JP3660183B2 - ガス検出装置及びガス検出方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、火災時に発生するガス成分とその他の例えば不完全燃焼時に発生する一酸化炭素(CO)や都市ガスの漏洩時に発生するメタン(CH4)等の各々のガスを1つのガスセンサで検出して識別するガス検出装置及びガス検出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
不完全燃焼時に発生する一酸化炭素と都市ガス漏洩時に発生するメタンとをそれぞれ識別するためのガスセンサとしては、従来より例えば半導体式ガスセンサが用いられており、この半導体ガスセンサの触媒活性を利用して、一酸化炭素とメタンとを弁別している。図12にSnO2触媒を用いた半導体式ガスセンサのガス感度特性を示す。
【0003】
図12において、横軸はセンサの素子温度であり、縦軸はセンサ抵抗である。図12からもわかるように、SnO2触媒は、低温域で一酸化炭素に対する活性が高く、高温域でメタンに対する活性が高い性質を有している。すなわち、一酸化炭素は低温域でセンサ抵抗が小さく、メタンは高温域でセンサ抵抗が小さいため、半導体式ガスセンサは、低温域で一酸化炭素を選択し、高温域でメタンを選択する特性を持つ。
【0004】
このため、図13に示すようなパルス駆動方式で、ガス検出装置に設けられた1つのガスセンサを低温域(例えば、100℃)と高温域(例えば、400℃)とに周期的に交互に駆動させることにより、低温域のCO検知ポイント(図13中の黒丸印)において一酸化炭素ガス濃度を検出し、高温域のメタン検知ポイント(図13中の黒丸印)においてメタンガス濃度を検出することができる。
【0005】
また、従来のこの種のガス検出装置としては、例えば特開昭59−143948号公報に記載されたガス漏れ検出装置が知られている。
【0006】
この特開昭59−143948号公報に記載されたガス漏れ検出装置は、図14に示すように、可燃性ガスに触れると抵抗値の低下する金属酸化物の感応体102と、この感応体102を所定温度に保持するヒータ103と、感応体101の抵抗値の変化を検出する電圧弁別回路106と、この電圧弁別回路106の出力によりヒータ103のヒータ電圧を変化させるヒータ電圧制御回路105と、感応体101の抵抗値の変化により温度依存性を検知し、可燃性ガスの種類を判別する演算回路108とを有する。
【0007】
このようなガス漏れ検出装置によれば、可燃性ガスが感応体102に触れて抵抗値が低下し、A点の電位が設定された基準電位よりも下がると、電圧弁別回路106が作動してタイマ回路107を作動させ、ヒータ電圧制御回路105によりヒータ103に印加される電圧を変化させる。
【0008】
そして、ヒータ103の電圧変化前後の電位を演算回路108で演算し、現在検出しているガスの温度依存性を演算することにより、特性ガスの種類を検知することができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のガス検出装置や特開昭59−143948号公報に記載されたガス漏れ検出装置にあっては、不完全燃焼時に発生する一酸化炭素と都市ガスの漏洩時に発生するメタンとを識別することができるが、火災時に発生するガスと不完全燃焼時に発生する一酸化炭素及び都市ガスの漏洩時に発生するメタンとエタノール等の雑ガスとのそれぞれを識別することができなかった。また、火災時に発生するガス成分さえも明確に分かっていないのが現状であった。
【0010】
そこで、本発明は、火災時に発生するガス成分とその他の例えば不完全燃焼時に発生する一酸化炭素及び都市ガスの漏洩時に発生するメタン等のガスとエタノール等の雑ガスとのそれぞれを容易に識別することができるガス検出装置及びガス検出方法を提供することを課題とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、以下の構成とした。請求項1の発明のガス検出装置は、第1のヒータとガスを検出する第1のセンサ素子と雑ガスを除去する雑ガス除去フィルタとを有する第1のガスセンサと、第2のヒータとガスを検出する第2のセンサ素子とを有する第2のガスセンサと、パルス駆動信号を発生し、このパルス駆動信号を前記第1のヒータ及び前記第2のヒータの各ヒータに印加することにより前記第1のガスセンサ及び前記第2のガスセンサの各ガスセンサをオン駆動/オフ駆動させるパルス駆動手段と、前記各ガスセンサ毎に、前記ガスセンサの前記オン駆動期間中の複数のガス検出ポイントにおいて、前記センサ素子で検出されたセンサ出力値をサンプリングするサンプリング手段と、このサンプリング手段により前記複数のガス検出ポイントにおいてサンプリングされた前記各ガスセンサ毎の複数のセンサ出力値の変化に基づき前記ガスが雑ガスか火災時に発生するガスか非火災時に発生するガスかを識別するガス識別手段とを備えることを特徴とする。
【0012】
