JPH03282247A - 引火性ガスの検出 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は引火性ガスの検出に関する、さらに詳しくは引
火性ガス又は蒸気を検出し測定する装置と方法に関する
。

【従来の技術】

引火性ガス及び蒸気は多くの産業界又は家庭環境におけ
る広範囲な爆発の危険をはらんでいる。これらのガスは
それぞれ空気中で濃度の限界値、すなわち低位爆発限界
（ＬＥＬ）及び高位爆発限界（ＵＥＬ）があり、ガス濃
度がこれらの限界値内にある場合、スパークのような点
火源が爆発を誘発する。 引火性ガスの検出と測定に関してすでに確立しまた広く
一般に使われている方法は、引火性ガスの燃焼熱に起因
する加熱フィラメント、通常触媒されているが温度上昇
を検出する原理に基づいている。通常フィラメントは支
持触媒のビードを付けた薄い白金ワイヤーのコイルであ
り、このビードは普通ペリスタ−（ｐｅｌｌｉｓｔｏｒ
）として知られている。フィラメントは支持触媒の表面
上で引火性ガスの燃焼がおこるに必要な温度に電流で加
熱される。温度が上昇することによって白金コイルの抵
抗が増加する。通常大気温度の変化を補償するためにホ
イートストーンブリッジ回路の向かい合う辺に、触媒的
に不活性ではあるが同じエレメントがこの活性へりスタ
ーと組合わされ、そしてこのオフバランス電流が引火性
ガスの濃度の尺度となる信号を形成する。 白金フィラメントは１つ以上の機能をもっていることが
理解できよう。それは加熱エレメントであるばかりでな
く測定エレメントであり、そしてこの理由から高い精度
で製作される必要がある。 この方法の欠点は、（ａ）２つのエレメントを加熱する
ので携帯用電池式モニターに特に関連して電力消費量が
高いこと、（ｂ）触媒毒に対する感受性、及び（Ｃ）読
みが不明確となる限界範囲、である。この範囲は燃焼反
応の化学量論によって限定される。例えばメタンの場合
の反応は次のようである。 ＣＨ４＋２０２→ＣＯ２＋２Ｈ２０ 空気中のメタン濃度が９．４６％の場合すべての酸素が
消費されてしまい、そしてもっと高濃度の場合には信号
がメタンよりはむしろ酸素によって支配されることは簡
単に理解できる。さらに非常に高いメタン濃度の信号は
低いメタン濃度の信号と同一になりかねないし、そして
読みが不明確になってしまう。例えば、メタンが１％で
残りが空気の信号はメタンが９０．４％で残りが空気の
信号とほとんど同じになる。

