JPH0455751A - 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、環境計測等の炭
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ものである。

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。

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考えられる。

以下、第８図および第９図を参照しながら上述した従来
の炭酸ガスセンサについて固体電解質型の場合を例につ
いて説明する。

図に示すように、固体電解質からなるイオン伝導体とし
てのＮＡＳ　ＩＣ０Ｎ　（ナトリウムイオン伝導性セラ
ミックス）板１１１は、その両端に一対の多孔質な電極
層１１２．１１３を備え、さらにその電極層１１２．１
１３のいずれか一方の一部あるいは全部を覆う形状で炭
酸ナトリウム１１２ａが担持され、他方の電極層１１３
には混合伝導性セラミックス１１３ａ（たとえば Ｌａ　　　Ｓｒ　　ＣａＯ２）が担持されている。炭酸
１−Ｘ　　　　　　Ｘ ナトリウム１１２ａを担持している電極層１１２を陰極
層と称し、Ｌ　ａ　ｌ　−Ｘ　Ｓ　ｒ　ｘＣＯＯ３を担
持している電極層１１３を陽極層と称し、炭酸ガスセン
サ１０のガス感知部１１を構成していた。また、ガス感
知部１１には片面下部に加熱用のヒータ部１２を備え、
ガス感知部１１を動作温度にヒータ部１２で加熱し、陰
陽極層１１．２．１１３より雰囲気の炭酸ガス濃度を電
気的に検出していた。

そして、加熱手段１３によりヒータ部１２に所定の直流
電圧を加え、ガス感知部１１を４００℃程度に加熱する
ことによりガス感知部１１に発生した電圧出力は濃度演
算手段１４で電気的な信号を処理し、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１５
より出力されるように構成されていた。

発明が解決しようとする課題 このような従来の構成では、湿度雰囲気でガス感知部１
１を動作させた場合、以下のような課題を有していた。

すなわち、その第一の課題として炭酸ガスセンサ１０は
、ガス感知部１１の経時ドリフトを最小限に抑制させる
ため低温駆動（たとえば４００℃）されているためガス
感知部１１の陽極層に担持されている混合伝導体（たと
えば、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ８）は湿度雰囲気下で５
００℃以下に放置され、雰囲気中の水分に起因する化学
吸着型水酸基を脱離せずに残留させ、ガス感知部１１の
特性に湿度依存性やドリフトを発生させ、炭酸ガス検知
装置の精度、信頼性を著しく阻害するという問題があっ
た。

次に第２の課題として、ガス感知部１１を構成している
炭酸ナトリウム１１２は、吸湿性を持つているため、湿
度雰囲気下で非加熱状態に放置すると、陰極層１１２か
ら吸湿・乾燥により剥離したり、結露水により溶水した
りし、素子の寿命を著しく阻害するという問題があった
。

本発明は上記課題を解決するもので、第１の目的は、ガ
ス感知部１１を定期的に５００℃以上に加熱クリーニン
グさせることにより、低温駆動条件下においても、湿度
雰囲気下で湿度依存性の少ない長期間に渡り高信頼度を
有する炭酸ガス検知装置を提供するものである。

第２の目的は、ガス感知部１１を常に１００℃以上に保
持することにより、長期間高湿度雰囲気下でも安定した
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
ものである。

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の第１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、かつ、前記検知部を駆動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、この炭酸ガス
センサを駆動温度に保持するための加速手段と、前記炭
酸ガスセンサの検知部の特性の経時変化を加熱再生する
ための加熱クリーニングＩＩＪ御手段と、前記炭酸ガス
センサの検知信号から炭酸ガス濃度信号を算出する濃度
演算手段と、この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たものである。

次に第１の目的を達成するための第２の手段の炭酸ガス
濃度検知装置は、第１の手段において加熱クリーニング
制御手段を外部トリガ信号で駆動するように外部トリガ
発生手段を備えたものである。

さらに、第１および第２の目的を達成するための第３の
手段の炭酸ガス濃度検知装置は、第２の手段の炭酸ガス
センサのヒータ部が常に１００℃以上に保持されるよう
にヒータ予熱手段を備えたものである。

