JP4050838B2

JP4050838B2 - Gas detector

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Publication number: JP4050838B2
Application number: JP02236699A
Authority: JP
Inventors: 晋一松本; 一夫翁長; 宗春島袋
Original assignee: FIS Inc
Current assignee: FIS Inc
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2019-01-29
Also published as: JP2000221152A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般家庭や工業分野において少ない電力消費量で可燃性ガスや不完全燃焼ガスを検出するガス検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、都市ガスやプロパンガスなどの可燃性ガスのガス漏れを検知するガス検出装置としては、酸化錫（ＳｎＯ₂）を主成分とする感ガス体を用い、感ガス体の表面に可燃性ガスが付着したことによる感ガス体の抵抗変化から可燃性ガスを検出するものがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなガス検出装置では、感ガス体を加熱するためのヒータを有しており、ヒータを間欠的に通電して感ガス体の温度を高温とする高温期間を間欠的に設け、ヒータに電圧が印加されていない期間に感ガス体の抵抗値を測定して、感ガス体の抵抗値から検出対象ガスを検出するのであるが、感ガス体の熱容量が大きいため、感ガス体を高温に加熱するのに大きな電力を必要としていた。そのため、ガス検出装置を電池で駆動した場合、電池寿命が短くなり、電池で数年間動作させることができないという問題があった。
【０００４】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、消費電力を低減したガス検出装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明では、ガス濃度に応じて抵抗値が変化する略球状の感ガス体と、感ガス体中に埋設されたコイル状のヒータ兼用電極と、該ヒータ兼用電極のコイルの中心を貫通するように感ガス体中に埋設された抵抗検出用電極と、ヒータ兼用電極への通電を制御するとともに、感ガス体の抵抗値から検出対象ガスの濃度を検出する制御部とを備え、上記感ガス体は、ヒータ兼用電極への通電停止時に検出対象ガスに対するガス感度を維持させるような触媒を金属酸化物半導体に担持して形成され、上記制御部はヒータ兼用電極に所定周期で間欠的に通電するとともに、ヒータ兼用電極に電圧が印加されていない期間に、一方のヒータ兼用電極と抵抗検出用電極との間に負荷抵抗を介して所定電圧を印加して、両電極間に発生する電圧から感ガス体の抵抗値を測定することにより検出対象ガスを検出しており、制御部は、検出対象ガスのガス濃度をガス警報を発生すべき警報レベルと、上記警報レベルよりも低い所定の予備検知レベルとの２段階で検出し、ガス濃度が警報レベル以上になるとガス警報を発生する本検知状態と、ガス濃度が予備検知レベル以上になると本検知状態へ移行する予備検知状態とで動作するとともに、ヒータ兼用電極に印加する電力を制御することによって、予備検知状態での感ガス体の加熱温度を本検知状態での加熱温度よりも低くすることを特徴とし、ヒータ兼用電極のコイルの中心を貫通するように抵抗検出用電極が埋設されており、ヒータ兼用電極および抵抗検出用電極を感ガス体中に纏まりよく配置して、感ガス体を小型化することができるから、感ガス体の熱容量を小さくすることができ、したがって感ガス体を加熱する期間を短くして消費電力を低減できるから、制御部の電源を電池とした場合でも長時間動作させることができ、さらに金属酸化物半導体に検出対象のガスに対するガス濃度を制御する触媒を担持して感ガス体を形成しているので、雑ガスの影響を低減して検出対象のガスを正確に検出することができる。しかも、本検知状態と予備検知状態とで、感ガス体の加熱温度を変化させることによって経時変化による感ガス体の抵抗値の変動を少なくすることができ、検知ガスの存在を確実に検出して予備検知状態から本検知状態へと確実に移行させることができる。
【０００６】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、予備検知状態において、感ガス体の抵抗値が所定のしきい値以下になると本検知状態へ移行する絶対値判定と、感ガス体の抵抗値の今回の測定値が過去の測定値よりも所定の変動幅以上低下すると本検知状態へ移行する相対値判定とを行うことを特徴とし、絶対値判定だけでなく、過去の測定値との関係から検出対象ガスを検出しているので、経時変化によって感ガス体の抵抗値が増加したとしても、抵抗値の相対的な変化から検知ガスの存在を確実に検出して予備検知状態から本検知状態へと確実に移行させることができる。
また請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、上記触媒はＰｄまたはＳｂの内のいずれかを少なくとも含むことを特徴とし、所望のガス感度を得ることができる。
【０００７】
請求項４の発明では、請求項１又は２の発明において、上記触媒はＰｄおよびＳｂを共に含むことを特徴とし、請求項３の発明と同様に所望のガス感度を得ることができる。
【０００８】
請求項５の発明では、請求項１乃至４の何れかの発明において、ヒータ兼用電極に通電する時間が感ガス体の熱時定数よりも長いことを特徴とし、感ガス体の熱時定数よりも長い時間感ガス体を加熱することにより、素子表面に付着する水酸基やガスを取り除くクリーニング効果が十分に得られるので、再現性の良いガス感度を得ることができる。
【０００９】
請求項６の発明では、請求項５の発明において、上記所定周期が約２００秒であり、ヒータ兼用電極に通電する時間が約０．８秒であることを特徴とし、感ガス体の熱容量が小さいので、感ガス体を加熱する時間を約０．８秒に短縮することができ、消費電力を低減することができる。
【００１０】
請求項７の発明では、請求項１乃至４の何れかの発明において、制御部は、本検知状態と予備検知状態とで、負荷抵抗の抵抗値を切り換えることを特徴とし、感ガス体の抵抗値に応じて負荷抵抗の抵抗値を所望の値に設定することができるので、Ａ／Ｄ変換の精度を高めることができ、検出対象ガスのガス濃度を正確に検出することができる。
【００１３】
請求項８の発明では、請求項１乃至４の何れかの発明において、周囲温度を検出する温度センサを備え、該温度センサの出力に基づいて上記制御部は感ガス体の抵抗値の温度補償を行うことを特徴とし、温度変化による誤検出を防止することができる。
【００１４】
請求項９の発明では、請求項１乃至４の何れかの発明において、上記制御部はヒータ兼用電極にパルス電圧を印加し、ヒータ兼用電極への通電時における電源電圧に応じてパルス電圧のデューティ比を変化させることを特徴とし、電源電圧の変動に関係無くヒータ兼用電極に一定の電圧を印加させることができ、感ガス体の加熱温度を略一定に制御することができる。
【００１５】
請求項１０の発明では、請求項１乃至９の何れかの発明において、外部より感ガス体に至るガス流路に、感ガス体に接触する気体からアルコール蒸気やシリコン蒸気を除去するフィルタを設けたことを特徴とし、請求項１１の発明では、請求項１０の発明において、上記フィルタが活性炭又はシリカゲルのいずれかからなることを特徴とし、フィルタ層により感ガス体に接触する気体からアルコール蒸気やシリコン蒸気を除去しているので、感ガス体のアルコール感度を低減でき、且つ、被毒物質であるシリコン蒸気から感ガス体を保護することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本実施形態のガス検出装置に用いるガス検出素子は、図１および図２（ａ）（ｂ）に示すように、略円板状の樹脂製のベース１１と、ベース１１を貫通してベース１１の表面側および裏面側に突出する３本の端子１２ａ〜１２ｃと、端子１２ａ〜１２ｃにそれぞれリード線１３ａ〜１３ｃを介して取り付けられたセンシング素子Ａと、天井面１４ａを有する略円筒状に形成され、センシング素子Ａを覆うようにしてベース１１に冠着されるカバー１４と、カバー１４の天井面１４ａに形成された丸孔１４ｂに取り付けられたガス導入用のステンレス製の金網１５とを備えている。
【００１７】
センシング素子Ａは、図１に示すように酸化錫（ＳｎＯ₂）などの金属酸化物半導体を主成分とし楕円球状に形成された所謂焼結体型の感ガス体２０を有しており、この感ガス体２０中にコイル状の白金よりなるヒータ兼用電極２１を埋設するとともに、ヒータ兼用電極２１のコイルの中心を貫通するようにして貴金属線からなる抵抗検出用電極２２を感ガス体２０中に埋設して形成される。ここに、感ガス体２０から突出するヒータ兼用電極２１の両端部から上述したリード線１３ａ，１３ｃが構成され、感ガス体２０から突出する抵抗検出用電極２２の一端部からリード線１３ｂが構成される。なお、ヒータ兼用電極２１のコイルの長手方向に対応する感ガス体２０の外形寸法は約０．８ｍｍ以下に形成され、コイルの長手方向に直交する方向に対応する感ガス体２０の外形寸法は約０．７ｍｍ以下に形成されているので、感ガス体２０を平板状に形成したり、円筒状に形成して筒内にコイルを埋設した場合の外形寸法（約５ｍｍ）に比べて感ガス体２０を小型化することができ、その熱容量を小さくすることができる。したがって、感ガス体２０を加熱する際にヒータ兼用電極２１で消費される消費電力を大幅に低減することができ、電池を電源として動作させた場合でも長期間動作させることができる。例えば、このガス検出装置を４本の単３形アルカリ乾電池で駆動する場合、約１８０秒毎に平均電力が約１１０ｍＷのパルス電圧を約０．５秒間ヒータ兼用電極２１に印加したとすると、ガス検出装置を約１０００日間駆動することができる。なお、本実施形態ではヒータ兼用電極２１の通電時間を約０．５秒間としており、感ガス体２０の熱時定数（約０．３５秒）に比べて十分長いので、感ガス体２０の加熱時に感熱体２０の表面に付着する水酸基やガスを取り除くクリーニング効果が十分に得られるので、再現性の良いガス感度を得ることができる。
【００１８】
ここで、感ガス体２０は、酸化錫（ＳｎＯ₂）を主成分とし、ＳｎＯ₂に対して触媒としてのパラジウム（Ｐｄ）を約２．０ｗｔ％担持して形成される。以下にＳｎＯ₂の調整について簡単に説明する。まず塩化錫（ＳｎＣｌ₄）の水溶液をアンモニア（ＮＨ₃）で加水分解して錫酸ゾルを得て、この得た錫酸ゾルを風乾燥後に空気中において例えば５００℃で１時間焼成し、ＳｎＯ₂を得る。このＳｎＯ₂に対してＰｄの王水溶液を含浸させ、例えば５００℃で空気中において１時間焼成し、Ｐｄを担持させている。Ｐｄを担持させたＳｎＯ₂に骨材として例えば１０００メッシュのアルミナを等量混合し、更にテルピネオールを加えてペースト状にした後、ヒータ兼用電極２１および抵抗検出用電極２２に塗布し、例えば約５００℃で空気中において１時間焼成することにより感ガス体２０が形成される。ここで、ＳｎＯ₂に担持したＰｄは、各種ガスに対する応答速度を改善する（速くする）触媒としての役割を果たしており、雑ガスの影響を低減して検出対象のガスを正確に検出することができる。なお、Ｐｄに加えてＳｂを約２．０ｗｔ％担持させても良いし、Ｓｂのみを約２．０ｗｔ％担持させても良い。
【００１９】
