JP4346520B2 - ガス検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体式ガスセンサを間歇駆動させてガスを検知するガス検知装置に関する。

ガス検知機器に搭載される半導体式ガスセンサには、温湿度等の環境変化に敏感に反応するものがある。環境によるガスセンサのセンサ出力の変化は検知対象ガスに対するセンサ出力の変化に比べて小さいが、雰囲気中に検知対象ガスが存在しないときのベース出力によってゼロ点補正を行うガス検知機器や、警報を行う検知対象ガスの濃度を低い値に設定してあるガス検知機器では、環境変化によるセンサ出力の変動により、誤報等の誤作動につながる虞がある。
このような温湿度の変化によるベース変動を補正するために、従来は、例えば、サーミスタ等の温湿度検知素子を用い、センサ出力の補正を行っていた。しかし、温湿度検知素子等を別途利用する場合には、半導体式ガスセンサのセンサ素子や温湿度検知素子の初期特性のばらつきに拠るずれや経時変化等によるずれを生じたり、部品点数の増加によるコストアップにつながるという問題があった。
これに対し、半導体式ガスセンサを温度変化させて複数のセンサ出力を得、これらを組み合せて検出対象ガスを検出するガス検知装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−８３７７６号公報

しかしながら、特許文献１のガス検知装置は、複数のセンサ出力を計測する構成であることから演算が複雑なものとなり、装置の作製に手間がかかる。また、温度変化させるための装置等が別途必要となり、コストアップにつながるという問題があった。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、部品点数を増加させることなく簡単な構成で、環境変化による影響を低減できるガス検知装置を提供する点にある。

この目的を達成するための本発明に係るガス検知装置の特徴構成は、半導体式ガスセンサを間歇駆動させてガスを検知するガス検知装置であって、前記半導体式ガスセンサの駆動開始直後のセンサ出力Ｖ_０と、駆動開始後の安定した状態のセンサ出力Ｖ_１とに基づき、Ｖ_２＝Ｖ_１＋Ｃ（Ｖ_０）（但し、Ｖ_２：センサ出力補正値、Ｖ_１：安定した状態のセンサ出力、Ｖ_０：駆動開始直後のセンサ出力、Ｃ：補正関数）として、前記半導体式ガスセンサのセンサ出力補正値Ｖ_２を算出し、このセンサ出力補正値Ｖ_２に基づいて、ベース出力の変動の有無を判定するガス検出判定手段を有する点にある。
上記特徴構成によれば、予め取得した雰囲気中の温湿度等の環境変化と駆動開始直後のセンサ出力Ｖ_０との関係に基づいて、安定した状態のセンサ出力Ｖ_１を補正したセンサ出力補正値Ｖ_２を算出する。出願人は、センサ出力Ｖ_１をセンサ出力Ｖ_０に基づいて補正した値が環境変化によって変動しないことを見出した。このため、センサ出力補正値Ｖ_２の変動は、環境変化による変化が低減され、雰囲気中の検知対象ガスの濃度に依るものとなる。従って、温湿度検知素子等を別途必要とせず、費用をかけることなく、環境変化による誤報等の誤動作を効果的に防止することができる。
また、別部品を利用しないので、温湿度検知素子等を別途取付けた場合のように、温湿度検知素子の初期特性のばらつきや経時変化等によるセンサ出力のずれが生じるのを防止することができる。

この目的を達成するための本発明に係るガス検知装置の他の特徴構成は、前記ガス検出判定手段は、前記センサ出力補正値Ｖ_２の変動幅が、所定の範囲内にあるときはベース出力の変動が無いと判定するよう構成してある点にある。
センサ出力補正値Ｖ_２は、環境変化によるセンサ出力の変化を低減する。従って、上記特徴構成の如く、環境変化によるセンサ出力の変動幅を考慮して、ベース出力の変動が無いと判定する範囲を設定することで、環境変化による誤報等の誤動作を防止することができる。この範囲は、センサ出力補正値Ｖ_２を求める補正関数Ｃの精度に応じて適宜設定することができる。

