JP5065720B2

JP5065720B2 - Gas detection device and gas detection method

Info

Publication number: JP5065720B2
Application number: JP2007074031A
Authority: JP
Inventors: 太一西村; 盛司山上; 達也沖山; 禅宮澤
Original assignee: U Tec Co Ltd
Current assignee: U Tec Co Ltd
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-03-22
Also published as: JP2008232884A

Description

本発明は、還元性ガスを検出するガス検出装置及びガス検出方法に関する。 The present invention relates to a gas detection device and a gas detection method for detecting a reducing gas.

従来、金属酸化物半導体からなるセンサ素子を用いてガスを検出するガス検出装置がある。このようなガス検出装置は、ヒータを備えており、このヒータへの印加電圧を高くする期間と低くする期間とを一定周期で交互に切替えている。これにより、ヒータは高温状態と低温状態とを交互に繰り返し、高温状態で金属酸化物半導体の表面に付着した吸着ガスを取り除くクリーニングを行い、低温状態でガスの検出を行う。 Conventionally, there is a gas detection device that detects gas using a sensor element made of a metal oxide semiconductor. Such a gas detection device includes a heater, and alternately switches a period during which the voltage applied to the heater is increased and a period during which the applied voltage is decreased at regular intervals. Accordingly, the heater alternately repeats the high temperature state and the low temperature state, performs cleaning to remove the adsorbed gas adhering to the surface of the metal oxide semiconductor in the high temperature state, and detects the gas in the low temperature state.

この場合の検出対象となるガスに対してセンサ素子は、いずれも低温で感度ピークを持っており、例えば、酸化スズなどの金属酸化物半導体からなるセンサ素子を用いた場合、一酸化炭素に対しては約８０〜１００℃付近に感度ピークを有する。そのため、ガス検出装置は、低温側の温度を一酸化炭素に対する感度が最大となるようにヒータを制御している。 In this case, the sensor element has a sensitivity peak at a low temperature with respect to the gas to be detected. For example, when a sensor element made of a metal oxide semiconductor such as tin oxide is used, Each has a sensitivity peak around 80 to 100 ° C. Therefore, the gas detection apparatus controls the heater so that the sensitivity to carbon monoxide is maximized at the low temperature side.

このようなガス検出装置として、特許文献１には、加熱可能なセンサ素子を予め定められた温度サイクルにしたがって加熱し、このセンサ素子の出力信号から得られる応答曲線から環境内において発生しているガスを検出するものがある。このガス検出装置においては、加熱電圧が５Ｖ（５００℃）まで連続的に増加または立ち上がり、その後、この加熱電圧が０Ｖ（室温）に減少する各種パターンの温度サイクルが繰り返される。各種の温度サイクルにおいて、センサ素子はガスの種類によって異なる応答曲線を示す。この各種の温度サイクルの１サイクルにおける応答曲線の全体的な形状と予め記憶されているガスの成分の存在を特徴的に表した変化特性値とを比較することにより、環境内において発生しているガスを検出する。 As such a gas detection device, Patent Document 1 discloses that a heatable sensor element is heated in accordance with a predetermined temperature cycle and is generated in the environment from a response curve obtained from an output signal of the sensor element. Some detect gas. In this gas detection device, the temperature cycle of various patterns in which the heating voltage continuously increases or rises to 5 V (500 ° C.) and then this heating voltage decreases to 0 V (room temperature) is repeated. In various temperature cycles, the sensor element exhibits different response curves depending on the type of gas. It is generated in the environment by comparing the overall shape of the response curve in one of these various temperature cycles with the change characteristic value characteristically representing the presence of a gas component stored in advance. Detect gas.

特開昭５８−１８９５４７号公報（図４）JP 58-189547 A (FIG. 4)

特許文献１に記載されたガス検出装置は、各種の温度サイクルの１サイクルにおける応答曲線の全体的な形状を得て、その全体形状からガス種を同定するものである。したがって、ガス種を同定するためには、予めガス種毎に標準の応答曲線の全体的な形状を各種の温度サイクル毎に測定して記憶させておく必要があり、また、実際の測定時には標準の応答曲線と測定結果の曲線との類似度を求める必要があり、演算処理が複雑であり、また標準の応答曲線を記憶する為にメモリ素子等の容量が増加する。 The gas detection apparatus described in Patent Document 1 obtains the overall shape of a response curve in one cycle of various temperature cycles, and identifies the gas species from the overall shape. Therefore, in order to identify the gas type, it is necessary to measure and memorize the overall shape of the standard response curve for each gas type in advance for each temperature cycle. It is necessary to obtain the similarity between the response curve and the measurement result curve, the calculation process is complicated, and the capacity of the memory element or the like increases to store the standard response curve.

そこで、本発明の目的は、複雑な演算を伴うことなく、還元性ガスを検出するガス検出装置を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a gas detection device that detects a reducing gas without complicated calculations.

Means for Solving the Problems and Effects of the Invention

本発明のガス検出装置は、還元性ガスの存在に依存して電気的特性を変化させる金属酸化物半導体を感ガス体として用いたセンサ素子と、前記センサ素子に設けられた前記感ガス体を加熱するヒータと、前記ヒータに印加する電圧を第１の電圧値から第２の電圧値まで連続的又は段階的に上昇させた後、前記第２の電圧値から前記第１の電圧値まで低下させる電圧印加サイクルを繰り返す印加電圧制御手段と、前記印加電圧制御手段の前記第１の電圧値から第２の電圧値まで連続的又は段階的に上昇させる電圧印加による前記ヒータの温度変化に伴う前記センサ素子の出力信号の時間的変化から前記還元性ガスのガス種を同定する同定手段とを備えており、前記同定手段は、前記ヒータへの電圧印加が前記第１の電圧値から前記第２の電圧値に連続的又は段階的に上昇を開始させた後に前記センサ素子の出力信号の時間的変化が最初に極値となったときの出現時刻を検知する検知手段と、前記ヒータへの電圧印加を前記第１の電圧値から連続的又は段階的に上昇を開始させた開始時刻から前記出現時刻までの所要時間に対応した情報を、前記還元性ガスのガス種ごとに時間幅を持って予め記憶する記憶手段と、前記検知手段が検知した前記出現時刻が前記記憶手段に記憶されたいずれのガス種に係る前記時間幅を持った所要時間に属するかによって、前記還元性ガスのガス種を特定する特定手段とを備えている。 The gas detection apparatus of the present invention includes a sensor element using a metal oxide semiconductor that changes electrical characteristics depending on the presence of a reducing gas as a gas sensitive body, and the gas sensitive body provided on the sensor element. The heater to be heated and the voltage applied to the heater are increased continuously or stepwise from the first voltage value to the second voltage value, and then decreased from the second voltage value to the first voltage value. a voltage application control means for repeating the voltage application cycle to the following the temperature change of the heater due to the continuous or stepwise voltage application increases from a first voltage value to a second voltage value of the applied voltage control means Identification means for identifying the gas type of the reducing gas from a temporal change in the output signal of the sensor element , wherein the identification means applies voltage to the heater from the first voltage value to the second voltage value. Voltage value Said detection means for detecting the occurrence time when the temporal change of the output signal of the sensor element after continuously or stepwise starts rising became the first extreme value, the voltage application to the heater second Memory that stores in advance information corresponding to the required time from the start time when the voltage value of 1 has started to rise continuously or stepwise to the appearance time with a time width for each gas type of the reducing gas Specifying the gas type of the reducing gas according to whether the appearance time detected by the detecting means belongs to the required time having the time width related to which gas type stored in the storage means Means.

このガス検出装置によると、センサ素子の出力信号の時間的変化が最初に極値となったときの出現時刻に基づいて、還元性ガスのガス種を同定する。そのため、１サイクルにおける応答曲線の全体的な形状と予め記憶されているガスの成分の存在を特徴的に表した変化特性値とを比較することにより還元性ガスを同定する従来の場合に比べて、複雑な演算を伴うことなく、還元性ガスのガス種を同定し、還元性ガスを検出することができる。
また、還元性ガスのガス種ごとに時間幅を持って予め記憶している所要時間に対応した情報と検知手段が検知した出現時刻に対応した情報との比較により、迅速に還元性ガスのガス種を同定することができる。 According to this gas detector, the gas type of the reducing gas is identified based on the appearance time when the temporal change of the output signal of the sensor element first becomes an extreme value. Therefore, compared with the conventional case of identifying the reducing gas by comparing the overall shape of the response curve in one cycle with the change characteristic value characteristically representing the presence of the gas component stored in advance. The gas type of the reducing gas can be identified and the reducing gas can be detected without complicated calculations.
Further, by comparing the information corresponding to the required time stored in advance with a time width for each gas type of the reducing gas and the information corresponding to the appearance time detected by the detecting means, the gas of the reducing gas can be quickly obtained. Species can be identified.

