JP6533953B2 - ガス濃度測定装置及びガス濃度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、戸内環境における一酸化炭素濃度などのガス濃度を計測するガス濃度測定装置及びガス濃度の測定方法に関するものである。

特許文献１では、ＣＯセンサでＣＯ濃度を検出し、検出濃度が予め設定された警報濃度に到達すると警報を発生させる警報機を開示している。この文献では、ＣＯセンサの周囲温度とＣＯセンサ内の電解質溶液に含まれる水の蒸散量とに注目し、ＣＯセンサを所定温度が外れる周囲温度の環境下で所定時間以上使用した場合、および、蒸散量の総和が所定閾値に到達した場合に、使用温度が不適切である旨をユーザーに報知する構成となっている。

特開２０１１−０４３３７０号公報

特許文献１に記載の警報器は、ＣＯセンサに設定された通常の使用温度よりも、実際の使用場所での環境温度が外れている場合、ＣＯセンサから出力されるＣＯ濃度が、実際のＣＯ濃度よりも外れる可能性がある。
本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＣＯセンサが、ＣＯセンサに設定された通常の使用温度から外れた環境温度で使用される場合でも、正確なガス濃度測定が得られ、この正確なガス濃度値に対して異常判断を行うことが可能となるガス濃度測定装置及びガス濃度測定システムを提供することである。

周囲環境に存在する特定のガスの濃度を検出するガス濃度測定装置である。ガス濃度測定装置は、電解質溶液を有する電気化学式のガスセンサと、周囲環境の温度を計測する温度計と、周囲環境の湿度を計測する湿度計と、メモリと、補正回路と、を備える。前記ガスセンサは、周囲環境に存在するガスとの化学反応によりガス濃度に比例する電流値を出力するように構成される。前記メモリは、連続する期間に亘って、周囲環境の温度及び湿度を計測して温度測定値と湿度測定値を蓄積する温湿度測定データテーブルを備える。前記補正回路は、過去の特定期間における温度測定値と湿度測定値からこの特定期間での平均温度値と平均湿度値に基づいて、現在の周囲環境におけるガスセンサの電解質溶液に含まれる水分の蒸散量を推定する。そして、この推定蒸散量から現在の電解質溶液の濃度を算出し、この濃度に応じた補正値で、ガスセンサから出力される電流に対応するガス濃度を補正して、これを現在の周囲環境におけるガス濃度として出力するように構成する。

本発明は、ガス検出センサが、広い温度範囲にわたって正確なガス濃度測定が得られ、この正確なガス濃度値に対して異常判断を行うことが可能となる。

本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置を示すブロック図。 同上のガス濃度測定装置におけるガス濃度補正の原理を示すグラフ図。 同上のガス濃度測定装置の動作を示すフロー図。

