JP2023002106A - ガス警報器及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より一層適切に警報することが可能なガス警報器及びその制御方法を提供する。【解決手段】ガス警報器は、半導体式ガスセンサと、半導体式ガスセンサの空気雰囲気における初期のセンサ値に対する現在のセンサ値の変動比率であるエアベース比率を算出するエアベース比率算出部２２と、半導体式ガスセンサの使用時間に応じた比率であって、エアベース比率と所定濃度の還元性ガスに曝されたときの半導体式ガスセンサのセンサ値との相関を示す時間比率を算出する時間比率算出部２３と、エアベース比率算出部２２により算出されたエアベース比率、及び、時間比率算出部２３により算出された時間比率に基づく補正係数を算出する補正係数算出部２４と、補正係数算出部２４により算出された補正係数を加味して警報を行うか否かを判断する警報判断部２５とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ガス警報器及びその制御方法に関する。

従来、酸化スズの粉体を焼成して焼結し触媒を添加したものをガス感応体とし、ガス感応体が検知対象ガスに曝されたときの抵抗値の変化に応じた信号を出力する半導体式ガスセンサを備えたガス警報器が提案されている（例えば特許文献１，２参照）。

このガス警報器では、シロキサン等の被毒物質によりガス感応体の表面が不活性化され、空気雰囲気におけるセンサ値（エアベース値）が低下してしまう。これにより、検知対象ガス（都市ガスにおいてはメタン、ＬＰガスにおいてはプロパンやブタン）の警報濃度は、鋭敏化傾向に推移してしまう。このため、初期（例えば新品のガス警報器）のエアベース値に対する変動比率を示すエアベース比率を算出し、算出したエアベース比率に基づいて、半導体式ガスセンサのセンサ値を補正するガス警報器も提案されている（例えば特許文献３参照）。

特許第４９２１２５６号公報 特許第５１４８５５１号公報 特開２００２－２２８６１３号公報

ここで、特許文献３に記載のようなガス警報器は、補正を行って警報を適切に出力することが望まれる。

本発明は、このような問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、より一層適切に警報することが可能なガス警報器及びその制御方法を提供することにある。

本発明に係るガス警報器は、金属酸化物半導体が還元性ガスに曝されたときの抵抗値の変化に応じた信号を出力する半導体式ガスセンサと、前記半導体式ガスセンサの空気雰囲気における初期のセンサ値に対する現在のセンサ値の変動比率であるエアベース比率を算出するエアベース比率算出手段と、前記半導体式ガスセンサの使用時間に応じた比率であって、前記エアベース比率と所定濃度の前記還元性ガスに曝されたときの前記半導体式ガスセンサのセンサ値との相関を示す時間比率を算出する時間比率算出手段と、前記エアベース比率算出手段により算出されたエアベース比率、及び、前記時間比率算出手段により算出された時間比率に基づく補正係数を算出する補正係数算出手段と、前記補正係数算出手段により算出された補正係数を加味して警報を行うか否かを判断する警報判断手段と、を備える。

また、本発明に係るガス警報器の制御方法は、金属酸化物半導体が還元性ガスに曝されたときの抵抗値の変化に応じた信号を出力する半導体式ガスセンサを備えたガス警報器の制御方法であって、前記半導体式ガスセンサの空気雰囲気における初期のセンサ値に対する現在のセンサ値の変動比率であるエアベース比率を算出するエアベース比率算出工程と、前記半導体式ガスセンサの使用時間に応じた比率であって、前記エアベース比率と所定濃度の前記還元性ガスに曝されたときの前記半導体式ガスセンサのセンサ値との相関を示す時間比率を算出する時間比率算出工程と、前記エアベース比率算出工程において算出されたエアベース比率、及び、前記時間比率算出工程において算出された時間比率に基づく補正係数を算出する補正係数算出工程と、前記補正係数算出工程において算出された補正係数を加味して警報を行うか否かを判断する警報判断工程と、を備える。

本発明によれば、エアベース比率及び時間比率に基づく補正係数を加味して警報を行うか否かを判断するため、被毒によるエアベースの変化による鋭敏化のみならず、半導体式ガスセンサの長期使用時における温湿度環境による鈍化又は鋭敏化についても適切に対応することができ、より一層適切に警報することができる。

本発明の実施形態に係るガス警報器の構成を示すブロック図である。 図１に示した制御部の機能ブロック図である。 エアベース比率と３０００ｐｐｍ抵抗値比率との相関を示すグラフである。 半導体式ガスセンサの使用時間（経過年数）に対する傾き（時間比率）との相関を示すグラフである。 補正を行わない場合における警報濃度の変化を示すグラフである。 補正係数による補正を行った場合における警報濃度の変化を示すグラフである。 本実施形態に係るガス警報器の制御方法を示すフローチャートである。

