JP3918588B2 - Gas detector control device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は一酸化炭素や漏洩ガスの検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のこの種のガス検出装置としては例えば一酸化炭素検出装置の構成として、特開2000−346825公報に記載されているようなものがあった。図10は前記公報に記載された従来の一酸化炭素ガス検出装置を示すものである。
【0003】
図10において1は固体電解質板、2、3は電極、4は一酸化炭素酸化触媒、5はヒータであり、セラミック板6の上に形成されている。ヒータ5に通電することにより、電極2、3間に一酸化炭素濃度に応じた電圧が出力され、その出力電圧から一酸化炭素濃度を知り、警報を発し、一酸化炭素中毒事故を未然に防ぐというものであった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来の構成では、ガス検出部に近接設置された加熱用ヒータにパルス上に電圧が間欠印加されると、ヒータの温度が急激に上昇し、ヒータが断線したり、熱膨張の差により、ヒータが基板から剥離したりする可能性があり、ヒータの加熱が適切にされず、正しくガス濃度が検知されない可能性があった。
【0005】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、ガス検知部の加熱を間欠的に行い、かつヒータに電圧印加時も階段状に設定温度を上げていく電圧を与えることにより急激な温度変化に伴うヒータの性能を損なうことなく、ガス濃度の検出に最適な温度をガス検出部に与える構成とすることにより、ガス検出器の検知精度の向上および信頼性の向上を図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】
前記従来の課題を解決するために一定温度に加熱されることにより、ガス濃度を検出するガス検出部とガス検出部を加熱する発熱体と発熱体に電力を供給する電力供給手段と発熱体に間欠的に複数階段状のパルス電圧を印加する電圧制御手段を備えたものである。
【0007】
これによって、発熱体に対する熱的な衝撃が少なくなり、ガス検出器の信頼性の向上および省電力化を図ることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明は、一定温度に加熱されることにより、ガス濃度を検出するガス検出部を加熱する発熱体に電力を供給する電力供給手段と前記発熱体に間欠的に複数階段状のパルス電圧を印加する電圧制御手段を備え、印加パルス毎にフィルタの時定数を切換える時定数切換手段を有するものであり、発熱体に対する熱的な衝撃が少なくなり、ガス検出器の信頼性の向上および省電力化を図ることができるとともに、制御電圧すなわち設定温度に応じて適切な立ち上がり動作を選択することが可能となる。
【0017】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【0018】
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1、3、4、5、9におけるガス検出器の制御装置の構成図である。
【0019】
7は電圧制御手段であり、8、9、10はアナログスイッチであり、制御電圧11、12、13(13はアース電位)を信号電圧出力手段としてのマイコン14の制御信号線15、16、17の電位をhighにすることによって、オペアンプ18の+端子に印加する。オペアンプ18の出力にはインピーダンス変換された+端子の電圧がそのまま出力され、フィルタ19の抵抗20、コンデンサ21を経てオペアンプ22の+端子の入力になる。PNPトランジスタ23とNPNトランジスタ24および直流電源25はヒータ5への電力供給手段26を構成している。
【0020】
この構成において直流電源25からPNPトランジスタ23のエミッタ−コレクタを流れ、ヒータ5に流れ込む電流はPNPトランジスタ23のベース電流によって決まる。PNPトランジスタ23のべース電流はNPNトランジスタ24のベース電圧、すなわちオペアンプ22の出力電圧で制御される。オペアンプ22の−端子と+端子が同電位になるように動作することによってヒータ5に流入する電流が決まり、発熱による抵抗値の変動が平衡状態に達するので、ヒータ5の温度の平衡も達成される。
【0021】
図2にヒータ5の抵抗−温度特性を示す。温度が上昇すると抵抗値が増加し、オペアンプ22の−端子の電圧が増加する。+端子との電圧差が小さくなるとNPNトランジスタ24のベース電流が絞られ、従ってPNPトランジスタ23のベース電流も絞られ、ヒータ5に流入する電流も絞られ、制御電圧に相当した電圧がヒータ5に印加されることになる。そしてヒータ5の温度は一定値に制御される。そして制御電圧を変化させれば、ヒータ5の温度も追随して変化する。従って初段で一定のパルス幅の制御電圧を出力し、初段電圧を切った後、第二段で一定のパルス幅で初段と異なった電圧を出力すると二段階のヒータ5の温度制御が可能となり、同様に制御を重ねていくと多段のヒータ温度制御が可能となる。
【0022】
図3は印加される制御電圧及びヒータ5の電圧を示すタイムチャートである。(A)は制御電圧の時間経過を、(B)はヒータ電圧の時間経過を示している。
