JP5274909B2 - ガスセンサ及びガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサ及びガス濃度検出装置に係り、特に、検出素子及び比較素子から構成されるガスセンサ及びガス濃度検出装置に関するものである。

都市ガスの漏洩時に発生するメタンガス（検出対象ガス）の濃度を検出するガスセンサ２を内蔵したガス警報器１として、例えば図７に示されたものが一般的に知られている。同図に示すように、ガス警報器１は、検出素子６と、比較素子７と、μＣＯＭ（マイクロコンピュータ）３と、を有している。検出素子６は、第１温度センサとしての白金コイル６２と、この白金コイル６２に塗布した、検出対象ガスであるメタンガスとの接触燃焼を促進するパラジウム触媒が担持された担体としてのγアルミナ６１と、で構成されている。比較素子７は、白金コイル７２と、この白金コイル７２に塗布した、メタンガスに対して不感となる材料であるγアルミナ７３と、で構成されている。

上記検出素子６の白金コイル６２と、比較素子７の白金コイル７２とは、メタンガスのない空気中（エアベース）では等しい抵抗値になるように設けられている。上述した検出素子６及び比較素子７は、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２と共にブリッジ回路４を構成している。このブリッジ回路４の端子ａと端子ｂとの間には、駆動電圧Ｅ０が供給されている。この駆動電圧Ｅ０を供給すると、検出素子６が加熱されてメタンガスと接触燃焼する。

以上の構成によれば、ブリッジ回路４は可燃ガスのない空気中では平衡状態となり、端子ｃと端子ｄとの電位が等しくなる。これに対して、メタンガスを含む空気中では可燃ガスとの燃焼熱により検出素子６の温度が上昇し、これに伴って検出素子６の白金コイル６２の抵抗値が増加する。一方、比較素子７はメタンガスと接触燃焼しないため、検出素子６の温度より低くなる。このため、ブリッジ回路４は不平衡状態となり、端子ｃと端子ｄとの間に電位差が生じる。この電位差が、雰囲気温度による白金コイル６２の抵抗値の変動分を相殺したメタンガスの濃度に応じたセンサ出力Ｖｓとなる。上記μＣＯＭ３は、上記センサ出力Ｖｓに基づいてメタンガス濃度が危険なレベルに達しているか否かを判定して、危険なレベルに達していると判定したときにその旨を警報する。

しかしながら、上述したパラジウム触媒は、メタンガス以外の水素ガス、エタノールガス、一酸化炭素ガスとの接触燃焼も促進してしまう。このため、メタンガスが発生していなくても一酸化炭素ガス、水素ガス、エタノールガスが発生すると接触燃焼が生じて検出素子６の温度が上昇する。結果、図５に示すように、センサ出力Ｖｓは、水素ガス、エタノールガス、一酸化炭素ガスに対しても感度を持ってしまう。また、図６に示すように、同じ濃度のメタンガス、水素ガス、エタノールガス、一酸化炭素ガスをそれぞれ別々にガス警報器１に吹き付けたときのセンサ出力Ｖｓの比は、１：０．９４：０．７５：０．６１となり、メタンガス、水素ガス、エタノールガスの濃度に対するセンサ出力Ｖｓの大きさはあまり変わらない。また、一酸化炭素ガスの濃度に対するセンサ出力Ｖｓの比は水素ガス、エタノールガスに比べて小さいが、ガスセンサ２は、一酸化炭素ガスに対する感度も有している。

よって、従来のガス警報器１では、例えば調理などで水素ガス、エタノールガスや一酸化炭素ガスの濃度が増加すると、センサ出力Ｖｓが増加するため都市ガスが漏れたと誤警報される恐れがある。そこで、特に、エタノールに関しては、検出素子６を活性炭フィルタなどで覆って、エタノールの接触燃焼を抑えることが提案されている。しかしながら、活性炭フィルタのフィルタ性能が低下した場合に再び誤報が生じる可能性がある。

また、比較素子７を構成するγアルミナ７３にプラチナ（Ｐｔ）触媒を担持させるガスセンサ２が提案されている。プラチナ触媒は、水素ガス、エタノールガス、一酸化炭素ガスの接触燃焼を促進させるが、メタンガスの接触燃焼を促進しない。よって、検出素子６が、メタンガスと接触燃焼して温度が上昇しても、比較素子７はメタンガスと接触燃焼せずに温度上昇しないため、センサ出力Ｖｓのメタンガスに対する感度は変わらない。これに対して、検出素子６が、水素ガス、エタノールガス、一酸化炭素ガスと接触燃焼して温度が上昇すると、比較素子７も同様に水素、エタノール、一酸化炭素と接触燃焼して温度が上昇するので、センサ出力Ｖｓは、水素、エタノール、一酸化炭素の接触燃焼に応じた検出素子６の温度上昇分が相殺された値となる。