さらに、前記印加電圧制御手段は、前記ヒータへの電圧印加を前記第１の電圧値から前記第２の電圧値まで連続的又は段階的に上昇させた後、前記第２の電圧値のまま所定時間経過させ、その後前記第２の電圧値から前記第１の電圧値まで低下させる電圧印加サイクルを繰り返すことが好ましい。この構成によれば、第２の電圧値を印加したまま所定時間経過させることにより、センサ素子に付着した不純物を効果的に燃焼させることができる。これにより、センサ素子の感度が向上する。 Further, the applied voltage control means increases the voltage application to the heater continuously or stepwise from the first voltage value to the second voltage value, and then keeps the second voltage value at a predetermined value. It is preferable that the voltage application cycle in which the time elapses and thereafter the voltage is decreased from the second voltage value to the first voltage value is repeated. According to this configuration, the impurities attached to the sensor element can be burned effectively by allowing the predetermined time to elapse while the second voltage value is applied. Thereby, the sensitivity of the sensor element is improved.

加えて、前記センサ素子の出力信号の時間的変化の前記最初の極値と、前記最初の極値の出現時刻から所定時間経過したときの前記センサ素子の出力信号の値との差に基づいて前記還元性ガスの濃度を判定する判定手段をさらに備えていることが好ましい。この構成によれば、還元性ガスのガス種を同定した上で、さらに同定した還元性ガスの濃度を判定することができる。 In addition, based on the difference between the first extreme value of the temporal change in the output signal of the sensor element and the value of the output signal of the sensor element when a predetermined time has elapsed from the appearance time of the first extreme value. It is preferable that the apparatus further includes a determination unit that determines the concentration of the reducing gas. According to this configuration, after identifying the gas type of the reducing gas, the concentration of the identified reducing gas can be determined.

本発明のガス検出方法は、還元性ガスの存在に依存して電気的特性を変化させる金属酸化物半導体を感ガス体として用いたセンサ素子と、前記センサ素子に設けられた前記感ガス体を加熱するヒータとを備えたガス検出装置におけるガス検出方法であって、前記ヒータの温度を、第１温度から第２温度まで徐々に上昇させた後、前記第２温度から前記第１温度まで低下させる温度サイクルを繰り返す温度制御ステップと、前記ヒータの温度が前記第１温度から前記第２温度に徐々に上昇を開始した後に前記センサ素子の出力信号の時間的変化が最初に極値となったときの出現時刻を検知する検知ステップと、検知した前記出現時刻が、前記ヒータへの電圧印加を前記第１の電圧値から連続的又は段階的に上昇を開始させた開始時刻から前記出現時刻までの所要時間に対応した情報を、前記還元性ガスのガス種ごとに時間幅を持って予め記憶した記憶手段に記憶されたいずれのガス種に係る前記時間幅を持った所要時間に属するかによって、前記還元性ガスのガス種を同定する同定ステップとを有する。 The gas detection method of the present invention includes a sensor element using, as a gas sensitive body, a metal oxide semiconductor that changes electrical characteristics depending on the presence of a reducing gas, and the gas sensitive body provided on the sensor element. A gas detection method in a gas detection apparatus including a heater for heating, wherein the temperature of the heater is gradually increased from a first temperature to a second temperature and then decreased from the second temperature to the first temperature. A temperature control step that repeats the temperature cycle, and after the heater temperature starts to gradually rise from the first temperature to the second temperature, a temporal change in the output signal of the sensor element first becomes an extreme value. A detection step for detecting an appearance time at the time, and the detected appearance time from the start time at which the voltage application to the heater starts to rise continuously or stepwise from the first voltage value. Information corresponding to the required time until the time belongs to the required time having the time width related to any gas type stored in the storage means stored in advance with a time width for each gas type of the reducing gas. And an identification step for identifying the gas type of the reducing gas.

このガス検出方法によると、センサ素子の出力信号の時間的変化が最初に極値となったときの出現時刻に基づいて、還元性ガスのガス種を同定する。そのため、１サイクルにおける応答曲線の全体的な形状と予め記憶されているガスの成分の存在を特徴的に表した変化特性値とを比較することにより還元性ガスを同定する従来の場合に比べて、複雑な演算を伴うことなく、還元性ガスのガス種を同定し、還元性ガスを検出することができる。
また、還元性ガスのガス種ごとに時間幅を持って予め記憶している所要時間に対応した情報と検知手段が検知した出現時刻に対応した情報との比較により、迅速に還元性ガスのガス種を同定することができる。 According to this gas detection method, the gas type of the reducing gas is identified based on the appearance time when the temporal change of the output signal of the sensor element first becomes an extreme value. Therefore, compared with the conventional case of identifying the reducing gas by comparing the overall shape of the response curve in one cycle with the change characteristic value characteristically representing the presence of the gas component stored in advance. The gas type of the reducing gas can be identified and the reducing gas can be detected without complicated calculations.
Further, by comparing the information corresponding to the required time stored in advance with a time width for each gas type of the reducing gas and the information corresponding to the appearance time detected by the detecting means, the gas of the reducing gas can be quickly obtained. Species can be identified.

なお、本発明における「極値」の用語は、ヒータへの印加電圧を第１の電圧値から第２の電圧値に連続的又は段階的に上昇させることにより、センサ素子の出力信号の時間的変化が、一旦上昇して最初にピークに達した後に下がり始める時点を意味し、また、ヒータへの印加電圧を第１の電圧値から第２の電圧値に連続的又は段階的に上昇させることにより、センサ素子の出力信号の時間的変化が、一旦下降して最初にボトムに達した後に上がり始める時点を意味している。更に、ピークあるいはボトムに達した後の、下降あるいは上昇の程度が緩やかな場合は、ある所定期間内に所定の値以上の下降あるいは上昇がある場合の基点を「極値」の点とみなす。 In the present invention, the term “extreme value” refers to the temporal change of the output signal of the sensor element by increasing the voltage applied to the heater continuously or stepwise from the first voltage value to the second voltage value. It means the point at which the change once rises and first reaches a peak and then begins to fall, and the voltage applied to the heater is raised continuously or stepwise from the first voltage value to the second voltage value. By this, it means the time point at which the temporal change of the output signal of the sensor element starts to rise after it once falls and first reaches the bottom. Further, when the degree of decrease or increase after reaching the peak or bottom is moderate, the base point when there is a decrease or increase exceeding a predetermined value within a certain predetermined period is regarded as an “extreme value” point.

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る還元性ガスを検出するガス検出装置の概略構成を示すブロック図である。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a gas detection device for detecting a reducing gas according to an embodiment of the present invention.

ガス検出装置１は、図１に示すように、還元性ガスの存在に依存して電気的特性を変化させる金属酸化物半導体を主成分とする感ガス体１１及びこの感ガス体１１を加熱するヒータコイル１２（ヒータ）よりなるセンサ素子１０、電源部１４及び種々の制御を行うマイクロコンピュータを含んだ制御回路２０を備えている。 As shown in FIG. 1, the gas detection device 1 heats a gas sensitive body 11 mainly composed of a metal oxide semiconductor that changes electrical characteristics depending on the presence of a reducing gas, and the gas sensitive body 11. A sensor element 10 including a heater coil 12 (heater), a power supply unit 14, and a control circuit 20 including a microcomputer for performing various controls are provided.

本発明の実施の形態において、感ガス体１１は、還元性ガスと接触して抵抗値を変化させる金属酸化物半導体により構成し、金属酸化物半導体の一例として酸化第二スズ（ＳｎＯ_２）を主体材料として用いたエフアイエス株式会社製のガスセンサ（ＳＢ―５００−１２）を使用している。 In the embodiment of the present invention, the gas sensitive body 11 is made of a metal oxide semiconductor that changes its resistance value by contacting with a reducing gas, and stannic oxide (SnO ₂ ) is used as an example of the metal oxide semiconductor. A gas sensor (SB-500-12) manufactured by FIS Co., Ltd. used as the main material is used.

