JP5405928B2 - ガス検出装置及びガス警報器 - Google Patents

Description

本発明は、ガス検出装置及びガス警報器に係り、特に、検出対象ガスと接触燃焼するセンサ抵抗を含むブリッジ回路と、前記ブリッジ回路に交流電圧を供給する交流電圧源と、を備えたガス検出装置及び当該ガス検出装置を有するガス警報器に関するものである。

上述したガス警報器として、例えば図７に示されたようなものが知られている（例えば特許文献１）。同図に示すように、ガス警報器１は、ガスセンサ２と、交流電圧源としての商用交流電源３と、トランス４と、警報判定回路５と、警報ブザー６と、を備えている。上記ガスセンサ２は、ブリッジ回路２１と、カップリングコンデンサＣ１と、差動増幅器２２と、カップリングコンデンサＣ２と、整流・平滑回路２３と、から構成されている。そして、上記ブリッジ回路２１は、センサ抵抗としてのセンサ素子Ｒｓ、レファ素子Ｒｒ、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２及び可変抵抗ＲＶを有している。

上記センサ素子Ｒｓは、検出対象ガスとの燃焼を促進する触媒（例えばパラジウム（Ｐｄ））を担持した担体（例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃））から成る触媒担体２１Ａと、この触媒担体２１Ａに覆われた白金ヒータ２１Ｂと、から構成されている。上記レファ素子Ｒｒは、検出対象ガスに対して不感となる担体２１Ｃと、この担体２１Ｃに覆われた白金ヒータ２１Ｄと、から構成されている。

上記センサ素子Ｒｓの白金ヒータ２１Ｂと、レファ素子Ｒｒの白金ヒータ２１Ｄとは、検出対象ガスのない空気中（エアベース）ではほぼ等しい抵抗値になるように設けられている。上記固定抵抗Ｒ１及びＲ２も互いにほぼ等しい抵抗値になるように設けられている。そして、上述したセンサ素子Ｒｓ、レファ素子Ｒｒ及び固定抵抗Ｒ１、Ｒ２は、後述する可変抵抗ＲＶと共にブリッジ接続されている。

上記ブリッジ回路２１には、トランス４によって降圧された商用交流電源３からの交流電圧が供給されている。上記可変抵抗ＲＶは、固定抵抗Ｒ１及び固定抵抗Ｒ２の間に接続されている。可変抵抗ＲＶは、エアベースにおいてブリッジ回路２１に交流電圧が供給されたときにセンサ素子Ｒｓ及びレファ素子Ｒｒ間の接続点と、可変抵抗ＲＶとの、中点電位差Ｖ０が小さくなるように調整されている。

上述したセンサ素子Ｒｒ及びレファ素子Ｒｒが同一の温度特性であれば、エアベースではブリッジ回路２１が完全に平衡状態となり、ブリッジ回路２１に交流電圧が供給されても中点電位差Ｖ０は常に０である。しかしながら、センサ素子Ｒｒ及びレファ素子Ｒｒは、上述したように異なる構造であるため、温度特性が若干異なる。よって、エアベースでの中点電位差Ｖ０は、実際には図８（Ａ）に示すように、交流波形となる。

これに対して、検出対象ガスを含む空気中では検出対象ガスとの燃焼熱によりセンサ素子Ｒｓの温度が上昇し、これに伴ってセンサ素子Ｒｓの白金ヒータ２１Ｂの抵抗値が増加する。一方、レファ素子Ｒｒは検出対象ガスと燃焼しないため、センサ素子Ｒｓの温度より低くなる。このため、ブリッジ回路２１の平衡が大きく崩れて、図８（Ｂ）に示すように、中点電位差Ｖ０は、その振幅が大きくなる。

上記カップリングコンデンサＣ１は、ブリッジ回路２１から出力される交流波形の中点電位Ｖ０を例えば２．５Ｖ（バイアス電圧）分、プラス側にバイアスするコンデンサである。なお、バイアス電圧は、５Ｖ電源を抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ５とで分圧することにより与えられる。

