JP7178076B2 - ガス検出センサー装置 - Google Patents

Description

本発明は、大気中のガス濃度の変動を検出するガス検出センサー装置に関する。

ガス検出センサー装置は、家庭用のプロパンガス警報器や自動車等に広く用いられており、大気中に含まれる特定のガス（化学物質）を検出する。近年では、大気汚染や化学物質過敏症等への懸念から、空気清浄器やエアコン等に同様の機能を内蔵するものもある。

ガス検出センサー装置に内蔵され、ガス濃度を検出するガスセンサーの一つに半導体式ガスセンサーがある。半導体式ガスセンサーは、半導体素子の成分等を変えることによって様々な種類のガスに対応することができ、低コストであるため、広く利用されている。

通常、半導体式ガスセンサーの感度特性は、例えば図１に示されるようなデータ・シートで示される。測定大気中における半導体式ガスセンサーの内部抵抗値Ｒｓ（以下、測定大気中の抵抗値と記す）を測定し、清浄大気中における同センサーの内部抵抗値Ｒｏ（以下、清浄大気中の抵抗値と記す）に対する比Ｒｓ／Ｒｏを算出すると、図１に示されるように、その比Ｒｓ／Ｒｏの値から特定のガスのガス濃度を検出することができる。

しかしながら、半導体式ガスセンサー内蔵のガス検出センサー装置を用いてガス濃度を検出すると、使用環境によっては、その検出値が安定せず、また製品によってバラつき（機差）が大きいことがある。半導体式ガスセンサーの感度特性は、ガスの濃度だけではなく、温度や湿度、大気の流れ等によっても変動することが一因と考えられる。

また、半導体式ガスセンサーの内部抵抗は通常、複数種類の特定のガス（例えば、図１で示す製品例の場合、一酸化炭素、水素、エタノール、メタン等）の濃度の変化に応じて変動するため、複数のガスが混合している場合、各ガスの混合割合を特定しなければ、測定大気中の抵抗値Ｒｓを測定しても、ガス濃度の検出誤差が発生してしまう。

このような問題は、別の方式の高価なガスセンサーを用いたり、また複数種類の特定のガスが混同している環境下では、ガスクロマトグラフィー等を用いて各ガスの混合割合を算出することによってある程度解決することも可能である。しかしながら、コストの増大、装置の大型化、測定時間や手間等の負担の増大、装置操作の難度化等、種々のデメリットを伴う。

本発明は、上記した課題に着目してなされたものであり、小型で低コスト、操作が簡便であると共に、安定的にガス濃度の変動を検出できるガス検出センサー装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明に係るガス検出センサー装置は、ガス濃度に応じて内部抵抗が変化するガスセンサーと、前記ガスセンサーの出力を測定する測定部と、前記測定部の測定値を基にガス濃度に応じた算出データを算出する演算部と、前記測定値若しくは前記算出データを表示する表示部、又はデータ入出力部の少なくともいずれか一方を備えたガス検出センサー装置であって、さらに初期測定モードと通常測定モードとを切り替えるスイッチを備えており、前記スイッチが初期測定モードの時の前記測定値を初期値とし、前記スイッチが通常測定モードの時の前記測定値を現在値とする時、前記演算部は前記初期値に対する前記現在値の相対値を、前記算出データとして算出することを特徴とする。

上記したガス検出センサー装置は、スイッチにより、初期測定モードと通常測定モードを切り替えることができる。測定の際には、まず初期測定モードにてガスセンサーの出力を測定して初期値として記憶しておく。次に、ガス検出センサー装置の設置場所を変えたり、同一の設置場所で特定のガスを減少させる処置を施す等、所望の測定環境において通常測定モードに切り替え、ガスセンサーの出力を測定して現在値とする。そして、演算部により初期値に対する現在値の相対値をガス濃度に応じた算出データとして算出する。

この算出データによって、初期値から現在値への変動を把握することができる。現在時点のガスセンサーの出力を、清浄空気中のガスセンサーの出力との比較でなく、測定開始時のガスセンサーの出力（初期値）と比較することによって、より安定的にガス濃度の変動を把握することができるようになる。