（第１の実施形態）
本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置は、室内での周囲環境に出現する一酸化炭素などのガス濃度を測定するために使用され、図１に示すように、電気化学式のガスセンサ１０に加え、周囲環境での温度と湿度を計測する温度計２０及び湿度計３０と、ガスセンサ１０から出力される電流値を温湿度に基づいて補正する補正回路５０を備える。
ガスセンサ１０は、電解質水溶液を蓄える容器１２を備える。容器１２の一端開口は、対象ガスであるＣＯガスを透過させる透過膜１３で塞がれ、他端開口は空気中の酸素を透過させる透過膜１５で塞がれる。このガスセンサ１０は、透過膜１３の内側に配した金属触媒を含む検知電極１４と透過膜１５内側の基準電極１６との間に一定の電圧を印加する定電圧源１８を有し、検知電極１４とこれに対向配置した金属触媒を含む対向電極１７との間に流れる電流がガス濃度に比例するものとして出力される。検知電極１４はガスを透過させる材料で形成され、検知電極１４を通して取り込むＣＯガスが電解質水溶液中の水と化学反応することで電子が放出され、この電子が対向電極１７で電解質水溶液に取り込まれる酸素と反応することで、検知電極と対向電極との間に電流が発生する。このため、ガスセンサが出力する電流値は周囲環境でのガス濃度に比例する。すなわち、検知電極１４側では、ＣＯ + Ｈ_２Ｏ → ＣＯ２ ＋２Ｈ_２＋２ｅ^―の反応が起こり、対向電極１７側では、外部から酸素を取り込んで、（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ^― → Ｈ_２Ｏの化学反応を起こして、電流が検知電極１４と対向電極１７との間に流れ、この電流の値がガス濃度に比例する。
電解質水溶液としては希硫酸が使用されており、周囲環境の温度と湿度に応じて、水溶液中の水分が蒸散することがある。このため、電解質センサは、周囲環境の温度と湿度の変動に起因して電解質水溶液の水分量が変動することで、電流値にも変動が生じることがあり、電流値から直接ガス濃度を算出する場合、誤差が避けられない。本発明のガス濃度測定装置では、補正回路５０を採用し、このような周囲環境の変化に起因する誤差を考慮して、より正確なガス濃度の測定を行う。
補正回路５０は、温度計２０と湿度計３０から温湿度測定データテーブル６２に渡された温度測定値と湿度測定値に基づいて、ガスセンサ１０から出力される電流値を補正するように構成される。
ガス濃度測定装置はＣＰＵを備えており、ＣＰＵでの実行されるプログラムでの指令に基づいて、温度計２０の温度測定値、湿度計３０の湿度測定値が、継続的に、例えば、１０分毎に温湿度測定データテーブル６２に保持される。この温湿度測定データテーブル６２は、メモリ６０内に形成される。メモリ６０には、この他、電解質溶液濃度テーブル６４、ガス濃度補正テーブル６６、及びデータ記録テーブル６５が構築されている。
電解質溶液濃度テーブル６４は、ガスセンサの電解質溶液に含まれる水分の蒸散量と、電解質溶液の濃度との関係を規定するデータを記憶している。ガス濃度補正テーブル６６は、図２に示すように、標準の電解質溶液濃度Ｃｓにおける電流値Ｉと対象ガスの濃度Ｄとの関係を規定するガス濃度判定基準Ｒｓと、標準の電解質溶液濃度からずれた電解質濃度Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３・・Ｃｎにおける電流値に対応するガス濃度を、標準の電解質溶液濃度におけるガス濃度に対応させる補正値を示すデータを保持している。