上記差動増幅器２２は、上記バイアスされた中点電位差Ｖ０を抵抗比（Ｒ６／Ｒ４）で増幅して、検出対象ガスの濃度に応じたセンサ出力Ｖｓとして出力する。上記カップリングコンデンサＣ２は、抵抗Ｒ７を介してグランドに接続されている。

上記整流・平滑回路２３は、交流電圧であるセンサ出力Ｖｓを整流するダイオードＤと、整流されたセンサ出力Ｖｓを平滑するコンデンサＣ３と、から構成されている。よって、整流・平滑回路２３は、図８に示すように、交流波形であるセンサ出力Ｖｓを整流・平滑して直流電圧に変換して出力する。警報判定回路５は、整流・平滑されたセンサ出力Ｖｓと警報値とを比較して、センサ出力Ｖｓが警報値以上のときに警報ブザー６を用いて警報を発生する。

上述したガス警報器１は、例えば落下などの衝撃を与えるとセンサ素子Ｒｓとレファ素子Ｒｒの熱バランスが崩れたり、可変抵抗ＲＶが動いてブリッジ回路２１のバランスが崩れることがある。これにより、エアベースにおいてセンサ出力Ｖｓがマイナス側に動くことがある。マイナス側に少し動いた場合、センサ出力Ｖｓは、図８（Ｃ）に示すように、正常時のエアベースにおけるセンサ出力Ｖｓ（図８（Ａ））と同位相で振幅が小さくなる。

マイナス側にもう少し動くと、センサ出力Ｖｓは、図８（Ｄ）に示すように、正常時のエアベースにおけるセンサ出力Ｖｓ（図８（Ａ））に対して０ｍＶを境にして位相が反転する。マイナス側にさらに大きく動くと、センサ出力Ｖｓは、図８（Ｅ）に示すように、正常時のエアベースにおけるセンサ出力Ｖｓ（図８（Ａ））に対して位相が反転した状態で振幅が大きくなり、警報値に達する。そして、警報判定回路５によりセンサ出力Ｖｓが警報値以上になったと判定されて警報が発生する。

なお、警報判定回路５は、整流・平滑化されたセンサ出力Ｖｓと警報値とを単純に比較していたため、センサ出力Ｖｓが警報値に達した原因が検出対象ガスの濃度上昇なのか、衝撃によるセンサ出力Ｖｓのドリフトなのかを識別することができなかった。そこで、従来では、ユーザが、警報が発生したときの状況によって、ガス漏れなのか故障なのかを判断していた。

上述した従来のガス警報器１によれば、下記の問題点があった。即ち、ガス警報器１に衝撃が加えられてエアベースのセンサ出力Ｖｓがドリフトしても、図８（Ｅ）に示すように警報値に達するまで大きくドリフトしないと、警報が発生しない、という問題があった。よって、例えば、図８（Ｃ）及び（Ｄ）に示すようにセンサ出力が警報値まで達しない小さなドリフトでは警報が発生せずに、正常時に比べてより高い濃度の検出対象ガスに曝されないと警報が発生しない、という問題があった。

詳しく説明すると、通常は、図９中の（Ａ）〜（Ｂ）間の矢印Ｙ１に対応するガス濃度の上昇が発生すると、警報が発生する。これに対して、図８（Ｄ）に示す状態までセンサ出力Ｖｓがドリフトすると、図９中の（Ｄ）〜（Ｂ）間の矢印Ｙ２に対応するガス濃度の大きな上昇が発生しないと、警報が発生しない。即ち、センサ出力Ｖｓがマイナス側にドリフトする程、警報が発生するときの警報濃度が上昇してしまう、という問題があった。