【0023】
制御電圧が間欠的に印加されるとヒータ5の電圧はフィルターの時定数で立ち上がり制御電圧にまで到達する。この場合のパルス幅は10msec〜20msecであり、制御温度は初段が200℃、二段目が450℃である。周期は10〜30秒である。
【0024】
図4はガス検出部の構成を示す斜視図である。検出ガスは一酸化炭素ガスである。図4において、1は400℃〜500℃の高温下で酸素イオン導電性を有する固体電解質板で、その表面には一対の電極2、3を設置し、これらの電極2、3は、エレクトロンビーム蒸着またはスパッタリングまたは厚膜印刷法により形成されている。電極は通常白金電極が用いられる。
【0025】
また、4は一酸化炭素の酸化触媒を含浸保持した一酸化炭素酸化触媒層(図は一部分切り欠いて描いている。)で、通気性を有し、電極2を覆っている。そして、5はセラミック板6の表面に蒸着もしくは印刷によって形成されたヒータであり、固体電解質板1および一酸化炭素酸化触媒層4を加熱して一酸化炭素検知素子として動作させる。電極2、3間には一酸化炭素濃度に応じた電圧が出力される。なお一酸化炭素酸化触媒層4と電極2、3と固体電解質板1によりガス検出部27が構成されている。以上のように構成されたガス検出部について、以下その動作、作用を説明する。
【0026】
まず上記の構成による一酸化炭素検出の作用を説明する。一定温度に加熱されると、一酸化炭素酸化触媒層4通過した一酸化炭素ガスは、一酸化炭素酸化触媒層4を通過する時に酸化されて電極2には到達しない。従って、固体電解質板1中の電極2の近傍では式(1)で示される反応によって電極2に吸着された酸素原子がイオン化される。
【0027】
O+2e-→O2- 式(1)
一方、電極3の近傍では式(1)で示される反応に加えて、一酸化炭素ガスが到達して来るので式(2)で示される反応も起きている。
【0028】
CO+O2-→CO2+2e- 式(2)
そして、固体電解質板1の電極2と電極3の近傍での反応の差によって電極2、3間に電位差が発生する。すなわち一酸化炭素の濃度に応じて電位差が変化し、一酸化炭素検知素子として動作する。
【0029】
ヒータ5は式(1)、式(2)の反応が安定して起こるように、固体電解質板1、一酸化炭素酸化触媒層4を一定の温度に加熱するための熱源であり、間欠駆動で加熱を実現させている。
【0030】
以上のように本実施例においては、ヒータ5の制御電圧を変えたパルス電圧を加えることにより、ヒータ5に大きな熱衝撃を与えることなくヒータ5の加熱を実現することができ、一酸化炭素検出器としての信頼性の向上、特性の安定化を図ることが可能となる。
【0031】
ここではガス検出装置の一例として一酸化炭素検出の例を説明したが、検出部を加熱することによってメタンガス、プロパンガスなどの可燃性ガスを検出するガス検出装置についても本発明は有効であることは言うまでもない。
【0032】
(実施例2)
図5は本発明の実施例2のガス検出器の制御装置の構成図である。可変抵抗器28と固定抵抗29によって直流電源25の電圧が抵抗分割され、アナログスイッチ8の入力となる。また可変抵抗器30と固定抵抗31によって直流電源25の電圧が抵抗分割され、アナログスイッチ9の入力となっている。可変抵抗器28と固定抵抗29および可変抵抗器30と固定抵抗31とで基準電圧設定手段を構成している。アナログスイッチ8、9、10は基準電圧切換手段を構成している。
【0033】
この構成によればヒータ5の制御電圧は可変抵抗器28、30で抵抗値を設定することで設定することができ、ヒータ5の温度を簡単に変更、最適値に設定することが可能になる。
【0034】
(実施例3)
図1において制御電圧11、12、13はアナログスイッチ8、9、10によって切換えられてオペアンプ18の+端子に入力されている。アナログスイッチ8、9、10の選択はマイコン14の制御信号線15、16、17の電位をhighにすることによってなされ、各信号線の電位をhighにする時間がパルス幅を決める。基準電圧切換手段をアナログスイッチとしたこの構成によるとアナログスイッチ8、9、10は電磁リレーの接点などで切換える場合と比較するとはるかに高速に1ミリ秒以下の速さで切換えが可能でかつ接点の開閉に伴う雑音の発生も少ない。また接点の漏洩も少なく制御電圧の干渉も少ない。従って階段的に制御電圧を高速に切換えることが可能となる。
【0035】
(実施例4)
図1においてオペアンプ18の+端子(制御電圧切換手段の出力部)とアース間に高抵抗32(1MΩ〜2MΩ)をつないでいる。高抵抗32は電源投入時にオペアンプ18の+端子の電位をアース電位近傍に保ち、装置が過渡状態にある時にヒータ5に異常電圧が印加されてヒータ5が破壊されるのを防いでいる。抵抗値が低いと制御電圧に影響を与え、高すぎる電位安定の効果がなくなってしまうので、1MΩ〜2MΩの範囲が適切な抵抗範囲である。
【0036】
この構成にすることによって装置が電源投入時など過渡状態にある時にヒータ5に異常電圧が印加されるのを防止し、ヒータ5が破壊されるのを防いでいる。
【0037】
(実施例5)
図1において電圧制御手段7の出力部にはフィルタ19があり、抵抗20とコンデンサ21によって構成され抵抗値と要領の積CRで決まる時定数でパルス電圧の立ち上がりがなまる。そしてなまった電圧がオペアンプ22の+端子に入力されるので、−端子に接続されているヒータ5の電圧も図3に示したようになまって立ちあがる。従ってフィルタ19なしで直接パルス電圧がオペアンプ22の+端子に印加される場合と比較すると、ヒータ5に加わる熱衝撃は大幅に緩和され、ヒータ5の熱衝撃に伴う不良を防止することができる。
