JP5755898B2 - ガス警報器、ガス警報器におけるガスセンサのヒータ温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス警報器におけるヒータ温度制御技術に関する。

ガス警報器においては、都市ガスやＬＰガスなどの検知対象ガスを検知するためにガスセンサが用いられている。ガスセンサは、ガスを検知するために、ヒータ抵抗に電圧を印加してヒータ温度をたとえば４００℃など所定温度に加熱して使用される。そして、検知ガスとの反応により変化するセンサ抵抗の変化を測定することにより、ガス検知を行っている。

ヒータの上昇温度は、ヒータ部に注入する電力量（電圧×電流）によって制御することができる。よって、ガス警報器の周囲の環境温度に対応して、ガスセンサ部のヒータの温度が変化してしまう。ヒータ温度が所定の値よりも低い場合は、検知ガスに対するセンサの感度が不十分だったり、検知ガス以外のガスに対して高感度化したりする。ヒータ温度が所定の値よりも高い場合は、ガスに対する感度変化の他にセンサ自体を故障させてしまう恐れもある。このため、ヒータ温度が一定になるように、ヒータに印加するヒータ電力を制御する必要がある。

従来のヒータ温度の制御技術としては、周囲温度検出部を設けて、この検出部が検出する周囲温度にしたがってガスセンサのヒータ抵抗に印加するヒータ電圧を補正計算し、ヒータ電圧を制御することにより、ヒータ温度を制御していた。

なお、ヒータ温度の制御方法としては、たとえば数十秒毎のセンサ駆動周期でヒータ系回路をパルス的に駆動するときのセンサ駆動時間幅を制御することによりヒータ温度を制御する従来技術が知られている（特許文献１）。

そのほか、季節変動による温度特性等に応じて、ガスセンサのセンサ抵抗の検出電圧によるガスもれ警報の判定レベルを補正する従来技術も知られている（特許文献２）。

特開１９９９−２４８６５９号公報 特開平１１−２８３１４７号公報

しかし、従来の制御技術では、下記の課題より、ガスセンサ部のヒータ温度を正確に一定にするような制御を行うことができなかった。このため、ガスもれの検出精度に限界があるという問題点を有していた。
１）ヒータ温度をセンサ本体に積層された温度センサより測定することは、センサ構造や回路構造を複雑にし、技術的及び価格的にも実現が困難であった。
２）センサ駆動時間幅を制御してヒータ温度を制御することは、目的とする温度制御に対し、十分な制御が出来なかった。また、電池駆動にとって電力の使用効率が悪い問題があった。

そこで、本発明の課題は、ヒータに注入する電力量を測定して、ヒータに印加する電圧を算出し、ヒータ電圧を制御することで、ヒータ温度を一定に保つ制御を実現することによりガスもれの検出精度を向上させることにある。

態様の一例では、ヒータ温度を一定に保つ必要があるガスセンサを備えるガス警報器として実現され、以下の構成を有する。
ヒータ電圧印加部は、ガスセンサのセンサ駆動時間毎に、ガスセンサ内のヒータ抵抗にヒータ電圧を印加する。

周囲温度検出部は、周囲温度を検出する。
ヒータ電力量補正部は、周囲温度のデータ値に基づいて、ガスセンサのセンサ駆動時間毎にヒータ抵抗に与えるヒータ電力量を補正する。

ヒータ抵抗値算出部は、ガスセンサのセンサ駆動時間毎に、ヒータ抵抗両端の電圧値と、ヒータ抵抗に接続されたシャント抵抗両端の電圧値から算出された電流値とに基づいて、ヒータ抵抗値を算出する。
ヒータ電圧算出部は、算出された前記ヒータ抵抗値と前記補正したヒータ電力量とに基づいて、次回のセンサ駆動時間にヒータ抵抗に印加するヒータ電圧を算出する。

ガスセンサのセンサ駆動時間毎に、算出された前記ヒータ電圧を次回のセンサ駆動時間にヒータ電圧印加部よりヒータ抵抗に印加することにより、ヒータ温度を一定に保つ制御が実現でき、ガスもれの検出精度を向上させることができる。

ガス警報器の周囲温度に応じて、ガスセンサ内のヒータ温度を一定に保つ制御が実現される。この結果、ガスもれの検出精度を向上させることが可能となる。
また、ヒータへの過剰な電力供給によるセンサの故障や経時的な感度の変化を防止することができ、ガス警報器の信頼性が向上する。