請求項1の発明のガス検出装置によれば、パルス駆動手段が、パルス駆動信号を発生し、このパルス駆動信号を第1のヒータ及び第2のヒータの各ヒータに印加することにより第1のガスセンサ及び第2のガスセンサの各ガスセンサをオン駆動/オフ駆動させると、サンプリング手段は、各ガスセンサ毎に、ガスセンサのオン駆動期間中の複数のガス検出ポイントにおいて、センサ素子で検出されたセンサ出力値をサンプリングし、ガス識別手段は、サンプリング手段により複数のガス検出ポイントにおいてサンプリングされた各ガスセンサ毎の複数のセンサ出力値の変化に基づきガスが雑ガスか火災時に発生するガスか非火災時に発生するガスかを識別するので、火災時に発生するガス成分とその他の例えば不完全燃焼時に発生する一酸化炭素及び都市ガスの漏洩時に発生するメタン等のガスとエタノール等の雑ガスとのそれぞれを容易に識別することができる。
【0013】
請求項2の発明の前記ガス識別手段は、前記第1のガスセンサの出力が無しで且つ前記第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値を超えている場合には、前記ガスを雑ガスと判定することを特徴とする。
【0014】
請求項2の発明によれば、第1のガスセンサの出力が無しで且つ第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値を超えている場合には、ガス識別手段によって、ガスを雑ガスと判定することができる。
【0015】
請求項3の発明の前記ガス識別手段は、前記第1のガスセンサの出力が有りで且つ前記第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値を超えている場合には、前記ガスを火災時に発生するガスと判定することを特徴とする。
【0016】
請求項3の発明によれば、第1のガスセンサの出力が有りで且つ第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値を超えている場合には、ガス識別手段によって、ガスを火災時に発生するガスと判定することができる。
【0017】
請求項4の発明の前記ガス識別手段は、前記第1のガスセンサの出力が有りで且つ前記第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値未満である場合には、前記ガスを非火災時に発生するガスと判定することを特徴とする。
【0018】
請求項4の発明によれば、第1のガスセンサの出力が有りで且つ第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値未満である場合には、ガス識別手段によって、ガスを非火災時に発生するガスと判定することができる。
【0019】
請求項5の発明の前記第1ガス検出ポイントは、前記オン駆動期間の略中間点に設定され、前記第2ガス検出ポイントは、前記オン駆動期間の略終点に設定されていることを特徴とする。
【0020】
請求項5の発明によれば、第1ガス検出ポイントが、オン駆動期間の略中間点に設定され、第2ガス検出ポイントが、オン駆動期間の略終点に設定されているので、第1ガス検出ポイントのセンサ出力値に対して第2ガス検出ポイントのセンサ出力値の変化が容易にわかる。
【0021】
請求項6の発明のガス検出装置は、前記ガス識別手段で識別されたガスの種類の識別結果を報知する報知手段を備えることを特徴とする。
【0022】
請求項6の発明の報知手段は、ガス識別手段で識別されたガスの種類の識別結果を報知するので、発生したガスの種類を容易に識別することができ、これによって安全性を向上することができる。
【0023】
請求項7の発明のガス検出方法は、第1のヒータとガスを検出する第1のセンサ素子と雑ガスを除去する雑ガス除去フィルタとを有する第1のガスセンサ及び第2のヒータとガスを検出する第2のセンサ素子とを有する第2のガスセンサの各ヒータに、パルス駆動信号を印加することにより前記第1のガスセンサ及び前記第2のガスセンサの各ガスセンサをオン駆動/オフ駆動させるパルス駆動ステップと、前記各ガスセンサ毎に、前記ガスセンサが前記オン駆動期間中の複数のガス検出ポイントにおいて、前記センサ素子で検出されたセンサ出力値をサンプリングするサンプリングステップと、前記複数のガス検出ポイントにおいてサンプリングされた前記各ガスセンサ毎の複数のセンサ出力値の変化に基づき前記ガスが雑ガスか火災時に発生するガスか非火災時に発生するガスかを識別するガス識別ステップとを含むことを特徴とする。
【0024】
請求項8の発明の前記ガス識別ステップは、前記第1のガスセンサの出力が無しで且つ前記第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値を超えている場合には、前記ガスを雑ガスと判定することを特徴とする。
【0025】
請求項9の発明の前記ガス識別ステップは、前記第1のガスセンサの出力が有りで且つ前記第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値を超えている場合には、前記ガスを火災時に発生するガスと判定することを特徴とする。
【0026】
請求項10の発明の前記ガス識別ステップは、前記第1のガスセンサの出力が有りで且つ前記第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値未満である場合には、前記ガスを非火災時に発生するガスと判定することを特徴とする。
【0027】
請求項11の発明の前記第1ガス検出ポイントは、前記オン駆動期間の略中間点に設定され、前記第2ガス検出ポイントは、前記オン駆動期間の略終点に設定されていることを特徴とする。