特開２００４−１５７９１４号公報

そこで、本発明は、落下などの衝撃でガスセンサが故障したことを容易に検出することができるガス検出装置及びガス警報器を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、検出対象ガスと接触燃焼するセンサ抵抗を含んだブリッジ回路を有していて、前記ブリッジ回路の中点電位差を前記検出対象ガスのガス濃度に応じたセンサ出力として出力するガスセンサと、前記ブリッジ回路に交流電圧を供給する交流電圧源と、を備えたガス検出装置において、前記交流電圧源から供給される交流電圧と前記センサ出力との位相を比較することによって、前記センサ出力の位相が正常時に対して反転しているか否かを判定する位相判定手段と、前記位相判定手段により反転していると判定されたときに前記ガスセンサの故障を検出する故障検出手段と、を備えたことを特徴とするガス検出装置に存する。

請求項２記載の発明は、検出対象ガスと接触燃焼するセンサ抵抗を含んだブリッジ回路を有していて、前記ブリッジ回路の中点電位差を前記検出対象ガスのガス濃度に応じてセンサ出力として出力するガスセンサと、前記ブリッジ回路に交流電圧を供給する交流電圧源と、前記センサ出力が警報値以上になったときに警報を発生する警報発生手段と、を備えたガス警報器において、前記交流電圧源から供給される交流電圧と前記センサ出力との位相を比較することによって、前記センサ出力の位相が正常時に対して反転しているか否かを判定する位相判定手段と、前記位相判定手段により反転していると判定されたときに前記ガスセンサの故障を検出する故障検出手段と、前記故障検出手段により故障が検出されたときエアベース時の前記センサ出力を検出して、検出したセンサ出力に基準警報値を加算した値を前記警報値として設定し直す警報値設定手段と、を備えたことを特徴とするガス警報器に存する。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、交流電圧とセンサ出力との位相を比較してセンサ出力が反転しているか否かを判定するだけで、簡単に、落下などの衝撃でガスセンサが故障したことを検出することができる。

請求項２記載の発明によれば、交流電圧とセンサ出力との位相を比較してセンサ出力が反転しているか否かを判定するだけで、簡単に、落下などの衝撃でガスセンサが故障したことを検出することができる。しかも、警報値を設定し直すことにより、故障が発生しても警報が発生する警報濃度の上昇を防止することができる。

本発明のガス警報器の一実施の形態を示す回路図である。 図１に示すガス警報器を構成するＣＰＵの警報判定処理における処理手順を示すフローチャートである。 図１に示すガス警報器を構成するＣＰＵの故障検出処理における処理手順を示すフローチャートである。 検出交流電圧Ｖｄ₁とセンサ出力Ｖｓとの関係を示す表である。 他の実施形態における本発明のガス警報器を示す回路図である。 検出交流電圧Ｖｄ₂とセンサ出力Ｖｓとの関係を示す表である。 従来のガス警報器の一例を示す回路図である。 従来の問題点を説明するためのエアベース時のセンサ出力を示すタイムチャートである。 従来の問題点を説明するためのガス濃度とセンサ出力との関係を示すグラフである。

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に示すように、ガス警報器１は、ガスセンサ２と、交流電圧源としての商用交流電源３と、トランス４と、マイクロコンピュータ（μＣＯＭ）７と、警報ブザー６と、を備えている。上記ガスセンサ２は、ブリッジ回路２１と、カップリングコンデンサＣ１と、差動増幅器２２と、増幅器２４と、から構成されている。そして、上記ブリッジ回路２１は、センサ抵抗としてのセンサ素子Ｒｓ、レファ素子Ｒｒ、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２及び可変抵抗ＲＶを有している。

上記センサ素子Ｒｓは、触媒担体２１Ａと、白金ヒータ２１Ｂと、から構成されている。触媒担体２１Ａは、検出対象ガスとの燃焼を促進する触媒（例えばパラジウム（Ｐｄ））を担持した担体（例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃））から成る。白金ヒータ２１Ｂは、温度に応じて抵抗値が変化する測温抵抗体であり、上記触媒担体２１Ａに覆われている。上記レファ素子Ｒｒは、担体２１Ｃと、白金ヒータ２１Ｄと、から構成されている。担体２１Ｃは、検出対象ガスに対して不感となる上記担体のみで構成されている。白金ヒータ２１Ｄは、温度に応じて抵抗値が変化する測温抵抗体であり、上記担体２１Ｃに覆われている。

