JP4759475B2 - ガス検出装置とガス検出装置の自己診断方法 - Google Patents

Description

この発明は金属酸化物半導体ガスセンサを用いたガス検出装置の自己診断に関し、特に有機溶剤蒸気への曝露等によりガスセンサが高感度化したかどうかを自己診断することに関する。

金属酸化物半導体ガスセンサを用いたガス検出装置を、点検することが行われている。ガスセンサの温度を高温と低温とに交互に変化させ、高温でメタン等の可燃性ガスを、低温でＣＯを検出する装置の場合、点検では例えばライターの内炎ガスを用い（特許文献１，２）、内炎ガス中のＣＯでＣＯ感度を点検し、内炎ガス中の水素やブタン等で可燃性ガス感度を点検する。また活性炭等のフィルタを備えたガスセンサの場合、フィルタを経由せずに雰囲気を金属酸化物半導体へ導く点検孔を設ける（特許文献３）。

上記の点検で金属酸化物半導体ガスセンサの感度が失われていないことを確認できる。しかし有機溶剤蒸気等への曝露でガスセンサが高感度化し、僅かなガスで警報することは、点検では検査できない。警報すべき濃度範囲よりも低い濃度で警報することを誤報と呼ぶと、誤報かガス漏れや不完全燃焼かを確認するため、誤報が生じるとガス会社等の従業員が現場を訪問して確認する必要がある。なお特許文献４は、金属酸化物半導体ガスセンサを温度変化させた際の出力波形から、センサを選別することを開示している。
特開２００１−１９４３２８号公報 特開２００２−１８３８４６号公報 特許３１９７４０１号公報 特開平１１−８３７８０号公報 特許３４８０８２３号公報

この発明の課題は、ガスセンサの高感度化を自己診断できるようにすることにある。

用語法
この明細書では、抵抗値は文脈上不自然な場合を除き、ガスセンサの金属酸化物半導体の抵抗値を意味する。高温側の温度は、高温側最高温度と高温側の初期温度などのように高温側の温度をさらに区分して考えるのではなく、高温側での平均的な温度を意味し、高温側で温度がほぼ安定した後、低温側に移行して温度が実質的に低下し始めるまでの適宜の時点の温度を意味する。この点は低温側の温度についても同様である。
高感度化は、ガスに対する抵抗値の比が増すことではなく、抵抗値が低下し誤報のおそれがあることを意味する。

この発明は、ガス検出用の金属酸化物半導体とヒータとを備えたガスセンサを、高温側の第１温度と低温側の第２温度とに交互に周期的に温度変化させ、高温側で可燃性ガスを低温側でＣＯを検出するようにしたガス検出装置において、
高温側の温度を第１温度と第２温度の中間の第３温度に変化させて、ガスセンサを第３温度と第３温度よりも低い低温側の温度との間で温度変化させると共に、第３温度でのガスセンサの抵抗値と第１温度でのガスセンサの抵抗値との比が所定値以下の際に、ガスセンサが高感度化しているものと診断するための自己診断手段を設けたことを特徴とする。

好ましくは、ガスセンサを第３温度と低温側の温度との間で温度変化させる際の低温側の温度が、第２温度である。

この発明はまた、ガス検出用の金属酸化物半導体とヒータとを備えたガスセンサを、高温側の第１温度と低温側の第２温度とに交互に周期的に温度変化させ、高温側で可燃性ガスを低温側でＣＯを検出するようにしたガス検出装置の自己診断方法において、
高温側の温度を第１温度と第２温度の中間の第３温度に変化させて、ガスセンサを第３温度と第３温度よりも低い低温側の温度との間で温度変化させると共に、第３温度でのガスセンサの抵抗値と第１温度でのガスセンサの抵抗値との比が所定値以下の際に、ガスセンサが高感度化しているものと診断することを特徴とする。
好ましくは、前記比が所定値以下の際に、高温側の温度を第３温度と第１温度との間の第４温度と、第３温度と第２温度との間の第５温度とに変化させて、第４温度と低温側の温度との間、及び第５温度と低温側の温度との間で温度変化させ、
第４温度でのガスセンサの抵抗値と第１温度での抵抗値の比と、第５温度でのガスセンサの抵抗値と第１温度での抵抗値の比が共に小さいことを、ガスセンサが大きく高感度化していることの指標とし、
第４温度でのガスセンサの抵抗値と第３温度での抵抗値の比と、第５温度での抵抗値と第３温度での抵抗値の比が共に大きいことを、ガスセンサがやや高感度化していることの指標として、高感度化の程度を診断する。

