスに含まれる可燃性ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置に関するものである。

従来、ガス濃度測定装置としては、特許文献１に示すように、ガス導入管部と、当該ガス導入管部に連通し、ヒータにてガス検知半導体抵抗膜を加熱する半導体式ガスセンサを収納したガス検出部（センサブロック）を備え、水素等の可燃性ガス濃度を測定するものが考えられている。

そして、上記引用文献１においては、半導体式ガスセンサのガス感度が絶対湿度の影響を受けることから、ガス検出部内に湿度センサを配置し、当該湿度センサにより得られた絶対湿度を用いて、半導体式ガスセンサにより得られたガス濃度を補正するように構成されている（引用文献１の図３参照）。

しかしながら、半導体式ガスセンサのガス検知部が白金ヒータ加熱されることから、ガス検出部内が高温（例えば１００℃程度）になることが考えられる。そうすると、ガス検出部内に設けられる湿度センサが高温により故障してしまう、又は測定誤差を生じてしまう等の問題が生じる。なお、高温仕様の湿度センサを用いることも考えられるが、高価となってしまい、当該高温仕様の湿度センサを製品に組み込むことは現実的ではない。

特開２００２−３５０３８０号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、ガスセンサが設けられるセンサブロック内に湿度センサを設けることなく、当該ガスセンサにより得られる可燃性ガス濃度を湿度補正して測定誤差を可及的に低減することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係るガス濃度測定装置は、測定対象ガスの発熱量を検出することにより、当該測定対象ガスに含まれる可燃性ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置であって、外部配管により前記測定対象ガスが供給又は排出されるセンサブロックと、前記センサブロック内に設けられ、測定対象ガスに含まれる可燃性ガスの濃度に応じた検出信号を出力するセンシング部と、前記外部配管に設けられ、当該外部配管を流れる測定対象ガスの湿度を測定する湿度測定部と、前記外部配管に設けられ、当該外部配管を流れる測定対象ガスの温度を測定する第１温度測定部と、前記センサブロック内に設けられ、当該センサブロック内の温度を測定する第２温度測定部と、前記第１、第２温度測定部及び湿度測定部からの出力信号を受信して、前記センサブロック内の湿度を算出する湿度算出部と、前記センシング部からの検出信号から算出された可燃性ガス濃度を、前記湿度算出部により得られた湿度を用いて補正する濃度補正部と、を具備することを特徴とする。

このようなものであれば、外部配管に設けた湿度測定部及び第１温度測定部と、センサブロック内に設けた第２温度測定部とによってセンサブロック内の相対湿度を算出することができるので、センサブロック内に湿度センサを設ける必要が無い。したがって、センサブロック内に高温仕様の湿度センサを設けることなく、可燃性ガス濃度を湿度補正して測定誤差を可及的に低減することができる。

可燃性ガス濃度として水素濃度を好適に測定するとともに、本発明の効果を一層顕著にするためには、前記センシング部が、感熱部上に可燃性ガスとの接触により酸化反応熱を発生する酸化触媒を担持させたサーモパイルであることが望ましい。

また、従来のガス濃度測定装置としては、半導体基板上に形成されたサーモパイルと、当該サーモパイルの感熱部上に酸化触媒を担持したカーボンクラスタにより形成された触媒層と、を備え、可燃性ガスが触媒層の酸化触媒と反応して発生する酸化反応熱をサーモパイルにより検出して、可燃性ガスの濃度を測定するものがある。

そして、サーモパイルは、感熱部の温度変化を電圧変化として出力するものであり、サーモパイルが形成されたブロック体等の周囲の温度が変化した場合、測定対象ガスの作用に関係なく、感熱部の温度変化に伴ってドリフト（オフセット電圧）が生じてしまう。その結果、測定値が周囲の温度影響を受けて大きく変動し、測定誤差を生じるという問題がある。

このようなことから、周囲温度によるドリフトをキャンセルするために、感熱部に酸化触媒を担持させたものと、酸化触媒を担持させないものとを並設して、それら２つのサーモパイルから得られた検出信号を差し引いているものが考えられている。

しかしながら、周囲温度を用いて水素濃度を補正しているものの測定対象ガスそのものの温度で補正しておらず、依然として測定対象ガスそのものの温度により感熱部の温度が変化してしまい、その結果、測定誤差が生じてしまう。なお、ブロック体の温度が、測定対象ガスの温度に影響されて変化していると考えられるとしても、測定対象ガスそのものの温度ではなく補正誤差が生じ、またリアルタイムに補正することができないという問題がある。