上記センサ素子Ｒｓの白金ヒータ２１Ｂと、レファ素子Ｒｒの白金ヒータ２１Ｄとは、検出対象ガスのない空気中（エアベース）ではほぼ等しい抵抗値になるように設けられている。上記固定抵抗Ｒ１及びＲ２も互いにほぼ等しい抵抗値になるように設けられている。そして、上記センサ素子Ｒｓ及びレファ素子Ｒｒは、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２及び可変抵抗ＲＶと共にブリッジ接続されている。

上記レファ素子Ｒｒ及び固定抵抗Ｒ１の接続点と、センサ素子Ｒｓ及び固定抵抗Ｒ２の接続点と、の間には、トランス４によって降圧された商用交流電源３からの交流電圧が供給されている。増幅器２４は、レファ素子Ｒｒ及び固定抵抗Ｒ１の接続点電圧を増幅して検出交流電圧Ｖｄ₁として、後述するμＣＯＭ７に供給する。上記可変抵抗ＲＶは、固定抵抗Ｒ１及び固定抵抗Ｒ２の間に接続されている。また、可変抵抗ＲＶとレファ素子Ｒｒ及びセンサ素子Ｒｓの接続点との間に発生する中点電位差Ｖ０は、カップリングコンデンサＣ１を介して差動増幅器２２の入力に接続されている。

上記カップリングコンデンサＣ１の＋側には、差動増幅器２２の＋入力端、−入力端及び抵抗Ｒ４を介してバイアス電圧Ｖｂ（＝２．５Ｖ）が供給されている。バイアス電圧Ｖｂは、５Ｖ電源を抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ５とで分圧することにより生成されている。そして、カップリングコンデンサＣ１は、交流信号の中点電位差Ｖ０をバイアス電圧Ｖｂ分、プラス側にバイアスする。上記差動増幅器２２は、バイアスされた中点電位差Ｖ０を増幅してセンサ出力Ｖｓとして出力する。差動増幅器２２からのセンサ出力Ｖｓは、μＣＯＭ７に供給される。

上記μＣＯＭ７は、ガス警報器１全体の制御を司るコンピュータであり、差動増幅器２２からのセンサ出力Ｖｓの振幅が警報値以上になったときに後述する警報ブザー６を制御して警報を発生する。

上記μＣＯＭ７は、プログラムに従って各種の処理を行う中央処理ユニット（ＣＰＵ）７１と、ＣＰＵ７１が行う処理のプログラムなどを格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ７２と、ＣＰＵ７１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格納エリアなどを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ７３と、アナログのセンサ出力Ｖｓや交流電圧ＶｄをＣＰＵ７１による処理が可能なデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器７４と、を備えている。

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。まず、ガス警報器１の製造工程において、製造者は、ブリッジ回路２１に交流電圧を供給して、そのときのエアベースにおけるセンサ出力Ｖｓの振幅を測定し、設定器などを用いてＲＡＭ７３などに格納する。このようにエアベースのセンサ出力Ｖｓが格納されると、ＣＰＵ７１は、格納されたエアベースのセンサ出力Ｖｓに予め定めた基準警報値を加算した値を警報値として設定する。

上述したガス警報器１を出荷して、家庭内に設置した後に電源を投入すると、ブリッジ回路２１にトランス４で降圧された交流電圧が供給され、これに応じて差動増幅器２２からセンサ出力Ｖｓの交流波形が出力される。また、ＣＰＵ７１は、ガス警報器１の電源投入に応じて定期的に図２に示す警報判定処理を開始する。