このようなガス検出センサー装置は、ガス濃度の変動のみを簡単に検出すれば良い（必ずしも、清浄大気中に対する絶対値としてガス濃度を検出しなくても良い）用途において有用である。例えば、大気汚染が激しい地域や、総揮発性有機化合物（ＴＶＯＣ：Ｔｏｔａｌ Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）が多数放出される新築やリフォーム物件の室内に、大気中の化学物質を低減する効果を有する建築資材等が用いられた場合に、その低減効果を確認するために、小型で低コスト、操作が簡便である半導体式ガスセンサー用いて、原因物質のガス濃度の変動のみを安定的に検出できれば便利である。建築資材等の施工業者は、施工前後におけるＴＶＯＣのガス濃度の低減効果を実証することができ、建物の購入者や住居者は、測定データによりＴＶＯＣの低減効果を確認することができる。

本発明によれば、小型で低コスト、操作が簡便であると共に、安定的にガス濃度の変動を検出できるガス検出センサー装置を実現できる。

半導体式ガスセンサーの感度特性の一例（フィガロ技研株式会社製ＴＧＳ２６００の製品仕様書に記載の感度特性）である。 本発明に係るガス検出センサー装置の一実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。 図２に示す電圧分圧回路の一実施形態を示す回路図である。 図２に示す外部端末の表示部に出力された画面表示の一実施例である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図２は、本発明に係るガス検出センサー装置の一実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。

図２に示されるように、ガス検出センサー装置１００は、特定ガス濃度に応じて内部抵抗が変化するガスセンサー１１０と、ガスセンサー１１０の出力を測定する測定部１２０と、測定部１２０の測定値を基にガス濃度に応じた算出データを算出する演算部１３０を備えており、本実施形態においては、測定部１２０として電圧分圧回路が設けられている。電圧分圧回路は、各ガスセンサー１１０に一つずつ接続されている。ガスセンサー１１０は、設置された大気中のガス濃度に応じて内部抵抗が変化するセンサーであれば種類は限られないが、小型で低コストである半導体式ガスセンサーを用いることが好ましい。

ガスセンサー１１０は一つ以上備えられていれば良いが、本実施形態においては、ガス濃度に対する感度特性の異なる３つのガスセンサー（半導体式ガスセンサー）１１０が配置されている。半導体式ガスセンサーは、構成材料である金属酸化物半導体の組成によって検知できるガスの種類が異なるため、複数種類のガスセンサーを備えることによってより多くの種類のガスを検出できるようになる。

例えば、上述したような新築やリフォーム物件の室内環境を測定する場合、それぞれアルデヒド類、ＴＶＯＣ、臭い（悪臭）を検知できる３種のガスセンサーを用いると、体調悪化や悪臭の原因となるガス濃度の変動をそれぞれ検出できる。また、既述したように、半導体式ガスセンサーの内部抵抗は、複数のガスの濃度の変化に応じて変動してしまうが、複数種類のガスセンサーを備え、それらの検出結果を比較することによって、主に、どの特定ガスの濃度が変化しているかを見極めることも可能となる。

ガス検出センサー装置１００は、初期測定モードと通常測定モードとを切り替えるスイッチ１４０を備える。初期測定モードは、測定の開始時にガスセンサー１１０の出力を測定するモードであって、通常測定モードは、現在時点におけるガスセンサー１１０の出力を測定するモードである。初期測定モードにおいてガスセンサー１１０の出力を測定して「初期値」とし、通常測定モードにおいてガスセンサー１１０の出力を「現在値」とし、演算部１３０は初期値に対する現在値の相対値を、ガス濃度に応じた算出データＤとして算出する。

