JP2016145738A - ガス濃度測定装置及びガス濃度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコーン被毒の影響を受けずに、検知対象となるガス成分の濃度を正確に測定することができ、しかもシリコーン被毒に対するメンテナンスを行う必要のないガス濃度測定装置及びガス濃度測定方法を提供すること。【解決手段】半導体式ガスセンサを備えるガス濃度測定装置において、半導体式ガスセンサのシリコーン被毒度を判定する被毒度判定手段と、判定されたシリコーン被毒度に対応する補正係数を算出する補正係数算出手段と、補正係数を用いて、前記半導体式ガスセンサの出力値を補正する出力値補正手段と、補正された出力値に基づいてガス濃度を算出するガス濃度算出手段と、を備えることを特徴とするガス濃度測定装置。【選択図】なし

Description

本発明は、検知対象となるガス成分を検知する半導体式ガスセンサの出力値に基づいて、当該ガス成分の濃度を測定するガス濃度測定装置及びガス濃度測定方法に関する。

検知対象となるガス成分の濃度を測定する従来のガス濃度測定装置として、半導体式ガスセンサを備えるものが知られている。

半導体式ガスセンサは、そのガス感応部にガス成分が接触したときに発生する抵抗値変化を検出し、ガス成分の濃度に応じた出力値を出力するものである。

従来、例えばヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳ）等の有機シリコーンガスに半導体式ガスセンサが曝されて被毒すると、図１に示すように、検知対象となるガス成分を含んでいないか、あるいは検知対象となるガス成分の濃度が一定であっても、被毒時間が長くなるほど半導体式ガスセンサの出力値が増加する傾向を示すようになり、検知対象となるガス成分の濃度を正確に測定することが困難になるという問題を抱えていた。

この問題を解決するため、半導体式ガスセンサのガス感応部に被覆層を設けてシリコーン被毒を防止するという方法がこれまで一般的に行われていた。

尚、この様な従来技術に関しては、当業者の間で広く知られているものであるため、先行技術文献を示さない。

ガス感応部に被覆層を設ける方法は、シリコーン被毒を必ずしも十分に防ぎ得るものではなく、またひび割れや剥離が当該被覆層に生じていないかなどを定期的に点検してメンテナンスを行う必要もあり、面倒な作業をユーザーに強いるものであった。

本発明の目的は、シリコーン被毒の影響を受けずに、検知対象となるガス成分の濃度を正確に測定することができ、しかもシリコーン被毒に対するメンテナンスを行う必要のないガス濃度測定装置及びガス濃度測定方法を提供することにある。

本発明のガス濃度測定装置に係る第１特徴構成は、半導体式ガスセンサを備えるガス濃度測定装置において、前記半導体式ガスセンサのシリコーン被毒度を判定する被毒度判定手段と、判定されたシリコーン被毒度に対応する補正係数を算出する補正係数算出手段と、前記補正係数を用いて、前記半導体式ガスセンサの出力値を補正する出力値補正手段と、補正された出力値に基づいてガス濃度を算出するガス濃度算出手段とを備える点にある。

本構成のごとく、半導体式ガスセンサのシリコーン被毒度を判定し、当該シリコーン被毒度に対応する補正係数を用いて出力値を補正することにより、シリコーン被毒の影響を排除することができる。従って、半導体式ガスセンサのガス感応部に被覆層を設けなくとも、検知対象となるガス成分の濃度を正確に測定することができると共に、シリコーン被毒に対する面倒なメンテナンスを行う必要もない。

第２特徴構成は、前記被毒度判定手段が、前記半導体式ガスセンサの出力値の安定化時間によってシリコーン被毒度を判定する点にある。

本構成によれば、半導体式ガスセンサの出力値の安定化時間を測定することによって、半導体式ガスセンサのシリコーン被毒度を正確に判定することが可能となる。その結果、より正確な補正係数が算出されるため、検知対象となるガス成分の濃度をより正確に測定することができる。

第３特徴構成は、前記被毒度判定手段が、前記半導体式ガスセンサの出力値の安定化時間までの第１所定時間と第２所定時間のそれぞれに出力された第１出力値と第２出力値との差によってシリコーン被毒度を判定する点にある。

