JP3715162B2 - Gas detection device and gas detection method - Google Patents
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Description
【0001】
【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11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11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11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12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12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12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13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、ヒータとガスを検出するセンサ素子とが設けられた接触燃焼式ガスセンサと、パルス駆動信号を発生し、このパルス駆動信号を前記ヒータに印加することにより前記接触燃焼式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、前記接触燃焼式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接触燃焼式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サンプリングされた複数のセンサ出力値の変化に基づき前記ガスが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、前記ガス識別手段は、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、且つ第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第2ガス検出ポイント時刻後の第3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し、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、且つ第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第3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。
【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、パルス駆動信号をヒータに印加することにより接触燃焼式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、接触燃焼式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、ガス識別手段は、サンプリング手段により接触燃焼式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サンプリングされた複数のセンサ出力値の変化に基づきガスが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を容易に識別することができる。また、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、且つ第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第2ガス検出ポイント時刻後の第3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でき、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、且つ第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第3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できる。
【0017】
請求項2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3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、前記第2ガス検出ポイントは、前記第1ガス検出ポイントと前記第3ガス検出ポイントとの略中間点に設定されていることを特徴とする。
【0018】
請求項2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3ガス検出ポイントは、オン駆動期間の略終点に設定され、第2ガス検出ポイントは、第1ガス検出ポイントと第3ガス検出ポイントとの略中間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ガス検出ポイント及び第3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。
【0019】
請求項3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。
【0020】
請求項3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。
【0021】
請求項4の発明のガス検出方法は、パルス駆動信号を発生し、このパルス駆動信号を接触燃焼式ガスセンサに設けられたヒータに印加することにより前記接触燃焼式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、前記接触燃焼式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、前記接触燃焼式ガスセンサに設けられた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、前記接触燃焼式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サンプリングされた複数のセンサ出力値に基づき前記ガスの種類を識別するガス識別ステップとを含み、前記ガス識別ステップは、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、且つ第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第2ガス検出ポイント時刻後の第3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し、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、且つ第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第3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。
【0024】
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3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、前記第2ガス検出ポイントは、前記第1ガス検出ポイントと前記第3ガス検出ポイントとの略中間点に設定されていることを特徴とする。
【0025】
請求項6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。
【0026】
【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。
【0027】
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ガスセンサの温度のタイミングチャートである。
【0028】
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を識別することを特徴とするものである。
【0029】
図1に示すガス検出装置において、ガスセンサ1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。
【0030】
このガスセンサ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するセンサ素子3と、比較素子4とを有して構成される。図2(a)にガスセンサ1の断面図、図2(b)にガスセンサの上面図を示す。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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
センサ素子3は、ガスの燃焼を促すためのヒータ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。
【0035】
以上の構成のガスセンサ1によれば、ヒータ2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、これによって、高感度で且つ高速にガスを燃焼させることができる。
【0036】
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を有するブリッジ回路6を備えている。このブリッジ回路6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。このブリッジ回路6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。
【0037】
このブリッジ回路6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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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、コレクタはブリッジ回路6の比較素子4及び抵抗R10に接続される。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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は、トランジスタTr1がオンのときにオンしてヒータ2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をオフ駆動する。
【0044】
このため、CPU11は、図3に示すように、パルス駆動信号により、ガスセンサ1をオフ駆動することで低温(R.T℃を990ms間だけ維持)とし、ガスセンサ1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。
【0045】
トランジスタTr2及び抵抗R7〜R9は、ガスセンサ1内部のヒータ2を駆動するヒータ駆動部を構成する。こ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。
【0046】
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、ガスセンサ1のセンサ素子3からセンサ出力値をサンプリングしている。
【0047】
ガス識別部15は、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、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。
