JP2786366B2 - 炭酸ガス濃度検知装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、施設園芸、環境衛生、
防災用、工業用などの炭酸ガス濃度を計測し制御する場
所に使用する固体電解質型の炭酸ガスセンサを用いた炭
酸ガス濃度検知装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭酸ガス濃度を検知するセンサとして、
固体電解質を用い電気化学的に雰囲気中の炭酸ガス濃度
を検知する固体電解質型の炭酸ガスセンサがある。

【０００３】しかしながら、このセンサには多少の欠点
があり、図８のように経時変化により出力が徐々に変化
する傾向がある。従って、センサの出力を処理する過程
で出力の経時変化分について考慮し補正する必要があ
る。

【０００４】そのため、清浄な大気の炭酸ガス濃度が一
定（一般的に約３５０ｐｐｍ）であることを利用し大気
でのセンサ出力を利用し経時変化の補正を行っていた。

【０００５】以下、従来の炭酸ガス濃度検知装置につい
て図を参照しながら説明する。固体電解質型炭酸ガスセ
ンサは図９に示す特性のようにセンサ出力は炭酸ガス濃
度の対数に比例し、濃度が低いほど出力は大きくなる。
この特性を利用し通常の環境で最も炭酸ガス濃度が低い
清浄大気での出力すなわち出力の最大値を基準として出
力の補正を行っていた。図１０に従来の炭酸ガス濃度検
知装置のブロック図の一例を示す。

【０００６】図において炭酸ガスセンサ１０１は、ヒー
タ１０２により４００〜５００℃に加熱されている。ヒ
ータ電力供給手段１０３はヒータ１０２に電力を供給す
る。最大出力値記憶手段１０４に信号を送るとともに濃
度演算手段１０５に信号を送る。最大出力値記憶手段１
０４は、炭酸ガスセンサ１０１からの信号を受けて所定
の時間内での最大値を更新・記憶し、最大値を濃度演算
手段１０５に送る。濃度演算手段１０５は、炭酸ガスセ
ンサ１０１の信号と最大出力値記憶手段１０４の最大値
とを取り込み炭酸ガス濃度を演算し、濃度出力手段１０
６に炭酸ガス濃度を送る。濃度出力手段１０６は炭酸ガ
ス濃度を外部に出力する。ここで、濃度演算手段１０５
における炭酸ガス濃度算出方法は、図２の特性より炭酸
ガスセンサの出力と炭酸ガス濃度の関係は、

【０００７】

【数１】

【０００８】ここで、Ｖはセンサ出力、Ａは基準値、Ｂ
はセンサの感度、ＣＯ₂は炭酸ガス濃度（ｐｐｍ）とな
る。

【０００９】この中で、Ｂはセンサ固有の値であり定数
である。最大出力値記憶手段２で得られた最大値は、Ｃ
Ｏ₂＝３５０ｐｐｍでのセンサ出力Ｖとなる。最大値よ
り基準値Ａが算出され、出力Ｖと炭酸ガス濃度ＣＯ₂の
関係が一義的に決められる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように清浄な大気を利用して出力を補正する従来の炭酸
ガス濃度検知装置では基準となる清浄な大気が得られる
場所でしか利用できないという問題点があった。

【００１１】すなわち、気密性の高いビルや２４時間人
が活動する場所においては自然換気によって清浄外気を
得ることは難しい。また、施設園芸で利用する場合、植
物の光合成により炭酸ガスが消費され清浄外気以下の濃
度になることがあり正確な濃度が算出されなかった。

【００１２】本発明はこのような課題を解決するもので
炭酸ガスセンサの動作温度を変化させそのときの出力変
化量を用いて基準値を求めセンサ出力の補正を行うこと
で雰囲気の炭酸ガス濃度に関係なく出力の補正が自動的
に行われる炭酸ガス濃度検知装置を提供することを第１
の目的とする。

