JP2794347B2 - ガス濃度検出方法及び検知素子並びに検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、有機性の気体ガス又は
蒸気（以下ガスという）の検出方法及びそれに用いるガ
ス検知素子ならびにそのようなガス検知素子を使用した
ガス検出装置に関するものであって、特に有機溶剤や燃
料油等の流出ガス漏洩検知に用いるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来この種のガス検出装置に用いられる
ガス検知素子としては、 接触燃焼式ガス検知素子、 金属
酸化物を用いた半導体式ガス検知素子、 ガスの熱伝導度
の差を利用した熱伝導式ガス検出素子等がある。

【０００３】又、特公昭４３−６８３６号、実公昭５４
−１５６７２号公報により開示されたような、外表面
が、有機性ガスに触れることにより、膨潤変形又は体積
変化を起こし易い天然ゴムやシリコンゴム等の高分子材
料に、導電性粉末を分散混入した皮膜抵抗体を用いた検
知素子がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】したがって、従来のこ
の種のガス検出方法及び装置にあっては、前述の接触燃
焼式、半導体式及び熱伝導式等のガス検知素子は何れも
１００〜５００℃に加熱して使用するために、測定中に
ガスの濃度によっては、着火源となって、更には爆発の
危険性がある。したがって、これらのガス検知素子を防
爆構造にしなければならないので、構造が複雑で、大形
に、且つ高価になるという問題があった。 一方、前記
皮膜抵抗体を用いたガス検知素子は、加熱機構の必要が
なく、室温で使用できるので、着火、爆発の危険性はな
く、それ自体が本質安全防爆構造である利点があるが、
低濃度域におけるガス検知感度が低く、又、ガス検知素
子の温度依存性が大きいという欠点を有している。

【０００５】そこで、本発明は、このような従来の皮膜
抵抗体を用いたガス検知素子が有していた問題点を解決
するために、検知素子自体を所定の低温度に維持するこ
とによって、ガス検知感度を向上したガス検出方法と、
それに使用するガス検知素子を提供することを目的とす
るものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】該目的を達成するための
本発明方法、ガス検知素子、ガス検知装置の構成を、そ
れぞれの実施例に対応する図１乃至図８を用いて説明す
ると、本第１発明は、図１〜図３において、外表面を被
検出ガスに露出して接触することにより変化する、皮膜
抵抗体（１ａ）の電気抵抗値を測定して、ガスの濃度を
検出するガス検出方法において、前記の皮膜抵抗体（１
ａ）を検知ガス雰囲気の温度より低い所定温度に維持し
て、前記の電気抵抗値を測定することを特徴とするガス
検出方法である。

【０００７】第２発明は、図１〜図６において、皮膜抵
抗体（１ａ）の下面（１ｂ）を、内部に冷媒（３ａ）を
流通する管体（３）の外側に、、形成着接された構造の
ガス検知素子である。

【０００８】第３発明は、 図１〜図７において、皮膜抵
抗体(1a)が、 熱電対素子(4)の冷接点面(4c)に、 電気絶
縁層(2)を介して着接形成されている構造のガス検知素
子である。

【０００９】第４発明は、図１〜図８において、皮膜抵
抗体(1a)の上面が、 被検出ガスに露出され、下面(1b)
が、 被検出ガス流通管体(13)の内面に配置され、 且つ前
記被検出ガス流通管体(13)の外側に設けた冷却用部材
(7)に連結した熱伝導体(6)の表面に、 電気絶縁層(2)を
介して着接されたガス検知素子(10)を備えたガス検出装
置である。

【００１０】

【作用】本発明は、このような構成、構造としたもので
あるから、本発明方法は、皮膜材を構成する高分子部材
が、外表面に接触したガスを吸着して膨潤し、カーボン
導電粒子間の結合間隙が広がり、電気抵抗を増加し、そ
して、前記の膨潤の度合いは、被検出ガス濃度に依存す
るほか、同一濃度であっても皮膜抵抗体の温度が低いほ
ど膨潤し易くなるという原理を利用したものである。し
たがって、皮膜抵抗体を検知雰囲気温度よりも低く維持
することにより、低濃度のガスを高感度で検知できるの
である。

【００１１】また、本発明ガス検知素子及び検知装置
は、皮膜抵抗体を着接形成する基体が、管体状で内部に
冷媒を流通して基体を冷却して、あるいは熱電素子の冷
接点面に着接してあるので、皮膜抵抗体を低い所定温度
に維持することができ、高い値の電気抵抗として、大き
なスケール目盛りで、正確にかつ容易に読み取り測定す
ることができる。