このセンシング素子Ａのヒータ兼用電極２１の加熱を制御するとともに、感ガス体２０の抵抗値変化から検出対象のガス（例えばＣＯ）を検出する制御部２の回路構成を図４に示す。この制御部２は電池３０を電源として駆動される。電池３０の両端間にはダイオードＤ１を介して平滑コンデンサＣ１が接続されており、電池３０の電圧を平滑コンデンサＣ１で平滑した電圧Ｖccが、マイクロコンピュータ（以下、マイコンと称す）３の電源端子Ｖddに供給される。なお制御部２は、検出対象ガスの検出を行う通常モードにおいて、検出対象ガスのガス濃度が所定の予備検知レベル以上になるのを検知する予備検知状態で動作しており、ガス濃度が予備検知レベル以上になると予備検知状態から本検知状態へ移行し、本検知状態ではガス濃度が予備検知レベルよりも高いガス警報を発生すべき警報レベル以上になると、発光ダイオードＬＥＤを２秒に１回点滅させたり、ブザー６を鳴動させたり、フォトカプラＰＣのフォトトランジスタＰＴ１をオンさせたりしてガス警報を発生する。
【００２０】
センシング素子Ａのヒータ兼用電極２１はＰＮＰ型のトランジスタＱ１を介して電池３０の出力端子間に接続され、トランジスタＱ１がオンしたときにヒータ兼用電極２１に通電され、ヒータ兼用電極２１が発熱するようになっている。また、センシング素子Ａの抵抗検出用電極２２は、負荷抵抗Ｒ２とスイッチ素子Ｑ２との直列回路および負荷抵抗Ｒ３とスイッチ素子Ｑ３との直列回路と、ダイオードＤ１とを介して電池３０に接続され、且つ、抵抗Ｒ４を介してマイコン３の入力ポートＩ１に接続されている。
【００２１】
マイコン３の出力ポートＯ１はトランジスタＱ１のベースに接続されており、トランジスタＱ１のエミッタ・ベース間にはプルアップ用抵抗Ｒ１を接続してある。また、マイコン３の出力ポートＯ２，Ｏ３はそれぞれスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３の制御端子に接続されている。マイコン３の出力ポートＯ４には限流抵抗を介して表示用の発光ダイオードＬＥＤのカソードが接続され、出力ポートＯ５には限流抵抗を介してフォトカプラＰＣの発光ダイオードＬ１のカソードが接続されている。これら発光ダイオードＬＥＤ及びＬ１のアノードはそれぞれダイオードＤ１を介して電池３０に接続されている。
【００２２】
ここで、フォトカプラＰＣはガス検出信号を外部に出力するためのスイッチ素子として用いられる。出力端子ｔ１，ｔ２間にはフォトカプラＰＣのフォトトランジスタＰＴ１が接続され、フォトトランジスタＰＴ１にはツェナダイオードＺＤ１が逆並列に接続されており、フォトトランジスタＰＴ１のオンオフによって出力端子ｔ１，ｔ２間に発生する電圧が切り換えられるようになっている。なお、マイコン３は入力ポートＩ８の信号レベルがローレベルに設定されると外部出力モードとなり、出力ポートＯ５から外部に信号出力を行う。
【００２３】
マイコン３の出力ポートＯ６はブザー鳴動用発振回路４に接続されており、出力ポートＯ６から出力される信号によって、ブザー鳴動用発振回路４がブザー５に印加する電圧の極性を交互に反転させ、警報音を発振出力するようになっている。
【００２４】
またマイコン３の出力ポートＯ７はスイッチ素子Ｑ４の制御端子に接続されている。スイッチ素子Ｑ４とグランドとの間には抵抗Ｒ１０を介して定電圧ＩＣ６が接続されており、抵抗Ｒ１０と定電圧ＩＣ６との接続点の電位がマイコン３の入力ポートＩ６に入力される。而して、マイコン３の出力ポートＯ７をローレベルとすると、スイッチ素子Ｑ４の出力がハイレベルとなり、ツェナダイオード６の両端間に約２．５Ｖの基準電圧が発生し、マイコン３はこの基準電圧を入力ポートＩ６から読み込む。
【００２５】
一方、スイッチ素子Ｑ２および負荷抵抗Ｒ２１の接続点とグランドとの間には、温度センサたる温湿度補償用のサーミスタＴＨ１と抵抗Ｒ５との直列回路が接続されており、サーミスタＴＨ１と抵抗Ｒ５の接続点の電位がマイコン３の入力ポートＩ２に入力されている。而して、マイコン３では、入力ポートＩ２からサーミスタＴＨ１および抵抗Ｒ５の分圧電圧を取り込み、この分圧電圧から温度を演算し、入力ポートＩ１から取り込んだ感ガス体２０の両端電圧の温度補償を行っており、温度変化による誤検出を防止している。
【００２６】
スイッチ素子Ｑ２および負荷抵抗Ｒ２の接続点とグランドとの間には、抵抗Ｒ６、可変抵抗器ＶＲ１および抵抗Ｒ７の直列回路と、抵抗Ｒ８、可変抵抗器ＶＲ２および抵抗Ｒ９との直列回路が接続されており、マイコン３の入力ポートＩ３，Ｉ４には、それぞれ、可変抵抗器ＶＲ１，ＶＲ２により設定された設定電圧が入力される。ここに、入力ポートＩ３に入力される電圧は、予備検知状態から本検知状態へ移行すべき検出ガスのガス濃度中での感ガス体２０の両端電圧を温度補償した電圧値と略同じ電圧に可変抵抗器ＶＲ１を用いて設定される。また、入力ポートＩ４に入力される電圧は、本検知状態でガス警報を発生すべき検出ガスのガス濃度中での感ガス体２０の両端電圧を温度補償した電圧値と略同じ電圧に可変抵抗器ＶＲ１を用いて設定される。
【００２７】
また、マイコン３の入力ポートＩ５にはヒータ兼用電極２２の両端間に発生する電圧が入力されている。マイコン３では、トランジスタＱ１のオン時に入力ポートＩ５からヒータ兼用電極２２の両端電圧を読み込み、この両端電圧が所定のしきい値電圧よりも高ければ、ヒータ兼用電極２２が断線したと判断する。
【００２８】
マイコン３のジャンパ入力Ｊ１には抵抗Ｒ１１を介して電圧Ｖccが入力されている。抵抗Ｒ１１とジャンパ入力Ｊ１との接続点はジャンパＪＰ１の端子ｔ３に接続されており、ジャンパＪＰ１の端子ｔ４はグランドに接続されている。ここで、ジャンパＪＰ１の端子ｔ３，ｔ４間が開放されると、ジャンパ入力Ｊ１の電圧レベルがハイレベルとなり、マイコン３は検出対象ガスの検出を行う通常モードで動作する。一方、ジャンパＪＰ１の端子ｔ３，ｔ４間が短絡されると、ジャンパ入力Ｊ１の電圧レベルがローレベルとなり、マイコン３は本検知移行時やガス警報発報時のガス濃度などを調整する警報濃度調整モードで動作する。
【００２９】
尚、図４中の７はマイコン３に基準クロックを与えるためのクロックＩＣであり、８は電源投入時にマイコン３をリセットするためのリセット回路である。また、マイコン３の出力ポートＳＯはデバッグ時にマイコン３内部のデータをシリアルデータとして出力するポートであり、出力ポートＳＣＫは出力ポートＳＯから出力するシリアルデータの同期用クロック信号を出力するためのポートである。また、マイコン３の割込ポートＨＯＬＤには割込発生回路９からの割込信号が入力される。
【００３０】
次に本回路の動作を図５〜図７に示すフローチャートを参照して簡単に説明する。また、図８および図９は各部の波形図であり、図１０は各部のタイムチャートである。
【００３１】
ガス検出装置に電源が投入されると、リセット回路８のリセット信号によってマイコン３がリセットされ（ステップ１０１）、マイコン３は内部データを初期化する（ステップ１０２）。次にマイコン３はジャンパ入力Ｊ１の信号レベルを読み込み、ジャンパ入力Ｊ１の信号レベルがハイレベルであれば、マイコン３の動作モードを検出対象ガスの検出を行う通常モードに設定し、ローレベルであれば警報濃度調整モードに設定する（ステップ１０３）。ここでは、マイコン３の動作モードが通常モードに設定されている場合について以下に説明を行う。
【００３２】
ステップ１０４においてマイコン３は各部の動作点検を行い、出力ポートＯ７の信号レベルをローレベルとしてスイッチ素子Ｑ４をオンし（ステップ１０５）、定電圧ＩＣ６の両端間に発生した基準電圧を入力ポートＩ６から読み込み、電池３０の電源電圧Ｖｓを計算する。この時、電池３０の電源電圧Ｖｓが約４．８Ｖよりも低ければ、マイコン３は電池電圧低下警報を発し（ステップ１０６）、出力ポートＯ４の出力をハイ／ローに切り換え、発光ダイオードＬＥＤを例えば６０秒間に１３回点滅させて、電池電圧が所定の基準値よりも低下したことを表示する（ステップ１０７）。一方、電池３０の電源電圧がＶｓが約４．４Ｖ以上であれば、検出対象ガスの検出動作を行う通常モードに移行し（ステップ１０８）、出力ポートＯ４の出力をハイ／ローに切り換え、発光ダイオードＬＥＤを例えば５０秒に１回点滅させて、通常モードで動作していることを表示する（ステップ１０９）。
【００３３】
次にマイコン３は予備検知状態へ移行し（ステップ１１０）、図８に示すようにヒータ兼用電極２１に約２００秒毎に平均電力が約１００ｍＷのパルス電圧（電圧のピーク値が約０．８Ｖ）を約０．８秒間印加して、ガス検知動作を行う。ここで、マイコン３はトランジスタＱ１のオンオフを制御し、ヒータ兼用電極２１に例えば数百μＳｅｃのパルス電圧を印加しており、パルス電圧のデューティ比を制御することによって、電源電圧の変動に関係無くヒータ兼用電極２１に印加する平均電力が略一定に制御され、感ガス体２０の加熱温度を略一定に制御することができる。なお、ヒータ兼用電極２１に印加するパルス電圧のデューティ制御は以下のようにして行われる。ヒータ兼用電極２１に電圧を印加する際に、先ずマイコン３は図９に示すように出力ポートＯ１から数十μ秒のパルス信号をトランジスタＱ１に出力し、トランジスタＱ１をオンさせてヒータ兼用電極２１にパルス電圧を印加する。このとき同時にマイコン３は、出力ポートＯ７をローレベルとしてスイッチ素子Ｑ４の出力をハイレベルとするとともに、入力ポートＩ６から基準電圧を読み込み、基準電圧の電圧値から電池３０の電源電圧Ｖｓを計算により求め、電源電圧Ｖｓの計算値からヒータ兼用電極２１に印加するパルス電圧のデューティ比を決定する。
【００３４】
ヒータ兼用電極２１に電圧を印加してから約１．８秒が経過すると、マイコン３は出力ポートＯ２，Ｏ３を共にローレベルとして、スイッチＱ２，Ｑ３をオンし、負荷抵抗Ｒ２およびＲ３の並列回路を介して抵抗検出用電極２２に検出電圧を印加するとともに、入力ポートＩ２から電圧を読み込む。マイコン３は、この電圧からサーミスタＴＨ１の抵抗値を求めて周囲温度Ｔを演算し、周囲温度Ｔが−４０℃から７０℃までの温度範囲であれば、以下の式により感ガス体２０の抵抗値の温度補償に用いる抵抗比Ｙを求める（ステップ１１１）。なお、周囲温度Ｔが−４０℃よりも低ければ−４０℃の値を用い、７０℃よりも高ければ７０℃の値を用いる。
【００３５】
Ｙ＝３．６×ｅｘｐ（−０．０６×Ｔ）
ここで、マイコン３は入力ポートＩ１から感ガス体２０に発生した電圧を読み込み、この電圧から感ガス体２０の抵抗値を演算により求め、感ガス体２０の抵抗値に上述の抵抗比Ｙを乗じて温度補償を行い、ステップ１１２において温度補償後の感ガス体２０の抵抗値と、入力ポートＩ３から読み込んだ可変抵抗器ＶＲ１の設定値により設定された抵抗のしきい値とを比較する絶対値判定を行う（図１０の時刻▲１▼）。感ガス体２０の抵抗値がしきい値以下になると、マイコン３はガス濃度が予備検知状態から本検知状態に移行すべきガス濃度以上であると判断して、予備検知状態から本検知状態へ移行する（ステップ１１５へ）。
【００３６】
ステップ１１２において感ガス体２０の抵抗値が所定のしきい値よりも高ければ、マイコン３は、ステップ１１０でヒータ兼用電極２１に電圧を印加してから約１００秒後に、出力ポートＯ２のみをローレベルとして、スイッチ素子Ｑ２をオンし、負荷抵抗Ｒ２を介して抵抗検出用電極２２に検出電圧を印加するとともに、入力ポートＩ１から感ガス体２０に発生した電圧を読み込む。図１０の時刻▲２▼において、マイコン３はこの電圧から感ガス体２０の抵抗値を測定し、今回の測定値を過去３回分の測定値の最大値および最小値を除いた中央値と比較する相対値判定を行う（ステップ１１３）。そして、今回の測定値が過去３回分の測定値の中央値の略２分の１以下になると、マイコン３は予備検知状態から本検知状態へ移行する（ステップ１１５へ）。
【００３７】
ステップ１１３において、今回の測定値が過去３回分の測定値の中央値の略２分の１より高ければ、マイコン３は、ステップ１１０でヒータ兼用電極２１に電圧を印加してから約２００秒後に、出力ポートＯ２のみをローレベルとして、スイッチ素子Ｑ２をオンし、負荷抵抗Ｒ２を介して抵抗検出用電極２２に検出電圧を印加するとともに、入力ポートＩ１から感ガス体２０に発生した電圧を読み込む。図１０の時刻▲３▼において、マイコン３はこの電圧から感ガス体２０の抵抗値を測定し、今回の測定値を過去３回分の測定値の中央値と比較する相対値判定を行う（ステップ１１４）。今回の測定値が過去３回分の測定値の中央値の略２分の１以下になると、マイコン３は予備検知状態から本検知状態へ移行し（ステップ１１５へ）、今回の測定値が過去３回分の測定値の中央値の略２分の１よりも高ければ、マイコン３はステップ１０５へ戻って上述の処理を繰り返し実行する。