【0038】
(実施例6)
図6は本発明の実施例6におけるヒータ電圧とヒータ温度を示す図である。
【0039】
(A)はヒータ電圧であり、(B)はヒータ温度である。初段のヒータ温度は250℃に、次段のヒータ温度は450℃に設定されており、パルス幅は初段、次段共に20msecとしている。このように段階を経て、所定ヒータ温度に設定していることにより、熱衝撃によるヒータの不良を防いでいる。
【0040】
(実施例7)
図7は本発明の実施例7におけるガス検出器の制御装置の構成図である。
【0041】
電圧制御手段7の出力部には抵抗20、33、34とコンデンサ19と時定数切換手段であるアナログスイッチ35、36、37があり、アナログスイッチ35、36、37をマイコン14の制御信号線15、16、17の電位をhighにすることによって、(パルス電圧を選択すると同時に)抵抗20、33、34を選択し、時定数を切換えている。
【0042】
このような構成にすることにより、個別のパルス電圧毎に時定数を設定することができ、室温状態から200℃程度へ上昇させる時にはパルス幅を狭く、時定数を小さくして早く立ち上げ、200℃状態から450℃への上昇にはパルス幅を広く、時定数を大きくしてゆっくりと立ち上げることが可能となり、熱衝撃を緩和することが可能となる。
【0043】
(実施例8)
図8は本発明の実施例8の印加される制御電圧及びヒータ5の電圧を示すタイムチャートである。
【0044】
(A)は制御電圧の時間経過を、(B)はヒータ電圧の時間経過を示している。初段のパルス電圧幅は10msec、制御温度は200℃設定、時定数は3msec程度とすると、次段のパルス電圧幅は25msec、制御温度は450℃設定、時定数は10msec程度とすることによって低温では上昇速度を早く、高温では上昇速度をゆっくりと制御し、ヒータ5への熱衝撃の少ない温度制御を実現することができる。
【0045】
(実施例9)
図9は本発明の実施例9におけるマイコン14の制御信号線15、16、17の信号電圧を示すタイムチャートである。
【0046】
制御信号線15及び制御信号線16は個々のパルス電圧が出ている間出力され、制御信号線17は制御信号線15と制御信号線16の信号が出力されていない時に出力される。図1において制御信号線17が出力される時はアナログスイッチ10によってオペアンプ18の+端子がアース電位に保たれ、ヒータ5に印加される電圧も0Vとなる。制御信号線17はパルス電圧が出力されていないときに確実に出力され、ヒータ5の電位を確実にア−ス電位に保つために、外乱雑音にも強い信頼性の高い装置を実現することができる。
【0047】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ガス検出部の加熱用ヒータに印加する電圧をパルス的に印加して省電力化を図ると共にヒータへの電圧印加を階段的に行うことにより、ヒータへの急激な熱衝撃を緩和し、ガス検出器の信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1、3、4、5、9におけるガス検出器の制御装置の構成図
【図2】本発明の実施例1のヒータの抵抗−温度特性図
【図3】本発明の実施例1における制御電圧及びヒータの電圧を示すタイムチャート
【図4】本発明の実施例1におけるガス検出部の構成を示す斜視図
【図5】本発明の実施例2におけるガス検出器の制御装置の構成図
【図6】本発明の実施例6におけるヒータ印加電圧とヒータ温度を示す図
【図7】本発明の実施例7におけるガス検出器の制御装置の構成図
【図8】本発明の実施例8の制御電圧及びヒータの電圧を示すタイムチャート
【図9】本発明の実施例9におけるマイコン制御信号線の信号電圧を示すタイムチャート
【図10】従来の一酸化炭素ガス検出装置の構成図
【符号の説明】
1 固体電解質板
2、3 電極
4 一酸化炭素酸化触媒
5 ヒータ
6 セラミック板
7 電圧制御手段
8、9、10 アナログスイッチ(基準電圧切換手段)
11、12、13 制御電圧
14 マイコン(信号電圧出力手段)
15、16、17 制御信号線
19 フィルタ
20、33、34 抵抗
22 オペアンプ
25 直流電源
26 電力供給手段
27 ガス検出器
28、30 可変抵抗器
29、31 固定抵抗
32 高抵抗
35、36、37 アナログスイッチ(時定数切換手段)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for detecting carbon monoxide and leaked gas.
[0002]
[Prior art]
As a conventional gas detection device of this type, for example, there has been a configuration described in JP 2000-346825 A as a configuration of a carbon monoxide detection device. FIG. 10 shows a conventional carbon monoxide gas detection device described in the publication.