【００１３】第２の目的は、校正動作時にセンサ雰囲気
を安定にし、校正精度を向上することにある。

【００１４】第３の目的は、センサの出力の安定状態を
検出し、出力が安定した時に校正を行うことにより校正
精度を向上するとともに最適なタイミングに校正を行う
ことにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の目的を達
成するための第１の手段は、炭酸ガス濃度を検知する固
体電解質型炭酸ガスセンサと前記炭酸ガスセンサを測定
温度に加熱するヒータと前記ヒータに電力を供給するヒ
ータ電力供給手段と校正開始タイミングを出力する校正
タイミング出力手段と前記校正タイミング出力手段の出
力を受け、前記ヒータの温度を一定時間校正温度に変更
するヒータ電圧設定手段と前記校正タイミング出力手段
の出力を受け、校正開始タイミング直前の前記炭酸ガス
センサの出力を記憶する出力記憶手段と、校正タイミン
グ後の前記炭酸ガスセンサの出力と前記出力記憶手段に
記憶した出力との差を演算する出力差演算手段と前記出
力差演算手段の出力より校正基準値を演算する基準値演
算手段と前記炭酸ガスセンサの出力と前記基準値演算手
段の出力より炭酸ガス濃度を演算する濃度演算手段と前
記濃度演算手段から受けた炭酸ガス濃度を外部に出力す
る濃度出力手段とで構成したものである。

【００１６】また第２の目的を達成するための第２の手
段は、校正タイミング手段の出力を受け、前記炭酸ガス
センサの雰囲気を一定に保つセンサ密閉手段を本発明第
１の手段に追加して構成したものである。

【００１７】また、第３の目的を達成するための第３の
手段は、炭酸ガスセンサの出力を監視し、その安定度を
検知し校正タイミング出力手段に安定度を出力する出力
安定度検出手段を本発明の第１または第２の構成に、追
加して構成したものである。

【００１８】

【作用】本発明は上記した第１の手段の構成により、定
期的に炭酸ガスセンサのヒータ温度を一定量変化させる
校正動作によってセンサの動作温度を変化させ、その前
後の炭酸ガスセンサの出力差より基準値を算出し、計測
時は基準値と炭酸ガスセンサの出力より炭酸ガス濃度を
算出するものである。

【００１９】また、第２の手段の構成により、校正動作
時に炭酸ガスセンサを密閉し外気雰囲気から遮断するこ
とによって校正中にセンサの動作温度変化以外の影響に
よる出力変化を防止するものである。

【００２０】また、第３の手段の構成により、炭酸ガス
センサ出力を監視し、その安定度を知ることによりセン
サ出力が最も安定した時に校正動作を行うものである。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の第１実施例について図１〜図
２を参照しながら説明する。

【００２２】なお、従来例と同一部分については、同一
番号を付し、詳細な説明は省略する。

【００２３】まず、炭酸ガス濃度算出法について説明す
る。従来例で述べたように固体電解質型炭酸ガスセンサ
の炭酸ガス検知特性は図９に示している。これを数式で
表すと（数１）となる。これをさらに原理的に表すと

【００２４】

【数２】

【００２５】ここで、Ｖ，Ａ，ＣＯ₂は（数１）と同
じ、Ｃは定数、Ｔはセンサの動作温度単位は絶対温度と
なり、（数１）のＢの項がＣとＴに分けられる。

【００２６】ここで、センサ出力の経時変化はＡの値が
変化すると考えられる。そこで、Ａの値（以下基準値と
称する）を求めれば（数２）より出力ＶからＣＯ₂濃度
を求めることができる。