センサ素子１０の構成について、図２を参照しつつ説明する。図２は、センサ素子１０の内部構造及び駆動・測定回路の構成を示す概略図である。図２に示すように、センサ素子１０は、外形形状を楕円球状に形成した感ガス体１１にヒータコイル１２及び電極リード線１３を埋設させるとともに、ヒータコイル１２の両端をヒータ電極１、３番端子とし、電極リード線１３の一端である２番端子とヒータ電極の１番端子を検知電極端子として構成されている。 The configuration of the sensor element 10 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing the internal structure of the sensor element 10 and the configuration of the drive / measurement circuit. As shown in FIG. 2, the sensor element 10 includes a gas sensitive body 11 whose outer shape is formed in an elliptical sphere, and a heater coil 12 and an electrode lead wire 13 are embedded therein, and both ends of the heater coil 12 are connected to the heater electrodes 1 and 3. The terminal is the second terminal which is one end of the electrode lead wire 13 and the first terminal of the heater electrode is configured as a detection electrode terminal.

この種のセンサ素子１０は、大気中に還元性ガスが存在しない場合、素子表面の酸素原子が感ガス体１１を構成する酸化スズ中の電子をとらえており、酸化スズ中を自由に移動できる電子の数が少ないため、感ガス体１１の抵抗値は高くなっている。大気中に還元性ガスが存在する場合、ヒータコイル１２で感ガス体１１を加熱することにより、酸化スズ中の電子をとらえていた素子表面の酸素原子が還元性ガスと酸化反応を起こし、酸化スズ中を自由に移動できる電子の数が増加するため、感ガス体１１の抵抗値は小さくなる。この感ガス体１１の抵抗値変化は、センサ素子１０の２番端子を負荷抵抗Ｒ_Ｌ(一例として２００Ω)を介して電源部１４の５Vの定電圧回路１５に接続した構成により、１、２番端子間よりセンサ出力信号Ｖｓとして出力される。 In this type of sensor element 10, when no reducing gas is present in the atmosphere, oxygen atoms on the element surface capture electrons in tin oxide constituting the gas sensitive body 11, and can freely move in the tin oxide. Since the number of electrons is small, the resistance value of the gas sensitive body 11 is high. When a reducing gas is present in the atmosphere, the gas element 11 is heated by the heater coil 12, whereby oxygen atoms on the element surface that have captured electrons in the tin oxide cause an oxidizing reaction with the reducing gas, thereby oxidizing the gas. Since the number of electrons that can move freely in tin increases, the resistance value of the gas sensitive body 11 decreases. The change in the resistance value of the gas sensing element 11 is caused by the configuration in which the second terminal of the sensor element 10 is connected to the 5V constant voltage circuit 15 of the power supply unit 14 via the load resistance R _L (200Ω as an example). It is output as a sensor output signal Vs from between the number terminals.

ヒータコイル１２の１、３番端子間には、図１に示すヒータ電圧(温度)制御部２１より所定のヒータ印加電圧が印加されるように、ヒータコイル１２の通電が制御されており、このヒータコイル１２への印加電圧を制御することにより感ガス体１１の温度を制御している。 Energization of the heater coil 12 is controlled between the first and third terminals of the heater coil 12 so that a predetermined heater application voltage is applied from the heater voltage (temperature) control unit 21 shown in FIG. The temperature of the gas sensitive body 11 is controlled by controlling the voltage applied to the heater coil 12.

本発明の実施の形態において、ヒータ電圧(温度)制御部２１によりヒータコイル１２への電圧印加が制御され、図３に示すように、０．２Ｖ（第１の電圧値）から０．９Ｖ（第２の電圧値）まで連続的に２５秒の期間で上昇させた後、０．９Ｖのまま所定時間の５秒経過させ、その後０．９Ｖから０．２Ｖまで瞬時に低下させ、その後再び０．９Ｖに連続的に上昇させる電圧印加サイクルを繰り返す電圧印加制御が成される。この電圧印加サイクルに応答して、感ガス体１１の温度は、８０度程度から４００度程度まで連続的に２５秒の期間で徐々に上昇し、４００度程度の温度を保った状態で所定時間の５秒経過した後、８０度程度に低下する１サイクル３０ｓｅｃの温度サイクルを繰り返す。感ガス体１１の温度を４００度程度で所定時間経過させることにより、感ガス体１１の表面に付着した不純物を燃焼させることができる。これにより、感ガス体１１の感度がより向上する。 In the embodiment of the present invention, the voltage application to the heater coil 12 is controlled by the heater voltage (temperature) control unit 21 and, as shown in FIG. 3, 0.2V (first voltage value) to 0.9V ( The voltage is continuously increased to a second voltage value) over a period of 25 seconds, then 5 seconds of a predetermined time elapses at 0.9 V, then instantaneously decreased from 0.9 V to 0.2 V, and then again 0 The voltage application control is repeated to repeat the voltage application cycle of continuously increasing to .9V. In response to this voltage application cycle, the temperature of the gas sensitive body 11 is gradually increased over a period of 25 seconds from about 80 degrees to about 400 degrees, and kept at a temperature of about 400 degrees for a predetermined time. After the elapse of 5 seconds, the temperature cycle of 1 cycle 30 sec, which decreases to about 80 degrees, is repeated. Impurities attached to the surface of the gas sensitive body 11 can be burned by allowing the temperature of the gas sensitive body 11 to elapse for a predetermined time at about 400 degrees. Thereby, the sensitivity of the gas sensitive body 11 improves more.

次に、上記したヒータコイル１２への電圧印加サイクルに応答した、本発明の実施形態における還元性ガスのガス種に応じたセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの変化について、図４を参照しつつ説明する。図４は、還元性ガスのガス種に応じたセンサ素子の出力信号の変化を示す図である。縦軸はセンサ素子１０の出力信号Ｖｓ、横軸は時間となっており、電圧印加サイクルの１サイクル中の２５秒間におけるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの変化を示している。このセンサ素子１０の出力信号Ｖｓは、図１における制御回路２０内の後述するＡＤ変換部３０において、０．０２５ｓｅｃ間隔でサンプリングしてＡＤ変換した値（１０Ｖを１２ビットの分解能でＡＤ変換した値）を示している。センサ素子１０の感ガス体１１の抵抗値が高い場合に、センサ素子１０の出力信号Ｖｓは大きくなっている。曲線Ｃ１は大気中に還元性ガスが存在しない場合の曲線であり、曲線Ｃ２は大気中にメタン（ＣＨ_４）が４００ｐｐｍ存在する場合の曲線であり、曲線Ｃ３は大気中に水素（Ｈ_２）が４００ｐｐｍ存在する場合の曲線であり、曲線Ｃ４は大気中に一酸化炭素（ＣＯ）が４００ｐｐｍ存在する場合の曲線である。 Next, a change in the output signal Vs of the sensor element 10 according to the gas type of the reducing gas in the embodiment of the present invention in response to the voltage application cycle to the heater coil 12 will be described with reference to FIG. To do. FIG. 4 is a diagram illustrating a change in the output signal of the sensor element according to the gas type of the reducing gas. The vertical axis represents the output signal Vs of the sensor element 10, and the horizontal axis represents time, and shows the change in the output signal Vs of the sensor element 10 during 25 seconds during one cycle of the voltage application cycle. The output signal Vs of the sensor element 10 is a value obtained by sampling and AD-converting at an interval of 0.025 sec in an AD converter 30 (to be described later) in the control circuit 20 in FIG. 1 (a value obtained by AD-converting 10V with a resolution of 12 bits). ). When the resistance value of the gas sensitive body 11 of the sensor element 10 is high, the output signal Vs of the sensor element 10 is large. Curve C1 is a curve when no reducing gas is present in the atmosphere, curve C2 is a curve when 400 ppm of methane (CH ₄ ) is present in the atmosphere, and curve C3 is hydrogen (H ₂ ) in the atmosphere. Is a curve when 400 ppm is present, and a curve C4 is a curve when 400 ppm of carbon monoxide (CO) is present in the atmosphere.

