JP6300203B2 - ガス検知器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば接触燃焼式ガスセンサを備えたガス検知器に関する。

可燃性ガスを検出するために用いられる接触燃焼式ガスセンサは、例えば、白金線コイルの上に酸化触媒がアルミナ担体と共に焼結されて形成されたガス感応部（酸化触媒層）を有するガス検知素子と、可燃性ガスに対して不感応な補償素子とを備えた構成とされている。このような接触燃焼式ガスセンサにおいては、例えば図５に示すように、ガス検知素子７０、補償素子７５および２つの基準抵抗器８１ａ，８１ｂからなるブリッジ回路によって測定用回路８０が構成されている。そして、電源８２によって一定の大きさの電流が供給されてガス検知素子７０におけるガス感応部７１の表面が所定温度に加熱された状態において、可燃性ガスが接触することによる白金線コイル７２の温度変化に起因する抵抗値変化が電圧測定手段８５によって電圧値として検出され、可燃性ガスの濃度が検出された抵抗値変化に基づいて算出される。ここに、補償素子７５は、例えば、アルミナとガラスの混合物が白金線コイルの上に焼結されて、構成されている。図５における８３ａおよび８３ｂは可変抵抗器であり、８４はスイッチ素子である。

而して、例えば、接触燃焼式ガスセンサを備えた携帯型のガス検知器においては、ガス検知器自体の省電力化を図るために、例えば接触燃焼式ガスセンサの省電力化することが検討されている。
接触燃焼式ガスセンサにおける補償素子は、基本的には、ガス検知素子と同一の構造とされていることから、発熱用の電力が必要となる。従って、このような省電力化が図られた接触燃焼式ガスセンサとしては、例えば、補償素子を有さず、ガス検知素子のみを具えた構成のものが提案されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２０１２−１８５１１５号公報

接触燃焼式ガスセンサのゼロ出力値（ゼロ点）は、例えば環境条件によって変化するという特徴を有することから、ガス検知器に記憶された接触燃焼式センサのゼロ出力値、例えば前回測定時に設定されたゼロ出力値のレベルに誤差を生じていることも少なくない。このため、ガス検知器の使用に際しては、接触燃焼式センサについて、ゼロガスによる校正処理例えばＡｉｒ校正処理を行うことにより使用環境に応じたゼロ出力値に調整することが必要とされる。
Ａｉｒ校正処理によるゼロ点調整にあっては、通常、安定した状態にあるセンサ出力値（例えば瞬時の出力電流値）がゼロ出力値として設定されるが、接触燃焼式ガスセンサのセンサ出力値は、通電が開始されてから所定時間の暖機期間が経過した後に安定するため、ゼロ点調整が行われて被検ガス濃度の測定を行うことができる状態が得られるまでに長い時間を要する、という問題がある。特に、補償素子を有さない接触燃焼式ガスセンサにおいては、長時間の暖機時間が必要となるため、例えば、電源投入直後から使用したいという要請を十分に満足することができないのが実情であった。

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、電源投入後、ガス濃度測定を行うことのできる状態を早期に得ることのできるガス検知器を提供することを目的とする。

本発明のガス検知器は、抵抗発熱体によって加熱された状態のガス感応部の表面に被検ガスが接触して当該ガス感応部の温度が上昇することに伴う当該抵抗発熱体の抵抗値変化に基づいて被検ガスの濃度を検出するガスセンサと、当該ガスセンサによって取得されるセンサ出力値に基づいて被検ガスの濃度を算出する機能を有する制御手段とを備えたガス検知器であって、
当該制御手段は、
当該ガス検知器の起動に伴って実行される当該ガスセンサの暖機処理期間中において、当該ガスセンサによって取得されるセンサ出力値が、当該ガスセンサについて設定されたゼロ出力値に対して設定された許容範囲内の大きさであることが検出されたときに、当該センサ出力値が取得された時点から始まる一定の単位時間範囲内におけるセンサ出力値の変化量が当該許容範囲内の大きさである場合に、当該単位時間範囲内において所定時間間隔毎に順次に取得される複数のセンサ出力値の統計量を新たなゼロ出力値として設定するゼロ出力値設定処理
を、前記単位時間の時間間隔毎に繰り返し実行するゼロ出力補正処理を行う機能を有することを特徴とする。

