JP2013002891A - 熱伝導式ガスセンサの出力補正方法およびガス検知器 - Google Patents

Abstract

【課題】 低濃度から高濃度までの広い濃度範囲において、可燃性ガスの濃度検出精度を向上させることのできる熱伝導式ガスセンサの出力補正方法およびガス濃度測定を精確に、かつ、高い信頼性で行うことのできるガス検知器を提供すること。
【解決手段】 この熱伝導式ガスセンサの出力補正方法は、可燃性ガス検出用の熱伝導式ガスセンサより得られる被検ガスについてのセンサ出力を当該被検ガス中の酸素濃度に基づいて補正するものである。ガス検知器は、可燃性ガス検出用の熱伝導式ガスセンサと、被検ガスについて得られた熱伝導式ガスセンサによるセンサ出力を、当該被検ガス中の酸素濃度に基づいて補正して、当該被検ガス中の可燃性ガスのガス濃度を算出する機能を有する濃度算出機構とを具えてなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱伝導式ガスセンサの出力補正方法および熱伝導式ガスセンサを具えたガス検知器に関する。

可燃性ガスの検出は、低濃度から高濃度までの広い濃度範囲において実行されることが必要とされており、例えば、爆発下限界濃度以下の低濃度の可燃性ガス検出用の接触燃焼式ガスセンサと、例えば１００％ＬＥＬを超える高濃度の可燃性ガスや、酸素濃度が１０％以下である可燃性ガスの検出用の熱伝導式ガスセンサとが切り換えられて用いられる構成のガス検知器が提案されている（特許文献１参照）。

接触燃焼式ガスセンサは、雰囲気中の酸素と可燃性ガスとの燃焼による発熱量を例えばヒータコイルの抵抗値の変化量として検出するものであるため、例えば、原油タンカーのタンク内の可燃性ガスを検出する場合においては、タンク内に窒素等の不活性ガスがパージされることにより非助燃性ガスが高濃度で存在するような場合には、酸化反応による接触燃焼式ガスセンサの温度上昇が可燃性ガス濃度に対応せず誤差が生じたりするなどの問題がある。

一方、熱伝導式ガスセンサにおいては、被検ガスにおけるベースガス種によりゼロ点出力が変わってしまうため、ベースガス種より具体的にはベースガスを構成するバランスガスの種類に応じた校正用ガスによるゼロ点出力補正や感度補正などの校正作業が必要となる。
しかしながら、例えば、原油タンカーのタンク内の可燃性ガスを検出する場合などにおいては、同一のタンク内であってもベースガス種が変化することがあるため、その都度、校正作業が必要となって相当に手間がかかると共に、ベースガス種に応じた校正用ガスを常時用意しておくことは実際上困難であるため、可燃性ガスの濃度測定を高い精度で行うことが困難である、という問題があった。

特開２００５−２０７８７９号公報

本発明者らは、熱伝導式ガスセンサのセンサ出力が酸素濃度に応じて比例関係的に変化することを見出し、被検ガス中の酸素濃度に基づいて熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力を補正することにより可燃性ガスのガス濃度測定を高い精度で行うことができるものと考え、本発明を完成させるに至った。

本発明の目的は、低濃度から高濃度までの広い濃度範囲において、可燃性ガスのガス濃度の検出精度を向上させることのできる熱伝導式ガスセンサの出力補正方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、熱伝導式ガスセンサを具えたものにおいて、可燃性ガスのガス濃度測定を精確に、かつ、高い信頼性で行うことのできるガス検知器を提供することにある。

本発明の熱伝導式ガスセンサの出力補正方法は、可燃性ガス検出用の熱伝導式ガスセンサより得られる被検ガスについてのセンサ出力を当該被検ガス中の酸素濃度に基づいて補正することを特徴とする。

本発明の熱伝導式ガスセンサの出力補正方法においては、前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正を互いにバランスガスの種類が異なる２種類のゼロ点出力校正用ガスを用いて行うことにより、当該熱伝導式ガスセンサについての２つのゼロ点出力を予め取得しておき、
一方のゼロ点出力（Ｘ₁ ）に係るゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をＹ₁ 、他方のゼロ点出力（Ｘ₂ ）に係るゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をＹ₂ 、被検ガス中の酸素濃度をＹ₀ とするとき、
被検ガスについて取得された熱伝導式ガスセンサのセンサ出力を補正すべき出力補正量ΔＸを下記式１に基づいて算出することが好ましい。