測定の際には、まず初期測定モードにてガスセンサーの出力を測定して初期値とし、測定したい周囲環境（異なる周囲環境）において通常測定モードに切り替えてガスセンサーの出力を測定して現在値とする。ここで、異なる周囲環境とは、温度、湿度、風の向き、ガス濃度等、ガスセンサー１１０の出力値の変動を引き起こす要因となる環境条件が異なる周囲環境を意味するものとする。例えば、ガス検出センサー装置の設置場所を変えたり、同一の設置場所で特定のガスを減少させる処置を施したり、しばらく時間を経過させた場合に、異なる周囲環境となる。

前記初期値や前記現在値、前記算出データＤ等は、ガス検出センサー装置１００に設けられた表示部１５０に表示される。または、データ入出力部１６０から外部に出力され、通信手段２００を経由して外部端末３００に送信しても良い。外部端末３００に送信された算出データＤは、必要に応じて、外部端末３００の表示部に表示、印刷、記憶媒体に記録することができる。

なお、通信手段２００は有線、無線に限られず、また通信方式も特定のものに限られない。さらに、外部端末３００の種類も限定されず、コンピュータやスマートフォン等、各種通信機器を用いることが可能である。本実施形態においては、通信手段２００としてはシリアル・ポート（通信規格ＲＳ－２３２Ｃ）、外部端末３００としてパソコンを採用している。

次に、図３を参照し、測定部１２０として設けられた電圧分圧回路について詳述する。電圧分圧回路は、ガスセンサー１１０の（内部）抵抗Ｒｓに対して直列に接続された（内部）抵抗ＲＬの負荷抵抗１２５と、ガスセンサー１１０及び負荷抵抗１２５に電圧を印加する電源Ｖｃｃを有する。測定部１２０は、この負荷抵抗１２５の電圧ＶＬ（抵抗Ｒｓと抵抗ＲＬの中間点の電位）をデータとして出力する。

上記した負荷抵抗１２５の電圧ＶＬは、ＶＬ＝Ｖｃｃ×ＲＬ／(Ｒｓ＋ＲＬ)と表される。測定部１２０は、初期測定モードにおける電圧ＶＬ（初期値ＶＬ１）及び、通常測定モードにおける電圧ＶＬ２（現在値ＶＬ２）を測定し、演算部１３０はこの測定結果の比ＶＬ２／ＶＬ１を算出データＤとして算出する。

本実施形態においては、初期測定モード、通常測定モードのいずれにおいても、測定した電圧ＶＬに対してデータ処理を行うことによって、ノイズを除去し、出力値を安定化させている。具体的には、電圧ＶＬは約０．１秒毎に１０回測定され、この１０回分の測定値の中央値が正常値ＶＬ＿ｎｏｒｍａｌとして決定されている。このデータ処理は約１０秒に1回実行されており、前記正常値ＶＬ＿ｎｏｒｍａｌは約１０秒ごとに更新される。なお、上記した電圧ＶＬの測定周期や回数、データ処理の実行頻度は、これらに限られず、任意に設定可能である。

前記現在値ＶＬ２は、通常設定モードにおける前記正常値ＶＬ＿ｎｏｒｍａｌとして、約１０秒ごとに更新される。

前記初期値ＶＬ１は、初期測定モードにおける最初の前記正常値ＶＬ＿ｎｏｒｍａｌと、次の約１０秒後に得られた（更新された）正常値ＶＬ＿ｎｏｒｍａｌを積算して２で除算（平均化）したものとしている。このように算出された最初の初期値ＶＬ１と、さらに次の約１０秒後に得られる正常値ＶＬ＿ｎｏｒｍａｌを同様に平均化することによって、初期値ＶＬ１は約１０秒ごとに更新される。このように初期値ＶＬ１を約１０秒ごとに更新して測定を繰り返すと、初期値ＶＬ１の初期変動を把握することができ、変動が小さくなり安定した時の値を初期値ＶＬ１の最終値として採用することができる。そして、この最終値を算出データＤの算出に用いる。

上記データ処理を行うことによって、負荷抵抗１２５の電圧ＶＬをより安定的に検出することができるようになる。特に、ガス検出センサー装置１００の起動時には、ガスセンサーの動作が安定するまで初期値ＶＬ１の変動が大きくなりがちであるが、そのような場合にも初期値ＶＬ１の経時変化を適切に把握し、初期状態から安定状態に達したことを検知できるようになる。