この明細書において、自己診断に関する記載はガス検出装置にも、その自己診断方法にもそのまま当てはまる。
第１の温度は例えば４００〜５５０℃、第２の温度は例えば１００℃〜室温、第３の温度は例えば２５０〜３５０℃である。

この発明では、ガスセンサの高感度の有無を自己診断でき、高感度化による誤報を防止できる。
第３温度を含む温度周期での低温側温度は、第２温度とは別の温度でも良いが、低温側の温度を第２温度に統一すると、ヒータ制御が簡単である。

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１〜図７に、実施例とその特性を示す。各図において、２はガスセンサで、４は球状もしくは楕円球状の感ガス体で、６は感ガス体４の周囲のフィルタで、８はヒータ電極、１０は中心電極である。感ガス体４のサイズは、ここでは中心電極１０に平行な長手方向が３００μｍで、これに直角な方向での最大径が２００μｍである。またフィルタ６は厚さが約１００μｍである。感ガス体４はＳｎＯ2に１質量％程度のパラジウムを加えたもので、フィルタ６は０.５質量％程度のパラジウムを添加したＳｎＯ2と、その半量のαアルミナの混合物である。ただし感ガス体４やフィルタ６の材質は任意である。

ガス検出装置１２は電源１４により動作し、トランジスタスイッチ１６を所定のデューテイ比でパルス的にオンさせてヒータ電極８を駆動し、トランジスタスイッチ１８をパルス的にオンさせて抵抗２２とガスセンサ２の直列片に検出電圧を加え、中心電極１０の電位からガスを検出する。２０はサーミスタ、２４は他の抵抗である。マイクロコンピュータ２６には警報用のブザー２８と発光色の異なる３種類のＬＥＤ２９〜３１が接続され、可燃性ガスのガス漏れや不完全燃焼、低濃度のガス漏れ、僅かな不完全燃焼、ガスセンサの高感度化、正常などの状態を表示する。またフォトカプラー３２から図示しないガスメータに接続し、ガス漏れ時や不完全燃焼時にガスを遮断すると共に、ガスセンサ２の高感度化時にガス会社にガスメータから通報して点検を求める。ＥＥＰＲＯＭ３４はガス検出装置１２でのイベントを記録し、ガス漏れや不完全燃焼、高感度化並びにその程度を時期と共に記録する。

ヒータ制御３６はトランジスタスイッチ１６を介してヒータ電極８を駆動し、ガスセンサ２の温度を周期的に変化させる。サンプリング部３８は所定のタイミングでトランジスタスイッチ１６をオンして、ガスセンサ２の出力を読み込む。ＡＤコンバータ４０はガスセンサ２の出力やサーミスタ２０の出力をＡＤ変換し、自己診断４２はガスセンサ２の高感度化の有無を自己診断する。メタン検出４４は高温側でのガスセンサ２の出力からメタンなどの可燃性ガスのガス漏れを検出し、ＣＯ検出４６は低温側でのガスセンサ２の出力から不完全燃焼を検出する。入出力４８はブザー２８〜フォトカプラー３２を駆動し、ＥＥＰＲＯＭドライブ５０はＥＥＰＲＯＭ３４への書き込みと読み出しを行う。

図３に、ガスセンサ２の駆動周期を示す。自己診断時以外はガスセンサ２は高温側（添え字Ｈ）が５秒、低温側（添え字Ｌ）が１５秒の２０秒周期で動作し、動作周期の種類は任意である。高温側の終了時をＨ５，低温側での１秒目をＬ１などのように表示し、Ｈ５とＬ０は共に高温側の終了時で、Ｌ１５とＨ０は共に低温側の終了時である。ヒータ電極８はデューテイ比制御されるが、ここでは簡単のために、ヒータ電極８への電圧が制御されるかのように、ヒータ電力を電圧換算で表示する。高温側のヒータ電圧は０.９Ｖ相当で、ガスセンサの感ガス体温度は約５００℃、低温側のヒータ電圧は０.２Ｖ相当で、感ガス体温度は約７０℃である。自己診断時以外は、ガスセンサ２からのサンプリングは高温側の終わりのＨ５，低温側初期のＬ１（水素検出用）並びに低温側の終わりのＬ１５の３ポイントで行われる。