【0028】
請求項12の発明のガス検出方法は、前記ガス識別ステップで識別されたガスの種類の識別結果を報知する報知ステップを含むことを特徴とする。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガス検出装置及びガス検出方法の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【0030】
図1は本発明の実施の形態のガス検出装置の回路構成図である。図2は実施の形態のガス検出装置における活性炭フィルタ付きの第1のガスセンサの詳細な構造図である。図3は実施の形態のガス検出装置における活性炭フィルタ無しの第2のガスセンサの詳細な構造図である。図4は実施の形態のガス検出装置におけるガスセンサの温度のタイミングチャートである。
【0031】
実施の形態のガス検出装置及びガス検出方法は、材木の火災時に発生するガスの成分(酢酸等の含酸系化合物や一酸化炭素))と不完全燃焼時に発生する一酸化炭素や都市ガス漏洩時に発生するメタンとエタノール等の雑ガスとのそれぞれを識別することを特徴とする。
【0032】
図1に示すガス検出装置は、第1のガスセンサ1及び第2のガスセンサ5を有し、各ガスセンサは、例えば、接触燃焼式ガスセンサであり、この接触燃焼式ガスセンサは、ヒータを有するガス検知素子(以下、センサ素子と称する。)とヒータを有する比較素子とで、ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱を検出し、得られたセンサ出力に基づいてガスを識別する。
【0033】
第1のガスセンサ1は、触媒を加熱する白金(Pt)からなるヒータ2と各種のガスを検出し雑ガスであるエタノールを除去する活性炭フィルタ47とセンサ素子3と、比較素子4とを有して構成される。なお、エタノールを除去するフィルタとしては、活性炭フィルタ以外に例えばシリカゲル等のフィルタを例示することができる。
【0034】
図2(a)に第1のガスセンサ1の断面図、図2(b)に第1のガスセンサの上面図を示す。第1のガスセンサ1は、マイクロセンサからなり、図2に示すように、センサ素子3と比較素子4とを有し、センサ素子3と比較素子4とでガスを検出するようになっている。
【0035】
センサ台座31上にはシリコン単結晶からなる基板33が設けられており、この基板33にはダイアフラム35が形成されている。このダイアフラム35は、基板33を異方性エッチングすることによって形成されている。
【0036】
センサ素子3及び比較素子4のそれぞれは、基板33上に設けられ、ダイアフラム35に接触した状態で、ダイアフラム35上に積層されたSiO2膜からなる酸化膜37及びSi3N4膜39上に積層されている。
【0037】
センサ素子3及び比較素子4のそれぞれは、ヒータ2を有し、センサ素子3のヒータ2は、電極41a、41bに接続され、比較素子4のヒータ2は、電極41c、41dに接続されていて、各電極41a〜41dは金(金線43)のワイヤボンディングにより固定されている。
【0038】
センサ素子3は、ヒータ2と、このヒータ2上に積層され且つパラジウム(Pd)5〜15wt%担持したγ−アルミナを触媒とした触媒層45と、エタノールを除去する活性炭フィルタ47とを備えている。比較素子4は、ヒータ2と、このヒータ2上に積層され且つγ−アルミナまたはα−アルミナを触媒とした触媒層(図示せず)とを備えて構成されている。ヒータ2は、ガスの燃焼を促すものであり、触媒層45は、ヒータ2の発熱量に応じて発熱してガスの燃焼に対して触媒として作用する。
【0039】
また、センサ台座31にはヒータ2及び基板33を覆う如くセンサキャップ48が被せられており、このセンサキャップ48には活性炭フィルタ47が取り付けられている。
【0040】
一方、第2のガスセンサ5は、図3に示すように、触媒を加熱する白金(Pt)からなるヒータ6と各種のガスを検出するセンサ素子7と、比較素子4を有して構成される。
【0041】
図3(a)に第2のガスセンサ5の断面図、図3(b)に第2のガスセンサ5の上面図を示す。第2のガスセンサ5は、図3に示すように、センサ素子7と比較素子8とを有し、センサ素子7と比較素子8とでガスを検出するようになっている。
【0042】
図3に示す第2のガスセンサ5は、図2に示す第1のガスセンサ1の構成と基本的にはほぼ同一構成であるが、第1のガスセンサ1の構成に対して、触媒層45の上に活性炭フィルタ47が設けられていない点が異なる。
【0043】
以上の構成の第1のガスセンサ1及び第2のガスセンサ5によれば、ヒータ2及びヒータ6で発生した発熱量を効率よく且つ短時間で触媒層45に伝導することができるため、ガスの検出感度を向上することができる。
【0044】
また、図1に示すガス検出装置は、直列に接続されたセンサ素子3及び比較素子4を有する第1のブリッジ回路10、直列に接続されたセンサ素子7及び比較素子8を有する第2のブリッジ回路9を備えている。第1のブリッジ回路10は、直列に接続されたセンサ素子3及び比較素子4と、直列に接続された抵抗R10〜R12と、が並列に接続されて構成されている。第2のブリッジ回路9は、直列に接続されたセンサ素子7及び比較素子8と、直列に接続された抵抗R14〜R16と、が並列に接続されて構成されている。第1のブリッジ回路10にはトランジスタTr2及び並列接続された抵抗R7〜R9を介して+5V電源が印加されるようになっている。第2のブリッジ回路9にはトランジスタTr3及び並列接続された抵抗R7〜R9を介して+5V電源が印加されるようになっている。