本構成によれば、半導体式ガスセンサの出力値が安定化するのを待たずに、そのシリコーン被毒度を判定することができる。従って、検知対象となるガス成分の濃度をより迅速に測定することができる。

本発明のガス濃度測定方法に係る第１特徴構成は、半導体式ガスセンサのシリコーン被毒度を判定する被毒度判定ステップと、判定されたシリコーン被毒度に対応する補正係数を算出する補正係数算出ステップと、前記補正係数を用いて、前記半導体式ガスセンサの出力値を補正する出力値補正ステップと、補正された出力値に基づいてガス濃度を算出するガス濃度算出ステップとを包含する点にある。

本構成のごとく、半導体式ガスセンサのシリコーン被毒度を判定し、当該シリコーン被毒度に対応する補正係数を用いて出力値を補正することにより、シリコーン被毒の影響を排除することができる。従って、半導体式ガスセンサのガス感応部に被覆層を設けなくとも、検知対象となるガス成分の濃度を正確に測定することができると共に、シリコーン被毒に対する面倒なメンテナンスを行う必要もない。

第２特徴構成は、前記被毒度判定ステップが、前記半導体式ガスセンサの出力値の安定化時間によってシリコーン被毒度を判定する点にある。

本構成によれば、半導体式ガスセンサの出力値の安定化時間を測定することによって、半導体式ガスセンサのシリコーン被毒度を正確に判定することが可能となる。その結果、より正確な補正係数が算出されるため、検知対象となるガス成分の濃度をより正確に測定することができる。

第３特徴構成は、前記被毒度判定ステップが、半導体式ガスセンサの出力値の安定化時間までの第１所定時間と第２所定時間のそれぞれに前記半導体式ガスセンサから出力された第１出力値と第２出力値との差によってシリコーン被毒度を判定する点にある。

本構成によれば、半導体式ガスセンサの出力値が安定化するのを待たずに、そのシリコーン被毒度を判定することができる。従って、検知対象となるガス成分の濃度をより迅速に測定することができる。

有機シリコーンガス中に半導体式ガスセンサを曝露したときの曝露時間と、検知対象となる種々のガス成分に対する当該半導体式ガスセンサの生出力値との関係を示すグラフである。 半導体式ガスセンサの出力値と通電時間との関係を模式的に示したグラフである。 有機シリコーンガス中に半導体式ガスセンサを曝露する前の、当該半導体式ガスセンサの出力値と通電時間との関係を示すグラフである。 有機シリコーンガス中に半導体式ガスセンサを２時間曝露した後の、当該半導体式ガスセンサの出力値と通電時間との関係を示すグラフである。 有機シリコーンガス中に半導体式ガスセンサを５時間曝露した後の、当該半導体式ガスセンサの出力値と通電時間との関係を示すグラフである。 有機シリコーンガス中に半導体式ガスセンサを１０時間曝露した後の、当該半導体式ガスセンサの出力値と通電時間との関係を示すグラフである。 有機シリコーンガス中に半導体式ガスセンサを１８時間曝露した後の、当該半導体式ガスセンサの出力値と通電時間との関係を示すグラフである。 有機シリコーンガス中に半導体式ガスセンサを３０時間曝露した後の、当該半導体式ガスセンサの出力値と通電時間との関係を示すグラフである。 有機シリコーンガスに曝露する前の半導体式ガスセンサ、及び有機シリコーンガスに２時間、５時間、１０時間、１８時間、３０時間曝露した半導体式ガスセンサにおける、検知対象となるガス成分の濃度と、出力値（当該ガス成分の濃度が０ｐｐｍのときの生出力値を０ｍＶとして換算したときの換算出力値）との関係を示すグラフである。 有機シリコーンガス中にそれぞれ２時間、５時間、１０時間、１８時間、３０時間曝露した半導体式ガスセンサにおける、出力値（検知対象となるガス成分の濃度が０ｐｐｍのときの生出力値を０ｍＶとして換算したときの換算出力値）と、補正係数との関係を示すグラフである。 有機シリコーンガス中に半導体式ガスセンサを曝露する前の、当該半導体式ガスセンサに通電したときの出力値と通電時間との関係を示すグラフである。 有機シリコーンガス中に半導体式ガスセンサを２時間曝露した後の、当該半導体式ガスセンサに通電したときの出力値と通電時間との関係を示すグラフである。 有機シリコーンガス中に半導体式ガスセンサを５時間曝露した後の、当該半導体式ガスセンサに通電したときの出力値と通電時間との関係を示すグラフである。 有機シリコーンガス中に半導体式ガスセンサを１０時間曝露した後の、当該半導体式ガスセンサに通電したときの出力値と通電時間との関係を示すグラフである。 有機シリコーンガス中に半導体式ガスセンサを１８時間曝露した後の、当該半導体式ガスセンサに通電したときの出力値と通電時間との関係を示すグラフである。 有機シリコーンガス中に半導体式ガスセンサを３０時間曝露した後の、当該半導体式ガスセンサに通電したときの出力値と通電時間との関係を示すグラフである。