本発明のガス検知器においては、前記ゼロ出力補正処理が、ガス検知器が起動されてから所定時間が経過するまでの時間の間、あるいは、前記ゼロ出力値設定処理によって調整されたセンサ出力値の総出力調整量が所定の大きさを超えるまでの時間の間、行われる構成とされていることが好ましい。

本発明のガス検知器においては、前記制御手段は、ガス検知器の起動に伴って実行されるガスセンサの暖機処理期間中においてゼロガスによる校正処理を行い、その後、前記ゼロ出力補正処理を行う機能を有する構成とされていることが好ましい。

また、本発明のガス検知器においては、前記ガスセンサとして、被検ガスに対して不感応な補償素子を有さない接触燃焼式ガスセンサが用いられた構成とすることができる。

本発明のガス検知器によれば、ガスセンサの暖機期間中において制御手段によって実行されるゼロ出力補正処理によって、特定の条件を満足するセンサ出力値がゼロ出力値として擬制されるので、暖機期間中においても、被検ガスの濃度測定を一応の信頼性をもって実行することができ、電源投入後、ガス濃度測定を行うことのできる状態を早期に得ることができる。

本発明のガス検知器の一例における構成の概略を示すブロック図である。 本発明のガス検知器において用いられる接触燃焼式ガスセンサの一例における回路構成図である。 本発明のガス検知器において実行される、接触燃焼式ガスセンサの起動時のゼロ出力補正処理を説明するための観念図である。 接触燃焼式ガスセンサの暖機期間中における、ゼロガス（Ａｉｒ）についてのセンサ出力値の経時的変化の一例を示す出力特性図である。 従来の接触燃焼式ガスセンサの一例における回路構成図である。

図１は、本発明のガス検知器の一例における構成の概略を示すブロック図である。
このガス検知器は、例えば電池により駆動される携帯型のものであって、ガス検知手段１０と、制御手段２０と、記憶手段３０と、計時手段４０と、表示手段５０と、警報手段６０とを備えている。

ガス検知手段１０は、例えば接触燃焼式ガスセンサにより構成されており、この例においては、被検ガスに対して不感応な補償素子を有さないことにより省電力化が図られた構成の接触燃焼式ガスセンサが用いられている。
接触燃焼式ガスセンサの構成について具体的に説明すると、例えば図２に示すように、接触燃焼式ガスセンサ１１は、ガス検知素子１２と、電流検出用抵抗器１６を備えた測定回路１５とを備えている。この測定回路１５において、電流検出用抵抗器１６は、ガス検知素子１２に対して直列に接続されている。

ガス検知素子１２は、酸化触媒が例えばアルミナ担体と共に焼結されてなるガス感応部（酸化触媒層）１３が、通電により発熱する抵抗発熱体１４の周囲に形成されて構成されている。
抵抗発熱体１４は、例えば白金またはその合金よりなる金属素線がコイル状に巻回されてなるコイル部を有するヒータにより構成されている。

この接触燃焼式ガスセンサ１１においては、電源１８より一定の大きさに制御された電圧が抵抗発熱体１４に印加されることによりガス感応部１３が加熱された状態とされる。そして、被検ガスがガス感応部１３の表面に接触することによってガス感応部１３の表面の温度が上昇し、これに伴って生ずる抵抗発熱体１４の抵抗値の変化量を、電流検出用抵抗器１６に流れる電流値を電流検出手段２５によって測定することにより、検出する。

制御手段２０は、ガス検知器の動作制御を行う動作制御機構と、接触燃焼式ガスセンサ１１のセンサ出力値に基づいて被検ガスの濃度を算出するガス濃度算出機構と、接触燃焼式ガスセンサ１１について設定されたゼロ出力値を補正するゼロ出力補正機構とを備えている。