【0045】
第1のブリッジ回路10は、センサ素子3と比較素子4とでガスを燃焼する際に発生する燃焼熱に起因して発生するセンサ素子3の抵抗値変化、及び比較素子4の抵抗値変化を、センサ素子3と比較素子4との接続点から検出し、センサ出力として後述する中央処理装置(CPU)11に出力するようになっている。第2のブリッジ回路9は、センサ素子7と比較素子8とでガスを燃焼する際に発生する燃焼熱に起因して発生するセンサ素子7の抵抗値変化、及び比較素子8の抵抗値変化を、センサ素子7と比較素子8との接続点から検出し、センサ出力として後述するCPU11に出力するようになっている。
【0046】
また、集積回路(IC)1には+5V電源が供給され、このIC1は、非反転入力端子に抵抗R7〜R9の電位を入力し、反転入力端子に基準電圧を入力し、演算出力を抵抗R5及び抵抗R6を介してトランジスタTr2に出力し、演算出力を抵抗R5及び抵抗R13を介してトランジスタTr3に出力している。前記基準電圧は、可変抵抗VRから入力される。並列に接続された可変抵抗VR及びツェナーダイオードZDと、並列に接続された抵抗R1及びコンデンサC1とが直列に接続された回路には、+5V電源が供給されている。
【0047】
トランジスタTr1のエミッタには+5V電源が供給され、ベースには抵抗R2が接続され、エミッタ−ベース間には抵抗R4が接続され、コレクタは抵抗R5を介してIC1の出力に接続されるとともに、抵抗R6を介してトランジスタTr2のベースに接続されている。また、+5V電源とIC1の出力との間には抵抗R3が接続されている。
【0048】
トランジスタTr2のエミッタには、並列接続された抵抗R7〜R9を介して+5V電源が供給され、ベースは抵抗R6に接続され、コレクタは第1のブリッジ回路10の比較素子4及び抵抗R10に接続される。トランジスタTr3のエミッタには、並列接続された抵抗R7〜R9を介して+5V電源が供給され、ベースは抵抗R13に接続され、コレクタは第2のブリッジ回路9の比較素子7及び抵抗R14に接続される。
【0049】
また、前記CPU11は、図1に示すように、パルス発生部12、サンプリング手段としてのデータサンプリング部13、ガス識別手段としてのガス識別部15を有する。パルス発生部12は、ヒータ2を駆動するためのパルス駆動信号を発生し、発生したパルス駆動信号を抵抗R2を介してトランジスタTr1に出力する。
【0050】
パルス駆動信号は、図3に示すように、1秒周期でオンオフを繰り返す信号であり、オン期間が100msでオフ期間が990msであり、このパルス駆動信号はトランジスタTr1に出力される。
【0051】
トランジスタTr1は、パルス駆動信号によりオン/オフする。トランジスタTr2及びトランジスタTr3のそれぞれは、トランジスタTr1がオンのときにオンしてヒータ2,ヒータ6をオン駆動し、トランジスタTr1がオフのときにオフしてヒータ2,ヒータ6をオフ駆動する。
【0052】
このため、CPU11は、図3に示すように、パルス駆動信号により、第1のガスセンサ1及び第2のガスセンサ5のそれぞれをオフ駆動することで低温(R.T℃を990ms間だけ維持)とし、第1のガスセンサ1及び第2のガスセンサ5のそれぞれをオン駆動することで高温(400℃を100ms間だけ維持)としている。
【0053】
トランジスタTr2及び抵抗R7〜R9は、第1のガスセンサ1内部のヒータ2を駆動する第1のヒータ駆動部を構成し、トランジスタTr3及び抵抗R7〜R9は、第2のガスセンサ5内部のヒータ6を駆動する第2のヒータ駆動部を構成する。この第1のヒータ駆動部、第2のヒータ駆動部及び前述したパルス発生部12は、パルス駆動手段を構成する。
【0054】
データサンプリング部13は、センサ温度が400℃になった時(パルス駆動信号がオンした時)から50ms経過時における第1ガス検出ポイントDP1(図3中の黒丸印)、75ms経過時における第2ガス検出ポイントDP2、100ms経過時における第3ガス検出ポイントDP3の各々の検出ポイントにおいて、第1のガスセンサ1のセンサ素子3及び第2のガスセンサ5のセンサ素子7のそれぞれのセンサ素子からセンサ出力値をサンプリングしている。
【0055】
ガス識別部15は、第1のガスセンサ1の出力が無しで且つ第2のガスセンサ5での第1ガス検出ポイントDP1におけるセンサ出力値が第2ガス検出ポイントDP2におけるセンサ出力値を超え、第2ガス検出ポイントDP2におけるセンサ出力値が第3ガス検出ポイントDP3におけるセンサ出力値を超えている場合には、識別対象ガスを雑ガスと判定する。
【0056】
また、ガス識別部15は、第1のガスセンサ1の出力が有りで且つ第2のガスセンサ5での第1ガス検出ポイントDP1におけるセンサ出力値が第2ガス検出ポイントDP2におけるセンサ出力値を超え、第2ガス検出ポイントDP2におけるセンサ出力値が第3ガス検出ポイントDP3におけるセンサ出力値を超えている場合には、識別対象ガスを火災時に発生するガスと判定する。
