JP2023132213A - Gas sensor and method for detecting gas - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、可燃性ガスの濃度を算定するガスセンサおよびガス検知方法に関する。 The present disclosure relates to a gas sensor and a gas detection method for calculating the concentration of combustible gas.
特許文献1は、複数種の可燃性ガスの検出が可能なガスセンサを開示している。具体的に、特許文献1のガスセンサは、ガスの流路に沿って直列に配置した3つのガス検知部を有しており、この3つのガス検知部が、それぞれ、特定の可燃性ガスを接触燃焼させる触媒を含んでいる。当該ガスセンサの動作時には、各ガス検知部をそれぞれ異なる動作温度に設定しており、混合ガス中に含まれる3種の可燃性ガスを、各ガス検知部で、順次、接触燃焼させる。特許文献1では、上記の機構により、H2,CO,およびCH4の検出が可能である旨を開示している。
ただし、特許文献1のガスセンサでは、検出対象とする複数の可燃性ガスごとに、それぞれ、動作温度および触媒を調整したガス検知部が必要(すなわち複数のガス検知部が必要)なため、装置が大掛かりとなり、小型化が困難である。また、可燃性ガスの燃焼温度は、試料ガスの成分比、ガス流量、および圧力などによっても変化する。そのため、特許文献1のガスセンサでは、同じ温度帯で燃焼する2種以上の可燃性ガスを識別することが困難であり、特定の可燃性ガスの濃度の検出において誤差が生じる虞がある。そのため、より簡便な方法で可燃性ガスの種類を識別できるガスセンサおよびガス検知方法の開発が求められている。
However, the gas sensor of
本開示は、上記の実情を鑑みてなされ、その目的は、可燃性ガスの種類を識別することができるガスセンサおよびガス検知方法を提供することである。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a gas sensor and a gas detection method that can identify the type of combustible gas.
上記の目的を達成するために、本開示に係るガスセンサは、
試料ガスの流入口と排気口とを有する密閉容器と、
前記密閉容器に設置してあるヒータと、
前記密閉容器の内部に配置してあり、参照素子とガス濃度に対して感応性を有する検知素子とを含む検知部と、
前記密閉容器の外部に設置された外部回路と、を有し、
前記外部回路が、前記試料ガスに対する前記検知部の応答波形の形状を特定する演算処理部を有する。
In order to achieve the above object, the gas sensor according to the present disclosure includes:
a closed container having an inlet and an outlet for sample gas;
a heater installed in the sealed container;
a detection unit disposed inside the airtight container and including a reference element and a detection element sensitive to gas concentration;
an external circuit installed outside the airtight container;
The external circuit includes an arithmetic processing section that specifies the shape of a response waveform of the detection section to the sample gas.
上記の特徴を有するガスセンサは、高いガス選択性を有する。つまり、本開示に係るガスセンサでは、試料ガス中に含まれる可燃性ガスの種類を識別することができ、識別した可燃性ガスの濃度を特定することができる。特に、複数の検知部を設置せずとも、1組の検知部(参照素子と検知素子の組合せ)でガス種の識別が可能である。 A gas sensor having the above characteristics has high gas selectivity. That is, the gas sensor according to the present disclosure can identify the type of combustible gas contained in the sample gas, and can specify the concentration of the identified combustible gas. In particular, gas types can be identified using one set of detection units (a combination of a reference element and a detection element) without installing a plurality of detection units.
好ましくは、前記演算処理部が、前記応答波形のオーバーシュートまたはアンダーシュートを判別する。 Preferably, the arithmetic processing unit determines overshoot or undershoot of the response waveform.
好ましくは、前記演算処理部が、アンダーシュートを有するCOの応答波形を特定する。 Preferably, the arithmetic processing unit identifies a CO response waveform having an undershoot.
好ましくは、前記ヒータが、前記密閉容器に導入する前記試料ガスを、100℃以上に加熱する。 Preferably, the heater heats the sample gas introduced into the closed container to 100° C. or higher.
好ましくは、前記試料ガスの流入方向と垂直な面における前記密閉容器の内壁断面が、円形である。 Preferably, an inner wall cross section of the closed container in a plane perpendicular to the inflow direction of the sample gas is circular.
好ましくは、前記検知素子が、触媒部とサーミスタ膜とを有する。もしくは、前記検知素子が、触媒部と白金抵抗体とを有することが好ましい。また、前記検知素子の触媒部は、前記触媒部の総量に対して1wt%以上の貴金属を担持した多孔質体であることが好ましい。 Preferably, the sensing element includes a catalyst portion and a thermistor film. Alternatively, it is preferable that the sensing element has a catalyst portion and a platinum resistor. Further, it is preferable that the catalyst portion of the sensing element is a porous body supporting 1 wt % or more of a noble metal based on the total amount of the catalyst portion.
本開示に係るガス検知方法は、
密閉容器内に導入した試料ガスを、前記密閉容器に設置してあるヒータにより、所定温度に加熱し、
前記密閉容器内に設置してある検知素子と参照素子との出力差から前記試料ガスに対する応答波形を特定し、
前記応答波形の形状から、前記試料ガスに含まれるガスの種類を識別し、
前記応答波形における出力信号の大きさから、前記試料ガスに含まれる前記ガスの濃度を算定する。
The gas detection method according to the present disclosure includes:
The sample gas introduced into the sealed container is heated to a predetermined temperature by a heater installed in the sealed container,
identifying a response waveform to the sample gas from the output difference between a detection element and a reference element installed in the sealed container;
identifying the type of gas contained in the sample gas from the shape of the response waveform;
The concentration of the gas contained in the sample gas is calculated from the magnitude of the output signal in the response waveform.
上記の特徴を有するガス検知方法では、試料ガス中に含まれる可燃性ガスの種類を、高い精度で識別することができ、識別した可燃性ガスの濃度を特定することができる。特に、複数の検知部を有する大掛かりな装置を使用せずとも、1組の検知部(参照素子と検知素子の組合せ)を有する軽便な装置を用いて、ガス種の識別が可能である。 With the gas detection method having the above characteristics, the type of combustible gas contained in the sample gas can be identified with high accuracy, and the concentration of the identified combustible gas can be specified. In particular, gas types can be identified using a simple device having one set of detectors (a combination of a reference element and a detector element) without using a large-scale device having multiple detectors.
好ましくは、上記ガス検知方法では、前記応答波形における立ち上がり部分が、オーバーシュートもしくはアンダーシュートであるかを判別し、その判別結果に基づいて前記試料ガスに含まれる前記ガスの種類を識別する。 Preferably, in the gas detection method, it is determined whether a rising portion in the response waveform is an overshoot or an undershoot, and the type of gas contained in the sample gas is identified based on the determination result.
好ましくは、上記ガス検知方法では、前記応答波形がアンダーシュートを有するか否かを判別し、その判別結果から試料ガスにCOガスが含まれるか否かを判別する。 Preferably, in the gas detection method, it is determined whether or not the response waveform has an undershoot, and based on the determination result, it is determined whether or not the sample gas contains CO gas.