【0048】
また、ガス識別部15は、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。
【0049】
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であることを音声により報知する。スピーカ19、LED21a、LED21bは、報知手段を構成する。
【0050】
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の説明に先立って、実施の形態のガス検出装置が図3に示すようなパルス駆動方式を採用した理由を図4乃至図9の図面を参照して説明する。
【0051】
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4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。
【0052】
図4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。
【0053】
次に、実施の形態のガスセンサ1を図3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1の各種ガス感度応答特性を図5乃至図9に示す。図5はガスセンサ1の酢酸ガス感度応答特性を示す。図5(a)は、ガスセンサ1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5(b)は、図5(a)のセンサ出力をプロットした結果を示している。図5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。
【0054】
図6はガスセンサ1の一酸化炭素ガス感度応答特性を示す。図6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7はガスセンサ1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7からもわかるように、このときの感度応答特性は、図5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。
【0055】
図8はガスセンサ1のメタンガス感度応答特性を示す。図8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9はガスセンサ1のイソブ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時におけるセンサ出力がほぼ同一値を示している。
【0056】
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。この相違の一要因としては、酢酸等は低温域でより酸化活性が高いことが考えられる。
【0057】
このため、図3に示すようなパルス駆動方式でガスセンサ1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。
【0058】
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3に示すタイミングチャート及び図10に示すフローチャートを参照して説明する。
【0059】
まず、パルス発生部12が図3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もオフとなるので、ブリッジ回路6には電流が流れない。このため、ヒータ2は低温となる。
【0060】
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もオンとなるので、ブリッジ回路6のヒータ2に電流が流れて、ヒータ2が加熱される。このため、ヒータ2は高温となる。
【0061】
すなわち、パルス駆動信号によりヒータ2がオン駆動/オフ駆動され、図3に示すように、オフ駆動によりガスセンサ1が低温(R.T℃を990ms間だけ維持)となり、オン駆動により高温(400℃を100ms間だけ維持)となる(ステップS103)。
【0062】
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3中の黒丸印)において、ガスセンサ1のセンサ素子3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、電圧値V1を得る(ステップS105)。
【0063】
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、ガスセンサ1のセンサ素子3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、電圧値V2を得る(ステップS107)。
【0064】
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、ガスセンサ1のセンサ素子3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、電圧値V3を得る(ステップS109)。
【0065】
次に、ガス識別部15は、第1ガス検出ポイントDP1における電圧値V1が第2ガス検出ポイントDP2における電圧値V2を超えているか否かを判定し(ステップS111)、電圧値V1が電圧値V2を超えている場合には、第2ガス検出ポイントDP2における電圧値V2が第3ガス検出ポイントDP3における電圧値V3を超えているか否かを判定する(ステップS113)。
【0066】
電圧値V2が電圧値V3を超えている場合、すなわち、(1)式が成立する場合には、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S115)。
【0067】
V1>V2>V3 ・・・・(1)
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。
【0068】
一方、ステップS111において、第1ガス検出ポイントDP1における電圧値V1が第2ガス検出ポイントDP2における電圧値V2未満で、且つ、ステップS113において、第2ガス検出ポイントDP2における電圧値が第3ガス検出ポイントDP3における電圧値V3未満である場合には、すなわち、(2)式が成立する場合には、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S117)。
【0069】
V1<V2<V3 ・・・・(2)
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。
【0070】
このように、実施の形態のガス検出装置によれば、ガスセンサ1に対して図3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、を容易に識別することができる。
【0071】
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。
【0072】
また、1つのガスセンサ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。
【0074】
【発明の効果】
請求項1の発明のガス検出装置、請求項4の発明のガス検出方法によれば、パルス駆動信号を発生し、パルス駆動信号をヒータに印加することにより接触燃焼式ガスセンサをオン駆動/オフ駆動させ、接触燃焼式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、接触燃焼式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サンプリングされた複数のセンサ出力値の変化に基づきガスが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を容易に識別することができる。また、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、且つ第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第2ガス検出ポイント時刻後の第3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でき、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、且つ第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第3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できる。
【0077】
請求項2の発明のガス検出装置、請求項5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3ガス検出ポイントは、オン駆動期間の略終点に設定され、第2ガス検出ポイントは、第1ガス検出ポイントと第3ガス検出ポイントとの略中間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ガス検出ポイント及び第3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。
【0078】
請求項3の発明のガス検出装置、請求項6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ガスセンサの温度のタイミングチャートである。
【図4】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5】ガスセンサの酢酸ガス感度応答特性を示す図である。
【図6】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7】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8】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9】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10】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11】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12】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13】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 ガスセンサ
2 ヒータ
3 センサ素子
4 比較素子
5 ヒータ駆動部
6 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
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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention uses a single gas sensor to detect gas components generated during a fire and other gases such as carbon monoxide (CO) generated during incomplete combustion and methane (CH 4 ) generated when a city gas leaks. The present invention relates to a gas detection device and a gas detection method that are identified.
