JP5137511B2 - 防爆型ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば焼結金属が用いられて防爆構造が構成されたセンサ部を有する防爆型ガスセンサに関する

可燃性のガスや蒸気を含む爆発性雰囲気の存在により、引火、爆発が発生し得る環境で使用されるガスセンサにおいては、所定の防爆性能を有した防爆構造を具備していることが要求されており、例えばガス透過性を有する焼結金属を用いたセンサ構造が採用されている。

例えば、ガス導入排出口を有する円筒形状のガスセル内の両端に、赤外線光源と赤外線センサ素子が位置され、ガスセルの外周に焼結金属よりなる防爆ケースがガス導入口を覆うよう装着されてなる構造のものが知られている（特許文献１参照）。

このような焼結金属を用いたセンサ構造においては、焼結金属の通気性負荷（通気抵抗）のため、センサ内部へのガスの通気に時間がかかり、応答時間（応答速度）が遅くなりやすいという、問題がある。
例えばＨ₂ やＣＨ₄ などは比較的に通気性はよいが、ｉ−Ｃ₄ Ｈ₁₀などは通気性が悪いため、応答時間が遅くなる。
一方、焼結金属部分とガス導入排出口とを密着させた構造である場合には、焼結金属による通気性負荷が低減されて応答時間を速くすることができる反面、センサ部の内圧変化が生じて検知結果（センサ出力）に変動が生ずるという、問題がある。

特開２００２−２２６５５号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、焼結金属が用いられて防爆構造が形成されてなり、圧力変化を生じさせることなしに、高い応答速度を得ることのでき、従って、所期のガス検知を高い応答速度でかつ高い信頼性をもって行うことのできる防爆型ガスセンサを提供することを目的とする。

本発明の防爆型ガスセンサは、センサ本体と、このセンサ本体が保持されるセンサ保持部にガス導入口およびガス排出口が開口するガス導入路およびガス排出路が形成されたセンサホルダーとを備えてなり、 センサ本体は、円筒状のケーシングを備えてなり、このケーシングの一端側開口を覆うよう焼結金属からなるガス透過性カバー部材が設けられて被検ガスが当該ガス透過性カバー部材を介して導入、排出される測定空間が形成されると共に、当該測定空間内に、赤外線光源および赤外線センサ素子が配設されており、赤外線光源からの赤外線が反射部材によって反射されて赤外線センサ素子に入射される構成とされており、
前記ガス透過性カバー部材と、前記ガス導入口およびガス排出口が開口するセンサホルダーとの間に、０．０５〜０．２ｍｍの間隔が形成されていることを特徴とする。

本発明の防爆型ガスセンサにおいては、ガス透過性カバー部材は、気孔サイズが７０〜１００μｍ、厚みが２〜３ｍｍであるものであり、測定空間内に導入されるガス流量が０．３〜１．５リットル／ｍｉｎとされた構成とすることができる。

本発明の防爆型ガスセンサによれば、センサ部を構成する焼結金属部分とガス導入排出口との間に特定の大きさの間隙が形成されていることにより、当該間隙がいわば緩衝室として機能するので、センサ部の内圧変化が小さく抑制されながら、焼結金属による通気性負荷が小さく低減される状態が得られ、従って、所期のガス検知を高い応答速度で、かつ、高い信頼性をもって行うことができる。

図１は、本発明に係る防爆型赤外線ガスセンサの一例における構成を示す部分断面図、図２は、図１に示す防爆型赤外線ガスセンサのセンサ本体の構成を示す部分断面図、図３は、図２に示すＡ−Ａ線断面を示す横断面図である。
この防爆型赤外線ガスセンサ１０は、例えばステンレス鋼などの金属製からなり、全体が円筒形態のケーシング１１Ａを備えたセンサ本体１１と、このセンサ本体１１を保持するセンサホルダー３０とにより構成されている。図１における符号２５は、例えばＯリングよりなるシール部材である。

センサ本体１１におけるケーシング１１Ａの内部には、円板状の回路基板１５がケーシング１１Ａの中心軸に対して垂直な方向に伸びるよう配設されており、当該回路基板１５によってケーシング１１Ａの内部空間が区画されている。

回路基板１５の一面上には、点滅型の赤外線光源１６と赤外線センサ素子１８とが例えばケーシング１１Ａの径方向に並んだ位置に実装されており、さらに、赤外線光源１６から放射される赤外線を反射して赤外線センサ素子１８に入射させる反射器２０が設けられている。

赤外線光源１６は、例えばコイルフィラメントを備えたランプよりなり、回路基板１５の一面において支持された高さ調整用スペーサ部材１７によって下方から支持されている。
この赤外線光源１６は、例えば１Ｈｚの周期で、すなわち０．５秒間点灯した後、０．５秒間消灯するよう、点滅駆動される。