更に、他の特徴構成は、前記補正関数は、Ｃ（Ｖ_０）＝Ｖ_０である点にある。
安定した状態のセンサ出力Ｖ_１に対し駆動開始直後のセンサ出力Ｖ_０を加算することで、温湿度変化によるセンサ出力への影響を低減させることができることが出願人の実験により分かった。従って、上記特徴構成の如く、安定した状態のセンサ出力Ｖ_１に駆動開始直後のセンサ出力Ｖ_０を加算したセンサ出力補正値Ｖ_２を用いてガス検知の判定を行うことで、温湿度変化による誤作動を防止することができる。

本発明に係るガス検知装置（以下、適宜「本発明装置」と略称する）の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明装置１０は、熱線型半導体式ガスセンサ２０を間歇駆動させてガスを検知するガス検知装置であり、図１に示すように、半導体式ガスセンサ２０と、ガス検出判定手段３０と、ガス検出判定手段３０においてガス検知と判定されたときにアラーム等の手段を用いて利用者に知らせる警報部４０とを備えて構成される。

半導体式ガスセンサ２０は、図２に示すような、検知対象ガスを検知可能な熱線型半導体式ガス検知素子２１を備えている。熱線型半導体式ガス検知素子２１は、白金、パラジウム、白金−パラジウム合金等の貴金属線２２に、酸化インジウム、酸化タングステン、酸化スズ、酸化亜鉛等の金属酸化物を主成分とする金属酸化物半導体を塗布、乾燥後焼結成形してあるガス感応部２３を備えている。

図３は、熱線型半導体式ガス検知素子２１をブリッジ回路に組み込みんだ半導体式ガスセンサ２０の構成図であり、パルス発生器２４、センサ出力計２５、及び、固定抵抗ＲＬ、Ｒ１、Ｒ２を備えている。パルス発生器２４は、１分周期で、パルス幅０．３秒のパルスを発生するよう設定されている。センサ出力計２５のセンサ出力Ｖは、Ｖ＝−Ｅ｛ｒｓ／（ｒｓ＋ｒ_Ｌ）−ｒ１／（ｒ１＋ｒ２）｝によって得られる。ここで、Ｅはパルス発生器２４のブリッジ電圧値、ｒｓは熱線型半導体式ガス検知素子２１の抵抗値、ｒ_Ｌは固定抵抗ＲＬの抵抗値、ｒ１は固定抵抗Ｒ１の抵抗値、ｒ２は固定抵抗Ｒ２の抵抗値である。本実施形態では、Ｅは１．６Ｖに設定され、ｒ_Ｌ、ｒ１、ｒ２は夫々１０Ωに設定されている。

ここで、図４は、半導体式ガスセンサ２０のセンサ出力［Ｖ］の計測タイミングを示している。本実施形態では、Ｖ_０は駆動開始直後、駆動開始から略０秒後のセンサ出力であり、Ｖ_１は半導体式ガスセンサ２０の駆動開始から略０．３秒後の安定した状態のセンサ出力である。

ガス検出判定手段３０は、半導体式ガスセンサ２０からの出力に基づいてセンサ出力補正値Ｖ_２を算出する演算部３１と、センサ出力補正値Ｖ_２に基づいてベース出力の変動の有無を判定する判定部３２とを備えている。

演算部３１は、半導体式ガスセンサ２０から駆動開始直後のセンサ出力Ｖ_０と、駆動開始後の安定した状態のセンサ出力Ｖ_１とを取得し、センサ出力Ｖ_０とセンサ出力Ｖ_１とを用いてセンサ出力補正値Ｖ_２を算出する。センサ出力補正値Ｖ_２は、Ｖ_２＝Ｖ_１＋Ｃ（Ｖ_０）によって得られる。ここで、Ｃは補正関数である。ここで、本実施形態ではＣ（Ｖ_０）＝Ｖ_０として設定されているので、センサ出力補正値Ｖ_２は、Ｖ_２＝Ｖ_１＋Ｖ_０によって求められる。

