JPH0743646Y2

JPH0743646Y2 - 特定ガス検出装置

Info

Publication number: JPH0743646Y2
Application number: JP1984174666U
Authority: JP
Inventors: 伸明村上
Original assignee: Figaro Engineering Inc
Current assignee: Figaro Engineering Inc
Priority date: 1984-11-16
Filing date: 1984-11-16
Publication date: 1995-10-09
Anticipated expiration: 1999-11-16
Also published as: JPS6189156U

Description

【考案の詳細な説明】〔考案の利用分野〕この考案は特定ガス検出装置の改良に関し、より詳細に
は、金属酸化物半導体の抵抗値の変化を利用したガスセ
ンサを高温域と低温域とに周期的に加熱し、低温域での
ガスセンサの出力から特定のガスを検出するようにした
装置の改良に関する。この考案はさらに詳細には、携帯
用等に、電池を電源として動作する特定ガス検出装置の
改良に関する。

〔従来技術〕

特公昭53-43320号は、金属酸化物半導体の抵抗値の変化
を利用したガスセンサの加熱温度を周期的に変化させ、
低温側での出力から特定のガスを検出する装置を開示し
ている。ここで用いる半導体としては、例えばSnO₂,In₂
Ｏ₃、あるいはZnO等のｎ形半導体や、NiO、Mn₂Ｏ₃等の
Ｐ形半導体が有る。また検出し得るガスとしては、CO,N
H₃,NOx,H₂S,EtOH等が有る。

考案者は、携帯用等に電流を電源としてこの装置を動作
させることを検討した。そしてこの場合の主な用途は、
鉱山や工場、あるいは地下鉄やマンホール等の工事現場
の安全性の確認で有る。この装置では、高温加熱および
その後の温度変化による過渡現象が生ずる期間、通常は
120秒程度、は検出のデッドタイムとなる。このため一
個所での測定ごとに長時間を要することになる。つぎに
装置の消費電力の大部分は、ガスセンサの高温加熱によ
るものとなる。これらの点を解決するため、高温加熱の
頻度を下げると、ガスの検出精度が低下する。

〔考案の目的〕

この考案は、特定ガス検出装置の、検出のデッドタイム
を小さくし、かつ消費電力を節減するとともに、検出精
度の低下防止を図ることを目的とする。またこの考案
は、特定のガスの発生の可能性が高い場合に予告警報を
発生させ、再度正確な検出が行われることを予告するこ
とを目的とする。

〔考案の構成〕

この考案の特定ガス検出装置は、電池電源と、ガスによ
り抵抗値が変化する金属酸化物半導体とこの半導体を加
熱するためのヒータとを有するガスセンサと、ガスセン
サのヒータへの印加電力を周期的に変化させてガスセン
サをヒートクリーニング用の高温域と検出用の低温域と
に周期的に加熱するためのヒータ制御信号を発し、かつ
ガスセンサの前記低温域での加熱期間内にサンプリング
信号を発するタイマ要素と、サンプリング信号により動
作して、低温域におけるガスセンサの出力から特定のガ
スを検出し予告警報を発すると共に、タイマ要素をリセ
ットしてガスセンサを前記高温域に加熱するための高温
域加熱信号をタイマ要素に入力するための手段と、前記
高温域加熱信号に基づいてガスセンサを高温域に加熱し
た後に、サンプリング信号により動作して、低温域にお
けるガスセンサの出力から再度特定のガスを検出し本警
報を発するための手段、とを設けたものである。

この考案では、低温域におけるガスセンサの出力から特
定のガスを検出すると、予告警報により特定のガスが存
在する可能性が有ることを報知し、高温域加熱信号によ
りガスセンサを高温域に加熱する。高温域での加熱の終
了後、低温域でのガスセンサの出力から再度特定のガス
を検出し、実際に特定のガスが存在するか否かを確認す
る。そして実際に特定のガスが存在する場合、本警報で
その旨を報告する。

〔第１の実施例〕第１図（ａ）〜（ｃ）から第２図に、実施例を示す。こ
の実施例は、ヒータ電力のデューティ比の変化によりガ
スセンサの温度を変化させる点、及び説明の便宜のため
ナンド回路やノア回路に代えてアンド回路やオア回路を
用いた点に特徴が有るが、これに限られるものではな
い。

図において、（２）は例えば出力（＋Vcc）5Vの電池電
源で、（４）はタイマ要素でクロック回路（６）とカウ
ンタ（８）とからなる。カウンタ（８）はパルス信号
（Ｈ），（Ｌ）からなるヒータ制御信号と、サンプリン
グ信号（Ｓ）とを発する。ヒータ制御信号はオア回路
（10）を介して、パルス幅変調回路（12）へ入力され、
その出力はガスセンサ（14）のヒータ（16），（18）に
接続したスイッチング要素としてのトランジスタ（Tr
1）、（Tr2）に加えられる。