【0057】
また、ガス識別部15は、第1のガスセンサ1の出力が有りで且つ第2のガスセンサ5での第1ガス検出ポイントDP1におけるセンサ出力値が第2ガス検出ポイントDP2におけるセンサ出力値未満で、且つ第2ガス検出ポイントDP2におけるセンサ出力値が第3ガス検出ポイントDP3におけるセンサ出力値未満である場合には、識別対象ガスを非火災時に発生するガスと判定する。
【0058】
また、CPU11には一酸化炭素やメタン等の非火災時のガスを識別するために点灯するLED21aと火災時に発生する酢酸等の火災時のガスを識別するために点灯するLED21bとエタノール等の雑ガスを識別するために点灯するLED21cとが接続されている。スピーカ19は、非火災時のガスまたは火災時のガスまたは雑数であることを音声により報知する。スピーカ19、LED21a、LED21b、LED21cは、報知手段を構成する。
【0059】
次に、実施の形態のガス検出装置の動作の説明に先立って、実施の形態のガス検出装置が図4に示すようなパルス駆動方式を採用した理由、及び雑ガスと火災時に発生するガスとの識別方法を図5乃至図10の図面を参照して説明する。
【0060】
まず、材木を燻焼させた場合に発生するガス、すなわち、材木の火災時に発生する各種のガスを分析した。図5に材木を燻焼させた場合のガス分析結果を示す。無機ガスは、ガスクロマトグラフィー法により測定し、低沸点化合物及び高沸点化合物は、ガスクロマトグラフィー法、質量分析法により測定した。ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドの定量分析は、液体クロマトグラフィー法により測定し、酢酸、ギ酸の定量分析は、イオンクロマトグラフィー法により測定した。
【0061】
図5からもわかるように、材木の火災時に発生する各種のガスの主成分として、一酸化炭素(ガス濃度1120ppm)及び酢酸(ガス濃度840ppm)が検出された。
【0062】
次に、実施の形態の第1のガスセンサ1及び第2のガスセンサ5のそれぞれのガスセンサを図4に示すようなパルス駆動方式で作動させたときのガスセンサの各種ガス感度応答特性を図6乃至図10に示す。
【0063】
図6はガスセンサの酢酸ガス感度応答特性を示す。図6(a)は、ガスセンサの高温域における100ppm,500ppm,1000ppmの各々の濃度において、0,50ms,75ms,100ms時におけるセンサ出力(mV)を示し、図6(b)は、図6(a)のセンサ出力をプロットした結果を示している。図6からもわかるように、50ms時におけるセンサ出力が最も大きい値を示し、50ms,75ms,100msの順番にセンサ出力が減少している。
【0064】
図7はガスセンサの一酸化炭素ガス感度応答特性を示す。図7からもわかるように、50ms、75ms、100ms時におけるセンサ出力がほぼ同一値を示している。図8はガスセンサの酢酸ガスと一酸化炭素とが複合された場合の感度応答特性を示す。図8からもわかるように、このときの感度応答特性は、図6に示す酢酸ガス感度応答特性とほぼ同等の特性を示し、50ms時におけるセンサ出力が最も大きい値を示している。
【0065】
図9はガスセンサのメタンガス感度応答特性を示す。図9からもわかるように、50ms,75ms,100msの順番にセンサ出力が増加し、100ms時におけるセンサ出力が最も大きい値を示している。図10はガスセンサのイソブタンガス感度応答特性を示す。図10からもわかるように、50ms、75ms、100ms時におけるセンサ出力がほぼ同一値を示している。
【0066】
以上のことから、一酸化炭素やメタンに対する過渡特性と、酢酸及び一酸化炭素+酢酸の過渡特性とには大きな相違があることが判明した。また、雑ガスであるエタノールの感度応答特性を図示していないが、エタノールは、図6に示す酢酸ガス感度応答特性とほぼ同様な感度応答特性を示していることが実験により確認された。この相違の一要因としては、酢酸、エタノール等は低温域でより酸化活性が高いことが考えられる。
【0067】
このため、図4に示すようなパルス駆動方式でガスセンサを駆動させ、パルス駆動信号がオン時(高温域開始時)から50ms、75ms、100msの複数検出ポイントにおいてセンサ出力値をサンプリングし、サンプリングされた複数の検出ポイントにおけるセンサ出力に基づき、火災時に発生するガスとその他のガスとの識別が可能となる。
【0068】
しかし、雑ガスであるエタノールと火災時に発生する酢酸とは過渡特性が同様であるため、エタノールと酢酸との識別ができないことになる。そこで、実施の形態では、活性炭フィルタ47を有する第1のガスセンサ1と活性炭フィルタ無しの第2のガスセンサ5とを設け、エタノールと酢酸との識別を行うようにしている。
【0069】
次に、このように構成された実施の形態のガス検出装置の動作、すなわちガス検出方法を図4に示すタイミングチャート及び図11に示すフローチャートを参照して説明する。
【0070】
まず、パルス発生部12が図4に示すようなパルス駆動信号を発生し(ステップS101)、このパルス駆動信号が抵抗R2を介してトランジスタTr1に印加される。トランジスタTr1は、パルス駆動信号がオフ期間では、オフとなる。このとき、トランジスタTr2及びトランジスタTr3もオフとなるので、第1のブリッジ回路10及び第2のブリッジ回路9には電流が流れない。このため、ヒータ2及びヒータ6は低温となる。