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す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において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。

図１は、本発明の実施形態に係るガス警報器の構成を示すブロック図である。図１に示すように、ガス警報器１は、検知対象ガスの濃度が所定濃度以上であると判断した場合に警報出力するものであって、半導体式ガスセンサ１０と、制御部２０と、警報音発生部３０と、表示部４０とを備えて構成されている。

半導体式ガスセンサ１０は、金属酸化物半導体をガス感応体として有し、ガス感応体が還元性ガスに曝されたときの抵抗値の変化に応じた信号を出力するものである。具体的に半導体式ガスセンサ１０は、酸化スズの粉体を焼成して焼結し触媒を添加したものをガス感応体とし、例えば還元性ガスであるメタンガスに曝されたときの抵抗値の低下に応じた信号を出力する。この半導体式ガスセンサ１０は、ヒータによって所定温度に保たれたり、２以上の温度間で温度変化させられたり、オンオフされたりして、駆動されている。

なお、以下において半導体式ガスセンサ１０のセンサ値は、半導体式ガスセンサ１０から出力された信号を抵抗値換算した値（すなわちセンサ抵抗値）であるものとして説明する。

制御部２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）により構成され、後述の記憶部２１に記憶されるプログラムを実行して、半導体式ガスセンサ１０のセンサ値に基づいて警報状態であるかを判断するものである。警報音発生部３０は、例えばスピーカと音声出力回路とによって構成され、制御部２０により警報状態であると判断された場合に、警報音を出力するものである。表示部４０は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）と点灯回路とによって構成され、制御部２０により警報状態であると判断された場合に、点灯出力又は点滅出力するものである。

図２は、図１に示した制御部２０の機能ブロック図である。図２に示すように、制御部２０は、記憶部２１を備えると共に、記憶部２１に記憶されるプログラムを実行することで、エアベース比率算出部（エアベース比率算出手段）２２と、時間比率算出部（時間比率算出手段）２３と、補正係数算出部（補正係数算出手段）２４と、警報判断部（警報制御手段）２５とが機能する。

エアベース比率算出部２２は、半導体式ガスセンサ１０の空気雰囲気（清浄状態の空気雰囲気）における初期のセンサ抵抗値に対する現在のセンサ抵抗値の変動比率であるエアベース比率を算出するものである。このエアベース比率算出部２２は、現在のセンサ抵抗値を初期のセンサ抵抗値で除することで、エアベース比率を算出する。ここで、半導体式ガスセンサ１０においてエアベース値（清浄状態の空気雰囲気におけるセンサ値）は、被毒や温湿度の影響によって初期値から変化する傾向にある。よって、エアベース比率算出部２２は、現在のセンサ抵抗値を初期のセンサ抵抗値で除することで、変化傾向を表すエアベース比率を算出することとなる。

ここで、エアベース比率を算出するための現在のセンサ抵抗値については、空気雰囲気のセンサ抵抗値である必要がある。このため、エアベース比率算出部２２は、警報音発生部３０及び表示部４０から警報出力されているときのセンサ値を、現在のセンサ抵抗値として採用しないこととなる。また、エアベース比率算出部２２は、例えば過去の複数回分のセンサ値のうち、警報時のセンサ抵抗値、及び、最大値や最小値のセンサ抵抗値を除いて平均値や中央値等を算出し、算出した値を現在のセンサ抵抗値として採用するようにしてもよい。さらに、エアベース比率算出部２２は、上記の平均値や中央値等をさらに複数回分平均化したり、複数回分のうち上から２番目に高濃度側のセンサ抵抗値を採用したりして、現在のセンサ抵抗値を算出するようにしてもよい。加えて、エアベース比率算出部２２は、直近の所定期間（例えば１週間）でのセンサ抵抗値の最大値を現在のセンサ抵抗値として採用するようにしてもよい。また、初期のセンサ抵抗値は、予め記憶部２１に記憶された値であってもよいし、ガス警報器１の設置直後のセンサ抵抗値であってもよい。

時間比率算出部２３は、半導体式ガスセンサ１０の使用時間に応じた比率であって、エアベース比率と、所定濃度の還元性ガス（例えば３０００ｐｐｍのメタンガス）に曝されたときの半導体式ガスセンサ１０のセンサ抵抗値との相関を示す時間比率を算出するものである。半導体式ガスセンサ１０の使用時間は、半導体式ガスセンサ１０への通電時間を積算することで求めることができる。