ヒータコイル１２への電圧印加を０．２Ｖから０．９Ｖまで連続的に２５秒の期間で上昇させた後、０．９Ｖのまま所定時間である５秒経過させ、その後０．９Ｖから０．２Ｖまで瞬時に低下させ、その後再び０．９Ｖに連続的に上昇させる電圧印加サイクルを繰り返す電圧印加サイクルにおいて、ヒータコイル１２への電圧印加を０．２Ｖから０．９Ｖに連続的に上昇させると、センサ素子１０の大気に対する出力信号Ｖｓは、図４の曲線Ｃ１に示すように、センサ素子１０を構成している金属酸化物半導体の通常の抵抗温度依存性に従って変化し、最初に急激に上昇した後、徐々に低下する。 After the voltage application to the heater coil 12 is continuously increased from 0.2 V to 0.9 V over a period of 25 seconds, 5 seconds, which is a predetermined time, is maintained at 0.9 V, and then 0.9 V to 0. When voltage application to the heater coil 12 is continuously increased from 0.2 V to 0.9 V in a voltage application cycle in which the voltage application cycle in which the voltage is instantaneously decreased to 2 V and then continuously increased to 0.9 V again is repeated. The output signal Vs of the sensor element 10 to the atmosphere changes according to the normal resistance temperature dependency of the metal oxide semiconductor constituting the sensor element 10 as shown by a curve C1 in FIG. Then gradually decline.

また、大気中に還元性ガスが存在している場合、センサ素子１０の出力信号Ｖｓは、図４の曲線Ｃ２〜Ｃ４に示すように、最初に急激に上昇した後、低下することになるが、その出力信号Ｖｓが最初に極値になる時刻は大気に還元性ガスが存在していない場合に比べて早くなる。また、その出力信号Ｖｓが最初に極値になる時刻は大気中に存在する還元性ガスの種類によって異なる。それぞれの曲線Ｃ２〜Ｃ４において出力信号が最初に極値になる時刻は、曲線Ｃ２は時刻ｔ３（５．７５ｓｅｃ）、曲線Ｃ３は時刻ｔ２（１．７５ｓｅｃ）、曲線Ｃ４は時刻ｔ１（０．７５ｓｅｃ）となっている。ここで、曲線Ｃ２については、曲線Ｃ２の下降の程度が緩やかであるため、ある所定期間（１秒間）以上連続して低下し、その低下の程度が所定の値（１％）以上の下降がある場合の基点「ｔ３（５．７５ｓｅｃ）」を「極値」の点とみなしている。 Further, when reducing gas is present in the atmosphere, the output signal Vs of the sensor element 10 is first rapidly increased and then decreased as shown by curves C2 to C4 in FIG. The time when the output signal Vs first reaches the extreme value is earlier than when no reducing gas exists in the atmosphere. In addition, the time when the output signal Vs first reaches an extreme value varies depending on the type of reducing gas present in the atmosphere. In each of the curves C2 to C4, the time when the output signal first reaches an extreme value is the time t3 (5.75 sec) for the curve C2, the time t2 (1.75 sec) for the curve C3, and the time t1 (0.75 sec) for the curve C4. ). Here, with respect to the curve C2, since the degree of the decrease of the curve C2 is gentle, the curve C2 continuously decreases for a predetermined period (1 second) or more, and the degree of decrease is not less than a predetermined value (1%). The base point “t3 (5.75 sec)” in a certain case is regarded as an “extreme” point.

このように、センサ素子１０の出力信号Ｖｓが最初に極値になる時刻は、曲線Ｃ４＜曲線Ｃ３＜曲線Ｃ２の順に遅くなっている。 Thus, the time when the output signal Vs of the sensor element 10 first reaches the extreme value is delayed in the order of curve C4 <curve C3 <curve C2.

次に、同一の還元性ガスで濃度が異なる場合におけるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの変化について、一酸化炭素を例に図５を参照しつつ説明する。図５は、一酸化炭素ガスで濃度が異なる場合におけるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの変化を示す図である。縦軸及び横軸は、図４と同様となっており、１サイクルにおけるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの変化を示している。曲線Ｃ５は大気中に一酸化炭素が３００ｐｐｍ存在する場合の曲線であり、曲線Ｃ６は大気中に一酸化炭素が５００ｐｐｍ存在する場合の曲線であり、曲線Ｃ７は大気中に一酸化炭素が７００ｐｐｍ存在する場合の曲線であり、曲線Ｃ８は大気中に一酸化炭素が９００ｐｐｍ存在する場合の曲線であり、曲線Ｃ９は大気中に一酸化炭素が１０００ｐｐｍ存在する場合の曲線である。 Next, the change in the output signal Vs of the sensor element 10 when the concentration is different with the same reducing gas will be described with reference to FIG. 5 by taking carbon monoxide as an example. FIG. 5 is a diagram illustrating a change in the output signal Vs of the sensor element 10 when the concentrations of the carbon monoxide gases are different. The vertical axis and the horizontal axis are the same as those in FIG. 4 and show the change in the output signal Vs of the sensor element 10 in one cycle. Curve C5 is a curve when 300 ppm of carbon monoxide is present in the atmosphere, curve C6 is a curve when 500 ppm of carbon monoxide is present in the atmosphere, and curve C7 is a curve when 700 ppm of carbon monoxide is present in the atmosphere. The curve C8 is a curve when 900 ppm of carbon monoxide is present in the atmosphere, and the curve C9 is a curve when 1000 ppm of carbon monoxide is present in the atmosphere.

ヒータコイル１２への電圧印加を０．２Ｖから０．９Ｖに連続的に上昇させて、ヒータコイル１２の温度を８０度程度から４００度程度に徐々に上昇させると、センサ素子１０の出力信号Ｖｓは、図5に示すように、急激に上昇して最初の極値に達して下がる。このとき、最初に極値になる時刻をｔ５として、時刻ｔ５から所定時間（１．５ｓｅｃ）経過したときの時刻をｔ６とすると、発明者等は、時刻ｔ５から時刻ｔ６までにおけるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの勾配が一酸化炭素の濃度によって異なっていることを知見した。この勾配は、曲線Ｃ５＜曲線Ｃ６＜曲線Ｃ７＜曲線Ｃ８＜曲線Ｃ９の順に急になっており、一酸化炭素の濃度が高い方がより急な勾配となっている。また同様に、時刻ｔ５から所定時間（２．５ｓｅｃ）経過したときの時刻をｔ７として、この間での勾配を確認しても、曲線Ｃ５＜曲線Ｃ６＜曲線Ｃ７＜曲線Ｃ８＜曲線Ｃ９の順に急になっており、一酸化炭素の濃度が高い方がより急な勾配となっている。 When the voltage application to the heater coil 12 is continuously increased from 0.2 V to 0.9 V and the temperature of the heater coil 12 is gradually increased from about 80 degrees to about 400 degrees, the output signal Vs of the sensor element 10 is increased. As shown in FIG. 5, it rapidly rises and reaches the first extreme value and falls. At this time, assuming that the time when the extreme value is first reached is t5 and the time when a predetermined time (1.5 sec) has elapsed from time t5 is t6, the inventors have the sensor element 10 from time t5 to time t6. It was found that the slope of the output signal Vs varies with the concentration of carbon monoxide. This gradient is steeper in the order of curve C5 <curve C6 <curve C7 <curve C8 <curve C9, and is steeper as the concentration of carbon monoxide is higher. Similarly, the time when a predetermined time (2.5 sec) elapses from time t5 is set to t7, and even if the gradient is confirmed during this time, the curve C5 <curve C6 <curve C7 <curve C8 <curve C9 The higher the carbon monoxide concentration, the steeper the slope.