【発明が解決しようとする課題】

本発明の目的は基本的に異なる測定原理を用いてこれら
の欠点をなくしあるいは少なくとも減らすことである。 本発明は酸素の存在下にある引火性ガスを検出し及び／
又は測定する装置を提供することであり、このデバイス
は入口をもつ酸素センサーと引火性ガスの存在を検知す
るためのガスの入口をもつチャンバーとを含んでなり、
該チャンバーの入口はチャンバーに入るガスの拡散速度
を実質的に支配する拡散バリヤーを有し、該センサーの
入口は拡散バリヤーの拡散抵抗と比べて酸素に対する比
較的低い拡散抵抗をもつ。 さらに本発明は、酸素の存在下における引火性ガスを検
出し及び／又は測定する方法を提供することであり、こ
の方法は拡散バリヤーを通してガスをチャンバーに入れ
、チャンバー内で引火性ガスを燃焼し、酸素センサーを
用いてチャンバー内の酸素含有量を検知し、この酸素セ
ンサーは該チャンバー内の酸素含有量を指示する信号を
発し、該酸素センサー入口の拡散抵抗は拡散バリヤーの
拡散抵抗と比べて比較的低くしてあり、これによってチ
ャンバー内の酸素濃度がチャンバ−外部のガスの酸素濃
度よ（つ低く維持され、そし引火性ガスの濃度のイ直を
言十算するために酸素センサーからの信号を処理するこ
とを含んでなる方法である。 【課題を解決するための手段］ 本発明の詳細な説明において、メタンを引火性ガスの例
として用いるが、本発明は別の引火性ガスにも適用でき
ることは容易に理解されよう。 燃焼を確実にする方法は、触媒でコーティングしたフィ
ラメント、ペリスタ−別の有効な抵抗加熱エレメントの
ような電気的に加熱するエレメント、あるいは放電のよ
うな方法が適当である。しかし、引火性ガスとしてメタ
ンを用いたテストでは、簡単な加熱白金フィラメントが
きわめて満足すべきものであった。ここでフィラメント
とはリボン、コイル及び厚いフィルムを含めたすべての
適当な加熱手段を含めて用いる。完全な燃焼をさせるた
めに必要なフィラメントの温度は日常の試、験で見出す
ことができる。所要の温度が達成できる電圧が設定され
たならば、一定の供給電圧を維持することが好ましい。 一定電圧を供給する方法は周知である。フィラメントが
測定系の一部を構成するわけではないのでもつと安価な
材質及び／又は低い精度のものでよい。一対のフィラメ
ントは必要ないので先行技術の一対のペリスターを用い
る場合と比較して電力消費量を著しく減らすことができ
る。 拡散バリヤーは非多孔質プラスチックメンブレンの形態
とすることができる。 多孔質体又は細管、あるいはこの組合わせを含んでなる
、英国特許第１．５７１２８２号明細書に記述されてい
るガス相拡散バリヤーが好ましい。別の適当なバリヤー
は英国特許第２，０４９，９５２号明細書に記述されて
いるクヌーセン拡散バリヤー　あるいは上記の組合わせ
である。防災性が必要な用途には、適当な金属焼結ディ
スク又はピースが拡散バリヤーの全部又は一部を形成す
るために用いることができる。ガス流量の限定範囲を以
下に述べる。 酸素センサーはガルバ二酸素消費式が適当である。電位
差計形ガルバ二酸素消費式センサーが特に好ましい。ジ
ルコニアベースの電解質酸素センサーのようなソリッド
ステートセンサーとしてもよいが、この場合操作温度ま
で加熱する追加電力が必要であるという欠点がある。従
って低温酸素センサーを使うのが好ましい。固体電解質
セルを含む電気化学センサーセルが特に好ましい。望ま
しくは酸素センサーの特性を拡散バリヤーの特性と結び
つけて選択する必要があり、そうすれば拡散バリヤーは
デバイス全体への拡散に対する支配条件を規定する。こ
の条件は、（ａ）酸素センサーそれ自体の感度、すなわ
ち酸素単位濃度当りの電流そして（ｂ）燃焼手段を使用
しないで酸素に対するデバイス全体の感度を測定して得
ることができる。感度（ａ）は少なくとも感度（ｂ）の
２倍、そして好ましくは少なくとも５倍、更に好ましく
は少なくとも１０倍で一般には高ければ高いほど良い。 例えば拡散バリヤーを入口の穴に組み入れるディスクに
チャンバーを適当にモールド成形し、鋳造しあるいは機
械加工する。チャンバーの壁の材質は耐熱性のものが好