本発明のガス検知器は、可燃性ガス検出用の熱伝導式ガスセンサと、当該熱伝導式ガスセンサより得られる被検ガスについてのセンサ出力に基づいて可燃性ガスのガス濃度を算出する濃度算出機構とを具えてなり、
前記濃度算出機構は、被検ガスについて得られた前記熱伝導式ガスセンサによるセンサ出力を、当該被検ガス中の酸素濃度に基づいて補正して、当該被検ガス中の可燃性ガスのガス濃度を算出する機能を有することを特徴とする。

本発明のガス検知器においては、酸素検出用の酸素センサをさらに具えてなり、
前記濃度算出機構は、当該酸素センサより得られるセンサ出力に基づいて被検ガス中の酸素濃度を算出する機能を有する構成とされていることが好ましい。

また、本発明のガス検知器においては、前記酸素センサのゼロ点出力校正時における前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力Ｘ₁ と、前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正時における当該熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力Ｘ₂ とが記録されたメモリを備えており、
前記濃度算出機構は、前記熱伝導式ガスセンサより得られるセンサ出力を補正すべき出力補正量ΔＸを、前記酸素センサのゼロ点出力校正に際して用いられる酸素センサゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をＹ₁ 、前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正に際して用いられる熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をＹ₂ 、検出された被検ガス中の酸素濃度をＹ₀ とするとき、上記式１に基づいて、算出する機能を有する構成とされていることが好ましい。

さらにまた、本発明のガス検知器においては、タンカーにおけるタンク内の可燃性ガスのガス濃度測定に用いられるものである場合には、前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正時における当該熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力が、排ガスイナートをバランスガスとする熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスによって取得されたものとすることができる。

本発明の熱伝導式ガスセンサの出力補正方法によれば、熱伝導式ガスセンサにより得られるセンサ出力の出力補正が被検ガス中の酸素濃度に基づいてなされることにより、被検ガスにおけるベースガス種の違いによるセンサ出力の変動が補償されるので、低濃度から高濃度までの広い濃度範囲において、可燃性ガスの濃度の検出精度を向上させることができる。
従って、熱伝導式ガスセンサのセンサ出力に対して上記の出力補正が行われることにより可燃性ガスの濃度測定が行われる本発明のガス検知器によれば、広い濃度範囲にわたる可燃性ガスの濃度測定を、熱伝導式ガスセンサのみによって、精確に、かつ、高い信頼性で行うことができる。また、被検ガスにおけるベースガス種に応じた校正用ガスを常時用意しておく必要がないので、所期のガス濃度測定を容易に行うことができる。

本発明のガス検知器の一例における構成の概略を示すブロック図である。 本発明のガス検知器における熱伝導式ガスセンサのセンサ出力の補正方法を説明するための、センサ出力と可燃性ガスのガス濃度との関係を示す出力特性データの一例を示すグラフである。 原油タンカーのタンク内の可燃性ガスの濃度測定における可燃性ガスの濃度の経時的変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明のガス検知器の一例における構成の概略を示すブロック図である。
この実施の形態に係るガス検知器は、可燃性ガス検出用の熱伝導式ガスセンサ１０と、酸素検出用の酸素センサ２０と、これらのガスセンサを含む各構成部に適宜の動作指令信号を発する制御手段３０と、測定結果を表示する表示手段４５とを備えている。酸素センサ２０としては、例えばガルバニ電池式酸素センサを用いることができる。

制御手段３０は、熱伝導式ガスセンサ１０および酸素センサ２０より得られるセンサ出力に基づいて可燃性ガスのガス濃度および酸素濃度を算出する機能を有する濃度算出機構３５と、可燃性ガス濃度の算出に係るデータが記録されたメモリ３１とを備えている。
ここに、メモリ３１に記録されたデータとしては、後述するように、熱伝導式ガスセンサ１０および酸素センサ２０の各々についての校正作業の実施によって取得されたセンサ出力に係るデータ（基準センサ出力データ）、熱伝導式ガスセンサ１０のセンサ出力と可燃性ガスのガス濃度との関係を示す出力特性データ（検量線データ）などを挙げることができる。