【００３８】
上述のように予備検知状態においてマイコン３が絶対値判定および相対値判定を行った結果、マイコン３が予備検知状態から本検知状態へ移行すると、マイコン３は、出力ポートＯ１の出力レベルをハイ／ローに切り換えてトランジスタＱ１をオンオフし、ヒータ兼用電極２１に平均電力が約１１８ｍＷのパルス電圧（電圧のピーク値が約０．９Ｖ）を約０．８秒間印加して、ガス検知動作を行う（ステップ１１５）。このように、予備検知状態において絶対値判定だけでなく相対値判定を行い、過去の測定値との関係から検出対象ガスを検出しているので、経時変化によって感ガス体２０の抵抗値が増加したとしても、抵抗値の相対的な変化から検知ガスの存在を確実に検出して予備検知状態から本検知状態へと確実に移行させることができる。また、予備検知状態と本検知状態とでヒータ兼用電極２１に印加する電圧値（平均電力）を切り換え、感ガス体２０の加熱温度を複数段階に変化させているので、経時変化による感ガス体２０の抵抗値の変動が少なくなり、検知ガスの存在を確実に検出して予備検知状態から本検知状態へと確実に移行させることができる。
【００３９】
ヒータ兼用電極２１に電圧を印加してから約１．８秒が経過すると、マイコン３は出力ポートＯ２，Ｏ３を共にローレベルとして、スイッチＱ２，Ｑ３をオンし、負荷抵抗Ｒ２およびＲ３の並列回路を介して抵抗検出用電極２２に検出電圧を印加するとともに、入力ポートＩ２から電圧を読み込む。マイコン３は、この電圧からサーミスタＴＨ１の抵抗値を求めて周囲温度Ｔを演算し、周囲温度Ｔが−４０℃から７０℃までの温度範囲であれば、以下の式により感ガス体２０の抵抗値の温度補償に用いる抵抗比Ｙを求める（ステップ１１６）。なお、周囲温度Ｔが−４０℃よりも低ければ−４０℃の値を用い、７０℃よりも高ければ７０℃の値を用いる。
【００４０】
Ｙ＝２．６×ｅｘｐ（−０．０５×Ｔ）
ここで、マイコン３は入力ポートＩ１から感ガス体２０に発生した電圧を読み込み、この電圧から感ガス体２０の抵抗値を演算により求め、感ガス体２０の抵抗値に上述の抵抗比Ｙを乗じて温度補償を行い、ステップ１１７において、温度補償後の感ガス体２０の抵抗値と、入力ポートＩ４から読み込んだ可変抵抗器ＶＲ２の設定値により設定された抵抗のしきい値とを比較する絶対値判定を行う（図１０の時刻▲１▼）。感ガス体２０の抵抗値がしきい値以下になると、マイコン３はガス濃度がガス警報を発報すべき警報レベル以上であると判断して、出力ポートＯ４の出力レベルをハイ／ローに切り換え、発光ダイオードＬＥＤを２秒間に１回点滅させると共に、出力ポートＯ５をローレベルとしてフォトカプラＰＣのフォトトランジスタＰＴ１をオン状態とし、ガス警報を発報する（ステップ１１８）。一方、感ガス体２０の抵抗値が所定のしきい値よりも高ければ、マイコン３はステップ１０５に戻って上述の処理を繰り返し実行する。
【００４１】
なお、ガス警報が解除されてから約１００秒が経過すると、マイコン３は感ガス体２０を加熱し、予備検知状態で絶対値判定を行い、検出対象のガスを検出すると本検知状態へ移行し、絶対値判定を行う。また、ガス警報が解除されてから約２００秒が経過すると、マイコン３は感ガス体２０を加熱し、予備検知状態で絶対値判定を行い、検出対象のガスを検出すると本検知状態へ移行し、絶対値判定を行う。さらに、ガス警報が解除されてから約３００秒が経過すると、マイコン３は感ガス体２０の抵抗値を検出して相対値判定を行った後、感ガス体２０を加熱して絶対値判定を行う。この時、検出対象のガスを検出するとマイコン３は本検知状態へ移行し、絶対値判定を行う。さらに、ガス警報が解除されてから約４００秒が経過すると、マイコン３は感ガス体２０の抵抗値を検出して相対値判定を行い、ガス警報が解除されてから約５００秒が経過すると、マイコン３は感ガス体２０を加熱して絶対値判定を行う。この時、検出対象のガスを検出するとマイコン３は本検知状態へ移行し、絶対値判定を行う。これ以後、マイコン３は上述した通常モードで検出対象ガスの検出動作を行う。
【００４２】
ところで、マイコン３はヒータ兼用電極２１に通電してから約０．４秒後、約１．８秒後、約１０秒後、約２００秒後の各時点（図１０の時刻▲４▼）で入力ポートＩ１から抵抗検出用電極２２に発生する電圧を読み込み、通電時から約２００秒が経過した時点で４個の電圧値の差が所定のしきい値以下であれば断線が発生したと判断して（ステップ１２０）、出力ポートＯ４の信号レベルをハイ／ローに反転させ、発光ダイオードＬＥＤを４秒間に１回点滅させて、センサ断線警報を発報する。
【００４３】
次に、図７のフローチャートを参照して警報濃度調整モードについて説明する。マイコン３のリセット時や電源投入時に、ジャンパ入力Ｊ１の信号レベルがローレベルに設定されている場合、マイコン３はジャンパ入力Ｊ１の信号レベルから、動作モードを警報濃度調整モードに設定し（ステップ１３０）、発光ダイオードＬＥＤを２回点滅させるとともに、フォトカプラＰＣを２回オンさせて、警報濃度調整モードに移行したことを表示する（ステップ１３１）。
【００４４】
その後、約２００秒経過後にヒータ兼用コイル２１に平均電力が約１００ｍＷのパルス電圧を約０．８秒間印加して感ガス体２０を加熱し、ヒータ兼用コイル２１に電圧を印加してから約１．８秒後に感ガス体２０の電圧を読み込み、読み込んだ電圧値をＲＡＭに書き込むとともに、約４００秒経過後にヒータ兼用コイル２１に平均電力が約１１８ｍＷのパルス電圧を約０．８秒間印加して感ガス体２０を加熱し、ヒータ兼用コイル２１に電圧を印加してから約１．８秒後に感ガス体２０の電圧を読み込み、読み込んだ電圧値をＲＡＭに書き込む。そして、２つの電圧値のＲＡＭへの書き込みが終了すると、マイコン３は発光ダイオードＬＥＤを３回点滅させる（ステップ１３２）。
【００４５】
ここで、ステップ１３３においてジャンパ入力Ｊ１がローレベルであれば、予備検知状態での絶対値判定用の設定電圧を可変抵抗器ＶＲ１を用いて調整し、設定値電圧が、ステップ１３２でＲＡＭ上に記憶された電圧値と一致すると、マイコン３は発光ダイオードＬＥＤを２回点滅させて、設定値が一致したことを表示する（ステップ１３７）。その後、ステップ１３８においてジャンパ入力Ｊ１がローレベルであれば、ステップ１３９で上述と同様の調整を行い、ジャンパ入力Ｊ１がハイレベルであればステップ１３４で本検知状態での調整を行う。
【００４６】
一方、ステップ１３３においてジャンパ入力Ｊ１がハイレベルであれば、本検知状態での絶対値判定用の設定電圧を可変抵抗器ＶＲ２を用いて調整し、設定値電圧が、ステップ１３２でＲＡＭ上に記憶された電圧値と一致すると、マイコン３は発光ダイオードＬＥＤを２回点滅させて、設定値が一致したことを表示する（ステップ１３４）。その後、ステップ１３５においてジャンパ入力Ｊ１がハイレベルであれば、ステップ１３６で上述と同様の調整を行い、ジャンパ入力Ｊ１がローレベルであればステップ１３７で予備検知状態での調整を行う。
【００４７】
このように本回路では、予備検知状態と本検知状態とでセンシング素子Ａに接続する負荷抵抗Ｒ２，Ｒ３を切り換えており、感ガス体２０の抵抗値に応じて負荷抵抗Ｒ２，Ｒ３の抵抗値を適宜設定することによって、Ａ／Ｄ変換の精度を高めることができ、検出対象ガスを正確に検出することができる。
【００４８】
ところで、図３に示すように、内部に活性炭よりなる外部フィルタ１７が取り付けられた天井面を有する円筒状のキャップ１６をカバー１４に冠着することにより、外部からセンシング素子Ａへガスが流入する径路に外部フィルタ１７を配置し、雑ガスであるアルコール蒸気や被毒ガスであるシリコン蒸気を外部フィルタ１７で除去して、センシング素子Ａのアルコール感度を低減するとともに、シリコン等の被毒物質からセンシング素子Ａを保護して、センシング素子Ａがアルコール蒸気やシリコン蒸気などの影響を受けにくくすることができる。尚、本実施形態では活性炭からなる外部フィルタ１７を用いているが、外部フィルタ１７の材質を活性炭に限定する趣旨のものではなく、外部フィルタ１７の材質をシリカゲル（ＳｉＯ₂）としても良いし、活性炭およびシリカゲルの組み合わせとしても良い。
【００４９】
（実施例１，２）
実施例１，２では、図１および図２に示す構造の感ガス体２０を有するセンシング素子Ａを形成した。ここで、感ガス体２０はＳｎＯ₂に約２．０ｗｔ％のＳｂを担持して形成される。
【００５０】
（実施例３，４）
実施例３，４では、図１および図２に示す構造の感ガス体２０を有するセンシング素子Ａを形成した。ここで、感ガス体２０はＳｎＯ₂に約２．０ｗｔ％のＰｄを担持して形成される。
【００５１】
（実施例５，６）
実施例５，６では、図１および図２に示す構造の感ガス体２０を有するセンシング素子Ａを形成した。ここで、感ガス体２０はＳｎＯ₂に約２．０ｗｔ％のＰｄと、約２．０ｗｔ％のＳｂを担持して形成される。
【００５２】
図１１〜図１６は、それぞれ、実施例１〜６の感ガス体２０に所定の平均電力のパルス電圧を約０．８秒間印加した場合の各種ガスに対するガス感度（すなわち感ガス体２０の抵抗値Ｒｓ（Ω））の時間的な変化を示しており、実施例１〜３，５，６の感ガス体２０では平均電力が約１１８ｍＷのパルス電圧（電圧のピーク値が約０．９Ｖ）が印加され、実施例４の感ガス体２０では平均電力が約１００ｍＷのパルス電圧（電圧のピーク値が約０．８Ｖ）が印加されている。ここで、図１２（ａ）〜図１６（ａ）は電圧印加時から０．５秒後、図１２（ｂ）〜図１６（ｂ）は電圧印加時から０．９秒後、図１２（ｃ）〜図１６（ｃ）は電圧印加時から１．２秒後、図１２（ｄ）〜図１６（ｄ）は電圧印加時から１．８秒後、図１２（ｅ）〜図１６（ｅ）は電圧印加時から２００秒後の各時点における各種ガスに対するガス感度を示している。なお、図中の○はＣＨ₄中における感ガス体２０の抵抗値Ｒｓ、図中の△はＨ₂中における感ガス体２０の抵抗値Ｒｓ、図中の◇はイソブタン中における感ガス体２０の抵抗値Ｒｓ、図中の■はＣ₂Ｈ₅ＯＨに対する感ガス体２０の抵抗値Ｒｓをそれぞれ示している。また、大気中における感ガス体２０の抵抗値を図中に●で示している。
【００５３】
また、図１７〜図２２は、それぞれ、実施例１〜６の感ガス体２０に所定の平均電力のパルス電圧を約０．８秒間（すなわち横軸の０．８秒までの期間）印加した場合の各種ガスに対するガス感度（すなわち感ガス体２０の抵抗値Ｒｓ（Ω））の時間的な変化を示しており、実施例１〜３，５，６の感ガス体２０では平均電力が約１１８ｍＷのパルス電圧（電圧のピーク値が約０．９Ｖ）が印加され、実施例４の感ガス体２０では平均電力が約１００ｍＷのパルス電圧（電圧のピーク値が約０．８Ｖ）が印加されている。尚、図中の○は１０００ｐｐｍのＣＨ₄中における感ガス体２０の抵抗値Ｒｓ、図中の△は１０００ｐｐｍのＨ₂中における感ガス体２０の抵抗値Ｒｓ、図中の◇は１０００ｐｐｍのイソブタン中における感ガス体２０の抵抗値Ｒｓ、図中の■は１０００ｐｐｍのＣ₂Ｈ₅ＯＨに対する感ガス体２０の抵抗値Ｒｓをそれぞれ示している。また、大気中における感ガス体２０の抵抗値を図中に●で示している。
【００５４】
上述の測定結果より、ＳｎＯ₂に対してＳｂを担持して感ガス体２０を形成した実施例１，２では、感ガス体２０への通電を停止した直後から各種ガスに対するガス感度が発生しているが、その数秒後にはガス感度が消滅しているが、ガス感度が発生する領域でＨ₂やＣ₂Ｈ₅ＯＨ等の雑ガスに対するガス感度を小さくすることができた。一方、ＳｎＯ₂に対してＰｄのみを担持して感ガス体２０を形成した実施例３，４、及び、ＳｎＯ₂に対してＰｄ及びＳｂを担持して感ガス体２０を形成した実施例５，６では、Ｈ₂やＣ₂Ｈ₅ＯＨ等の雑ガスに対するガス感度が大きいものの、検出ガスに対するガス感度が発生する時点から約２００秒間、ガス感度を維持することができた。
【００５５】
【発明の効果】
