JP6334224B2 - 接触燃焼式ガスセンサおよびその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、可燃性ガスと感応する検出素子および補償素子を有する接触燃焼式ガスセンサに関する。

接触燃焼式ガスセンサは、ヒータと温度計を兼ねる白金線コイルに貴金属触媒を担持させたアルミナを球状に焼結させた構造のセンサで、可燃性ガスの接触燃焼に伴う検出素子の温度変化を検知して可燃性ガスの濃度を検出するガスセンサである。一般的には、同じく触媒のないアルミナのみを焼結させた補償素子と共にブリッジ接続することで、爆発限界（ＬＥＬ）までの可燃性ガスの濃度を、環境温度、湿度の影響が少なく安定して検出することができる。

尚、本発明における従来技術となる上述した接触燃焼式ガスセンサは、一般的な技術であるため、特許文献等の従来技術文献は示さない。

上述した接触燃焼式ガスセンサは、通常、検出素子および補償素子に対して常時電流供給するように構成される。そのため、単一の素子を有するガスセンサよりも使用電力が大きくなり、例えば電池駆動する場合の電池の消耗が激しくなる虞がある。

従って、本発明の目的は、消費電力の低減が可能となる接触燃焼式ガスセンサおよびその駆動方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る接触燃焼式ガスセンサは、可燃性ガスと感応する検出素子および補償素子を有する接触燃焼式ガスセンサであって、その第一特徴構成は、前記検出素子および前記補償素子を間欠的な導通状態とし、前記検出素子に対して複数回の導通を行う間に、前記補償素子に対して１回の導通を行うように制御する制御手段を有する点にある。

本構成によれば、検出素子および補償素子を間欠的な導通状態としたため、検出素子および補償素子に対して常時電流供給するように構成した場合に比べて、補償素子の駆動頻度を減らして補償素子に供給する電力を削減できるため、消費電力の低減が可能となる。

本発明に係る接触燃焼式ガスセンサの第二特徴構成は、前記制御手段は、前記検出素子の出力が変動したときに、前記補償素子の導通を行うように制御する点にある。

本構成によれば、検出素子の抵抗値が変動した場合は可燃性ガスが検知された可能性があり、このときに補償素子の導通を行えば検出素子の温度補償を行うことができるため、より正確に可燃性ガスの検出を行うことができる。

本発明に係る接触燃焼式ガスセンサの第三特徴構成は、前記制御手段は、前記検出素子が可燃性ガスを検知したときに、前記検出素子に対して１回の導通を行う間に、前記補償素子に対して１回の導通を行うように制御する点にある。

本構成によれば、検出素子が可燃性ガスを検知したときに補償素子の導通を行えば、検出素子の温度補償を行うことができるため、警報の精度を高めることができる。

本発明に係る接触燃焼式ガスセンサの駆動方法の特徴手段は、可燃性ガスと感応する検出素子および補償素子を有する接触燃焼式ガスセンサの駆動方法であって、前記検出素子および前記補償素子を間欠的な導通状態とし、前記検出素子に対して複数回の導通を行う間に、前記補償素子に対して１回の導通を行う点にある。

本手段によれば、検出素子および補償素子を間欠的な導通状態としたため、検出素子および補償素子に対して常時電流供給するように構成した場合に比べて、補償素子の駆動頻度を減らして補償素子に供給する電力を削減できるため、消費電力の低減が可能となる駆動方法となる。

本発明の接触燃焼式ガスセンサを示す概略図である。 本発明の接触燃焼式ガスセンサにおける検出素子および補償素子の駆動態様を示す概略図である。 検出素子および補償素子の駆動態様を示す別実施の形態の概略図である。 検出素子および補償素子の駆動態様を示す別実施の形態の概略図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示したように、本発明の接触燃焼式ガスセンサＸは、可燃性ガスと感応する検出素子１０および補償素子２０を備え、検出素子１０を間欠的な導通状態とし、当該検出素子１０に対して複数回の導通を行う間に、補償素子２０に対して１回の導通を行うように制御する制御手段５０を有する。

検出素子１０は、電気抵抗に対する温度係数が高い白金やタングステン等を含む金属線のコイルの表面が、被検出ガスである可燃性ガスに対して活性な白金やパラジウムといった貴金属等からなる触媒を坦持するアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。当該検出素子１０は、可燃性ガス中に置かれたとき、通電により発熱することで自身が備える触媒が加熱されて可燃性ガスと反応し、その反応熱に応じて（可燃性ガスの濃度に応じて）出力値が変化する。

補償素子２０は、検出素子１０と同様に可燃性ガス中に置かれて通電されることで、検出素子の温度補償を行うための素子であり、検出素子１０が有する触媒による燃焼熱に応じた出力値の変化分のみ取り出すために用いられる。
補償素子２０は、例えば検出素子１０と同等のコイルの表面がアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。補償素子２０は触媒を有しないため、触媒反応による可燃性ガスの燃焼が生じないため、被検出ガスに対して不活性とされる。当該補償素子２０は、通電されることにより発熱してその周囲を覆うアルミナ等の坦体を加熱するものであり、熱により自らの抵抗値が変化する。