〔第１実施形態〕
本発明に係るガス濃度測定装置は、検知対象となるガス成分を検知する半導体式ガスセンサを備え、その出力値に基づいて当該ガス成分の濃度を測定するガス濃度測定装置であって、半導体式ガスセンサのシリコーン被毒度を判定する被毒度判定手段と、判定されたシリコーン被毒度に対応する補正係数Ｃを算出する補正係数算出手段と、補正係数Ｃを用いて、半導体式ガスセンサの出力値を補正する出力値補正手段と、補正された出力値に基づいてガス濃度を算出するガス濃度算出手段とを備えるものである。

本発明において検知対象となるガス成分は、特に限定されるものではないが、例えば、水素、エタノール、トルエン等の可燃性ガス、酸素等の支燃性ガス、さらに窒素、二酸化炭素等の不燃性ガスが挙げられる。

本実施形態における被毒度判定手段は、通電後の安定化時間Ｔを測定する時間測定機能と、種々の曝露時間と当該曝露時間に対応する安定化時間Ｔと被曝レベルとに関するデータを蓄積する第１データテーブルと、時間測定機能により測定された安定化時間Ｔを、第１データテーブルに入力して被曝レベルを判定する被曝度判定機能とを備える。

本実施形態における補正係数算出手段は、出力値と補正係数Ｃとの関係を示す検量線に関するデータを被曝レベル毎に蓄積する第２データテーブルと、被毒度判定手段にて選択された被曝レベルと、半導体式ガスセンサの出力値とを第２データテーブルに入力することによって補正係数を導き出す補正係数算出機能とを備える。

本実施形態における出力値補正手段は、以下の式１により、半導体式ガスセンサの出力値を補正する。
[式１]
補正出力値＝出力値／補正係数Ｃ

本実施形態におけるガス濃度算出手段は、検知対象となるガス成分の所定のガス濃度と、被曝していない半導体式ガスセンサにおける出力値との関係を示す検量線に関するデータを蓄積する第３データテーブルと、出力値補正手段により算出された補正出力値を第３データテーブルに入力することによってガス濃度を導き出すガス濃度算出機能とを備える。

本願明細書における「シリコーン被毒度」とは、シリコーン被毒の程度を意味するものである。本願明細書におけるシリコーン被毒度は、半導体式ガスセンサが、所定濃度の有機シリコーンガスに曝された曝露時間によって評価されるものとし、当該曝露時間が長ければ長いほど、シリコーン被毒度が高いと判断される。

本願明細書における「安定化時間」とは、半導体式ガスセンサに通電してから、その出力値が安定するまでの時間、即ち、出力値がフラットな状態になるまでに要する時間を意味する（図２参照）。

図３は、シリコーンガスに曝露していない半導体式ガスセンサについて、検知対象となるガス成分を含まない気体中において通電したときの、当該半導体式ガスセンサの出力値と通電時間との関係を示すグラフである。

図４〜図８のそれぞれは、半導体式ガスセンサを、有機シリコーンガスの一例としての１０ｐｐｍのＨＭＤＳ中に２時間、５時間、１０時間、１８時間、３０時間曝露した後、検知対象となるガス成分を含まない気体中において通電したときの、当該半導体式ガスセンサの出力値と通電時間との関係を示すグラフである。

