JP7278547B2

JP7278547B2 - ガス測定器及びガス測定方法

Info

Publication number: JP7278547B2
Application number: JP2020038064A
Authority: JP
Inventors: 誉久鈴木; 俊彦野田; 和明澤田
Original assignee: Sintokogio Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Sintokogio Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2023-05-22
Anticipated expiration: 2040-03-05
Also published as: EP4102212A4; US20230079310A1; JP2021139767A; EP4102212A1; WO2021176933A1

Description

本開示は、ガス測定器及びガス測定方法に関する。

特許文献１は、ガスセンサを開示する。ガスセンサは、Ｐｔ多孔質体で形成された電極を備える。電極に電圧が印加されると、Ｐｔ多孔質体の気孔に保持された酸素が解離する。ガスセンサは、解離された酸素によって生じる電流値を検出することで、酸素濃度を検出する。

特開平１１－２８１６１２号公報

ところで、測定対象とするガスは、複数の種類のガスを含むことがある。このような場合、特許文献１に記載のガスセンサは、特定のガスに特化して使用されているため、複数の種類のガスを測定できない。本開示は、複数の種類のガスを検出できるガス測定器及びガス測定方法を提供する。

本開示の一側面に係るガス測定器は、触媒部材と、ガスセンサと、を備える。触媒部材は、電圧または電流を印加する電源が接続され、接触した混合ガスに含まれる第１ガスと第２ガスとを反応させ第３ガスを生成し、温度に応じて反応が変化する触媒作用を奏する。ガスセンサは、触媒部材と接触したガス分子を検出する。

このガス測定器では、触媒部材に電圧または電流が印加されることで触媒部材の温度が変化する。触媒部材の温度に応じてガスの反応が変化する。このため、ガス測定器は、触媒部材の温度を変更することにより、ガスセンサに検出されるガス分子の種類を変化させることができる。よって、ガス測定器は、特定のガスに特化したガス測定器と比べて、複数の種類のガスを検出できる。

本開示の他の側面に係るガス測定器は、触媒部材と、温度調整機構と、ガスセンサと、を備える。触媒部材は、接触した混合ガスに含まれる第１ガスと第２ガスとを反応させ第３ガスを生成し、温度に応じて反応が変化する触媒作用を奏する。温度調整機構は、電圧または電流を印加する電源が接続され、前記触媒部材の温度を調整する。ガスセンサは、触媒部材と接触したガス分子を検出する。このガス測定器では、温度調整機構によって触媒部材の温度が変化する。触媒部材の温度に応じてガスの反応が変化する。このため、ガス測定器は、触媒部材の温度を変更することにより、ガスセンサに検出されるガス分子の種類を変化させることができる。よって、ガス測定器は、特定のガスに特化したガス測定器と比べて、複数の種類のガスを検出できる。

一実施形態においては、ガスセンサを含む複数のガスセンサをさらに備え、複数のガスセンサは、ガスセンサにより検出されるガス分子のガス種とは異なるガス分子を検出可能な別なガスセンサを含む。この場合、ガス測定器は、複数の種類のガスを測定できる。

一実施形態においては、タイミングを決定する同期信号を出力する信号発生部と、触媒部材の温度を決定する制御信号と同期信号とに基づいて、同期信号によって決定されるタイミングで触媒部材の温度が制御信号によって決定される温度となるように電源を制御する制御部と、ガスセンサの検出値を、同期信号によって決定されるタイミングで取得する取得部と、検出値と制御信号とを関連付けて出力する出力部と、をさらに備える。この場合、ガス測定器は、検出値と同期信号を関連付けて出力できる。

一実施形態においては、予め取得された関係と検出値と制御信号とに基づいて、ガス種を判定する判定部をさらに備え、予め取得された関係は、ガス種と検出値と制御信号との関係である。この場合、ガス測定器は、触媒部材によって反応して第３ガスを生成する第１ガス及び第２ガスを含む混合ガスのガス種を判定できる。