ガスセンサ（14）は、例えばSnO₂に1wt％のPdを加えた
金属酸化物半導体（20）中に各２Ωの一対のヒータ兼用
電極（16），（18）を埋設したもので、CO検出について
の好ましい動作条件は、高温側が300℃でヒータ（1
6），（18）への合計の電力は約600mW、低温側が約80℃
でヒータ電力は合計で約60mWで有る。ガスセンサ（14）
の加熱温度制御は、トランジスタ（Tr1），（Tr2）のオ
ン−オフによりなされ、例えば高温側のオンのデューテ
ィ比を約16％に、低温側のデューティ比を約1.6％にす
ることにより、温度制御がなされる。デューティ比によ
る温度制御は、出力可変電源を用いる際の電圧ドロップ
による電力損失を解消することと、出力可変電源を不要
とすること、を目的とするもので、トランジスタ（Tr
1），（Tr2）は他の任意のスイッチング要素、例えばリ
レーやダイオード、あるいはSCR、に代えることができ
る。

パルス幅変調回路（12）では、誤差検出回路（22）の出
力により出力パルスの幅を変調して、ガスセンサ（14）
の温度を一定とする。誤差検出回路（22）では、電池
（２）の出力（＋Vcc）をNTCサーミスタ（Th）や抵抗
（R1）等で分割したものを、ツェナーダイオード（Tz
1）で定まる基準電位と比較し、その差を差動アンプ（A
1）により増幅する。ここで電池（２）の出力（＋Vcc）
が低下、または気温が低下すると、アンプ（A1）の出力
が増し、パルス幅変調回路（12）の出力パルスの幅が広
がる。

タイマ要素（４）とパルス幅変調回路（12）の詳細を、
第１図（ｂ）に示す。タイマ要素（４）では、クロック
回路（６）の出力パルスを分周回路（24），（26）で分
周する。分周回路（24）では、160Hzの出力（H1）、16H
zの出力（L1）、0.2Hzの出力（S1）を発し、分周回路
（26）では、１周期例えば30分の最初の１分間は信号
（H2）を、次の29分間は信号（L2）を発し、最初の２分
間を除いた28分間は信号（S2）を発する。これらの信号
は、アンド回路（28），（30），（32）により合成され
て、パルス信号（Ｈ），（Ｌ）、およびサンプリング
（Ｓ）となる。なおサンプリング信号（Ｓ）とパルス信
号（Ｌ）とは非同期としておく。

パルス幅変調回路（12）では、例えばノア回路（42），
（44）でフリップフロップ回路を設け、そのセット入力
をオア回路（10）に、リセット入力をコンパレータ（A
4）に接続する。フリップフロップ回路の出力パルスの
幅はコンパレータ（A4）の比較電位で定まり、誤差検出
回路（22）の出力と電池（２）の出力（＋Vcc）の１次
結合を演算増幅器（A2），（A3）により取り出したもの
を比較電位とする。オア回路（10）から入力パルスが加
えられると、トランジスタ（Tr3）がオフし、抵抗（R
2）とコンデンサ（C1）とからなるタイマが動作し、コ
ンデンサ（C1）がコンパレータ（A4）の比較電位まで充
電される間、出力パルスが生ずる。

ガスセンサ（14）の後段には、ガス検出回路を接続す
る。ガスセンサ（14）には抵抗（R3），（R4）からなる
負荷抵抗を接続し、その出力を差動アンプ（A5）に加え
る。ガスセンサ（14）の出力は、高温加熱後の期間が長
くなるとともに増大し、同じ濃度のガスに対しても大き
な出力を発するようになる。これは低温域でガスセンサ
（14）に徐々に水蒸気が吸着し、吸着した水蒸気がガス
センサ（14）の出力を増加させるためと考えられる。そ
こでタイマとしてのカウンタ（８）の出力に、ファンク
ションゼネレータ（FG）を接続する。ファンクションゼ
ネレータ（FG）の出力はカウンタ（８）の出力で定まる
ようにし、カウンタ（８）の出力が大きいほどファンク
ションゼネレータ（FG）の出力が増加するようにし、か
つフィンクションゼネレータ（FG）の出力が高温加熱後
のガスセンサ出力の増加に応じて増すようにする。この
ようにして高温加熱後の時間の経過による検出精度の低
下を補償する。

差動アンプ（A5）の出力をサンプリング信号（Ｓ）によ
り例えば４ビットのADコンバータ（46）に加え、その出
力により表示回路（48）を動作させる。許容濃度以上の
ガスが発生した場合は、例えば２ビットのシフトレジス
タ（50）を動作させ、その第１段の出力（Q1）により単
安定マルチバイブレータ（52）を動作させてタイマ要素
（４）をリセットし、再度高温加熱を行う。同時にオア
回路（54）を介してブザー（56）を短時間鳴動させ警報
の予告を行うとともに、発光ダイオード（58）を点灯さ
せる。