記憶手段３０には、ガス濃度算出機構によるガス濃度算出処理およびゼロ出力補正機構によるゼロ出力補正処理に係る情報、並びに、警報手段６０による警報動作に係る情報などが記録されている。

ガス濃度算出処理に係る情報としては、例えば、接触燃焼式ガスセンサ１１よりのセンサ出力値とガス濃度値との関係を示す当該接触燃焼式ガスセンサ１１に固有の個別検量線（感度曲線）、接触燃焼式ガスセンサ１１についてのゼロ校正値（ゼロ出力値）およびスパン校正値などの校正データなどを挙げることができる。ここに、個別検量線は、複数種の被検ガスの各々について設定された複数のものが記録されていてもよい。
また、このガス検知器においては、例えば、０〜１００％ＬＥＬの濃度範囲の被検ガスを検出するための高濃度域用測定レンジと、例えば０〜１０％ＬＥＬの濃度範囲の被検ガスを検出するための低濃度域用測定レンジの２つの測定レンジが設定されている。
ゼロ出力補正処理に係る情報としては、例えば、ゼロ出力値設定処理が行われる時間間隔である単位時間に関する設定値、単位時間におけるセンサ出力値の経時的な変化量についての許容範囲に関する設定値、ゼロ出力補正処理が行われる期間についての時間情報または総出力調整量に関する設定値などを挙げることができる。
警報動作に係る情報としては、例えば濃度指示値についての瞬時値の警報点などを挙げることができる。このガス検知器においては、例えば第一警報点が１０％ＬＥＬに設定されている。

表示手段５０は、検出された被検ガスの濃度値を、例えば０．１％ＬＥＬ単位（分解能）で、表示可能とされている。

以下、上記のガス検知器の動作について説明する。
このガス検知器においては、電源が投入されると、接触燃焼式ガスセンサ１１に対する通電が開始されて暖機処理が実行される。この暖機処理期間中においては、通常、接触燃焼式ガスセンサ１１のセンサ出力値は、例えば一旦上昇してから経時的に徐々に減少していき、所定時間が経過した後、所定の値に安定した状態に至る傾向にあり、一方、センサ出力値に応じた濃度指示値は、一旦、マイナス側の値を示した後、経時的に徐々に増大していき、所定時間が経過した後、所定の値に安定した状態となる傾向にある。
而して、上記のガス検知器においては、接触燃焼式ガスセンサ１１の暖機処理期間中において、接触燃焼式ガスセンサ１１について設定されたゼロ出力値を補正するゼロ出力補正処理が行われる。

このガス検知器においては、接触燃焼式ガスセンサ１１の所定時間分のガス検知信号からセンサ出力値（電流値）が所定時間間隔毎例えば１秒間隔毎に取得されるが、センサ出力値が、特定の条件を満足するときに、ゼロ出力値設定処理が行われる。すなわち、ゼロ出力値設定処理においては、例えば、記憶手段３０に記録された当該接触燃焼式ガスセンサ１１についてのゼロ出力値に対して許容範囲内の大きさであることが検出されたとき、当該センサ出力値が取得された時点から始まる一定の単位時間範囲内におけるセンサ出力値の変化量が当該許容範囲内にある場合に、当該単位時間範囲内において所定時間間隔毎に順次に取得される複数のセンサ出力値の統計量を新たなゼロ出力値として設定するゼロ出力値設定処理が行われる。