上述したプラチナ触媒とパラジウム触媒とは、水素、エタノール、一酸化炭素に対する感度がほぼ同等である。即ち、水素、エタノール、一酸化炭素と接触燃焼したときの温度上昇量が、パラジウム触媒を用いた検出素子６と、プラチナ触媒を用いた比較素子７とでほぼ同じになる。これにより、センサ出力Ｖｓから水素、エタノール、一酸化炭素の接触燃焼に応じた検出素子６の温度上昇分を完全に相殺することができる。

しかしながら、上述したようにセンサ出力Ｖｓから水素、エタノール、一酸化炭素の接触燃焼に応じた検出素子６の温度上昇分を完全に相殺すると下記に示すような問題が生じることが分かった。即ち、上述したガス警報器１では、ガスセンサ２が正常に動作しているか否かを点検する必要がある。そして、点検時にはメタンガスの代わりに一酸化炭素＋水素の混合ガスから成る点検ガスをガス警報器１に吹き付けて、ガス警報器１が正常に警報を発生するか否かを確認している。このため、上述したようにセンサ出力Ｖｓから水素、エタノール、一酸化炭素の接触燃焼に応じた検出素子６の温度上昇分を完全に相殺してしまうと、点検ガス（＝一酸化炭素＋水素）によるガス警報器１の点検を行えなくなってしまう、という問題が生じていた。また、プラチナ触媒は、貴金属系の触媒であるためコストアップの問題がある。

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、点検ガスを用いた点検作業を可能としつつ誤報を少なくすることができるガスセンサ及びガス濃度検出装置を安価に提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、周囲温度を検出する第１温度センサ、及び、前記第１温度センサを覆うパラジウム触媒を担持した担体、から構成される検出素子と、周囲温度を検出する第２温度センサ、及び、前記第２温度センサを覆うセリア触媒、から構成される比較素子と、を備えたことを特徴とするガスセンサに存する。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載のガスセンサと、前記第１温度センサによる検出温度と前記第２温度センサによる検出温度との差分を検知対象ガスの濃度に応じたセンサ出力として出力する出力手段と、を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置に存する。

以上説明したように請求項１及び２記載の発明によれば、セリア触媒は水素、エタノール、一酸化炭素の接触燃焼を促進させるが、メタンの接触燃焼を促進しない。よって、検出素子が、メタンと接触燃焼して温度が上昇しても、比較素子はメタンと接触燃焼せずに温度上昇しないため、センサ出力のメタンに対する感度は低下しない。これに対して、検出素子が、水素、エタノール、一酸化炭素と接触燃焼して温度が上昇すると、比較素子も同様に水素、エタノール、一酸化炭素と接触燃焼して温度が上昇するので、上記センサ出力は、水素、エタノール、一酸化炭素の触媒に応じた検出素子の温度上昇分が相殺された値となる。また、セリア触媒の水素、エタノール、一酸化炭素に対する感度はパラジウム触媒の水素、エタノール、一酸化炭素に対する感度よりも低い。よって、水素、エタノール、一酸化炭素と接触燃焼したときの温度上昇量は、パラジウム触媒から構成される検出素子の方がセリア触媒から構成される比較素子に比べて高い。これにより、セリア触媒を用いると、上記センサ出力から水素、エタノール、一酸化炭素の接触燃焼に応じた検出素子の温度上昇分を完全にではなく一部だけ相殺することができる。このため、水素、エタノール、一酸化炭素濃度が増加してもセンサ出力が大きく増加することがなく、誤警報を少なくすることができる。しかも、センサ出力の水素、一酸化炭素に対する感度も点検ガス（水素＋一酸化炭素）による点検が可能な程度残すことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明のガスセンサ２を組み込んだガス警報器の一実施形態を示す回路図である。同図に示すように、ガス警報器１は、ガスセンサ２と、μＣＯＭ３と、を備えている。

ガスセンサ２は、出力手段としてのブリッジ回路４と、駆動電圧Ｅ０と、差動増幅器５と、から構成されている。ブリッジ回路４は、検出素子６及び比較素子７と、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２と、から構成されている。上記検出素子６及び比較素子７は互いに直列に接続されている。固定抵抗Ｒ１、Ｒ２は互いに直列に接続されている。そして、検出素子６及び比較素子７から構成されている直列回路と、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２から構成される直列回路と、が並列に接続されてブリッジ回路４を構成している。