また、上記のように酸化触媒担持のサーモパイルと、酸化触媒非担持のサーモパイルとを設ける構成では、部品点数が増えてしまい製造コストが増大してしまうという問題の他に、サーモパイルを並列して設けることから、センサを小型化するには制限がある。

このような問題点を解決するものとしては、測定対象ガスの発熱量を検出することにより、当該測定対象ガスに含まれる可燃性ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置であって、感熱部上に可燃性ガスとの接触により酸化反応熱を発生する酸化触媒を担持させたサーモパイルと、前記可燃性ガスに接触するように設けられ、当該可燃性ガスの温度を検出するガス温度測定部と、前記サーモパイルを用いて得られた濃度を、前記ガス温度測定部により得られた温度を用いて補正する濃度測定部とを具備することを特徴とする。

このようなものであれば、酸化触媒を担持させた１つのサーモパイルにより構成しているので、装置構成を簡単化することができるとともに、低コスト化及び小型化が可能となる。また、ガス温度センサが測定対象ガスに接触するように設け、測定対象ガスの温度を直接測定し、そのガス温度を用いて水素濃度を補正しているので、サーモパイルにより得られた水素濃度を精度良く補正することができる。さらに、サーモパイルに酸化触媒を担持させているので、低濃度の可燃性ガスを測定する場合であっても、可燃性ガスと酸化触媒との酸化反応により生じる酸化反応熱をサーモパイルにより検出することができ、測定感度を向上することができる。

このように構成した本発明によれば、ガスセンサが設けられるセンサブロック内に湿度センサを設けることなく、当該ガスセンサにより得られる可燃性ガス濃度を湿度補正して測定誤差を可及的に低減することができる。

本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の全体構成図である。 同実施形態におけるガス濃度測定装置の構成を模式的に示す断面図である。 同実施形態におけるセンシング部の構成を模式的に示す断面図である。 水素濃度−湿度関係及び水素濃度−温度関係を示す図である。 水素濃度−酸素濃度関係を示す図である。

以下に本発明に係るガス濃度測定装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

＜装置構成＞
本実施形態に係る水素濃度測定装置１００は、測定対象ガスが流れる外部配管Ｚ１、Ｚ２に介在して設けられ、当該測定対象ガス中に含まれる水素濃度を測定するインライン型のものである。

具体的にこのものは、図１に示すように、測定対象ガスの発熱量を検出することにより、当該測定対象ガスに含まれる水素の濃度を測定する水素センサユニット２（水素濃度測定部）と、測定対象ガスに含まれる酸素を測定する酸素濃度測定部３と、測定対象ガスの温度を測定する第１温度測定部４及び第２温度測定部５と、測定対象ガスの相対湿度を測定する湿度測定部６と、前記測定部２〜６からの出力信号を受信して水素濃度を算出する演算制御装置７と、を備えている。なお、上流側外部配管Ｚ１には、外部配管Ｚ１内を流れる測定対象ガス内の相対湿度を例えば８０％以下に低減するドレンセパレータ８が設けられている。また、上流側外部配管Ｚ１におけるドレンセパレータ８の下流側には、当該外部配管Ｚ１内を流れる測定対象ガスの温度を後述するセンサブロック２２の温度に加熱するための抵抗発熱体等を用いた配管ヒータ９が設けられている。

水素センサユニット２は、図２に示すように、測定対象ガスに含まれる水素を接触燃焼させて、その発熱量を検出するセンシング部２１と、当該センシング部２１を支持するセンサブロック２２と、当該センサブロック２２を収容し、断熱及び電磁気シールド機能を有するケーシング２３と、当該ケーシング２３に設けられるとともに、外部配管Ｚ１に接続される導入ポート２４と、ケーシング２３に設けられるとともに外部配管Ｚ２に接続される排出ポート２５と、を有する。

センシング部２１は、耐熱性半導体基板であるベース基板２６に設けられている。具体的な構成は、差動式のものであり、図３に示すように、中央部分一方面（裏面）にエッチングにより凹部が形成された耐熱性半導体基板であるシリコン基板２１１と、前記凹部に対応するシリコン基板２１１の他方面（表面）に形成されたサーモパイル（測定用サーモパイル２１２Ａ、比較用サーモパイル２１２Ｂ）と、このサーモパイル２１２Ａ、２１２Ｂの表面を含めてシリコン基板２１１の表面全域に成膜された絶縁膜２１３と、当該絶縁膜２１３におけるサーモパイル２１２Ａ、２１２Ｂの感熱部である温接点部に形成された触媒層２１４と、を備えている。

