JP4282728B2 - 漏洩検知システム - Google Patents

Description

本発明は、ガスの漏洩を検知するシステムに関し、特にガスの漏洩箇所を特定することのできる漏洩検知システムに関する。

ガスセンサにはさまざまな種類があり、例えば可燃性ガスセンサに関してはＪＩＳ Ｍ ７６２６「定置形可燃性ガス検知警報器」の記載にあるように接触燃焼式、半導体式、熱伝導式、赤外線吸収式などが知られている。また、薄膜や厚膜を用いた方式として、Sensors and Actuators, Vol.B1, pp.15-20 に記載のFET方式（FETのゲート電極にガス感応膜を成膜し、標的ガスによるゲート電位の変化をFETで読み出す方式）や、Japanese Journal of Applied Physics Vol.40, pp.L1232-1234 に記載の熱電式（標的ガスによる熱電変換膜の温度上昇を電圧として読み出す方式）が提案されている。以上の例は、センサ単体に関するものであるが、複数のセンサを用いる例としては、濃度に対する出力線形領域の異なる複数のセンサを用いて広い濃度範囲の水素ガスを検出する方法（特開2002-357576号公報）がある。複数のガスセンサを無線通信で結び、ガスの濃度分布をモニタリングする技術に関しては、例えば The 10^th International Meeting on Chemical Sensors, Technical Digest, pp.94-95に記載がある。この例では電気化学センサや光イオン化センサなど数種類のセンサをハイブリッド化し、排水処理場、ごみ処理場、家畜舎、クリーンルームなどの臭気やVOCをモニターするシステムを構築することを提案している。

Sensors and Actuators, Vol.B1, pp.15-20 Japanese Journal of Applied Physics Vol.40, pp.L1232-1234 The 10thInternational Meeting on Chemical Sensors, Technical Digest, pp.94-95 特開2002-357576号公報

特定の位置におけるガス濃度を計測するだけでなく、施設全体のガスの濃度分布を計測したり、この結果を用いて漏洩拡散のモニタリングや漏洩箇所の特定を行ったりするガス検知システムが今後普及することが予想される。燃料電池自動車に水素ガスを供給する水素ステーションは、市街地に建設されて高い安全性が要求される点から、こういったガス検知システムを必要とする施設の好例である。

数十個のセンサを配置してガスの濃度分布を計測し、漏洩箇所を特定する場合、漏洩箇所の推定精度はセンサの配置間隔に依存する。ガスセンサを稠密（例えば１ｍ間隔）に配置できれば、漏洩箇所は比較的容易に特定できると思われるが、水素ステーションの敷地内に立体的に１ｍ間隔でガスセンサを配置するのは不可能である。例えば水素ステーションの広さを30ｍ四方、高さを10ｍとすれば、5ｍ間隔で100個程度センサを配置する程度が現実的である。

そこで、本発明は、水素ステーションの漏洩モードとして最も代表的なピンホールリークに関して、センサの配置間隔が粗くても漏洩箇所を早期に特定するのに好適な技術を提供する。なお、ピンホールリークとは、高濃度の水素により配管（特に溶接部）が脆化するなどし、小さい穴があいて高濃度、高圧のガスが噴出することをいう。ピンホールリークの場合、ガスは直線状に噴出するとされる。したがって噴出方向ではガス濃度が急速に増大するが、その周辺ではガス濃度の増加はそれほど速くはない。

ガスセンサには応答時間があり、たとえ周囲の対象ガス濃度がステップ状に増加したとしても出力電圧がそれに追随して飽和するまでに一定の時間を要する（図１(a)）。応答時間はセンサの種類や動作原理によって異なり、数秒から３０秒程度である。実際には対象ガスの濃度はステップ状に増加するわけではなく、一定の傾斜をもって増加する。濃度増加の傾斜が緩ければ、当然、出力電圧の増加も緩やかになる（図１(b)）。つまりガスセンサ出力の時間微分係数は、ガス濃度変化の急峻さと、ガスの濃度そのものという２つのパラメータに依存する。

従来、多数のガスセンサを配置した漏洩検知システムでは、各センサの出力を濃度に換算して等高線（等濃度線）マップとし、このマップから漏洩箇所を推定したり、拡散状態をモニターしたりしていた。この方法の場合、各センサがガス濃度変化に追随するまでの間、濃度が実際よりも低く見積もられてしまう。したがって、水素センサの応答時間が経過しないと正確な濃度分布は表示されない。また、センサの配置間隔が粗い場合、漏洩ガスの拡散状態をモニターするには有効であるものの、漏洩箇所の特定は容易ではない場合があった。