図３は、エアベース比率と３０００ｐｐｍ抵抗値比率との相関を示すグラフである。３０００ｐｐｍ抵抗値比率は、実際に半導体式ガスセンサ１０を３０００ｐｐｍ（メタンガス）の環境（警報すべき環境）に晒したときのセンサ抵抗値の比率を示したものである。抵抗値比率は、計測時点のセンサ抵抗値（鋭敏化や鈍化の影響を受けた半導体式ガスセンサ１０のセンサ抵抗値）を初期のセンサ抵抗値（使用されていない新規の半導体式ガスセンサ１０のセンサ抵抗値）で除して得られる値である。例えば抵抗値比率が「０．８」ということは、初期のガス警報器１において３０００ｐｐｍを示したときのセンサ抵抗値が「Ｘ（任意の数）」であるのに対して、計測時点におけるガス警報器１において３０００ｐｐｍを示したときのセンサ抵抗値が「０．８Ｘ」ということである。

まず、エアベース値については被毒や温湿度環境によって変化する。そして、エアベース値は検知対象ガスの検出にあたって基準となるものであることから、例えばエアベース比率が低くなるほど抵抗値比率も低くなる傾向にある。よって、特許文献３に示すようなガス警報器ではエアベース比率に基づく補正を行っていた。

しかし、図３に示すように、エアベース比率の増減に対してセンサ抵抗値の増減割合（傾きであって時間比率に相当する）は、半導体式ガスセンサ１０の使用時間によって変化する。このため、より正確性の高い警報を行うためには、半導体式ガスセンサ１０の使用時間に基づく補正についても行う必要がある。

図４は、半導体式ガスセンサ１０の使用時間（経過年数）に対する傾き（時間比率）との相関を示すグラフである。なお、図４において四角のプロット点は、特定のガス警報器について８年までの経過年数に対する傾きをプロットしたものであり、三角のプロット点は、特定のガス警報器について５年までの経過年数に対する傾きをプロットしたものである。

傾きをｙとし、経過年数をｘ（年）とした場合、四角のプロット点（８年のプロット点）について、２次近似式を算出すると、ｙ＝０．０１０１ｘ^２－０．１３７１ｘ＋１．０４７２となる。なお、このときの決定係数Ｒ^２は、０．９９８１である。また、三角のプロット点（５年のプロット点）について、線形近似式を算出すると、ｙ＝－０．０７６６ｘ＋０．９８６となる。なお、このときの決定係数Ｒ^２は、０．９６５３である。

図２に示した時間比率算出部２３は、上記のような近似式（時間比率計算式）に対して、使用時間を当て嵌めることで時間比率を算出することとなる。

補正係数算出部２４は、エアベース比率算出部２２により算出されたエアベース比率、及び時間比率算出部２３により算出された時間比率に基づく補正係数を算出することとなる。具体的に補正係数算出部２４は、（補正係数）＝（エアベース比率）×（時間比率）なる演算式から、補正係数を算出することとなる。

警報判断部２５は、補正係数算出部２４により算出された補正係数を加味して警報を行うか否かを判断するものである。ここで、本実施形態において警報濃度は３０００ｐｐｍであることを想定している。また、補正係数はエアベース比率と時間比率（傾き）とが反映された値であり、図３に示すように３０００ｐｐｍ（警報濃度）の抵抗値比率との相関があることが明らかである。よって、警報判断部２５は、エアベース比率のみならず、時間比率に基づく補正係数を加味することで、警報すべきか否かをより精度良く判断できることとなる。

ここで、警報判断部２５は、補正係数に基づいて半導体式ガスセンサ１０のセンサ抵抗値を補正するのではなく、警報点を補正することが好ましい。センサ抵抗値を補正する場合には、センサ抵抗値が得られる毎に補正処理を行う必要があるが、警報点を補正することで、センサ抵抗値が得られる毎に補正処理を行う必要がなくなり、処理負荷を抑えることに貢献できるからである。

図５は、補正を行わない場合における警報濃度の変化を示すグラフであり、図６は、補正係数による補正を行った場合における警報濃度の変化を示すグラフである。図５に示すように、補正を行わない場合、３０００ｐｐｍで警報を行うように警報点が設定されていたとしても、実際に警報される濃度は、経過年数が少ない場合で５３００ｐｐｍまで上昇して大きく鈍化してしまうものがある。また、実際に警報される濃度は、経過年数が多くなるに従って、１１００ｐｐｍ～１６００ｐｐｍまで低下して大きく鋭敏化してしまうものもある。