濃度算出機構３５は、酸素センサ２０より得られる被検ガスについてのセンサ出力に基づいて当該被検ガス中の酸素濃度Ｙ₀ を算出する酸素濃度算出部３６と、熱伝導式ガスセンサ１０より得られる被検ガスについてのセンサ出力（以下、「検出センサ出力」という。）Ｘを補正すべき出力補正量ΔＸを、酸素濃度算出部３６によって算出された当該被検ガスの酸素濃度Ｙ₀ およびメモリ３１に記録された基準センサ出力データＤ１に基づいて、算出する出力補正量算出部３７と、この出力補正量算出部３７によって算出された出力補正量ΔＸによって熱伝導式ガスセンサ１０の検出センサ出力Ｘを補正した補正出力Ｘ´を算出する補正出力算出部３８と、この補正出力算出部３８によって算出された補正出力Ｘ´に応じた可燃性ガスのガス濃度Ｓをメモリ３１に記録された出力特性データＤ２に基づいて算出するガス濃度算出部３９と、このガス濃度算出部３９によって算出された可燃性ガスのガス濃度Ｓを表示手段４５に出力する出力部４０とを具えている。

以下、上記のガス検知器における可燃性ガスの濃度算出方法について図２を参照して説明する。
先ず、規定濃度（Ｙ₁ ％）の酸素をバランスガスとする酸素センサゼロ点出力校正用ガスによって、酸素センサ２０のゼロ点出力校正を行い、この酸素センサゼロ点出力校正用ガスについての熱伝導式ガスセンサ１０のセンサ出力を第１の基準ゼロ点出力Ｘ₁ として取得しメモリ３１に記録する。
また、バランスガスの酸素濃度がＹ₂ 〔％〕である熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスによって、熱伝導式ガスセンサ１０のゼロ点出力校正を行い、当該熱伝導式ガスセンサ１０のセンサ出力を第２の基準ゼロ点出力Ｘ₂ として取得しメモリ３１に記録する。 さらに、規定濃度（例えば１００ｖｏｌ％）の可燃性ガス（検知対象ガス）を含む熱伝導式ガスセンサスパン校正用ガスによって、熱伝導式ガスセンサ１０のスパン校正を行うことにより得られる熱伝導式ガスセンサ１０のセンサ出力を基準スパン出力Ｘ₃ として取得しメモリ３１に記録する。
そして、熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスのバランスガスについての出力特性データ（図２における直線（イ））を、第２の基準ゼロ点出力Ｘ₂ と基準スパン出力Ｘ₃ とに基づいて取得すると共に、酸素センサゼロ点出力校正用ガスのバランスガスについての出力特性データ（直線（ロ））を、第１の基準ゼロ点出力Ｘ₁ と基準スパン出力Ｘ₃ とに基づいて取得する。

可燃性ガスの検出においては、酸素センサ２０より得られるセンサ出力が濃度算出機構３５における酸素濃度算出部３６に入力され、この酸素濃度算出部３６によって、被検ガス中の酸素濃度Ｙ₀ が算出される。

次いで、出力補正量算出部３７によって、熱伝導式ガスセンサ１０より得られる検出センサ出力Ｘを補正すべき出力補正量ΔＸが算出される。出力補正量ΔＸは、出力特性データ（イ）と出力特性データ（ロ）との比例関係を利用して算出され、具体的には、酸素センサ２０によって検出された被検ガスの酸素濃度Ｙ₀ 、並びに、予め取得されてメモリ３１に記録された、第１の基準ゼロ点出力Ｘ₁ 、酸素センサゼロ点出力校正用ガスにおけるバランスガスの酸素濃度Ｙ₁ 、第２の基準基準ゼロ点出力Ｘ₂ 、および、熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスにおけるバランスガスの酸素濃度Ｙ₂ に基づいて、下記式１によって算出される。

そして、補正出力算出部３８によって、熱伝導式ガスセンサ１０より得られた検出センサ出力Ｘを、上記のように算出された出力補正量ΔＸで補正した補正センサ出力が算出される。ここに、補正センサ出力は、検出センサ出力Ｘから出力補正量ΔＸを減算することにより得られる。
このようにして取得された補正センサ出力（Ｘ−ΔＸ）を、予め取得されてメモリ３１に記録された熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスにおけるバランスガスについての出力特性データ（ロ）に対照することにより被検ガス中の可燃性ガスのガス濃度Ｓを算出する処理がガス濃度算出部３９によって行われ、これにより得られた可燃性ガスのガス濃度Ｓに応じた動作指令信号が出力部４０から表示手段４５に出力されて濃度測定結果が表示される。

熱伝導式ガスセンサ１０の出力補正方法についての具体例を示すと、例えば、酸素センサゼロ点出力校正用ガスにおけるバランスガスの酸素濃度Ｙ₁ が２０．９％、熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスのバランスガスが窒素、すなわち、熱伝導式ガスセンサ１０のゼロ点出力校正時における酸素濃度Ｙ₂ が０％、第１の基準ゼロ点出力Ｘ₁ と第２の基準ゼロ点出力Ｘ₂ との出力差（Ｘ₁ −Ｘ₂ ）が＋８ｖｏｌ％相当の値であり、酸素センサ２０によって検出された被検ガスの酸素濃度Ｙ₀ が１０．４５％であるとすると、出力補正量ΔＸは、上記式１より、＋４ｖｏｌ％相当の大きさと算出される。