サーモパイル２１２Ａ、２１２Ｂは、例えばポリシリコン及びアルミニウム等の異種金属を接合することにより構成され、受熱量に応じたゼーベック効果により熱起電力を発生して出力するものである。なお、このサーモパイル２１２Ａ、２１２Ｂにより出力された熱起電力（出力信号）は、後述する上ブロック体２２Ｂに設けられたプリアンプ２７により増幅されて演算制御装置７に出力される。

サーモパイル２１２Ａの触媒層２１４は、例えば水素との接触により酸化反応熱を発生する酸化触媒の一例である白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ））等の貴金属触媒の粒子を予め担持した複数個のカーボンクラスタ、具体的にはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を絶縁膜２１３に対して略垂直に互いに平行となるように並列に配置されることにより形成されている。また、サーモパイル２１２Ｂの触媒層２１４には、酸化触媒を担持していない複数個のカーボンクラスタ、具体的にはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を絶縁膜２１３に対して略垂直に互いに平行となるように並列に配置されることにより形成されている。

センサブロック２２は、例えば金属等の非腐食性材料から形成されており、上面及び対向する側面に開口する空洞Ｓを有する下ブロック体２２Ａと、当該下ブロック体２２Ａの空洞Ｓの上面開口を閉塞する上ブロック体２２Ｂとからなる。なお、上ブロック体２２Ｂ及び下ブロック体２２Ａには、各ブロック体を温度調節するために温度測定手段Ｈ１及びヒータＨ２が埋設されている。

そして、空洞Ｓ内に前記センシング部２１が位置するように、下ブロック体２２Ａの上面開口をベース基板２６により閉塞させた状態で、上ブロック体２２Ｂの上面側から下ブロック体２２Ａ側に複数の止めねじをねじ込むことにより、下ブロック体２２Ａ及び上ブロック体２２Ｂによりベース基板２６を挟み込む。このとき、下ブロック体２２Ａとベース基板２６の周辺部との接触部分全周にＯリング等のシール部材を介在させて空洞Ｓ内部が気密に保たれるように構成している。これによって、センサブロック２２内部に測定対象ガスが流れる流路が形成され、当該流路内にセンシング部２１（サーモパイル２１２Ａ、２１２Ｂ）が配置される構造となる。なお、図２中符号２８は、センサブロック２２内に流入した測定対象ガスを触媒層２１４に接触させるべく導入ポート２４からの測定対象ガスをセンシング部２１（触媒層２１４）に向かって案内するガイド板である。

センサブロック２２により形成された流路の上流側には、ケーシング２３に設けられた導入ポート２４が連通し、当該導入ポート２４には外部配管Ｚ１が接続される。一方、前記流路の下流側には、ケーシング２３に設けられた排出ポート２５が連通し、当該排出ポート２５には外部配管Ｚ２が接続される。

酸素濃度測定部３は、水素センサユニット２の上流側外部配管Ｚ１において、配管ヒータ９の上流側に挿入して設けられている。酸素濃度測定部３としては、例えばジルコニア酸素センサを用いることができる。そして、この酸素濃度測定部３からの出力信号は演算制御装置７に出力される。なお、酸素濃度測定部３の設置位置は外部配管Ｚ１に限られず、外部配管Ｚ２に設けても良いし、水素センサユニット２（具体的にはセンサブロック２２）に設けても良い。センサブロック２２内に設ける場合には、当該センサブロック２２を８０度〜１２５度まで上昇させることが考えられるので、酸素センサを高温用のものにする必要があり、コスト増大に繋がる可能性がある。

第１温度測定部４は、水素センサユニット２の上流側外部配管Ｚ１において、配管ヒータ９の上流側に挿入して設けられ、当該外部配管Ｚ１を流れる測定対象ガスと接触するように設けられている。また、第２温度測定部５は、センサブロック２２内に形成された流路内に、当該流路を流れる測定対象ガスと接触するように設けられている。本実施形態の第２温度測定部５は、ベース基板２６上において、センシング部２１に隣接して設けられている。この第１及び第２温度測定部４、５としては、例えば白金測温抵抗体、サーミスタ又は熱電対を用いて構成した温度センサを用いることができる。そして、この第１温度測定部４及び第２温度測定部５からの出力信号であるは演算制御装置７に出力される。

湿度測定部６は、水素センサユニット２の上流側外部配管Ｚ１において、配管ヒータ９の上流側に挿入して設けられている。この湿度測定部６としては、例えば高分子膜湿度センサ又はセラミック湿度センサ等の湿度センサを用いることができる。そして、この湿度測定部６からの出力信号は演算制御装置７に出力される。