通常、接触燃焼式ガスセンサＸは、可燃性ガスが検出素子１０の触媒に接触した際に生じる燃焼反応の発熱により高温となった検出素子１０と、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず検出素子１０よりも低温の補償素子２０との間に電気抵抗値の差が生ずることを利用し、雰囲気温度による電気抵抗値の変化分を相殺して可燃性ガスの濃度を検出することができる。

補償素子２０は、周囲温度の変化の影響を相殺するために使用する。すなわち、センサ素子のガスとの反応による温度変化は数１０℃程度と小さく、周囲温度が例えば０℃〜４０℃の範囲で変化すると、ガスとの反応によるセンサ出力変化と周囲温度の変化によるセンサ出力変化が区別できないため、検出素子１０と同程度の抵抗値を有し周囲温度に対して同じような抵抗変化をする補償素子２０を検出素子１０と並列に接続して、検出素子１０の検出電圧に周囲温度の影響が現れないようにしている。

本実施形態では、検出素子１０および補償素子２０は、抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して電源部３０の電流供給端子３０ａに並列接続される。これら検出素子１０、補償素子２０、抵抗Ｒ１，Ｒ２によって検知回路（ブリッジ回路）を形成し、検出素子１０および補償素子２０を独立して動作可能にしている。尚、検出素子１０および補償素子２０の接続態様は、このような態様に限定されるものではなく、例えば検出素子１０および補償素子２０を独立して動作できるように接続されていれば、他の接続態様でもかまわない。

また、接触燃焼式ガスセンサＸは、検出素子１０への電流供給を断続する第１スイッチ４１と、補償素子２０への電流供給を断続する第２スイッチ４２と、を備える。制御手段５０は、これらスイッチ４０（４１，４２）により、検出素子１０および補償素子２０を、各別に、間欠的な導通状態に切り替え駆動することができる。従って、制御手段５０は、これらスイッチ４０に対して、間欠的にオンオフの切り替え制御ができるようなマイコンなどで構成してあれば、どのような態様であってもよい。

さらに、接触燃焼式ガスセンサＸは、第１スイッチ４１を導通状態に切り替えたときの検出素子１０の検出電圧Ｖ１、及び、第２スイッチ４２を導通状態に切り替えたときの補償素子２０の補償電圧Ｖ２に基づいて可燃性ガスの濃度を算出する濃度演算手段６０を備える。濃度演算手段６０は、検出素子１０及び補償素子２０の出力に基づいて算出するマイコンなどで構成してあれば、どのような態様であってもよい。

濃度演算手段６０における検出電圧信号Ｖ１と補償電圧信号Ｖ２の保持は、濃度演算手段６０に所謂サンプルホールド回路を備えて、アナログ信号として保持することが実現できる。また、濃度演算手段６０がマイクロコンピュータを備える場合は、マイクロコンピュータ内のメモリー部に、ＡＤ変換された検出電圧信号Ｖ１と補償電圧信号Ｖ２のデジタルデータを記憶させることで実現できる。

電源部３０には、電池３１と電池出力をバッファーするオペアンプ３２が設けられ、オペアンプ３２の出力端子が電流供給端子３０ａに対応する。具体的には、電池３１として１セル又は２セルが使用され、電源部３０からは０．８Ｖ〜１．３Ｖ程度の電源電圧が検知回路側に供給される。

本発明の接触燃焼式ガスセンサＸは、検出素子１０を間欠的な導通状態とし、当該検出素子１０に対して複数回の導通を行う間に、補償素子２０に対して１回の導通を行うように駆動する。

例えば、可燃性ガスが存在せず、かつ周囲温度の変化が殆ど無い場合、検出素子１０の出力は安定しているため、補償素子２０の駆動は不要となる。このような場合、検出素子１０に対して４回の導通を行う間に、補償素子２０に対して１回の導通を行うように駆動するとよい（図２）。図２では、検出素子１０は１５秒に１回の通電を行い、補償素子２０は６０秒に１回の通電を行う制御を制御手段５０によって行っている。何れの素子も、通電は１秒程度としてある。
尚、補償素子２０を駆動させるタイミングは、検出素子１０の駆動と同時でもよいし、検出素子１０の駆動後に時間差で駆動させてもよい。本実施形態では、検出素子１０の駆動後に時間差で補償素子２０を駆動させている。

上述したように補償素子２０は、周囲温度の変化の影響を相殺するために使用するものであるため、ある程度の頻度で駆動させて検出素子１０および補償素子２０の出力値の差を監視しておく必要がある。そのため、消費電力および検出素子１０の温度補償の関係に鑑み、好ましくは３０秒〜５分程度、さらに好ましくは１〜３分程度の間隔で駆動させるとよい。この場合、検出素子１０の通電周期が１５秒とすれば、検出素子１０に対して２〜２０回、或いは４〜１２回の導通を行う間に、補償素子２０に対して１回の導通を行うように駆動することとなる。本態様で示したそれぞれの素子の駆動間隔は一例に過ぎず、これに限定されるものではない。

