JP4713609B2 - イオン化式ガスセンサおよびガス検知システム - Google Patents
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Description
イオン化式ガスセンサのある種のものは、図8に示すように、例えば板状の集電極75によって互いに気密に区画された、被検ガスが導入される測定室73および環境条件の変化の影響を補償するための補償室74を有するチャンバ72を備え、測定室73内および補償室74内のそれぞれに例えばアメリシウム241などの放射線源76,77が配設されて構成された検知部71と、集電極75からの検出信号としての電流信号(測定室73の電離電流と補償室74の電離電流との差分に応じたもの)が、絶縁部材79を介してチャンバ72の壁を気密に貫通して外部に導出された集電極75の一端がオペアンプ83の非反転入力端子(Vin+ )に接続されると共にオペアンプ83の出力端子(Vout)が反転入力端子(Vin- )に接続されて負帰還がかけられた状態で構成された、いわゆる「高入力インピーダンス回路」により構成された増幅回路82およびCPU85を含む濃度算出部81とにより構成されている(例えば特許文献1参照)。図8における72Aはガス導入管、72Bはガス排出管である。
而して、測定室73内に導入される被検ガスに、例えば煙粒子やガス粒子などの微粒子が含まれている場合には、この微粒子によって放射線が吸収されて測定室73の電離電流が減少して補償室74との平衡状態が崩れるので、測定室73の電離電流の変化量を検出することにより被検ガス中に含まれる検知対象ガスの濃度が検出される。
両端が気密に密閉されて内部に被検ガスが導入される測定室を画成する円筒型の導電性を有するチャンバと、このチャンバの一方の端壁に配設された放射線源と、チャンバの中心軸と同軸上に位置された線材よりなる集電極と、チャンバと集電極との間に電位差を与える電圧印加手段とを備えてなり、
集電極が接地電位状態に維持されると共に電圧印加手段によってチャンバに負の電圧が印加されることを特徴とする。
さらにまた、放射線源がチャンバの一方の端壁における中央位置に配設された構成とされることにより、放射線源からの放射線を効率よく利用することができ、高い効率を得ることができる。
このイオン化式ガスセンサ(以下、単に「ガスセンサ」という。)10は、放射線による気体の電離作用を利用した電離箱の原理を利用した検知部11と、検知部11からの検出信号に基づいて検知対象ガスの濃度を算出する濃度算出部30とを備えている。
集電極21の線径は、例えばφ1.0mm以下であることが好ましく、φ0.4〜φ0.8mmであることがより好ましい。集電極21の線径が過大である場合には、所定のガス測定を行うに際して必要とされる印加電圧が高いものとなり、一方、集電極21の線径が過小である場合には、自己保形性が小さくなって振動などによる影響を受けやすくなる。
放射線源15は、その放射能が10kBq(キロベクレル)以下、例えば8kBq(キロベクレル)程度のものが用いられている。
図1における符号65は、検知部11の周辺温度を検出するための温度検知手段である例えばサーミスタであり、36は、電圧印加手段を制御するためのメイン基板である。
チャンバ12の基体13に対する印加電圧の大きさは、検知対象ガスの種類および/または濃度に基づいて設定され、例えば−5〜−25Vの範囲で調整可能とされている。
一方、集電極21は例えば接地電位状態に維持されており、従って、電離作用によって生ずる正イオンがチャンバ12に集められると共に易動度の高い電子が集電極21に集電されるよう、測定室14内に電場が形成される。
上記ガスセンサ10は、熱分解器やポンプと共にガス検知システムを構成して使用される。ガス検知システムの構成について、図4を参照して説明すると、被検ガスを例えば800〜900℃程度に加熱することにより粒子状の酸化物を生成する熱分解器41がガスセンサ10のチャンバ12に設けられたガス導入管12Aに接続されると共に、例えば吸引ポンプ48よりなるガス導入手段がバルブ47およびバッファ46を含むガス流量調整手段を介してガスセンサ10のチャンバ12に設けられたガス排出管12Bに接続されている。
熱分解器41は、図3に示すように、例えば箱型の外匣411を備え、この外匣411内を貫通して伸びるよう、例えば石英よりなる直管状のガス導入管412が設けられていると共に、加熱手段としての線状の発熱体413がガス導入管412の外周面に巻回された状態で設けられて、構成されている。そして、外匣411とガス導入管412とにより区画された内部空間には、断熱材415が充填されている。
さらにまた、放射線源15がチャンバ12の一方の端壁における中央位置に配設された構成とされることにより、放射線源15からの放射線を効率よく利用することができ、高い効率を得ることができる。
すなわち、上記ガスセンサ10においては、集電極21が陽極として機能することにより放射線源15による電離作用によって生成される電子および陰イオン(例えばO2 - など)が集電極21に集められると共に例えばN+ などの陽イオンが陰極として機能するチャンバ12の壁に集められるが、測定室14内に形成される電界の強度による移動速度の差が生じやすい。例えば、測定室14内に形成される電界の強度が弱い場合には、例えばO2 - の移動速度が遅くなるため、被検ガス中に含まれる酸化物(例えば検知対象ガスがSiO4 である場合にはSiO2 )に取り込まれる確率が高くなり、従って、検知対象ガスの低濃度域における感度を高くすることができる。
従って、検知対象ガスの種類および/または濃度に対して感度の高い状態のものを選択することにより、検知対象ガスを高い精度で検出することができる。
<実験例1>
本発明に係るガスセンサを図1および図2に示す構成に従って作製した。このガスセンサの仕様を以下に示す。
〔ガスセンサ仕様〕
チャンバ(12):材質;ステンレス鋼,外径;φ20mm,内径;φ15mm,長さ;55mm、