【0071】
一方、パルス駆動信号がオン期間では、トランジスタTr1は、オンとなる。このとき、トランジスタTr2及びトランジスタTr3もオンとなるので、第1のブリッジ回路10のヒータ2及び第2のブリッジ回路9のヒータ6に電流が流れて、ヒータ2及びヒータ6が加熱される。このため、ヒータ2及びヒータ6は高温となる。
【0072】
すなわち、パルス駆動信号によりヒータ2及びヒータ6がオン駆動/オフ駆動され、図4に示すように、第1のガスセンサ1及び第2のガスセンサ5がオフ駆動することで低温(R.T℃を990ms間だけ維持)となり、第1のガスセンサ1及び第2のガスセンサ5がオン駆動することで高温(400℃を100ms間だけ維持)となる(ステップS103)。
【0073】
次に、データサンプリング部13は、センサ温度が400℃になった時から50ms経過時における第1ガス検出ポイントDP1(図4中の黒丸印)において、第1のガスセンサ1のセンサ素子3及び第2のガスセンサ5のセンサ素子7のそれぞれから、センサ出力値をサンプリングし、サンプリングされたセンサ出力値を図示しないアナログ・デジタル変換器(A/D)によりA/D変換することにより、第1のガスセンサ1の出力として電圧値V1,第2のガスセンサ5の出力として電圧値V11を得る(ステップS105)。
【0074】
さらに、データサンプリング部13は、センサ温度が400℃になった時から75ms経過時における第2ガス検出ポイントDP2において、第1のガスセンサ1のセンサ素子3及び第2のガスセンサ5のセンサ素子7のそれぞれから、センサ出力値をサンプリングし、サンプリングされたセンサ出力値をA/DによりA/D変換することにより、第1のガスセンサ1の出力として電圧値V2,第2のガスセンサ5の出力として電圧値V12を得る(ステップS107)。
【0075】
最後に、データサンプリング部13は、センサ温度が400℃になった時から100ms経過時における第3ガス検出ポイントDP3において、第1のガスセンサ1のセンサ素子3及び第2のガスセンサ5のセンサ素子7のそれぞれから、センサ出力値をサンプリングし、サンプリングされたセンサ出力値をA/DによりA/D変換することにより、第1のガスセンサ1の出力として電圧値V3,第2のガスセンサ5の出力として電圧値V13を得る(ステップS109)。
【0076】
次に、ガス識別部15は、第1のガスセンサ1の出力が有るか否かを判定し(ステップS111)、第1のガスセンサ1の出力が有る場合には、第1のガスセンサ1の出力が(1)式の条件を満たすかどうかを判定する(ステップS113)。
【0077】
V1<V2<V3 ・・・・(1)
第1のガスセンサ1の出力が(1)式を満たす場合には、ガス識別部15は、第2のガスセンサ5の出力が(2)式の条件を満たすかどうかを判定する(ステップS115)。
【0078】
V11>V12>V13 ・・・・(2)
第2のガスセンサ5の出力が(2)式の条件を満たす場合には、識別対象ガスを火災時に発生する酢酸等のガスと判定する(ステップS117)。
【0079】
この場合、CPU11がLED21bを点灯させるので、識別対象ガスが火災時に発生する酢酸等のガスであることを容易に識別することができる。また、スピーカ19により、識別対象ガスが火災時のガスであることを報知することもできる。
【0080】
一方、ステップS115において、第2のガスセンサ5の出力が(2)式の条件を満たさない場合には、第2のガスセンサ5の出力が(3)式の条件を満たすかどうかを判定する(ステップS119)。
【0081】
V11<V12<V13 ・・・・(3)
第2のガスセンサ5の出力が(3)式の条件を満たす場合には、ガス識別部15は、識別対象ガスを非火災時に発生するガスと判定する(ステップS121)。
【0082】
この場合、CPU11がLED21aを点灯させるので、識別対象ガスが非火災時に発生する一酸化炭素やメタン等のガスであることを容易に識別することができる。また、スピーカ19により、識別対象ガスが非火災時のガスであることを報知することもできる。
【0083】
一方、ステップS111において、第1のガスセンサ1の出力が無しの場合には、ガス識別部15は、第2のガスセンサ5の出力が(2)式の条件を満たすかどうかを判定する(ステップS123)。
【0084】
第2のガスセンサ5の出力が(2)式の条件を満たす場合には、識別対象ガスを雑ガスと判定する(ステップS125)。このように判定できるのは、エタノールが第1のガスセンサ1の活性炭フィルタ47により吸収除去され、また、エタノールが酢酸と同様なセンサ出力特性を有するためである。
【0085】
この場合、CPU11がLED21cを点灯させるので、識別対象ガスが雑ガスであることを容易に識別することができる。また、スピーカ19により、識別対象ガスが雑ガスであることを報知することもできる。
【0086】
このように、実施の形態のガス検出装置によれば、第1のガスセンサ1及び第2のガスセンサ5のそれぞれに対して図4に示すようなパルス駆動を行い、その出力波形を認識することにより、木材の火災時に発生する酢酸ガス等のガスと、それ以外の一酸化炭素ガス及び都市ガス漏洩時に発生するメタン等のガスと、エタノール等の雑ガスを容易に識別することができる。