本開示の他の側面に係るガス測定方法は、以下の（１）～（４）の工程を備える。
（１）触媒部材の温度を制御し、混合ガスに含まれる第１ガスと第２ガスとを触媒部材の触媒作用により反応させ、第３ガスを生成する工程。第３ガスの生成は、触媒部材の温度を決定する制御信号とタイミングを決定する同期信号とに基づく。触媒部材の温度は、同期信号によって決定されるタイミングで制御信号によって決定される。
（２）触媒部材と接触したガスをガスセンサが検出する工程。
（３）ガスセンサの検出値を、同期信号によって決定されるタイミングで取得する工程。
（４）ガス種と検出値との予め取得された関係と、取得された検出値及び制御信号とに基づいて、ガス種を判定する工程。
このガス測定方法によれば、複数の種類のガスを検出できる。

本開示に係るガス測定器及びガス測定方法によれば、複数の種類のガスを検出できる。

実施形態に係るガス測定器の一例を示す断面図である。図２の（Ａ）は実施形態に係るガス測定器の一例を示すブロック図である。図２の（Ｂ）は制御信号及び同期信号の一例である。実施形態に係るガス測定方法の一例を示すフローチャートである。触媒部材の温度に応じたガス分子の反応を例示する模式図である。実施形態に係るガス測定器の変形例を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は繰り返さない。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。「上」「下」「左」「右」の語は、図示する状態に基づくものであり、便宜的なものである。

［ガス測定器の構成］
図１は、実施形態に係るガス測定器の一例を示す断面図である。図１に示されるガス測定器１は、ガスの成分を測定する機器である。ガス測定器１は、電気回路部品として提供され得る。一例として、ガス測定器１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスである。ガス測定器１は、フィルタ１０、触媒部材１１、基材４０、ガスセンサ３０を備える。

基材４０は、その内部に空間を画成する。基材４０は、ガスを透過しない材料で形成される。基材４０は、その上部が開放され、空間に連通する開口を有する。フィルタ１０は、基材４０の上部の開口を塞ぐように配置される。フィルタ１０は、略板状の部材であり、ガスを透過する材料で形成される。フィルタ１０及び基材４０は、ガスを透過する隙間が無いように接合される。これにより、フィルタ１０及び基材４０は、ガス室４１を画成する。

フィルタ１０には、触媒部材１１が設けられる。触媒部材１１は、電気伝導体であって、通電によって発熱する。触媒部材１１は、例えば、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）又はイリジウム（Ｉｒ）等の金属触媒からなる。触媒部材１１は、電圧または電流を印加する電源１２に接続され、電圧印加または電流印加によって発熱する。ガス測定器１が複数の触媒部材１１を含む場合、複数の触媒部材１１はそれぞれが離間して配置される。複数の触媒部材１１のそれぞれの間は、ガスが通過可能である。発熱した触媒部材１１は、混合ガスに含まれる第１ガスと第２ガスとを反応させて、第３ガスを生成する、触媒作用を奏する。触媒部材１１は、略板状のフィルタ１０を面内方向に網羅するように配置される。一例として、梁状の触媒部材１１が所定の間隔でフィルタ１０を覆うように配置される。

ガスセンサ３０は、ガス室４１内に設けられる。一例として、ガスセンサ３０は、触媒部材１１の下流、即ちガスが触媒部材１１に接触して触媒部材１１の近傍を通過した側に設けられる。ガスセンサ３０は、第１ガス、第２ガス及び反応によって生成された第３ガスのうち少なくとも一つを検出する。ガスセンサ３０は、例えば、半導体を利用したガスセンサである。この場合、ガスセンサ３０は、ガスセンサ３０の表面に接触したガス分子を、電気信号として出力する。

［ガス測定器の制御回路］
図２の（Ａ）は、実施形態に係るガス測定器１Ａの一例を示すブロック図である。ガス測定器１Ａは、測定部２（ガス測定器の一例）と回路部３とを備える。回路部３は、信号発生部５０、制御部６０、取得部７０、出力部８０及び判定部９０を備える。回路部３は、例えば、電気回路で構成され得る。回路部３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置、ＲＯＭ（ReadOnly Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶装置、及び通信装置などを有する汎用コンピュータで構成されてもよい。