具体的には例えば、図３に示すように、例えば、接触燃焼式ガスセンサ１１に対する通電が開始されてからｔ₁の時間が経過した時点（以下、「補正処理基準時」ともいう。）において取得されたセンサ出力値Ｉ₁が、記憶手段３０に記録された当該接触燃焼式ガスセンサ１１についてゼロ出力値Ｉ₀に対して許容範囲α内の大きさであることが検出されたとき、当該センサ出力値Ｉ₁が取得された時点ｔ₁から始まる単位時間Ｔの時間範囲内において所定時間間隔毎に順次に取得される複数のセンサ出力値（図３において三角印のプロットで示す。）の統計量例えば算術平均値Ｉ_s1を、新たなゼロ出力値として設定し、当該ゼロ出力値における濃度指示値Ｄ₁を「０．０」％ＬＥＬとして設定する。ここに、単位時間Ｔの時間範囲内において取得される複数のセンサ出力値の統計量をゼロ出力値として設定する理由は、突発的な出力変化による影響を排除するためである。
図３における曲線（Ａ）は、センサ出力電流値の経時的変化を示す特性曲線であり、曲線（Ｂ）は、センサ出力電流値に応じた濃度指示値の経時的変化を示す特性曲線である。

許容範囲αの大きさが大きすぎると、被検ガスの濃度に起因する出力変化をセンサ起動時のゼロ出力値の経時的変化と判別して検知すること（被検ガスを検知すること）が困難となる。一方、許容範囲αの大きさが小さすぎると、ゼロ出力値設定処理が行われた時点の後に取得されるセンサ出力値の経時的な変化量が大きくなって、検出されるガス濃度値の信頼性が低下する。
このような理由から、許容範囲αの大きさは、例えば、５０％ＬＥＬの濃度の被検ガスについてのセンサ出力値が４．０ｍＡとなるよう感度調整がなされた接触燃焼式ガスセンサにおいては、２％ＬＥＬの濃度の被検ガスを判別して検知することのできる大きさである＋０．０５ｍＡに設定することができる。

また、単位時間Ｔの長さが長すぎると、ゼロ出力値設定処理が行われた時点の後に取得されるセンサ出力値の経時的な変化量が大きくなって、検出されるガス濃度値の信頼性が低下する。一方、単位時間Ｔの長さが短すぎると、被検ガスの濃度に起因する出力変化をセンサ起動時のゼロ出力値の経時的変化と判別して検知すること（被検ガスを検知すること）が困難となる。
このような理由から、単位時間Ｔは、例えば５秒間に設定することができる。

さらに、補正処理基準時ｔ₁から単位時間Ｔが経過した時点ｔ₂において取得されるセンサ出力値Ｉ₂が、上記ゼロ出力値設定処理によって設定されたゼロ出力値Ｉ₀（＝Ｉ_s1）に対して許容範囲α内の大きさであることが検出されたときには、上記のゼロ出力値設定処理が繰り返して行われる。すなわち、当該センサ出力値Ｉ₂が取得された時点ｔ₂から始まる一定の単位時間Ｔの時間範囲内におけるセンサ出力値の変化量が当該許容範囲α内にある場合に、当該単位時間Ｔの時間範囲内において所定時間間隔毎に順次に取得される複数のセンサ出力値の統計量（算術平均値）Ｉ_s2を新たなゼロ出力値として設定し、当該ゼロ出力値における濃度指示値Ｄ₂を「０．０」％ＬＥＬとして設定する。

以上のようなゼロ出力補正処理は、例えば、ガス検知器が起動されて接触燃焼式ガスセンサ１１に対する通電が開始されてから所定時間が経過するまでの時間の間、あるいは、実施されたゼロ出力値設定処理によって調整されたセンサ出力値の総出力調整量が所定の大きさを超えるまでの間、継続して行われる。
ゼロ出力補正処理が実施される時間範囲（補正期間）は、接触燃焼式ガスセンサ１１が安定するまでに要する時間より長い時間に設定されており、例えば３００秒間に設定することができる。
また、センサ出力値の総出力調整量に係る閾値（補正範囲）は、例えば接触燃焼式ガスセンサ１１が校正下限（例えば、５０％ＬＥＬの濃度の被検ガスについてのセンサ出力値が１．１ｍＡとなる状態）で感度調整されている場合であっても、警報手段６０について設定された第一警報点（例えば１０％ＬＥＬ）を超えない範囲内で設定されており、閾値は、例えば０．２２ｍＡに設定することができる。