まず、ＣＰＵ７１は、Ａ／Ｄ変換器７４を制御して、サンプリング間隔毎に予め定めた回数ｍ、上記差動増幅器２２から出力されるセンサ出力Ｖｓをサンプリングしてデジタル値に変換させる（ステップＳ１）。なお、サンプリング間隔は、商用交流電源３の周期よりも短い時間に設定されている。商用交流電源３の周期は５０Ｈｚの場合０．０２secである。そこで、本実施形態では、サンプリング間隔を０．０２secの１／２００の０．１msecとしている。上記回数ｍは、サンプリング間隔×回数ｍが商用交流電源３の周期よりも長くなるように定められている。即ち、２００回以上に定められている。このようにサンプリング間隔及び回数を定めることにより、センサ出力Ｖｓの１周期分を細かくサンプリングすることができる。

次に、ＣＰＵ７１は、サンプリングしたセンサ出力Ｖｓのピークをセンサ出力Ｖｓの振幅として検出する（ステップＳ２）。次に、ＣＰＵ７１は、ステップＳ２で求めたセンサ出力Ｖｓの振幅が警報値以上になったか否かを判断する（ステップＳ３）。センサ出力Ｖｓの振幅が警報値以上のとき（ステップＳ３でＹ）、ＣＰＵ７１は、警報ブザー６を用いてガス漏れの旨を警報した後（ステップＳ４）、処理を終了する。

さらに、ＣＰＵ７１は、上述した警報判定処理と並列に定期的に図３に示す故障検出処理を行う。まず、ＣＰＵ７１は、Ａ／Ｄ変換器７４を制御して、サンプリング間隔毎に予め定めた回数ｍ、上記センサ出力Ｖｓ及び上記検出交流電圧Ｖｄ₁をサンプリングする（ステップＳ５）。次に、ＣＰＵ７１は、位相判定手段として働き、ステップＳ５でサンプリングしたセンサ出力Ｖｓと検出交流電圧Ｖｄ₁とを比較してセンサ出力Ｖｓの位相が正常時に対して反転しているか否かを判定する位相判定を行う（ステップＳ６）。

以下、上記ステップＳ６の位相判定について図４を参照して詳しく説明する。上述した背景技術で詳しく説明したように、落下などの原因によってブリッジ回路２１のバランスが崩れると、センサ出力Ｖｓは正常時に対して逆位相となる。一方、検出交流電圧Ｖｄ₁は、正常時のセンサ出力Ｖｓと同位相となる。また、検出交流電圧Ｖｄ₁は、常に同じ位相である。よって、センサ出力Ｖｓと検出交流電圧Ｖｄ₁とを比較して、検出交流電圧Ｖｄ₁に対してセンサ出力Ｖｓの位相が反転していれば、センサ出力Ｖｓの位相が正常時に対して反転していると判定することができる。

具体的には、ステップＳ５でサンプリングした検出交流電圧Ｖｄ₁が最も低くなるタイミングで、センサ出力Ｖｓが最も高くなれば、位相が反転していると判断する。これに対して、ステップＳ１でサンプリングした検出交流電圧Ｖｄ₁が最も高くなるタイミングで、センサ出力Ｖｓが最も高くなれば、位相が同相であると判断する。

次に、ＣＰＵ７１は、故障検出手段として働き、ステップＳ２で位相判定を行った結果、反転していると判定すると（ステップＳ７でＹ）、落下などの原因によりブリッジ回路２１のバランスが崩れて故障が発生していると判定して警報ブザー６を鳴らしてその旨を伝える警報を発生する（ステップＳ８）。その後、ＣＰＵ７１は、警報値設定手段として働き、エアベース時のセンサ出力Ｖｓを検出して、その検出したセンサ出力Ｖｓに基準警報値を加算した値を新たな警報値として設定し直した後（ステップＳ９）、処理を終了する。