演算制御装置７は、水素センサユニット２、酸素濃度測定部３、第１、第２温度測定部４、５及び湿度測定部６それぞれから出力信号を受信して、各出力信号により水素濃度、酸素濃度、相対湿度及び温度を算出するとともに、水素濃度を、酸素濃度、湿度及び温度を用いて補正するものである。なお、演算制御装置７は、センサブロック２２内部に設けられた第２温度測定部５からの出力信号を受信して、センサブロック２２が一定温度となるように温度測定手段Ｈ１から得られた温度に基づいてヒータＨ２を制御するとともに、配管ヒータ９を制御するものである。また、演算制御装置７は、水素センサユニット２における測定用サーモパイル２１２Ａの出力信号（起電力）と比較用サーモパイル２１２Ｂの出力信号（起電力）との差を用いて水素濃度を算出する。

具体的に演算制御装置７は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェイス、ＡＤ変換器等を備えた専用乃至汎用のコンピュータであり、前記メモリの所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがってＣＰＵ、周辺機器等を協働させることにより、湿度算出部７１、関係データ格納部７２、濃度補正部７３等としての機能を発揮する。

湿度算出部７１は、前記第１温度測定部４、第２温度測定部５及び湿度測定部６からの出力信号を受信して、Ｔｅｔｅｎｓの式を用いてセンサブロック２２内の相対湿度を算出するものである。具体的に湿度算出部７１は以下の式により前記相対湿度を算出する。

外部配管Ｚ１内の測定対象ガスの温度をｔ℃、ｔ℃における測定対象ガスに含まれる水蒸気量をｍ_ｗ、ｔ℃における飽和水蒸気量をＰ_ｔとすると、ｔ℃における相対湿度ＲＨ_ｔ（％）は、

となる。一方、センサブロック２２内の測定対象ガスの温度をＴ℃、Ｔ℃における測定対象ガスに含まれる水蒸気量をＭ_ｗ、Ｔ℃における飽和水蒸気量をＰ_Ｔとすると、Ｔ℃における相対湿度ＲＨ_Ｔ（％）は、

となる。ここで、外部配管Ｚ１の上流に設けられたドレンセパレータ８により測定対象ガスが除湿されており、外部配管Ｚ１内の測定対象ガスに含まれる水蒸気量ｍ_ｗとセンサブロック２２内の測定対象ガスに含まれる水蒸気量Ｍ_ｗとは実質的に変化しないので、以下の関係を満たす。

ここでＴｅｔｅｎｓの式を用いることにより、

となり、センサブロック２２内の相対湿度ＲＨ_Ｔ（％）を、外部配管Ｚ１内の測定対象ガスの相対湿度ＲＨ_ｔ（％）、外部配管Ｚ１内の測定対象ガスの温度ｔ（℃）及びセンサブロック２２内の測定対象ガスの温度Ｔ（℃）から算出することができる。

関係データ格納部７２は、水素センサユニット２から出力される水素濃度と測定対象ガスの湿度との関係（水素濃度−湿度関係）を示す湿度関係データと、前記水素濃度と測定対象ガスの温度との関係（水素濃度−温度関係）を示す温度関係データと、前記水素濃度と測定対象ガスに含まれる酸素濃度との関係（水素濃度−酸素濃度関係）を示す酸素濃度関係データとを格納している。なお、これらのデータは予めユーザにより入力される。

湿度関係データ及び温度関係データに関して言うと、図４に示すように、測定対象ガスの温度と、８０℃ドライ基準に対する相対出力（％）との関係を示すデータを格納している。８０℃ドライ基準に対する相対出力とは、温度が８０℃、相対湿度が０％の状態の測定対象ガスにおいてサーモパイル２１２Ａにより得られた水素濃度を１００とした場合における割合であり、予め実験により求めておく。

また、酸素濃度関係データに関して言うと、図５に示すように、各酸素濃度におけるサーモパイル２１２Ａの感度特性（感度比）を示すデータを格納している。この感度特性は、酸素濃度２０％の測定対象ガス中の水素濃度の測定値に対するその他の酸素濃度の測定対象ガス中の水素濃度の測定値の比である。つまり、測定対象ガスの酸素濃度が水素濃度の測定値に与える影響を示すデータである。

濃度補正部７３は、サーモパイル２１２により得られた水素濃度を酸素濃度、湿度算出部７１により得られたセンサブロック２２内の相対湿度及びセンサブロック２２内の測定対象ガスの温度に基づいて、上述の水素濃度−湿度関係、水素濃度−温度関係及び水素濃度−酸素濃度関係を用いて補正する。そして、濃度補正部７３は、図示しないディスプレイに補正後の水素濃度を表示する。