本構成では、検出素子１０および補償素子２０に対して常時電流供給するように構成した場合に比べて、補償素子２０の駆動頻度を減らして補償素子２０に供給する電力を削減できるため、消費電力の低減が可能となる。

〔別実施の形態１〕
上述した実施形態では、可燃性ガスが存在せず、かつ周囲温度の変化が殆ど無い場合における検出素子１０および補償素子２０の駆動態様について説明した。当該駆動態様については、検出素子１０の抵抗値（検出電圧Ｖ１の出力値）が変動した場合に、補償素子２０の導通を行うように制御する態様としてもよい。

検出電圧Ｖ１の出力値は、濃度演算手段６０において保持することが可能であるため、保持された出力値のデータと最新の出力値のデータとを比較することで、検出素子１０の抵抗値の変動の有無を判断することができる。濃度演算手段６０において検出素子１０の抵抗値が変動したことを判断した場合、制御手段５０に信号を送り、当該制御手段５０によって補償素子２０を駆動させる。濃度演算手段６０で保持される検出電圧Ｖ１の出力値としては、前回駆動時の出力値や、予め設定する出力値など適宜設定することができる。

即ち、検出素子１０の抵抗値が変動した場合、直ちに補償素子２０を駆動させて検出素子１０および補償素子２０における電位差の有無を確認する（図３）。補償素子２０の駆動は、１回だけ行ってもよいし、検出素子１０の抵抗値の変動が検出されている間は常に駆動させてもよい。この結果、検出素子１０および補償素子２０における電位差が所定値以上であれば、可燃性ガスが検出されたものと判断して警報を発すればよい。
さらに、検出素子１０の抵抗値が変動した全ての場合に補償素子２０を駆動させる構成や、検出素子１０の抵抗値が所定値以上変動した場合に、補償素子２０を駆動させる構成としてもよい。

本構成では、通常は補償素子２０の駆動頻度を減らした態様としておき、さらに検出素子１０の抵抗値が変動した場合に補償素子２０の導通を行うように切り替えて制御することができる。検出素子１０の抵抗値が変動した場合は可燃性ガスが検知された可能性があり、このときに補償素子２０の導通を行えば検出素子１０の温度補償を行うことができるため、より正確に可燃性ガスの検出を行うことができる。

〔別実施の形態２〕
上述した検出素子１０および補償素子２０の駆動態様において、検出素子１０が可燃性ガスを検知したときに、検出素子１０に対して１回の導通を行う間に、補償素子２０に対して１回の導通を行うように制御する態様としてもよい。

検出素子１０が可燃性ガスを検知したことは、検出電圧Ｖ１および補償電圧Ｖ２に基づいて濃度演算手段６０において判断することができる。濃度演算手段６０において検出素子１０が可燃性ガスを検知したことを判断した場合、制御手段５０に信号を送り、当該制御手段５０によって、検出素子１０に対して１回の導通を行う間に、補償素子２０に対して１回の導通を行うように駆動させる。

本構成では、通常は補償素子２０の駆動頻度を減らした態様としておき、検出素子１０が可燃性ガスを検知したときに、検出素子１０に対して１回の導通を行う間に、補償素子２０に対して１回の導通を行うように切り替えて制御することができる。このように検出素子１０が可燃性ガスを検知したときに補償素子２０の導通を行えば、検出素子１０の温度補償を行うことができるため、警報の精度を高めることができる。

尚、検出素子１０が可燃性ガスを検知した場合は、ガス検知の周期を早めるために、通常の通電周期（例えば１５秒）より、周期を早めた態様で検出素子１０および補償素子２０の駆動を行ってもよい。

本発明は、可燃性ガスと感応する検出素子および補償素子を有する接触燃焼式ガスセンサに利用できる。

Ｘ 接触燃焼式ガスセンサ
１０ 検出素子
２０ 補償素子
５０ 制御手段

Claims (4)

1. 可燃性ガスと感応する検出素子および補償素子を有する接触燃焼式ガスセンサにおいて、
   前記検出素子および前記補償素子を間欠的な導通状態とし、
   前記検出素子に対して複数回の導通を行う間に、前記補償素子に対して１回の導通を行うように制御する制御手段を有する接触燃焼式ガスセンサ。
2. 前記制御手段は、前記検出素子の出力が変動したときに、前記補償素子の導通を行うように制御する請求項１に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
3. 前記制御手段は、前記検出素子が可燃性ガスを検知したときに、前記検出素子に対して１回の導通を行う間に、前記補償素子に対して１回の導通を行うように制御する請求項１または２に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
4. 可燃性ガスと感応する検出素子および補償素子を有する接触燃焼式ガスセンサの駆動方法であって、
   前記検出素子および前記補償素子を間欠的な導通状態とし、
   前記検出素子に対して複数回の導通を行う間に、前記補償素子に対して１回の導通を行う接触燃焼式ガスセンサの駆動方法。

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