自己診断時には高温側のヒータ電圧を０.６Ｖ相当（感ガス体温度約３００℃）とし、低温側のヒータ電圧を０.２Ｖとした周期を、高温側５秒，低温側１５秒で例えば１周期実行する。高感度化の兆候がある場合、高温側のヒータ電圧を０.４５Ｖ相当（感ガス体温度約２００℃），低温側のヒータ電圧を０.２Ｖ相当とし、高温側５秒，低温側１５秒で１周期実行する。高感度化の兆候がある場合さらに、高温側をヒータ電圧０.７５Ｖ相当で５秒（感ガス体温度約４００℃），低温側をヒータ電圧０.２Ｖ相当で１５秒の周期を１周期実行する。これらの周期では、高温側の終わりのＨ５のセンサ出力と低温側の終わりのＬ１５のセンサ出力を読み込み、他にヒータ電圧が０.６Ｖ相当と０.４５Ｖ相当の場合に、高温側初期のＨ１でのセンサ出力と低温側初期でのＬ１のセンサ出力を読み込む。

空気中でヒータ電圧が０.６Ｖ相当での抵抗値が低いことは、高感度化の指標である。また高感度化により、高温側のヒータ電圧が０.６Ｖ相当や０.４５Ｖ相当での、高温側と低温側との抵抗値の比が小さくなる。さらに高温側のヒータ電圧を０.６Ｖや０.４５Ｖあるいは０.７５Ｖとする自己診断サイクルの間に、高温側のヒータ電圧を０.９Ｖ相当とする通常のサイクルを１周期以上挿入し、自己診断中にＣＯあるいはメタンなどが発生すると検出して、自己診断を中止する。以下で雰囲気は特に断らない限り空気中であり、ガスセンサ２の出力が低くかつ安定していることから、空気中であると判断する。

ヒータ電圧０.９Ｖではガスセンサの定常温度は約５００℃、０.２Ｖでは約７０℃、０.６Ｖで約３００℃、０.７５Ｖで約４００℃、０.４５Ｖで約２００℃である。高温側のヒータ電圧を０.４５Ｖ相当とすると、高感度化により、ヒータ電圧０.９Ｖでの抵抗値よりも抵抗値が小さくなり、かつ温度変化に対する抵抗値の振幅が小さくなる。高感度化が進行していない場合、ヒータ電圧０.４５Ｖでの高温側の抵抗値は、ヒータ電圧０.９Ｖでの高温側の抵抗値とほぼ等しい。高温側のヒータ電圧を０.７５Ｖ相当とすると、高感度化の進行により０.７５Ｖ相当の高温側での抵抗値が０.９Ｖ相当の抵抗値よりも低くなり、高感度化が進行していない場合、この値は１程度である。またヒータ電圧が０.７５Ｖ相当では、温度変化に伴う抵抗値の変化は、低温側の抵抗値が空気中で極めて高くなるため検出が難しい。

図４に、高感度化の自己診断アルゴリズムを示す。自己診断はガス漏れも不完全燃焼も発生していない際に行い、これはセンサ出力がガス漏れや不完全燃焼に対応する出力よりも充分低いこと、例えば低温側のセンサ出力がＣＯ５０ｐｐｍ以下で高温側のセンサ出力がメタン５００ｐｐｍ以下である。好ましくはこれに加えて、センサ出力が時間的に安定で定常値に達していることを用いる。自己診断では、ヒータ電圧０.９Ｖでのセンサ抵抗（Ｈ５での抵抗：以下Ｈ５、Ｌ１等は、サンプリングのタイミングを、高温側Ｈと低温側Ｌについて、５や１等の秒単位で示す）を記憶する。次いでヒータ電圧を０.６Ｖと０.２Ｖに変更し、５秒／１５秒の２０秒周期で１周期駆動し、ヒータ電圧０.６Ｖでのセンサ抵抗（Ｈ５）を記憶すると共に、Ｌ１５での抵抗，Ｈ１での抵抗，Ｌ１での抵抗も記憶する。ヒータ電圧０.９Ｖでの抵抗とヒータ電圧０.６Ｖでの抵抗の比（共に高温側５秒目での抵抗）を求め、この比が所定値Ｃ１以下で高感度化とし、所定値Ｃ１よりも大きい場合、高感度化が無いものとする。