尚、補正関数Ｃは、本実施形態に拘わらず、任意に決定することができる。例えば、センサ出力Ｖ_０に乗算する係数を適宜変更しても良い。更に、センサ出力補正値Ｖ_２を求める際にはセンサ出力Ｖ_１とセンサ出力Ｖ_０との加算に限らず、乗算を行っても良い。

判定部３２は、演算部３１からセンサ出力補正値Ｖ_２を取得し、センサ出力補正値Ｖ_２の変動幅が、所定の範囲内にあるときはベース出力の変動が無い、即ち、雰囲気中に検知対象ガスが存在しないと判定する。ここでは、しきい値ｔｈを略１０ｍＶに設定し、センサ出力補正値Ｖ_２の変動幅がしきい値ｔｈを超えた場合にガス検知と判定する。

ここで、図５は、センサ出力Ｖ_１の変動幅、及び、演算部３１によって算出されたセンサ出力補正値Ｖ_２の変動幅の時間的推移を示している。ここで、６０時間経過後までは、雰囲気中に検知対象ガスは存在しておらず、温湿度のみ変化している。これに対し、６０時間経過後は、温湿度は変化せず、雰囲気中の検知対象ガスの濃度が変化している。

詳細には、１０時間後付近では、温度が２０度から０度に、湿度が６５％から９０％に変化しており、センサ出力Ｖ_１が略−１０ｍＶ前後にまで変化しているのに対し、センサ出力補正値Ｖ_２は略変化していない。また、３０時間後付近では、温度が０度から４０度に変化しており、このときのセンサ出力Ｖ_１が略１５乃至１０ｍＶまで変化しているのに対し、センサ出力補正値Ｖ_２は１０ｍＶ以内で推移しており、センサ出力補正値Ｖ_２は温湿度変化の影響を受け難いことがわかる。

更に、温湿度変化の無い６０時間付近は、雰囲気中に検知対象ガスが存在する場合を示しており、このときのセンサ出力補正値Ｖ_２はしきい値ｔｈを超えて変化しているため、適切にガス検知を判定することができる。従って、センサ出力補正値Ｖ_２を判定に用いた場合には、温度変化によるセンサ出力の変化によって、ガス検知と誤判定されるのを防止できる。

本発明に係るガス検知装置の構成図 半導体式ガスセンサの熱線型半導体式ガス検知素子の概略図 半導体式ガスセンサの構成図 センサ出力の計測タイミングを示す図 センサ出力補正値の変動幅及びセンサ出力の変動幅を示す図

符号の説明

１０ ガス検知装置
２０ 半導体式ガスセンサ
３０ ガス検出判定手段

Claims (3)

1. 半導体式ガスセンサを間歇駆動させてガスを検知するガス検知装置であって、
   前記半導体式ガスセンサの駆動開始直後のセンサ出力Ｖ_０と、駆動開始後の安定した状態のセンサ出力Ｖ_１とに基づき、
   Ｖ_２＝Ｖ_１＋Ｃ（Ｖ_０）
   （但し、Ｖ_２：センサ出力補正値、Ｖ_１：安定した状態のセンサ出力、Ｖ_０：駆動開始直後のセンサ出力、Ｃ：補正関数）
   として、前記半導体式ガスセンサのセンサ出力補正値Ｖ_２を算出し、このセンサ出力補正値Ｖ_２に基づいて、ベース出力の変動の有無を判定するガス検出判定手段を有するガス検知装置。
2. 前記ガス検出判定手段は、前記センサ出力補正値Ｖ_２の変動幅が、所定の範囲内にあるときはベース出力の変動が無いと判定するよう構成してある請求項１に記載のガス検知装置。
3. 前記補正関数は、Ｃ（Ｖ_０）＝Ｖ_０である請求項１または２に記載のガス検知装置。

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