【００１２】

【実施例】以下本発明の実施例について図面に基づいて
説明する。図中、図１乃至図３は、本第１発明方法の１
実施例を示す図であって、図１はその本発明方法の実施
例装置の構成図を示し、図３はガス検知素子の構造を示
す断面図である。すなわち、本発明方法を実施する検出
装置は、図１に示すような構成で、所定濃度の被測定ガ
スを詰め込んだガスバッグ(11)から、 誘導管(12)を経て
測定容器(13)に導き、 測定容器(13)内において、 整流板
(14)を透して、測定容器(13)内において直交横断するよ
うに配置して、 取り付けた後記のガス検知素子(1)の皮
膜抵抗体(1a)の外表面に触れながら、 他端の流出口(15)
から流量計(16)に導き、 更にポンプ(17)で吸引して、 装
置全体のガスの一定速度の流れを制御するようにしてあ
る。

【００１３】本発明ガス検知素子(1)の構造は、図１〜
図６において、図２に示す外観図、図３に示す断面図の
ように直径約３mmφの肉薄ガラス管の管体(3)の外側面
に、約６mmの間隔を保って一対の電極(5a,5a)およびリ
ード線(5b,5b)を配設し、前記の従来例に従って、所定
の抵抗値が得られるように、炭素粉末を均一に分散させ
た天然ゴムやシリコンゴム等の高分子材料を、両電極(5
a,5a)を被覆するように塗布して皮膜を構成して、皮膜
抵抗体(1a)とする。而して、前記の皮膜抵抗体(1a)のガ
ラス管(3)のダクト穴(3b)中を冷却水(3a)を通すように
してある。

【００１４】また、 本発明ガス検知装置は、 図８に示す
ように、皮膜抵抗体(1a)の上面が、被検出ガスに露出さ
れ、下面(1b)が、 被検出ガス流通管体(13)の内面に配置
され、 且つ前記被検出ガス流通管体(13)の外側に設けた
冷却部材(7)に連結した熱伝導体(6)の表面に、 電気絶縁
層(2)を介して着接されたガス検知素子(10)を備えたガ
ス検出装置である。

【００１５】本発明方法の操作手順は、 その概略を上述
した装置を使用して、先ず測定容器(13)内にフレッシュ
エアを流し、 皮膜抵抗体(1a)を着接したガラス管(3)の
ダクト穴(3b)内に所定温度の水(3a)を通水し、内部温度
をそれぞれ１℃、２１℃、５０℃の所定温度に保って、
ベース値を測定する。次にガスバッグ(11)にトルエン蒸
気を、それぞれ０.２５vol％、０.５０vol％、０.７５v
ol％、１.００vol％、１.２５vol％のガス濃度を維持す
るように試料ガスを調製する。次に皮膜抵抗体(1a)をそ
れぞれ１℃、２１℃、５０℃の温度に保って、測定容器
(13)内を上記それぞれのトルエン含有空気で置換する。
そして測定中のガス流量は５０ml／minとする。 次にガ
ス検知素子(1)の抵抗値が安定した時の値を読み取る。

【００１６】本発明方法では、電気絶縁物であるガラス
管を用いたガス検知素子を使用した例を示したが、熱伝
導の良好な金属管や熱電素子の冷接点面に電気絶縁層を
介して皮膜抵抗体を設けたガス検知素子、または皮膜抵
抗体を冷却する部材として放熱フィンを設けたガス検知
装置を用いてもよい。要は皮膜抵抗体を被検知ガス雰囲
気より低い所定温度に一定に保って、被検知ガスを均一
にガス検知素子に接触させることである。

【００１７】以上の手順にしたがって、トルエン濃度と
ガス検知素子の温度と抵抗値との関係を測定した結果を
図９に示す。図において、曲線Ａ _１ はガス検知素子を１
℃に保った時のトルエン濃度と抵抗値との関係を示し、
また曲線Ａ _２ ，Ａ _３ は２１℃，５０℃に保った時の関係
を示す。図から分かるように、ガス検知素子を１℃に冷
却してガス濃度を測定すれば、冷却せずに室温付近（２
１℃）で測定した時より、トルエン濃度１％では約３０
倍、０．７５％では約６倍の抵抗値変化となり、高感度
になっていることが識知できる。本発明の方法による
と、ガス検知素子（１）の温度を冷却手段を用いて、所
定温度に保つことができて、信頼性の高い測定結果が得
られるのである。

【００１８】更に又、ベンゼンについても前記したトル
エンの場合と同様の測定をして、 比較すると、 ガス検知
素子(1)の温度が２１℃のとき図１０の点線(Ａ₂、Ｂ₂)
で、また、ガス検知素子(1)の温度を１℃に低下させた
とき同図の実線(Ａ₁、Ｂ₁)で、それぞれ示すように、点
線のＡ₂とＢ₂の差よりも、実線のＡ₁とＢ₁の差の方がは
るかに大きい。すなわち、沸点１１０℃のトルエン（Ａ
₁、Ａ₂）の方が、沸点８０℃のベンゼン（Ｂ₁，Ｂ₂）よ
りも温度依存性は大きい。すなわち、ガス検知素子(1)
を低い温度に保つことによって、ガス選択性を著しく向
上させることができるのである。また、逆にガス検知素
子(1)の温度を選ぶことによって、 被測定ガスの選択性
を、もたせることも可能となる。

