JPH0713601B2

JPH0713601B2 - ガス検出装置

Info

Publication number: JPH0713601B2
Application number: JP6661786A
Authority: JP
Inventors: 繁憲岡村; 靖典小野
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1986-03-25
Filing date: 1986-03-25
Publication date: 1995-02-15
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPS62223661A

Description

【発明の詳細な説明】【発明の利用分野】

この発明は、ガス敏感性金属酸化物半導体を用いたガス
検出装置の改良に関し、特に、半導体の温度を高温域と
低温域とに周期的に変化させるガス検出装置に関する。
この発明は更に詳細には、１つのガスセンサで、メタン
やイソブタン、水素等の可燃性ガスと、一酸化炭素とを
同時に検出するガス検出装置に関する。

【用語法】

この発明では、一酸化炭素は可燃性ガスには含まれない
ものとして扱い、水素やメタン，イソブタンは可燃性ガ
スとして扱う。これは一酸化炭素は毒性の強いガスであ
り、低濃度で検出することが必要だからである。これに
対してメタンやイソブタン，水素等の可燃性ガスの検出
では、目的は主として爆発の防止であり、爆発下限濃度
に対して余裕を持って検出できればよく、検出すべき濃
度は一酸化炭素の場合よりも高い。

【従来技術】

特公昭53-43,320号は、SnO2等の金属酸化物半導体を用
いたガスセンサを、高温域と低温域とに交互に加熱し、
低温域の出力から一酸化炭素を選択的に検出する装置を
開示している。発明者は、この装置の高温域での出力を
利用し、メタン等の可燃性ガスを、一酸化炭素と同時に
検出することを検討した。ところで可燃性ガスに付いては、検出のデッドタイムへ
の制限が有る。例えば都市ガス用ガス漏れ警報器の自主
検定規定は、1000〜12,500ppmのメタン濃度の範囲内で
警報を発すること、及び12,500ppmのメタンに対して60
秒以内に警報を発することを規定している。一方一酸化
炭素の人体への影響は緩慢で、例えば100〜400ppm程度
の一酸化炭素を５分以内に検出すればよい。しかしなが
らセンサの温度を周期的に変化させる場合、加熱周期が
検出速度の律速となり、検出を速やかに行うには、周期
を短縮する必要が有る。ここで加熱周期を短縮すると、
一酸化炭素と水素との相対感度が低下し、水素による誤
報が生じる。そして通常生じ得る水素濃度は、1000ppm
以下である。即ち一酸化炭素の検出に対する要請は、10
0ppm程度の一酸化炭素を1000ppm程度の水素と区別して
検出することに有る。

【発明の課題】

この発明の課題は、（１）１つのガスセンサで、メタン、イソブタン等の
可燃性ガスと、一酸化炭素とを検出すること、（２）検出周期を短縮すること、（３）一酸化炭素を水素から選択的に検出することに
有る。