好ましくは、前記所定温度が、100℃以上である。 Preferably, the predetermined temperature is 100°C or higher.
好ましくは、前記密閉容器内に導入した前記試料ガスを、100℃以上400℃以下の範囲で複数の温度に加熱し、
複数の温度ごとに、それぞれ、前記試料ガスに対する前記応答波形を特定し、
それぞれの温度における前記応答波形の形状から、前記試料ガスに含まれるガスの種類を識別する。
Preferably, the sample gas introduced into the sealed container is heated to a plurality of temperatures in a range of 100° C. or more and 400° C. or less,
identifying the response waveform to the sample gas for each of a plurality of temperatures;
The type of gas contained in the sample gas is identified from the shape of the response waveform at each temperature.
以下、本開示を、図面に示す実施形態に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, the present disclosure will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.
本実施形態に係るガスセンサ2は、図1に示すように、密閉容器10と、当該密閉容器10の内部空間に配置してある検知部20と、外部回路50と、を有する。
As shown in FIG. 1, the
密閉容器10は、試料ガスを外界から隔離して密閉するための容器であり、試料ガスの流入口12および排気口14と、ヒータ4とを有する。ガスセンサ2の作動時には、流入口12から試料ガスを導入し、密閉容器10の内部に充填させた試料ガスをヒータ4により所定温度に加熱する。すなわち、密閉容器10は、測定対象の可燃性ガスを燃焼させる炉体である。
The closed
より具体的に、密閉容器10は、図2Aおよび図2Bに示すような構造を有するチャンバー10aで構成することができる。チャンバー10aは、中空円筒状の形状を有しており、X軸方向で対向する一対の端壁11と、X軸方向に沿って一対の端壁11を連結する側壁13と、を有する。密閉容器10の内部には、端壁11の内壁面と、側壁13の内壁面13aとに覆われた内部空間15が存在し、この内部空間15に試料ガスが充填される。内部空間15の容量は、特に限定されず、たとえば、1cm3~10cm3とすることが好ましい。
More specifically, the
また、試料ガスの流入口12は、一方の端壁11の中心に配置してある。一方、排気口14は、流入口12を有する端壁11と対向する他方の端壁11の中心に配置してある。すなわち、チャンバー10aでは、X軸方向の一端から試料ガスが導入され、X軸方向に沿って試料ガスの流路が形成される。なお、図2Aおよび図2Bにおいて、X軸、Y軸、およびZ軸は、相互に略垂直である。流入口12および排気口には、電磁弁が設置してあってもよい。
Further, the
チャンバー10aの形状は、図2Aおよび図2Bに示す中空円筒状に限定されず、チャンバー10aは、中空角柱状の形状を有していてもよい。ただし、図2Bに示す試料ガスの流入方向(X軸方向)と垂直な断面において、内部空間15の断面形状が円形であることが好ましい。つまり、試料ガスの流入方向(X軸方向)と垂直な断面において、側壁13の外壁面13bの断面(外壁断面)は、特に限定されず、四角形や多角形であってもよいが、側壁13の内壁面13aの断面(内壁断面)は、円形であることが好ましい。このように密閉容器10の内壁断面を円形とすることで、試料ガスを密閉容器10の内部でより均一に拡散させることができ、密閉容器10内の均熱性を向上させることができる。
The shape of the
チャンバー10aは、高い耐熱性を有する材料で構成してあることが好ましい。耐熱性の高い材料としては、たとえば、アルミナ、ジルコニア、シリカ、マグネシア、窒化ホウ素、耐火レンガなどのセラミック材料が挙げられる。チャンバー10aを構成するセラミック材料は、アルミナ繊維、シリグラス、セラミックファイバー、セラミックウールなどの状態で存在し得る。チャンバー10aは、単一の材料で構成してあってもよく、複数の材質で構成してあってもよい。たとえば、チャンバー10aの端壁11および側壁13が、それぞれ、壁の厚み方向に沿って複数の材料を積み重ねた多重構造を有していてもよい。
It is preferable that the
図2Aおよび図2Bに示すチャンバー10aでは、ヒータ4が、側壁13の内壁面13aに配置してあり、内壁面13aに沿ってミアンダ状のヒータ配線パターンが形成してある。チャンバー10aにおけるヒータ4の配置および配線パターンは、特に限定されず、チャンバー10aの内部空間15を十分に加熱できるように設定すればよい。たとえば、ヒータ4は、側壁13の外壁面13bに配置してあってもよく、側壁13の内部に埋設してあってもよい。ヒータ4の配線パターンは、複数のI字型のパターンであってもよい。また、ヒータ4は、渦巻状のパターンで、各端壁11に形成してあってもよい。チャンバー10aにおけるヒータ4の材質は、特に限定されず、ニクロム、タングステン、モリブデン、白金、銅、カンタル、鉄、オースチナイト系ステンレス、ハイニッケル、などの金属材料や、炭化ケイ素、ランタンクロマイト、カーボン、二珪化モリブデンなどの非金属材料を用いることができる。
In the
チャンバー10aの内部空間15には、検知部20が配置してある。この検知部20は、内部空間15の略中心に配置してあることが好ましい。たとえば、図2Aおよび図2Bでは、検知部20が、X軸方向の中央に位置し、かつ、Z軸方向の中央に位置する。
A
また、チャンバー10aは、ヒータ4の端部配線、および、検知部20の配線などの各種配線24を引き出すための配線引出口16を有していてもよい(図2B参照)。配線引出口16は、内部空間15に導入した試料ガスが漏れださないように、公知のシール構造を有していることが好ましい。
Further, the
なお、密閉容器10は、図2Aおよび図2Bに示す様態に限定されず、たとえば、密封容器10は、図4Aおよび図4Bに示すような、回路基板等に表面実装することができるパッケージ10bであってもよい。このパッケージ10bは、アルミナ、シリカ、ジルコニア、窒化ホウ素などのセラミック材料で構成してあることが好ましい。
Note that the sealed
パッケージ10bは、Z軸方向で互いに対向する上端壁11aおよび下端壁11bと、上端壁11aと下端壁11bとを連結する側壁13と、を有する。流入口12は、X-Y平面における上端壁11aの略中心に形成してあり、排気口14は、X-Y平面における下端壁11bの略中心に形成してある。つまり、パッケージ10bでは、Z軸方向の一端から試料ガスが導入され、Z軸方向に沿って試料ガスの流路が形成される。パッケージ10bにおける内部空間15の容量は、特に限定されない。パッケージ10bでは、内部空間15の容量を、チャンバー10aよりも小さくすることができ、たとえば、0.01cm3~1cm3とすることが好ましい。
The
図4Aに示すように、パッケージ10bは、Z軸方向から見た平面視において、円形の平面視形状を有するが、パッケージ10bの平面視形状は、特に限定されず、四角形や多角形であってもよい。ただし、パッケージ10bについても、チャンバー10aと同様に、試料ガスの流入方向(Z軸方向)と垂直な内壁断面が、円形であることが好ましい。すなわち、パッケージ10bの外形は、直方体形状や角柱形状であってもよいが、試料ガスの流入方向(Z軸方向)と垂直な内部空間15の断面形状が、円形であることが好ましい。