赤外線センサ素子１８は、背の低い円柱状のものであって、例えば検知対象ガスが吸収する赤外線に対してのみ高い透過率を有するバンドパスフィルター（図示せず）を備えている。

反射器２０は、例えば凹面状の反射面を有する集光性凹面鏡よりなる反射ミラー２１と、この反射ミラーの両端部を支持する一対の板状の支持部材２２とにより構成されている。
この反射器２０は、反射ミラー２１が赤外線センサ素子１８の直上に位置された状態で、配置されており、赤外線光源１６から回路基板１５の一面に沿って放射された赤外線が反射ミラー２１によって反射されて赤外線センサ素子１８に対して垂直方向から入射される構成とされている。

ケーシング１１Ａの一端側開口には、焼結金属からなる円板状のガス透過性カバー部材１３が当該開口を覆うよう設けられており、これにより、ケーシング１１Ａの内部に被検ガスが導入される測定空間Ｓが形成されている。

ガス透過性カバー部材１３は、例えばステンレス鋼粉末の焼結体により構成されており、十分なガス透過性が得られると共に外部への火炎逸走が確実に防止されるという理由から、気孔サイズが例えば７０〜１００μｍであり、厚みが２〜３ｍｍであるものであることが好ましい。

センサホルダー３０は、略円柱状のものであって、その一端面における中央位置に、センサ本体装着用凹所３１が形成されていると共に、センサ本体装着用凹所３１の底壁における略中央位置においてガス導入口３２が開口するガス導入路３３およびセンサ本体装着用凹所３１の底壁におけるガス導入口３２と並んだ位置においてガス排出口３５が開口するガス排出路３６が形成されている。

上記防爆型赤外線ガスセンサ１０においては、図４に示すように、センサ本体１１におけるガス透過性カバー部材１３と、センサホルダー３０におけるセンサ本体装着用凹所３１の底壁との間に、例えば塩化ビニルからなる円環状のスペーサ部材４０が設けられており、これにより、ガス透過性カバー部材１３とガス導入口３２およびガス排出口３５との間に間隙Ｋが形成された状態とされている。
ガス透過性カバー部材１３とガス導入口３２およびガス排出口３５との間の離間距離Ｌは、０．０５〜０．２ｍｍの範囲内、例えば０．１ｍｍに設定されている。当該離間距離Ｌが０．０５ｍｍより小さい場合には、ガス導入、排出の際の内圧変化が大きくなってセンサ出力に変動が生じるため、信頼性の高いガス検知を行うことが困難であり、一方、０．２ｍｍより大きい場合には、ガス導入、排出の際の通気性負荷が大きくなって応答速度が遅くなる。

上記防爆型赤外線ガスセンサ１０においては、赤外線光源１６が所定の周期で点滅駆動されてこの赤外線光源１６から放射された赤外線が反射器２０によって反射されて赤外線センサ素子１８に入射される一方で、被検ガスがガス透過性カバー部材１３を介して測定空間Ｓ内に導入される。そして、被検ガス中に含まれる検知対象ガスによる赤外線の吸収に伴う赤外線光量の減衰の程度に応じて、検知対象ガスの濃度が検出される。ここに、測定空間Ｓに導入されるガス流量は、例えば０．３〜１．５リットル／ｍｉｎである。

而して、上記防爆型赤外線ガスセンサ１０によれば、センサ本体１１を構成する焼結金属からなるガス透過性カバー部材１３と、センサホルダー３０におけるガス導入口３２およびガス排出口３５との間に、０．０５〜０．２ｍｍの範囲内で適正な大きさに設定された間隙Ｋが形成されていることにより、当該間隙Ｋがいわば緩衝室として機能するので、センサ部の内圧変化が小さく抑制されながら、ガス透過性カバー部材１３による通気性負荷が小さく低減される状態が得られ、従って、所期のガス検知を高い応答速度で、かつ、高い信頼性をもって行うことができる。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
＜実験例１＞
図１乃至図４に示す構成に従って、以下に示す基本構成を有すると共に、ガス透過性カバー部材とセンサホルダーにおけるガス導入口およびガス排出口との間の離間距離が、それぞれ、０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．１３ｍｍ、０．５ｍｍに設定された４種類の防爆型赤外線ガスセンサを作製し、ガス流量と応答時間（規定濃度のイソブタンガスの導入を開始した時点から、規定濃度の９０パーセントの濃度値に到達するまでの時間（Ｔ９０〔ｓ〕））との関係を調べた。結果を図５に示す。図５中、（ａ）離間距離が０ｍｍ、（ｂ）離間距離が０．１ｍｍ、（ｃ）離間距離が０．１３ｍｍ、（ｄ）離間距離が０．５ｍｍの結果である。

