JPH0422861A - 炭酸ガス検知装置 - 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、空調、農畜産、防災・防犯、環境計測などの
炭酸ガス濃度を計測、あるいは制御する場所に使用する
炭酸ガス検知装置に関する。

従来の技術 近年、空調、農畜産分野を中心に炭酸ガスの計測、制御
に対するニーズが高まり、種々の方式の検知器をはじめ
とする応用機器が開発、実用化が進められている。しか
し、実用上、その信頼性、およびメンテナンス性に課題
がある。また、それらの課題は特にセンサに起因した問
題が大半を占めるといっても過言ではない。

ところで、従来の単一素子型の炭酸ガスセンサとして雰
囲気の炭酸ガスに対してボテンシオメトリックな出力を
持つ固体電解質型の素子、あるいはゼオライトやアパタ
イト素子に見られる抵抗変化型素子が挙げられる。

従来、この種の炭酸ガス検知装置は第９図および第１０
図のように炭酸ガスセンサとして固体電解質型のものを
使用したものが一般的であった。

以下、その構成について説明する。

図に示すように、炭酸ガスセンサ１はガス感知部２とこ
のガス感知部２を加熱するヒータ部３とを備え、ガス感
知部２は固体電解質からなるイオン伝導体としてのＮＡ
Ｓ　ＩＣＯＮ　（ナトリウムイオン伝導性セラミックス
）板４の両端に一対の多孔質な電極層５．６を設け、さ
らに一方の電極層５の一部あるいは全部を覆う形状で炭
酸ナトリウム７が担持され、他方の電極層６には混合伝
導性セラミックス（たとえば、Ｌ　ａ　１−ｘ　Ｓ　ｒ
　ｘＣｏ　Ｏ３）が担持されている。炭酸ナトリウム７
を担持している電極層５を陰極層と称し、混合伝導性セ
ラミックス８を担持している電極層６を陽極層と称し、
ガス感知部２を構成していた。また、ガス感知部２には
片面下部に加熱用のヒータ部３を備え、ガス感知部２を
動作温度にヒータ部３で加熱し、陰陽極層５，６より雰
囲気の炭酸ガス濃度を電気的に検出していた。

ヒータ部３には加熱手段９により所定の直流電圧を加え
、ガス感知部２を３００〜５００℃に加熱することによ
りガス感知部２に発生した電圧出力は濃度演算手段１０
において電気的な信号処理し、雰囲気中の炭酸ガス濃度
に比例した炭酸ガス濃度信号を濃度出力手段１１より出
力される。

発明が解決しようとする課題 このような従来の炭酸ガス検知装置では、以下のような
課題を有していた。すなわち、その第１の課題として、
炭酸ガスセンサ１を実用上、高精度かつ、高速応答性を
付与させるためには、可能な限り高温で駆動させる必要
がある。しかし、第１１図に示すように駆動温度の上昇
に伴い、熱的な反応に起因する経時的な出力のドリフト
が生じ易くなり、ガス感知部２の寿命を著しく阻害する
ことになった。

つぎに第２の課題として、ガス感知部２の電極層５に担
持している炭酸ナトリウム７は吸湿性をもっているため
、湿度雰囲気下で加熱、冷却を繰り返すと電極層５から
剥離脱落したり、結露水により溶出したりして素子の寿
命を阻害することになった。

本発明は上記課題を解決するもので、素子を間欠的に駆
動させ、正味の駆動時間を短縮させることにより、高温
駆動条件下においても経時的なドリフトを減少させ、長
期間にわたり高い信頼性を有する炭酸ガス検知装置を提
供することを第１の目的としている。

また、上記第１の目的に加えて長期間高湿度雰囲気下で
素子を間欠的に駆動させても安定した出力が得られる高
信頼度の炭酸ガス検知装置を提供することを第２の目的
としている。

