JP4810264B2

JP4810264B2 - 濃度測定装置

Info

Publication number: JP4810264B2
Application number: JP2006077116A
Authority: JP
Inventors: 啓之西田; 俊夫茂木; 貞茲堀口; 修三藤原; 俊一中村
Original assignee: New Cosmos Electric Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: New Cosmos Electric Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2026-03-20
Also published as: JP2007255917A

Description

本発明は、気体中の検知対象となる成分を検知するセンサを備え、当該センサが出力する出力値に基づいて前記成分の濃度を測定する濃度測定装置に関する。

従来、気体中の検知対象となる成分の濃度を測定する濃度測定装置として、ガスセンサや煙センサを備えたものが知られている。ガスセンサには、接触燃焼式、気体熱伝導式、半導体式、定電位電解式、隔膜ガルバニ電池式等が使用されており、煙センサには、光学式、イオン化式、光電式等が使用されている。

このようなセンサでは、検知対象となる成分が接触または接近した際に起こる化学変化や物理変化を検知し、その変化に応じて出力する。このため、従来のセンサを備えた濃度測定装置では、検知対象となる成分を検知してから、前記の変化が平衡に達して実際の濃度を表示する（あるいは、指示する）ようになるまでには時間の遅れが発生する。したがって、一般的な濃度測定装置では、図４に示すように、濃度測定装置の濃度測定値Ｃｍが、実際の濃度Ｃｔに相当する最終濃度測定値の所定割合（図４においては９０％、以下９０％を例として説明する。）の値となるまでの時間の遅れを９０％応答時間ＴＳとし、通常は、この９０％応答時間が、濃度測定装置の応答速度として表されることが多い。

なお、本発明における従来技術となる濃度測定装置は、一般的な技術であるため、特許文献等の従来技術文献は示さない。

前記従来の濃度測定装置は、図４に示すように、検知対象となる成分の実際の濃度Ｃｔが９０％応答時間ＴＳよりも長い時間変動しない場合には、十分な時間が経過した後に、実際の濃度Ｃｔを正しく測定することができる。

しかし、例えば、図５及び６に示すように、検知対象となる成分の実際の濃度Ｃｔが９０％応答時間ＴＳよりも短い時間で変動する場合には、９０％応答時間ＴＳ経過後の濃度測定値Ｃｍに基づいて実際の濃度Ｃｔを推定することができなくなる。このため、実際の濃度Ｃｔを正しく測定することができないという問題があった。そして、図６のように、実際の濃度Ｃｔの変動間隔が短くなるほど、測定誤差は大きくなる傾向があった。

一方、検知対象の成分を検知してから実際の濃度Ｃｔを示すまでの時間の遅れがほとんどない高速応答センサを備えた濃度測定装置も知られているが、このような濃度測定装置は小型化が困難で、しかも非常に高価であり、汎用性に乏しかった。

また、従来のセンサの検知感度を高くする試みもなされているが、この場合では、初期の立ち上がりまでの時間は早くなるものの、その後のセンサの出力値は測定可能範囲を超えてしまうため、実際の濃度Ｃｔを測定することはできなかった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、安価で、気体中の検知対象となる成分に対して高速で応答可能な濃度測定装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するための本発明に係る濃度測定装置の第１特徴構成は、気体中の検知対象となる成分を検知するセンサを備え、当該センサが出力する出力値に基づいて前記成分の濃度を測定する濃度測定装置であって、前記成分の濃度測定値を、下記（Ｉ）式に基づいて、前記成分の実際の濃度を推定した推定値に変換する濃度補正手段を設け、前記センサが、前記成分の濃度によらずｘ％応答時間の値が一義的に予め定まるセンサである場合は、その値を前記（Ｉ）式に使用し、前記センサが、前記成分の濃度によって前記ｘ％応答時間の値が異なるセンサである場合は、前記ｘ％応答時間と前記ｘ％応答時間における前記センサの出力値との関係を示す検量線を予め作成しておき、前記成分を検知した時点の前記センサの出力値を前記検量線に適用して前記ｘ％応答時間の値を特定し、その値を前記（Ｉ）式に使用する点にある。