補正回路５０は、ＣＰＵで実行されるプログラムによって実現され、図１に示すように平均値算出モジュール５２、蒸散量算出モジュール５３、溶解液濃度算出モジュール５４、ガス濃度補正モジュール５６を備える。
平均値算出モジュール５２は、温湿度測定データテーブル６２から温度測定値及び湿度測定値を読み出し、特定の時間範囲、例えば、１日当りの温度平均値、湿度平均値を求め、平均温度、平均湿度をその日付に関連づけてデータ記録テーブル６５に蓄積させる。
実際のガス濃度の決定を行うため、補正回路５０は、図３に示すフローに基づいて動作する。先ず、蒸散量算出モジュール５３は、データ記録テーブル６５から、前日の温度平均値と湿度平均値を読み出して（Ｓ１，Ｓ２）、これらの温度平均値及び湿度平均値によっ
て一義的に決まる飽和水蒸気量とその時点での水蒸気量から、電解質溶液における水分の蒸散量を推定する（Ｓ３）。すなわち、蒸散量算出モジュール５３は、既知の式を実行して、温度と湿度から飽和水蒸気量と水蒸気量とを計算し、蒸散量が飽和水蒸気量から水蒸気量を減じた値として求められる。この値は溶解液濃度算出モジュール５４に渡され、ここで、電解質溶液濃度テーブル６４を参照して、推定された蒸散量に対応する電解質溶液濃度を求める（Ｓ４）。
溶解液濃度算出モジュール５４は、ここで求められた電解質溶液濃度をデータ記録テーブル６５に渡し、後述する寿命判定部９０でのデータ分析のために電解質溶液を温度および湿度、測定時刻と関連付けてデータ記録テーブル６５に記憶する。
ガス濃度補正モジュール５６は、メモリ６０内のガス濃度補正テーブル６６を参照して、求められた電解質溶液濃度が標準の電解質濃度とどれくらいずれているかを求め（Ｓ５）、ずれに応じた補正値を取得し（Ｓ６）、この補正値をガスセンサ１０から出力される電流値に適用することで（Ｓ７）、溶解液濃度に応じた正確なガス濃度を算出してこれを出力する（Ｓ８）。すなわち、ガス濃度補正テーブル６６は、図２に示すように、標準の電解質濃度Ｃｓでの電流値とガス濃度との関係Ｒｓを示すデータに基づいて、標準電解質濃度Ｃｓに対する溶解液濃度のずれを濃度比Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３．．．Ｃｎで表した場合について、濃度比における電流とガス濃度の関係を、標準電解質濃度における電流値とガス濃度に換算する補正値を保持している。このため、ガス濃度補正モジュール５６は、溶解液濃度算出モジュール５４からの溶解液濃度に対応する補正値をガス濃度補正テーブル６６から読み出し、この補正値をガスセンサ１０からの電流値に適用することで、実際のガス濃度を算出する。補正値の一例としては、図２に示すような各濃度比において、電流値に対応して求められる仮のガス濃度に加減算される濃度であってもよく、このような仮のガス濃度に乗算される係数であってもよい。ガス濃度補正モジュール５６は、ここに算出した実際のガス濃度をデータ記録テーブル６５に渡し、後述するデータ分析のために、ガス濃度を温度および湿度の測定時刻を関連付けて、データ記録テーブル６５に記憶する。