【発明の構成】

この発明のガス検出装置は、ガスにより抵抗値が変化す
る金属酸化物半導体を用いたガスセンサの加熱温度を、
高温域と低温域とに交互に周期的に変化させるようにし
たものにおいて、高温域におけるガスセンサの出力（V
h）から可燃性ガスを検出するための、可燃性ガス検出
手段と、低温域におけるガスセンサの出力（Vl）を、高
温域でのガスセンサの出力（Vh）と補償常数ｋとによ
り、 Vl−ｋ・Vh に従って補償し、一酸化炭素を選択的に検出するための
一酸化炭素検出手段と、前回の検出時における低温域の出力（Vl）が所定値以上
の場合に、補償常数ｋを減少させて可燃性ガスに対する
補償効果を減少させ、前回の検出時における低温域の出
力（Vl）が所定値未満の場合に、補償常数ｋを減少前の
値に復帰させるための補償常数変更手段とを設けたこと
を特徴とする。ここで低温域での出力と高温域での出力との差をとるこ
とにより、水素の影響を補償し、一酸化炭素に選択的な
出力が得られる。低温域での出力（Vl）は一酸化炭素濃
度と水素濃度により定まり、高温域の出力（Vh）は水素
やイソブタン，メタン等の可燃性ガス濃度で定まる。こ
こで水素は不完全燃焼により一酸化炭素と同時に発生す
ることがあるが、イソブタンやメタンは主としてガス洩
れで発生し、一酸化炭素とメタンやイソブタンが同時に
発生することはない。そこで一酸化炭素を検出する場
合、メタンやイソブタンが同時に発生する可能性を無視
することができ、高温域の出力（Vh）は主として水素に
対する出力であるとすることができる。このため低温域
の出力を高温域の出力で補償することにより、低温域の
出力に含まれる水素の影響を補償することができる。次に前回の検出時における低温域の出力（Vl）が所定値
以上の場合、補償常数ｋを減少させる。これは一時的に
水素が発生した場合、２回続けて低温域の出力が大きく
なることは少なく、複数回続けて低温域で大きな出力が
生じるのは、不完全燃焼等で一酸化炭素が発生している
場合が多いからである。また低濃度の一酸化炭素でも長
時間曝されると危険であり、低温域で大きな出力が生じ
一酸化炭素が発生している可能性が高い場合、徐々に可
燃性ガスへの補償を小さくして、結果的に一酸化炭素の
検出レベルを小さくし、低濃度の一酸化炭素でも検出す
るようにする。またガスセンサの出力としては、センサに直列に負荷抵
抗を接続した際の負荷抵抗への電圧、あるいはセンサの
電気伝導度等が有る。さらには、センサ出力をガス濃度
に比例させるため、あるいは高濃度の水素への補償を制
限し、検出を安全側にシフトさせるため、これらを0.5
〜1.4乗、（より好ましくは0.6〜1.2乗）、程度べき乗
したもの等も用いることが出来る。しかし最も扱い易い
ものは、負荷抵抗への印加電圧である。

【実施例】

以下、メタンと一酸化炭素とを検出対象として実施例を
説明するが、用いるガスセンサに付いては既に種々のも
のが知られており、装置の各部分に付いても公知技術の
範囲内において自由に変更することが出来る。例えばガ
スセンサに付いては、半導体中に単一のヒータ兼用電極
を埋設し、半導体のガス吸着による熱伝導度変化を用い
て、これをヒータ兼用電極の抵抗変化として検出するも
のも知られている。またガスセンサの周囲温度依存性を
補償するため、サーミスタを用いることも知られてい
る。更にセンサと同等の温度係数を有する補償素子を構
成し、これとガスセンサとをブリッジ回路に組み込むも
のも用いられている。