集電極(21):材質;表面にNi−Auメッキが施されたタングステン,線径;φ0.3mm,測定室内における配置位置;チャンバの中心軸と同軸上の位置、
放射線源(15):材質;アメリシウム241,放射能;8kBq(キロベクレル)、
図4における41は熱分解器,42はガスセンサ,43はデータロガ,44は粒子除去フィルター,45は流量計,46はバッファ、47はガス流量調整バルブ、48は吸引ポンプ、49は排気ダクトである。熱分解器41によるシランガスの加熱温度を600℃とした。
上記実験例1において、チャンバに対する印加電圧を−12Vとしたことの他は、実験例1と同様のガス検知テストを行い、ガス濃度が10ppmであるシランガスを用いた場合における出力値に対する各ガス濃度のシランガスに係る出力値の比を算出した。結果を図5(ロ)に示す。
上記実験例1において、チャンバに対する印加電圧を−24Vとしたことの他は、実験例1と同様のガス検知テストを行い、ガス濃度が10ppmであるシランガスを用いた場合における出力値に対する各ガス濃度のシランガスに係る出力値の比を算出した。結果を図5(ハ)に示す。
参考用のガスセンサを図8に示す構成に従って作製した。この参考用ガスセンサの仕様を以下に示す。
〔参考用ガスセンサ仕様〕
チャンバ(72):材質;真鍮,測定室および補償室を画成する殻体;内径43mmの半球状、
集電極(75):材質;ステンレス鋼,形状;厚み0.5mmの板状、
放射線源(76,77):材質;アメリシウム241,放射能(全体);37(=18.5×2)kBq(キロベクレル)、
実験例1において作製したガスセンサを用いて図6に示すガス検知システム50を構成し、被検ガスとしてガス濃度が15ppmであるTEOSガス(スパンガス)およびゼロガス(TEOSガス濃度が0ppm)を用い、0.3リットル/minのガス流量で測定室内に導入することによるガス粒子検知テストを、それぞれの被検ガスについて、チャンバに対する印加電圧を適宜に変更して行った。結果を図7に示す。
図6における51はコンプレッサ,52はTEOS発生器,53は除湿フィルター,55はオシロスコープ,56は粒子除去フィルター,57はニードル付ポンプユニット,59は排気ダクトである。熱分解器41によるTEOSガスの加熱温度を800℃とした。
例えば、本発明においては、集電極それ自体がチャンバの外部に導出された構成である必要はなく、例えば集電極の基端部分に給電用の外部リードを接続して当該外部リードがチャンバの外部に導出される構成とされていてもよい。
さらに、本発明のガスセンサは、一酸化炭素、硫化水素、炭化水素、二酸化炭素、メタン、ブタンなどを感知するための煙感知器に適用することもできる。
11 検知部
12 チャンバ
12A ガス導入管
12B ガス排出管
13 基体
14 測定室
15 放射線源
16 ホルダー
18 可変電圧電源
20 電極構造体
21 集電極
22 集電極ホルダー
23A 内側絶縁部材
23B 外側絶縁部材
24 ガードリング
30 濃度算出部
32 積分回路
33 ローパスフィルタ回路
34 ゲイン回路
35 CPU
36 メイン基板
40 ガス検知システム
41 熱分解器
411 外匣
412 ガス導入管
413 発熱体
415 断熱材
42 ガスセンサ
43 データロガ
44 粒子除去フィルター
45 流量計
46 バッファ
47 ガス流量調整バルブ
48 吸引ポンプ
49 排気ダクト
50 ガス検知システム
51 コンプレッサ
52 TEOS発生器
53 除湿フィルター
55 オシロスコープ
56 粒子除去フィルター
57 ニードル付ポンプユニット
59 排気ダクト
65 サーミスタ
70 イオン化式ガスセンサ
71 検知部
72 チャンバ
72A ガス導入管
72B ガス排出管
73 測定室
74 補償室
75 集電極
76,77 放射線源
78 電圧印加手段
79 絶縁部材
81 濃度算出部
82 増幅回路
83 オペアンプ
85 CPU
OP オペアンプ
C コンデンサ
SW スイッチ(リセットスイッチ)
Claims (6)
- 放射線による気体の電離作用によって生ずる電離電流が検知対象ガスのガス粒子の存在により減少するその電流変化量に応じて検知対象ガスの濃度を検出するイオン化式ガスセンサにおいて、
両端が気密に密閉されて内部に被検ガスが導入される測定室を画成する円筒型の導電性を有するチャンバと、このチャンバの一方の端壁に配設された放射線源と、チャンバの中心軸と同軸上に位置された線材よりなる集電極と、チャンバと集電極との間に電位差を与える電圧印加手段とを備えてなり、
集電極が接地電位状態に維持されると共に電圧印加手段によってチャンバに負の電圧が印加されることを特徴とするイオン化式ガスセンサ。 - 放射線源がチャンバの一方の端壁における中央位置に配設されていることを特徴とする請求項1に記載のイオン化式ガスセンサ。
- 集電極がチャンバの他方の端壁を気密にかつ絶縁性が確保された状態で貫通するよう外部に導出されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のイオン化式ガスセンサ。
- 電圧印加手段が可変電圧電源よりなることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のイオン化式ガスセンサ。
- 電圧印加手段よりの印加電圧の大きさが検知対象ガスの種類および/または濃度に基づいて設定されることを特徴とする請求項4に記載のイオン化式ガスセンサ。
- 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のイオン化式ガスセンサと、被検ガスを加熱することにより粒子状の酸化物を生成する熱分解器と、当該熱分解器を介して被検ガスをイオン化式ガスセンサにおける測定室内に導入するガス導入手段とを備えてなることを特徴とするガス検知システム。
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