尚、図３〜図８における半導体式ガスセンサの出力値はいずれも、当該半導体式ガスセンサに通電して安定したときの生出力値を０ｍＶとして換算したときの換算出力値である。

図３に示すように、曝露前の安定化時間Ｔが約１分であるのに対して、図４〜図８に示すように、曝露時間が２時間、５時間、１０時間、１８時間、３０時間と長くなるほど、安定化時間Ｔも、約２分、約３分、約５分、約６分、約９分と長くなる傾向がある。

このような事実を踏まえ、本発明者らは、シリコーン被毒度が、半導体式ガスセンサの出力値の安定化時間Ｔに反映されることを見出した。そして、シリコーン被毒度を安定化時間Ｔによって判定し、当該シリコーン被毒度に対応する補正係数Ｃを用いて出力値を補正すれば、シリコーン被毒の影響を受けずに、検知対象となるガス成分の濃度を正確に測定することができるとして、本発明に至った。

以下、本発明に係るガス濃度測定方法について、具体例を交えながら説明する。
本発明に係るガス濃度測定方法は、半導体式ガスセンサのシリコーン被毒度（被曝レベル）を判定する被毒度判定ステップと、判定されたシリコーン被毒度に対応する補正係数Ｃを算出する補正係数算出ステップと、補正係数Ｃを用いて、半導体式ガスセンサの出力値を補正する出力値補正ステップと、補正された出力値に基づいてガス濃度を算出するガス濃度算出ステップと、を包含する。

初めに、第１〜第３データテーブルを作成する。
第１データテーブルを作成するために、半導体式ガスセンサに対する有機シリコーンガスの種々の曝露時間と、当該曝露時間のそれぞれに対応する安定化時間Ｔに関するデータを採取する。

ここでは有機シリコーンガスの一例として１０ｐｐｍのＨＭＤＳを使用し、さらにＨＭＤＳ曝露前の半導体式ガスセンサ、及びＨＭＤＳ中に２時間、５時間、１０時間、１８時間、３０時間それぞれ曝露させた半導体式ガスセンサを用いる。

上記半導体式ガスセンサのそれぞれを、検知対象となるガス成分を含まない気体中において１２分間通電し、その出力値が安定となる安定化時間Ｔを測定する。

図３〜図８に示すように、ＨＭＤＳ曝露前の安定化時間Ｔが約１分であるのに対して、曝露時間が２時間、５時間、１０時間、１８時間、３０時間のそれぞれの安定化時間Ｔが、約２分、約３分、約５分、約６分、約９分と測定された。

そのような結果に基づき、安定化時間Ｔ、曝露時間Ｐ、及び被曝レベルの各データを備える第１データテーブルを例えば以下の表１のように作成する。

次に、上記半導体式ガスセンサのそれぞれを、検知対象となるガス成分を所定濃度で含む気体中に置いて、その出力値を測定する。ここでは、検知対象となるガス成分としてエタノールを使用した例を説明する。例えば１０ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、２００ｐｐｍのエタノールを含む気体のそれぞれを予め調製し、それらの気体について上記半導体式ガスセンサのそれぞれの出力値を測定する。出力値の測定結果を以下の表２及び図９に示す。尚、表２及び図９における出力値（ｍＶ）は、エタノールの濃度が０ｐｐｍのときの生出力値を０ｍＶとして換算したときの換算出力値である。

次いで、表２の結果から、以下の[式２]により、補正係数Ｃを算出する。補正係数Ｃの計算結果を表３に示す。
[式２]
補正係数Ｃ＝所定エタノール濃度のレベル１〜５のそれぞれにおける出力値／所定エタノール濃度のレベル０における出力値

次いで、表２及び表３より、被曝レベル１〜５毎に、出力値（ｍＶ）と補正係数Ｃとの関係を示す検量線に関する第２データテーブルを図１０の如く作成する。

また、所定濃度のエタノールを含む気体をいくつか調製し、エタノール濃度と、被曝されていない半導体式ガスセンサにおける出力値との関係を示す検量線を作成して第３データテーブルとする。