本実施形態におけるガス濃度測定装置は、補正回路５０に加えて、警告部８０、寿命判定部９０、及び通信部７０を備える。
警告部８０は、対象ガスについて許容される濃度を示す基準値を有しており、ガス濃度補正モジュール５６から出力されるガス濃度が基準値を逸脱した時に、警報を発生させるように構成されている。
寿命判定部９０は、故障判断回路９２と、故障までの寿命を予測する寿命推定回路９４を備える。故障判断回路９２には、標準電解質濃度に対する現実の溶解液濃度のずれ幅に関して許容された範囲を規定する許容動作範囲が設定されており、データ記録テーブル６５から読み出した現在の溶解液濃度と標準電解質濃度Ｃｓとのずれを求め、このずれが許容動作範囲を超えた時には、ガス濃度測定装置が故障であると判断して、警告を出力するように構成されている。
寿命推定回路９４には、上の許容動作範囲よりも狭い安定動作範囲が設定されている。データ記録テーブル６５から読み出す溶解液濃度と標準電解質濃度Ｃｓとのずれが、許容動作範囲内であるが、安定動作範囲を逸脱した回数や継続して逸脱している期間をパラメータとして、溶解液濃度が許容動作範囲を超えるまでの時間を推測する。推測された時間が所定の基準値よりも小さい時に、ガスセンサの寿命が迫っていると判定し、寿命が近い旨の警告を出力するように構成される。
寿命判定部は、上の構成の代わりに、下記の変更態様に示す構成とすることも可能である。
（変更態様１）
寿命判定部９０は、データ記録テーブル６５から平均温度と平均湿度の履歴を読み出し、平均温度と平均湿度について、ガスセンサが正常に動作する範囲から逸脱した期間を算出し、この期間が許容限度を超えたときに、ガスセンサの寿命末期であると判定して、その警告を出力するように構成される。
（変更態様２）
寿命判定部９０は、データ記録テーブル６５から蒸散量の履歴を読み出し、蒸散量について、ガスセンサが正常に動作する範囲から逸脱した期間を算出し、この期間が許容限度を超えたときに、ガスセンサの寿命末期であると判定して、その警告を出力するように構成される。
（変更態様３）
寿命判定部９０は、データ記録テーブル６５からガス濃度の履歴を読み出し、ガス濃度について、ガスセンサが正常に動作する範囲から逸脱した期間を算出し、この期間が許容限度を超えたときに、ガスセンサの寿命末期であると判定して、その警告を出力するように構成される。
本実施形態のガス濃度測定装置は、通信部７０を備え、この通信部はガス濃度補正モジュール５６から出力されるガス濃度を、無線ネットワークを介して、外部の監視装置へ送信する。例えば、複数のガス濃度測定装置を、無線ネットワークにより外部の監視装置にリンクすることで、ガス濃度測定システムが構築される。この場合、各ガス濃度測定装置は、子機として、対象空間における異なる場所に設置され、親機として動作する外部の監視装置が、異なる場所におけるガス濃度を監視して、対象空間を管理する。
本発明のガス濃度検出装置や方法を、親機と少なくとも一つの子機とで構成される通信システムに適用する場合は、子機にガスセンサ、温度計、湿度計を配置し、親機に補正回路５０、メモリ６０，警告部８０、寿命判定部９０の付加機能要素を配置する。これにより、子機で測定するガスセンサの電流値、温度、湿度が定期的に親機に送信され、親機でガス濃度の補正や各種の警告を行うことができる。