[0002]
[Prior art]
As a gas sensor for distinguishing between carbon monoxide generated at the time of incomplete combustion and methane generated at the time of city gas leakage, for example, a semiconductor type gas sensor has been conventionally used, and the catalytic activity of this semiconductor gas sensor is utilized. Distinguish between carbon monoxide and methane. FIG. 11 shows gas sensitivity characteristics of a semiconductor gas sensor using a SnO 2 catalyst.
[0003]
In FIG. 11, the horizontal axis represents the sensor element temperature, and the vertical axis represents the sensor resistance. As can be seen from FIG. 11, the SnO 2 catalyst has a high activity for carbon monoxide at a low temperature range and a high activity for methane at a high temperature range. In other words, carbon monoxide has low sensor resistance at low temperatures and methane has low sensor resistance at high temperatures. Therefore, semiconductor gas sensors have the property of selecting carbon monoxide at low temperatures and methane at high temperatures. .
[0004]
For this reason, one gas sensor provided in the gas detection device is periodically and alternately driven in a low temperature region (for example, 100 ° C.) and a high temperature region (for example, 400 ° C.) by the pulse driving method as shown in FIG. By doing so, it is possible to detect the carbon monoxide gas concentration at the low temperature CO detection point (black circle in FIG. 12) and to detect the methane gas concentration at the high temperature methane detection point (black circle in FIG. 12). it can.
[0005]
As a conventional gas detector of this type, for example, a gas leak detector described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-143948 is known.
[0006]
As shown in FIG. 13, the gas leak detection apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 59-143948 includes a metal oxide
[0007]
According to such a gas leak detection apparatus, when the combustible gas touches the
[0008]
Then, the potential of the
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional gas detector and the gas leak detector described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-143948 distinguish between carbon monoxide generated during incomplete combustion and methane generated when city gas leaks. However, it was not possible to distinguish between the gas generated during a fire and the methane generated during leakage of carbon monoxide and city gas generated during incomplete combustion. In addition, even the gas components generated in the event of a fire are not clearly understood.
[0010]
Therefore, the present invention provides a gas detection device and gas that can easily distinguish between gas components generated during a fire and other gases such as carbon monoxide generated during incomplete combustion and methane generated when a city gas leaks. It is an object to provide a detection method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. The gas detection device according to the first aspect of the present invention is a catalytic combustion type gas sensor provided with a heater and a sensor element for detecting gas, generates a pulse drive signal, and applies the pulse drive signal to the heater. Pulse driving means for driving the catalytic combustion type gas sensor on / off, and sampling means for sampling sensor output values detected by the sensor element at a plurality of gas detection points during the on driving period of the catalytic combustion type gas sensor The sampling means generates the gas at the time of a fire or a non-fire based on changes in the sensor output values sampled at a plurality of gas detection points during the on-drive period of the catalytic combustion gas sensor. Gas identifying means for identifying whether the gas is a gas, the gas identifying means is a first gas It exceeds the sensor output value sensor output value at the point out of the second gas detection point after the first gas detection point time, and the sensor output value in the second gas detection point third gas detection after the second gas detection point time When the sensor output value at the point is exceeded, the gas is determined as a gas generated at the time of a fire, and the sensor output value at the first gas detection point is a sensor at the second gas detection point after the first gas detection point time. If the sensor output value at the second gas detection point is less than the output value , and the sensor output value at the third gas detection point is less than the sensor output value at the third gas detection point , the gas is determined to be a gas generated at the time of non-fire.
[0012]
According to the gas detection apparatus of the first aspect of the invention, when the pulse driving means generates a pulse driving signal and applies the pulse driving signal to the heater to drive the catalytic combustion type gas sensor on / off, the sampling means Sample the sensor output value detected by the sensor element at a plurality of gas detection points during the on-drive period of the catalytic combustion type gas sensor, and the gas identification means uses the sampling means during the on-drive period of the catalytic combustion type gas sensor. Based on changes in sensor output values sampled at multiple gas detection points, the gas is identified as a gas generated during a fire or a non-fire gas. Easily identify gases such as carbon monoxide generated during combustion and methane generated when city gas leaks Rukoto can. Further, the sensor output value at the first gas detection point exceeds the sensor output value at the second gas detection point after the first gas detection point time , and the sensor output value at the second gas detection point is after the second gas detection point time. When the sensor output value at the third gas detection point is exceeded , the gas identification means can determine that the gas is a gas generated at the time of the fire, and the sensor output value at the first gas detection point is the first gas detection point time. If the sensor output value at the later second gas detection point is less than the sensor output value at the second gas detection point, and the sensor output value at the third gas detection point is less than the sensor output value at the third gas detection point , Can be judged.
