JP2014109448A - 接触燃焼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】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接触燃焼式ガスセンサの出力補正方法および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。
【解決手段】出力補正方法は、酸素濃度が２０．９ｖｏｌ％である校正ガスにより校正処理がなされた可燃性ガス検出用の接触燃焼式ガスセンサにより得られる測定ガスについてのセンサ出力を、当該測定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接触燃焼式ガスセンサと、前記校正ガスによる校正処理により取得されたガス濃度算出に係るデータおよびセンサ出力補正に係るデータが記録された記憶手段と、接触燃焼式ガスセンサにより得られる測定ガスについてのセンサ出力を、当該測定ガス中の酸素濃度に基づいて補正して可燃性ガスのガス濃度を算出する機能を有する制御手段とを具えてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、接触燃焼式ガスセンサの出力補正方法および接触燃焼式ガスセンサを具えたガス検知器に関する。

可燃性ガスを検出するために用いられる接触燃焼式ガスセンサは、通常、触媒が付着されているガス検出素子と触媒が付着されていない温度補償素子とを備えた構成とされており、検知対象ガスが触媒に接触した際に燃焼する熱を利用してガス検出素子と温度補償素子との電気抵抗の差異から検知対象ガスのガス濃度を検出するものである。ここに、温度補償素子は、基本的には、ガス検出素子と同一構造とされているため、発熱用の電力が必要となる。

而して、例えば接触燃焼式ガスセンサを含む複数のガスセンサを具えた複合型の可搬型ガス検知器においては、ガス検知器自体の省電力化を図るために、接触燃焼式ガスセンサの省電力化することが検討されており、このような接触燃焼式ガスセンサとして、例えばガス検知素子のみを具えた（温度補償素子を有さない）構成のものが提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１２−１８５１１５号公報

しかしながら、このような構成の接触燃焼式ガスセンサにおいては、酸素濃度に起因してセンサ出力が変化するという問題がある。すなわち、一般に、ガスセンサの校正には標準ガスが用いられ、複合型のガス検知器の校正においては、混合標準ガスが利用されることがある。そして、接触燃焼式ガスセンサの他に例えば酸素センサを具えた構成のものである場合には、校正ガスとして、大気中酸素濃度より低い濃度の酸素を含むものが用いられるが、このような校正ガスにより校正された接触燃焼式ガスセンサにおいては、例えば空気バランスの単ガス（酸素濃度が２０．９ｖｏｌ％）よりなる指示値確認用ガスについてガス濃度測定を行ったときに、測定値が校正値より低くなってしまう。一方、空気バランスの単ガスよりなる標準ガスが校正ガスとして用いられて校正された接触燃焼式ガスセンサにおいては、例えば大気中酸素濃度より低い濃度の酸素を含む混合ガスよりなる指示確認用ガスについてガス濃度測定を行ったときに、測定値が校正値より高くなってしまう。
このように、校正ガスとして、単ガスを用いた場合と混合ガスとを用いた場合とで、接触燃焼式センサのセンサ出力値が変わってしまい、高い精度でガス検知を行うことができない。

本発明者らは、接触燃焼式ガスセンサのセンサ出力が例えば測定ガス中の酸素濃度に応じて比例関係的に変化することを見出し、当該酸素濃度に基づいて接触燃焼式ガスセンサのセンサ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。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、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接触燃焼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、接触燃焼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。

本発明の接触燃焼式ガスセンサの出力補正方法は、酸素濃度が２０．９ｖｏｌ％である校正ガスにより校正処理がなされた可燃性ガス検出用の接触燃焼式ガスセンサにより得られる測定ガスについてのセンサ出力を、当該測定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。

本発明の接触燃焼式ガスセンサの出力補正方法においては、前記測定ガス中の酸素濃度が大気中酸素濃度より低い場合には、当該測定ガスについてのセンサ出力から、当該酸素濃度に応じて設定された出力補正量が減算されて出力補正がなされる。

本発明のガス検知器は、可燃性ガス検出用の接触燃焼式ガスセンサと、当該接触燃焼式ガスセンサに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を算出する機能を有する制御手段と、当該接触燃焼式ガスセンサについて酸素濃度が２０．９ｖｏｌ％である校正ガスによる校正処理が行われることにより取得されたガス濃度算出に係るデータおよび当該接触燃焼式ガスセンサの出力補正に係るデータが記録された記憶手段とを具えてなり、
前記制御手段は、前記接触燃焼式ガスセンサにより得られる測定ガスについてのセンサ出力を当該測定ガス中の酸素濃度に基づいて補正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、酸素検出用のガスセンサをさらに具えてなり、
前記制御手段は、前記接触燃焼式ガスセンサのセンサ出力を補正するに際して、当該酸素検出用のガスセンサによる測定値を利用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、前記制御手段は、前記接触燃焼式ガスセンサと前記酸素検出用のガスセンサに共通の校正ガスが用いられることにより、当該接触燃焼式ガスセンサと当該酸素検出用のガスセンサを同時に校正する機能を有する構成とされていることが好ましい。