信号発生部５０は、制御部６０及び取得部７０へ制御信号及び同期信号を出力する。制御信号は、触媒部材１１の温度を決定する信号である。同期信号は、制御部と取得部とのタイミングを決定する信号である。制御部６０は、制御信号及び同期信号に基づいて触媒部材１１の温度を制御する電圧または電流を触媒部材１１へ印加するように、電源１２を制御する。図２の（Ｂ）は、制御信号及び同期信号の一例である。図２の（Ｂ）では、制御信号は、ＳＩＧ１、ＳＩＧ２、ＳＩＧ３の三種類の温度に相当する信号となる。同期信号は、水晶発振器などの発振器に基づいた矩形波である。制御部６０は、制御信号に示される温度となるように、触媒部材１１の温度を制御する。取得部７０は、同期信号に基づいて検出値を取得する。

制御部６０は、同期信号の矩形波を所定の回数受信した際に、触媒部材１１の温度に対応する波形の制御信号を出力する。一例として、図２の（Ｂ）の３段階に変化する制御信号は、触媒部材１１の温度を３段階で制御する。触媒部材１１の温度は、無段階で制御されてもよい。この場合、制御信号は、三角波又は正弦波を示す。

取得部７０は、同期信号の矩形波を所定の回数受信した際に、検出値を取得する。よって、取得部７０は、制御信号による触媒部材１１の温度の変化に対応した検出値を取得できる。取得部７０が検出値を取得する際の矩形波を受信する所定の回数は、制御部６０が制御信号を出力する際の矩形波を受信する回数以上でもよい。取得部７０が検出値を取得する時期を、制御部６０が制御信号を出力する時期よりも遅くすることで、取得部７０は、触媒部材１１の温度が変化した後に触媒部材１１と接触したガス分子が多数となったときの、検出値を取得できる。

出力部８０は、制御信号と、取得部７０から取得された検出値とを関連付けて出力する。

判定部９０は、ガス種と検出値と制御信号との予め取得された関係と、出力部８０により出力された検出値及び制御信号とに基づいてガス種を判定する。ガス種と検出値と制御信号との組合せについては、事前に予め取得され、例えばガス特性テーブルとして記憶される。判定部９０は、出力部８０によって出力された組合せに基づいてガス特性テーブルを参照し、ガス種を決定する。

［ガス測定器の動作］
図３は、実施形態に係るガス測定方法の一例を示すフローチャートである。図３に示されるフローチャートの工程は、ガス測定器１Ａの動作を示す。図４は、触媒部材の温度に応じたガス分子の反応を例示する模式図である。一例として、検出対象のガスは、水素（Ｈ_２）及び酸素（Ｏ_２）を含む混合ガスとする。ガス測定器１Ａは、水素（Ｈ_２）を検出可能なガスセンサ３０を有する。

図３に示されるように、最初に、触媒部材１１の温度は、制御信号及び同期信号に基づいて動作する制御部６０によって変更される（ステップＳ１０）。図４の（Ａ）は、制御信号がＳＩＧ１の場合に、触媒部材１１と接触するガス分子の反応を示す。一例として、制御信号がＳＩＧ１の場合、制御部６０は、触媒部材１１に電圧または電流を印加しないように、電源１２を制御する。よって、触媒部材１１は発熱しない。制御信号がＳＩＧ１の場合、水素（Ｈ_２）は、酸素（Ｏ_２）と反応しない。ガスセンサ３０は、水素（Ｈ_２）を主に検出する（ステップＳ２０）。

図４の（Ｂ）は、制御信号がＳＩＧ２の場合に、触媒部材１１と接触するガス分子の反応を示す。制御信号がＳＩＧ２の場合、制御部６０は、触媒部材１１に電圧または電流を印加するように、電源１２を制御する。通電によって発熱した触媒部材１１は、水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）とを反応させる。よって、制御信号がＳＩＧ２の場合、水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）との反応によって水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。この場合、触媒部材１１と接触した水素（Ｈ_２）及び酸素（Ｏ_２）の一部が反応して、水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。よって、ガスセンサ３０は、水（Ｈ_２Ｏ）が生成された後の水素（Ｈ_２）を検出する（ステップＳ２０）。

図４の（Ｃ）は、制御信号がＳＩＧ３の場合に、触媒部材１１と接触するガス分子の反応を示す。制御信号がＳＩＧ３の場合、制御部６０は、触媒部材１１に制御信号がＳＩＧ２の場合より大きな電圧または電流を印加するように、電源１２を制御する。通電によって発熱した触媒部材１１は、水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）とを反応させる。この場合、触媒部材１１と接触した水素（Ｈ_２）及び酸素（Ｏ_２）の全てが反応して、水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。ガスセンサ３０は、水素（Ｈ_２）が存在しない場合を検出する（ステップＳ２０）。