上述のように請求項１の発明は、ガス濃度に応じて抵抗値が変化する略球状の感ガス体と、感ガス体中に埋設されたコイル状のヒータ兼用電極と、該ヒータ兼用電極のコイルの中心を貫通するように感ガス体中に埋設された抵抗検出用電極と、ヒータ兼用電極への通電を制御するとともに、感ガス体の抵抗値から検出対象ガスの濃度を検出する制御部とを備え、上記感ガス体は、ヒータ兼用電極への通電停止時に検出対象ガスに対するガス感度を維持させるような触媒を金属酸化物半導体に担持して形成され、上記制御部はヒータ兼用電極に所定周期で間欠的に通電するとともに、ヒータ兼用電極に電圧が印加されていない期間に、一方のヒータ兼用電極と抵抗検出用電極との間に負荷抵抗を介して所定電圧を印加して、両電極間に発生する電圧から感ガス体の抵抗値を測定することにより検出対象ガスを検出しており、制御部は、検出対象ガスのガス濃度をガス警報を発生すべき警報レベルと、上記警報レベルよりも低い所定の予備検知レベルとの２段階で検出し、ガス濃度が警報レベル以上になるとガス警報を発生する本検知状態と、ガス濃度が予備検知レベル以上になると本検知状態へ移行する予備検知状態とで動作するとともに、ヒータ兼用電極に印加する電力を制御することによって、予備検知状態での感ガス体の加熱温度を本検知状態での加熱温度よりも低くすることを特徴とし、ヒータ兼用電極のコイルの中心を貫通するように抵抗検出用電極が埋設されており、ヒータ兼用電極および抵抗検出用電極を感ガス体中に纏まりよく配置して、感ガス体を小型化することができるから、感ガス体の熱容量を小さくすることができ、したがって感ガス体を加熱する期間を短くして消費電力を低減できるから、制御部の電源を電池とした場合でも長時間動作させることができるという効果があり、さらに金属酸化物半導体に検出対象のガスに対するガス濃度を制御する触媒を担持して感ガス体を形成しているので、雑ガスの影響を低減して検出対象のガスを正確に検出することができる。しかも、本検知状態と予備検知状態とで、感ガス体の加熱温度を変化させることによって経時変化による感ガス体の抵抗値の変動を少なくすることができ、検知ガスの存在を確実に検出して予備検知状態から本検知状態へと確実に移行させることができる。
【００５６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、予備検知状態において、感ガス体の抵抗値が所定のしきい値以下になると本検知状態へ移行する絶対値判定と、感ガス体の抵抗値の今回の測定値が過去の測定値よりも所定の変動幅以上低下すると本検知状態へ移行する相対値判定とを行うことを特徴とし、絶対値判定だけでなく、過去の測定値との関係から検出対象ガスを検出しているので、経時変化によって感ガス体の抵抗値が増加したとしても、抵抗値の相対的な変化から検知ガスの存在を確実に検出して予備検知状態から本検知状態へと確実に移行させることができる。
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、上記触媒はＰｄまたはＳｂの内のいずれかを少なくとも含むことを特徴とし、所望のガス感度を得ることができるという効果もある。
【００５７】
請求項４の発明は、請求項１又は２の発明において、上記触媒はＰｄおよびＳｂを共に含むことを特徴とし、請求項３の発明と同様に所望のガス感度を得ることができる。
【００５８】
請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れかの発明において、ヒータ兼用電極に通電する時間が感ガス体の熱時定数よりも長いことを特徴とし、素子表面に付着する水酸基やガスを取り除くクリーニング効果が十分に得られるので、再現性の良いガス感度を得ることができるという効果がある。
【００５９】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、上記所定周期が約２００秒であり、ヒータ兼用電極に通電する時間が約０．８秒であることを特徴とし、感ガス体の熱容量が小さいので、感ガス体を加熱する時間を約０．８秒に短縮することができ、消費電力を低減できるという効果がある。
【００６０】
請求項７の発明は、請求項１乃至４の何れかの発明において、制御部は、本検知状態と予備検知状態とで、負荷抵抗の抵抗値を切り換えることを特徴とし、感ガス体の抵抗値に応じて負荷抵抗の抵抗値を所望の値に設定することができるので、Ａ／Ｄ変換の精度を高めることができ、検出対象ガスのガス濃度を正確に検出できるという効果がある。
【００６３】
請求項８の発明は、請求項１乃至４の何れかの発明において、周囲温度を検出する温度センサを備え、該温度センサの出力に基づいて上記制御部は感ガス体の抵抗値の温度補償を行うことを特徴とし、温度変化による誤検出を防止することができるという効果がある。
【００６４】
請求項９の発明は、請求項１乃至４の何れかの発明において、上記制御部はヒータ兼用電極にパルス電圧を印加し、ヒータ兼用電極への通電時における電源電圧に応じてパルス電圧のデューティ比を変化させることを特徴とし、電源電圧の変動に関係無くヒータ兼用電極に一定の電圧を印加させることができ、感ガス体の加熱温度を略一定に制御することができるという効果がある。
【００６５】
請求項１０の発明は、請求項１乃至９の何れかの発明において、外部より感ガス体に至るガス流路に、感ガス体に接触する気体からアルコール蒸気やシリコン蒸気を除去するフィルタを設けたことを特徴とし、請求項１１の発明では、請求項１０の発明において、上記フィルタが活性炭又はシリカゲルのいずれかからなることを特徴とし、フィルタ層により感ガス体に接触する気体からアルコール蒸気やシリコン蒸気を除去しているので、感ガス体のアルコール感度を低減でき、且つ、被毒物質であるシリコン蒸気から感ガス体を保護できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のガス検出装置に用いるガス検出素子のカバーを外した状態を示す正面図である。
【図２】同上のガス検出素子を示し、（ａ）は一部破断せる正面図、（ｂ）は上面図である。
【図３】同上のガス検出装置に用いる別のガス検出素子を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は下面図である。
【図４】同上のガス検出装置に用いる制御部の回路図である。
【図５】同上のガス検出装置に用いる制御部の動作を示すフローチャートである。
【図６】同上のガス検出装置に用いる制御部の別の動作を示すフローチャートである。
【図７】同上のガス検出装置に用いる制御部のまた別の動作を示すフローチャートである。
【図８】同上のガス検出装置の感ガス体に印加する電圧を示す図である。
【図９】同上のガス検出装置の感ガス体に印加する電圧を示す図である。
【図１０】同上のガス検出装置に用いる制御部の動作を示すタイムチャートである。
【図１１】実施例１の感ガス体の各種ガスに対するガス感度の時間的な変化を示す図であり、（ａ）は電圧印加時から０．５秒後、（ｂ）は電圧印加時から０．９秒後、（ｃ）は電圧印加時から１．２秒後、（ｄ）は電圧印加時から１．８秒後、（ｅ）は電圧印加時から２００．０秒後における感ガス体の抵抗値を示す図である。
【図１２】実施例２の感ガス体の各種ガスに対するガス感度の時間的な変化を示す図であり、（ａ）は電圧印加時から０．５秒後、（ｂ）は電圧印加時から０．９秒後、（ｃ）は電圧印加時から１．２秒後、（ｄ）は電圧印加時から１．８秒後、（ｅ）は電圧印加時から２００．０秒後における感ガス体の抵抗値を示す図である。
【図１３】実施例３の感ガス体の各種ガスに対するガス感度の時間的な変化を示す図であり、（ａ）は電圧印加時から０．５秒後、（ｂ）は電圧印加時から０．９秒後、（ｃ）は電圧印加時から１．２秒後、（ｄ）は電圧印加時から１．８秒後、（ｅ）は電圧印加時から２００．０秒後における感ガス体の抵抗値を示す図である。
【図１４】実施例４の感ガス体の各種ガスに対するガス感度の時間的な変化を示す図であり、（ａ）は電圧印加時から０．５秒後、（ｂ）は電圧印加時から０．９秒後、（ｃ）は電圧印加時から１．２秒後、（ｄ）は電圧印加時から１．８秒後、（ｅ）は電圧印加時から２００．０秒後における感ガス体の抵抗値を示す図である。
【図１５】実施例５の感ガス体の各種ガスに対するガス感度の時間的な変化を示す図であり、（ａ）は電圧印加時から０．５秒後、（ｂ）は電圧印加時から０．９秒後、（ｃ）は電圧印加時から１．２秒後、（ｄ）は電圧印加時から１．８秒後、（ｅ）は電圧印加時から２００．０秒後における感ガス体の抵抗値を示す図である。
【図１６】実施例６の感ガス体の各種ガスに対するガス感度の時間的な変化を示す図であり、（ａ）は電圧印加時から０．５秒後、（ｂ）は電圧印加時から０．９秒後、（ｃ）は電圧印加時から１．２秒後、（ｄ）は電圧印加時から１．８秒後、（ｅ）は電圧印加時から２００．０秒後における感ガス体の抵抗値を示す図である。
【図１７】実施例１の感ガス体の各種ガスに対するガス感度の時間的な変化を示す図である。
【図１８】実施例２の感ガス体の各種ガスに対するガス感度の時間的な変化を示す図である。
【図１９】実施例３の感ガス体の各種ガスに対するガス感度の時間的な変化を示す図である。
【図２０】実施例４の感ガス体の各種ガスに対するガス感度の時間的な変化を示す図である。
【図２１】実施例５の感ガス体の各種ガスに対するガス感度の時間的な変化を示す図である。
【図２２】実施例６の感ガス体の各種ガスに対するガス感度の時間的な変化を示す図である。
【符号の説明】
２０感ガス体
２１ヒータ兼用電極
２２抵抗検出用電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas detection device that detects combustible gas and incomplete combustion gas with a small amount of power consumption in general households and industrial fields.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a gas detection device for detecting a gas leak of combustible gas such as city gas and propane gas, tin oxide (SnO) is used.₂) And a combustible gas is detected from a change in resistance of the gas sensitive body due to the attachment of the combustible gas to the surface of the gas sensitive body.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Such a gas detection device has a heater for heating the gas sensitive body, and intermittently energizes the heater to provide a high temperature period in which the temperature of the gas sensitive body is high. The resistance value of the gas sensor is measured during the period when no voltage is applied, and the gas to be detected is detected from the resistance value of the gas sensor. It needed a lot of power to heat up. Therefore, when the gas detection device is driven by a battery, there is a problem that the battery life is shortened and the battery cannot be operated for several years.