[0003]
In FIG. 10, 1 is a solid electrolyte plate, 2 and 3 are electrodes, 4 is a carbon monoxide oxidation catalyst, and 5 is a heater, which are formed on a
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional configuration, when a voltage is intermittently applied on the pulse to the heater for heating installed close to the gas detector, the temperature of the heater rises rapidly, the heater is disconnected, or due to a difference in thermal expansion. The heater may peel off from the substrate, and the heater may not be properly heated, and the gas concentration may not be detected correctly.
[0005]
The present invention solves the above-described conventional problems, and the gas detector is heated intermittently, and a voltage that raises the set temperature stepwise is also applied to the heater even when a voltage is applied. The purpose is to improve the detection accuracy and reliability of the gas detector by giving the gas detector the optimum temperature for gas concentration detection without impairing the performance of the heater involved. It is.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described conventional problems, a gas detection unit that detects a gas concentration, a heating element that heats the gas detection unit, a power supply unit that supplies power to the heating element, and a heating element A voltage control means for intermittently applying a plurality of stepped pulse voltages is provided.
[0007]
As a result, the thermal shock to the heating element is reduced, and the gas detector can be improved in reliability and power saving.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, when heated to a constant temperature, a power supply means for supplying power to a heating element that heats a gas detection unit that detects a gas concentration and intermittently applying a plurality of stepped pulse voltages to the heating element. It has a voltage control means for switching, and has a time constant switching means for switching the time constant of the filter for each applied pulse , reducing the thermal shock to the heating element, improving the reliability of the gas detector and saving power In addition, it is possible to select an appropriate rising operation according to the control voltage, that is, the set temperature.