なお、上記したデータ処理は、演算部１３０で行っても、データ出力した外部端末３００で行っても良い。また、演算部１３０で行う場合に、その内部時計の精度を補うために外部端末３００から現在時刻のデータを送信する等、両者を併用してデータ処理を行っても良い。

本実施形態に係るガス検出センサー装置１００は、図２に示すように、温度又は湿度の少なくともいずれか一方を測定する温湿度センサー１７０と、温湿度センサー１７０の測定値に応じて上記した負荷抵抗１２５の抵抗値ＲＬを変化させる制御部１８０をさらに備える。

既述の通りガスセンサー（半導体式ガスセンサー）１１０の内部抵抗Ｒｓは、温度や湿度等によっても変動する。このため、温湿度センサー１７０によって温度や湿度を測定し、使用している半導体式ガスセンサーの温湿度特性に応じて負荷抵抗１２５の抵抗値ＲＬを変化させると、温度や湿度に応じてガスセンサー１１０の出力である電圧ＶＬを補正できるようになる。これによって、温度や湿度の変動による影響を抑制して電圧ＶＬを検出できるようになり、ガス濃度の変動をより一層安定的に検出可能となる。

このように負荷抵抗１２５を変化させる場合、デジタル・ポテンショメーターを用い、温湿度の変化に応じてデジタル信号により抵抗値ＲＬを設定することができる。また、前記演算部１３０及び制御部１８０はシステムＬＳＩとして１チップで可能である。これにより、機械的な動作部品の削減による高寿命化、小型化等を実現することができる。

使用しているガスセンサーの温湿度特性が不明な場合や、ガス検出センサー装置１００の設置場所特有の大気の流れ等も考慮したい場合には、その設置場所における電圧ＶＬの特性（温度特性、湿度特性、特定のガス濃度の感度特性等）をあらかじめ測定しておき、このデータを後述する記憶部１９０や外部端末３００等に記憶しておくと良い。この事前測定データに基いたデータ・テーブルや擬似近似式を参照してガスセンサー１１０の出力である電圧ＶＬを補正すると、より精度よく、ガス濃度の変動を安定的に検出できるようになる。

また、本実施形態に係るガス検出センサー装置１００は、図２に示すように記憶部１９０を備えている。これによって上記した各種測定値や算出データ、事前測定データ等を記憶可能となっている。この記憶部１９０に不揮発性記録媒体（例えばＥ２ＲＯＭ）を用いると、電源バックアップができない場合であっても、電源再投入後にこれらを読み出すことができる。例えば停電等が発生した場合、記憶部１９０に記録された初期値ＶＬ１と、電源再投入後の測定値ＶＬ２を用いて算出データＤを算出し、測定を継続することができる。なお、本実施形態においては、スイッチ１４０が通常測定モードを選択している場合に、電源再投入後、記憶部１９０に記録された初期値ＶＬ１を読み出す設定となっている。

前記入出力部１６０はさらに、外部端末３００からのデータ入力を許容する。記憶部１９０を備えない場合であっても、各種測定値や算出データ、事前測定データ等を外部端末３００の記録媒体に記憶しておき、これらの記憶情報をデータ入出力部１６０によって参照することができ便利である。

次に図４を参照し、上記したガス検出センサー装置１００によって外部端末（パソコン）３００の表示部に出力された画面表示の一例を示す。画面上部のグラフ欄３１０には、３つのガスセンサー１１０（Ｓｅｎｓｏｒ１～Ｓｅｎｓｏｒ３）について、各ガスセンサーが感知する主なガスの種類（アルデヒド類、ＴＶＯＣ、臭いセンサー）が表記され、各ガスセンサーにおける初期値ＶＬ１に対する現在値ＶＬ２の比である算出データＤの経時変化が、それぞれ折れ線グラフにて表示されている。縦軸の算出データＤは対数表示であり、横軸の時刻の目盛は、測定の経過と共に自動更新され、それぞれ折れ線グラフは自動スクロール表示される。