次いで、上記第１〜第３データテーブルを用いて、検知対象のガス成分であるエタノールの濃度を測定する。

まず、被毒度判定ステップにおいて、半導体式ガスセンサに通電した後の安定化時間Ｔを測定し、測定された安定化時間Ｔについて、第１データテーブルに基づいて被曝レベル０〜５を判定する。

次いで、補正係数算出ステップにおいて、判定された被曝レベルに基づいて第２データテーブルにおける検量線のいずれかを選択し、選択した検量線と、半導体式ガスセンサから出力された出力値とから補正係数Ｃを算出する。

次いで、出力値補正ステップにおいて、上記式１により、半導体式ガスセンサの出力値を補正して補正出力値を算出する。

そして、ガス濃度算出ステップにおいて、補正出力値と第３データテーブルとを用いてエタノール濃度を算出する。

尚、上記被毒度判定ステップにおいて被曝レベル０と判定された場合は、半導体式ガスセンサは被毒していないため、上記補正係数算出ステップと出力値補正ステップとを行わずに、ガス濃度算出ステップを行う。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態についての説明を行うが、上記第１実施形態と第２実施形態とは、被毒度判定手段及び被毒度判定手ステップのみが異なるものであるため、それ以外の用語の定義・構成については説明を省略する。

本実施形態における被毒度判定手段は、通電後の半導体式ガスセンサにおける出力値の安定化時間までの第１所定時間と第２所定時間のそれぞれに出力された第１出力値と第２出力値との差に基づいて勾配を算出する勾配算出機能と、種々の曝露時間と当該曝露時間に対応する勾配と被曝レベルとに関するデータを蓄積する第４データテーブルと、勾配算出機能により算出された勾配を第４データテーブルに入力して被曝レベルを判定する被曝度判定機能とを備える。

図１１は、シリコーンガスに曝露していない半導体式ガスセンサについて、検知対象となるガス成分を含まない気体中において通電したときの、当該半導体式ガスセンサの生出力値と通電時間との関係を示すグラフである。

図１２〜図１６は、半導体式ガスセンサを、有機シリコーンガスの一例としての１０ｐｐｍのＨＭＤＳ中に２時間、５時間、１０時間、１８時間、３０時間曝露した後、検知対象となるガス成分を含まない気体中において通電したときの、当該半導体式ガスセンサの生出力値と通電時間との関係を示すグラフである。

図１１〜図１６に示すように、曝露時間が０時間、２時間、５時間、１０時間、１８時間、３０時間と長くなるにつれて、出力値と時間との関係を示したグラフにおける安定化時間までの所定時間（０．５分）での勾配が大きくなる傾向がある（図中の白丸箇所を参照）。

尚、図１１〜図１６における半導体式ガスセンサの出力値はいずれも、当該半導体式ガスセンサに通電して安定したときの生出力値を０ｍＶとして換算したときの換算出力値である。

このような事実を踏まえ、本発明者らは、図２に示すように、半導体式ガスセンサの出力値の安定化時間Ｔまでの第１所定時間ｔ１と第２所定時間ｔ２のそれぞれに出力された第１出力値Ａ１と第２出力値Ａ２との差、即ち、出力値と時間との関係を示したグラフにおける安定化時間までの所定時間での勾配Ｓにシリコーン被毒度が反映されることについても見出した。そして、シリコーン被毒度を勾配Ｓによって判定し、当該シリコーン被毒度に対応する補正係数を用いて出力値を補正すれば、シリコーン被毒の影響を受けずに、検知対象となるガス成分の濃度を正確に測定することができるとして、本発明に至った。

本実施形態に係るガス濃度測定方法は、上述の第１実施形態における第１データテーブルの替わりに、以下に説明する第４データテーブルを使用し、それ以外の工程は上記第１実施形態と同様である。

第４データテーブルを作成するために、半導体式ガスセンサに対する有機シリコーンガスの種々の曝露時間と、当該曝露時間のそれぞれに対応する勾配に関するデータを採取する。