そこで、本発明は、従来の等濃度線マップに加えて、濃度の時間微分係数をマッピングする方法を提案する。ピンホールリークの場合、ガスの噴出方向にあるセンサは、高濃度であるだけでなく濃度変化の急峻なガスに曝される。したがって、各センサの濃度の時間微分係数をマッピングすれば、ガスの噴出方向にあるセンサがより明瞭にハイライトされる。ハイライトされたセンサを結ぶ線上にガスの漏洩箇所が推定できるため、配管などの先見情報と照合すれば漏洩箇所の特定が容易になる。さらにこの方法では、各センサの出力電圧がまだ飽和値に達する前に漏洩箇所が特定できるため、適切なバルブを閉止して漏洩を止めるなどの対策をすみやかに行うことができる。

なお本発明においては、時間微分係数をマッピングすることは必然ではなく、濃度の時間微分係数が一定の値を越えたセンサどうしを結んだ線上に漏洩箇所を推定すれば、同様の効果を得ることができる。

本発明によれば、ガスのピンホールリークにおいてガスの噴出方向に配置されたセンサを特定することができるため、特定されたセンサ間を結ぶ直線上に漏洩箇所を推定できる。各センサの出力電圧が自らの周辺のガス濃度に応じた飽和値に達する前に、出力電圧の時間微分係数の信号処理やマッピングによって漏洩位置を推定できるため、漏洩箇所の発見が早く、正確にできるようになる。

図2から図8を用いて、本発明の実施の形態を説明する。
図2は、水素ステーションにセンサを配置した状態を示す模式図である。センサ100は図のように３次元的に配置され、有線又は無線によって図示しないサーバと連絡している。サーバは、各センサを制御したり各センサの出力電圧を収録して画像化したりする。図2は無線のセンサ群をイメージしている。実際の水素ステーションでは、水素を貯蔵するカードルや圧縮機のある建物40内にもセンサが配置されるが、わかりやすいよう、ディスペンサー30のある屋外部分だけを図示している。

図3は、水素ステーション等でガス漏洩が起こったときの様子を、極めて簡単なモデルで表した図である。実際のセンサは図2のように３次元的に配置されるが、説明を容易にするため以下では２次元の図で説明する。図中、丸印はセンサ100の位置を、その下の数字はセンサの番号を、丸印に重ねて示した折線はセンサの出力電圧の時間変化を模式的に表している。配管20の接続部21でピンホールリークが発生し、ガスが直線状に噴出したものとする。このとき、ガスの噴出方向にあるNo.3，6，9のセンサは、100％近い高濃度のガスに曝される。ガスは濃度が高いばかりでなく、時間に対してほとんどステップ状に濃度が増加するため、これらのセンサの出力電圧は急速に増加する。一方、噴出方向から少しはずれたNo.2，4，5，7，10などのセンサでは、出力電圧の増加は比較的緩やかである。さらに遠方のNo.12，16などのセンサでは、漏洩したガスが拡散するまで出力電圧はほとんど変化しない。

ガスの漏洩状態を等濃度線分布500で表現したのが、図4に示す模式図である。等濃度線分布図は各時間のセンサ出力電圧を濃度に変換し、画像上で適当な補間を行ってガス濃度の空間分布を表現したものである。一方、センサの出力電圧を濃度に変換し、その時間微分係数の大きさをマッピングしたのが図5の模式図である。センサ100を表すそれぞれの丸印は、時間微分係数の大きさに応じた色あるいは濃度で表示してある。時間微分係数は前述のように各センサが曝されたガス濃度と、濃度の増加の急峻さの双方に依存する。したがってガスの噴出方向にあるNo.3，6，9のセンサでは時間微分係数が大きくなる。この結果、等時間微分係数図600では、No.3，6，9のセンサが特にハイライトされる。そこで、これら時間微分係数の大きいセンサどうし直線22で結べば、その線上に漏洩箇所23が推定される。実際の水素ステーション等では、配管やその接続部など、漏洩しやすい場所があらかじめわかっていることが多い。したがって、漏洩しやすい場所を時間微分係数を用いて求めた直線で絞り込めば、漏洩箇所の特定が短時間で容易に行える。

図5では漏洩方向にセンサが複数個並んでいる場合を示したが、図6のように漏洩方向にセンサが直線状に並んでいない場合も想定される。この場合、ハイライトされるセンサはNo. 8, 12, 16であって、それを直線で結ぶと一点鎖線24の方向に漏洩箇所が推定されてしまう。しかし、この場合は最も強くハイライトされるべきNo.4のセンサの時間微分係数が比較的小さく、一方、No. 3, 7, 11といったセンサの微分係数がNo.4に比べても大きいことを考慮すれば、推定方向が22のように修正できる。この直線は、例えば空間内に直線を仮定し、仮定した直線と各センサｉとの最短距離をｒ_iとし、ある瞬間における各センサの出力の時間微分係数をＱiとすれば、Ｑ_ｉ・ｒ_iの全てのセンサに関する総和