【0087】
また、その旨をスピーカ19やLED21a、21bにより報知するので、容易にガスの種類を識別することができ、安全性を向上することができる。
【0088】
また、第1のガスセンサ1によって、木材の火災時に発生する酢酸ガス等のガスとそれ以外の一酸化炭素ガス及びメタン等のガスとを容易に識別することができるため、火災センサ等を設ける必要がなくなり、安価なガス検出装置を提供することができる。
【0089】
なお、本発明は、前述した実施の形態のガス検出方法及びガス検出装置に限定されるものではない。実施の形態では、マイクロマシーニング技術を用いない白金コイルを用いた接触燃焼式ガスセンサについて説明したが、例えば、接触燃焼式ガスセンサに代えて、半導体ガスセンサを用いるようにしても、同様にガスを識別することができる。このほか、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能であるのは勿論である。
【0090】
【発明の効果】
請求項1の発明のガス検出装置、請求項7の発明のガス検出方法によれば、パルス駆動信号を第1のヒータ及び第2のヒータの各ヒータに印加することにより第1のガスセンサ及び第2のガスセンサの各ガスセンサをオン駆動/オフ駆動させ、各ガスセンサ毎に、ガスセンサがオン駆動期間中の複数のガス検出ポイントにおいて、センサ素子で検出されたセンサ出力値をサンプリングし、複数のガス検出ポイントにおいてサンプリングされた各ガスセンサ毎の複数のセンサ出力値の変化に基づきガスが雑ガスか火災時に発生するガスか非火災時に発生するガスかを識別するので、火災時に発生するガス成分とその他の例えば不完全燃焼時に発生する一酸化炭素及び都市ガスの漏洩時に発生するメタン等のガスとエタノール等の雑ガスとのそれぞれを容易に識別することができる。
【0091】
請求項2の発明のガス検出装置、請求項8の発明のガス検出方法によれば、第1のガスセンサの出力が無しで且つ第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値を超えている場合には、ガスを雑ガスと判定することができる。
【0092】
請求項3の発明のガス検出装置、請求項9の発明のガス検出方法によれば、第1のガスセンサの出力が有りで且つ第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値を超えている場合には、ガスを火災時に発生するガスと判定することができる。
【0093】
請求項4の発明のガス検出装置、請求項10の発明のガス検出方法によれば、第1のガスセンサの出力が有りで且つ第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値未満である場合には、ガスを非火災時に発生するガスと判定することができる。
【0094】
請求項5の発明のガス検出装置、請求項11の発明のガス検出方法によれば、第1ガス検出ポイントが、オン駆動期間の略中間点に設定され、第2ガス検出ポイントが、オン駆動期間の略終点に設定されているので、第1ガス検出ポイントのセンサ出力値に対して第2ガス検出ポイントのセンサ出力値の変化が容易にわかる。
【0095】
請求項6の発明のガス検出装置、請求項12の発明のガス検出方法によれば、ガスの種類の識別結果を報知するので、発生したガスの種類を容易に識別することができ、これによって安全性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態のガス検出装置の回路構成図である。
【図2】実施の形態のガス検出装置における活性炭フィルタ付きの第1のガスセンサの詳細な構造図である。
【図3】実施の形態のガス検出装置における活性炭フィルタ無しの第2のガスセンサの詳細な構造図である。
【図4】実施の形態のガス検出装置におけるガスセンサの温度のタイミングチャートである。
【図5】材木を燻焼させた場合のガス分析結果を示す図である。
【図6】ガスセンサの酢酸ガス感度応答特性を示す図である。
【図7】ガスセンサの一酸化炭素ガス感度応答特性を示す図である。
【図8】ガスセンサの酢酸ガスと一酸化炭素とが複合された場合の感度応答特性を示す図である。
【図9】ガスセンサのメタンガス感度応答特性を示す図である。
【図10】ガスセンサのイソブタンガス感度応答特性を示す図である。
【図11】実施の形態のガス検出装置により実現されるガス検出方法を説明するためのフローチャートである。
【図12】従来の触媒を用いた半導体式ガスセンサのガス感度特性を示す図である。
【図13】従来のガス検出装置におけるガスセンサの温度のタイミングチャートである。
【図14】従来のガス漏れ検出装置の構成ブロック図である。
【符号の説明】
1 第1のガスセンサ
5 第2のガスセンサ
2,6 ヒータ
3,7 センサ素子
4,8 比較素子
10 第1のブリッジ回路
9 第2のブリッジ回路
11 CPU
12 パルス発生部
13 データサンプリング部
15 ガス識別部
19 スピーカ
21a,21b LED
31 センサ台座
33 基板
35 ダイアフラム
37 酸化膜
39 Si3N4膜
41 電極
43 金線
45 触媒層
47 活性炭フィルタ
Tr1 トランジスタ
IC1 集積回路