作　　　用 本発明は上記した第１の手段によれば、加熱クリーニン
グ手段により定期的にガス感知部が５００℃以上に一定
時間加熱されるため、陽極表面に吸着した化学吸着型の
水酸基が脱離し、ガス感知部の経時的に変化した特性が
再生される。

第２の手段によれば、外部トリガ信号発生手段からの出
力信号にのみガス感知部が加熱再生されるため、外部ト
リガ信号の出力条件を使用環境に応じて設定することに
より、第１の手段に較べ、不必要にガス感知部を５００
℃に加熱させずに、高湿下でも湿度の影響に左右されず
安定した出力が得られる。

また、第３の手段によれば、ヒータ予熱手段によりガス
感知部が常に１００℃以上に保持され、かつ、外部トリ
ガ信号手段からの出力信号にのみガス感知部が加熱再生
されるため、湿度雰囲気下でも、ガス感知部を湿度によ
る劣化や高温駆動による熱劣化を軽減させることができ
る。

実施例 以下、本発明の第１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、従来例と同一部分には同一番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１０はガス感知部１１
とそれを動作温度に加熱するためのヒータ部１２とから
構成され、ヒータ部１２には加熱手段１３に接続され、
その温度が一定に保持されるように電力供給されている
と同時に、加熱クリーニング＄ＩＪ　ｍ手段１と接続さ
れ、ガス感知部１１が定期的な加熱クリーニングをされ
るように電力供給されている。濃度演算手段１４はガス
感知部１１の信号を入力とし、炭酸ガス濃度を演算する
。また濃度出力手段１５は濃度演算手段１４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。そし
て、加熱クリーニング制御手段３ａは、加熱クリーニン
グ電圧を発生させる加熱クリーニング電源部３１と、加
熱クリーニング周期を決定する加熱クリーニング周期設
定部３２と、加熱クリーニング時間を決定する加熱クリ
ーニング時間設定部３３と、前記加熱クリーニング周期
設定部３２あるいは加熱クリーニング時間設定部３３の
いずれか一方の信号を入力とし、Ｈ信号あるいはＬ信号
を出力するコンパレータ部３４と、このコンパレータ部
３４の信号を入力として、リレー接点３５ａ、および３
５ｂを開閉するリレー部３５とから構成されている。ま
た、ヒータ部１２は、加熱手段１３と加熱クリーニング
電源部３１と各リレー接点３５ａ、および３５ｂと並列
に接続されている。

以上のように構成された力ａ熱クリーニング制御手段３
ａについて以下にその動作について説明する。

上記構成において、電源がオン状態になるとともに加熱
クリーニング周期設定部３２がらの信号を入力とし、コ
ンパレータ部３４はＨ信号を出力し、リレ一部３５はそ
の信号をうけて、リレ一部接点３５ａを開状態にしヒー
タ部１２を加熱手段１３から切り離す。それと同時にリ
レー接点３５ｂを閉状態にし加熱クリーニング電源部３
１をヒータ部１２と接続させ加熱クリーニングを開始し
、ヒータ部１２の温度をＴｃにするように加熱する。次
に、を時間後にコンパレータ部３４は加熱クリーニング
時間設定部３３からの信号が入力されるとＬ信号を出力
し、リレ一部３５のリレー接点３５ｂを閉状態から開状
態に切り替え、加熱クリーニングを終了させる。と同時
にリレー接点３５ａを開状態から閉状態に切り替え、ヒ
ータ部１２の温度をＴ、に保持させるように加熱手段１
３と接続させる。これを繰り返すことによりヒータ部１
２は周期Ｔでｔ時間加熱クリーニングを定期的に受ける
ことになるもので、その様子を第７図Ａのタイミングチ
ャートで示す。