而して、上記のような熱伝導式ガスセンサ１０の出力補正方法によれば、熱伝導式ガスセンサ１０より得られる検出センサ出力Ｘの出力補正が被検ガス中の酸素濃度Ｙ₀ に基づいてなされることにより、被検ガスにおけるベースガスを構成するバランスガスの種類の違いによるセンサ出力の変動が補償されるので、被検ガスに係るバランスガスの種類に拘らず、低濃度から高濃度までの広い濃度範囲において、可燃性ガスのガス濃度の検出精度を向上させることができる。
従って、熱伝導式ガスセンサ１０のセンサ出力に対して上記の出力補正が行われることにより可燃性ガスの濃度測定が行われる上記構成のガス検知器によれば、広い濃度範囲にわたる可燃性ガスの濃度測定を、例えば従来の可燃性ガス検出器において好適に用いられている低濃度の可燃性ガス検出用の接触燃焼式ガスセンサを用いることなく、熱伝導式ガスセンサ１０のみによって、精確に、かつ、高い信頼性で行うことができる。

上記のガス検知器によれば、上述のように、被検ガスに係るバランスガスの種類の違いによる熱伝導式ガスセンサ１０のセンサ出力の変動が補償されるので、例えば原油タンカーのタンク内の可燃性ガスの濃度測定に極めて有用なものとなる。

すなわち、原油タンカーのタンク内の可燃性ガスの濃度測定にあっては、図３に示すように、原油が充填されたタンク外部の環境雰囲気（フィールド）の空気についての測定が行われる（濃度測定領域Ａ）。このとき、被検ガスにおけるバランスガスは、空気（酸素濃度が例えば２０．９％）であり、タンク内の可燃性ガス例えばＨＣの濃度は例えば０ｖｏｌ％である。
そして、タンク内の可燃性ガスの濃度測定が開始されると、ＨＣの濃度は例えば１００ｖｏｌ％に至るまで経時的に変化する（濃度測定領域Ｂ）。このとき、被検ガスにおけるバランスガスは、排ガスイナートである。ここに、排ガスイナートは、例えば湿度が８０％ＲＨ程度、酸素濃度が８％以下であり、例えば二酸化炭素などが含まれるものである。 タンク内の原油は、排ガスイナートをタンク内に充填しながら抜かれることとなる。このとき、タンク内雰囲気に係るバランスガスは排ガスイナートであり、ＨＣの濃度が１００ｖｏｌ％から例えば１ｖｏｌ％程度まで経時的に変化する（濃度測定領域Ｃ）。そして、原油をタンク内から抜き終わった後に、ＨＣ濃度が１ｖｏｌ％以下であることが確認されることにより空気がタンク内に入れられる。このとき、タンク内雰囲気におけるバランスガスは空気（酸素濃度が例えば２０．９％）である。

以上のように、原油タンカーの同一のタンク内であってもベースガス種が変わることにより、図３に示すように、規定濃度の酸素をバランスガスとする熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスについての出力特性データに基づいて、ＨＣの濃度を算出したのであれば、排ガスイナートをバランスガスとするベースガスを含む被検ガスの濃度測定領域Ｃにおいて、ガス濃度値が０以下となるといった不具合が生ずることとなる。

従って、熱伝導式ガスセンサ１０におけるゼロ点出力の、ベースガス種に応じた校正用ガスによるゼロ点出力校正が必要とされるところ、上記のガス検知器によれば、校正用ガスとして標準ガスを用いた校正作業は不要であり、また、被検ガスにおけるベースガス種に応じた校正用ガスを常時用意しておく必要がないので、所期のガス濃度測定を容易に行うことができる。また、排ガスイナートをバランスガスとする熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスによって熱伝導式ガスセンサ１０のゼロ点出力校正を行うことにより当該バランスガスについての熱伝導式ガスセンサ１０の基準ゼロ点出力Ｘ₂ を取得しておき、当該基準ゼロ点出力Ｘ₂ を利用して出力補正量ΔＸを算出することができるので、高い使用上の利便性を得ることができる。