As shown in FIG. 4A, the
図4Bに示すパッケージ10bでは、ヒータ4が、上端壁11aの内壁面において、渦巻状の配線パターンで形成してある。なお、ヒータ4は、上端壁11aの内壁面に形成してあるだけでなく、下端壁11bの内壁面にも形成してあってもよい。下端壁11bにヒータ4を形成する場合、下端壁11bの表面(内壁面)にヒータ4を形成した後に、下端壁11bのヒータ4を覆うように絶縁層を形成し、その絶縁層の上に検知部20を形成すればよい。また、パッケージ10bのような小容量の密封容器の場合、ヒータ4が外壁面に形成してあってもよく、ヒータ4の配線パターンは、ミアンダ状のパターンなどであってもよい。パッケージ10bにおけるヒータ4の材質は、特に限定されない。たとえば、モリブデン、白金、タングステン、タンタル、ニクロム、パラジウム、もしくはイリジウムなどを含む金属薄膜を公知の成膜法で形成し、当該金属薄膜をパターニング加工することで、パッケージ10bのヒータ4を形成することができる。
In the
また、パッケージ10bでは、検知部20が、流入口12から導入した試料ガスと接触し易いように、X-Y平面上における内部空間15の略中央に検知部20が配置してあることが好ましい。検知部20の配線やヒータ4の端部配線は、上端壁11aまたは下端壁11bを貫通するスルーホール電極を介して、パッケージ10bの外壁面に引き出すことができる。この場合、無機接着剤などの充填材をスルーホール電極の穴に充填して、内部空間15の密閉性を確保すればよい。
Further, in the
上述したような密閉容器10の内部に配置してある検知部20は、検知素子21と参照素子22とを有する。検知素子21は、可燃性ガスに対する感応性を有し、可燃性ガスの濃度に応じて出力が変化する素子である。検知素子21は、接触燃焼式のセンサ素子であることが好ましい。一方、参照素子22は、可燃性ガスに対する感応性は有しておらず、可燃性ガスの濃度に対して変化しない熱を検知する素子である。すなわち、参照素子22では、可燃性ガスの燃焼熱は検知できないが、ヒータ4により加熱される内部空間15の環境温度に応じて出力が変化する。より具体的に、検知素子21および参照素子22は、それぞれ、図3Aおよび図3Bに示すような構造を有することが好ましい。
The
図3Aは、検知素子21の要部である膜積層部21aを示す概略断面図である。この膜積層部21aは、感応膜211と触媒部213とを有する。感応膜211は、温度変化に応じて抵抗値などの物性が変化する材質で構成することができ、白金膜もしくはサーミスタ膜であることが好ましい。サーミスタ膜の構成材料としては、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウム等が挙げられる。
FIG. 3A is a schematic cross-sectional view showing a
感応膜211をサーミスタ膜で構成する場合、膜積層部21aには、図3Aに示すように、感応膜211と接する一対の電極膜212が積層してあることが好ましい。電極膜212は、サーミスタ膜の抵抗値を読み取るための電極であり、高融点の導電性材料で構成してあることが好ましい。具体的に、電極膜212は、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、金(Au)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、または、上記の元素のうち1種以上を含む合金で構成することができ、白金で構成することが好ましい。感応膜211を白金膜で構成する場合は、電極膜212を形成せずともよく、白金膜から連続する配線パターンを形成すればよい。
When the
触媒部213は、触媒材料を担持した多孔質状の担体材料であることが好ましい。担体材料としては、たとえば、酸化アルミニウム(γアルミナ等)、酸化シリコン、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化チタン、酸化スズ等の酸化物材料を用いることができる。触媒材料としては、白金(Pt)、金(Au)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)等の貴金属、または、希土類元素酸化物、ビスマス酸化物等の金属酸化物を用いることができ、貴金属であることが好ましい。触媒として貴金属を担持する場合、触媒部213における貴金属の含有率は、触媒部213の総量に対して、1wt%以上であることが好ましく、5wt%以上20wt%以下であることがより好ましい。
The
膜積層部21aでは、感応膜211の上面または/および下面を覆うように、絶縁膜215が積層してあることが好ましい。絶縁膜215は、感応膜211が露出しないように保護する役割を有する。絶縁膜215の材質は特に限定されず、酸化シリコンもしくは窒化シリコンなどとすることができる。また、膜積層部21aには、ヒータ抵抗膜が積層してあってもよい。密閉容器10が図2Aおよび図2Bに示すようなチャンバー10aである場合、内部空間15の容量が大きいと、検知素子21の加熱が不十分となる恐れがある。このような場合には、膜積層部21aに積層したヒータ抵抗膜により、検知素子21を、内部空間15の設定温度と同じ温度に加熱することが好ましい。
In the
膜積層部21aに含まれる感応膜211、電極膜212、各絶縁膜215、およびヒータ抵抗膜は、それぞれ、CVD法やスパッタリング法などの各種成膜法により形成することができ、フォトエッチング法やリフトオフ法などにより所定のパターンに加工すればよい。触媒部213については、原料ペーストを、スクリーン印刷もしくはディスペンサを用いた吐出等により、膜積層部21aの上(感応膜211の上面を覆う絶縁膜215の上)に塗布し、所定の温度で熱処理することで、形成することができる。また、膜積層部21aは、基板の表面に直に接して存在していてもよいし、基板に形成してある空洞部(キャビティ)の上で、複数の梁によって支持してあってもよい。すなわち、検知素子21がエアブリッジ構造を有していてもよい。
The
膜積層部21aを有する検知素子21では、所定温度に加熱された可燃性ガスが素子表面に接触すると、触媒部213の触媒作用により、可燃性ガスが酸素と結合し燃焼する。この可燃性ガスの燃焼によって生じた燃焼熱は、感応膜211に伝達され、感応膜211の抵抗値が変化する。ガスセンサ2では、検知素子21に含まれる感応膜211の抵抗値が外部回路50に出力される。もしくは、感応膜211の抵抗値を電流値や電圧値等に変換して出力してもよい。
In the
図3Bは、参照素子22の要部である膜積層部22aを示す概略断面図である。図3Bに示すように、参照素子22の膜積層部22aは、触媒部213を含まないこと以外は、検知素子21の膜積層部21aと同じ構造とすることができる。具体的に、膜積層部22aに含まれる抵抗膜221が、検知素子21における感応膜211に相当し、当該抵抗膜221は、白金膜またはサーミスタ膜であることが好ましい。抵抗膜221の材質は、感応膜211と異なっていてもよいが、感応膜211と同じ材質であることが好ましい。また、膜積層部22aに含まれる電極膜212および絶縁膜215についても、検知素子21と同じ材質であることが好ましい。
FIG. 3B is a schematic cross-sectional view showing the
なお、参照素子22の膜積層部22aでは、触媒部213を形成しない代わりに、抵抗膜211の上面を覆う絶縁膜215の上に、ダミー部を形成してもよい。ダミー部は、可燃性ガスに対する触媒活性を有しておらず、熱容量が触媒部213の熱容量と同程度である材料で構成することが好ましい。具体的に、ダミー部は、触媒材料を含まない酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化チタン、もしくは酸化スズなどの酸化物材料で構成することが好ましい。また、ダミー部の体積が、触媒部213の体積と同程度であることが好ましい。