〔防爆型赤外線ガスセンサの構成〕
センサ本体は、例えば内径が１７．５ｍｍ、外径が２３．５ｍｍ、肉厚が３．０ｍｍのものであり、測定空間の内容積の大きさが約４．２ｃｍ³ である。
赤外線光源は、例えば定格電圧値が５Ｖ、定格電流値が０．１１５Ａ、ランプ高さが６．２ｍｍのランプであり、赤外線センサ素子は、例えば高さが４．８ｍｍ、外径がφ９．２ｍｍであるものであり、赤外線光源と赤外線センサ素子との離間距離（中心間距離）が例えば７ｍｍ、赤外線光路の光路長（全長）が例えば約１０ｍｍである。
ガス透過性カバー部材は、粒子径が８５０μｍ以下であるステンレス鋼粉末の焼結体であって、最大気孔サイズが１００μｍ、最小密度が４．３ｇ／ｃｍ³ 、厚みが３ｍｍである。
センサホルダーにおけるガス導入口の開口径がφ２ｍｍ、ガス排出口の開口径がφ３ｍｍであり、ガス導入口とガス排出口との中心間距離が６ｍｍである。

＜実験例２＞
上記実験例１において作製した防爆型赤外線ガスセンサのうち、ガス透過性カバー部材とセンサホルダーにおけるガス導入口およびガス排出口との間の離間距離が、それぞれ、０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．１３ｍｍに設定された３種類のものを用い、ガス流量と内圧変化との関係を調べた。結果を図６に示す。図６中、（ａ）離間距離が０ｍｍ、（ｂ）離間距離が０．１ｍｍ、（ｃ）離間距離が０．１３ｍｍの結果である。

以上の結果から明らかなように、ガス透過性カバー部材とセンサホルダーにおけるガス導入口およびガス排出口との間の離間距離が０．０５〜０．２ｍｍの範囲内で設定された、本発明に係る防爆型赤外線ガスセンサによれば、内圧変化（差圧）が１．０ｋＰａ以下に小さく抑制されながら、応答時間が３０．０ｓ以下となる高い応答性が得られることが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
本発明は、焼結金属が用いられて防爆構造が構成されたセンサ部を有するものであれば、上記実施例のような反射型のガスセンサに限定されるものではない。

本発明に係る防爆型赤外線ガスセンサの一例における構成を示す部分断面図である。 図１に示す防爆型赤外線ガスセンサのセンサ部の構成を示す部分断面図である。 図２に示すＡ−Ａ線断面を示す横断面図である。 図１に示す防爆型赤外線ガスセンサの要部を示す拡大断面図である。 ガス流量と応答時間の関係を示すグラフである。 ガス流量と内圧変化の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 防爆型赤外線ガスセンサ
１１ センサ本体
１１Ａ ケーシング
１３ ガス透過性カバー部材
１５ 回路基板
１６ 赤外線光源
１７ 高さ調整用スペーサ部材
１８ 赤外線センサ素子
２０ 反射器
２１ 反射ミラー
２２ 支持部材
２５ シール部材
３０ センサホルダー
３１ センサ本体装着用凹所
３２ ガス導入口
３３ ガス導入路
３５ ガス排出口
３６ ガス排出路
４０ スペーサ部材
Ｓ 測定空間
Ｋ 間隙

Claims (2)

1. センサ本体と、このセンサ本体が保持されるセンサ保持部にガス導入口およびガス排出口が開口するガス導入路およびガス排出路が形成されたセンサホルダーとを備えてなり、 センサ本体は、円筒状のケーシングを備えてなり、このケーシングの一端側開口を覆うよう焼結金属からなるガス透過性カバー部材が設けられて被検ガスが当該ガス透過性カバー部材を介して導入、排出される測定空間が形成されると共に、当該測定空間内に、赤外線光源および赤外線センサ素子が配設されており、赤外線光源からの赤外線が反射部材によって反射されて赤外線センサ素子に入射される構成とされており、
   前記ガス透過性カバー部材と、前記ガス導入口およびガス排出口が開口するセンサホルダーとの間に、０．０５〜０．２ｍｍの間隔が形成されていることを特徴とする防爆型ガスセンサ。
2. ガス透過性カバー部材は、気孔サイズが７０〜１００μｍ、厚みが２〜３ｍｍであるものであり、測定空間内に導入されるガス流量が０．３〜１．５リットル／ｍｉｎであることを特徴とする請求項１に記載の防爆型ガスセンサ。