[0017]
According to a second aspect of the present invention, the first gas detection point is set at a substantially middle point of the on-drive period, the third gas detection point is set at a substantially end point of the on-drive period , and the second gas detection point The point is set at a substantially middle point between the first gas detection point and the third gas detection point .
[0018]
According to the invention of
[0019]
A gas detector according to a third aspect of the invention is characterized by comprising a notifying means for notifying the identification result of the type of gas identified by the gas identifying means.
[0020]
Since the notification means of the invention of
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a gas detecting method for generating a pulse driving signal and applying the pulse driving signal to a heater provided in the catalytic combustion type gas sensor to drive the catalytic combustion type gas sensor to be on / off driven. A sampling step of sampling a sensor output value detected by a sensor element provided in the catalytic combustion type gas sensor at a plurality of gas detection points during the on-driving period of the catalytic combustion type gas sensor; A gas identification step of identifying the type of gas based on a plurality of sensor output values sampled at a plurality of gas detection points during the on-drive period of the combustion gas sensor, wherein the gas identification step comprises a first gas detection step The sensor output value at the point is the second gas after the first gas detection point time. Exceeds the sensor output value at the detection point, and when the sensor output value in the second gas detection point exceeds the sensor output value in the third gas detection point after the second gas detection point time, the gas in a fire It is determined that the gas is generated, the sensor output value at the first gas detection point is less than the sensor output value at the second gas detection point after the first gas detection point time , and the sensor output value at the second gas detection point is third. When it is less than the sensor output value at the gas detection point, the gas is determined as a gas generated at the time of non-fire.
[0024]
According to a fifth aspect of the present invention, the first gas detection point is set at a substantially middle point of the on-drive period, the third gas detection point is set at a substantially end point of the on-drive period , and the second gas detection point The point is set at a substantially middle point between the first gas detection point and the third gas detection point .
[0025]
According to a sixth aspect of the present invention, the gas detection method includes a notification step of notifying the identification result of the gas type identified in the gas identification step.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a gas detection device and a gas detection method of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0027]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a gas detection device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a detailed structural diagram of the gas sensor in the gas detection apparatus according to the embodiment. FIG. 3 is a timing chart of the temperature of the gas sensor in the gas detection device of the embodiment.
[0028]
The gas detection device and the gas detection method according to the embodiment include a gas component (acid-containing compound such as acetic acid or carbon monoxide) generated during a timber fire, and carbon monoxide or city gas leak generated during incomplete combustion. It is characterized by distinguishing methane generated.
[0029]
In the gas detection apparatus shown in FIG. 1, the
[0030]
The
[0031]
A
[0032]
Each of the
[0033]
Each of the
[0034]
The
[0035]
According to the
[0036]
1 includes a
[0037]
The
[0038]
The integrated circuit (IC) 1 is supplied with +5 V power, and the
[0039]
The emitter of the transistor Tr1 is supplied with + 5V power, the resistor R2 is connected to the base, the resistor R4 is connected between the emitter and the base, the collector is connected to the output of the IC1 through the resistor R5, and the resistor The transistor Tr2 is connected to the base via R6. A resistor R3 is connected between the + 5V power supply and the output of IC1.
[0040]
The emitter of the transistor Tr2 is supplied with + 5V power via resistors R7 to R9 connected in parallel, the base is connected to the resistor R6, and the collector is connected to the comparison element 4 and the resistor R10 of the
[0041]
Further, as shown in FIG. 1, the
[0042]
As shown in FIG. 3, the pulse drive signal is a signal that repeats on / off at a cycle of 1 second. The on period is 100 ms and the off period is 990 ms. This pulse drive signal is output to the transistor Tr1.
[0043]
The transistor Tr1 is turned on / off by a pulse drive signal. The transistor Tr2 is turned on when the transistor Tr1 is turned on to drive the
[0044]
Therefore, as shown in FIG. 3, the
[0045]
The transistor Tr2 and the resistors R7 to R9 constitute a heater driving unit that drives the
[0046]
The
[0047]
The
[0048]
In addition, the
[0049]
The
[0050]
Next, prior to the description of the operation of the gas detector of the embodiment configured as described above, the reason why the gas detector of the embodiment employs the pulse drive system as shown in FIG. This will be described with reference to FIG.