一方、本実施形態のように補正係数によって警報点の補正を行った場合、警報が行われる濃度は、２５００ｐｐｍから４２００ｐｐｍの範囲に収まることとなり、図５に示す例と比較しても適切な警報が行われることとなる。

なお、図示を省略するが、特許文献３に記載のガス警報器のように、エアベース比率のみで補正を行う場合には鋭敏化が解消される傾向にある。しかし、図５に示す経過年数が少ない場合のように鈍化については改善されることがない。よって、本実施形態に係るガス警報器１は、特許文献３に記載のガス警報器と比較しても、より適切な警報が行われることとなる。

図７は、本実施形態に係るガス警報器１の制御方法を示すフローチャートである。なお、図７に示す処理はガス警報器１の電源がオフされるまで、繰り返し実行される。

まず、制御部２０は、警報点の更新タイミングであるかを判断する（Ｓ１）。更新タイミングでないと判断した場合（Ｓ１：ＮＯ）、処理はステップＳ９に移行する。

一方、更新タイミングであると判断した場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、エアベース比率算出部２２は、記憶部２１に記憶される初期のエアベース値を読み込む（Ｓ２）。次いで、エアベース比率算出部２２は、現在のエアベース値を取得する（Ｓ３）。この処理においてエアベース比率算出部２２は、警報レベルに達したセンサ抵抗値について排除したり、直近の所定期間でのセンサ抵抗値の最大値を採用したりして、現在のエアベース値を取得する。

その後、エアベース比率算出部２２は、ステップＳ３で得られた現在のエアベース値を、ステップＳ２で得られた初期のエアベース値で除することで、エアベース比率を算出する（Ｓ４）。

次に、時間比率算出部２３は、記憶部２１に記憶される通電時間の情報を読み込む（Ｓ５）。なお、通電時間の情報は制御部２０によって常時積算されており記憶部２１に記憶されている。その後、時間比率算出部２３は、ステップＳ５において読み込まれた通電時間の情報を時間比率計算式に当て嵌め、時間比率を算出する（Ｓ６）。

その後、補正係数算出部２４は、ステップＳ４において算出されたエアベース比率と、ステップＳ６において算出された時間比率とに基づいて補正係数を算出する（Ｓ７）。その後、制御部２０は、補正係数に基づいて警報点を補正する（Ｓ８）。補正された警報点の情報は記憶部２１に記憶される。そして、処理はステップＳ９に移行する。

ステップＳ９において警報判断部２５は、半導体式ガスセンサ１０のセンサ抵抗値が、補正された警報点が示す抵抗値よりも高濃度側であるかを判断する（Ｓ９）。半導体式ガスセンサ１０のセンサ抵抗値が、補正された警報点が示す抵抗値よりも高濃度側でない場合（Ｓ９：ＮＯ）、警報判断部２５は警報を行わないと判断し、図７に示す処理は終了する。

一方、半導体式ガスセンサ１０のセンサ抵抗値が、補正された警報点が示す抵抗値よりも高濃度側である場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、警報判断部２５は警報を行うと判断する。これにより、制御部２０は、警報音発生部３０から警報音を出力させ、表示部４０において警報の旨を表示させる（Ｓ１０）。その後、図７に示す処理は終了する。

次に、図７に示したフローチャートを参照しつつ、警報点の補正について計算例を説明する。まず、記憶部２１に記憶される初期のエアベース値が６．１２９（ｋΩ）であったとする。また、現在のエアベース値（例えば１週間の抵抗値の最大値）が４．８４８（ｋΩ）であったとする。この場合、エアベース比率算出部２２は、ステップＳ４の処理において、エアベース比率を４．８４８（ｋΩ）／６．１２９（ｋΩ）＝０．７９１と算出する。

また、通電時間が３５４７２時間（４．０４９年）であったとする。この場合、時間比率算出部２３は、ステップＳ６の処理において時間比率計算式に４．０４９年を線形近似式に当て嵌めて、－０．０７６２×（４．０４９）＋０．９７１＝０．６６と算出する。または、時間比率算出部２３は、ステップＳ６の処理において時間比率計算式に４．０４９年を２次近似式に当て嵌めて、０．０１０１×（４．０４９）^２－０．１３７１×（４．０４９）＋１．０４７２＝０．６６と算出する。