【００１９】本発明の原理を更に詳しく説明する。前記
したガス検知素子(1)の皮膜材料(1a)のガスによる膨潤
作用は、一種の溶解現象であつて、その膨潤率はガスの
分子のＳＰ値（Solubility Parameter)に依存する。そ
してそのＳＰ値が高分子膜のそれと近い物質ほど、外表
面皮膜(1a)への溶解性は高くなってよく膨潤して、 ガス
検知素子(1)の検知感度は高くなる。また、このガスに
よる膨潤率は、その物質のその温度における相対蒸気濃
度（蒸気濃度／その温度における飽和蒸気濃度）にも依
存する。すなわち、蒸気による皮膜の湿り度合い（平衡
含有率）に依存することになる。ある程度湿った皮膜(1
a)は、それ自体から発生する相対蒸気濃度と気相の相対
濃度が一致したところで平衡が成り立つ。したがって、
気相の蒸気濃度が一定であっても、温度が高いほど相対
蒸気濃度は低く、乾燥し易くなって、皮膜(1a)は湿り難
い。また、沸点の低い物質ほど、一定温度、一定濃度で
の相対蒸気濃度は低くなり、ガスの種類による沸点の相
違によって、著しく検知感度が異なる原因となっている
のである。つまり、 前記したように、 沸点１１０℃のト
ルエンの方が、沸点８０℃のベンゼンよりも検知感度は
高いのである。

【００２０】以上のようなことから、皮膜抵抗体(1a)の
皮膜温度を検知雰囲気の温度より、低い一定温度に維持
することにより低濃度のガスを、加熱機構を要せずに、
高精度、高感度で検知することができるのである。そし
て、このように本発明の基礎となる皮膜抵抗体(1a)を冷
却して動作させる原理のガス検知素子(1)は現在まで存
在しなかったのである。

【００２１】次に、ガス検知素子(1)の実施例について
述べる。図１の装置の構成を示す断面図、図３の同一部
拡大断面図、図２の素子の外観図、図４の断面図におい
て示すガス検知素子(1)は、セラミック製基体の管体(3)
の上に平帯状の電極板(5a,5a)を、間隔を保って配置し
て、それらをリード線(5b,5b)で抵抗計(18)に接続して
ある。 (1a)は電極(5a,5a)の上に被覆するように形成し
た皮膜抵抗体である。 セラミック基体(3)は内部に冷却
用の空気又は水等の冷媒(3a)の通路となるダクト(3b)を
設けてある。

【００２２】以上が基本的な構造であって、応用例とし
て、熱伝導を良好に保って、冷却効果を高めるために、
基体を金属製の管体(3)とするときは、図４及び図６の
断面図に示すように、表面に絶縁層(2)を介して電極板
(5a,5a)を形成する。また、熱電素子の電子冷却素子(4)
を利用するときは、図７にその断面を示すように、その
冷接点面(4c)上に形成した電気絶縁層(2)の上に、電極
板(5a,5a)と皮膜抵抗体(1a)を形成することができ、 そ
のときは熱電素子(4)の電源とそれへ接続するリード線
(4b,4b)が必要で、 冷媒及びその流路は不要である。そ
の場合、点線で示すように、ガス流通管体(13)の内部の
壁面に着接してもよいし、 管体(13)内部に吊り下げて使
用することも可能である。

【００２３】更にまた図８に示す本発明ガス検出装置
は、 前記の皮膜抵抗体(1a)の上面が、被検出ガスに露出
されるとともに、下面(1b)を、 ガス流通管体(13)の内面
に配置され、 且つ前記ガス流通管体(13)の外側に設けた
冷却フィンのような冷却用部材(7)に連結した熱伝導体
(6)の金属面の表面に、 電気絶縁層(2)を介して着接され
た構造のガス検知素子(10)を備えたガス検出装置であ
る。

【００２４】以上本発明の代表的と思われる実施例につ
いて説明したが、本発明は必ずしもこれらの実施例構造
のみに限定されるものではなく、本発明にいう前記の構
成要件を備え、かつ、本発明にいう目的を達成し、以下
にいう効果を有する範囲内において適宜改変して実施す
ることができるものである。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から既に明らかなように、本
発明方法は、皮膜抵抗体(1a)を検知ガス雰囲気の温度よ
り低い温度に維持することにより、低濃度のガスを、従
来の素子の加熱機構を要せずに、高精度、 高感度で検知
できるという従来のものには期待することが出来ない顕
著な効果を有するガス検出方法である。