課題を解決するための手段 本発明は上記第１の目的を達成するために、第一の手段
の炭酸ガス検知装置は、ガス感知部を酸化物系セラミッ
クで構成しがっ前記ガス感知部を動作温度に加熱するた
めのヒータ部を具備した炭酸ガスセンサと、前記炭酸ガ
スセンサを駆動温度に保持する加熱手段と、前記加熱手
段を間欠的にＯＮ−ＯＦＦ加熱制御するための加熱制御
手段と、前記炭酸ガスセンサの検知信号から雰囲気中の
炭酸ガス濃度を算出する濃度演算手段と、前記濃度演算
手段から受けた炭酸ガス濃度信号を出力する濃度出力手
段とを備え、前記加熱手段は加熱制御手段により間欠的
にＯＮ−ＯＦＦ制御するようにしたこ七を第１の課題解
決手段としている。

また、ｉＪ２の目的を達成するために、上記第１の課題
解決手段に加えて、加熱制御手段はガス感知部温度が１
００℃以上に保持されるように加熱手段を制御するよう
にしたことを第２の課題解決手段としている。

さらに、第１および第２の目的を達成するために、上記
第２の課題解決手段に加えて、加熱制御手段は外部トリ
ガ発生手段の外部トリが信号で駆動するようにしたこと
を第３の課題解決手段としている。

作　　　用 本発明は上記した第１の課題解決手段により、加熱手段
が間欠的にＯＮ−ＯＦＦ駆動され、ガス感知部の実駆動
時間が短縮されるため熱的な反応によるガス感知部の経
時的なドリフト量が軽減される。

また、第２の課題解決手段により、加熱制御手段により
加熱手段がＯＦＦ駆動状態でもガス感知部温度は１００
℃以上に保持され、高湿雰囲気下で間欠的にＯＮ−ＯＦ
Ｆ駆動させてもガス感知部の炭酸ナトリウムは雰囲気中
の水分の吸、放出による陰極層からの剥離がな（なる。

さらに、第３の課題解決手段により、外部トリガ信号発
生手段からの出力信号にのみ加熱制御手段により加熱手
段が駆動できかつ、ＯＦＦ駆動時もガス感知部が１００
℃以下にならず、外部トリガ信号の出力条件を目的に応
じ設定することにより、−層ガス感知部の実駆動時間を
短縮でき、かつ高湿下でも湿度の影響を受けることがな
い。

実　　施　　例 以下、本発明の第１の課題解決手段の実施例について、
第１図および第２図に基づいて説明する。なお、従来例
と同じ構成のものは同一符号をつけて詳細な説明は省略
する。

図に示すように、炭酸ガスセンサ１はガス感知部２とそ
れを動作温度に加熱するヒータ部３とで構成している。

ヒータ部３は加熱手段９に接続し、その温度を一定に保
持するように電力を供給している。加熱手段９は加熱制
御手段１２に接続し、その駆動状態を制御している。濃
度演算手段１０はガス感知部２の信号を入力とし、炭酸
ガス濃度を演算する。濃度出力手段１１は濃度演算手段
１０の信号を入力とし、炭酸ガス濃度を電気信号として
出力する。

ヒータ部３はリレー接点１３を介して加熱手段９に接続
している。加熱制御手段１２は加熱手段９を周期的にＯ
Ｎ−ＯＦＦ加熱駆動させるための周期信号を発生させる
無安定マルチバイブレータ１４と、その信号を入力とし
リレー１５をＯＮ−ＯＦＦする信号を出力するコンパレ
ータ１６と、コンパレータ１６の信号を受けてリレー接
点１３を開閉するリレー１５とから構成している。

上記構成において動作を第３図を参照しながら説明する
。

無安定マルチバイブレータ１４は周期Ｔで連続的に発振
し、周期Ｔの電気信号を出力している。

コンパレータ１６はその周期Ｔの電気信号を入力し、自
身の持っているしきい値と比較しＨｉ　ｇｈ。

Ｌｏｗ信号を出力する。リレー１５はコンパレータ１６
の信号に応じてリレー接点１３を開閉させる。その結果
、ヒータ部３は加熱手段９によって周期Ｔで間欠的にＯ
Ｎ−ＯＦＦ加熱駆動され、実質的な駆動時間は半分に短
縮される。