次に第２実施例について第３図および第４図に基づいて
説明する。

なお、第１実施例と同一のものは同一番号をつけて詳細
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６は加熱クリ
ーニング制御手段３ｂと接続され、外部信号の入力によ
り加熱クリーニング開始のトリガ信号を加熱クリーニン
グＩＩＪ御手段３ｂに出力する。そして、加熱クリーニ
ング制御手段３ｂは、加熱クリーニング電源部３１と加
熱クリーニング時間設定部３３と外部トリガ信号発生手
段６、あるいは前記加熱クリーニング時間設定部３３の
いずれか一方の信号を入力とし、Ｈ信号あるいはＬ信号
を出力するコンパレータ部３４と、リレ一部３５とから
構成されている。また、外部トリガ信号発生手段６は、
外部信号検出部６１とトリガ信号発生部６２から構成さ
れている。そして、外部信号検出部６１の検知素子６１
１（たとえば湿度検知素子でもよい。）は抵抗６１２と
７）−ツブリッジを構成し、外部環境に応じた電圧を端
子６１３に発生する。トリガ信号発生部６２は、外部信
号検出部６１と端子６１３を介して接続され、その出力
は端子６２５を介してコンパレータ部３２に人力される
。

以上のように構成された加熱クリーニング制御手段３ｂ
、および外部トリガ信号発生手段６について以下にその
動作を説明する。

上記構成において、検知素子６１１は雰囲気の環境変化
に応じその抵抗値を変化させ、抵抗６１２との中点にあ
たる端子６１３に出力電圧を発生させる。トリガ信号発
生部６２は、外部信号検出部６１の出力電圧を抵抗６２
１，６２２．６２３によって定まる増巾度でＯＰアンプ
６２４により増巾し、端子６２５に外部トリガ信号を出
力する。

一方、コンパレータ部３４は、トリガ信号発生部６２か
らの信号を入力とし、Ｈ信号を出力し、リレ一部３５は
その信号を受けてリレー接点３５ａを開状態にし、ヒー
タ部１２を加熱手段１３から切り離す。それと同時にリ
レー接点３５ｂを閉状態にし加熱クリーニング電源部３
１をヒータ部１２と接続させ加熱クリーニングを開始し
、ヒータ部１２の温度をＴｃにするように加熱する。以
下、第１実施例の場合と同様に加熱クリーニングを終了
させる。以上のように、加熱クリーニングを外部信号に
よりコントロールされるもので、その様子を第７図Ｂの
タイミングチャートに示す。

さらに第３実施例について第５図および第６図に基づい
て説明する。

なお、第２実施例と同一のものは同一番号をつけて詳細
な説明は省く。

図に示すように、ヒータ予熱手段７は加熱手段１３と接
続され電源電圧の供給を受け、加熱手段１３から電源電
圧の供給を受ける電源電圧入力部７１と、電源電圧入力
部７１の出力電圧を入力とし、その電圧の充電を行う充
電部７２と、この充電部７２の出力電圧を入力とし、ヒ
ータ部１２の予熱電圧を発生させる予熱電源発生部７３
と、電源電圧入力部７１に電源電圧が入力されているか
否かを判定する電源入力判定部７４から構成され、予熱
電源発生部７３は、ヒータ部１２と接続されている。ま
た充電部７２はリレー接点７４ａを介して予熱電源発生
部７３と接続されている。

以上のように構成されたヒータ予熱手段７について以下
にその動作について説明する。

上記構成において、まず、炭酸ガス検知装置の電源がオ
ンの状態のヒータ予熱手段７の動作について説明する。

電源がオン状態になると同時に、電源電圧が電源電圧入
力部７１に入力され、その出力は充電部７２に入力され
る。充電部７２は電源オン状態の期間だけ充電を継続す
る。一方、同時に電源入力判定部７４は電源電圧入力部
７１に電源電圧が入力されていると判断し、内蔵のリレ
ー接点７４ａを開状態にし、充電部７２の放電を抑止す
る。次に、炭酸ガス検知装置の電源がオフ状態のヒータ
予熱手段７の動作について説明する。電源入力判定部７
４は、電源電圧入力部７１に電源電圧が入力されていな
いと判断し、内蔵のリレー接点７４ａを閉状態にし、充
電部７２の放電を開始させる。予熱電源発生部７３は充
電部７２からの出力電圧を入力とし、ヒータ部１２にヒ
ータ予熱電圧を出力し、ヒータ部１２を予熱温度すなわ
ち、１００℃以上に加熱する。なお、この場合ヒータ部
１２は、リレー接点３５ａ、３５ｂは開状態となってい
るため、加熱手段１３および加熱クリーニング制御手段
３ｂから電源供給を受けない。このように電源のオン・
オフ状態に応じて上記動作を繰り返し、常にヒータ部１
２は１００℃以上に保持されつづけるもので、その様子
を第７図Ｃのタイミングチャートで示す。