[0004]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a gas detection device with reduced power consumption.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a substantially spherical gas sensitive body whose resistance value changes according to the gas concentration, a coil-shaped heater combined electrode embedded in the gas sensitive body, The resistance detection electrode embedded in the gas sensitive body so as to pass through the center of the coil of the heater combined electrode and the conduction to the heater combined electrode are controlled, and the concentration of the detection target gas is determined from the resistance value of the gas sensitive body. The gas sensing element is formed by supporting a metal oxide semiconductor on the metal oxide semiconductor so as to maintain the gas sensitivity to the detection target gas when the energization of the heater electrode is stopped. While the heater combined electrode is intermittently energized at a predetermined cycle, a predetermined voltage is applied via a load resistor between one heater combined electrode and the resistance detection electrode during a period when no voltage is applied to the heater combined electrode. And both The detection target gas is detected by measuring the resistance value of the gas sensing element from the voltage generated between the electrodes, and the control unit detects the gas concentration of the detection target gas at the alarm level at which a gas alarm should be generated, and the above alarm. Detection is performed in two stages with a predetermined preliminary detection level lower than the level. When the gas concentration exceeds the alarm level, the main detection state in which a gas alarm is generated, and when the gas concentration exceeds the preliminary detection level, the main detection state is entered. Operates with preliminary detection statusAt the same time, by controlling the power applied to the heater combined electrode, the heating temperature of the gas sensitive body in the preliminary detection state is made lower than the heating temperature in the main detection state.The resistance detection electrode is embedded so as to penetrate the center of the coil of the heater combined electrode, and the heater combined electrode and the resistance detection electrode are arranged in the gas sensitive body in a well-defined manner. Since the heat capacity of the gas sensitive body can be reduced, and the power consumption can be reduced by shortening the heating period of the gas sensitive body, even when the power source of the control unit is a battery. It can be operated for a long time, and the gas sensing element is formed by supporting the metal oxide semiconductor with a catalyst that controls the gas concentration with respect to the gas to be detected. Gas can be detected accurately.In addition, by changing the heating temperature of the gas sensitive body between the main detection state and the preliminary detection state, fluctuations in the resistance value of the gas sensitive body due to changes over time can be reduced, and the presence of the detection gas can be reliably detected. Thus, it is possible to reliably shift from the preliminary detection state to the main detection state.
[0006]
  In the invention of claim 2, in the invention of claim 1,In the preliminary detection state, when the resistance value of the gas sensitive body falls below a predetermined threshold value, the absolute value judgment for shifting to the main detection state and the current measured value of the resistance value of the gas sensitive body are predetermined from the past measured values. It is characterized by the relative value judgment that shifts to the main detection state when the fluctuation range is exceeded, and the detection target gas is detected not only from the absolute value judgment but also from the relationship with the past measurement value, so the change over time Even if the resistance value of the gas sensitive body is increased by this, it is possible to reliably detect the presence of the detection gas from the relative change of the resistance value and to shift from the preliminary detection state to the main detection state.
  In the invention of claim 3, in the invention of claim 1 or 2,The catalyst isPdAlternatively, at least one of Sb is included, and a desired gas sensitivity can be obtained.
[0007]
  Claim4In the invention of claim1 or 2In the present invention, the catalyst isPdAnd Sb together, and claims3The desired gas sensitivity can be obtained in the same manner as the invention.
[0008]
  Claim5In the present invention, claims 1 toAny of 4In the invention, the time for energizing the heater combined electrode is longer than the thermal time constant of the gas sensitive body, and adheres to the element surface by heating the gas sensitive body for a time longer than the thermal time constant of the gas sensitive body. Since a sufficient cleaning effect for removing hydroxyl groups and gases is obtained, gas sensitivity with good reproducibility can be obtained.
[0009]
  Claim6In the invention of claim5In the present invention, the predetermined period is about 200 seconds, the time for energizing the heater electrode is about 0.8 seconds, and since the heat capacity of the gas body is small, the time for heating the gas body is Can be shortened to about 0.8 seconds, and power consumption can be reduced.
[0010]
  Claim7In the present invention, claims 1 toAny of 4In the present invention, the control unit,BookDetection statusAnd in advanceThe resistance value of the load resistance is switched depending on the preparation detection state, and the resistance value of the load resistance can be set to a desired value in accordance with the resistance value of the gas sensitive body. The gas concentration of the detection target gas can be accurately detected.
[0013]
  Claim8The invention according to any one of claims 1 to 4, further comprising a temperature sensor for detecting an ambient temperature, wherein the control unit performs temperature compensation of the resistance value of the gas sensitive body based on an output of the temperature sensor. It is possible to prevent erroneous detection due to temperature changes.
[0014]
  Claim9In the invention of any one of claims 1 to 4, the control unit applies a pulse voltage to the heater combined electrode, and changes the duty ratio of the pulse voltage according to the power supply voltage when the heater combined electrode is energized. A constant voltage can be applied to the heater combined electrode regardless of the fluctuation of the power supply voltage, and the heating temperature of the gas sensitive body can be controlled to be substantially constant.
[0015]
  Claim10In the present invention, claims 1 to9In any one of the inventions, the gas flow path extending from the outside to the gas sensitive body is provided with a filter for removing alcohol vapor or silicon vapor from the gas in contact with the gas sensitive body.11In the invention of claim10In the invention, the filter is made of either activated carbon or silica gel, and alcohol vapor or silicon vapor is removed from the gas in contact with the gas sensitive body by the filter layer. The gas sensitive body can be protected from silicon vapor, which is a poisoning substance.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As shown in FIGS. 1 and 2A and 2B, the gas detection element used in the gas detection device of the present embodiment includes a substantially disc-shaped resin base 11 and a base 11 penetrating the base 11. Three terminals 12a to 12c projecting to the front surface side and back surface side, sensing element A attached to the terminals 12a to 12c via lead wires 13a to 13c, respectively, and a substantially cylindrical shape having a ceiling surface 14a And a cover 14 that is attached to the base 11 so as to cover the sensing element A, and a stainless steel wire mesh 15 for introducing gas that is attached to a round hole 14b formed in the ceiling surface 14a of the cover 14. ing.
[0017]
As shown in FIG. 1, the sensing element A includes tin oxide (SnO₂) And the like, and a so-called sintered body type gas sensitive body 20 which is formed in an elliptical sphere and has a heater combined electrode 21 made of coiled platinum in the gas sensitive body 20. The resistance detecting electrode 22 made of a noble metal wire is embedded in the gas sensitive body 20 so as to penetrate the center of the coil of the heater serving electrode 21. Here, the above-described lead wires 13a and 13c are configured from both ends of the heater electrode 21 protruding from the gas sensitive body 20, and the lead wire 13b is configured from one end of the resistance detection electrode 22 protruding from the gas sensitive body 20. Is done. The outer dimension of the gas sensitive body 20 corresponding to the longitudinal direction of the coil of the heater electrode 21 is formed to be about 0.8 mm or less, and the outer dimension of the gas sensitive body 20 corresponding to the direction orthogonal to the longitudinal direction of the coil is Since it is formed to be about 0.7 mm or less, the gas sensitive body 20 is formed in a flat plate shape, or it is gas sensitive as compared with the external dimensions (about 5 mm) when it is formed in a cylindrical shape and a coil is embedded in the cylinder. The body 20 can be reduced in size and its heat capacity can be reduced. Therefore, the power consumption consumed by the heater electrode 21 when the gas sensitive body 20 is heated can be greatly reduced, and even when the battery is operated as a power source, it can be operated for a long time. For example, when this gas detector is driven by four AA alkaline batteries, if a pulse voltage with an average power of about 110 mW is applied to the heater combined electrode 21 every about 180 seconds, The detection device can be driven for about 1000 days. In this embodiment, the energization time of the heater electrode 21 is about 0.5 seconds, which is sufficiently longer than the thermal time constant of the gas sensitive body 20 (about 0.35 seconds). Since a sufficient cleaning effect is sometimes obtained to remove hydroxyl groups and gases that sometimes adhere to the surface of the heat sensitive body 20, gas sensitivity with good reproducibility can be obtained.
[0018]
Here, the gas sensitive body 20 is tin oxide (SnO).₂) As the main component and SnO₂On the other hand, about 2.0 wt% of palladium (Pd) as a catalyst is supported. Below is SnO₂A brief description of the adjustment will be given. First, tin chloride (SnCl_Four) Aqueous solution of ammonia (NH_Three) To obtain a stannic acid sol. The obtained stannic acid sol is air-dried and then calcined in the air at, for example, 500 ° C. for 1 hour, and SnO₂Get. This SnO₂Pd is impregnated with an aqueous solution of Pd and baked in air at 500 ° C. for 1 hour to carry Pd. SnO supporting Pd₂An equal amount of, for example, 1000 mesh alumina is mixed as an aggregate, and terpineol is added to make a paste, and then applied to the heater electrode 21 and the resistance detection electrode 22. For example, in air at about 500 ° C. for 1 hour. The gas sensitive body 20 is formed by baking. Where SnO₂Pd supported on the catalyst serves as a catalyst that improves (accelerates) the response speed to various gases, and can detect the target gas accurately by reducing the influence of miscellaneous gases. In addition to Pd, Sb may be supported at about 2.0 wt%, or only Sb may be supported at about 2.0 wt%.
[0019]
FIG. 4 shows a circuit configuration of the control unit 2 that controls heating of the heater electrode 21 of the sensing element A and detects a detection target gas (for example, CO) from a change in resistance value of the gas sensitive body 20. The control unit 2 is driven using the battery 30 as a power source. A smoothing capacitor C1 is connected between both ends of the battery 30 via a diode D1, and a voltage Vcc obtained by smoothing the voltage of the battery 30 with the smoothing capacitor C1 is a power supply terminal Vdd of a microcomputer 3 (hereinafter referred to as a microcomputer). To be supplied. The control unit 2 operates in a preliminary detection state in which it is detected that the gas concentration of the detection target gas exceeds a predetermined preliminary detection level in the normal mode in which the detection target gas is detected. If it exceeds the level, it shifts from the preliminary detection state to the main detection state. In this detection state, when the gas concentration exceeds the alarm level at which a gas alarm higher than the preliminary detection level is to be generated, the light-emitting diode LED blinks once every two seconds. Or a buzzer 6 is sounded or the phototransistor PT1 of the photocoupler PC is turned on to generate a gas alarm.
[0020]
The heater combined electrode 21 of the sensing element A is connected between the output terminals of the battery 30 via the PNP transistor Q1, and when the transistor Q1 is turned on, the heater combined electrode 21 is energized so that the heater combined electrode 21 generates heat. It has become. Further, the resistance detection electrode 22 of the sensing element A is connected to the battery 30 via a series circuit of the load resistance R2 and the switch element Q2, a series circuit of the load resistance R3 and the switch element Q3, and the diode D1, In addition, it is connected to the input port I1 of the microcomputer 3 via the resistor R4.
[0021]
The output port O1 of the microcomputer 3 is connected to the base of the transistor Q1, and a pull-up resistor R1 is connected between the emitter and base of the transistor Q1. The output ports O2 and O3 of the microcomputer 3 are connected to the control terminals of the switch elements Q2 and Q3, respectively. The cathode of the light emitting diode LED for display is connected to the output port O4 of the microcomputer 3 via a current limiting resistor, and the cathode of the light emitting diode L1 of the photocoupler PC is connected to the output port O5 via a current limiting resistor. Yes. The anodes of these light emitting diodes LED and L1 are each connected to the battery 30 via a diode D1.