ましく、金属又はセラミックとしてよい。最高の応答時
間を達成するためにチャンバーの容積はできるだけ小さ
くする必要がある。この容積をデバイスの他の構成部品
によって変えることができるが、好ましくは２ｍｌより
小さく、さらに好ましくは０．０１〜０．５ｍｌの範囲
内である。デバイスを燃焼手段を使わないでデバイスを
操作する場合、デバイスはその感度が拡散バリヤーで実
質的に支配される酸素センサーとして働き、そして出力
信号はメタンの稀釈効果で起こる酸素濃度の減少を反映
する。すなわち信号は（１−０，０１ｅ）Ｓ吐式中、Ｓ
Ｏは純空気における信号すなわち２０．９％酸素、そし
てＣはメタンの濃度（ｖ０１％）を表す〕となる。 燃焼手段を使う場合、チャンバーに入るメタンは上式に
従って酸化されるのでメタン１モルは酸素２モルを奪い
、そしてこの反応による酸素の除去量は燃焼手段を使わ
ない場合の酸素信号から引く。この信号の変化は、燃焼
反応の化学量論とそして拡散バリヤーを通るメタンと酸
素の相互拡散速度の関数であり、この信号変化はメタン
濃度の関数となるから、メタン濃度の尺度を与える。 例えば、拡散バリヤーを通るメタンの拡散係数が酸素の
１．４１倍の場合、得られる正味の信号は ５Ｏ（１−０，１４５ｃ） として表すことができる。この結果、１００％純空気中
の信号と比較してセンサー信号はメタン６．９％でゼロ
に下がり、そしてこれ以上高いメタン濃度に対してゼロ
を保つ。このようにデバイスの範囲はメタン６．９％の
値に限定されてしまうが、不明確な信号の問題はもはや
存在しない。最高限度は異なるけれども、同様な効果が
高級炭化水素ガス及び水素のような別の引火性ガスで観
察される。 このデバイスに上述したような好ましいクヌーセン拡散
バリヤー又はガス相バリヤーを用いる場合、拡散速度は
少なくとも一次近似としてガス分子量の平方根に反比例
する。 本発明に従うデバイスの略断面図を示す図１を参照して
、本発明の詳細な説明する。 図１において、デバイスは、入口２をもつ酸素センサー
１を含んでなり酸素センサーはシティテクノロジイリミ
テッド（Ｃｉｔｙ　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　　Ｌｔｄ
）かう商標“’Ｃｉ　　Ｔｉｃｅｌ”で市販されている
ガルバ二酸素消費式酸素センサーが適当である。チャン
バー３をセンサーの上にシールし、チャンバーは入口４
をもちこの入口は拡散バリヤーを含んでなり又は拡散バ
リヤーとして働きこのバリヤーの拡散抵抗はセンサー入
口２の拡散抵抗と比較して酸素に対して比較的高いもの
である。薄い白金ワイヤーコイル５がチャンバー３内に
シールされ、このコイルを燃焼温度まで加熱するために
コイルをチャンバー外部に延長して直流電源に接続する
。酸素センサーは適当な信号処理装置に接続するための
出力リード線（図に示してない）があり、信号処理装置
は適当なプログラム式又は専用マイクロプロセッサ又は
マイクロコンピュータ（図に示してない）のようなアナ
ログ又はデジタル回路を含むことができる。マイクロプ
ロセッサ又はマイクロコンピュータは、メタン濃度値を
表す参照用テーブルのようなデイスプレィに信号を送る
ことができる従来技術を用いてよい。代りの信号処理装
置を開発してもよい。この拡散バリヤーは実質的に酸素
の流束を支配し、そしてチャンバー内の酸素濃度は低い
。 本発明のデバイスは被毒に対して著しい耐性があるとい
う点でペリスタ−と比較して利点がある。標準ペリスタ
−は、空気に追加の窒素を加えた中に２．５％メタンを
含むガス混合物中に１１００ｐｐのＨ２Ｓ濃度（例えば
窒素中の１０００１０００ｐｐを空気中の２．５％ＣＨ
４とブレンドすれば所要のＨ２Ｓ濃度となる）に対して
耐性を示す必要があり、そうすればペリスタ−は出力の
２０％低下を示すのに２分間以上を要する。いわゆる耐
毒性ペリスタ−は５分間さらしな後に約１０％低下で出
力を安定化させる。本発明に従う試作デバイスを用いて
おこなった試験では、このテストガスに１８０分さらし
た後でも出力損失を示さなかった。次いでこのデバイス