発明の効果 以上のように本発明によれば、ガス感知部を周期的に５
００℃以上加熱クリーニング処理を行っているので、雰
囲気中の水分に起因する化学吸着型の水酸基を除去でき
るため、その特性の経時的なドリフトを抑制し、湿度雰
囲気下でも長期間安定な動作が期待できる。

また、ガス感知部の５００℃以上の加熱を極力抑えるた
め、外部信号の入力のときのみ加熱クリーニング処理を
行うようにしているため、最小限の加熱クリーニング回
数で、湿度雰囲気下でも熱的な劣化を併発せずに、長期
間安定に動作させることができる。

さらに、ヒータ予熱手段を設けることにより、停電等で
電源供給がされない場合でもガス感知部を１００℃以上
に保持できるため、雰囲気中の水分の吸湿・結露からガ
ス感知部を保護し、素子の破損を防止できる。

以上のように、加熱クリーニング処理、あるいはヒータ
予熱処理をほどこすことにより、雰囲気中の水分に起因
した素子の劣化を防止できるため素子寿命の向上につな
がる。その結果、炭酸ガス検知器の現物での校正、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
上する炭酸ガス検知装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の炭酸ガス検知装置の構成
を示すブロック図、第２図は同加熱クリーニング制御手
段の構成を示すブロック図、第３図は本発明の第２実施
例の炭酸ガス検知装置の構成を示すブロック図、第４図
は同加熱クリーニング制御手段、および外部トリガ信号
発生手段の構成を示すブロック図、第５図は本発明の第
３実施例の炭酸ガス検知装置の構成を示すブロック図、
第６図は同ヒータ予熱手段の構成および他との構成を示
すブロック図、第７図のＡ、Ｂ、Ｃ図は各手段の炭酸ガ
ス検知装置のヒータ部の加熱のタイミングチャート、第
８図は従来の炭酸ガスセンサの構成を示す断面図、第９
図は従来の炭酸ガス検知装置の構成を示すブロック図で
ある。 ３ａ、３ｂ・・・・・・加熱クリーニング制御手段、６
・・・・・・外部トリガ信号発生手段、７・・・・・・
ヒータ予熱手段、１０・・・・・・炭酸ガスセンサ、１
１・・・・・・ガス感知部、１２・・・・・・ヒータ部
、１３・・・・・・加熱手段、１４・・・・・・濃度演
算手段、１５・・・・・・濃度出力手段。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名第１図 第 図 第 図 第 図 （Ａ） ｂ 軽裔睦閣 第 図 第 図 ゴλ−−−一一一−−一−−−一−−」第 図 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）検知部を酸化物系セラミックで構成され、かつ前
   記検知部を駆動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、この炭酸ガスセンサを駆動温度に
   保持するための加熱手段と、前記炭酸ガスセンサの検知
   部の特性の経時変化を加熱再生するための加熱クリーニ
   ング制御手段と、前記炭酸ガスセンサの検知信号から炭
   酸ガス濃度信号を算出する濃度演算手段と、この濃度演
   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
   手段とを備えた炭酸ガス検知装置。
2. （２）加熱クリーニング制御手段を、外部トリガ信号で
   駆動されるように外部トリガ信号発生手段を設けてなる
   請求項１記載の炭酸ガス検知装置。
3. （３）ヒータ部を常に１００℃以上に保持するようにヒ
   ータ予熱手段を設けてなる請求項２記載の炭酸ガス検知
   装置。