[0022]
Here, the photocoupler PC is used as a switch element for outputting a gas detection signal to the outside. A phototransistor PT1 of the photocoupler PC is connected between the output terminals t1 and t2. A zener diode ZD1 is connected in antiparallel to the phototransistor PT1, and is generated between the output terminals t1 and t2 by turning on and off the phototransistor PT1. The voltage to be switched can be switched. The microcomputer 3 enters the external output mode when the signal level of the input port I8 is set to a low level, and outputs a signal from the output port O5 to the outside.
[0023]
The output port O6 of the microcomputer 3 is connected to the buzzer sounding oscillation circuit 4. By the signal output from the output port O6, the polarity of the voltage applied to the buzzer 5 by the buzzer sounding oscillation circuit 4 is alternately inverted. An alarm sound is oscillated and output.
[0024]
The output port O7 of the microcomputer 3 is connected to the control terminal of the switch element Q4. A constant voltage IC6 is connected between the switch element Q4 and the ground via a resistor R10, and the potential at the connection point between the resistor R10 and the constant voltage IC6 is input to the input port I6 of the microcomputer 3. Thus, when the output port O7 of the microcomputer 3 is set to the low level, the output of the switching element Q4 is set to the high level, and a reference voltage of about 2.5 V is generated across the Zener diode 6, and the microcomputer 3 Is read from the input port I6.
[0025]
On the other hand, a series circuit of a temperature / humidity compensation thermistor TH1 and a resistor R5, which is a temperature sensor, is connected between the connection point of the switch element Q2 and the load resistor R21 and the ground, and the thermistor TH1 and the resistor R5 are connected. The potential at the point is input to the input port I2 of the microcomputer 3. Thus, the microcomputer 3 takes in the divided voltage of the thermistor TH1 and the resistor R5 from the input port I2, calculates the temperature from this divided voltage, and compensates the temperature of the voltage across the gas sensitive body 20 taken in from the input port I1. To prevent false detection due to temperature changes.
[0026]
A series circuit of a resistor R6, a variable resistor VR1, and a resistor R7 and a series circuit of a resistor R8, a variable resistor VR2, and a resistor R9 are connected between the connection point of the switch element Q2 and the load resistor R2 and the ground. The set voltages set by the variable resistors VR1 and VR2 are input to the input ports I3 and I4 of the microcomputer 3, respectively. Here, the voltage input to the input port I3 is substantially the same as the voltage value obtained by temperature-compensating the voltage across the gas sensing body 20 in the gas concentration of the detection gas to be shifted from the preliminary detection state to the main detection state. It is set using the variable resistor VR1. In addition, the voltage input to the input port I4 has a variable resistance that is approximately the same as the voltage value obtained by temperature-compensating the voltage across the gas sensing body 20 in the gas concentration of the detection gas that should generate a gas alarm in this detection state. It is set using the device VR1.
[0027]
A voltage generated between both ends of the heater electrode 22 is input to the input port I5 of the microcomputer 3. The microcomputer 3 reads the voltage across the heater combined electrode 22 from the input port I5 when the transistor Q1 is turned on. If the voltage across the both ends is higher than a predetermined threshold voltage, the microcomputer 3 determines that the heater combined electrode 22 is disconnected.
[0028]
The voltage Vcc is input to the jumper input J1 of the microcomputer 3 via the resistor R11. A connection point between the resistor R11 and the jumper input J1 is connected to a terminal t3 of the jumper JP1, and a terminal t4 of the jumper JP1 is connected to the ground. Here, when the terminals t3 and t4 of the jumper JP1 are opened, the voltage level of the jumper input J1 becomes a high level, and the microcomputer 3 operates in the normal mode in which the detection target gas is detected. On the other hand, when the terminals t3 and t4 of the jumper JP1 are short-circuited, the voltage level of the jumper input J1 becomes a low level, and the microcomputer 3 adjusts the alarm concentration for adjusting the gas concentration at the time of transition to this detection or when the gas alarm is issued. Operate in mode.
[0029]
4 is a clock IC for giving a reference clock to the microcomputer 3, and 8 is a reset circuit for resetting the microcomputer 3 when the power is turned on. The output port SO of the microcomputer 3 is a port for outputting the data in the microcomputer 3 as serial data during debugging, and the output port SCK is a port for outputting a clock signal for synchronizing serial data output from the output port SO. is there. An interrupt signal from the interrupt generation circuit 9 is input to the interrupt port HOLD of the microcomputer 3.
[0030]
Next, the operation of this circuit will be briefly described with reference to the flowcharts shown in FIGS. 8 and 9 are waveform diagrams of each part, and FIG. 10 is a time chart of each part.
[0031]
When the gas detector is turned on, the microcomputer 3 is reset by a reset signal from the reset circuit 8 (step 101), and the microcomputer 3 initializes internal data (step 102). Next, the microcomputer 3 reads the signal level of the jumper input J1. If the signal level of the jumper input J1 is high, the microcomputer 3 sets the operation mode of the microcomputer 3 to the normal mode for detecting the detection target gas, and if it is low level. In this case, the alarm density adjustment mode is set (step 103). Here, the case where the operation mode of the microcomputer 3 is set to the normal mode will be described below.
[0032]
In step 104, the microcomputer 3 checks the operation of each part, sets the signal level of the output port O7 to low level, turns on the switch element Q4 (step 105), and supplies the reference voltage generated across the constant voltage IC6 from the input port I6. Read and calculate the power supply voltage Vs of the battery 30. At this time, if the power supply voltage Vs of the battery 30 is lower than about 4.8V, the microcomputer 3 issues a battery voltage drop alarm (step 106), switches the output of the output port O4 to high / low, and switches the light emitting diode LED to, for example, It blinks 13 times in 60 seconds to display that the battery voltage has fallen below a predetermined reference value (step 107). On the other hand, if the power supply voltage of the battery 30 is approximately 4.4 V or higher, the mode shifts to the normal mode in which the detection target gas is detected (step 108), the output of the output port O4 is switched to high / low, and light emission The diode LED blinks once every 50 seconds, for example, to indicate that it is operating in the normal mode (step 109).
[0033]
Next, the microcomputer 3 shifts to a preliminary detection state (step 110), and as shown in FIG. 8, a pulse voltage (the peak value of the voltage is about 0.8 V) is applied to the heater electrode 21 with an average power of about 100 mW every about 200 seconds. ) Is applied for about 0.8 seconds to perform the gas detection operation. Here, the microcomputer 3 controls on / off of the transistor Q1, applies a pulse voltage of, for example, several hundred μSec to the heater electrode 21 and controls the duty ratio of the pulse voltage, so that the power supply voltage does not vary. The average power applied to the heater combined electrode 21 is controlled to be substantially constant, and the heating temperature of the gas sensitive body 20 can be controlled to be substantially constant. The duty control of the pulse voltage applied to the heater electrode 21 is performed as follows. When applying a voltage to the heater combined electrode 21, first, as shown in FIG. 9, the microcomputer 3 outputs a pulse signal of several tens of microseconds from the output port O1 to the transistor Q1, turns on the transistor Q1, and turns on the transistor combined electrode 21. A pulse voltage is applied to. At the same time, the microcomputer 3 sets the output port O7 to the low level and the output of the switch element Q4 to the high level, reads the reference voltage from the input port I6, and calculates the power supply voltage Vs of the battery 30 from the voltage value of the reference voltage. The duty ratio of the pulse voltage applied to the heater electrode 21 is determined from the calculated value of the power supply voltage Vs.
[0034]
When about 1.8 seconds elapse after the voltage is applied to the heater combined electrode 21, the microcomputer 3 sets both the output ports O2 and O3 to the low level, turns on the switches Q2 and Q3, and the parallel circuit of the load resistors R2 and R3. A detection voltage is applied to the resistance detection electrode 22 via the voltage and the voltage is read from the input port I2. The microcomputer 3 obtains the resistance value of the thermistor TH1 from this voltage and calculates the ambient temperature T. If the ambient temperature T is in the temperature range from −40 ° C. to 70 ° C., the resistance of the gas sensitive body 20 is calculated by A resistance ratio Y used for temperature compensation of the value is obtained (step 111). A value of −40 ° C. is used when the ambient temperature T is lower than −40 ° C., and a value of 70 ° C. is used when the ambient temperature T is higher than 70 ° C.
[0035]
Y = 3.6 × exp (−0.06 × T)
Here, the microcomputer 3 reads the voltage generated in the gas sensitive body 20 from the input port I1, obtains the resistance value of the gas sensitive body 20 from this voltage by calculation, and adds the above-described resistance ratio Y to the resistance value of the gas sensitive body 20. The temperature is compensated by multiplication, and in step 112, the resistance value of the gas sensitive body 20 after temperature compensation is compared with the threshold value of the resistance set by the set value of the variable resistor VR1 read from the input port I3. Value determination is performed (time {circle around (1)} in FIG. 10). When the resistance value of the gas sensitive body 20 becomes equal to or less than the threshold value, the microcomputer 3 determines that the gas concentration is equal to or higher than the gas concentration to be shifted from the preliminary detection state to the main detection state, and shifts from the preliminary detection state to the main detection state. Transition (to step 115).
[0036]
If the resistance value of the gas sensitive body 20 is higher than the predetermined threshold value in step 112, the microcomputer 3 turns only the output port O2 low about 100 seconds after the voltage is applied to the heater electrode 21 in step 110. As a level, the switch element Q2 is turned on, a detection voltage is applied to the resistance detection electrode 22 via the load resistor R2, and a voltage generated in the gas sensitive body 20 is read from the input port I1. At time {circle around (2)} in FIG. 10, the microcomputer 3 measures the resistance value of the gas sensitive body 20 from this voltage, and compares this measured value with the median value excluding the maximum and minimum values of the past three measurements. The relative value is determined (step 113). Then, when the current measurement value becomes approximately one half or less of the median value of the past three measurement values, the microcomputer 3 shifts from the preliminary detection state to the main detection state (to step 115).
[0037]
In step 113, if the current measured value is higher than about one half of the median value of the past three measurements, the microcomputer 3 applies about 200 seconds after applying the voltage to the heater combined electrode 21 in step 110. Only the output port O2 is set to the low level, the switch element Q2 is turned on, the detection voltage is applied to the resistance detection electrode 22 via the load resistor R2, and the voltage generated in the gas sensitive body 20 is read from the input port I1. . At time {circle around (3)} in FIG. 10, the microcomputer 3 measures the resistance value of the gas sensitive body 20 from this voltage, and makes a relative value determination that compares the current measured value with the median value of the past three measured values (step). 114). When the current measurement value is less than or equal to approximately one half of the median of the past three measurement values, the microcomputer 3 shifts from the preliminary detection state to the main detection state (to step 115), and the current measurement value is the past three. If it is higher than approximately one half of the median value of the measured values for the batch, the microcomputer 3 returns to step 105 and repeats the above processing.
[0038]
As described above, when the microcomputer 3 shifts from the preliminary detection state to the main detection state as a result of the absolute value determination and the relative value determination in the preliminary detection state, the microcomputer 3 increases the output level of the output port O1 to high / low. The transistor Q1 is turned on and off, and a pulse voltage having an average power of about 118 mW (voltage peak value of about 0.9 V) is applied to the heater electrode 21 for about 0.8 seconds to perform a gas detection operation ( Step 115). Thus, in the preliminary detection state, not only the absolute value determination but also the relative value determination is performed, and the detection target gas is detected from the relationship with the past measurement value, so that the resistance value of the gas sensitive body 20 increases due to the change over time. Even if this is done, the presence of the detection gas can be reliably detected from the relative change in the resistance value, and the pre-detection state can be reliably shifted to the main detection state. In addition, the voltage value (average power) applied to the heater combined electrode 21 is switched between the preliminary detection state and the main detection state, and the heating temperature of the gas sensitive body 20 is changed in a plurality of stages. Thus, the change in the resistance value of 20 can be reduced, and the presence of the detection gas can be reliably detected to shift from the preliminary detection state to the main detection state.