高感度化がある場合、ヒータ電圧０.４５Ｖと０.２Ｖの周期、並びに０.７５Ｖと０.２Ｖの周期を各１周期実行し、周期の時間は共に高温側５秒目／低温側１５秒である。またこれらの間にヒータ電圧０.９Ｖと０.２Ｖの周期を１周期ずつ実行し、不完全燃焼やガス漏れが発生すると自己診断を中止する。次に図４の値Ｆ１，Ｆ２を求める。Ｆ１，Ｆ２で対数を用いるのは、抵抗値の高い項により全てが決定されるのを防ぐためである。値Ｆ１はヒータ電圧０.４５Ｖ〜０.７５Ｖで抵抗値がヒータ電圧が０.９Ｖに対して低いかどうかを示し、Ｆ１が小さい場合高感度化が進行している。Ｆ２はヒータ電圧０.６Ｖに対してヒータ電圧０.４５Ｖや０.７５Ｖで抵抗値が低いか否かを示し、Ｆ２が高いと高感度化は初期段階で、Ｆ２が低いと高感度化が進行している。ヒータ電圧を０.６Ｖと０.２Ｖとする周期、あるいは０.４５Ｖと０.２Ｖとする周期で、高温側と低温側での抵抗値の比Ｆ３を求める。Ｆ３は低温側初期の抵抗値ＲL1と高温側の終わりの抵抗値ＲH5との比や、あるいは低温側の最後の抵抗値ＲL15と高温側初期の抵抗値ＲH1の比、などとする。Ｆ３が大きいことは高感度化が進行していないことの指標で、Ｆ３が小さいことは高感度化が進行していることの指標である。そこで０.６Ｖでの抵抗値と０.９Ｖの抵抗値の比Ｆ０に、指標Ｆ１〜Ｆ３を加味することにより、高感度化の程度や有無をより正確に判別できる。高感度化の判断には、マップや、Ｆ０〜Ｆ３の関数を用いる。

高感度化を検出すると、ＬＥＤで高感度化を表示し、その程度が著しい、もしくは１ヶ月以上の間複数回常に高感度化を検出すると、ガスメータを経由してガス会社に報告し、ガス検出装置の点検を受けられるようにする。さらにＥＥＰＲＯＭに高感度化とその程度を時期と共に記録する。また高感度化による誤報を防止するため、不完全燃焼やメタンのガス漏れに対する警報濃度を増加させる。

図５〜図７に特性を示すと、図５は高温側５秒，低温側１５秒で、低温側のヒータ電圧を０.２Ｖに固定した周期での高温側５秒目のセンサ抵抗の分布を示している。なお測定雰囲気は空気中で、試料には正常品１０個と、高濃度の有機溶剤が発生する環境下でフィールド耐久を行い劣化させたフィールド劣化センサ１０個、並びに実験室内で高濃度の有機溶剤蒸気に曝露して高感度化した高感度化センサ１０個である。ガス検出装置１２はＣＯ１５０ｐｐｍ、メタン３０００ｐｐｍで警報するようにセットされ、フィールド劣化センサの平均ではＣＯ６０ｐｐｍ、メタン２８００ｐｐｍで警報、高感度化センサの平均ではＣＯ３０ｐｐｍ、メタン２６００ｐｐｍで警報した。各図の分布は平均値と最大値並びに最小値で示す。また高感度化しても空気中のヒータ電圧０.９Ｖでの抵抗値に大差はない。これに対してヒータ電圧０.６Ｖでは高感度化により抵抗値が著しく低下し、その初期段階にあるフィールド劣化でも抵抗値の低下が著しい。次に高感度化が進行している場合、０.４５Ｖでも０.７５Ｖでも抵抗値は低下し、高感度化の初期では０.４５Ｖや０.７５Ｖでの抵抗値の低下が少ない。

図６に、正常品並びに高感度化品の典型的な試料につき、空気中での出力波形を示す。低温側のヒータ電圧は０.２Ｖ、高温側のヒータ電圧は０.９Ｖ〜０.４５Ｖで、雰囲気は空気中である。正常品では、０.７５Ｖや０.９Ｖでの、空気中で低温側の抵抗値は高すぎ、サンプリングは困難である。また０.６Ｖや０.４５Ｖでの抵抗値は、０.２Ｖでの抵抗値よりも充分に小さい。これに対して高感度化品では、ヒータ電圧０.４５Ｖや０.６Ｖと０.２Ｖとの間の抵抗値の変化が小さい。