を１００分間５００ｐｐｍＨ２Ｓにさらしたが、識別で
きる出力損失はなかった。 はぼ１．１■で３１０ｍＡから１．２Ｖで３２０ｍＡの
電力消費量が白金フィラメントを用いてメタンを完全燃
焼するのに適していることを試験して見出した。試験に
用いたチャンバーは容積が０．０３ｃｃで、ディスクに
機械加工した２ｍｍＸ２．５ｍｍＸ６ｍｍの溝があり、
そしてその中にＰｔコイルがある。径１ｍｍの穴がチャ
ンバーと外部雰囲気を接続し、チャンバーへの入口とな
る。このディスクを市販の酸素センサーの入口の上にシ
ールして設置し、酸素センサーの入口はチャンバー入口
よりもかなり低い拡散抵抗をもっている。 このデバイスの操作は上述したとおりであるが、測定範
囲は限定されていて、そして爆発の危険ではなくて低酸
素の危険の要素となる不活性ガスの存在で信号が影響を
受ける。 上述の障害は本発明の次の２つの実施態様を用いて解決
することができる。 さらに別の実施態様において、図１を参照して記述した
本発明のデバイスを同じタイプであるがチャンバーを用
いない２番目のガルバ二酸素センサーと組合わせて使用
する。デバイスからの信号をバックオフするために用い
る信号を発生させるために２番目の酸素センサーを使い
、純空気での正味の信号がゼロとなるようにセットする
。この実施態様の応答を図２で説明すれば、図２はメタ
ンのプロットであり、ｙ軸はメタンの容積％を表し、ま
たｙ軸は正味の信号を純空気での酸素センサーの信号の
パーセントとして表している。この組合わせた実施態様
は全濃度範囲を測定するために使うことができることは
理解できよう。この組合わせた正味の信号は依然として
不明確さの問題が残るが、デバイスと酸素センサーから
の両方の信号をモニターすることができるので、例えば
マイクロプロセッサで信号を適当に処理することによっ
てこの問題を除くことができる。濃度範囲の下限におい
ては正味の信号を用いることができるが、燃焼手段のあ
るデバイスからの信号がゼロに低下するとすぐに２番目
のセンサーからの信号を濃度の尺度として用いる。低濃
度において、正味の信号を用いる場合は不活性ガスの影
響は取消される。一方２番目の信号だけを用いる濃度の
高い範囲では不活性ガスは信号に影響を及ぼす。２番目
のセンサーからの信号は酸素濃度の直接測定を示すので
この組合わせは引火性ガスと酸素の組合わせセンサーを
も提供する。 別の実施態様においては、図１のデバイスを断続モード
で使う、すなわち燃焼手段のスイッチを交互に入れたり
切ったりする。エレメントがオフであれば例えばメタン
が存在する場合、メタンはチャンバー内に拡散して外部
の濃度と類似の濃度に達するが、しかしチャンバー内の
酸素濃度は低い。エレメントのスイッチを入れるとメタ
ンはチャンバー内で燃焼し、そしてエレメントを連続し
て稼動していた場合よりもかなり低いメタン濃度で酸素
濃度はゼロとなる。この効果は増幅された信号が得られ
るので、引火性ガスの一層低い濃度の測定が可能になる
ことである。エレメントをオンにしておけばデバイスか
らの信号はピークに達し次いで定常状態値に減少する。 適当なピーク値を検出し測定する適当な回路を用いれば
増大した感度でピーク信号を引火性ガス濃度の尺度とし
て用いることができる。拡散バリヤーを付けたデバイス
の酸素に対する感度と比較して感度が上がればそれだけ
拡散バリヤーのない酸素センサーは酸素に対して敏感に
なる。この実施態様を断続モードで用いる場合、燃焼エ
レメントをオフにした信号は酸素濃度の尺度を示すので
、このデバイスは酸素センサーと引火性ガス検出器を組
合わせたものとして使うことができる。 本発明に従うデバイスは、信号処理装置及び目に見える
及び／又は音で聞こえる装置とすることができるデイス
プレィ及び／又は警報装置と組合わせて本発明の別の態
様で用いられる。このデバイスは手で握りあるいはポー
タプルな機器に組み入れるのに特に適しており、多方面
の産業用、家庭用、鉱山等の場所に用途がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に従うデバイスの略断面図である。