【実施例の構成】

図において、（２）はガスセンサ、（４）、（６）はヒ
ータ兼用の電極で、ここでは金属酸化物半導体としてSn
O₂に少量のPd触媒を添加したものを用いる。センサの温
度は高温域の定常値で400℃、低温域の定常値で80℃で
ある。なおイソブタンや水素の検出の場合、高温域の定
常温度を300℃程度とすれば良く、低温域での温度は室
温としても良い。さらにエタノール等の有機溶剤による
誤報が問題となる場合、活性炭等のフィルターを設けて
も良い。もち論半導体は、ZnOやIn₂O₃等の、他の半導体
に代えても良い。（８）は電源で、その出力（＋Vcc）を装置全体の電源
とし、（10）は例えば60秒周期で動作するタイマで、最
初の30秒間はハイ信号（Ｈ）を、次の30秒間はロウ信号
（Ｌ）を発する。タイマ（10）は、ハイ信号（Ｈ）の終
了直前に高温域でのサンプリング信号（Sh）を発し、ロ
ウ信号（Ｌ）の終了直前にサンプリング信号（Sl）を発
する。（12）は２値電源からなるヒータ電源で、センサ（２）
を高温域と低温域とに加熱するためのものである。なお
低温域におけるヒータ電源（12）の出力を０とし、低温
域での加熱を停止しても良い。（14）、（16）は２つのヒータ（４）、（６）を共に加
熱するためのダイオード、（18），（19）は検出電圧
（Vcc）をセンサ（２）に加えるためのアナログスイッ
チで、（18）はノーマルオープンのアナログスイッチ、
（19）はノーマルクローズのアナログスイッチであり、
オア回路（20）を介し、信号（Sh）、（Sl）により動作
する。（22）は負荷抵抗で、その印加電圧（ＶRL）をセンサ出
力とする。（24）は比較回路、（26）は信号（Sh）により動作する
D.F.F、（28）はメタンの報知用LEDで、これらにより可
燃性ガス検出手段を構成する。（30）はA/D・D/Aコンバータで、信号（Sh）によりセン
サ出力をA/D変換し、以後次の信号までD/A変換した出力
を発する。コンバータ（30）は、任意のメモリー要素に
変更しても良い。（32）はゲインk1の増幅器、（34）は
ゲインk2の増幅器で、k1はk2より大きい。（36）はセン
サ出力と増幅器（32）等の出力との差を得るための増幅
器、（38）は比較回路で、これらにより一酸化炭素検出
手段を構成する。（40）は比較回路で、その出力をCRホールド回路を介
し、カウンター（42）へ加える。カウンター（42）は信
号（Sl）により動作し、比較回路（40）の出力が正で加
算され、負でリセットされる。カウンター（42）にはス
イッチ（A0）、（A1）、（A2）が接続され、カウンター
出力が０でスイッチ（A0）が、１でスイッチ（A1）が、
２でスイッチ（A2）がオンする。これらにより補償常数
変更手段を構成する。（44）は比較回路で、高濃度の一酸化炭素に対し補償を
加えることなく検出を行うために用いる。比較回路（4
4）は設けなくとも良い。（46）はオア回路、（48）は
D.F.F、（50）は一酸化炭素報知用のLED、（52）はオア
回路、（54）はブザーである。（60）〜（69）は抵抗
で、比較回路（24），（38），（40），（44）の比較電
圧や増幅器（32），（34）のゲインを設定するための抵
抗である。

【センサの特性】

第３図に、400℃でのセンサ（２）の特性を示す。図は8
0℃で定常状態に有るセンサを400℃に加熱した際の、一
酸化炭素、メタン、水素、空気への応答を示し、周囲温
度は20℃、湿度は60％である。なおセンサ（２）には活
性炭フィルターを装着し、エタノールの影響を除いて有
る。この温度ではメタンと水素への出力が大きく、一酸化炭
素への出力は無視できる。そして出力は水素濃度の約0.
8乗に比例する。第４図に、400℃の定常状態から80℃へセンサ（２）を
冷却した際の特性を示す。なお測定条件は同様である。低温での一酸化炭素や水素に対する応答は緩慢で、30秒
程度の時間では出力は定常値に達せず、一酸化炭素と水
素とを区別出来ない。また出力は一酸化炭素濃度や水素
濃度の約0.9〜0.7乗に比例する。