[0039]
When about 1.8 seconds elapse after the voltage is applied to the heater combined electrode 21, the microcomputer 3 sets both the output ports O2 and O3 to the low level, turns on the switches Q2 and Q3, and the parallel circuit of the load resistors R2 and R3. A detection voltage is applied to the resistance detection electrode 22 via the voltage and the voltage is read from the input port I2. The microcomputer 3 obtains the resistance value of the thermistor TH1 from this voltage and calculates the ambient temperature T. If the ambient temperature T is in the temperature range from −40 ° C. to 70 ° C., the resistance of the gas sensitive body 20 is calculated by the following equation. A resistance ratio Y used for temperature compensation of the value is obtained (step 116). A value of −40 ° C. is used when the ambient temperature T is lower than −40 ° C., and a value of 70 ° C. is used when the ambient temperature T is higher than 70 ° C.
[0040]
Y = 2.6 × exp (−0.05 × T)
Here, the microcomputer 3 reads the voltage generated in the gas sensitive body 20 from the input port I1, obtains the resistance value of the gas sensitive body 20 from this voltage by calculation, and adds the above-described resistance ratio Y to the resistance value of the gas sensitive body 20. In step 117, the resistance value of the gas sensitive body 20 after the temperature compensation is compared with the threshold value of the resistance set by the set value of the variable resistor VR2 read from the input port I4. Absolute value determination is performed (time {circle around (1)} in FIG. 10). When the resistance value of the gas sensitive body 20 falls below the threshold value, the microcomputer 3 determines that the gas concentration is higher than the alarm level at which a gas alarm should be issued, and switches the output level of the output port O4 to high / low. The light emitting diode LED blinks once every 2 seconds, the output port O5 is set to low level, the phototransistor PT1 of the photocoupler PC is turned on, and a gas alarm is issued (step 118). On the other hand, if the resistance value of the gas sensitive body 20 is higher than the predetermined threshold value, the microcomputer 3 returns to step 105 and repeatedly executes the above-described processing.
[0041]
When about 100 seconds elapse after the gas alarm is released, the microcomputer 3 heats the gas sensitive body 20, performs absolute value determination in the preliminary detection state, and shifts to the main detection state when the detection target gas is detected. The absolute value is determined. In addition, when about 200 seconds elapse after the gas alarm is released, the microcomputer 3 heats the gas sensitive body 20, performs absolute value determination in the preliminary detection state, and shifts to the main detection state when the detection target gas is detected. The absolute value is determined. Further, when about 300 seconds have passed after the gas alarm is released, the microcomputer 3 detects the resistance value of the gas sensitive body 20 and performs relative value determination, and then heats the gas sensitive body 20 to perform absolute value determination. Do. At this time, when the gas to be detected is detected, the microcomputer 3 shifts to the main detection state and performs absolute value determination. Furthermore, when about 400 seconds elapse after the gas alarm is released, the microcomputer 3 detects the resistance value of the gas sensitive body 20 and performs relative value determination. When about 500 seconds elapse after the gas alarm is released, The microcomputer 3 determines the absolute value by heating the gas sensitive body 20. At this time, when the gas to be detected is detected, the microcomputer 3 shifts to the main detection state and performs absolute value determination. Thereafter, the microcomputer 3 performs detection operation of the detection target gas in the normal mode described above.
[0042]
By the way, the microcomputer 3 is approximately 0.4 seconds, approximately 1.8 seconds, approximately 10 seconds and approximately 200 seconds after energizing the heater combined electrode 21 at each time point (time 4 in FIG. 10). The voltage generated at the resistance detection electrode 22 is read from the input port I1, and it is determined that a disconnection has occurred if the difference between the four voltage values is less than or equal to a predetermined threshold value after about 200 seconds have elapsed since the energization. (Step 120), the signal level of the output port O4 is inverted to high / low, the light emitting diode LED blinks once every 4 seconds, and a sensor disconnection alarm is issued.
[0043]
Next, the alarm concentration adjustment mode will be described with reference to the flowchart of FIG. If the signal level of the jumper input J1 is set to a low level when the microcomputer 3 is reset or turned on, the microcomputer 3 sets the operation mode to the alarm concentration adjustment mode from the signal level of the jumper input J1 (step 130). ), The light emitting diode LED blinks twice, and the photocoupler PC is turned on twice to indicate that the mode has shifted to the alarm density adjustment mode (step 131).
[0044]
Thereafter, after about 200 seconds, a pulse voltage having an average power of about 100 mW is applied to the heater combined coil 21 for about 0.8 seconds to heat the gas sensitive body 20, and the voltage is applied to the heater combined coil 21 for about 1 After 8 seconds, the voltage of the gas sensitive body 20 is read, and the read voltage value is written to the RAM. After about 400 seconds, a pulse voltage having an average power of about 118 mW is applied to the heater coil 21 for about 0.8 seconds. The gas sensitive body 20 is heated, and the voltage of the gas sensitive body 20 is read about 1.8 seconds after the voltage is applied to the heater combined coil 21, and the read voltage value is written in the RAM. When the writing of the two voltage values to the RAM is completed, the microcomputer 3 blinks the light emitting diode LED three times (step 132).
[0045]
Here, if the jumper input J1 is at a low level in step 133, the set voltage for absolute value determination in the preliminary detection state is adjusted using the variable resistor VR1, and the set value voltage is stored on the RAM in step 132. When the voltage value matches the stored voltage value, the microcomputer 3 blinks the light emitting diode LED twice to display that the set value matches (step 137). Thereafter, if the jumper input J1 is low level in step 138, the same adjustment as described above is performed in step 139, and if the jumper input J1 is high level, adjustment in the main detection state is performed in step 134.
[0046]
On the other hand, if the jumper input J1 is at the high level in step 133, the set voltage for determining the absolute value in this detection state is adjusted using the variable resistor VR2, and the set value voltage is stored in the RAM in step 132. When the voltage value matches, the microcomputer 3 blinks the light emitting diode LED twice to display that the set value matches (step 134). Thereafter, if the jumper input J1 is at the high level in step 135, the same adjustment as described above is performed in step 136, and if the jumper input J1 is at the low level, the adjustment in the preliminary detection state is performed in step 137.
[0047]
As described above, in this circuit, the load resistors R2 and R3 connected to the sensing element A are switched between the preliminary detection state and the main detection state, and the resistance values of the load resistors R2 and R3 according to the resistance value of the gas sensitive body 20 are switched. Is set appropriately, the accuracy of A / D conversion can be increased, and the detection target gas can be detected accurately.
[0048]
By the way, as shown in FIG. 3, the gas flows into the sensing element A from the outside by attaching a cylindrical cap 16 having a ceiling surface with an external filter 17 made of activated carbon attached to the cover 14. An external filter 17 is disposed in the path, and alcohol vapor as a miscellaneous gas and silicon vapor as a poisoning gas are removed by the external filter 17 to reduce the alcohol sensitivity of the sensing element A, and sensing from poisoning substances such as silicon. By protecting the element A, the sensing element A can be made less susceptible to the influence of alcohol vapor or silicon vapor. In this embodiment, the external filter 17 made of activated carbon is used. However, the material of the external filter 17 is not limited to activated carbon, and the material of the external filter 17 is silica gel (SiO 2).₂), Or a combination of activated carbon and silica gel.
[0049]
(Examples 1 and 2)
In Examples 1 and 2, the sensing element A having the gas sensitive body 20 having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was formed. Here, the gas sensitive body 20 is SnO.₂And about 2.0 wt% Sb.
[0050]
(Examples 3 and 4)
In Examples 3 and 4, the sensing element A having the gas sensitive body 20 having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was formed. Here, the gas sensitive body 20 is SnO.₂And about 2.0 wt% of Pd.
[0051]
(Examples 5 and 6)
In Examples 5 and 6, the sensing element A having the gas sensitive body 20 having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was formed. Here, the gas sensitive body 20 is SnO.₂And about 2.0 wt% Pd and about 2.0 wt% Sb.
[0052]
11 to 16 show gas sensitivities to various gases when the pulse voltage of a predetermined average power is applied to the gas sensitive body 20 of Examples 1 to 6 for about 0.8 seconds (that is, the resistance of the gas sensitive body 20). Value Rs (Ω)) with respect to time. In the gas sensitive body 20 of Examples 1 to 3, 5 and 6, the pulse voltage with an average power of about 118 mW (the peak value of the voltage is about 0.9 V). In the gas sensitive body 20 of Example 4, a pulse voltage having an average power of about 100 mW (voltage peak value is about 0.8 V) is applied. Here, FIGS. 12A to 16A are 0.5 seconds after the voltage is applied, and FIGS. 12B to 16B are 0.9 seconds after the voltage is applied. 16 (c) to 16 (c) are 1.2 seconds after the voltage application, and FIGS. 12 (d) to 16 (d) are 1.8 seconds after the voltage application. e) shows gas sensitivities for various gases at each time point 200 seconds after voltage application. In the figure, ○ indicates CH_FourThe resistance value Rs of the gas sensitive body 20 in the inside, Δ in the figure is H₂The resistance value Rs of the gas-sensitive body 20 in the figure, ◇ in the figure is the resistance value Rs of the gas-sensitive body 20 in isobutane, and ■ in the figure is C₂H_FiveThe resistance value Rs of the gas sensitive body 20 with respect to OH is shown. Further, the resistance value of the gas sensitive body 20 in the atmosphere is indicated by ● in the figure.
[0053]
In FIGS. 17 to 22, a pulse voltage having a predetermined average power was applied to the gas sensitive bodies 20 of Examples 1 to 6 for about 0.8 seconds (that is, a period up to 0.8 seconds on the horizontal axis). 6 shows the temporal change in gas sensitivity (ie, the resistance value Rs (Ω) of the gas sensitive body 20) with respect to various gases. In the gas sensitive bodies 20 of Examples 1 to 3, 5, and 6, the average power is about A pulse voltage of 118 mW (the peak value of the voltage is about 0.9 V) is applied, and a pulse voltage (the peak value of the voltage is about 0.8 V) having an average power of about 100 mW is applied to the gas sensitive body 20 of Example 4. ing. In the figure, ○ indicates 1000 ppm of CH._FourThe resistance value Rs of the gas sensitive body 20 in the inside, Δ in the figure is 1000 ppm of H₂The resistance value Rs of the gas-sensitive body 20 in the figure, 中 in the figure is the resistance value Rs of the gas-sensitive body 20 in 1000 ppm isobutane, and ■ in the figure is 1000 ppm of C₂H_FiveThe resistance value Rs of the gas sensitive body 20 with respect to OH is shown. Further, the resistance value of the gas sensitive body 20 in the atmosphere is indicated by ● in the figure.
[0054]
From the above measurement results, SnO₂In Examples 1 and 2 in which the gas sensitive body 20 is formed by supporting Sb, gas sensitivity to various gases is generated immediately after the energization of the gas sensitive body 20 is stopped. Gas sensitivity has disappeared, but in the region where gas sensitivity occurs, H₂Or C₂H_FiveThe gas sensitivity to miscellaneous gases such as OH could be reduced. On the other hand, SnO₂Examples 3 and 4 in which only the Pd was supported to form the gas sensitive body 20 and SnO₂In Examples 5 and 6, in which Pd and Sb are supported to form the gas sensitive body 20,₂Or C₂H_FiveAlthough the gas sensitivity with respect to miscellaneous gases such as OH was large, the gas sensitivity could be maintained for about 200 seconds from the time when the gas sensitivity with respect to the detection gas occurred.