本発明によるガス警報器の実施形態の構成図である。 実施形態におけるセンサ駆動のタイムチャートである。 実施形態によるセンサ駆動処理を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明によるガス警報器の実施形態の構成図である。
ガスセンサ１０１は、ガスを検出するためのセンサ抵抗１０２と、センサを加熱するためのヒータ抵抗１０３を備える。

電池部１０５は３ボルトの電源を供給する。昇圧回路部１０６は、電池部１０５からの３ボルトの電圧を３．３ボルトに昇圧し、昇圧電圧をガスセンサ１０１内のセンサ抵抗１０２と、負荷抵抗１０７と、ＳＷ２ １０８とからなるセンサ系回路に供給する。また、昇圧電圧を、ＳＷ１ １０９と、定電圧回路部１１０と、ヒータ抵抗１０３と、シャント抵抗１１１とからなるヒータ系回路に供給する。さらに、昇圧電圧を、制御回路部１０４の電源端子ＶＤＤに供給する。

制御回路部１０４は、ガス警報器全体の動作を制御するマイコンである。制御回路部１０４は、出力端子ＯＵＴ１およびＯＵＴ３を介してトランジスタスイッチであるＳＷ１ １０９およびＳＷ２ １０８をオンする。この結果、ガスセンサ１０１内のセンサ抵抗１０２と、負荷抵抗１０７と、ＳＷ２ １０８とからなるセンサ系回路と、ＳＷ１ １０９と、定電圧回路部１１０と、ヒータ抵抗１０３と、シャント抵抗１１１とからなるヒータ系回路を動作させる。また、制御回路部１０４は、ＡＤ（アナログ−ディジタル）変換入力端子ＡＤ３を介して、ガスセンサ１０１のセンサ出力電圧を検出することにより、ガスもれ検出を行う。制御回路部１０４は、ＡＤ変換入力端子ＡＤ１，ＡＤ２からの制御出力に基づいてヒータ抵抗１０３の抵抗値を算出する。一方、制御回路部１０４は、周囲温度検出部１１７からＡＤ変換入力端子ＡＤ４を介して入力される周囲温度データ値に基づいて、ヒータ抵抗１０３に与えるヒータ電力量を補正する。このとき、周囲温度が高い場合にはヒータ電力量が少なくなるように補正され、周囲温度が低い場合にはヒータ電力量が多くなるように補正される。そして、制御回路部１０４は、補正したヒータ電力量と、算出したヒータ抵抗１０３の抵抗値とに基づいてヒータ電圧値を算出する。制御回路部１０４は、算出したヒータ電圧値を、後述する次のセンサ駆動時間に、出力端子ＯＵＴ２を介して定電圧回路部１１０に供給する。ＯＵＴ２は、ＤＡ（ディジタル−アナログ）出力やＰＷＭ（パルス幅変調）出力であり所定の電圧を定電圧回路部１１０に供給する。この結果、ガスセンサ１０１内のセンサ抵抗１０２のヒータ温度が一定になるように制御される。

警報部１１２は、警報音出力部１１３、警報表示部１１４、外部警報出力部１１５を備える。警報音出力部１１３は、警報音等の音を発する部分であり、例えばブザーやスピーカなどで構成される。警報音出力部１１３は、制御回路部１０４からの制御に基づいて、電子音や音声メッセージでガスもれ状態を知らせたりする。警報表示部１１４は、ＬＥＤ（発光ダイオード）で構成されており、監視時には、ＬＥＤを点灯、警報時にはＬＥＤを点滅等、警報器の状態をＬＥＤで知らせる。外部警報出力部１１５は、ガスメータや集中監視盤などの外部機器へ警報信号の出力を行う。

上述の構成において、制御回路部１０４と定電圧回路部１１０とかなる部分がヒータ電圧印加部を構成し、周囲温度検出部１１７からの周囲温度データに基づいて動作する制御回路部１０４がヒータ電力量補正部を構成し、シャント抵抗１１１と制御回路部１０４によるヒータ抵抗１０３両端の電圧値検出部とからなる部分がヒータ抵抗値算出部を構成し、制御回路部１０４がさらにヒータ電圧算出部を構成する。