【実施例の動作】

第２図により、装置の動作を説明する。第２図１）に示
すように、センサ（２）はハイ信号（Ｈ）により30秒間
高温に加熱され、ロウ信号（Ｌ）により30秒間低温に保
持される。ハイ信号（Ｈ）の終了時付近で、信号（Sh）
により高温側出力（Vh）を取り出し、メタンの検出を行
なう。またロウ信号（Ｌ）の終了時付近で、信号（Sl）
により低温側出力（Vl）を取り出す。第２図２）はメタ
ン検出時のセンサ出力（ＶRL）の波形、第２図３）は一
酸化炭素検出時の波形で、２）と３）は別個の波形であ
る。出力（Vh）、（Vl）は１）のサンプリング信号（S
h），（Sl）に基づいてサンプリングする。メタンに対
する検知レベルは一定で、一酸化炭素に対する検知レベ
ルは補償常数ｋが１から0.7,0へと小さくなるので、
３）のように徐々に変化する。なおメタンへの検知レベ
ルは比較回路（24）に接続した抵抗（60），（61）で定
まり、一酸化炭素への検知レベルは抵抗（64），（65）
で定数部分が定まり、増幅器（32），（34）で補償定数
ｋを考慮した変数部分が定まる。低温側出力（Vl）から、 Vl−ｋ・Vh による補償を加え、水素の影響を除く。ここでｋは最初
１とし（第３図、第４図の特性の場合）、次は0.7と
し、３回目は０とし補償を打ち切る。なお比較回路（4
0）で低温側出力が充分低下したことを確認すると、カ
ウンター（42）はリセットされ、ｋは１に戻る。ｋを１とするのは水素を完全に補償する場合で、徐々に
補償常数を減少させ検出濃度を低濃度側にシフトさせ
る。これは水素に対しては一時的な発生による誤報を避
けると共に、一酸化炭素に対しては検出に時間の要素を
加味し、人体への影響に対応させたものである。なおガス洩れと不完全燃焼が同時に生じることは考え難
く、メタンと一酸化炭素が共存している場合を考慮する
必要はない。従って一酸化炭素の検出では一酸化炭素と
水素の共存を考えればよく、高温域の出力（Vh）は水素
濃度を表すものとして、低温域の出力への水素の影響の
補償に用いる。なお仮に、一酸化炭素，水素，メタンの
３種のガスが同時に発生している場合、補償定数ｋは徐
々に小さくなり、メタンと水素との合計濃度を水素濃度
として補償することによる過補償を防止する。ここで補償定数を１とし差により検出を行った場合と、
低温側と高温側との出力の比により検出を行った場合と
の比較を示す（表１）。この表は、一酸化炭素300ppm中
での出力を基準値とした際の、一酸化炭素と水素の混合
ガス中での出力を示す。なお一酸化炭素と水素とメタン
の３種が混合している場合、Vl−Vhの値は最初は１より
も小さくなるが、補償定数ｋが１から0.7,0へと徐々に
小さくなるのにつれて増加する。表１測定ガス Vl/Vh Vl−Vh CO 300ppm 基準値基準値 CO 300ppm＋H2 3000ppm 0.4 １差を用いる場合水素による影響は解消されているが、比
を用いると水素の共存により出力は低下する。これは水
素により高温側出力は激増するのに対し、低温側出力は
２倍程度にしか増加しないためである。なお上記の実施例では、高温側出力をコンバータ（30）
に記録して、低温側出力をそのまま用いたが、高温側出
力をそのまま用い、低温側出力を記録しても良い。また
補償定数は１と0.7や０の３段階としたが、複数であれ
ば良く、値は自由に変更できる。またセンサの加熱温度
や検出の周期に付いては、センサの特性に応じ自由に変
更することができる。

【発明の効果】

この発明では、メタン、イソブタン等の可燃性ガスと、
一酸化炭素とを同時に検出できると共に、一酸化炭素へ
の選択性を損なうことなく、検出時間を短縮できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の回路図である。第２図１）〜３）はその波形図で、第２図１）はヒータ波形を示し、第２図２）はメタン検出時のセンサ信号の波形を示し、第２図３）は一酸化炭素検出時の波形を示す。第３図、第４図は実施例に用いるガスセンサの特性図で
ある。図に於いて、（２）……ガスセンサ、（４）、（６）……ヒータ兼用
電極、（８）……電源、（10）……タイマ、（12）……ヒータ電源、（24）、（40）、（44）……比較回路、（26）、（48）……D.F.F、（30）……A/D・D/Aコンバータ、（42）……カウンター

フロントページの続き (56)参考文献特開昭55−103453（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−14045（ＪＰ，Ａ) 実開昭56−7056（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半
導体を用いたガスセンサの加熱温度を、高温域と低温域
とに交互に周期的に変化させるようにしたガス検出装置
において、高温域におけるガスセンサの出力（Vh）から可燃性ガス
を検出するための、可燃性ガス検出手段と、低温域におけるガスセンサの出力（Vl）を、高温域での
ガスセンサの出力（Vh）と補償常数ｋとにより、 Vl−ｋ・Vh に従って補償し、一酸化炭素を選択的に検出するための
一酸化炭素検出手段と、前回の検出時における低温域の出力（Vl）が所定値以上
の場合に、補償常数ｋを減少させて可燃性ガスに対する
補償効果を減少させ、前回の検出時における低温域の出
力（Vl）が所定値未満の場合に、補償常数ｋを減少前の
値に復帰させるための補償常数変更手段、とを設けたことを特徴とするガス検出装置。