この濃度変化に対応した勾配の変化について、図６を参照しつつ説明する。図６は、前述の図５に示した一酸化炭素の濃度別センサ出力データに基づいた、一酸化炭素の濃度に対する勾配の変化を示す図で、縦軸はセンサ素子１０の出力信号の勾配（相対値変化Ｖｓ）、横軸は濃度（ｐｐｍ）となっている。図６に示すように、センサ素子１０の出力信号Ｖｓの勾配は、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの１．５ｓｅｃ、もしくは時刻ｔ５から時刻ｔ７までの２．５ｓｅｃのどちらの間においても、一酸化炭素の濃度が高くなるにつれて急になっており、その濃度変化に応じてセンサ素子１０の出力信号の勾配が略線形的に変化している。 The change in the gradient corresponding to this change in density will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram showing a change in gradient with respect to the concentration of carbon monoxide based on the sensor output data for each concentration of carbon monoxide shown in FIG. 5 described above, and the vertical axis indicates the gradient of the output signal of the sensor element 10 ( Relative value change Vs), the horizontal axis is the concentration (ppm). As shown in FIG. 6, the slope of the output signal Vs of the sensor element 10 is carbon monoxide during either 1.5 sec from time t5 to time t6 or 2.5 sec from time t5 to time t7. As the concentration increases, the slope of the output signal of the sensor element 10 changes substantially linearly according to the change in concentration.

図１に戻って、ガス検出装置１の制御回路２０の各種動作について説明する。制御回路２０には、各種動作を制御するプログラムやデータなどが格納されたハードディスク、各種動作を制御する信号を生成するために各種演算を実行するＣＰＵ、ＣＰＵでの演算結果などのデータを一時保管するＲＡＭなどが含まれている。 Returning to FIG. 1, various operations of the control circuit 20 of the gas detection device 1 will be described. The control circuit 20 temporarily stores data such as a hard disk in which programs and data for controlling various operations are stored, a CPU for performing various operations to generate signals for controlling various operations, and results of operations in the CPU. RAM to be included.

制御回路２０は、ＡＤ変換部３０、ヒータ電圧（温度）制御部２１（印加電圧制御手段）、ガス種同定部２２（同定手段）及びガス濃度判定部２６（判定手段）を有している。ＡＤ変換部３０は、アナログ値であるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓを例えば、０．０２５ｓｅｃ間隔でサンプリングしてデジタル値に変換（１０Ｖの値を１２ビットの分解能でデジタル値に変換）して出力する。ヒータ電圧（温度）制御部２１は、ヒータコイル１２が前述した電圧印加サイクルを繰り返すように電圧印加制御する。ガス種同定部２２は、大気中に還元性ガスが存在するか、または存在する場合にガス種が何であるかを同定する。ガス種同定部２２は、極値出現時間記憶部２３（記憶手段）、極値出現時刻検知部２４（検知手段）及びガス種特定部２５（特定手段）を有すると共に、大気の存在の下でのセンサ素子１０の出力信号Ｖｓ（ＡＤ変換値）を記憶する記憶部（図示せず）を有している。ガス濃度判定部２６は、ガス種同定部２２によって、還元性ガスが同定された場合に、同定された還元性ガスの濃度を判定する。ガス濃度判定部２６は、勾配記憶部２７、勾配検知部２８及びガス濃度抽出部２９を有している。 The control circuit 20 includes an AD conversion unit 30, a heater voltage (temperature) control unit 21 (applied voltage control unit), a gas type identification unit 22 (identification unit), and a gas concentration determination unit 26 (determination unit). The AD conversion unit 30 samples the output signal Vs of the sensor element 10 that is an analog value, for example, at an interval of 0.025 sec and converts it into a digital value (converts the value of 10 V into a digital value with a resolution of 12 bits) and outputs it To do. The heater voltage (temperature) control unit 21 performs voltage application control so that the heater coil 12 repeats the voltage application cycle described above. The gas type identification unit 22 identifies a reducing gas in the atmosphere or what kind of gas is present when it exists. The gas type identification unit 22 includes an extreme value appearance time storage unit 23 (storage unit), an extreme value appearance time detection unit 24 (detection unit), and a gas type identification unit 25 (specification unit), and in the presence of the atmosphere. A storage unit (not shown) for storing the output signal Vs (AD conversion value) of the sensor element 10. The gas concentration determination unit 26 determines the concentration of the identified reducing gas when the gas type identification unit 22 identifies the reducing gas. The gas concentration determination unit 26 includes a gradient storage unit 27, a gradient detection unit 28, and a gas concentration extraction unit 29.

極値出現時間記憶部２３は、ヒータコイル１２への電圧印加を、０．２Ｖから０．９Ｖまで連続的に２５秒の期間で上昇させた開始時刻から最初の極値の出現時刻までの極値出現時間に対応した値を還元性ガスのガス種ごとに予め記憶している。極値出現時間記憶部２３が記憶している還元性ガスのガス種ごとの極値出現時間に対応した値を測定する方法については後述する。極値出現時刻検知部２４は、センサ素子１０の出力信号Ｖｓから最初の極値の出現時刻に対応した値を検知する。ガス種特定部２５は、極値出現時間記憶部２３に記憶された還元性ガスのガス種毎の極値出現時間に対応した値と、極値出現時刻検知部２４が検知した最初の極値の出現時刻に対応した値とを比較して還元性ガスのガス種を特定する。 The extreme value appearance time storage unit 23 is an extreme value from the start time when voltage application to the heater coil 12 is continuously increased from 0.2 V to 0.9 V in a period of 25 seconds to the appearance time of the first extreme value. A value corresponding to the value appearance time is stored in advance for each gas type of reducing gas. A method of measuring a value corresponding to the extreme value appearance time for each gas type of reducing gas stored in the extreme value appearance time storage unit 23 will be described later. The extreme value appearance time detection unit 24 detects a value corresponding to the appearance time of the first extreme value from the output signal Vs of the sensor element 10. The gas type identification unit 25 includes a value corresponding to the extreme value appearance time for each gas type of the reducing gas stored in the extreme value appearance time storage unit 23, and the first extreme value detected by the extreme value appearance time detection unit 24. The gas type of the reducing gas is specified by comparing with the value corresponding to the appearance time of.

勾配記憶部２７は、還元性ガスのガス種それぞれに対する極値出現時刻から所定時間経過したときまでのセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの勾配を、極値出現時間記憶部２３に極値出現時間が記憶された還元性ガスのガス種それぞれに対して濃度ごとに予め記憶している。勾配記憶部２７に予め記憶させる還元性ガスのガス種それぞれに対する濃度ごとの勾配を測定する方法については一酸化炭素を例に後述する。勾配検知部２８は、還元性ガスのガス種それぞれに対する極値出現時刻から所定時間経過したときまでのセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの勾配を検知する。一酸化炭素を例にすれば、図5における時刻ｔ５（０．７５ｓｅｃ）から１．５ｓｅｃ経過したときの時刻ｔ6までのセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの勾配を検知する。ガス濃度抽出部２９は、ガス種同定部２２によって同定された還元性ガスの濃度ごとの勾配から、勾配検知部２８が検知した勾配に対応した還元性ガスの濃度を決定し出力する。 The gradient storage unit 27 stores the gradient of the output signal Vs of the sensor element 10 until a predetermined time elapses from the extreme value appearance time for each gas type of reducing gas in the extreme value appearance time storage unit 23. Each concentration of the reducing gas stored in advance is stored for each concentration. A method of measuring the gradient for each concentration with respect to each gas type of the reducing gas stored in advance in the gradient storage unit 27 will be described later using carbon monoxide as an example. The gradient detector 28 detects the gradient of the output signal Vs of the sensor element 10 until a predetermined time elapses from the extreme value appearance time for each gas type of reducing gas. Taking carbon monoxide as an example, the gradient of the output signal Vs of the sensor element 10 up to time t6 when 1.5 seconds have elapsed from time t5 (0.75 sec) in FIG. 5 is detected. The gas concentration extraction unit 29 determines and outputs the concentration of the reducing gas corresponding to the gradient detected by the gradient detection unit 28 from the gradient for each concentration of the reducing gas identified by the gas type identification unit 22.

次に、極値出現時間記憶部２３が予め記憶している還元性ガスのガス種ごとの極値出現時間に対応した値、及び、勾配記憶部２７が予め記憶している還元性ガスの濃度ごとの勾配を測定する方法について、図７を参照しつつ説明する。図７は、記憶部に予め記憶させる大気の存在の下でのセンサ素子１０の出力信号Ｖｓ、極値出現時間に対応した値及び勾配を測定する測定装置の概略構成図である。 Next, the value corresponding to the extremum appearance time for each gas type of reducing gas stored in the extremum appearance time storage unit 23 in advance, and the concentration of the reducing gas stored in the gradient storage unit 27 in advance. A method for measuring the gradient of each will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a measuring apparatus that measures the output signal Vs of the sensor element 10 in the presence of the atmosphere stored in advance in the storage unit, the value corresponding to the extreme value appearance time, and the gradient.