【００２７】そこで、ＣＯ₂濃度が一定の時に、図７に
示すように動作温度をＴ１、からＴ２に変化させる。そ
の時の出力をそれぞれＶ１，Ｖ２とすると

【００２８】

【数３】

【００２９】

【数４】

【００３０】（数３），（数４）より

【００３１】

【数５】

【００３２】となり、Ａ２−Ａ１の値が経時的に安定で
あれば、センサの動作温度とその変化量、そしてセンサ
出力とその変化量より基準Ａが得られる。

【００３３】よって、センサ出力よりＣＯ₂濃度を算出
するには、（数２）にここで得られた基準値Ａを代入す
ることにより

【００３４】

【数６】

【００３５】より、容易に求めることができる。つま
り、炭酸ガスセンサの動作温度を変化させその前後の出
力差を求めることにより雰囲気の炭酸ガス濃度によらず
センサ出力値の校正を行い、通常の計測時には校正によ
って得られた基準値とセンサ出力より容易に炭酸ガス濃
度が求められる。図１に示すように、炭酸ガスセンサ１
０１はヒータ１０２より通常は４００〜５００℃に加熱
され出力記憶手段１および濃度演算手段１０５に信号を
送る。ヒータ１０２はヒータ電力供給手段１０６の電力
供給を受けヒータ電圧設定手段２により炭酸ガスセンサ
１０１が所定の温度になるようにヒータ印可電圧を設定
している。また、校正タイミング出力手段３ａは一定間
隔（例えば２４時間間隔で炭酸ガス濃度が安定している
時間帯、早朝が望ましい）で校正タイミングを表わす信
号を出力記憶手段１およびヒータ電圧設定手段２に送
る。ヒータ電圧設定手段２は校正タイミング出力手段３
ａの出力を受けヒータ電圧を所定の時間、校正用電圧に
設定し炭酸ガスセンサの動作温度を校正用温度にする。
出力記憶手段１は校正タイミング出力手段３ａの信号を
受けその直前の炭酸ガスセンサの信号を記憶する。出力
差演算手段４は出力記憶手段１に記憶された信号と炭酸
ガスセンサ１０１の出力の差を演算し基準値演算手段５
に出力する。基準値演算手段５は出力差演算手段４の出
力より基準値を演算し濃度演算手段１０５に基準値を送
る。濃度演算手段１０５は炭酸ガスセンサ１０１の信号
と基準値演算手段５の基準値とを取り込み炭酸ガス濃度
を演算し、濃度出力手段１０６に炭酸ガス濃度を送る。
濃度出力手段１０６は炭酸ガス濃度を外部に出力する。

【００３６】次に動作について説明する。図２におい
て、通常の計測時はステップ６から８の動作を繰り返し
行っている。この動作を説明すると、まず校正タイミン
グ出力手段３ａでステップ６の校正タイミングかどうか
を判断し、ステップ９へ進み校正を行う、校正タイミン
グで無ければステップ７に進み濃度演算手段１０５内で
基準値と炭酸ガスセンサ１０１から受けた信号とから炭
酸ガス濃度が算出されステップ８で濃度出力手段１０６
から前記炭酸ガス濃度が外部に出力される。以降はステ
ップ６に戻る。

【００３７】つぎに、校正動作を行う場合、前述したよ
うにステップ６の校正タイミング出力手段３ａで校正タ
イミングであると判断するとステップ９から１２の校正
動作を行う。ステップ９では出力記憶手段１に炭酸ガス
センサ１０１の出力（Ｖ１）が記憶される。その後、ス
テップ１０に進みヒータ電圧設定手段２によりヒータ電
力供給手段１０３より受けた電圧を炭酸ガスセンサ１０
１の動作温度が計測用温度（Ｔ１）から校正用温度（Ｔ
２）になるようにヒータ電圧を設定する（センサ動作温
度は、計測時（Ｔ１）４００〜５００℃の所定の温度、
校正動作時（Ｔ２）は計測時の温度から２５〜１００℃
の所定の温度だけ変化させることが望ましい。）。次
に、ステップ１１では一定時間経過後（１〜３０分）出
力差演算手段４内で炭酸ガスセンサ１０１から受けた信
号（Ｖ２）と出力記憶手段１から受けた校正動作前の炭
酸ガスセンサ１０１の出力（Ｖ１）の差を演算する。ス
テップ１２では出力差演算手段４から受けた出力差より
基準値を演算し基準値を新しい値に更新する。ステップ
１２の動作を終えるとステップ７の動作に移り、次回の
校正タイミングまでステップ６から８の動作を繰り返
す。