Note that in the
膜積層部22aを有する参照素子22は、触媒部213を有していないため、所定温度に加熱された可燃性ガスが参照素子22に接触しても、可燃性ガスの燃焼反応は生じない。つまり、参照素子22では、ヒータ4によって加熱された内部空間15の温度(すなわち内部空間15に充填された試料ガスの温度)に応じて、膜積層部22aの抵抗膜221の抵抗値が変化する。ガスセンサ2では、参照素子22に含まれる抵抗膜221の抵抗値が外部回路50に出力される。もしくは、抵抗膜221の抵抗値を電流値や電圧値等に変換して出力してもよい。
Since the
なお、検知部20では、検知素子21の表面(触媒部213の表面)で発生する可燃性ガスの燃焼熱が参照素子22に伝わらないように、検知素子21から所定間隔を隔てた位置に、参照素子22を配置することが好ましい。
In addition, in the
ガスセンサ2では、検知部20から引き出された配線が、密閉容器10の外部に設置してある外部回路50に繋がっている。外部回路50は、少なくとも、演算処理部53を有しており、その他、差動アンプ51やADコンバータ52などが含まれていてもよい。差動アンプ51は、検知素子21の出力と参照素子22の出力とを比較し、その差を増幅する回路である。差動アンプ51から出力される増幅信号は、ADコンバータ52に入力される。ADコンバータ52は、供給された増幅信号をデジタル変換し、変換した出力信号を演算処理部53に供給する。
In the
演算処理部53には、所定の演算処理に必要なメモリやMPUなどが含まれ得る。そして、演算処理部53では、検知部20の出力信号を受信し、後述する応答波形の解析方法に基づいて、可燃性ガスの種類を識別し、識別した可燃性ガスの濃度を算定する。
The
検知素子21や参照素子22にヒータ抵抗膜が含まれる場合には、外部回路50が、ヒータ抵抗膜の出力を制御するための制御ICが含まれていてもよい。また、外部回路50には、上記以外に、ボルテージフォロアやDAコンバータなどが含まれていてもよい。
When the
また、ガスセンサ2には、図1に示すように、ヒータ制御部40が付帯してあってもよい。ヒータ制御部40は、ヒータ4の出力を制御し、密閉容器10の内部空間15の温度を調節するための機構である。ヒータ制御部40には、PID制御を行う制御回路や、ヒータ用電源回路などが含まれ得る。ヒータ4の出力を制御するうえで、参照素子22の出力信号がヒータ制御部40に供給されるように、ヒータ制御部40の回路を構成してもよい。もしくは、密閉容器10の内部空間15に熱電対を設置し、当該熱電対の信号をヒータ制御部40に供給してもよい。
Furthermore, the
さらに、ガスセンサ2には、ガス導入機構30が付帯してあってもよい。ガス導入機構30は、試料ガスを、密閉容器10の内部空間15に向けて、連続的もしくは間欠的に送り出す機構である。ガス導入機構30の単純な構成としては、コンプレッサもしくはガスポンプなどが挙げられる。また、ガス導入機構30には、試料ガスの圧力を制御するレギュレータ、試料ガスの流量を制御するマスフローコントローラ、流入口や排気口に配置してある電磁弁を制御する制御回路、および、パージガスの導入機構などが含まれていてもよい。間欠運転で試料ガスを送り出す際には、ガス導入機構30の制御回路により電磁弁の開閉を制御すればよい。また、試料ガスをエアーや不活性ガスなどのキャリアガスで希釈して密閉容器10に導入する場合には、ガス導入機構30が、ガス混合器(ガスミキサー)を有していてもよい。
Furthermore, the
次に、本実施形態に係るガスセンサ2を用いて、可燃性ガスを含む試料ガスを測定する方法について説明する。可燃性ガスとしては、CO(一酸化炭素)、H2(水素)、CH4(メタン)などが挙げられ、試料ガス中には少なくとも1種の可燃性ガスを含み、2種以上の可燃性ガスが含まれていてもよい。
Next, a method of measuring a sample gas containing a combustible gas using the
試料ガスの測定前には、密閉容器10の内部空間15にパージガスを供給しておく。パージガスとしては、エアー、または、Arガスなどの不活性ガスを用いればよい。内部空間15にパージガスを充填した状態で、ヒータ4により内部空間15を一定の測定温度に加熱する。測定温度は、100℃以上であることが好ましく、100℃以上400℃以下であることがより好ましく、200℃以上400℃以下であることがさらに好ましい。上記のとおり、密閉容器10の内部温度を目的とする測定温度で一定に保った状態で、ガス導入機構30により試料ガスを内部空間15に導入する。導入した試料ガスは、一定温度の密閉容器10内で、ヒータ4により所定の測定温度に加熱される。
Before measuring the sample gas, purge gas is supplied to the
なお、上記では、密閉容器10の内部空間15を加熱した後に試料ガスを導入したが、試料ガスを内部空間15に導入した後に内部空間15を加熱してもよい。つまり、試料ガスを、ガス導入機構30により、連続的に内部空間15に導入し、この状態でヒータ4のスイッチを入れ、試料ガスが充填された内部空間15を測定温度に加熱してもよい。
Note that in the above description, the sample gas is introduced after the
内部空間15で試料ガスが測定温度に加熱されると、検知素子21の表面上では、試料ガスに含まれる可燃性ガスの燃焼反応が起こる。検知素子21の感応膜211では、可燃性ガスの燃焼熱を検知し、当該燃焼熱に応じて抵抗値が変化する。一方、参照素子22の表面上では、燃焼反応は生じず、参照素子22の抵抗膜221は、内部空間15の温度(すなわち試料ガスの温度)に応じた抵抗値を出力する。測定時において、試料ガスはヒータ4により一定の温度に保持してあるため、参照素子22における抵抗膜221の抵抗値は、ほとんど変化せず、参照素子22の出力は、ほぼ一定の値となる。
When the sample gas is heated to the measurement temperature in the
外部回路50は、たとえば、感応膜211の抵抗値と抵抗膜221の抵抗値とを読み取り、その差を検知部20の出力信号として算定する。この出力信号は演算処理部53に供給され、演算処理部53が、当該出力信号(すなわち、検知素子21と参照素子22との出力差)に基づいて、試料ガスに対する検知部20の応答波形を特定する。図5Aおよび図5Bに応答波形の一例を示す。なお、検知部20の出力信号は、検知素子21と参照素子22との抵抗値の差、電流値の差、電圧値の差、もしくは、発熱量の差などに基づいて算定され、出力信号の単位は、各素子の出力方式に依存する。
For example, the
図5Aは、200℃に設定した密閉容器10に可燃性ガスを導入した場合の各可燃性ガスの応答波形の一例を示すグラフである。図5Aにおける実線がCOの応答波形、点線がH2の応答波形、一点鎖線がCH4の応答波形である。また、グラフの横軸は測定の経過時間(単位はminまたはsec)を示し、グラフの縦軸は出力信号の大きさを示す。つまり、応答波形とは、可燃性ガスの燃焼反応が開始してから測定を終了するまでの間における、検知部20の出力信号の経時変化を表すグラフである。図5AのT0が、加熱した密閉容器10内に試料ガスを導入した時点であり、T3が、内部空間15に導入するガスを、試料ガスから、可燃性ガスを含まないパージガスに切り替えた時点である。