具体的には、測定対象ガスの酸素濃度が５０％であれば、図５に示す関係から、酸素濃度２０％の測定対象ガスを基準にして、測定感度が約７０％低下しているので、水素濃度を約１０／７倍することにより補正する。

また、例えばガス温度が８０度であり相対湿度が２０％であれば、図４に示す関係から、８０度ドライ基準に対する相対出力が約１８％となるので、水素濃度を約１００／１８倍することにより補正する。例えばガス温度が６０度であり相対湿度が４０％であれば、図４に示す関係から、８０度ドライ基準に対する相対出力が約７％となるので、水素濃度を約１００／７倍することにより補正する。さらに、図４に示されていない湿度であれば、図４に示されている相対湿度曲線間を補完演算して相対出力を算出し、水素濃度を補正する。

以上によって、８０度ドライ基準及び酸素濃度２０％換算時の水素濃度が算出される。なお、補正する際の基準は、８０度ドライ基準及び酸素濃度２０％時に限られない。なお、他の基準を用いる場合には、予めその基準を用いた関係を実験により求め、その関係を示す関係データを関係データ格納部７２に格納しておく。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係るガス濃度測定装置１００によれば、外部配管Ｚ１に設けた湿度測定部６及び第１温度測定部４と、センサブロック２２内に設けた第２温度測定部５とによってセンサブロック２２内の相対湿度を算出することができるので、センサブロック２２内に湿度センサを設ける必要が無い。したがって、センサブロック２２内に高温仕様の湿度センサを設けることなく、可燃性ガス濃度を湿度補正することができ、測定誤差を可及的に低減することができる。また、測定対象ガスに含まれる酸素の濃度を用いて水素濃度を補正しているので、酸素濃度が水素濃度に与える影響を補正することができ、測定対象ガスに含まれる水素濃度を高精度に測定することができる。したがって、信頼性の高い測定結果を得ることができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、部品点数を削減する観点から、第１温度測定部及び湿度測定部を温湿度センサにより構成しても良い。

また、前記実施形態の第１温度測定部及び湿度測定部は上流側外部配管に設けられているが、下流側外部配管に設けても良い。

また、補正精度を向上するためには、酸素濃度測定部により得られた酸素濃度を補正しても良い。具体的には、酸素濃度測定部近傍に測定対象ガスの圧力を測定する圧力センサを設け、当該圧力センサからの出力値を用いて酸素濃度を補正する。この補正後の酸素濃度を用いて水素濃度を補正することにより、より正確な水素濃度を算出することができる。

さらに、前記実施形態の水素濃度測定部は、サーモパイルを用いた接触燃焼式センサであったが、その他の測温素子を用いた接触燃焼式センサであっても良いし、気体熱伝導式センサ又は熱線型半導体式センサ等であっても良い。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００ ・・・ガス濃度測定装置
Ｚ１、Ｚ２・・・外部配管
２ ・・・水素センサユニット
２１２ ・・・サーモパイル
２３ ・・・ケーシング
２４ ・・・導入ポート
２５ ・・・排出ポート
３ ・・・酸素濃度測定部
４ ・・・第１温度測定部
５ ・・・第２温度測定部
６ ・・・湿度測定部
７ ・・・演算制御装置
７１ ・・・湿度算出部
７１ ・・・関係データ格納部
７１ ・・・濃度補正部

Claims (2)

1. 測定対象ガスの発熱量を検出することにより、当該測定対象ガスに含まれる可燃性ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置であって、
   外部配管により前記測定対象ガスが供給又は排出されるセンサブロックと、
   前記センサブロック内に設けられ、測定対象ガスに含まれる可燃性ガスの濃度に応じた検出信号を出力するセンシング部と、
   前記外部配管に設けられ、当該外部配管を流れる測定対象ガスの湿度を測定する湿度測定部と
   前記外部配管に設けられ、当該外部配管を流れる測定対象ガスの温度を測定する第１温度測定部と、
   前記センサブロック内に設けられ、当該センサブロック内の温度を測定する第２温度測定部と、
   前記第１、第２温度測定部及び湿度測定部からの出力信号を受信して、前記センサブロック内の湿度を算出する湿度算出部と、
   前記センシング部からの検出信号から算出された可燃性ガス濃度を、前記湿度算出部により得られた湿度を用いて補正する濃度補正部と、を具備するガス濃度測定装置。
2. 前記センシング部が、感熱部上に可燃性ガスとの接触により酸化反応熱を発生する酸化触媒を担持させたサーモパイルである請求項１記載のガス濃度測定装置。