ここでは有機シリコーンガスの一例として１０ｐｐｍのＨＭＤＳを使用し、さらにＨＭＤＳ曝露前の半導体式ガスセンサ、及びＨＭＤＳ中に２時間、５時間、１０時間、１８時間、３０時間それぞれ曝露させた半導体式ガスセンサを用いる。

上記半導体式ガスセンサのそれぞれを、検知対象となるガス成分を含まない気体中において通電し、その出力値が安定となる安定化時間Ｔまでの第１所定時間ｔ１における第１出力値Ａ１と、第２所定時間ｔ２における第２出力値Ａ２とを得る。例えば、第１所定時間ｔ１を３０秒とし、第２所定時間ｔ２を２５秒と設定する。

そして、以下の式３により勾配Ｓを算出する。
[式３]
勾配Ｓ＝｜（Ａ１−Ａ２）／（ｔ１−ｔ２）｜

次いで、勾配Ｓ、曝露時間Ｐ、及び被曝レベルの各データを備える第４データテーブルを例えば以下の表４のように作成する。

〔その他の実施形態〕
１．上述の曝露時間、被曝レベル、第１所定時間ｔ１及び第２所定時間ｔ２に関しては、上述の実施形態に限定されるものではなく、適宜任意に設定して良い。
２．本発明については、ガス検知器やガス警報器等のような半導体式ガスセンサを備える機器において広く適用することができる。特にガス検知器については、携帯用及び定置式のいずれかを問わずに適用することができるが、携帯用ガス検知器がより好適である。
３．上述の被毒度判定手段及び被毒度判定ステップによる被曝レベルの判定については例えば、バンプテスト（機能検査）を行う際などの非使用時に実施するようにしても良いし、あるいは、検知対象となるガス成分の濃度を実際に現場で測定する直前に実施するようにしても良い。このように被曝レベルの判定を予め終えておくことによって、より迅速かつスムーズに現場でガス成分濃度を測定することが可能となり、いち早く作業者に警報を出すように構成することもできる。

本発明は、ガス検知器やガス警報器等に適用することができる。

Ｔ 安定化時間
ｔ１ 第１所定時間
ｔ２ 第２所定時間
Ａ１ 第１出力値
Ａ２ 第２出力値
Ｓ 勾配

Claims (6)

1. 半導体式ガスセンサを備えるガス濃度測定装置において、
   前記半導体式ガスセンサのシリコーン被毒度を判定する被毒度判定手段と、
   判定されたシリコーン被毒度に対応する補正係数を算出する補正係数算出手段と、
   前記補正係数を用いて、前記半導体式ガスセンサの出力値を補正する出力値補正手段と、
   補正された出力値に基づいてガス濃度を算出するガス濃度算出手段と、を備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
2. 前記被毒度判定手段が、前記半導体式ガスセンサの出力値の安定化時間によってシリコーン被毒度を判定することを特徴とする請求項１に記載のガス濃度測定装置。
3. 前記被毒度判定手段が、前記半導体式ガスセンサの出力値の安定化時間までの第１所定時間と第２所定時間のそれぞれに出力された第１出力値と第２出力値との差によってシリコーン被毒度を判定することを特徴とする請求項１に記載のガス濃度測定装置。
4. 半導体式ガスセンサのシリコーン被毒度を判定する被毒度判定ステップと、
   判定されたシリコーン被毒度に対応する補正係数を算出する補正係数算出ステップと、
   前記補正係数を用いて、前記半導体式ガスセンサの出力値を補正する出力値補正ステップと、
   補正された出力値に基づいてガス濃度を算出するガス濃度算出ステップと、を包含することを特徴とするガス濃度測定方法。
5. 前記被毒度判定ステップが、前記半導体式ガスセンサの出力値の安定化時間によってシリコーン被毒度を判定することを特徴とする請求項４に記載のガス濃度測定方法。
6. 前記被毒度判定ステップが、半導体式ガスセンサの出力値の安定化時間までの第１所定時間と第２所定時間のそれぞれに前記半導体式ガスセンサから出力された第１出力値と第２出力値との差によってシリコーン被毒度を判定することを特徴とする請求項４に記載のガス濃度測定方法。

Images