つまり、この構成によれば、気体中の検知対象となる成分の濃度測定値を、実際の濃度を推定した推定値に変換するため、高速で応答可能となる。よって、この構成により測定誤差を小さくすることができる。また、従来の気体中の検知対象となる成分を検知するセンサを使用することができるため、安価な濃度測定装置とすることができる。
ここで、「ｘ％応答時間」とは、検知対象となる成分の濃度が一定である場合において、検知対象となる成分を検知した時刻から、濃度測定値が、実際の濃度に相当する濃度測定値のｘ％の値となる時刻までの時間をいう。なお、ｘは１００以下の正の数である。

また、本構成では、前記センサが、前記成分の濃度によらずｘ％応答時間の値が一義的に予め定まるセンサである場合は、その値を前記（Ｉ）式に使用し、前記センサが、前記成分の濃度によって前記ｘ％応答時間の値が異なるセンサである場合は、前記ｘ％応答時間と前記ｘ％応答時間における前記センサの出力値との関係を示す検量線を予め作成しておき、前記成分を検知した時点の前記センサの出力値を前記検量線に適用して前記ｘ％応答時間の値を特定し、その値を前記（Ｉ）式に使用する。

従来の濃度測定装置では、使用するセンサの種類により、気体中の検知対象となる成分の濃度が異なるとｘ％応答時間が変化する場合がある。
そこで、本構成のように、濃度測定時のセンサの出力値に応じたｘ％応答時間を特定できるようにすることで、測定誤差をより小さくでき、指示精度を確保できる。

本発明に係る濃度測定装置は、気体中の検知対象となる成分を検知するセンサを備え、当該センサが出力する出力値に基づいて前記成分の濃度を測定する濃度測定装置であって、前記成分の濃度測定値を、下記（Ｉ）式に基づいて、前記成分の実際の濃度を推定した推定値に変換する濃度補正手段を設けたものである。

本発明者らは、濃度測定装置の応答時間の遅れを一次遅れ系でモデル化できることを見出し、検知対象となる成分の濃度測定値Ｃｍと、その時間微分値ｄＣｍ／ｄｔと、濃度測定装置のｘ％応答時間ＴＳとにより、前記成分の実際の濃度を推定した推定値Ｃｅを得ることができる上記（Ｉ）式を導き出した。
これにより、安価で、気体中の検知対象となる成分に対し、高速で応答可能な濃度測定装置を提供することができる。

本発明において使用するセンサは、特に限定されず、接触燃焼式、気体熱伝導式、半導体式、定電位電解式、隔膜ガルバニ電池式等のガスセンサや、光学式、イオン化式、光電式等の煙センサ等を適用することができる。そして、このようなセンサを備えた濃度測定装置によって測定することができる成分は、気体中の成分であれば検知可能であり、特に限定されないが、例えば、可燃性ガス、毒性ガス、酸素、不活性ガス等の気体や、蒸気、煙、浮遊固体等が例示される。

また、本発明に係る濃度測定装置は、例えば、成分の濃度を測定する濃度測定器や、成分の濃度が一定以上となった場合に警報を発する警報器、一定濃度以上の成分を検知する検知器等、様々な装置に適用することができる。

本発明に係る濃度測定装置の濃度補正手段について、以下に一例を示す。なお、ｘ％応答時間ＴＳは、一般的には使用するセンサの特性として予め決まる値である。
まず、濃度測定装置によって検知対象となる成分の濃度を測定し、その濃度測定値Ｃｍを得る。濃度測定値Ｃｍがノイズを含む場合には、移動平均等の手法や、ハイパス、ローパス、バンドパス等のフィルタリングによりノイズを除去することができる。この際、移動平均、またはフィルタリングの幅は、ｘ％応答時間ＴＳより勘案して最適化すればよい。

次に、得られた濃度測定値Ｃｍから、一次あるいは高次の差分法により時間微分値ｄＣｍ／ｄｔを算出する。微分値ｄＣｍ／ｄｔがノイズを含む場合には、濃度測定値Ｃｍの場合と同様に、移動平均等の手法や、ハイパス、ローパス、バンドパス等のフィルタリングによりノイズを除去することができ、この際、移動平均、またはフィルタリングの幅は、ｘ％応答時間ＴＳより勘案して最適化する。