このように第１の課題解決手段の実施例の炭酸ガス検知
装置によれば、ガス感知部２の実駆動時間が短縮され、
熱的な劣化による経時的な出力信号のドリフトを抑制で
き、寿命を延ばすことができる。

つぎに、第２の手段の実施例について第４図に基づいて
説明する。なお、上記実施例と同じ構成のものは同一符
号をつけて詳細な説明は省略する。

図に示すように、加熱制御手段１２は余熱回路１７を有
しており、この余熱回路１７はヒータ部３のアース側と
反対の端子１８を介してヒータ部３に接続している。な
お、予熱回路１７のヒータ部３への供給電圧はヒータ部
３の加熱温度が少なくとも１００℃以上になるように設
定している。

以上の構成において動作を第５図を参照しながら説明す
る。

ヒータ部３は上記第１の課題解決手段の実施例と同様に
、周期Ｔで開閉を繰り返すリレー接点１３を介して加熱
手段９により間欠的にＯＮ−ＯＦＦ加熱駆動される。リ
レー接点１３が開いている場合、すなわち、加熱手段９
と非接続的な場合でも、予熱回路１７と常に接続され、
１００℃以上に予熱される。したがって、実質的な駆動
時間を半減させるとともに、ＯＦＦ加熱時も、ガス感知
部２を常に１００℃以上に保持される。

このように第２の課題解決手段の実施例の炭酸ガス検知
装置によれば、加熱制御手段１２に予熱回路１７を設け
て加熱手段９を周期的にＯＮ−ＯＦＦ駆動させても、常
にガス感知部２を１００℃以上に保持でき、ガス感知部
２に水分が付着することがな（なり、ガス感知部２の炭
酸ナトリウムは雰囲気中の水分の吸湿、結露による陰極
層からの１離がなくなり、素子の破損を防止できる。

つぎに、第３の課題解決手段の実施例につぃ１第６図お
よび第７図に基づいて説明する。なお、上記第２の課題
解決手段の実施例と同じ構成のｔのは同一符号をつけて
詳細な説明は省略する。

図に示すように、外部トリガ信号発生手段１９は加熱制
御手段１２に接続し、加熱制御手段１２を起動させるト
リガ信号を外部がらの信号入力により発生する。なお、
外部信号として温度、混用などの周囲環境からの信号、
あるいは外部機器Ｃ発停信号などでもよい。

加熱制御手段１２を構成しているコンパレータ１６は外
部トリガ信号発生手段１９に接続し、その信号を入力と
して、リレー１５をＯＮ−ＯＦＦさせる信号を出力して
いる。外部トリガ信号発生手段１９は、外部信号検出部
２ｏとトリガ信号発生部２１から構成されている。外部
信号検出部２゜の検知素子２２は抵抗２３とハーフブリ
ッジを構成し、外部環境に応じた電圧を端子２４に発生
する。トリガ信号発生部２１は、外部信号検出１２０と
端子２４を介して接続され、その出力は端子２５を介し
てコンパレータ１６に入力されている。

上記構成において、第８図（ａ）　、　（ｂ）を参照し
ながら動作を説明すると、検知素子２２は雰囲気の環境
変化に応じてその抵抗値を変化させ、抵抗２３との中点
にあたる端子２４に出力電圧を発生させる。トリガ信号
発生部２１は外部信号検知部２０の出力電圧を抵抗２６
．２７．２８によって定まる増巾度でＯＰアンプ２９に
より増巾し、端子２５に外部トリガ信号を出力する。加
熱制御手段１２は、第８図（ｂ）のように、外部トリガ
信号発生手段１９からの外部トリガ信号をコンパレータ
１６で受け、リレー１５のリレー接点１３を開閉させる
制御信号を出力する。したがって、第８図（ａ）のよう
に、ヒータ部３は外部トリガ信号に応じて加熱手段９と
接続され、動作温度に加熱保持され、ガス感知部２は外
部トリガ信号を目的に応じて選択することにより実質的
な駆動時間を短縮できる。