１０ ガスセンサ
２０ 温度計
３０ 湿度計
５０ 補正回路
５２ 平均値算出モジュール
５３ 蒸散量算出モジュール
５６ ガス濃度補正モジュール
６０ メモリ
６２ 温湿度測定データテーブル
６４ 電解質溶液濃度テーブル
６５ データ記録テーブル
６６ ガス濃度補正テーブル
７０ 通信部
８０ 警告部
９０ 寿命判定部

Claims (9)

1. 周囲環境に存在する特定のガスの濃度を検出するガス濃度測定装置であって、
   電解質溶液を有する電気化学式のガスセンサと、
   周囲環境の温度を計測する温度計と、
   周囲環境の湿度を計測する湿度計と、
   メモリと、
   補正回路と、
   を備え、
   前記ガスセンサは、周囲環境に存在するガスとの化学反応によりガス濃度に比例する電流値を出力するように構成され、
   前記メモリは、
   連続する期間に亘って、周囲環境の温度及び湿度を計測して温度測定値と湿度測定値を蓄積する温湿度測定データテーブルを備え、
   前記補正回路は、
   過去の特定期間における温度測定値と湿度測定値からこの特定期間での平均温度値と平均湿度値に基づいて、現在の周囲環境におけるガスセンサの電解質溶液に含まれる水分の蒸散量を推定し、この推定蒸散量から現在の電解質溶液の濃度を算出し、この濃度に応じた補正値で、ガスセンサから出力される電流に対応するガス濃度を補正して、これを現在の周囲環境におけるガス濃度として出力するように構成されたガス濃度測定装置。
2. 前記補正回路は、
   過去の特定期間における温度測定値と湿度測定値からこの特定期間での平均温度値と平均湿度値を求める平均値算出モジュールと、
   前記の平均温度値と前記の平均湿度値から現在の周囲環境におけるガスセンサの電解質溶液に含まれる水分の蒸散量を推定する蒸散量算出モジュールと
   を備え、
   前記メモリは、更に、前記の水分の蒸散量と前記電解質溶液の濃度との関係を示す電解質濃度テーブルを備え、
   前記補正回路は、更に、推定した前記蒸散量に対応する電解質濃度を前記電解質濃度テーブルから読み出して現在の電解質溶液濃度を決定するように構成された電解液濃度算出モジュールを備え、
   前記メモリは、更に標準の電解質溶液濃度における電流値とガス濃度との関係を規定するガス濃度判定基準を用い、標準の電解質溶液濃度に対して変動する電解質溶液濃度のずれ量を対応させて、電流値とガス濃度との関係を、標準のガス濃度判定基準に適合させるための補正値を記録したガス濃度補正テーブルを有し、
   前記補正回路は、更に、標準の電解質溶液濃度と現在の電解質溶液濃度とずれを求め、前記ガス濃度補正テーブルを参照して、このずれに対応する補正値を求め、ガスセンサから出力される電流に対応するガス濃度をこの補正値で補正して、これを現在の周囲環境におけるガス濃度として出力するように構成されたガス濃度補正モジュールを有する請求項１に記載のガス濃度測定装置。
3. 前記ガスは一酸化炭素であり、前記電解質溶液は希硫酸である請求項１または２に記載のガス濃度測定装置。
4. 前記補正回路から出力されるガス濃度値が基準値を超えた時に警報を出力するように構成された警告部８０を備えた請求項１から３のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
5. 前記メモリは、前記平均値算出モジュールで算出される平均温度及び平均湿度を時間に関連づけて記憶するように構成されたデータ記録テーブルを備え、
   前記データ記録テーブルから平均温度と平均湿度の時系列データを読み出して、平均温度と平均湿度の推移を分析してガスセンサの寿命を判定するように構成された寿命判定部を備えた請求項２〜４のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
6. 前記メモリは、前記蒸散量算出モジュールで算出される蒸散量を時間に関連づけて記憶するように構成されたデータ記録テーブルを備え、
   前記データ記録テーブルから蒸散量を読み出して、蒸散量の総計が所定の基準値を超えたときに、前記ガスセンサが寿命末期であることを判定して寿命が近づいたことを報知するように構成された寿命判定部を備えた請求項２〜４のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
7. 前記メモリは、前記電解液濃度算出モジュールで算出される溶解液濃度を時間に関連づけて記憶するように構成されたデータ記録テーブルを備え、
   前記データ記録テーブルから溶解液濃度を読み出して、溶解液濃度の変動が所定の基準を逸脱したときに、前記ガスセンサが寿命末期であることを判定して寿命が近づいたことを報知するように構成された寿命判定部を備えた請求項２〜４のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
8. 前記ガス濃度補正モジュールから出力されるガス濃度値を無線ネットワークを通じて外部の監視装置へ送信するように構成された通信部を備えた特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
9. 周囲環境に存在する特定のガスの濃度を検出する方法であって、
   連続する期間に亘って、周囲環境の温度及び湿度を計測して温度測定値と湿度測定値を蓄積し、
   過去の特定期間における温度測定値と湿度測定値からこの特定期間での平均温度値と平均湿度値を求め、
   電解質溶液を有する電気化学式のガスセンサを使用して、現在の周囲環境に存在する対象ガスと電解質溶液との化学反応に伴って生じる電流値を取得し、
   平均温度値と平均湿度値から現在の周囲環境におけるガスセンサの電解質溶液に含まれる水分の蒸散量を推定し、
   水分の蒸散量と前記電解質溶液の濃度との関係を示す電解質濃度テーブルを使用して、推定した蒸散量に対応する電解質濃度を取得して現在の電解質溶液濃度を決定し、
   標準の電解質溶液濃度における電流値とガス濃度との関係を規定するガス濃度判定基準を用い、標準の電解質溶液濃度に対して変動する電解質溶液濃度のずれ量を対応させて、電流値とガス濃度との関係を、標準のガス濃度判定基準に適合させるための補正値を記録した濃度補正テーブルを準備し、
   標準の電解質溶液濃度と現在の電解質溶液濃度とずれを求め、前記の濃度補正テーブルを参照して、このずれに対応する補正値を求め、ガスセンサから出力される電流に対応するガス濃度をこの補正値で補正して、これを現在の周囲環境におけるガス濃度として出力するガス濃度測定方法。

Images