図７に示すように、測定装置は、環境槽４１、ガス注入部４２及び空気注入部４３を有している。環境槽４１は、開閉自在な弁を介して排気口、ガス注入部４２及び空気注入部４３と連通している。環境槽４１は、内部にファン４５を備えており、注入された還元性ガスまたは空気をファン４５によって環境槽４１内に十分に攪拌させる。ガス注入部４２は、ガス検出装置１によって検出したい還元性ガスの濃度を調整して環境槽４１内に注入する。空気注入部４３は、空気を環境槽４１内に注入する。環境槽４１内には、センサ素子１０が設置されている。センサ素子１０は、制御装置４６に接続されており、環境槽４１内に十分に攪拌された還元性ガスまたは空気によって変化した出力信号Ｖｓを制御装置４６に出力する。制御装置４６は、センサ素子１０の出力信号Ｖｓから大気の存在の下でのセンサ素子１０出力変化（センサ素子１０を構成している金属酸化物半導体の通常の抵抗温度依存特性）、極値出現時間に対応した値及び勾配を測定する。 As shown in FIG. 7, the measuring apparatus includes an environmental tank 41, a gas injection unit 42, and an air injection unit 43. The environmental tank 41 communicates with the exhaust port, the gas injection unit 42, and the air injection unit 43 through an openable / closable valve. The environmental tank 41 includes a fan 45 inside, and the injected reducing gas or air is sufficiently stirred into the environmental tank 41 by the fan 45. The gas injection unit 42 adjusts the concentration of the reducing gas to be detected by the gas detection device 1 and injects it into the environmental tank 41. The air injecting unit 43 injects air into the environmental tank 41. In the environmental tank 41, the sensor element 10 is installed. The sensor element 10 is connected to the control device 46, and outputs an output signal Vs changed by the reducing gas or air sufficiently stirred in the environmental tank 41 to the control device 46. The control device 46 changes the output of the sensor element 10 in the presence of the atmosphere from the output signal Vs of the sensor element 10 (normal resistance temperature dependent characteristics of the metal oxide semiconductor constituting the sensor element 10), and the appearance of an extreme value. Measure the value and slope corresponding to time.

まず、空気注入部４３から環境槽４１内に空気を注入する。そして、ファン４５を回して環境槽４１内に空気を十分に攪拌させる。そして、ヒータコイル１２への電圧印加を電圧印加サイクルに従って変化させる。このときのセンサ素子１０の出力信号Ｖｓから空気すなわち大気におけるセンサ素子１０を構成している金属酸化物半導体の通常の抵抗温度依存特性を制御装置４６により測定して、記憶部に記憶させる。具体的には図４に示す大気に対する測定結果Ｃ１を０．０２５ｓｅｃ間隔でサンプリングし、２５秒間１０００点のＡＤ変換値を記憶する。 First, air is injected into the environmental tank 41 from the air injection unit 43. Then, the fan 45 is turned to sufficiently stir the air in the environmental tank 41. Then, the voltage application to the heater coil 12 is changed according to the voltage application cycle. The normal resistance temperature dependence characteristic of the metal oxide semiconductor constituting the sensor element 10 in the air, that is, the atmosphere, is measured by the control device 46 from the output signal Vs of the sensor element 10 at this time, and is stored in the storage unit. Specifically, the measurement results C1 for the atmosphere shown in FIG. 4 are sampled at intervals of 0.025 sec, and 1000 AD conversion values are stored for 25 seconds.

次に、ガス検出装置１によって検出したい還元性ガスの濃度を調整してガス注入部４２から環境槽４１内に注入する。そして、空気を注入した場合と同様に、ファン４５を回して環境槽４１内に還元性ガスを十分に攪拌させる。そして、ヒータコイル１２への電圧印加を電圧印加サイクルに従って変化させる。このときのセンサ素子１０の出力信号Ｖｓからガス注入部４２から注入した還元性ガスにおける極値出現時間に対応した値及び勾配を制御装置４６により測定する。そして、測定が終了すると、排気口より環境槽４１内の還元性ガスを排気し、再度、ガス検出装置１によって検出したい還元性ガスの濃度を調整して、センサ素子１０の出力信号Ｖｓからガス注入部４２から注入した還元性ガスにおける極値出現時間に対応した値及び勾配を制御装置４６により測定する。このようにして、ガス検出装置１によって検出したい還元性ガスの濃度ごとに極値出現時間に対応した値及び勾配を測定し、これらの極値出現時間に対応した値及び勾配を極値出現時間記憶部２３及び勾配記憶部２７に記憶させている。具体的には、例えば図４に示す例に従い、メタン、水素、一酸化炭素の各ガスのセンサ出力データＣ２〜Ｃ４より各ガスに対する極値出現時間ｔ３（５．７５ｓｅｃ）、ｔ２（１．７５ｓｅｃ）、ｔ１（０．７５ｓｅｃ）を測定し、各ガスに対する極値出現時間に対応した値として、極値出現時間記憶部２３に「メタン１８０〜２４０」、「水素５０〜１００」、「一酸化炭素１０〜４０」の極値の出現するＸ軸の値を記憶させる。また勾配記憶部２７へは、例えば図５に示す例に従い、一酸化炭素の３００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの各濃度に対するｔ５〜ｔ６の期間の勾配を測定し、図６に示すその測定結果の判定データを濃度対勾配のテーブルとして記憶させる。 Next, the concentration of the reducing gas to be detected by the gas detection device 1 is adjusted and injected into the environmental tank 41 from the gas injection unit 42. Then, similarly to the case where air is injected, the fan 45 is rotated to sufficiently stir the reducing gas in the environmental tank 41. Then, the voltage application to the heater coil 12 is changed according to the voltage application cycle. At this time, the control device 46 measures a value and a gradient corresponding to the extreme value appearance time in the reducing gas injected from the gas injection unit 42 from the output signal Vs of the sensor element 10. When the measurement is completed, the reducing gas in the environmental tank 41 is exhausted from the exhaust port, the concentration of the reducing gas to be detected by the gas detection device 1 is adjusted again, and the gas is detected from the output signal Vs of the sensor element 10. The controller 46 measures a value and a gradient corresponding to the extreme value appearance time in the reducing gas injected from the injection unit 42. In this way, the value and gradient corresponding to the extreme value appearance time are measured for each concentration of the reducing gas to be detected by the gas detection device 1, and the value and gradient corresponding to these extreme value appearance times are measured. The data is stored in the storage unit 23 and the gradient storage unit 27. Specifically, for example, according to the example shown in FIG. 4, the extreme value appearance times t3 (5.75 sec) and t2 (1.75 sec) for each gas from the sensor output data C2 to C4 of each gas of methane, hydrogen, and carbon monoxide. ), T1 (0.75 sec) are measured, and the values corresponding to the extreme value appearance time for each gas are stored in the extreme value appearance time storage unit 23 as “methane 180-240”, “hydrogen 50-100”, “monoxide” The X-axis value at which the extreme value of “carbon 10 to 40” appears is stored. Further, the gradient storage unit 27 measures, for example, the gradient of the period from t5 to t6 for each concentration of carbon monoxide of 300 ppm to 1000 ppm according to the example shown in FIG. 5, and the determination data of the measurement result shown in FIG. Store as a table of pair slopes.

ガス検出装置１の動作について、図８を参照しつつ説明する。図８は、本発明に従い、大気中に所定量以上のメタン、水素あるいは一酸化炭素ガスが存在しているか否かを判断するとともに、一酸化炭素ガスの濃度を判定するガス検出装置１の制御シーケンスを示すフローチャートである。 The operation of the gas detection device 1 will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows the control of the gas detector 1 that determines whether or not a predetermined amount or more of methane, hydrogen, or carbon monoxide gas exists in the atmosphere and determines the concentration of the carbon monoxide gas according to the present invention. It is a flowchart which shows a sequence.