本発明の接触燃焼式ガスセンサの出力補正方法によれば、酸素濃度が２０．９ｖｏｌ％である校正ガスにより校正処理がなされた接触燃焼式ガスセンサにより得られる測定ガスについてのセンサ出力の出力補正が当該測定ガス中の酸素濃度に基づいてなされることにより、前記校正ガスと当該測定ガスとのバラン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、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、接触燃焼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ガス濃度が算出される本発明のガス検知器によれば、可燃性ガスの濃度測定を精確に、かつ、高い信頼性で行うことができる。
また、ガス検知器が接触燃焼式ガスセンサと酸素検出用のガスセンサを具えてなる、いわゆる複合型のものである場合には、接触燃焼式ガスセンサと酸素検出用のガスセンサを共通の校正ガスによって同時に校正することができるため、所期の校正処理を容易にかつ効率よく行うことができる。

本発明のガス検知器の一例における要部構成の概略を示すブロック図である。 接触燃焼式ガスセンサの一例における構成を示す分解斜視図である。 測定ガス中の酸素濃度と、接触燃焼式ガスセンサのセンサ出力変化量の関係の一例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要部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接触燃焼式ガスセンサ１０と、酸素検出用のガスセンサ（以下、「酸素センサ」ともいう。）３０と、これらのガスセンサを含む各構成部材に適宜の動作指令信号を発する制御手段４０と、可燃性ガス濃度の算出に係るデータおよび校正処理に係るデータが記録された記憶部（メモリ）４７と、測定結果を表示する表示手段３５とを備えてなる、いわゆる「複合型」のものである。酸素センサ３０としては、例えばガルバニ電池式のものを用いることができる。

記憶部４７に記録されたデータとしては、接触燃焼式ガスセンサ１０についての酸素濃度が２０．９ｖｏｌ％である校正ガス（以下、「当初校正ガス」ともいう。）による校正処理を行うことにより取得された接触燃焼式ガスセンサ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検量線データ、接触燃焼式ガスセンサ１０についての校正値および接触燃焼式ガスセンサ１０のセンサ出力を補正するための出力補正データ、並びに、酸素センサ３０についての校正値などを挙げることができる。当初校正ガスとしては、酸素バランスの標準ガスを例示することができる。
出力補正データとしては、測定ガス中の酸素濃度と、接触燃焼式ガスセンサ１０の出力変化量（出力補正量）との関係を示す出力特性データなどを挙げることができる。ここに、「測定ガス」とは、検知対象空間における環境雰囲気中の空気（被検ガス）、および、後述する、例えば接触燃焼式ガスセンサ１０と酸素センサ３０とを同時に校正するために用いられる校正ガスを含むものである。

制御手段４０は、接触燃焼式ガスセンサ１０および酸素センサ３０によって得られるセンサ出力に基づいて可燃性ガス濃度および酸素濃度を算出する機能を有する演算部４１を具えている。
演算部４１は、酸素センサ３０により得られる測定ガスについてのセンサ出力に対して適宜の信号処理を行う信号処理部４２ａと、この信号処理部４２ａによって処理されたセンサ出力に基づいて当該測定ガス中の酸素濃度を算出する酸素濃度算出部４３と、接触燃焼式ガスセンサ１０により得られる当該測定ガスについてのセンサ出力に対して適宜の信号処理を行う信号処理部４２ｂと、この信号処理部４２ｂによって処理されたセンサ出力（以下、「検出センサ出力」という。）を補正すべき出力補正量を当該測定ガス中の酸素濃度に基づいて算出する出力補正量算出部４５と、この出力補正量算出部４５によって算出された出力補正量によって接触燃焼式ガスセンサ１０の検出センサ出力を補正した補正センサ出力を算出し、当該補正センサ出力に基づいて測定ガス中の可燃性ガス濃度を算出する可燃性ガス濃度算出部４４と、接触燃焼式ガスセンサ１０および酸素センサ３０の校正処理の実施に際して、接触燃焼式ガスセンサ１０および酸素センサ３０についての校正値を設定して記憶部４７に記録させる校正処理部４６とを具えている。

上記のガス検知器においては、接触燃焼式ガスセンサ１０として、例えば省電力化が図られたものが用いられている。
このような接触燃焼式ガスセンサ１０の構成について具体的に説明すると、図２に示すように、この接触燃焼式ガスセンサ１０は、ジュール熱により所定温度まで発熱して特定のガス成分（検知対象ガス）との作用により電気信号を発生するガス検出素子１１を具えている。ガス検出素子１１は、例えば白金線コイルの上に酸化触媒がアルミナ担体と共に焼結されてなるものである。このガス検出素子１１の両端のリード部は、それぞれ高分子製の基台１２にモールドされた第一のステー１３ａおよび第二のステー１３ｂの上端に導通状態が維持されるよう例えばスポット溶接により固定されている。