FIG. 5A is a graph showing an example of the response waveform of each combustible gas when the flammable gas is introduced into the
CH4は、触媒が存在しても200℃では燃焼しない。そのため、図5Aに示すように、測定温度200℃ではCH4の応答波形は得られない。一方、COおよびH2については、触媒部213の触媒作用により、200℃で燃焼し、それぞれ、図5Aに示すような応答波形が得られる。200℃でCOを燃焼させた際の出力値(検知素子21と参照素子22との出力の差分)は、200℃でH2を燃焼させた際の出力値と同程度である。つまり、図5Aに示すS2COとS2H2とにほとんど差がなく、S2COとS2H2とを比較するだけではCOとH2の識別が難しい。一方で、COの応答波形と、H2の応答波形とでは、形状が異なっており、演算処理部53は、この形状の違いから、試料ガスに含まれる可燃性ガスの種類を識別する。
CH 4 does not burn at 200°C even in the presence of a catalyst. Therefore, as shown in FIG. 5A, a CH 4 response waveform cannot be obtained at a measurement temperature of 200°C. On the other hand, CO and H 2 are burned at 200° C. due to the catalytic action of the
より具体的に、本実施形態のガスセンサ2では、可燃性ガスに対する応答波形が方形波(矩形波)となる。特に、応答波形の立ち上がり部分(すなわち燃焼反応の開始直後の波形)に歪みや乱れが生じることがある。この波形の歪み、または、乱れが、可燃性ガスの種類や測定温度などによって異なる。測定温度200℃では、COの応答波形はアンダーシュートを有し、H2の応答波形はオーバーシュートを有する。
More specifically, in the
アンダーシュートとは、方形波の立ち上がり部分が波形の定常値を下回る「波形の歪み」を意味する。一方、オーバーシュートとは、方形波の立ち上がり部分が波形の定常値よりも上方向に突出する「波形の乱れ」を意味する。なお、波形の定常値とは、燃焼反応の開始時点T0から所定時間経過し、出力信号が安定した際の出力値を意味する。図5Aに示す応答波形では、B時点での出力信号値を定常値と見なすことができる。 Undershoot means "waveform distortion" in which the rising portion of a square wave is below the steady-state value of the waveform. On the other hand, overshoot means "waveform disturbance" in which the rising portion of the square wave protrudes upward from the steady value of the waveform. Note that the steady value of the waveform means the output value when the output signal becomes stable after a predetermined period of time has elapsed from the start time T0 of the combustion reaction. In the response waveform shown in FIG. 5A, the output signal value at time B can be regarded as a steady value.
応答波形のアンダーシュートもしくはオーバーシュートを判別するためには、たとえば、以下に示すような解析を実施すればよい。まず、応答波形が立ち上がった直後の時点をA時点と設定し、応答波形における出力信号の変化が安定した時点をB時点と設定する。なお、A時点では、密閉容器10に導入した試料ガスが目的とする測定温度に達していることとする。応答波形の立ち上がりに要する時間、および、出力信号の安定に要する時間は、内部空間15の容量によって変化する。そのため、上記のA時点およびB時点は、内部空間15の容量や実際に得られる応答波形を考慮して、適宜設定すればよい。たとえば、内部空間15の容量が1cm3~10cm3である場合、T0からの経過時間T1が5sec~15secとなる時点をA時点とし、T0からの経過時間T2が30sec~50secとなる時点をB時点とすることができる。
In order to determine whether the response waveform is undershoot or overshoot, the following analysis may be performed, for example. First, the time immediately after the response waveform rises is set as time A, and the time when the change in the output signal in the response waveform becomes stable is set as time B. It is assumed that at time A, the sample gas introduced into the
次に、A時点における出力信号値S1と、B時点における出力信号値S2とを特定し、その差である「S2-S1」を算定する。0<(S2-S1)を満たす場合は、アンダーシュートの応答波形であると判定することができる。実際に、図5Aに示すCOの応答波形は、0<(S2CO-S1CO)を満たし、アンダーシュートであることが確認できる。一方、(S2-S1)<0を満たす場合は、オーバーシュートの応答波形であると判定することができる。図5Aに示すH2の応答波形は、(S2H2-S1H2)<0を満たし、オーバーシュートであることが確認できる。なお、(S2-S1)=0.00である場合には、波形の歪みや乱れが生じていないと判定する。 Next, the output signal value S1 at time A and the output signal value S2 at time B are specified, and their difference "S2-S1" is calculated. If 0<(S2-S1) is satisfied, it can be determined that the response waveform is an undershoot. In fact, it can be confirmed that the CO response waveform shown in FIG. 5A satisfies 0<(S2 CO -S1 CO ) and is an undershoot. On the other hand, if (S2-S1)<0 is satisfied, it can be determined that the response waveform is an overshoot. The H 2 response waveform shown in FIG. 5A satisfies (S2 H2 −S1 H2 )<0, and it can be confirmed that there is an overshoot. Note that if (S2-S1)=0.00, it is determined that no distortion or disturbance of the waveform has occurred.