まず、ヒータコイル１２への電圧印加を電圧印加サイクルに従って変化させてセンサ素子１０の出力信号Ｖｓを取得する（Ａ１）。そして、空気のみ、あるいはその他のガスを含んでいるかを解析する（Ａ２）。解析方法としては、例えば、この取得したセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの２５秒間１０００点の時間的変化データと予め記憶されている大気におけるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの２５秒間１０００点の時間的変化データとのユークリッド距離を算出し、ある閾値以上の例えば図４の例では６０００以上の値になれば空気以外のガスを含んでいると解析する。空気以外のガスを含んでいないと判断した場合には、センサ素子１０の出力信号Ｖｓを取得する（Ａ１）ルーチンに戻る。 First, the voltage application to the heater coil 12 is changed according to the voltage application cycle to obtain the output signal Vs of the sensor element 10 (A1). Then, it is analyzed whether only air or other gas is contained (A2). As an analysis method, for example, the acquired time change data of 1000 points for 25 seconds of the output signal Vs of the sensor element 10 and the time point of 1000 points for 25 seconds of the output signal Vs of the sensor element 10 in the atmosphere stored in advance. The Euclidean distance from the change data is calculated, and if the value is 6000 or more, for example, in the example of FIG. If it is determined that no gas other than air is contained, the output signal Vs of the sensor element 10 is acquired (A1), and the routine returns.

次に、この取得したセンサ素子１０の出力信号Ｖｓから極値出現時刻検知部２４によって極値出現時刻に対応した値（極値が出現するＸ軸の値）を検知し、この極値出現時刻に対応した値が１０〜４０の間であるか判定する（Ａ３）。測定ガス中に一酸化炭素が存在すれば、前述の図４に示すようにＸ軸の値が「３０」付近に極値が出現することになり、極値出現時刻に対応した値が１０〜４０の間であると判断して（Ａ３：Ｙｅｓ）、ガス種特定部２５によって一酸化炭素であると特定する（Ａ４）。そして、取得したセンサ素子１０の出力信号Ｖｓから勾配検知部２８によって勾配（時間に対応したＸ軸の値が３０〜９０の間の勾配）を検知し、ガス濃度抽出部２９によって、勾配検知部２８が検知した勾配に対応した一酸化炭素の濃度が勾配記憶部２７の濃度対勾配のテーブルより抽出する（Ａ６）。例えば勾配検知部２８が「３６０」の勾配を検知した場合、濃度３５０ｐｐｍの一酸化炭素と判定する。また、Ａ３において、極値出現時刻に対応した値が１０〜４０の間でない場合（Ａ３：Ｎｏ）、５０〜１００の間であるか判定する（Ａ７）。測定ガス中に水素が存在すれば、前述の図４に示すようにＸ軸の値が「７０」付近に極値が出現することになり、極値出現時刻に対応した値が５０〜１００の間であると判断して（Ａ７：Ｙｅｓ）、ガス種特定部２５によって水素であると特定する（Ａ８）。極値出現時刻に対応した値が５０〜１００の間でない場合（Ａ７：Ｎｏ）、１８０〜２４０の間であるか判定する（Ａ９）。測定ガス中にメタンが存在すれば、前述の図４に示すようにＸ軸の値が「２７０」付近に極値が出現することになり、極値出現時刻に対応した値が１８０〜２４０の間であると判断して（Ａ９：Ｙｅｓ）、ガス種特定部２５によってメタンであると特定する（Ａ１０）。極値出現時刻に対応した値が１８０〜２４０の間でない場合（Ａ１０：Ｎｏ）、その他のガスであると特定する（Ａ１１）。そして、外部報知を行う（Ａ１２）。以上の動作により、還元性ガスのガス種及び濃度を検出する。 Next, a value corresponding to the extreme value appearance time (X-axis value at which the extreme value appears) is detected from the acquired output signal Vs of the sensor element 10 by the extreme value appearance time detection unit 24, and this extreme value appearance time. It is determined whether the value corresponding to is between 10 and 40 (A3). If carbon monoxide is present in the measurement gas, an extreme value appears near the X-axis value “30” as shown in FIG. 4 described above, and a value corresponding to the extreme value appearance time is 10 to 10. It is determined that it is between 40 (A3: Yes), and it is specified as carbon monoxide by the gas type specifying unit 25 (A4). Then, the gradient detection unit 28 detects a gradient (gradient between the values of the X axis corresponding to time of 30 to 90) from the acquired output signal Vs of the sensor element 10, and the gas concentration extraction unit 29 detects the gradient detection unit. The concentration of carbon monoxide corresponding to the gradient detected by 28 is extracted from the concentration-gradient table in the gradient storage unit 27 (A6). For example, when the gradient detection unit 28 detects a gradient of “360”, it is determined as carbon monoxide having a concentration of 350 ppm. Moreover, in A3, when the value corresponding to the extreme value appearance time is not between 10 and 40 (A3: No), it is determined whether it is between 50 and 100 (A7). If hydrogen is present in the measurement gas, an extreme value appears near the X-axis value “70” as shown in FIG. 4 described above, and the value corresponding to the extreme value appearance time is 50 to 100. It is determined that it is between (A7: Yes), and it is specified as hydrogen by the gas type specifying unit 25 (A8). When the value corresponding to the extreme value appearance time is not between 50 and 100 (A7: No), it is determined whether it is between 180 and 240 (A9). If methane is present in the measurement gas, an extreme value appears around the X-axis value “270” as shown in FIG. 4 described above, and the values corresponding to the extreme value appearance time are 180 to 240. It is determined that it is between (A9: Yes), and it is specified as methane by the gas type specifying unit 25 (A10). When the value corresponding to the extreme value appearance time is not between 180 and 240 (A10: No), it is specified as other gas (A11). Then, external notification is performed (A12). By the above operation, the gas type and concentration of the reducing gas are detected.

以上のように、本実施形態に係るガス検出装置１及びガス検出方法によると、センサ素子１０の出力信号Ｖｓが最初に極値となったときの出現時刻に基づいて、還元性ガスのガス種を同定する。そのため、１サイクルにおける応答曲線の全体的な形状と予め記憶されているガスの成分の存在を特徴的に表した変化特性値とを比較することにより還元性ガスを同定する従来の場合に比べて、複雑な演算を伴うことなく、還元性ガスのガス種を同定し、還元性ガスを検出することができる。 As described above, according to the gas detection device 1 and the gas detection method according to the present embodiment, the gas type of the reducing gas is based on the appearance time when the output signal Vs of the sensor element 10 first reaches the extreme value. Is identified. Therefore, compared with the conventional case of identifying the reducing gas by comparing the overall shape of the response curve in one cycle with the change characteristic value characteristically representing the presence of the gas component stored in advance. The gas type of the reducing gas can be identified and the reducing gas can be detected without complicated calculations.

また、極値出現時間記憶部２３に還元性ガスのガス種ごとに極値出現時間を予め記憶している所要時間に対応した情報と極値出現時刻検知部２４が検知した出現時刻に対応した情報との比較により、迅速に還元性ガスのガス種を同定することができる。 Further, the extreme value appearance time storage unit 23 corresponds to the information corresponding to the required time in which the extreme value appearance time is stored in advance for each gas type of the reducing gas and the appearance time detected by the extreme value appearance time detection unit 24. By comparing with the information, the gas type of the reducing gas can be quickly identified.

さらに、ガス濃度判定部２６を備えていることにより、ガス種同定部２２によって還元性ガスを同定した上で、さらに同定した還元性ガスの濃度も判定することができる。 Furthermore, by providing the gas concentration determination unit 26, it is possible to determine the concentration of the reducing gas further identified after identifying the reducing gas by the gas type identification unit 22.

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。例えば、本実施形態においては、ガス種同定部２２によって還元性ガスのガス種を同定した上で、さらにガス濃度判定部２６によって還元性ガスの濃度も判定していたが、還元性ガスの存在のみを検出するのであれば、ガス濃度判定部２６を備えていなくてもよい。 The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made as long as they are described in the claims. For example, in the present embodiment, the gas type identifying unit 22 identifies the gas type of the reducing gas, and the gas concentration determining unit 26 also determines the reducing gas concentration. If only gas is detected, the gas concentration determination unit 26 may not be provided.