酸素濃度Ｙ₂ が６％である排ガスイナートをバランスガスとする熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスを用いて熱伝導式ガスセンサ１０のゼロ点出力校正を行った場合の、熱伝導式ガスセンサ１０の出力補正方法についての具体例を示すと、酸素センサゼロ点出力校正用ガスにおけるバランスガスの酸素濃度Ｙ₁ が２０．９％、熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスのバランスガスが排ガスイナート、すなわち、熱伝導式ガスセンサ１０のゼロ点出力校正時における酸素濃度Ｙ₂ が例えば６％、第１の基準ゼロ点出力Ｘ₁ と第２の基準ゼロ点出力Ｘ₂ との出力差（Ｘ₁ −Ｘ₂ ）が＋５ｖｏｌ％相当の値であり、酸素センサ２０によって検出された被検ガスの酸素濃度Ｙ₀ が１６．４５％であるとすると、出力補正量ΔＸは、上記式１より、＋２．５ｖｏｌ％相当の値と算出される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、熱伝導式ガスセンサの出力補正を行うに際して用いられる被検ガスの酸素濃度Ｙ₀ は、ガス検知器それ自体が有する酸素センサにより検出された値であっても、別個の酸素濃度検出手段によって検出された値が入力されたものであってもよく、従って、ガス検知器それ自体が酸素センサを具備する構成とされている必要はないが、例えばタンカーにおけるタンク内の濃度測定を行う場合などのように、ベースガス種が経時的に変化する場合には、ガス検知器が酸素センサを具備した構成とされていることが好ましい。
そして、ガス検知器が酸素センサを有さない構成とされている場合には、互いにベースガス種の異なる２種類のゼロ点出力校正用ガスについての熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力を予め取得してメモリに記録しておけばよい。

１０ 熱伝導式ガスセンサ
２０ 酸素センサ
３０ 制御手段
３１ メモリ
３５ 濃度算出機構
３６ 酸素濃度算出部
３７ 出力補正量算出部
３８ 補正出力算出部
３９ ガス濃度算出部
４０ 出力部
４５ 表示手段

Claims (6)

1. 可燃性ガス検出用の熱伝導式ガスセンサより得られる被検ガスについてのセンサ出力を当該被検ガス中の酸素濃度に基づいて補正することを特徴とする熱伝導式ガスセンサの出力補正方法。
2. 前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正を互いにバランスガスの種類が異なる２種類のゼロ点出力校正用ガスを用いて行うことにより、当該熱伝導式ガスセンサについての２つのゼロ点出力を予め取得しておき、
   一方のゼロ点出力（Ｘ₁ ）に係るゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をＹ₁ 、他方のゼロ点出力（Ｘ₂ ）に係るゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をＹ₂ 、被検ガス中の酸素濃度をＹ₀ とするとき、
   被検ガスについて取得された熱伝導式ガスセンサのセンサ出力を補正すべき出力補正量ΔＸを下記式１に基づいて算出することを特徴とする請求項１に記載の熱伝導式ガスセンサの出力補正方法。
   

   
3. 可燃性ガス検出用の熱伝導式ガスセンサと、当該熱伝導式ガスセンサより得られる被検ガスについてのセンサ出力に基づいて可燃性ガスのガス濃度を算出する濃度算出機構とを具えてなり、
   前記濃度算出機構は、被検ガスについて得られた前記熱伝導式ガスセンサによるセンサ出力を、当該被検ガス中の酸素濃度に基づいて補正して、当該被検ガス中の可燃性ガスのガス濃度を算出する機能を有することを特徴とするガス検知器。
4. 酸素検出用の酸素センサをさらに具えてなり、
   前記濃度算出機構は、当該酸素センサより得られるセンサ出力に基づいて被検ガス中の酸素濃度を算出する機能を有することを特徴とする請求項３に記載のガス検知器。
5. 前記酸素センサのゼロ点出力校正時における前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力Ｘ₁ と、前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正時における当該熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力Ｘ₂ とが記録されたメモリを備えており、
   前記濃度算出機構は、前記熱伝導式ガスセンサより得られるセンサ出力を補正すべき出力補正量ΔＸを、前記酸素センサのゼロ点出力校正に際して用いられる酸素センサゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をＹ₁ 、前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正に際して用いられる熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をＹ₂ 、検出された被検ガス中の酸素濃度をＹ₀ とするとき、下記式１に基づいて、算出する機能を有することを特徴とする請求項４に記載のガス検知器。
   

   
6. タンカーにおけるタンク内の可燃性ガスのガス濃度測定に用いられるものであって、
   前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正時における当該熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力が、排ガスイナートをバランスガスとする熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスによって取得されたものであることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載のガス検知器。

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