[0051]
First, gas generated when the timber was fired, that is, various gases generated in the event of a timber fire were analyzed. FIG. 4 shows the gas analysis results when the timber is fired. The inorganic gas was measured by a gas chromatography method, and the low boiling point compound and the high boiling point compound were measured by a gas chromatography method and a mass spectrometry method. Quantitative analysis of formaldehyde and acetaldehyde was measured by liquid chromatography, and quantitative analysis of acetic acid and formic acid was measured by ion chromatography.
[0052]
As can be seen from FIG. 4, carbon monoxide (
[0053]
Next, various gas sensitivity response characteristics of the
[0054]
FIG. 6 shows the carbon monoxide gas sensitivity response characteristics of the
[0055]
FIG. 8 shows the methane gas sensitivity response characteristic of the
[0056]
From the above, it was found that there is a great difference between the transient characteristics for carbon monoxide and methane and the transient characteristics for acetic acid and carbon monoxide + acetic acid. One possible reason for this difference is that acetic acid and the like have higher oxidation activity in the low temperature range.
[0057]
For this reason, the
[0058]
Next, an operation of the gas detection device of the embodiment configured as described above, that is, a gas detection method will be described with reference to a timing chart shown in FIG. 3 and a flowchart shown in FIG.
[0059]
First, the
[0060]
On the other hand, when the pulse drive signal is on, the transistor Tr1 is on. At this time, since the transistor Tr2 is also turned on, a current flows through the
[0061]
That is, the
[0062]
Next, the
[0063]
Furthermore, the
[0064]
Finally, the
[0065]
Next, the
[0066]
When the voltage value V2 exceeds the voltage value V3, that is, when the expression (1) is satisfied, the identification target gas is determined to be a gas such as acetic acid generated at the time of a fire (step S115).
[0067]
V1>V2> V3 (1)
In this case, since the
[0068]
On the other hand, in step S111, the voltage value V1 at the first gas detection point DP1 is less than the voltage value V2 at the second gas detection point DP2, and in step S113, the voltage value at the second gas detection point DP2 is the third gas detection. When the voltage is less than the voltage value V3 at the point DP3, that is, when the equation (2) is satisfied, the
[0069]
V1 <V2 <V3 (2)
In this case, since the
[0070]
As described above, according to the gas detection device of the embodiment, the
[0071]
In addition, since the fact is notified by the speaker 19 and the
[0072]
In addition, it is necessary to provide a fire sensor or the like because one
[0074]
【The invention's effect】
According to the gas detection device of the first aspect of the invention and the gas detection method of the fourth aspect of the invention, the pulse combustion signal is generated, and the pulse drive signal is applied to the heater to drive the catalytic combustion type gas sensor on / off. The sensor output values detected by the sensor elements are sampled at a plurality of gas detection points during the ON drive period of the catalytic combustion type gas sensor, and are sampled at the plurality of gas detection points during the ON drive period of the contact combustion type gas sensor. In addition, it distinguishes whether the gas is generated in the event of a fire or non-fire based on the changes in the sensor output values. Gas such as methane generated when city gas leaks can be easily identified. Further, the sensor output value at the first gas detection point exceeds the sensor output value at the second gas detection point after the first gas detection point time , and the sensor output value at the second gas detection point is after the second gas detection point time. When the sensor output value at the third gas detection point is exceeded , the gas identification means can determine that the gas is a gas generated at the time of the fire, and the sensor output value at the first gas detection point is the first gas detection point time. If the sensor output value at the later second gas detection point is less than the sensor output value at the second gas detection point, and the sensor output value at the third gas detection point is less than the sensor output value at the third gas detection point , Can be judged.
[0077]
According to the gas detection device of the second aspect of the invention and the gas detection method of the fifth aspect of the invention, the first gas detection point is set at a substantially middle point of the on-drive period, and the third gas detection point is on-drive. Since the second gas detection point is set at a substantially middle point between the first gas detection point and the third gas detection point, the sensor output value of the first gas detection point is set. A change in sensor output values at the second gas detection point and the third gas detection point can be easily understood.