図２は、実施形態によるセンサ駆動のタイムチャートである。
本実施形態では、Ｔ１＝２０〜６０秒のセンサ駆動周期で、Ｔ２＝１００ｍｓ（ミリ秒）程度のセンサ駆動時間ずつ、ガスセンサ１０１を駆動する。具体的には、特には図示しないタイマによる制御に基づいてセンサ駆動周期Ｔ１でセンサ駆動時間Ｔ２ずつの割込みが発生する毎に、図１の制御回路部１０４が、以下の動作を実行する。すなわち、制御回路部１０４は、まず、ＳＷ１ １０９をオンすることにより、ＳＷ１ １０９と、定電圧回路部１１０と、ガスセンサ１０１内のヒータ抵抗１０３と、シャント抵抗１１１とからなるヒータ系回路を動作させる。このとき、定電圧回路部１１０には、前回のセンサ駆動時間終了時に算出されたヒータ電圧値が印加される。これにより、センサ駆動時間Ｔ２内にガスセンサ１０１が加熱される。続いて、制御回路部１０４は、ＳＷ２ １０８をオンすることにより、ガスセンサ１０１内のセンサ抵抗１０２と、負荷抵抗１０７と、ＳＷ２ １０８とからなるセンサ系回路を動作させる。これにより、センサ駆動時間Ｔ２内に、制御回路部１０４が、ガスもれ検知動作を実行する。

さらに、本実施形態では、各センサ駆動時間の終了時に、制御回路部１０４が、以下に説明するヒータ電圧を自動設定する処理に基づいて、次回のセンサ駆動時間にて定電圧回路部１１０に印加すべきヒータ電圧値を算出する。

図３は、実施形態による制御回路部１０４のセンサ駆動処理を示すフローチャートである。このフローチャートは、図１の制御回路部１０４のマイコンにより繰り返し実行される。

まず、特には図示しないタイマによる制御に基づいてセンサ駆動周期Ｔ１でセンサ駆動時間Ｔ２ずつのセンサ駆動の開始割込みが発生したか否かが判定される（図３のＳ１）。
センサ駆動の開始割込みが発生しておらずＳ１の判定がＮｏならば、さらに、特には図示しないタイマによる制御に基づいてセンサ駆動時間Ｔ２のセンサ駆動の終了割込みが発生したか否かが判定される（図３のＳ４）。

センサ駆動の終了割込みが発生しておらずＳ４の判定がＮｏならば、今回のセンサ駆動処理を終了する。
センサ駆動周期Ｔ１でセンサ駆動時間Ｔ２ずつのセンサ駆動の開始割込みが発生し図３のＳ１の判定がＹｅｓとなると、制御回路部１０４は、まず、出力端子ＯＵＴ１よりＳＷ１ １０９をオンすることにより、ＳＷ１ １０９と、定電圧回路部１１０と、ガスセンサ１０１内のヒータ抵抗１０３と、シャント抵抗１１１とからなるヒータ系回路を動作させる（図３のＳ２）。このとき、制御回路部１０４は、出力端子ＯＵＴ２より定電圧回路部１１０に、前回のセンサ駆動時間終了時に算出したヒータ電圧値を印加する。これにより、センサ駆動時間Ｔ２内にガスセンサ１０１が加熱される。

続いて、制御回路部１０４は、出力端子ＯＵＴ３よりＳＷ２ １０８をオンすることにより、ガスセンサ１０１内のセンサ抵抗１０２と、負荷抵抗１０７と、ＳＷ２ １０８とからなるセンサ系回路を動作させる（図３のＳ３）。この結果、昇圧回路部１０６からセンサ抵抗１０２に昇圧電圧が印加される。

上記センサ駆動時間Ｔ２の開始後、センサ駆動時間Ｔ２のセンサ駆動の終了割込みが発生し図３のＳ４の判定がＹｅｓとなると、制御回路部１０４は、ＡＤ変換入力端子ＡＤ３を介して、ガスセンサ１０１のセンサ出力電圧を読み込む（図３のＳ５）。

続いて、制御回路部１０４は、Ｓ５で読み込んだセンサ出力電圧を所定の判定値と比較し、センサ出力電圧が所定の判定値以上である場合に、ガスもれが発生したと判定する（図３のＳ６）。この結果、制御回路部１０４は、警報部１１２へのガスもれ警報出力を行う。

次に、制御回路部１０４は、周囲温度検出部１１７からＡＤ変換入力端子ＡＤ４を介して周囲温度データ値を読み込む（図３のＳ７）。続いて、制御回路部１０４は、Ｓ７で読み込んだ周囲温度データ値より、ガスセンサ１０１内のヒータ抵抗１０３に供給するヒータ電力量（目標電力値）を補正する（図３のＳ８）。具体的には、周囲温度データ値が高い場合にはヒータ電力量が少なくなるように補正され、周囲温度データ値が低い場合にはヒータ電力量が多くなるように補正される。