上記検出素子６は、周囲温度を検出する第１温度センサとしての白金コイル６２と、この白金コイル６２を覆うパラジウム（Ｐｄ）触媒を担持した担体としてのγアルミナ６１と、から構成されている。上記比較素子７は、周囲温度を検出する第２温度センサとしての白金コイル７２と、この白金コイル７２を覆うセリア（ＣｅＯ_２）触媒７１と、から構成されている。

駆動電圧Ｅ０は、ブリッジ回路４の端子ａと端子ｂとの間に供給される電圧である。この駆動電圧Ｅ０を供給すると、白金コイル６２、７２が発熱して検出素子６及び比較素子７は加熱される。差動増幅器５は、ブリッジ回路４の端子ｃ−端子ｄ間の中点電圧をセンサ出力ＶｓとしてμＣＯＭ３に対して出力する。μＣＯＭ３は、処理プログラムに従って各種の処理を行う中央演算処理ユニット（以下ＣＰＵ）３１、ＣＰＵ３１が行う処理のプログラムなどを格納した読出専用のメモリであるＲＯＭ３２、及び、ＣＰＵ３１での各種の処理過程で利用するワークエリア、各種データを格納するデータ記憶エリアなどを有する読出書込自在のメモリであるＲＡＭ３３、を有している。μＣＯＭ３は、センサ出力Ｖｓに基づいて都市ガス（メタンガス）の濃度が危険な警報レベルであるか否かを判定し、警報レベルに達していると判定したときに図示しないブザーや表示装置を制御してその旨を警報する。

次に、上述した検出素子６に担持されたパラジウム触媒と、上述した比較素子７に用いたセリア触媒７１と、の特性について以下説明する。上記パラジウム触媒は、メタンガスとの接触燃焼を促進する触媒である。よって、図２中の黒ダイヤに示すように、メタンガスが含まれる空気中ではメタンガスと接触燃焼により検出素子６の温度が上昇し、これに伴って検出素子６の白金コイル６２の抵抗値が増加して、検出素子６の両端電圧が増加する。また、パラジウム触媒は、上述した背景技術に説明したように、水素ガス、エタノールガス及び一酸化炭素ガスとの接触燃焼までも促進してしまう触媒である。よって、メタンガスが発生していなくても水素ガス、エタノールガス、一酸化炭素ガスが発生すると水素ガス、エタノールガス、一酸化炭素ガスと接触燃焼により検出素子６の温度が上昇し、これに伴って検出素子６の白金コイル６２の抵抗値が増加して、検出素子６の両端電圧が増加してしまう。

これに対して、セリア触媒７１は、ある一定温度範囲内ではメタンガスとの接触燃焼については促進しない触媒である。よって、図２中の白ダイヤに示すように、メタンガスが発生してもメタンガスとの接触燃焼が生じない比較素子７の温度は上昇せずに、メタンガス濃度が増加しても比較素子７の両端電圧は一定となる。また、セリア触媒７１は、パラジウム触媒と同様に、水素ガス、エタノールガス及び一酸化炭素ガスの接触燃焼については促進する触媒である。よって、水素ガス、エタノールガス、一酸化炭素ガスが発生すると水素ガス、エタノールガス、一酸化炭素ガスと接触燃焼により比較素子７の温度が上昇し、これに伴って比較素子７の白金コイル７２の抵抗値が増加して、比較素子７の両端電圧が増加する。

次に、上述した構成のガス警報器１の動作について説明する。ブリッジ回路４の端子ａと端子ｂとの間に駆動電圧Ｅ０を供給すると、白金コイル６２、７２が発熱して検出素子６及び比較素子７は加熱される。つまり、白金コイル６２、７２は温度センサとしての機能と加熱手段としての機能とを兼ねている。上述したブリッジ回路４はメタンガス、水素ガス、エタノールガスのない空気中では平衡状態となりセンサ出力Ｖｓは０となる。これに対して、都市ガスが漏れてメタンガスが発生するとメタンガスとの接触燃焼により検出素子６の温度が上昇し、これに伴って検出素子６の白金コイル６２の抵抗値が増加する。一方、セリア触媒７１が用いられた比較素子７は、上述したようにメタンガスとの接触燃焼が生じないため、検出素子６の温度よりも低くなる。このため、ブリッジ回路４は不平衡状態となり、センサ出力Ｖｓが雰囲気温度による白金コイル６２の抵抗値の変動分を相殺したメタンガスの濃度に応じた値となる。