さらに、補正係数算出部２４は、ステップ７の処理において補正係数を、時間比率（０．６６）×エアベース比率（０．７９１）＝０．５２２と算出する。

また、制御部２０は、ステップＳ８の処理において例えば初期の警報点（３０００ｐｐでのセンサ抵抗値）が０．３４３ｋΩであるとすると、これに補正係数を乗算して、０．３４３（ｋΩ）×０．５２２＝０．１７９（ｋΩ）と警報点を補正する。ここで、半導体式ガスセンサ１０の鋭敏化によって、０．３４３ｋΩが１３００ｐｐｍに相当していたとしても、警報点が０．１７９ｋΩに補正されることで、実際に警報が発生される濃度は３６５０ｐｐｍとされる。これにより、誤警報となる可能性が抑制されることとなる。

このようにして、本実施形態に係るガス警報器１及びその制御方法によれば、エアベース比率及び時間比率に基づく補正係数を加味して警報を行うか否かを判断するため、被毒によるエアベースの変化による鋭敏化のみならず、半導体式ガスセンサの長期使用時における温湿度環境による鈍化又は鋭敏化についても適切に対応することができ、より一層適切に警報することができる。

また、補正係数に基づいて補正された警報点と、半導体式ガスセンサ１０のセンサ抵抗値とに基づいて、警報を行うか否かを判断するため、半導体式ガスセンサ１０の出力が得られる毎に都度補正を行う必要がなく、処理負荷の軽減に貢献することができる。

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し、可能な範囲で適宜他の技術を組み合わせてもよい。

例えば、本実施形態に係るガス警報器１は、検知対象となる還元性ガスがメタンガスである都市ガス向けの警報器として説明したが、これに限らず、検知対象となるガスがプロパンガスやブタンガスなどであるＬＰガス向けの警報器であってもよい。また、ガス警報器１は、火災警報機能をさらに有するガス火災警報器として構成されてもよい。

加えて、上記では、半導体式ガスセンサ１０から電圧信号を抵抗値換算した値をセンサ値としたが、これに限らず、電圧信号をセンサ値としてもよい。さらに、上記において、補正係数は、エアベース比率と時間比率との乗算によって算出されているが、これに限らず、さらなる精度向上のために何らかの係数が乗算されて算出される等してもよい。

１ ：ガス警報器
１０ ：半導体式ガスセンサ
２０ ：制御部
２１ ：記憶部
２２ ：エアベース比率算出部（エアベース比率算出手段）
２３ ：時間比率算出部（時間比率算出手段）
２４ ：補正係数算出部（補正係数算出手段）
２５ ：警報判断部（警報判断手段）

Claims (3)

1. 金属酸化物半導体が還元性ガスに曝されたときの抵抗値の変化に応じた信号を出力する半導体式ガスセンサと、
   前記半導体式ガスセンサの空気雰囲気における初期のセンサ値に対する現在のセンサ値の変動比率であるエアベース比率を算出するエアベース比率算出手段と、
   前記半導体式ガスセンサの使用時間に応じた比率であって、前記エアベース比率と所定濃度の前記還元性ガスに曝されたときの前記半導体式ガスセンサのセンサ値との相関を示す時間比率を算出する時間比率算出手段と、
   前記エアベース比率算出手段により算出されたエアベース比率、及び、前記時間比率算出手段により算出された時間比率に基づく補正係数を算出する補正係数算出手段と、
   前記補正係数算出手段により算出された補正係数を加味して警報を行うか否かを判断する警報判断手段と、
   を備えることを特徴とするガス警報器。
2. 前記警報判断手段は、前記補正係数算出手段により算出された補正係数に基づいて補正された警報点と、前記半導体式ガスセンサのセンサ値とに基づいて、警報を行うか否かを判断する
   ことを特徴とする請求項１に記載のガス警報器。
3. 金属酸化物半導体が還元性ガスに曝されたときの抵抗値の変化に応じた信号を出力する半導体式ガスセンサを備えたガス警報器の制御方法であって、
   前記半導体式ガスセンサの空気雰囲気における初期のセンサ値（初期のセンサ抵抗値）に対する現在のセンサ値の変動比率であるエアベース比率を算出するエアベース比率算出工程と、
   前記半導体式ガスセンサの使用時間に応じた比率であって、前記エアベース比率と所定濃度の前記還元性ガスに曝されたときの前記半導体式ガスセンサのセンサ値との相関を示す時間比率を算出する時間比率算出工程と、
   前記エアベース比率算出工程において算出されたエアベース比率、及び、前記時間比率算出工程において算出された時間比率に基づく補正係数を算出する補正係数算出工程と、
   前記補正係数算出工程において算出された補正係数を加味して警報を行うか否かを判断する警報判断工程と、
   を備えることを特徴とするガス警報器の制御方法。

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