なお、試料ガス中に含まれる可燃性ガスの濃度は、応答波形における出力信号の大きさに基づいて算定することができる。つまり、出力が安定した時点(B時点)における出力信号値から、可燃性ガスの濃度を算定する。ガスセンサ2では、演算処理部53が、上述した応答波形の形状の解析や、ガス濃度の算定を行う。
Note that the concentration of combustible gas contained in the sample gas can be calculated based on the magnitude of the output signal in the response waveform. That is, the concentration of combustible gas is calculated from the output signal value at the time when the output becomes stable (time point B). In the
図5Bは、350℃に設定した密閉容器10に可燃性ガスを導入した場合の各可燃性ガスの応答波形の一例を示すグラフである。測定温度が350℃の場合、CO、H2、およびCH4は、いずれも、触媒部213の上で燃焼し、図5Bに示すような応答波形が得られる。測定温度350℃における、S2CO、S2H2、およびS2CH4は、いずれも同程度の値となり、検知部20の出力値を検知するだけでは、可燃性ガスの種類を識別することは困難である。図5Bに示すように、可燃性ガスの種類によって応答波形の形状に違いがあり、この形状の違いに基づいてガス種を識別する。具体的に、COは、350℃においてもアンダーシュートの応答波形となり、H2およびCH4は、オーバーシュートの応答波形となる。
FIG. 5B is a graph showing an example of the response waveform of each combustible gas when the flammable gas is introduced into the
COの測定では、測定温度100℃~400℃の範囲で、常にアンダーシュートの応答波形となる。アンダーシュートは、COに特有の応答波形であり、アンダーシュートの有無により、試料ガス中に含まれるCOを識別することができる。すなわち、成分が未知の試料ガスを密閉容器10に導入して上記の測定を行った場合、演算処理部53でアンダーシュートの応答波形が特定されれば、当該試料ガスにCOが存在すると判定できる。そして、アンダーシュートの応答波形の大きさから、COの濃度を算定することができる。このように、ガスセンサ2では、アンダーシュートの有無を判定することで、COを選択的に検知し、COの濃度を特定することができる。
In CO measurement, the response waveform always has an undershoot in the measurement temperature range of 100°C to 400°C. The undershoot is a response waveform specific to CO, and the presence or absence of the undershoot allows identification of CO contained in the sample gas. That is, when a sample gas whose components are unknown is introduced into the
H2およびCH4は、いずれもオーバーシュートの応答波形となるが、燃焼可能な温度範囲が異なる。ガスセンサ2で未知試料を測定した際に、100℃~200℃の低温度域でオーバーシュートの応答波形が得られれば、当該試料ガスにH2が存在すると判定できる。一方、低温度域では出力が得られずに、200℃超過の高温度域でオーバーシュートの応答波形が得られれば、試料ガスにCH4が存在すると判定できる。このように、ガスセンサ2では、密閉容器10の加熱温度(測定温度)を変えて測定を実施し、各温度で得られた応答波形の形状を特定することで、試料ガス中に存在するH2もしくはCH4の識別が可能であり、当該判定結果に基づいてH2の濃度やCH4の濃度を算定できる。なお、複数の温度帯で測定を実施する場合には、密閉容器10内の設定温度を変更する際に、エアーもしくは不活性ガスで内部空間15をパージすることが好ましい。
Both H 2 and CH 4 have overshoot response waveforms, but have different combustible temperature ranges. When an unknown sample is measured with the
COに対する応答波形が特異的にアンダーシュートとなる理由は、必ずしも明らかではないが、可燃性ガスの結合解離エネルギーが関係していると考えられる。COは、他の可燃性ガスとは異なり、CとOの三重結合を有しているため、COの結合解離エネルギーは、他の可燃性ガスよりも高くなる。COが燃焼してCO2が生成する過程で、三重結合の解離に多くのエネルギーを要するため、COに対する応答波形ではアンダーシュートが現れると考えられる。 The reason why the response waveform to CO specifically undershoots is not necessarily clear, but it is thought to be related to the bond dissociation energy of the combustible gas. Unlike other combustible gases, CO has a triple bond of C and O, so the bond dissociation energy of CO is higher than that of other combustible gases. In the process of burning CO and producing CO 2 , a lot of energy is required to dissociate the triple bond, so it is thought that an undershoot appears in the response waveform to CO.
(実施形態のまとめ)
本実施形態に係るガスセンサ2は、試料ガスの流入口12と排気口14とを有する密閉容器10と、密閉容器10に設置してあるヒータ4と、密閉容器10の内部(内部空間15)に配置してあり検知素子21と参照素子22とを含む検知部20と、密閉容器10の外部に設置された外部回路50と、を有する。そして、外部回路50が、試料ガスに対する検知部20の応答波形の形状を特定する演算処理部53を有する。
(Summary of embodiments)
The
上記の特徴を有するガスセンサ2では、密閉容器10に導入した試料ガスをヒータ4により所定の測定温度に加熱し、検知素子21と参照素子22との出力差から試料ガスに対する応答波形を特定する。そして、応答波形の形状から試料ガスに含まれる可燃性ガスの種類を特定し、出力信号値から、特定した可燃性ガスの濃度を算定する。特に、演算処理部53が、応答波形のオーバーシュートまたはアンダーシュートを判別する機構となっている。
In the
ガスセンサ2は、未知試料や混合ガス中に含まれる可燃性ガスの種類を高い精度で識別することができ、ガス濃度を検知する際の誤差を低減することができる。特に、ガスセンサ2では、複数の検知部20を設置せずとも、1組の検知部20でガス種の識別が可能である。
The
また、ガスセンサ2では、密閉容器10に設置してあるヒータ4で、密閉した内部空間15を一定温度に加熱するため、触媒部213と可燃性ガスとの反応性を高めることができ、高い精度で可燃性ガスの検出が可能である。特に、試料ガスの流入方向と垂直な密閉容器10の内壁断面を円形とすることで、内部空間15の均熱性をより高めることができ、ガス検出の精度をより向上させることができる。
In addition, in the
また、ガスセンサ2では、COに対する応答波形に特異的なアンダーシュートが現れる。演算処理部53でアンダーシュートの有無を判定することで、COを選択的に検出することが可能である。つまり、ガスセンサ2は、COの選択的な検出に特化したCOセンサとして、より好適に用いることができる。ただ、ガスセンサ2の用途は、COの検出に限定されず、H2やCH4などの検出も可能である。H2やCH4などのオーバーシュートを示す可燃性ガスの識別を行う場合には、複数の温度帯で未知試料や混合ガスを測定し、各温度帯で特定した応答波形の形状を解析することが好ましい。
Furthermore, in the
以上、本開示の実施形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲内で種々に改変することができる。 Although the embodiments of the present disclosure have been described above, the present invention is not limited to the embodiments described above, and can be variously modified within the scope of the gist of the present disclosure.
以下、具体的な実施例に基づいて、本開示をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present disclosure will be described in further detail based on specific examples.
(比較例)
比較例では、従来の接触燃焼式ガスセンサを用いて、COガス、H2ガス、およびCH4ガスの検出を行った。比較例の接触燃焼式ガスセンサとしては、Ptのヒータ抵抗膜と、MnNiCo系酸化物からなるサーミスタ膜と、Ptを担持したアルミナからなる触媒部とを積層したセンサ素子を用いた。触媒部におけるPtの含有率は15wt%とした。そして、素子内に積層したヒータ抵抗膜により、センサ素子を100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、および400℃に加熱した。各温度に加熱した素子表面に可燃性ガスを接触させ、その際のサーミスタ膜の抵抗値変化を出力として読み取った。
(Comparative example)
In the comparative example, CO gas, H 2 gas, and CH 4 gas were detected using a conventional catalytic combustion gas sensor. As a comparative example of a catalytic combustion type gas sensor, a sensor element was used in which a Pt heater resistance film, a thermistor film made of MnNiCo-based oxide, and a catalyst part made of alumina supporting Pt were laminated. The content of Pt in the catalyst part was 15 wt%. Then, the sensor element was heated to 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 350°C, and 400°C using a heater resistance film laminated inside the element. A flammable gas was brought into contact with the surface of the element heated to each temperature, and the change in resistance of the thermistor film at that time was read as an output.