また、調理などにより水素、エタノール、一酸化炭素が発生すると水素、エタノール、一酸化炭素との接触燃焼により検出素子６の温度が上昇し、これに伴って検出素子６の白金コイル６２の抵抗値が増加する。一方、セリア触媒７１が用いられた比較素子７も水素、エタノール、一酸化炭素との接触燃焼が発生し、温度が上昇し、これに伴って比較素子７の白金コイル７２の抵抗値が増加する。このため、センサ出力Ｖｓが水素、エタノール、一酸化炭素との接触燃焼により白金コイル６２の抵抗値の変動分を相殺した値となる。

詳しくは、図４に示すように、同じ濃度のメタンガス、水素ガス、エタノールガス、一酸化炭素をそれぞれ別々にガス警報器１に吹き付けたときのセンサ出力Ｖｓの比は、１：０．４７：０．３７：０．２６となる。即ち、従来は、図６に示すように、メタンガスに対するエタノール感度は０．７５であったのに対して、本実施形態では０．４７に抑えることができた。また、従来は、図６に示すように、メタンガスに対する水素感度は０．９４であったのに対して、本実施形態では０．４７に抑えることができた。また、従来は、図６に示すようにメタンガスに対する一酸化炭素感度は０．６１であったのに対して、本実施形態では０．２６におさえることができた。よって、調理などによって生じる程度の濃度の水素ガス、エタノールガス、一酸化炭素ガスが発生してもセンサ出力Ｖｓは警報レベルに達しないので、ガス警報器１の誤報を少なくすることができる。

しかも、セリア触媒７１の水素、エタノール、一酸化炭素に対する感度はパラジウム触媒の水素、エタノール、一酸化炭素に対する感度よりも低い。よって、水素、エタノール、一酸化炭素と接触燃焼したときの温度上昇量は、パラジウム触媒から構成される検出素子６の方がセリア触媒１７から構成される比較素子７に比べて高い。これにより、セリア触媒７１を用いると、センサ出力Ｖｓから水素、エタノール、一酸化炭素の接触燃焼に応じた検出素子の温度上昇分を完全にではなく一部だけ相殺することができる。従って、図４に示すように、比較素子７の水素感度は０でなく０．４７はあり、一酸化炭素感度は０でなく０．２６はあるので、点検時に吹き付ける点検ガス（水素＋一酸化炭素）が高濃度であれば、センサ出力Ｖｓが増加して警報レベルに達して警報が発生するので、センサ出力Ｖｓの水素、一酸化炭素に対する感度も点検ガス（水素＋一酸化炭素）による点検が可能な程度残すことができる。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明のガスセンサを組み込んだガス警報器の一実施形態を示す回路図である。 メタンガス濃度に対するパラジウム触媒を担持した検出素子の両端電圧の増加分と、メタンガス濃度に対するセリア触媒を担持した比較素子の両端電圧の増加分と、をそれぞれ示すグラフである。 メタンガス、水素ガス、エタノールガス濃度に対する図１に示す本実施形態のガス警報器のセンサ出力を示すグラフである。 同じ濃度のメタンガス、水素ガス、エタノールガスをそれぞれ別々に図１に示す本実施形態のガス警報器に吹き付けたときのセンサ出力の比を示すグラフである。 メタンガス、水素ガス、エタノールガス濃度に対する従来のガス警報器のセンサ出力を示すグラフである。 同じ濃度のメタンガス、水素ガス、エタノールガスをそれぞれ別々に従来のガス警報器に吹き付けたときのセンサ出力の比を示すグラフである。 従来のガスセンサの一例を示す回路図である。

符号の説明

２ ガスセンサ
４ ブリッジ回路（出力手段）
６ 検出素子
７ 比較素子
６１ γアルミナ（第１担体）
６２ 白金コイル（第１温度センサ）
７１ セリア触媒
７２ 白金コイル（第２温度センサ）

Claims (2)

1. 周囲温度を検出する第１温度センサ、及び、前記第１温度センサを覆うパラジウム触媒を担持した担体、から構成される検出素子と、
   周囲温度を検出する第２温度センサ、及び、前記第２温度センサを覆うセリア触媒、から構成される比較素子と、
   を備えたことを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサと、
   前記第１温度センサによる検出温度と前記第２温度センサによる検出温度との差分を検知対象ガスの濃度に応じたセンサ出力として出力する出力手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。

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