【００３８】次に、本発明第２実施例について、図３〜
図４を参照しながら説明する。なお、従来例、本発明第
１の実施例と同一の部分には同一の番号をつけて説明は
省略する。

【００３９】図３に示すように、校正タイミング出力手
段３ｂは出力記憶手段１とヒータ電圧設定手段２に校正
タイミングを表す信号を出力するとともにセンサ密閉手
段１３にも信号を出力する。センサ密閉手段１３は校正
タイミング出力手段３ｂの信号を受け、校正動作を行う
間の所定の時間だけ炭酸ガスセンサ１０１を密閉し、炭
酸ガスセンサ１０１の雰囲気を外部と遮断することによ
り一定の炭酸ガス濃度に保持する。

【００４０】次に動作について説明する。図４におい
て、通常の計測時の動作は本発明第１の実施例と同様な
ので省略する。

【００４１】つぎに校正動作を行う場合、ステップ６の
校正タイミング出力手段３ｂにおいて校正タイミングで
あると判断するとステップ１４から１２の校正動作を行
うステップ１４では校正タイミング出力手段３ｂの信号
を受け、センサ密閉手段１３が動作し炭酸ガスセンサ１
０１を密閉する。その後、ステップ９から１１の動作を
行った後、ステップ１５でセンサ密閉手段１３が再び動
作し密閉状態を解除する。つぎに、ステップ１２の基準
値演算手段５で基準値を演算・更新後、通常の計測動作
であるステップ７に戻る。

【００４２】次に、本発明第３実施例について、図５〜
図６を参照しながら説明する。なお、従来例、本発明第
１・第２の実施例と同一の部分には同一の番号をつけて
説明は省略する。

【００４３】図５において出力安定度検出手段１６は、
炭酸ガスセンサ１０１の出力を受け、常にその安定度を
検出し、校正タイミング出力手段３ｃに出力する。校正
タイミング出力手段３ｃは、出力安定度検出手段１６か
ら受けた安定度が所定の範囲（出力の変動が±１ｍＶ／
３０min以内が望ましい）にはいり且つ前回の校正タイ
ミングから所定の時間経過すると校正タイミングを表す
信号を出力記憶手段１およびヒータ電圧設定手段２に出
力する。

【００４４】つぎに動作について説明する。図６におい
て校正動作であるステップ９から１２は、本発明第１の
実施例と同様なので省略する。

【００４５】通常の計測動作であるステップ１７から８
において、ステップ１７では、出力安定度検出手段１６
内で炭酸ガスセンサ１０１の信号を受け、過去数分〜数
時間の信号の安定度を演算する。ステップ６では、校正
タイミング出力手段３ｃ内で前回校正タイミングを出力
してからの経過時間を計るとともに出力安定度検出手段
１７の出力である安定度を受け、経過時間が所定の時間
経過したか判断するとともに安定度が所定の範囲に入っ
ているかを判断する。両者が満足されると校正タイミン
グを表す信号を出力しステップ９から１２の校正動作に
進む。経過時間と安定度どちらか一方でも満足しない場
合は、ステップ７に進む。ステップ７では濃度演算手段
１０５内で炭酸ガスセンサ１０１の信号を受け基準値と
演算し炭酸ガス濃度を求める。つぎに、ステップ７に進
み濃度出力手段１０６より炭酸ガス濃度を外部に出力す
る。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば固体電解
質型炭酸ガスセンサの経時変化の補正のための校正動作
をセンサの動作温度変化による出力変化を利用して行う
ことにより、雰囲気の炭酸ガス濃度に関係なく補正を行
うことができるため、使用場所を選ばず、また、校正作
業を必要としないため経済的に精度良く炭酸ガス濃度を
計測できる効果のある炭酸ガス濃度検知装置を提供でき
る。