上記のゼロ出力補正処理は、接触燃焼式ガスセンサ１１の暖機期間中においてゼロガス（例えばＡｉｒ）を導入することにより取得されるセンサ出力値について行われても、測定対象空間における雰囲気ガスを導入することにより取得されるセンサ出力値について行われてもよいが、ガス検知器の起動時にゼロガスによる校正処理例えばＡｉｒ校正処理を行い、ゼロガスを導入することにより取得されるセンサ出力値について、ゼロ出力補正処理が行われることが好ましい。

このような場合には、例えば、ゼロガス（空気）が導入されている状態において、接触燃焼式ガスセンサ１１に対する通電が開始されてから所定時間が経過した時点ｔ_aにおいて接触燃焼式ガスセンサによって取得されるセンサ出力値Ｉ_a（図３におけるセンサ出力電流値Ｉ_s1に相当）を、ゼロ出力値として設定し、当該ゼロ出力値における濃度指示値（図３における濃度指示値Ｄ₁に相当）を「０．０」％ＬＥＬとして設定する（Ａｉｒ校正処理）。
その後、センサ出力値Ｉ_aが得られた時点ｔ_aから始まる一定の単位時間Ｔの時間範囲内におけるセンサ出力値の変化量が、設定されたゼロ出力値に対して許容範囲α内にある場合に、当該単位時間Ｔ範囲内において所定時間間隔毎に順次に取得される複数のセンサ出力値の統計量を新たなゼロ出力値として設定するゼロ出力値設定処理が繰り返して行われる。このようなゼロ出力補正処理が暖機期間中（起動時）に行われた場合における、濃度指示値の経時的変化を示す特性曲線の一例を、図４において実線で示す。図４における破線で示す特性曲線は、接触燃焼式ガスセンサ１１に対する通電が開始されてから所定時間が経過した時点ｔ_aにおいてＡｉｒ校正処理が行われた後、ゼロ出力補正処理が行われない場合における、濃度指示値の経時的変化を示しており、Ａｉｒ校正処理が単に暖機期間中に行われたのでは、被検ガスが存在していないにも拘わらず、濃度指示値が経時的に上昇してしまうことが理解される。

而して、上記のガス検知器においては、接触燃焼式ガスセンサ１１の暖機期間中において、上記のゼロ出力補正処理が必要に応じて行われてゼロ出力値が設定されることにより、被検ガスについての濃度測定が可能な状態となる。そして、測定対象空間の雰囲気ガスが導入されることにより取得されるセンサ出力値が、設定されたゼロ出力値に対する許容範囲を超える大きさであることが検出されたときには、雰囲気ガス中に被検ガスに含まれているものと判断され、ゼロ出力補正処理によって設定されたゼロ出力値を基準として、接触燃焼式ガスセンサ１１によって取得されるセンサ出力値に基づいて被検ガスの濃度が算出され、その結果が、表示手段５０に表示される。

而して、上記構成のガス検知器によれば、接触燃焼式ガスセンサ１１の暖機期間中において制御手段２０によって実行されるゼロ出力補正処理によって、特定の条件を満足するセンサ出力値がゼロ出力値として擬制されるので、暖機期間中においても、被検ガスの濃度測定を一応の信頼性をもって実行することができ、電源投入後、ガス濃度測定を行うことのできる状態を早期に得ることができる。
起動時にゼロガスが導入された場合（図４参照。）を例に挙げて具体的に説明すると、補償素子を有さない接触燃焼式ガスセンサにあっては、接触燃焼式ガスセンサ１１に対する通電が開始されてから、センサ出力値が安定した状態（図４における時点ｔ_b）となるまでに、例えば６０ｓｅｃ程度の時間を要し、センサ出力値が安定した後にゼロ点調整が行われてガス濃度測定を行うことのできる状態が得られるところ、本発明によれば、接触燃焼式ガスセンサ１１に対する通電が開始されてから、例えば３０ｓｅｃが経過するまでの時間（図４における時点ｔ_a）の間に、ガス濃度測定を行うことのできる状態を得ることができる。
また、暖機期間中においてゼロ出力補正処理が行われることにより、例えばＡｉｒ校正処理によるゼロ点調整を行わなくても、ガス検知器の使用環境に起因するゼロ出力値のレベルの誤差を補償することができるので、測定結果に十分に高い信頼性を得ることができる。