次に、取得部７０は、ガスセンサ３０が出力した測定値を、同期信号に基づいて取得する（ステップＳ３０）。

判定部９０は、ガス特性テーブルと、取得部７０により取得された測定値及び制御信号とに基づいて、ガス種を判定する（ステップＳ４０）。制御信号が示す触媒部材１１の温度と測定値との予め取得された関係から、混合ガスは、水素（Ｈ_２）及び酸素（Ｏ_２）を含むと判定される。

［実施形態のまとめ］
このガス測定器１では、触媒部材１１に電圧または電流が印加されることで触媒部材１１の温度が変化する。触媒部材１１の温度に応じてガスの反応が変化する。このため、ガス測定器１は、触媒部材１１の温度を変更することにより、ガスセンサ３０に検出されるガス分子の種類を変化させることができる。よって、ガス測定器１は、特定のガスに特化したガス測定器と比べて、複数の種類のガスを検出できる。

ガス測定器１Ａは、同期信号を出力する信号発生部５０と、触媒部材１１の温度を決定する制御信号と同期信号とに基づいて、触媒部材１１の温度を制御する制御部６０と、ガスセンサ３０の検出値を同期信号に基づいて取得する取得部７０と、検出値と制御信号とを関連付けて出力する出力部８０と、を備える。この場合、ガス測定器１Ａは、検出値と同期信号を関連付けて出力できる。

ガス測定器１Ａ及びガス測定方法は、ガス種と検出値及び制御信号との予め取得された関係と、出力部８０により出力された検出値及び制御信号とに基づいて、ガス種を判定する判定部９０を備える。この場合、ガス測定器１Ａ及びガス測定方法は、触媒部材１１によって反応して第３ガスを生成する第１ガス及び第２ガスを含む混合ガスのガス種を判定できる。

［変形例］
以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、上記の例示的実施形態に限定されることなく、様々な省略、置換、及び変更がなされてもよい。

図５は、実施形態に係るガス測定器の変形例を示す断面図である。ガス測定器１Ｂは、混合ガスに含まれる第１ガスと第２ガスとを反応させ第３ガスを生成する触媒部材１１と、電圧または電流を印加する電源１２が接続され、触媒部材１１の温度を変更する発熱部２０（温度調整機構の一例）と、第１ガス、第２ガス及び反応によって生成された第３ガスのうち少なくとも一つを検出するガスセンサ３０と、を備える。

発熱部２０は、電気伝導体であって、通電によって発熱する。例えば、発熱部２０は、ニクロム線である。発熱部２０は、触媒部材１１を加熱して混合ガスに含まれる第１ガスと第２ガスとを反応させて、第３ガスを生成する。ガス測定器１Ｂでは、触媒部材１１は、発熱しなくてもよい。触媒部材１１は、絶縁体に担持されていてもよい。また、ガス測定器１Ｂは、発熱部２０に替えて冷却部（温度調整機構の一例）を備えてもよい。

触媒部材１１の温度は、発熱部２０によって変化される。ガス測定器１Ｂは、触媒部材１１の温度を変化させることで、ガスセンサ３０に検出されるガス種を変化させ、複数のガス種を測定できる。よって、ガス測定器１Ｂは、特定のガスに特化したガス測定器と比べて、複数の種類のガスを検出できる。

ガス測定器１は、ガスセンサ３０を含む複数のガスセンサを備えていてもよい。第１ガスセンサ３１（ガスセンサ３０の一例）及び第２ガスセンサ３２（別のガスセンサの一例）を有する場合、第２ガスセンサ３２は、第１ガスセンサ３１で検出したガス分子とは異なる種類のガス分子を主に検出可能に構成されてもよい。この場合、ガス測定器は、複数の種類のガスを測定できる。