符号１５は、一端が開口した有底の筒状体として構成されたスペーサであって、基台１２に固定されたガス検出素子１１が収容される内部空間の一半側において、第一のステー１３ａおよび第二のステー１３ｂが貫通する窓１６が形成されていると共に、また内部空間の他半側において後述する温度検出素子２５の収容空間と連通する貫通孔１７が形成されている。スペーサ１５の内部における窓１６と貫通孔１７との境界部分には仕切り板１８が設けられている。
スペーサ１５の底板１５ａは、外装ケース２８の蓋を兼ねる中継基板２０に実装された温度検出素子２５を収容できる程度の空間が形成されるよう、他端より軸方向内方側（一端側）の位置に設けられている。

中継基板２０の一面上における、スペーサ１５の底板１５ａの貫通孔１７と対向する箇所には、例えばチップ型サーミスタよりなる温度検出素子２５が設けられている。また、中継基板２０には、第三のステー１３ｃが固定されている。なお、符号２１は、基台１２に固定された第一のステー１３ａおよび第二のステー１３ｂが挿通されるステー挿通孔である。
第三のステー１３ｃは、中継基板２０に形成された導電パターン（図示せず）を介して温度検出素子２５の一端に導通している。なお、温度検出素子２５の他端は、第一のステー１３ａおよび第二のステー１３ｂのアース側に導通している。

外装ケース２８は、一端に開口２８ａを有すると共に他端にガス取入れ口２８ｂを有する筒状体であって、例えばフレームアレスタにより構成されている。この外装ケース２８は、中継基板２０に対して例えば接着剤により一体に固定されている。

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説明する。
上述したように、接触燃焼式ガスセンサ１０は、例えば空気バランスの標準ガス（単ガス）よりなる当初校正ガス（酸素濃度が２０．９ｖｏｌ％（大気中酸素濃度））によって校正されており、大気中酸素濃度より低い濃度の酸素を含む混合ガスよりなる測定ガス中の検知対象ガスの測定を行うと、得られる指示値（ガス濃度値）は当初校正ガスに係るセンサ出力値より高い値を示す。
一方、図３に示すように、測定ガス中の酸素濃度と、接触燃焼式ガスセンサ１０のセンサ出力変化量との間には、測定ガス中の酸素濃度が５ｖｏｌ％以上の範囲内において、相関関係、具体的には一定の比例関係（直線性）がある。ここに、測定ガス中の酸素濃度が５ｖｏｌ％以上の範囲内とされる理由は、接触燃焼式ガスセンサの検知原理上の理由からである。従って、上記のガス検知器においては、この相関関係を利用して、測定ガス中の酸素濃度に応じた補正出力量が算出される。具体的には、酸素センサ３０のセンサ出力に基づいて酸素濃度算出部４３によって算出される測定ガス中の酸素濃度と、記憶部４７に記録された接触燃焼式ガスセンサ１０の出力特性データとが出力補正量算出部４５に入力され、出力補正量算出部４５によって、接触燃焼式ガスセンサ１０に係る検出センサ出力を補正すべき出力補正量が、当該測定ガス中の酸素濃度に基づいて、出力特性データより算出される。そして、可燃性ガス濃度算出部４４においては、接触燃焼式ガスセンサ１０により取得されたセンサ出力に対して適宜の信号処理がなされた検出センサ出力から、出力補正量算出部４５によって算出された出力補正量が減算されて補正センサ出力が算出されると共に、当該補正センサ出力に基づいて測定ガス中の可燃性ガスのガス濃度が算出される。なお、測定ガス中の酸素濃度が２０．９ｖｏｌ％である場合には、図３に示されるように、出力補正量は０（ゼロ）であり、接触燃焼式ガスセンサ１０により取得されるセンサ出力値に基づいて可燃性ガスのガス濃度が算出される。

以上において、接触燃焼式ガスセンサ１０についての出力特性データは、ガス成分（検知対象ガス）の種類によって、図３に示される近似直線の傾きが異なるものの、いずれのガス成分についても、測定ガス中の酸素濃度と触燃焼式ガスセンサ１０の出力変化量との間に一定の比例関係を有する。一例を示すと、例えばイソブタンガスの場合には、近似曲線の傾き（出力補正係数）が０．２４（２．５％ＬＥＬ／１０．４（＝２０．９−１０．５）ｖｏｌ％）である。