このように第３の課題解決手段の実施例の炭酸ガス検知
装置によれば、加熱！１Ｊ１手段１２を外部信号により
駆動制御可能となり、ガス感知部２の駆動時間を一層短
縮できて素子の寿命を延ばすことが可能となり、しかも
、ＯＦＦ駆動時もガス感知部２が１００℃以下にならず
、高湿下でも湿度の影響を受けることがない。

発明の効果 以上の実施例から明らかなように本発明によれば、炭酸
ガスセンサを駆動温度に保持する加熱手段を加熱制御手
段によりＯＮ−ＯＦＦ制御するようにし、ガス感知部を
間欠的に動作温度に駆動可能となり、熱的な劣化による
経時的な出力信号のドリフトを抑制でき、寿命を延ばす
ことができる。

また、加熱制御手段はガス感知部の温度を１００℃以上
に保持させるように加熱制御手段を制御するから、加熱
手段を周期的にＯＮ−ＯＦＦ駆動させても、常にガス感
知部を１００℃以上に加熱でき、ガス感知部を雰囲気の
水分の吸湿、結露から保護でき、素子の破損を阻止でき
る。

さらに、加熱、ＩＩＩ　ｍ手段を外部トリガ信号発生手
段の外部トリガ信号で駆動するようにしたから、加熱制
御手段を外部信号により駆動制御可能となり、ガス感知
部の駆動時間を一層短縮でき、より一層素子の寿命を延
ばすことが可能となる。

以上のように、素子寿命を向上させることが可能となり
、その結果、炭酸ガス検知装置の現場での校正、素子交
換の工数が低減され、そのメンテナンス性が著しく向上
する。その結果は、実用上天なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の炭酸ガス検知装置のブロッ
ク図、第２図は同炭酸ガス検知装置の加熱制御手段のブ
ロック図、第３図は同炭酸ガス検知装置の動作タイムチ
ャート、第４図は本発明の他の実施例の炭酸ガス検知装
置の加熱制御手段のブロック図、第５図は同炭酸ガス検
知装置の動作タイムチャート、第６図は本発明の別の実
施例の炭酸ガス検知装置のブロック図、第７図は同炭酸
ガス検知装置の加熱制御手段および外部トリガ信号発生
手段のブロック図、第８図（ａ）　、　（ｂ）はそれぞ
れ同炭酸ガス検知装置の動作タイムチャート、第９図は
従来の炭酸ガスセンサの断面図、第１０図は従来の炭酸
ガス検知装置のブロック図、第１１図はガス感知部の出
力電圧の経時変化特性図である。 １・・・・・・炭酸ガスセンサ、２・・・・・・ガス感
知部、３・・・・・・ヒータ部、９・・・・・・加熱手
段、１０・・・・・・濃度演算手段、１１・・・・・・
濃度出力手段、１２・・・・・・加熱制御手段。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１占用 図 第 図 トー・々載］゛又℃ノず 第 図 第 図 ずり 第１１ 図 １駆　動　逼４　廣　じＣ） 区 し）せ解婆 −Ｊｌ？ｈ杷← 区 ζ） 稼 区

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガス感知部を酸化物系セラミックで構成しかつ前
   記ガス感知部を動作温度に加熱するヒータ部を具備した
   炭酸ガスセンサと、前記炭酸ガスセンサを駆動温度に保
   持する加熱手段と、前記炭酸ガスセンサの検知信号から
   雰囲気中の炭酸ガス濃度を算出する濃度演算手段と、前
   記濃度演算手段から受けた炭酸ガス濃度信号を出力する
   濃度出力手段とを備え、前記加熱手段は加熱制御手段に
   より間欠的にＯＮ−ＯＦＦ制御するようにしてなる炭酸
   ガス検知装置。
2. （２）加熱制御手段はガス感知部の温度を１００℃以上
   に保持させるように加熱手段を制御してなる請求項１記
   載の炭酸ガス検知装置。
3. （３）加熱制御手段は外部トリガ信号発生手段の外部ト
   リガ信号で駆動するようにしてなる請求項２記載の炭酸
   ガス検知装置。