また、本実施形態においては、極値出現時間記憶部２３によって極値出現時間を還元性ガスのガス種ごとに記憶していたが、極値出現時間記憶部２３を備えずに、無線または有線通信などにより、外部装置に記憶された還元性ガスのガス種ごとの極値出現時間からガス種特定部２５によって還元性ガスのガス種を抽出してもよい。 In this embodiment, the extreme value appearance time storage unit 23 stores the extreme value appearance time for each gas type of the reducing gas. However, the extreme value appearance time storage unit 23 is not provided, and is wireless or wired. The gas type of the reducing gas may be extracted by the gas type specifying unit 25 from the extremum appearance time for each gas type of the reducing gas stored in the external device by communication or the like.

さらに、本実施形態においては、ヒータコイル１２への電圧印加を０．２Ｖから０．９Ｖまで連続的に２５秒の期間で上昇させた後、０．９Ｖのまま所定時間の５秒経過させ、その後０．９Ｖから０．２Ｖまで瞬時に低下させ、その後再び０．９Ｖに連続的に上昇させる電圧印加サイクルを繰り返していたが、０．９Ｖのまま所定時間の５秒経過させずに、０．２Ｖから０．９Ｖまで連続的に２５秒の期間で上昇させた後、０．９Ｖから０．２Ｖまで瞬時に低下させる電圧印加サイクルを繰り返してもよい。 Furthermore, in the present embodiment, the voltage application to the heater coil 12 is continuously increased from 0.2 V to 0.9 V in a period of 25 seconds, and then, for 5 seconds of a predetermined time, 0.9 V is maintained, Thereafter, a voltage application cycle in which the voltage was instantaneously decreased from 0.9 V to 0.2 V and then continuously increased again to 0.9 V was repeated. A voltage application cycle in which the voltage is continuously increased from 2 V to 0.9 V in a period of 25 seconds and then instantaneously decreased from 0.9 V to 0.2 V may be repeated.

加えて、本実施形態においては、ヒータコイル１２への電圧印加を０．２Ｖから０．９Ｖまで連続的に上昇させていたが、段階的に、例えば階段状に上昇させてもよい。 In addition, in the present embodiment, the voltage application to the heater coil 12 is continuously increased from 0.2 V to 0.9 V, but may be increased stepwise, for example, stepwise.

また、本実施形態において、センサ素子１０の出力信号Ｖｓを端子１−２間より得るようにしているが、負荷抵抗Ｒ_Ｌの両端の電圧を出力信号としてもよい。この場合センサ素子の電気的特性変化が導電率の変化として得られ、ガス種に対応した極値が極小値として出現する。 In the present embodiment, the output signal Vs of the sensor element 10 is obtained from between the terminals 1-2. However, the voltage across the load resistor _RL may be used as the output signal. In this case, a change in electrical characteristics of the sensor element is obtained as a change in conductivity, and an extreme value corresponding to the gas type appears as a minimum value.

本発明の一実施形態に係るガス検出装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the gas detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. センサ素子の内部構造及び駆動・測定回路の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the internal structure of a sensor element, and the structure of a drive and a measurement circuit. ヒータコイルの温度サイクルを示す図である。It is a figure which shows the temperature cycle of a heater coil. 還元性ガスのガス種に応じたセンサ素子の出力信号の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the output signal of a sensor element according to the gas kind of reducing gas. 一酸化炭素ガスで濃度が異なる場合におけるセンサ素子の出力信号Ｖｓの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the output signal Vs of a sensor element in case density | concentrations differ by carbon monoxide gas. 一酸化炭素の濃度に対する勾配の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the gradient with respect to the density | concentration of carbon monoxide. 記憶部が記憶している極値出現時間及び勾配を測定する測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the measuring apparatus which measures the extreme value appearance time and gradient which the memory | storage part has memorize | stored. ガス検出装置の制御シーケンスを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control sequence of a gas detection apparatus.

Explanation of symbols

１ガス検出装置
１０センサ素子
１１感ガス体
１２ヒータコイル
２１ヒータ電圧（温度）制御部
２２ガス種同定部
２３極値出現時間記憶部
２４極値出現時刻検知部
２５ガス種特定部
２６ガス濃度判定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas detection apparatus 10 Sensor element 11 Gas sensitive body 12 Heater coil 21 Heater voltage (temperature) control part 22 Gas type identification part 23 Extreme value appearance time memory | storage part 24 Extreme value appearance time detection part 25 Gas type identification part 26 Gas concentration determination Part

Claims

A sensor element using a metal oxide semiconductor that changes electrical characteristics depending on the presence of a reducing gas as a gas sensitive body;
A heater for heating the gas sensitive body provided in the sensor element;
A voltage application cycle in which the voltage applied to the heater is continuously or stepwise increased from the first voltage value to the second voltage value and then decreased from the second voltage value to the first voltage value. Repetitive applied voltage control means;
The reduction from the temporal change of the output signal of the sensor element accompanying the temperature change of the heater due to the voltage application continuously or stepwise increasing from the first voltage value to the second voltage value of the applied voltage control means. An identification means for identifying the gas species of the property gas,
The identification means includes
After the voltage application to the heater starts to rise from the first voltage value to the second voltage value continuously or stepwise, the temporal change of the output signal of the sensor element first becomes an extreme value. Detecting means for detecting the appearance time when
Information corresponding to the time required from the start time when the voltage application to the heater starts to rise continuously or stepwise from the first voltage value to the appearance time is provided for each gas type of the reducing gas. Storage means for storing in advance with a time width;
A specifying means for specifying the gas type of the reducing gas depending on whether the appearance time detected by the detection means belongs to a required time having the time width associated with any gas type stored in the storage means; A gas detection device comprising:

The applied voltage control means raises the voltage application to the heater continuously or stepwise from the first voltage value to the second voltage value, and then a predetermined time elapses while maintaining the second voltage value. The gas detection apparatus according to claim 1, wherein a voltage application cycle for reducing the voltage from the second voltage value to the first voltage value is then repeated.

A sensor element using a metal oxide semiconductor that changes electrical characteristics depending on the presence of a reducing gas as a gas sensitive body;
A heater for heating the gas sensitive body provided in the sensor element;
A voltage application cycle in which the voltage application to the heater is continuously or stepwise increased from the first voltage value to the second voltage value and then decreased from the second voltage value to the first voltage value. Repetitive applied voltage control means;
The reduction from the temporal change of the output signal of the sensor element accompanying the temperature change of the heater due to the voltage application continuously or stepwise increasing from the first voltage value to the second voltage value of the applied voltage control means. An identification means for identifying the gas species of the sex gas;
Determination means for determining the concentration of the reducing gas,
The identification means includes
After the voltage application to the heater starts to increase from the first voltage value to the second voltage value continuously or stepwise, the temporal change of the output signal of the sensor element first becomes an extreme value. Detecting means for detecting the appearance time when
Information corresponding to the time required from the start time when the voltage application to the heater starts to rise continuously or stepwise from the first voltage value to the appearance time is provided for each gas type of the reducing gas. Storage means for storing in advance with a time width;
A specifying means for specifying the gas type of the reducing gas depending on whether the appearance time detected by the detection means belongs to a required time having the time width associated with any gas type stored in the storage means; Prepared,
The determination means determines the difference between the first extreme value of the temporal change in the output signal of the sensor element and the value of the output signal of the sensor element when a predetermined time has elapsed from the appearance time of the first extreme value. A gas detection device that determines the concentration of the reducing gas based on the determination.

A gas comprising a sensor element that uses a metal oxide semiconductor that changes electrical characteristics depending on the presence of a reducing gas as a gas sensitive body, and a heater that heats the gas sensitive body provided in the sensor element. A gas detection method in a detection device, comprising:
A temperature control step of repeating a temperature cycle of gradually increasing the temperature of the heater from the first temperature to the second temperature and then decreasing the temperature from the second temperature to the first temperature;
A detection step of detecting an appearance time when the temporal change of the output signal of the sensor element first becomes an extreme value after the temperature of the heater starts to gradually increase from the first temperature to the second temperature; ,
The detected appearance time is information corresponding to a required time from the start time when the voltage application to the heater starts to rise continuously or stepwise from the first voltage value to the appearance time. The gas type of the reducing gas is identified depending on whether the gas type belongs to the required time with the time width associated with which gas type stored in the storage means stored in advance with a time width for each gas type of the reactive gas A gas detection method comprising: an identification step.