一方、制御回路部１０４は、ガスセンサ１０１のヒータ抵抗１０３の両端から検出されるヒータ電圧値を読み込む。具体的には、ＡＤ変換入力端子ＡＤ１に入力される値からＡＤ変換入力端子ＡＤ２に入力される値を減算して得られる値が、算出されたヒータ電圧値とされる（図３のＳ９）。次に、制御回路部１０４は、シャント抵抗１１１の電圧値を、ＡＤ変換入力端子ＡＤ２から読み込み、その電圧値を換算して電流値を算出する（図３のＳ１０）。なお、実際には、シャント抵抗１１１の両端の電圧がオペアンプで増幅されて測定される。また、シャント抵抗による電流検知は、たとえば電流を検知してガスセンサ１０１内のヒータ抵抗１０３の異常を検知し、故障警報を発報するような目的でも使用される。そして、制御回路部１０４は、Ｓ９で算出したヒータ電圧値とＳ１０で算出したヒータ電流値とから、ガスセンサ１０１内のヒータ抵抗１０３の抵抗値を算出する（図３のＳ１１）。

最後に、制御回路部１０４は、図３のＳ８で補正したヒータ電力量（目標電力値）と、図３のＳ１１で算出したヒータ抵抗１０３の抵抗値とに基づいて次回のセンサ駆動時のヒータ電圧値を算出する（図３のＳ１２）。制御回路部１０４は、算出したヒータ電圧値を、次回のセンサ駆動時間Ｔ２（図２参照）の開始時に、図３のＳ２によって、出力端子ＯＵＴ２を介して定電圧回路部１１０に供給する。この結果、ガスセンサ１０１内のセンサ抵抗１０２のヒータ温度が一定になるように制御される。

以上のようにして、本実施形態では、ガス警報器の周囲温度に応じて、ガスセンサ１０１内のヒータ温度を一定に保つ制御が実現される。この結果、ガスもれの検出精度を向上させることが可能となる。

１０１ ガスセンサ
１０２ センサ抵抗
１０３ ヒータ抵抗
１０４ 制御回路部
１０５ 電池部
１０６ 昇圧回路部
１０７ 負荷抵抗
１０８ ＳＷ２
１０９ ＳＷ１
１１０ 定電圧回路部
１１１ シャント抵抗
１１２ 警報部
１１３ 警報音出力部
１１４ 警報表示部
１１５ 外部警報出力部
１１６ 調整信号入力部
１１７ 周囲温度検出部
１１８ 調整信号設定器

Claims (3)

1. ヒータ温度を一定に保つ必要があるガスセンサを備えるガス警報器において、
   前記ガスセンサのセンサ駆動時間毎に、前記ガスセンサ内のヒータ抵抗にヒータ電圧を印加するヒータ電圧印加部と、
   周囲温度を検出する周囲温度検出部と、
   前記周囲温度のデータ値に基づいて、前記ガスセンサのセンサ駆動時間毎に前記ヒータ抵抗に与えるヒータ電力量を補正するヒータ電力量補正部と、
   前記ガスセンサのセンサ駆動時間毎に、前記ヒータ抵抗両端の電圧値と、前記ヒータ抵抗に接続されたシャント抵抗両端の電圧値から算出された電流値とに基づいて、ヒータ抵抗値を算出するヒータ抵抗値算出部と、
   算出された前記ヒータ抵抗値と前記補正したヒータ電力量とに基づいて、次回のセンサ駆動時間に前記ヒータ抵抗に印加するヒータ電圧を算出するヒータ電圧算出部と、
   を備えることを特徴とするガス警報器。
2. 前記ヒータ電圧印加部は、前記ヒータ電圧算出部によって算出されたヒータ電圧が印加される定電圧回路部を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のガス警報器。
3. ヒータ温度を一定に保つ必要があるガスセンサを備えるガス警報器におけるガスセンサのヒータ温度制御方法であって、
   前記ガスセンサのセンサ駆動時間毎に、前記ガスセンサ内のヒータ抵抗にヒータ電圧を印加し、
   周囲温度を検出し、
   前記周囲温度のデータ値に基づいて、前記ガスセンサのセンサ駆動時間毎に前記ヒータ抵抗に与えるヒータ電力量を補正し、
   前記ガスセンサのセンサ駆動時間毎に、前記ヒータ抵抗両端の電圧値と、前記ヒータ抵抗に接続されたシャント抵抗両端の電圧値から算出された電流値とに基づいて、ヒータ抵抗値を算出し、
   算出された前記ヒータ抵抗値と前記補正したヒータ電力量とに基づいて、次回のセンサ駆動時間に前記ヒータ抵抗に印加するヒータ電圧を算出する、
   ことを特徴とするガス警報器におけるガスセンサのヒータ温度制御方法。