が最小になるように直線の位置を定める、といった方法で数学的に求められる。漏洩箇所の推定が必要なのはガス漏洩の発生時でガス濃度が上昇している最中であるからＱ_iが正の場合のみを考えれば十分である。求めた直線と漏洩しやすい場所の情報を総合すれば、これまで述べてきた方法と同様に漏洩箇所の特定が可能である。

なお、図5、図6では、前述のように簡単のため2次元表示を示している。このため、図5、図6は時間微分係数の等値線分布が描かれているが、実際の漏洩検知値システムではセンサが3次元配置されるので、画面表示では時間微分係数の等値面をマッピング表示することになる。ただし、図に示すようなマッピングは漏洩箇所を特定するためには必然ではない。マッピングは漏洩箇所を視覚的に把握する上で有用なので、マッピングした方が望ましい。しかし、サーバで行う信号処理の中で、ガス濃度の時間微分係数があらかじめ設定された一定値以上となったセンサ間を結ぶ直線、又はＱ_ｉ・ｒ_iの全てのセンサに関する総和が最小になるように求められた直線と、漏洩しやすい場所の空間座標とを照合すれば、漏洩箇所の特定は可能である。

図7にガス漏洩検知システムの構成図を示す。多数のセンサ100がサーバ110と無線で連絡している。サーバには送信器101と受信器102が接続され、また配管や漏洩しやすい場所などの情報を格納したデータストレージ107、表示部108が接続されている。サーバ内部には演算部106、主制御部105、送信制御部103、受信制御部104が設けられている。

図8は漏洩を警告する画面表示の一例である。画面上に配管の様子が図示され、漏洩しやすい箇所があらかじめ小さい三角形530で示されている。漏洩が発生すると、前述のように漏洩が推定される直線と漏洩しやすい場所が照合される。図8では最も可能性の高い場所が黒い菱形510で、2番目に可能性の高い場所が白い菱形で、各々数字とともに表示される。オペレータはこの表示に従って、バルブの閉止や拡散用ファンの起動などの適切な処置を速やかにとることができる。

なお、図４，５，６，８には、センサ及びガス配管を２次元表示した図を示したが、センサ及び配管の設置状態が正確に分かるように３次元表示するのが好ましい。

ガスセンサの時間応答特性を説明する図。 水素ステーションに水素ガスセンサを配置した模式図。 ガス漏洩時の各センサの時間応答を簡略なモデルで示した図。 ガス漏洩時の等濃度線図をモデル化した図。 ガス漏洩時の等時間微分係数図のモデル化した図。 ガス漏洩時の等時間微分係数図のモデル化した別の図。 ガス検知システムの構成を示すブロック図。 ガス漏洩時の表示の例を示す図。

符号の説明

20：配管
21：配管の接続部
22：時間微分係数の大きいセンサ間を結ぶ直線
23：漏洩箇所の推定位置
24：時間微分係数の大きいセンサ間を結ぶ直線
30：ディスペンサー
40：建物
100：センサ
101：送信器
102：受信器
103：送信制御部
104：受信制御部
105：主制御部
106：演算部
107：データストレージ
108：表示部
110：サーバ
500：等濃度線分布
510：第１の漏洩推定箇所
520：第２の漏洩推定箇所
530：漏洩しやすい箇所
600：等時間微分係数分布

Claims (4)

1. ３次元的に間隔を置いて配置された複数のガスセンサの出力を実時間で収集する手段と、
   前記収集した複数の出力を処理する演算手段とを有し、
   前記演算手段は、各ガスセンサの出力をガス濃度に変換し、ガス濃度の時間微分係数があらかじめ設定された値以上になったセンサ間を結ぶ直線とガス配管の位置情報とに基づいてガス漏洩位置を推定することを特徴とする漏洩検知システム。
2. 請求項１に記載の漏洩検知システムにおいて、前記ガスセンサは水素ガスセンサであることを特徴とする漏洩検知システム。
3. 請求項１に記載の漏洩検知システムにおいて、表示手段を有し、前記表示手段に前記ガスセンサの設置位置を表すマーク及びガス配管の設置位置を表す図形を表示し、各ガスセンサの設置位置を表すマークを当該ガスセンサの出力から求めた前記ガス濃度の時間微分係数の大きさに応じた色あるいは濃度で表示し、前記ガス配管の設置位置を表す図形上に前記推定したガス漏洩位置の候補を表示することを特徴とする漏洩検知システム。
4. 請求項３に記載の漏洩検知システムにおいて、前記表示手段に各ガスセンサの出力から求めた前記ガス濃度の時間微分係数を等値線表示することを特徴とする漏洩検知システム。

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