次いで、上記のガス検知器（複合型）の校正処理について説明する。
上記のガス検知器においては、接触燃焼式ガスセンサ１０および酸素センサ３０の校正処理が別個に行われてもよいが、接触燃焼式ガスセンサ１０および酸素センサ３０に共通（一種）の校正ガスが用いられることにより、接触燃焼式ガスセンサ１０および酸素センサ３０の校正処理を同時に行うことができる。
接触燃焼式ガスセンサ１０および酸素センサ２０の校正処理を同時に行う場合に用いられる校正ガスとしては、例えば、酸素濃度が大気中酸素濃度より低い酸素を含む混合標準ガスよりなる酸素センサ用の校正ガス（ゼロガスおよびスパンガス）、例えば酸素濃度が１０．５ｖｏｌ％である窒素バランスの標準ガスが用いられる。
そして、校正処理部４６によって、校正ガスについて得られる接触燃焼式ガスセンサ１０に係るセンサ出力が酸素センサ１０に係るセンサ出力より得られる酸素濃度に基づいて補正され、これにより得られる補正センサ出力値が校正値として設定されて、酸素センサ３０に係る校正値と共に記憶部４７に記録される。

以上のように、上記の構成のガス検知器においては、酸素濃度が２０．９ｖｏｌ％である当初校正ガスにより校正処理がなされた接触燃焼式ガスセンサ１０により得られる測定ガスについてのセンサ出力の出力補正が、当該測定ガス中の酸素濃度に基づいてなされることにより、当初校正ガスと測定ガスとのバラン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、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、接触燃焼式ガスセンサ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ガス濃度が算出される本発明のガス検知器によれば、可燃性ガスの濃度測定を精確に、かつ、高い信頼性で行うことができる。
また、接触燃焼式ガスセンサ１０と酸素センサ３０を共通の校正ガスによって同時に校正することができるため、所期の校正処理を容易にかつ効率よく行うことができる。

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、接触燃焼式ガスセンサの出力補正を行うに際して用いられる測定ガスの酸素濃度は、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。
また、予め、可燃性ガス濃度算出部において接触燃焼式ガスセンサにより取得されるセンサ出力に基づいて可燃性ガス濃度値を算出した後、酸素濃度に応じた濃度補正量（センサ出力変化量に基づく濃度）によって当該可燃性ガス濃度値を補正してもよい。

１０ 接触燃焼式ガスセンサ
１１ ガス検出素子
１２ 基台
１３ａ 第一のステー
１３ｂ 第二のステー
１３ｃ 第三のステー
１５ スペーサ
１５ａ スペーサの底板
１６ 窓
１７ 貫通孔
１８ 仕切り板
２０ 中継基板
２１ ステー挿通孔
２５ 温度検出素子
２８ 外装ケース
２８ａ 開口
２８ｂ ガス取入れ口
３０ 酸素センサ
３５ 表示手段
４０ 制御手段
４１ 演算部
４２ａ，４２ｂ 信号処理部
４３ 酸素濃度算出部
４４ 可燃性ガス濃度算出部
４５ 出力補正量算出部
４６ 校正処理部
４７ 記憶部（メモリ）

Claims (5)

1. 酸素濃度が２０．９ｖｏｌ％である校正ガスにより校正処理がなされた可燃性ガス検出用の接触燃焼式ガスセンサにより得られる測定ガスについてのセンサ出力を、当該測定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接触燃焼式ガスセンサの出力補正方法。
2. 前記測定ガス中の酸素濃度が大気中酸素濃度より低い場合には、当該測定ガスについてのセンサ出力から、当該酸素濃度に応じて設定された出力補正量が減算されることを特徴する請求項１に記載の接触燃焼式ガスセンサの出力補正方法。
3. 可燃性ガス検出用の接触燃焼式ガスセンサと、当該接触燃焼式ガスセンサに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を算出する機能を有する制御手段と、当該接触燃焼式ガスセンサについて酸素濃度が２０．９ｖｏｌ％である校正ガスによる校正処理が行われることにより取得されたガス濃度算出に係るデータおよび当該接触燃焼式ガスセンサの出力補正に係るデータが記録された記憶手段とを具えてなり、
   前記制御手段は、前記接触燃焼式ガスセンサにより得られる測定ガスについてのセンサ出力を当該測定ガス中の酸素濃度に基づいて補正する機能を有することを特徴とするガス検知器。
4. 酸素検出用のガスセンサをさらに具えてなり、
   前記制御手段は、前記接触燃焼式ガスセンサのセンサ出力を補正するに際して、当該酸素検出用のガスセンサによる測定値を利用することを特徴とする請求項３に記載のガス検知器。
5. 前記制御手段は、前記接触燃焼式ガスセンサと前記酸素検出用のガスセンサに共通の校正ガスが用いられることにより、当該接触燃焼式ガスセンサと当該酸素検出用のガスセンサを同時に校正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。

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