【００４７】また、校正動作中に炭酸ガスセンサを密閉
し雰囲気から遮断することにより、炭酸ガス濃度の変化
の影響による校正精度の悪化を防止できる。また、校正
を行うタイミングを選ばないので雰囲気がどの様な状態
でも校正が可能となる効果のある炭酸ガス濃度検知装置
を提供できる。

【００４８】さらに校正動作を行うタイミングをセンサ
出力の安定性より判断するため、常に最適な状態で校正
を行うことができ、精度が向上し、特別な機構を必要と
しないため非常に経済的な効果のある炭酸ガス濃度検知
装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の炭酸ガス濃度検知装置の
構成を示すブロック図

【図２】同炭酸ガス濃度検知装置の動作を示すフローチ
ャート

【図３】本発明の第２実施例の炭酸ガス濃度検知装置の
構成を示すブロック図

【図４】同炭酸ガス濃度検知装置の動作を示すフローチ
ャート

【図５】本発明の第３実施例の炭酸ガス濃度検知装置の
構成を示すブロック図

【図６】同炭酸ガス濃度検知装置の動作を示すフローチ
ャート

【図７】本発明の炭酸ガス濃度検知装置の校正動作を説
明するグラフ

【図８】炭酸ガスセンサの経時変化を示すグラフ

【図９】炭酸ガスセンサの炭酸ガス検知特性を示すグラ
フ

【図１０】従来の炭酸ガス濃度検知装置の構成を示すブ
ロック図

【符号の説明】 １ 出力記憶手段 ２ ヒータ電圧設定手段 ３ａ 校正タイミング出力手段 ３ｂ 校正タイミング出力手段 ３ｃ 校正タイミング出力手段 ４ 出力差演算手段 ５ 基準値演算手段 １３ センサ密閉手段 １６ 出力安定度検出手段 １０１ 炭酸ガスセンサ １０２ ヒータ １０３ ヒータ電力供給手段 １０５ 濃度演算手段 １０６ 濃度出力手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 27/26 G01N 27/406 G01N 27/416

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭酸ガス濃度を検知する固体電解質型炭酸
   ガスセンサと前記炭酸ガスセンサを測定温度に加熱する
   ヒータと前記ヒータに電力を供給するヒータ電力供給手
   段と校正開始タイミングを出力する校正タイミング出力
   手段と前記校正タイミング出力手段の出力を受け、前記
   ヒータの温度を一定時間校正温度に変更するヒータ電圧
   設定手段と前記校正タイミング出力手段の出力を受け、
   校正開始タイミング直前の前記炭酸ガスセンサの出力を
   記憶する出力記憶手段と、校正タイミング後の前記炭酸
   ガスセンサの出力と前記出力記憶手段に記憶した出力と
   の差を演算する出力差演算手段と前記出力差演算手段の
   出力より校正基準値を演算する基準値演算手段と前記炭
   酸ガスセンサの出力と前記基準値演算手段の出力より炭
   酸ガス濃度を演算する濃度演算手段と前記濃度演算手段
   から受けた炭酸ガス濃度を外部に出力する濃度出力手段
   とからなる、炭酸ガス濃度検知装置。
2. 【請求項２】校正タイミング手段の出力を受け、炭酸ガ
   スセンサの雰囲気を一定に保つセンサ密閉手段を設けて
   なる請求項１記載の炭酸ガス濃度検知装置。
3. 【請求項３】炭酸ガスセンサの出力を監視し、その安定
   度を検知し校正タイミング出力手段に安定度を出力する
   出力安定度検出手段を設けてなる請求項１または２記載
   の炭酸ガス濃度検知装置。