【００２６】そして、本第２発明は、管体(3)の外側面
に、間隔を保って一対の電極(5a,5a)およびリード線(5
b,5b)を配設し、炭素粉末を均一に分散させた高分子材
を、両電極(5a,5a)を被覆するように塗布して皮膜(1a)
を構成して、ガス検知素子(1)の皮膜抵抗体(1a)とした
構造により、 前記管体(3)のダクト穴(3b)中を冷媒(3a)
を通すことにより、 容易且つ確実に皮膜抵抗体(1a)を低
温に維持することができる効果を有するガス検出素子で
ある。

【００２７】また、 第３発明は、 皮膜抵抗体(1a)が、 熱
電対素子(4)の冷接点面(4c)に、 熱伝導の良好な電気絶
縁層(2)を介して着接されているので、 冷媒を流して冷
却することなく、 容易且つ確実に皮膜抵抗体(1a)を低温
に維持することができる効果を有するガス検知素子であ
る。さらに、 第４発明のガス検出装置に使用されるガス
検知素子(10)は、 本発明の原理を巧みに利用したもの
で、被検出ガスの温度が外温（室温）よりも高く、 その
差が大きい場合等に用いられて特に有効である。 また、
第４発明のガス検出装置は、被検出ガスの温度が特に高
温の場合、冷却用部材(7)を備えないで、 ガス検知素子
(10)をガス流通管体(13)の内部に配置することも可能で
ある。

【００２８】以上のように、皮膜抵抗体を用いたガス検
知素子は、本来的に本質安全防爆構造であるとともに、
小電力消費形のガス警報器に応用でき、また、測定ガス
と皮膜抵抗体の皮膜材料のＳＰ値を選択することによっ
て、検知感度と選択性を向上させることができる。その
他の効果として、皮膜抵抗体の膜厚や電極間の間隔を自
由に選択して、検知感度及び応答速度を調節することが
できる利点がある。また、付帯的効果として、冷却を中
止することによって、昇温することができ、吸着ガスの
脱離を促進して、零点への戻り時間を短くすることがで
きるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法に用いるガス検知素子の外観図。

【図２】本発明方法の実施例装置の構成を示す一部欠截
断面説明図。

【図３】図２の本発明方法に用いるガス検知素子の実施
例のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図。

【図４】本発明のガス検知素子の他の実施例の一部断面
図。

【図５】本発明のガス検知素子の別の実施例の一部欠截
断面図。

【図６】本発明のガス検知素子のまた別の実施例の断面
図。

【図７】熱電素子を適用した本発明の実施例の断面説明
図。

【図８】本発明のガス検出装置の構造を示す断面図。

【図９】本発明方法の、トルエンガスの各濃度におけ
る、ガス検知素子の各温度の抵抗値の変化を示す図。

【図１０】 本発明方法と従来方法例とのトルエンガス
とベンゼンガスのガス検知素子の温度差による抵抗値の
変化の相違を示した図。

【符号の説明】

(1) ガス検知素子 (1a) 皮膜抵抗体 (1b) 皮膜抵抗体の下側面 (2) 電気絶縁層 (3) 管体 (3a) 冷媒 (3b) 冷媒の流路 (4) 熱電対素子 (4c) 冷接点面 (6) 熱伝導体 (7) 冷却用部材 (10) ガス検知素子 (13) ガス流通管体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−74485（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−106358（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−272352（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−259458（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 27/12

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外表面を被検出ガスに露出して接触する
   ことにより変化する、皮膜抵抗体（１ａ）の電気抵抗値
   を測定して、ガスの濃度を検出するガス検出方法におい
   て、前記の皮膜抵抗体（１ａ）を検知ガス雰囲気の温度
   より低い所定温度に維持して、前記の電気抵抗値を測定
   することを特徴とするガス検出方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の皮膜抵抗体(1a)の下面
   (1b)を、 内部に冷媒(3a)を流通する管体(3)の外側面に、
   形成着接されたことを特徴とするガス検知素子。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の皮膜抵抗体(1a)が、 熱
   電対素子(4)の冷接点面(4c)に、 電気絶縁層(2)を介して
   着接形成されていることを特徴とするガス検知素子。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の皮膜抵抗体(1a)の上面
   が、 被検出ガスに露出され、下面(1b)が、 被検出ガス流
   通管体(13)の内面に配置され、 且つ前記被検出ガス流通
   管体(13)の外側に設けた冷却用部材(7)に連結した熱伝
   導体(6)の表面に、 電気絶縁層(2)を介して着接されたガ
   ス検知素子(10)を備えたことを特徴とするガス検出装
   置。