接触燃焼式ガスセンサ１１の暖機期間中において、ゼロガスによる校正処理を行い、その後、ゼロ出力補正処理が行われることにより、信頼性の高いガス検知を一層確実に行うことができる。

以上のように、補償素子を有さないことにより省電力化が図られた構成の接触燃焼式ガスセンサ１１について、電源投入後、ガス濃度測定を行うことのできる状態を早期に得ることができるので、携帯型のものとして構成されたガス検知器にあっては、駆動用電源である電池の寿命を可及的に長くもたせることができると共に、例えば漏洩ガスの検知に緊急性を要する場合などにおいても、被検ガスの検出を早期に行うことができる。

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。
例えば、本発明のガス検知器において実行されるガスセンサの起動時におけるゼロ出力補正処理は、接触燃焼式ガスセンサだけでなく、例えば、半導体式ガスセンサ、ニューセラミック式ガスセンサ、熱伝導式ガスセンサに適用されてもよい。
また、ゼロ出力補正処理において、ゼロ出力値と擬制される、単位時間範囲内において取得される複数のセンサ出力値の統計量は、算術平均値に限定されるものではない。

１０ ガス検知手段
１１ 接触燃焼式ガスセンサ
１２ ガス検知素子
１３ ガス感応部
１４ 抵抗発熱体
１５ 測定回路
１６ 電流検出用抵抗器
１８ 電源
２０ 制御手段
２５ 電流検出手段
３０ 記憶手段
４０ 計時手段
５０ 表示手段
６０ 警報手段
７０ ガス検知素子
７１ ガス感応部
７２ 白金線コイル
７５ 補償素子
８０ 測定用回路
８１ａ，８１ｂ 基準抵抗器
８２ 電源
８３ａ，８３ｂ 可変抵抗器
８４ スイッチ素子
８５ 電圧測定手段

Claims (4)

1. 抵抗発熱体によって加熱された状態のガス感応部の表面に被検ガスが接触して当該ガス感応部の温度が上昇することに伴う当該抵抗発熱体の抵抗値変化に基づいて被検ガスの濃度を検出するガスセンサと、当該ガスセンサによって取得されるセンサ出力値に基づいて被検ガスの濃度を算出する機能を有する制御手段とを備えたガス検知器であって、
   当該制御手段は、
   当該ガス検知器の起動に伴って実行される当該ガスセンサの暖機処理期間中において、当該ガスセンサによって取得されるセンサ出力値が、当該ガスセンサについて設定されたゼロ出力値に対して設定された許容範囲内の大きさであることが検出されたときに、当該センサ出力値が取得された時点から始まる一定の単位時間範囲内におけるセンサ出力値の変化量が当該許容範囲内の大きさである場合に、当該単位時間範囲内において所定時間間隔毎に順次に取得される複数のセンサ出力値の統計量を新たなゼロ出力値として設定するゼロ出力値設定処理
   を、前記単位時間の時間間隔毎に繰り返し実行するゼロ出力補正処理を行う機能を有することを特徴とするガス検知器。
2. 前記ゼロ出力補正処理が、ガス検知器が起動されてから所定時間が経過するまでの時間の間、あるいは、前記ゼロ出力値設定処理によって調整されたセンサ出力値の総出力調整量が所定の大きさを超えるまでの時間の間、行われることを特徴とする請求項１に記載のガス検知器。
3. 前記制御手段は、ガス検知器の起動に伴って実行されるガスセンサの暖機処理期間中においてゼロガスによる校正処理を行い、その後、前記ゼロ出力補正処理を行う機能を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス検知器。
4. 前記ガスセンサが、被検ガスに対して不感応な補償素子を有さない接触燃焼式ガスセンサであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガス検知器。

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