なお、エアベース時のセンサ出力Ｖｓの検出方法としては、次の方法が考えられる。例えば、ＣＰＵ７１は、センサ出力Ｖｓの振幅を監視して、一定時間以上、センサ出力Ｖｓの振幅が変化していない状態が継続していれば、エアベースであると判定する。エアベースであると判定すると、ＣＰＵ７１はこのときのセンサ出力Ｖｓの振幅を求める。センサ出力Ｖｓは正常時に対して位相が反転しているため、このときのセンサ出力Ｖｓの振幅をＡとすると−Ａをエアベースのセンサ出力Ｖｓとして検出する。よって、基準警報値をＶｒｅｆとすると、ステップＳ５では−Ａ＋Ｖｒｅｆが警報値として再設定される。即ち、故障が検出されると警報値が引き下げられる。よって、ブリッジ回路２１のバランスが崩れてエアベースのセンサ出力Ｖｓがマイナス側にシフトしても、警報値が引き下げられるため、警報濃度を一定にすることができる。

上述したガス警報器１によれば、センサ出力Ｖｓと検出交流電圧Ｖｄ１とを比較してセンサ出力Ｖｓが正常時に対して反転しているか否かを判定するだけで、簡単に、落下などの衝撃でガスセンサ２が故障したことを検出することができる。

また、ブリッジ回路２１のバランスが崩れるとエアベース時のセンサ出力Ｖｓが変動してしまうが、上述したガス警報器１によれば、故障を検出すると警報値を設定し直すことができるので、故障が発生しても警報が発生する警報濃度の上昇を防止することができる。

なお、本実施形態では、図１に示すように、レファ素子Ｒｒ及び固定抵抗Ｒ１の接続点電圧を増幅器２４により検出交流電圧Ｖｄ₁としてμＣＯＭ７に供給しているが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、図５に示すように、センサ素子Ｒｓ及び固定抵抗Ｒ２の接続点電圧を増幅器２４により検出交流電圧Ｖｄ２としてμＣＯＭ７に供給することも考えられる。この場合、図６に示すように、検出交流電圧Ｖｄ₂は、正常時のセンサ出力Ｖｓと逆位相になる。よって、ステップＳ６の位相判定については、センサ出力Ｖｓと検出交流電圧Ｖｄ₂とを比較して、検出交流電圧Ｖｄ₂とセンサ出力Ｖｓとの位相が同位相であれば、センサ出力Ｖｓの位相が正常時に対して反転していると判定することができる。

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。

１ ガス警報器
２ ガスセンサ
３ 商用交流電源（交流電圧源）
２１ ブリッジ回路
７１ ＣＰＵ（位相判定手段、故障検出手段、警報発生手段、警報値設定手段）
Ｒｓ センサ素子（センサ抵抗）
Ｖ０ 中点電位差
Ｖｓ センサ出力

Claims (2)

1. 検出対象ガスと接触燃焼するセンサ抵抗を含んだブリッジ回路を有していて、前記ブリッジ回路の中点電位差を前記検出対象ガスのガス濃度に応じたセンサ出力として出力するガスセンサと、前記ブリッジ回路に交流電圧を供給する交流電圧源と、を備えたガス検出装置において、
   前記交流電圧源から供給される交流電圧と前記センサ出力との位相を比較することによって、前記センサ出力の位相が正常時に対して反転しているか否かを判定する位相判定手段と、
   前記位相判定手段により反転していると判定されたときに前記ガスセンサの故障を検出する故障検出手段と、
   を備えたことを特徴とするガス検出装置。
2. 検出対象ガスと接触燃焼するセンサ抵抗を含んだブリッジ回路を有していて、前記ブリッジ回路の中点電位差を前記検出対象ガスのガス濃度に応じてセンサ出力として出力するガスセンサと、前記ブリッジ回路に交流電圧を供給する交流電圧源と、前記センサ出力が警報値以上になったときに警報を発生する警報発生手段と、を備えたガス警報器において、
   前記交流電圧源から供給される交流電圧と前記センサ出力との位相を比較することによって、前記センサ出力の位相が正常時に対して反転しているか否かを判定する位相判定手段と、
   前記位相判定手段により反転していると判定されたときに前記ガスセンサの故障を検出する故障検出手段と、
   前記故障検出手段により故障が検出されたときエアベース時の前記センサ出力を検出して、検出したセンサ出力に基準警報値を加算した値を前記警報値として設定し直す警報値設定手段と、
   を備えたことを特徴とするガス警報器。

Images