[0017]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0018]
Example 1
FIG. 1 is a configuration diagram of a control device for a gas detector in the first, third, fourth, fifth, and ninth embodiments of the present invention.
[0019]
[0020]
In this configuration, the current flowing from the
[0021]
FIG. 2 shows the resistance-temperature characteristics of the
[0022]
FIG. 3 is a time chart showing the applied control voltage and the
[0023]
When the control voltage is intermittently applied, the voltage of the
[0024]
FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the gas detection unit. The detection gas is carbon monoxide gas. In FIG. 4,
[0025]
[0026]
First, the operation of detecting carbon monoxide with the above configuration will be described. When heated to a certain temperature, the carbon monoxide gas that has passed through the carbon monoxide
[0027]
O + 2e − → O 2− formula (1)
On the other hand, in the vicinity of the
[0028]
CO + O 2− → CO2 + 2e − Formula (2)
A potential difference is generated between the
[0029]
The
[0030]
As described above, in this embodiment, by applying a pulse voltage in which the control voltage of the
[0031]
Here, an example of carbon monoxide detection has been described as an example of a gas detection device, but the present invention is also effective for a gas detection device that detects flammable gases such as methane gas and propane gas by heating the detection unit. Needless to say.
[0032]
(Example 2)
FIG. 5 is a configuration diagram of the control device for the gas detector according to the second embodiment of the present invention. The voltage of the
[0033]
According to this configuration, the control voltage of the
[0034]
(Example 3)
In FIG. 1,
[0035]
Example 4
In FIG. 1, a high resistance 32 (1 MΩ to 2 MΩ) is connected between the + terminal of the operational amplifier 18 (the output portion of the control voltage switching means) and the ground. The
[0036]
With this configuration, an abnormal voltage is prevented from being applied to the
[0037]
(Example 5)
In FIG. 1, there is a
[0038]
(Example 6)
FIG. 6 is a diagram showing the heater voltage and heater temperature in Example 6 of the present invention.
[0039]
(A) is the heater voltage, and (B) is the heater temperature. The heater temperature of the first stage is set to 250 ° C., the heater temperature of the next stage is set to 450 ° C., and the pulse width is set to 20 msec for both the first stage and the next stage. Thus, through the steps, the heater is set to a predetermined heater temperature, thereby preventing the heater from being defective due to thermal shock.
[0040]
(Example 7)
FIG. 7 is a configuration diagram of a control device for a gas detector in
[0041]
The output section of the voltage control means 7 includes
[0042]
With such a configuration, a time constant can be set for each individual pulse voltage. When the temperature is raised from room temperature to about 200 ° C., the pulse width is narrowed, the time constant is reduced, and the time constant is increased. In order to increase from 450C to 450C, the pulse width is wide and the time constant can be increased to start up slowly, and the thermal shock can be mitigated.
[0043]
(Example 8)
FIG. 8 is a time chart showing the applied control voltage and the
[0044]
(A) shows the passage of time of the control voltage, and (B) shows the passage of time of the heater voltage. If the pulse voltage width of the first stage is 10 msec, the control temperature is set to 200 ° C., and the time constant is about 3 msec, the pulse voltage width of the next stage is set to 25 msec, the control temperature is set to 450 ° C., and the time constant is set to about 10 msec. The rising speed is fast, and the rising speed is controlled slowly at high temperatures, and temperature control with less thermal shock to the
[0045]
Example 9
FIG. 9 is a time chart showing signal voltages of the
[0046]
The
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the voltage applied to the heater for heating of the gas detection unit is applied in a pulsed manner to save power and the voltage application to the heater is performed stepwise to the heater. It is possible to reduce the rapid thermal shock of the gas detector and improve the reliability of the gas detector.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a control device for a gas detector in Examples 1, 3, 4, 5, and 9 of the present invention. FIG. 2 is a resistance-temperature characteristic diagram of a heater in Example 1 of the present invention. FIG. 4 is a perspective view showing a configuration of a gas detection unit in the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a gas detection in the second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram showing a heater applied voltage and a heater temperature in
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