[0055]
【The invention's effect】
  As described above, the invention of claim 1 includes a substantially spherical gas-sensitive body whose resistance value changes according to the gas concentration, a coil-shaped heater combined electrode embedded in the gas-sensitive body, and the heater combined electrode. A resistance detection electrode embedded in the gas sensitive body so as to penetrate the center of the coil, and a control unit for controlling the energization to the heater combined electrode and detecting the concentration of the detection target gas from the resistance value of the gas sensitive body The gas sensitive body is formed by supporting a metal oxide semiconductor on a catalyst that maintains gas sensitivity to the gas to be detected when the energization of the heater combined electrode is stopped, and the control unit is mounted on the heater combined electrode. During the period when voltage is not applied to the heater electrode, a predetermined voltage is applied via a load resistor between one heater electrode and the resistance detection electrode during both periods. Generated between electrodes The detection target gas is detected by measuring the resistance value of the gas sensitive body from the pressure, and the control unit sets the gas concentration of the detection target gas to an alarm level at which a gas alarm is to be generated, and a predetermined level lower than the alarm level The detection state is detected in two stages of the preliminary detection level, and a gas detection alarm is generated when the gas concentration exceeds the alarm level, and a preliminary detection state in which the gas detection state shifts to the main detection state when the gas concentration exceeds the preliminary detection level. OperateAt the same time, by controlling the power applied to the heater combined electrode, the heating temperature of the gas sensitive body in the preliminary detection state is made lower than the heating temperature in the main detection state.The resistance detection electrode is embedded so as to penetrate the center of the coil of the heater combined electrode, and the heater combined electrode and the resistance detection electrode are arranged in the gas sensitive body in a well-defined manner. Since the heat capacity of the gas sensitive body can be reduced, and the power consumption can be reduced by shortening the period for heating the gas sensitive body, even when the power source of the control unit is a battery. There is an effect that it can be operated for a long time, and furthermore, a gas-sensitive body is formed by carrying a catalyst that controls the gas concentration with respect to the gas to be detected on the metal oxide semiconductor, thereby reducing the influence of miscellaneous gases. Thus, the gas to be detected can be accurately detected.In addition, by changing the heating temperature of the gas sensitive body between the main detection state and the preliminary detection state, fluctuations in the resistance value of the gas sensitive body due to changes over time can be reduced, and the presence of the detection gas can be reliably detected. Thus, it is possible to reliably shift from the preliminary detection state to the main detection state.
[0056]
  The invention of claim 2 is the invention of claim 1,In the preliminary detection state, when the resistance value of the gas sensitive body falls below a predetermined threshold value, the absolute value judgment for shifting to the main detection state and the current measured value of the resistance value of the gas sensitive body are predetermined from the past measured values. It is characterized by the relative value judgment that shifts to the main detection state when the fluctuation range is exceeded, and the detection target gas is detected not only from the absolute value judgment but also from the relationship with the past measurement value, so the change over time Even if the resistance value of the gas sensitive body is increased by this, it is possible to reliably detect the presence of the detection gas from the relative change of the resistance value and to shift from the preliminary detection state to the main detection state.
  The invention of claim 3 is the invention of claim 1 or 2,The catalyst isPdAlternatively, at least one of Sb is included, and the desired gas sensitivity can be obtained.
[0057]
  ClaimThe invention of 4, Claim 1Or 2In the present invention, the catalyst isPdAnd Sb together, and claims3The desired gas sensitivity can be obtained in the same manner as the invention.
[0058]
  Claim5The invention of claim 1 to claim 1Any of 4In this invention, the time for energizing the heater combined electrode is longer than the thermal time constant of the gas sensitive body, and a sufficient cleaning effect for removing hydroxyl and gas adhering to the element surface can be obtained. There is an effect that gas sensitivity can be obtained.
[0059]
  Claim6The invention of claim5In the present invention, the predetermined period is about 200 seconds, the time for energizing the heater electrode is about 0.8 seconds, and since the heat capacity of the gas body is small, the time for heating the gas body is Can be shortened to about 0.8 seconds, and power consumption can be reduced.
[0060]
  Claim7The invention of claim 1 to claim 1Any of 4In the present invention, the control unit,BookDetection statusAnd in advanceThe resistance value of the load resistance is switched depending on the preparation detection state, and the resistance value of the load resistance can be set to a desired value in accordance with the resistance value of the gas sensitive body. The gas concentration of the detection target gas can be accurately detected.
[0063]
  Claim8The invention according to any one of claims 1 to 4, further comprising a temperature sensor for detecting an ambient temperature, wherein the control unit performs temperature compensation of the resistance value of the gas sensitive body based on an output of the temperature sensor. And has the effect of preventing erroneous detection due to temperature changes.
[0064]
  Claim9According to the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the control unit applies a pulse voltage to the heater combined electrode, and changes the duty ratio of the pulse voltage according to the power supply voltage when the heater combined electrode is energized. It is characterized in that a constant voltage can be applied to the heater combined electrode regardless of fluctuations in the power supply voltage, and the heating temperature of the gas sensitive body can be controlled to be substantially constant.
[0065]
  Claim10The invention of claim 1 to claim 19In any one of the inventions, the gas flow path extending from the outside to the gas sensitive body is provided with a filter for removing alcohol vapor or silicon vapor from the gas in contact with the gas sensitive body.11In the invention of claim10In the invention, the filter is made of either activated carbon or silica gel, and alcohol vapor or silicon vapor is removed from the gas in contact with the gas sensitive body by the filter layer. The gas sensitive body can be protected from silicon vapor which is a poisoning substance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view showing a state in which a cover of a gas detection element used in a gas detection device of the present embodiment is removed.
FIGS. 2A and 2B show the gas detection element of the above, in which FIG. 2A is a front view partially broken, and FIG. 2B is a top view.
FIGS. 3A and 3B show another gas detection element used in the gas detection device of the above, wherein FIG. 3A is a cross-sectional view and FIG. 3B is a bottom view.
FIG. 4 is a circuit diagram of a control unit used in the gas detection device same as above.
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of a control unit used in the gas detection device same as above.
FIG. 6 is a flowchart showing another operation of the control unit used in the gas detection device same as above.
FIG. 7 is a flowchart showing still another operation of the control unit used in the gas detection device.
FIG. 8 is a diagram showing a voltage applied to a gas sensitive body of the gas detection device same as above.
FIG. 9 is a diagram showing a voltage applied to a gas sensitive body of the gas detection device same as above.
FIG. 10 is a time chart showing the operation of a control unit used in the gas detection device same as above.
11A and 11B are diagrams showing temporal changes in gas sensitivity with respect to various gases of the gas sensitive body of Example 1. FIG. 11A is 0.5 seconds after voltage application, and FIG. 11B is from voltage application. 0.9 seconds later, (c) is 1.2 seconds after voltage application, (d) is 1.8 seconds after voltage application, (e) is gas sensitive after 200.0 seconds from voltage application. It is a figure which shows the resistance value of a body.
FIGS. 12A and 12B are diagrams showing temporal changes in gas sensitivity with respect to various gases of the gas sensitive body of Example 2, in which FIG. 12A is 0.5 seconds after voltage application, and FIG. 12B is from voltage application. 0.9 seconds later, (c) is 1.2 seconds after voltage application, (d) is 1.8 seconds after voltage application, and (e) is gas sensitive after 200.0 seconds from voltage application. It is a figure which shows the resistance value of a body.
FIGS. 13A and 13B are diagrams showing temporal changes in gas sensitivity with respect to various gases of the gas sensitive body of Example 3, wherein FIG. 13A is 0.5 seconds after voltage application, and FIG. 13B is from voltage application. 0.9 seconds later, (c) is 1.2 seconds after voltage application, (d) is 1.8 seconds after voltage application, (e) is gas sensitive after 200.0 seconds from voltage application. It is a figure which shows the resistance value of a body.
FIG. 14 is a diagram showing temporal changes in gas sensitivity of various gasses of Example 4 with respect to various gases, (a) 0.5 seconds after voltage application, and (b) from voltage application. 0.9 seconds later, (c) is 1.2 seconds after voltage application, (d) is 1.8 seconds after voltage application, (e) is gas sensitive after 200.0 seconds from voltage application. It is a figure which shows the resistance value of a body.
FIGS. 15A and 15B are diagrams showing temporal changes in gas sensitivity with respect to various gases of the gas sensitive body of Example 5, where FIG. 15A is 0.5 seconds after voltage application, and FIG. 0.9 seconds later, (c) is 1.2 seconds after voltage application, (d) is 1.8 seconds after voltage application, and (e) is gas sensitive after 200.0 seconds from voltage application. It is a figure which shows the resistance value of a body.
FIGS. 16A and 16B are diagrams showing temporal changes in gas sensitivity with respect to various gases of the gas sensitive body of Example 6, where FIG. 16A is 0.5 seconds after voltage application, and FIG. 16B is from voltage application. 0.9 seconds later, (c) is 1.2 seconds after voltage application, (d) is 1.8 seconds after voltage application, and (e) is gas sensitive after 200.0 seconds from voltage application. It is a figure which shows the resistance value of a body.
FIG. 17 is a diagram showing temporal changes in gas sensitivity with respect to various gases of the gas sensitive body of Example 1.
FIG. 18 is a diagram showing temporal changes in gas sensitivity with respect to various gases of the gas sensitive body of Example 2.
FIG. 19 is a diagram showing temporal changes in gas sensitivity with respect to various gases of the gas sensitive body of Example 3.
FIG. 20 is a diagram showing temporal changes in gas sensitivity with respect to various gases of the gas sensitive body of Example 4.
FIG. 21 is a diagram showing temporal changes in gas sensitivity with respect to various gases of the gas sensitive body of Example 5.
FIG. 22 is a diagram showing temporal changes in gas sensitivity with respect to various gases of the gas sensitive body of Example 6.
[Explanation of symbols]
20 Gas sensitive body
21 Heater combined electrode
22 Resistance detection electrode

Claims

A substantially spherical gas sensitive body whose resistance value changes according to the gas concentration, a coiled heater combined electrode embedded in the gas sensitive body, and the gas sensitive body passing through the center of the coil of the heater combined electrode A resistance detection electrode embedded therein, and a control unit that controls the energization of the heater combined electrode and detects the concentration of the detection target gas from the resistance value of the gas sensitivity body. The catalyst is formed on a metal oxide semiconductor so as to maintain the gas sensitivity to the gas to be detected when the energization of the dual-purpose electrode is stopped. During a period when no voltage is applied to the dual-purpose electrode, a predetermined voltage is applied via a load resistor between one of the heater dual-purpose electrode and the resistance detection electrode. Measure resistance Therefore, the control unit detects the gas concentration of the detection target gas in two stages: an alarm level at which a gas alarm should be generated and a predetermined preliminary detection level lower than the alarm level. When the gas concentration exceeds the alarm level, it operates in the main detection state that generates a gas alarm, and when the gas concentration exceeds the preliminary detection level, it operates in the preliminary detection state that shifts to the main detection state and is applied to the heater combined electrode. A gas detection device characterized in that the heating temperature of the gas sensitive body in the preliminary detection state is made lower than the heating temperature in the main detection state by controlling electric power .

In the preliminary detection state, when the resistance value of the gas sensitive body falls below a predetermined threshold value, the absolute value judgment for shifting to the main detection state and the current measured value of the resistance value of the gas sensitive body are predetermined from the past measured values. The gas detection device according to claim 1, wherein a relative value determination for shifting to the main detection state is performed when the fluctuation range is reduced by more than a predetermined fluctuation range.

The gas detection device according to claim 1 or 2, wherein the catalyst contains at least one of Pd and Sb.

3. The gas detection apparatus according to claim 1, wherein the catalyst contains both Pd and Sb.

The gas detection device according to any one of claims 1 to 4, wherein a time for energizing the heater combined electrode is longer than a thermal time constant of the gas sensitive body.

6. The gas detection apparatus according to claim 5, wherein the predetermined period is about 200 seconds, and the time for energizing the heater combined electrode is about 0.8 seconds.

5. The gas detection device according to claim 1, wherein the control unit switches a resistance value of the load resistance between the main detection state and the preliminary detection state.

The temperature sensor which detects ambient temperature is provided, The said control part performs temperature compensation of the resistance value of a gas sensitive body based on the output of this temperature sensor, The any one of Claim 1 thru | or 4 characterized by the above-mentioned. Gas detection device.

5. The control unit according to claim 1, wherein the control unit applies a pulse voltage to the heater combined electrode and changes a duty ratio of the pulse voltage according to a power supply voltage when the heater combined electrode is energized. The gas detection device described in 1.

A gas flow path to the gas-sensitive body from the outside, according to any one of claims 1 to 9, characterized in that a filter for removing alcohol vapor or silicon vapor from the gas in contact with the gas-sensitive body Gas detection device.

The gas detection device according to claim 10, wherein the filter is made of activated carbon or silica gel .