上記比較例の評価結果を、図6に示す。図6において、黒丸のプロットと実線で示す結果が、COガスを接触燃焼させた際の抵抗変化であり、四角形のプロットと点線で示す結果が、H2ガスを接触燃焼させた際の抵抗変化であり、三角形のプロットと一点鎖線で示す結果が、CH4を接触燃焼させた際の抵抗変化である。 The evaluation results of the above comparative example are shown in FIG. In Figure 6, the results shown by the black circle plot and the solid line are the resistance changes when CO gas is catalytically burned, and the square plots and the dotted lines are the resistance changes when H2 gas is catalytically burned. The result shown by the triangular plot and the dashed line is the resistance change when CH 4 is catalytically burned.
図6に示すように、COの燃焼温度域とH2の燃焼温度域とは、いずれも、100℃~400℃で一致していた。特に、200℃~400℃の範囲では、COによる抵抗変化量とH2による抵抗変化量とが同程度であった。また、CH4については、200℃以下の温度域では燃焼反応が起こらなかったものの、250℃~400℃の範囲でCH4が接触燃焼し、CH4の燃焼温度域とCOやH2などの他の可燃性ガスの燃焼温度域とが一部重複していた。特に、350℃~400℃では、抵抗変化量が、CO、H2およびCH4で同程度となった。 As shown in FIG. 6, the CO combustion temperature range and the H 2 combustion temperature range were both 100°C to 400°C. In particular, in the range of 200° C. to 400° C., the amount of resistance change due to CO and the amount of resistance change due to H 2 were comparable. Regarding CH 4 , although no combustion reaction occurred in the temperature range below 200°C, CH 4 catalytically burned in the range of 250°C to 400°C, and CO, H 2 , etc. The combustion temperature range of other combustible gases partially overlapped. In particular, at 350° C. to 400° C., the amount of resistance change was approximately the same for CO, H 2 and CH 4 .
上記の結果から、抵抗変化を読み取るだけの従来の接触燃焼式ガスセンサでは、CO、H2およびCH4の判別が困難であることがわかった。従来の接触燃焼式ガスセンサで可燃性ガスの種類を識別するためには、先行文献に示すように、動作温度と触媒の種類を変えた複数対のセンサ素子を準備する必要があることがわかった。 From the above results, it was found that it is difficult to distinguish between CO, H 2 and CH 4 using a conventional catalytic combustion gas sensor that only reads resistance changes. In order to identify the type of combustible gas using a conventional catalytic combustion gas sensor, it was found that it was necessary to prepare multiple pairs of sensor elements with different operating temperatures and catalyst types, as shown in previous literature. .
(実施例1)
実施例1では、図2Aおよび図2Bに示すチャンバー10aを用いて、図1に示す構成を有するガスセンサ2を製造した。チャンバー10aにおける内部空間15の容量は3.5cm3とした。また、検知素子21における感応膜211は、MnNiCo系酸化物からなるサーミスタ膜とし、触媒部213は、Ptを担持したγ-Al2O3とし、触媒部213におけるPtの含有率は15wt%とした。参照素子22については、触媒部213を形成しないこと以外は、上記の検知素子21と同じ構成とした。
(Example 1)
In Example 1, the
(実施例2)
実施例2では、図4Aおよび図4Bに示すパッケージ10bを用いて、図1に示す構成を有するガスセンサ2を製造した。パッケージ10bにおける内部空間15の容量は1cm3とした。また、検知素子21における感応膜211は、MnNiCo系酸化物からなるサーミスタ膜とし、触媒部213は、Ptを担持したγ-Al2O3とし、触媒部213におけるPtの含有率は15wt%とした。参照素子22については、触媒部213を形成しないこと以外は、上記の検知素子21と同じ構成とした。
(Example 2)
In Example 2, the
実施例1および実施例2の各ガスセンサにおいて、内部空間15をヒータ4により200℃に加熱し、加熱した内部空間15にCO、H2、またはCH4を含む試料ガスを導入した。試料ガスの導入時に、検知素子21および参照素子22の抵抗値を出力として読み取り、その出力差に基づいて、200℃における検知部20の応答波形を得た。また、上記の測定を、350℃においても実施した。すなわち、ヒータ4による内部空間15の加熱温度を350℃に設定して、350℃における検知部20の応答波形を得た。そして、得られた各応答波形に対して、図5Aおよび図5Bに示す解析を実施した。
In each of the gas sensors of Examples 1 and 2, the
具体的に、試料ガスの導入時から10秒後の時点をA時点とし、試料ガスの導入時から30秒後の時点をB時点として、A時点における出力信号値S1と、B時点における出力信号値S2とを算定した。そしてS2-S1を算出し、当該算出結果に基づいて、応答波形の形状を判定した。実施例1のガスセンサを用いて試料ガスを測定した結果を表1に示し、実施例2のガスセンサを用いて試料ガスを測定した結果を表2に示す。
Specifically, the
表1に示すように、測定温度が200℃の場合、COガスおよびH2ガスが燃焼し、CH4ガスは燃焼しなかった。また、測定温度200℃では、B時点における出力信号値が、COガスを導入した場合と、H2ガスを導入した場合とで同程度(2.86~2.88)となった。ただし、COガスを導入した場合の応答波形と、H2ガスを導入した場合の応答波形とで、形状が異なっていた。具体的に、実施例1のガスセンサを用いた場合、測定温度200℃では、COに対する応答波形がアンダーシュートとなり、H2に対する応答波形がオーバーシュートとなった。 As shown in Table 1, when the measurement temperature was 200° C., CO gas and H 2 gas were combusted, but CH 4 gas was not combusted. Further, at a measurement temperature of 200° C., the output signal value at time B was approximately the same (2.86 to 2.88) when CO gas was introduced and when H 2 gas was introduced. However, the response waveform when CO gas was introduced and the response waveform when H 2 gas was introduced were different in shape. Specifically, when the gas sensor of Example 1 was used, at a measurement temperature of 200° C., the response waveform to CO was an undershoot, and the response waveform to H 2 was an overshoot.
また、表1に示すように、測定温度が350℃の場合は、COガス、H2ガス、およびCH4ガスが、それぞれ燃焼した。そして、測定温度350℃では、B時点における出力信号値であるS2CO、S2H2、およびS2CH4が、いずれも同程度(3.1~3.5)であった。ただし、応答波形の形状が、可燃性ガスの種類によって異なっており、COに対する応答波形がアンダーシュートとなり、H2およびCH4に対する応答波形がオーバーシュートとなった。 Moreover, as shown in Table 1, when the measurement temperature was 350° C., CO gas, H 2 gas, and CH 4 gas were each combusted. At a measurement temperature of 350° C., the output signal values S2 CO , S2 H2 and S2 CH4 at time B were all at the same level (3.1 to 3.5). However, the shape of the response waveform differed depending on the type of combustible gas, and the response waveform for CO was an undershoot, and the response waveform for H 2 and CH 4 was an overshoot.