[0078]
According to the gas detection device of the invention of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a gas detection device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a detailed structural diagram of a gas sensor in the gas detection device of the embodiment.
FIG. 3 is a timing chart of the temperature of the gas sensor in the gas detection device of the embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a gas analysis result when timber is fired.
FIG. 5 is a diagram showing an acetic acid gas sensitivity response characteristic of a gas sensor.
FIG. 6 is a graph showing a carbon monoxide gas sensitivity response characteristic of a gas sensor.
FIG. 7 is a graph showing sensitivity response characteristics when acetic acid gas and carbon monoxide of a gas sensor are combined.
FIG. 8 is a diagram showing methane gas sensitivity response characteristics of a gas sensor.
FIG. 9 is a graph showing an isobutane gas sensitivity response characteristic of a gas sensor.
FIG. 10 is a flowchart for explaining a gas detection method realized by the gas detection device of the embodiment;
FIG. 11 is a diagram showing gas sensitivity characteristics of a semiconductor gas sensor using a conventional catalyst.
FIG. 12 is a timing chart of the temperature of the gas sensor in the conventional gas detection device.
FIG. 13 is a configuration block diagram of a conventional gas leak detection device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
12
31
Claims (6)
パルス駆動信号を発生し、このパルス駆動信号を前記ヒータに印加することにより前記接触燃焼式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、
前記接触燃焼式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接触燃焼式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サンプリングされた複数のセンサ出力値の変化に基づき前記ガスが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、
前記ガス識別手段は、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、且つ第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第2ガス検出ポイント時刻後の第3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し、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、且つ第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第3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ガス検出装置。A contact combustion type gas sensor provided with a heater and a sensor element for detecting gas;
Pulse driving means for generating a pulse driving signal and applying the pulse driving signal to the heater to drive the catalytic combustion gas sensor on / off;
Sampling means for sampling sensor output values detected by the sensor elements at a plurality of gas detection points during the on-drive period of the catalytic combustion gas sensor;
Whether the gas is generated at the time of a fire or a gas generated at the time of a non-fire based on a change in a plurality of sensor output values sampled at a plurality of gas detection points during the on-drive period of the catalytic combustion gas sensor by the sampling means Gas identifying means for identifying
With
The gas identification means has a sensor output value at a first gas detection point that exceeds a sensor output value at a second gas detection point after the first gas detection point time , and the sensor output value at the second gas detection point is a second gas. If the sensor output value at the third gas detection point after the detection point time is exceeded, the gas is determined to be a gas generated at the time of a fire, and the sensor output value at the first gas detection point is the first gas detection point time. If the sensor output value at the subsequent second gas detection point is less than the sensor output value at the second gas detection point and less than the sensor output value at the third gas detection point , the gas is generated during a non-fire. It is determined that the gas detection device.
前記接触燃焼式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、前記接触燃焼式ガスセンサに設けられた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、
前記接触燃焼式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サンプリングされた複数のセンサ出力値の変化に基づき前記ガスが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、
を含み、
前記ガス識別ステップは、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、且つ第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第2ガス検出ポイント時刻後の第3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し、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、且つ第2ガス検出ポイントにおけるセンサ出力値が第3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ガス検出方法。A pulse driving step of generating a pulse driving signal and applying the pulse driving signal to a heater provided in the catalytic combustion gas sensor to drive the catalytic combustion gas sensor on / off;
A sampling step of sampling sensor output values detected by sensor elements provided in the catalytic combustion gas sensor at a plurality of gas detection points during the on-drive period of the catalytic combustion gas sensor;
A gas for identifying whether the gas is a gas generated at the time of a fire or a gas generated at the time of a non-fire based on changes in a plurality of sensor output values sampled at a plurality of gas detection points during the on-drive period of the catalytic combustion gas sensor An identification step;
Including
In the gas identification step, the sensor output value at the first gas detection point exceeds the sensor output value at the second gas detection point after the first gas detection point time , and the sensor output value at the second gas detection point is the second gas. If the sensor output value at the third gas detection point after the detection point time is exceeded, the gas is determined to be a gas generated at the time of a fire, and the sensor output value at the first gas detection point is the first gas detection point time. If the sensor output value at the subsequent second gas detection point is less than the sensor output value at the second gas detection point and less than the sensor output value at the third gas detection point , the gas is generated during a non-fire. The gas detection method characterized by determining.
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