図７にヒータ電圧を、０.４５Ｖや０.６Ｖと、０.２Ｖとの間で変化させた際の抵抗値の比の分布を示す。なお抵抗値の比は、低温側の最後と高温側初期の比、並びに低温側初期と高温側の最後の比、の２種類を示すが、いずれも傾向は同様である。そしてこの比は高感度化により小さくなり、正常品では小さく、分布に重なりはない。

以上のように実施例では、ガスセンサの高感度化の有無を自己診断できる。自己診断は空気中で、ガスの発生を待たずに行え、自己診断前にガスがないことを確認して自己診断する。自己診断と自己診断との間に、通常のガス漏れや不完全燃焼の検出サイクルを挿入するので、ガスが発生すると自己診断を中止できる。自己診断の指標は複数有り、これらを用いて自己診断の有無や程度を正確に判断できる。

実施例で用いたガスセンサの要部平面図 実施例のガス検出装置のブロック図 実施例のガスセンサの動作波形図 実施例での自己診断アルゴリズムを示すフローチャート 高温側５秒目での空気中抵抗値の分布を示す図で、サンプルは正常品（ref），高感度化品，フィールド劣化品の３種で各１０個、高温側ヒータ電圧は0.9,0.75,0.6,0.45Vの４種類 正常品と高感度化品の典型的な抵抗値波形を示す図で、雰囲気は空気中で、低温側のヒータ電圧は0.2V、高温側のヒータ電圧は0.9,0.75,0.6,0.45Vの４種類（ｎ＝１） ヒータ電圧を切り替えた際の抵抗値の変化率を示す図で、低温側１５秒目と高温側１秒目との比、低温側１秒目と高温側５秒目との比を示し、低温側のヒータ電圧は0.2V、高温側のヒータ電圧は0.6,0.45Vの２種類、サンプルは正常品（ref），高感度化品，フィールド劣化品の３種で各１０個

符号の説明

２ ガスセンサ
４ 感ガス体
６ フィルタ
８ ヒータ電極
１０ 中心電極
１２ ガス検出装置
１４ 電源
１６，１８ トランジスタスイッチ
２０ サーミスタ
２２，２４ 抵抗
２６ マイクロコンピュータ
２８ ブザー
２９〜３１ ＬＥＤ
３２ フォトカプラー
３４ ＥＥＰＲＯＭ
３６ ヒータ制御
３８ サンプリング部
４０ ＡＤコンバータ
４２ 自己診断
４４ メタン検出
４６ ＣＯ検出
４８ 入出力
５０ ＥＥＰＲＯＭドライブ

Claims (3)

1. ガス検出用の金属酸化物半導体とヒータとを備えたガスセンサを、高温側の第１温度と低温側の第２温度とに交互に周期的に温度変化させ、高温側で可燃性ガスを低温側でＣＯを検出するようにしたガス検出装置において、
   高温側の温度を第１温度と第２温度の中間の第３温度に変化させて、ガスセンサを第３温度と第３温度よりも低い低温側の温度との間で温度変化させると共に、第３温度でのガスセンサの抵抗値と第１温度でのガスセンサの抵抗値との比が所定値以下の際に、ガスセンサが高感度化しているものと診断するための自己診断手段を設けたことを特徴とする、ガス検出装置。
2. ガスセンサを第３温度と低温側の温度との間で温度変化させる際の低温側の温度が、第２温度であることを特徴とする、請求項１のガス検出装置。
3. ガス検出用の金属酸化物半導体とヒータとを備えたガスセンサを、高温側の第１温度と低温側の第２温度とに交互に周期的に温度変化させ、高温側で可燃性ガスを低温側でＣＯを検出するようにしたガス検出装置の自己診断方法において、
   高温側の温度を第１温度と第２温度の中間の第３温度に変化させて、ガスセンサを第３温度と第３温度よりも低い低温側の温度との間で温度変化させると共に、第３温度でのガスセンサの抵抗値と第１温度でのガスセンサの抵抗値との比が所定値以下の際に、ガスセンサが高感度化しているものと診断することを特徴とする、ガス検出装置の自己診断方法。

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