上述した結果から、実施例1のガスセンサでは、未知試料や混合ガスを内部空間15に導入した場合であっても、応答波形におけるアンダーシュートの有無を判定することで、選択的にCOを検知することができることがわかった。つまり、実施例1のガスセンサでは、測定温度によらず、他の可燃性ガスと識別してCOガスの濃度を算定できることがわかった。
From the above results, the gas sensor of Example 1 can selectively detect CO by determining the presence or absence of undershoot in the response waveform even when an unknown sample or mixed gas is introduced into the
なお、表2に示すように、パッケージ10bを用いた実施例2においても、チャンバー10aを用いた実施例1と同様の結果が得られた。
As shown in Table 2, the same results as in Example 1 using the
実施例1および実施例2の各ガスセンサを用いて、測定温度を変えて、CO、H2、およびCH4を検出する実験を行った。具体的に、内部空間15を100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、および400℃に加熱して、各温度における応答波形を得た。そして、表1および表2で実施した解析と同じ方法で応答波形の形状の判定を行った。実施例1および実施例2では、いずれも、表3に示す判定結果が得られた。
Using each of the gas sensors of Example 1 and Example 2, an experiment was conducted to detect CO, H 2 , and CH 4 while changing the measurement temperature. Specifically, the
表3に示すように、COを含む試料ガスを導入した場合は、100℃~400℃の全ての温度帯で、アンダーシュートの応答波形となった。そして、アンダーシュートは、COに対する応答波形でのみ確認された。つまり、100℃~400℃の測定温度でアンダーシュートの応答波形が特定された場合には、試料ガス中にCOが含まれていることを確認でき、応答波形の解析結果に基づいて、COの濃度を選択的に検出できることがわかった。 As shown in Table 3, when a sample gas containing CO was introduced, an undershoot response waveform was obtained in all temperature ranges from 100°C to 400°C. Undershoot was confirmed only in the response waveform to CO. In other words, if an undershoot response waveform is identified at a measurement temperature of 100°C to 400°C, it can be confirmed that CO is contained in the sample gas, and based on the analysis results of the response waveform, it is possible to confirm that CO is present in the sample gas. It was found that the concentration could be selectively detected.
また、H2を含む試料ガスを導入した場合は、100℃~400℃の全ての温度帯で、オーバーシュートの応答波形となった。CH4を含む試料ガスを導入した場合、200℃以下では出力が得られず、250℃~400℃の範囲ではオーバーシュートの応答波形が得られた。つまり、200℃以下の測定温度でオーバーシュートの応答波形が特定された場合には、試料ガス中にH2が含まれていると判断できる。一方、200℃以下の測定温度で応答波形が得られず、250℃以上の測定温度でオーバーシュートの応答波形が特定された場合には、試料ガス中にCH4が含まれていると判断できる。表1~3の結果から、オーバーシュートの応答波形を示すH2ガスおよびCH4ガスについては、200℃以下の低温度域における応答波形と、200℃超過の高温度域における応答波形とを、解析することで、他の可燃性ガスと識別して、H2ガスの濃度またはCH4ガスの濃度を算定できることがわかった。 Furthermore, when a sample gas containing H 2 was introduced, an overshoot response waveform occurred in all temperature ranges from 100°C to 400°C. When a sample gas containing CH 4 was introduced, no output was obtained below 200°C, and an overshoot response waveform was obtained in the range of 250°C to 400°C. In other words, if an overshoot response waveform is identified at a measurement temperature of 200° C. or lower, it can be determined that H 2 is contained in the sample gas. On the other hand, if no response waveform is obtained at a measurement temperature of 200℃ or lower, and an overshoot response waveform is identified at a measurement temperature of 250℃ or higher, it can be determined that CH 4 is contained in the sample gas. . From the results in Tables 1 to 3, for H 2 gas and CH 4 gas that exhibit overshoot response waveforms, the response waveforms in the low temperature range below 200°C and the response waveforms in the high temperature range exceeding 200°C are as follows: Through analysis, it was found that the concentration of H 2 gas or CH 4 gas could be calculated by distinguishing it from other combustible gases.
以上の解析結果から、応答波形がオーバーシュートもしくはアンダーシュートであるかを判別することで、試料ガス中に含まれる可燃性ガス(CO、H2、またはCH4)の種類を識別することができ、識別した可燃性ガスの濃度を特定できることが立証できた。 From the above analysis results, the type of combustible gas (CO, H 2 or CH 4 ) contained in the sample gas can be identified by determining whether the response waveform is overshoot or undershoot. , it was demonstrated that the concentration of the identified combustible gas could be determined.
2 … ガスセンサ
10 … 密閉容器
10a … チャンバー
10b … パッケージ
11 … 端壁
12 … 流入口
13 … 側壁
13a … 内壁面
13b … 外壁面
14 … 排気口
15 … 導入空間
4 … ヒータ
20 … 検知部
21 … 検知素子
21a … 検知素子の膜積層部
211 … 感応膜
212 … 電極膜
213 … 触媒部
215 … 絶縁膜
22 … 参照素子
22a … 参照素子の膜積層部
221 … 抵抗膜
30 … ガス導入機構
40 … ヒータ制御部
50 … 外部回路
51 … 差動アンプ
52 … ADコンバータ
53 … 演算処理部
2...
21a... Film laminated part of sensing element
211... Sensitive membrane
212... Electrode film
213... Catalyst section
215... Insulating
22a... Film stack part of reference element
221...
Claims (13)
前記密閉容器に設置してあるヒータと、
前記密閉容器の内部に配置してあり、参照素子とガス濃度に対して感応性を有する検知素子とを含む検知部と、
前記密閉容器の外部に設置された外部回路と、を有し、
前記外部回路が、前記試料ガスに対する前記検知部の応答波形の形状を特定する演算処理部を有するガスセンサ。 a closed container having an inlet and an outlet for sample gas;
a heater installed in the sealed container;
a detection unit disposed inside the airtight container and including a reference element and a detection element sensitive to gas concentration;
an external circuit installed outside the airtight container;
A gas sensor in which the external circuit includes an arithmetic processing unit that specifies the shape of a response waveform of the detection unit to the sample gas.
前記密閉容器内に設置してある検知素子と参照素子との出力差から前記試料ガスに対する応答波形を特定し、
前記応答波形の形状から、前記試料ガスに含まれるガスの種類を識別し、
前記応答波形における出力信号の大きさから、前記試料ガスに含まれる前記ガスの濃度を算定するガス検知方法。 The sample gas introduced into the sealed container is heated to a predetermined temperature by a heater installed in the sealed container,
identifying a response waveform to the sample gas from the output difference between a detection element and a reference element installed in the sealed container;
identifying the type of gas contained in the sample gas from the shape of the response waveform;
A gas detection method that calculates the concentration of the gas contained in the sample gas from the magnitude of an output signal in the response waveform.
複数の温度ごとに、それぞれ、前記試料ガスに対する前記応答波形を特定し、
それぞれの温度における前記応答波形の形状から、前記試料ガスに含まれるガスの種類を識別する請求項9または10に記載のガス検知方法。 Heating the sample gas introduced into the sealed container to a plurality of temperatures in a range of 100 ° C. or more and 400 ° C. or less,
identifying the response waveform to the sample gas for each of a plurality of temperatures;
11. The gas detection method according to claim 9, wherein the type of gas contained in the sample gas is identified from the shape of the response waveform at each temperature.
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