図４において、画面下部の数値表示欄３２０には、測定開始日時や、温度補正の有無、通信手段２００であるシリアル・ポートのポート番号、各センサーの測定値ＶＬ２と温度、湿度等が表示され、各種条件や測定データを具体的に把握可能となっている。

以上のように、このようなガス検出センサー装置１００によれば、現在時点のガスセンサーの出力を、清浄空気中のガスセンサーの出力との比較でなく、その測定環境における測定開始時のガスセンサーの出力（初期値）と比較することによって、小型で低コスト、操作が簡便である半導体式ガスセンサーを用いつつ、大気中の特定のガス濃度の変動を安定的に把握できる。

さらに、半導体ガスセンサーの内部抵抗Ｒｓに負荷抵抗１２５を直列接続すると、負荷抵抗１２５の電圧ＶＬを測定することによって簡単にガスセンサーの出力を測定することができ、また、負荷抵抗１２５を可変抵抗とすることによって、温度等の周囲環境に応じたガスセンサーの出力の補正が容易に実現できる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上記した実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。例えば、本実施形態においては、負荷抵抗１２５の抵抗ＲＬの電圧ＶＬをガスセンサー１１０の出力として測定しているが、これに限られず、ガスセンサー１１０の抵抗Ｒｓの電圧Vsや、抵抗Ｒｓの電流（抵抗ＲＬの電流と同一）をガスセンサー１１０の出力として測定してもよい。これらの測定値を、初期値との相対値として算出することによっても、同様に安定的にガス濃度の変動を検出できる。

１００ ガス検出センサー装置
１１０ ガスセンサー
１２０ 測定部（電圧分圧回路）
１３０ 演算部
１４０ スイッチ
１５０ 表示部
１７０ 温湿度センサー
１８０ 制御部
１９０ 記憶部
２００ 通信手段
３００ 外部端末

Claims (6)

1. ガス濃度に応じて内部抵抗が変化するガスセンサーと、
   前記ガスセンサーの出力を測定する測定部と、
   前記測定部の測定値を基に、ガス濃度に応じた算出データを算出する演算部と、
   前記測定値若しくは前記算出データを表示する表示部、又は外部端末に出力するデータ入出力部の少なくともいずれか一方を備えたガス検出センサー装置であって、
   さらに初期測定モードと通常測定モードとを切り替えるスイッチを備えており、
   前記演算部は、測定を行う第１環境におけるガス濃度を前記初期測定モードで測定した前記測定値を初期値とし、前記第１環境とは測定時刻が異なり測定場所とガスを減少させる処置が同じ環境、前記第１環境とは測定時刻とガスを減少させる処置が異なり測定場所が同じ環境、又は前記第１環境とは測定時刻と測定場所が異なる環境である第２環境におけるガス濃度を前記通常測定モードで測定した前記測定値を現在値として、前記初期値に対する前記現在値の相対値を、前記算出データとして算出する
   ことを特徴とするガス検出センサー装置。
2. 前記ガスセンサーはガス濃度に対する感度特性が異なるものが複数あることを特徴とする請求項１に記載のガス検出センサー装置。
3. 前記算出データを記憶する記憶部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス検出センサー装置。
4. 温度または湿度の少なくともいずれか一方を測定する温湿度センサーと、
   可変抵抗と、
   前記温湿度センサーの測定値に応じて前記可変抵抗を変動させる制御部と、を備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のガス検出センサー装置。
5. 前記データ入出力部は、外部からのデータ入力を許容し、
   前記制御部は、前記外部からのデータ入力、及び、前記温湿度センサーの測定値に応じて前記可変抵抗を変動させる
   ことを特徴とする請求項４に記載のガス検出センサー装置。
6. 前記可変抵抗および前記制御部はデジタル・ポテンショメーターで構成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のガス検出センサー装置。

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