DP1 第1ガス検出ポイント
DP2 第2ガス検出ポイント
DP3 第3ガス検出ポイント
Claims (12)
- 第1のヒータとガスを検出する第1のセンサ素子と雑ガスを除去する雑ガス除去フィルタとを有する第1のガスセンサと、
第2のヒータとガスを検出する第2のセンサ素子とを有する第2のガスセンサと、
パルス駆動信号を発生し、このパルス駆動信号を前記第1のヒータ及び前記第2のヒータの各ヒータに印加することにより前記第1のガスセンサ及び前記第2のガスセンサの各ガスセンサをオン駆動/オフ駆動させるパルス駆動手段と、
前記各ガスセンサ毎に、前記ガスセンサの前記オン駆動期間中の複数のガス検出ポイントにおいて、前記センサ素子で検出されたセンサ出力値をサンプリングするサンプリング手段と、
このサンプリング手段により前記複数のガス検出ポイントにおいてサンプリングされた前記各ガスセンサ毎の複数のセンサ出力値の変化に基づき前記ガスが雑ガスか火災時に発生するガスか非火災時に発生するガスかを識別するガス識別手段と、
を備えることを特徴とするガス検出装置。 - 前記ガス識別手段は、前記第1のガスセンサの出力が無しで且つ前記第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値を超えている場合には、前記ガスを雑ガスと判定することを特徴とする請求項1記載のガス検出装置。
- 前記ガス識別手段は、前記第1のガスセンサの出力が有りで且つ前記第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値を超えている場合には、前記ガスを火災時に発生するガスと判定することを特徴とする請求項1または請求項2記載のガス検出装置。
- 前記ガス識別手段は、前記第1のガスセンサの出力が有りで且つ前記第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値未満である場合には、前記ガスを非火災時に発生するガスと判定することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載のガス検出装置。
- 前記第1ガス検出ポイントは、前記オン駆動期間の略中間点に設定され、前記第2ガス検出ポイントは、前記オン駆動期間の略終点に設定されていることを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれか1項記載のガス検出装置。
- 前記ガス識別手段で識別されたガスの種類の識別結果を報知する報知手段を備えることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載のガス検出装置。
- 第1のヒータとガスを検出する第1のセンサ素子と雑ガスを除去する雑ガス除去フィルタとを有する第1のガスセンサ及び第2のヒータとガスを検出する第2のセンサ素子とを有する第2のガスセンサの各ヒータに、パルス駆動信号を印加することにより前記第1のガスセンサ及び前記第2のガスセンサの各ガスセンサをオン駆動/オフ駆動させるパルス駆動ステップと、
前記各ガスセンサ毎に、前記ガスセンサが前記オン駆動期間中の複数のガス検出ポイントにおいて、前記センサ素子で検出されたセンサ出力値をサンプリングするサンプリングステップと、
前記複数のガス検出ポイントにおいてサンプリングされた前記各ガスセンサ毎の複数のセンサ出力値の変化に基づき前記ガスが雑ガスか火災時に発生するガスか非火災時に発生するガスかを識別するガス識別ステップと、
を含むことを特徴とするガス検出方法。 - 前記ガス識別ステップは、前記第1のガスセンサの出力が無しで且つ前記第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値を超えている場合には、前記ガスを雑ガスと判定することを特徴とする請求項7記載のガス検出方法。
- 前記ガス識別ステップは、前記第1のガスセンサの出力が有りで且つ前記第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値を超えている場合には、前記ガスを火災時に発生するガスと判定することを特徴とする請求項7または請求項8記載のガス検出方法。
- 前記ガス識別ステップは、前記第1のガスセンサの出力が有りで且つ前記第2のガスセンサでの第1ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第1ガス検出ポイント時刻後の第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値未満である場合には、前記ガスを非火災時に発生するガスと判定することを特徴とする請求項7乃至請求項9のいずれか1項記載のガス検出方法。
- 前記第1ガス検出ポイントは、前記オン駆動期間の略中間点に設定され、前記第2ガス検出ポイントは、前記オン駆動期間の略終点に設定されていることを特徴とする請求項8乃至請求項10のいずれか1項記載のガス検出方法。
- 前記ガス識別ステップで識別されたガスの種類の識別結果を報知する報知ステップを含むことを特徴とする請求項7乃至請求項11のいずれか1項記載のガス検出方法。
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