そして、このようにして得られた濃度測定値Ｃｍ及び時間微分値ｄＣｍ／ｄｔと、ｘ％応答時間ＴＳとを上記（Ｉ）式に適用することにより、濃度測定値Ｃｍを、実際の濃度を推定した推定値Ｃｅに変換することができる。

本発明に係る濃度測定装置を用いて、水素ガスの濃度を測定した実施例を図１に示した。ここでは、ｘ％応答時間として、９０％応答時間が１２秒の水素ガスセンサを使用した。また、比較例として、図１には、９０％応答時間が１２秒の水素ガスセンサを備えた従来の濃度測定装置によって測定した濃度測定値Ｃｍと、高速応答センサを備えた濃度測定装置によって測定した濃度測定値Ｃｆ（実際の濃度に近い値）とについても示した。その結果、ＣｍはＣｆと大きな差異があったのに対し、本発明に係る濃度測定装置により求めた推定値Ｃｅは、Ｃｆと非常に近い値となっており、Ｃｅは実際の濃度を推定していることが確認できた。
このように気体中の検知対象となる成分の濃度が絶えず変動する場合には、従来の濃度測定装置に比べて、本発明に係る濃度測定装置が特に有効であることが分かった。

また、本発明に係る濃度測定装置におけるｘ％応答時間は、検知対象となる成分の初期濃度や、温度、湿度、圧力等の環境等により予め蓄積したデータに基づいて、補正してもよい。

例えば、接触燃焼式センサを使用すると、図２に示すように、検知対象となる成分の濃度によってｘ％（図２においては９０％）応答時間ＴＳが異なる場合がある。このような場合には、表１に示すように、予めｘ％応答時間とｘ％応答時間におけるセンサの出力値とを蓄積し、ｘ％応答時間とｘ％応答時間におけるセンサの出力値の関係を示す検量線を作成する。そして、この検量線に、成分の濃度を測定する際にセンサが出力する出力値を適用することにより、ｘ％応答時間を特定することができる。

また、ｘ％応答時間は短い方が好ましい。すなわち、ｘ％応答時間が短いガスセンサを、本発明に係る濃度測定装置に適用すれば、ｘ％応答時間が極端に短い濃度測定装置を安価に作製することができる。例えば、９０％応答時間が２．２秒である接触燃焼式センサを本発明に係る濃度測定値に適用すると９０％応答時間が０．６秒となり、このような濃度測定装置によれば、水素ガスの濃度は、図３に示すように、微分項の影響によるノイズ増幅率を最小限に抑えた形で高速で応答可能となる。このように、濃度測定装置の応答速度が速くなれば、爆発等の事故を未然に防止することができる。

本発明に係る濃度測定装置は、気体中の成分の濃度測定器、検知器、警報器等の濃度測定機能を有する機器等に適用することができる。

本発明に係る濃度測定装置による水素ガスの濃度測定結果を示すグラフ接触燃焼式センサを使用した場合の各濃度におけるｘ％応答時間を示すグラフ本発明に係る濃度測定装置による水素ガスの濃度測定結果を示すグラフ従来の濃度測定装置による測定例を示すグラフ従来の濃度測定装置による測定例を示すグラフ従来の濃度測定装置による測定例を示すグラフ

Ｃｅ推定値
Ｃｍ濃度測定値
ＴＳｘ％応答時間

Claims

気体中の検知対象となる成分を検知するセンサを備え、当該センサが出力する出力値に基づいて前記成分の濃度を測定する濃度測定装置であって、
前記成分の濃度測定値を、下記（Ｉ）式に基づいて、前記成分の実際の濃度を推定した推定値に変換する濃度補正手段を設け、
前記センサが、前記成分の濃度によらずｘ％応答時間の値が一義的に予め定まるセンサである場合は、その値を前記（Ｉ）式に使用し、
前記センサが、前記成分の濃度によって前記ｘ％応答時間の値が異なるセンサである場合は、前記ｘ％応答時間と前記ｘ％応答時間における前記センサの出力値との関係を示す検量線を予め作成しておき、前記成分を検知した時点の前記センサの出力値を前記検量線に適用して前記ｘ％応答時間の値を特定し、その値を前記（Ｉ）式に使用する濃度測定装置。