フィルタ１０及びガスセンサ３０は、別々に形成された後に組み合わされて作製されてもよい。フィルタ１０及びガスセンサ３０は、一体として作製されてもよい。

信号発生部５０は、制御部６０と一体であってもよい。取得部７０は、出力部８０と一体であってもよい。出力部８０は、判定部９０と一体であってもよい。

ガス測定器１は、基材４０及びガス室４１を含まないように構成されてもよい。この場合、ガス測定器１は、ガスセンサ３０にフィルタ１０の触媒部材１１が密着するように構成される。ガス測定器１は、Ｍ種類のガスセンサ（Ｍは２以上の整数）を備えてもよい。Ｍが３以上の場合、Ｍ種類のガスセンサは同じ種類のセンサを含んでいてもよい。また、触媒部材１１の温度は、Ｎ段階で（Ｎは２以上の整数）で制御されてもよい。この場合、ガス測定器１は、最大でＭ×Ｎ種類の組み合わせでガスを測定できる。

ガス測定器１Ａは、判定部９０を含まないように構成されてもよい。この場合、ガス測定器１Ａは、出力部８０が測定値と制御信号とを外部へ出力する。ガス測定器１Ａは、測定値と制御信号との関係を、シミュレーションによって予め取得してもよい。この場合、触媒部材１１の温度と第３ガスが生成される速度は、計算で求められる。測定値と制御信号との関係は、既知のガスで校正されてもよい。この場合、ガス種及び生成される第３ガスが特定された既知のガスに基づいて、制御信号と触媒部材１１の温度との関係、ガスセンサ３０の出力特性は、校正される。

１，１Ａ，１Ｂ…ガス測定器、２…測定部、３…回路部、１０…フィルタ、１１…触媒部材、２０…発熱部、３０…ガスセンサ、４０…基材、４１…ガス室、５０…信号発生部、６０…制御部、７０…取得部、８０…出力部、９０…判定部。

Claims

その上部が開放された開口を有し、ガスを透過しない材料で形成される基材と、
前記開口を塞ぐように配置され、ガスを透過する材料で形成されるフィルタと、
前記基材及び前記フィルタが画成するガス室と、
前記ガス室内に設けられるガスセンサと、
電圧または電流を印加する電源が接続され、接触した混合ガスに含まれる第１ガスと第２ガスとを反応させ第３ガスを生成し、温度に応じて前記反応が変化する触媒作用を奏する触媒部材と、
を備え、
前記フィルタには、前記触媒部材が設けられ、
前記ガスセンサは、前記触媒部材と接触したガス分子を検出する、
ガス測定器。
前記ガスセンサを含む複数のガスセンサをさらに備え、
前記複数のガスセンサは、前記ガスセンサにより検出されるガス分子のガス種とは異なるガス分子を検出可能な別なガスセンサを含む、請求項１に記載のガス測定器。
タイミングを決定する同期信号を出力する信号発生部と、
前記触媒部材の温度を決定する制御信号と前記同期信号とに基づいて、前記同期信号によって決定されるタイミングで前記触媒部材の温度が前記制御信号によって決定される温度となるように前記電源を制御する制御部と、
前記ガスセンサの検出値を、前記同期信号によって決定されるタイミングで取得する取得部と、
前記検出値と前記制御信号とを関連付けて出力する出力部と、
をさらに備える、請求項１又は２に記載のガス測定器。
予め取得された関係と前記検出値と前記制御信号とに基づいて、ガス種を判定する判定部をさらに備え、
前記予め取得された関係は、前記ガス種と前記検出値と前記制御信号との関係である、
請求項３に記載のガス測定器。
触媒部材の温度を決定する制御信号とタイミングを決定する同期信号とに基づいて、前記同期信号によって決定されるタイミングで前記制御信号によって決定される温度となるように前記触媒部材の温度を制御し、混合ガスに含まれる第１ガスと第２ガスとを前記触媒部材の触媒作用により反応させ、第３ガスを生成する工程と、
前記触媒部材と接触したガスをガスセンサが検出する工程と、
前記ガスセンサの検出値を、前記同期信号によって決定されるタイミングで取得する工程と、
ガス種と前記検出値との予め取得された関係と、取得された前記検出値及び前記制御信号とに基づいて、前記ガス種を判定する工程と、
を備え、
前記ガスセンサは、前記触媒部材の下流のガス室内に設けられ、
前記ガス室は、その上部が開放された開口を有しガスを透過しない材料で形成される基材と、前記開口を塞ぐように配置されガスを透過する材料で形成されるフィルタとによって画成され、
前記触媒部材は、前記フィルタに設けられる、
ガス測定方法。