【図２】 メタン濃度（ｖｏｌ、％）に対する酸素センサーからの
正味の信号を表す応答図である。

【符号の説明】

１・・・酸素センサー ２・・・入口 ３・・・チャンバー ４・・・拡散バリヤー ５・・・白金ワイヤーコイル

【書類名】

図面

【図１】 デバイスの略断面図

【図２】 メタン濃度と酸素センサー信号の応答図酸素センサーか
らの正味信号

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入口（２）をもつ酸素センサー（１）と、
   該センサーの入口を引火性ガスの存在を検知しようとす
   るガスの入口（４）をもつチャンバー（３）に接続し、
   該チャンバーの入口は拡散バリヤー（４）であり、該拡
   散バリヤーは該チャンバーに入るガスの拡散速度を実質
   的に支配し、該センサー入口は該拡散バリヤーの拡散抵
   抗に比較して酸素に対する拡散抵抗が比較的低く、そし
   てチャンバー内で引火性ガスを燃焼するための手段（５
   ）を含む該チャンバーとを含んでなる酸素の存在下にあ
   る引火性ガスを検出し及び／又は測定するデバイス。
2. 【請求項２】該燃焼をおこなう手段が電気加熱できる触
   媒エレメントである請求項１記載のデバイス。
3. 【請求項３】該チャンバーの容積が２ｍｌ未満である請
   求項１又は請求項２記載のデバイス。
4. 【請求項４】該拡散バリヤーがクヌーセン拡散バリヤー
   、細管又は多孔質体でありあるいは含んでなる請求項１
   、２又は３記載のデバイス。
5. 【請求項５】該酸素センサーの感度が、燃焼手段を使わ
   ない場合の該デバイス全体の感度の少なくとも５倍であ
   る請求項１〜４のいずれか１項に記載のデバイス。
6. 【請求項６】引火性ガスの濃度を計算する信号処理装置
   をも含んでなる請求項１〜５のいずれか１項に記載のデ
   バイス。
7. 【請求項７】該酸素センサーがガルバ二酸素消費式セン
   サーである請求項１〜６のいずれか１項に記載のデバイ
   ス。
8. 【請求項８】ガスを拡散バリヤーを通してチャンバー内
   に入れ、該チャンバー内で引火性ガスを燃焼し、入口を
   もつ酸素センサーを用いてチャンバー内の酸素含有量を
   検知し、該酸素センサーへの入口の拡散抵抗が該拡散バ
   リヤーの拡散抵抗と比べて比較的低く、それで該チャン
   バー内の酸素濃度がチャンバー外部のガスの酸素濃度よ
   り低く維持され、そして該引火性ガスの濃度の値を計算
   するために該酸素センサーからの信号を処理する工程を
   含んでなる酸素の存在下にある引火性ガスを検出し及び
   ／又は検知する方法。
9. 【請求項９】該チャンバー内の引火性ガスの燃焼をおこ
   なうために電気加熱する触媒エレメントを用いる請求項
   ８記載の方法。
10. 【請求項１０】該酸素センサーからの信号をバックオフ
    するためにチャンバーのない別の酸素センサーを用いて
    、引火性ガス濃度の全範囲をカバーする正味の信号を得
    て、そして該正味の信号及び／又は該別の酸素センサー
    からの信号を引火性ガスの濃度の値を得るために処理す
    る請求項８又は請求項９記載の方法。
11. 【請求項１１】引火性ガスの燃焼を断続的におこない、
    そして該酸素センサーからの信号の変動を測定しそして
    引火性ガスの濃度を表示するために処理する請求項８又
    は請求項９記載の方法。