ガスセンサ（14）の出力は、高温加熱後の時間の経過に
より、徐々に精度が低下する。この精度低下を再度の高
温加熱により解消し、実際に許容濃度以上のガスが存在
することを確認して、アンド回路（60）等によりブザー
（56）を連続鳴動させるとともに発光ダイオード（62）
を点灯させる。ガス濃度が許容濃度以下に低下するまで
の間、高温加熱の間隔が短縮されて、高精度でガスの検
出が行われる。

なおここで、前回の高温加熱後短期間、例えば１〜５
分、の間にガスが発生した場合は、再度の高温加熱を省
略することもできる。また高温加熱を頻繁に繰り返して
行う際の、低温加熱の期間は例えば１〜５分程度とし、
その間のサンプリングパルスの数は任意のものとでき
る。

第１図（Ｃ）により、表示回路（48）等の詳細を示す
と、俺は多数の発光ダイオード（64）等と、その制御用
トランジスタ（66）等とからなり、例えば50〜400ppm程
度の各ガス濃度に従って順次ダイオード（64）等が点灯
する。

第２図により実施例の動作を説明する。ガス濃度が低い
場合、（ａ），（ｂ）のようにヒータ制御信号とサンプ
リング信号とが送られるだけで有る。ここでの動作周期
としては、パルス信号（Ｈ）による高温加熱の期間を30
〜90秒程度とし、パルス信号（Ｌ）による低温加熱の期
間を10〜120分程度とすることが好ましい。またサンプ
リング信号については、高温加熱後の過渡現象が終了す
るまでの期間、例えば30〜90秒、は信号を発さないよう
にするのが好ましい。

第２図（Ｃ）〜（ｇ）はCO等のガスが発生した際の動作
を示し、図の（ａ），（ｂ）とは関係の無い別個の動作
である。第２図（Ｃ）はガスの濃度波形を、（ｄ）はタ
イマ要素（４）からのサンプリング信号を、（ｅ）はガ
スセンサ（14）の出力波形を、（ｆ）はヒータ制御信号
の波形を、（ｇ）はブザー（56）の動作を示す。

ガス濃度が（Ｃ）のように増加すると、それに連れてガ
スセンサ（14）の出力も（ｅ）のように増加し、（ｅ）
に破線で示したシフトレジスタ（50）へのセットレベル
を超過する。ガスセンサ（14）の出力はサンプリング信
号でサンプリングされ、図の場合（ｄ）の左から３番目
の信号で、ガスセンサ（14）の出力が破線のレベルを越
えていることが検出され（第２図（ｅ））、シフトレジ
スタ（50）の第１ビットがセットされる。シフトレジス
タ（50）の第１ビットがセットされると、単安定マルチ
バイブレータ（52）が動作して、タイマ要素（４）がリ
セットされる。この結果、（ｆ）のようにヒータ制御信
号が変化して、ヒートクリーニングが行われる。また単
安定マルチバイブレータ（52）の動作期間の間、オア回
路（54）を介してブザー（56）が（ｇ）のように予告警
報する。しかしながらこの警報には信頼性が無い。また
工場等でガスの有無を点検しながら巡回している使用者
は、予告警報を聞くとその場所で立ち止まる。

ヒートクリーニングが終ると、所定の時間待機した後に
次のサンプリング信号（（ｄ）の左から４番目のサンプ
リング信号）が送られ、再度ガスセンサ（14）の出力を
検出する。この出力がシフトレジスタ（50）のセットレ
ベルを越えていると、シフトレジスタ（50）は第２のビ
ットもセットされ、アンド回路（60）で第１ビットと第
２ビットのアンドを検出して、ブザー（56）は（ｇ）の
ように本警報する。この時フトレジスタ（50）は第１の
ビットもセットされているので、再度タイマ要素（４）
のリセットが行われ、ガス濃度が低下するまでヒートク
リーニングとサンプリングが繰り返される。

これらの動作を整理する。ガスセンサ（14）の出力が増
加するとヒートクリーニングを行い、同時にブザー（5
6）を短期間鳴動させて使用者に予告する。ヒートクリ
ーニングの終了後に再度ガスセンサ（14）の出力をサン
プリングし、出力が低下しないと実際にCO等のガスが発
生したものとして、ブザー（56）を連続鳴動させて本警
報する。そして以降はガス濃度が低下してサンプリング
したガスセンサ出力が小さくなるまで、ヒートクリーニ
ングを繰り返しかつ本警報を継続する。

このようにすると、予告警報によってガスが発生してい
る可能性があることを使用者に知らせ、その後にヒート
クリーニングして再度ガスを検出するので、正確にガス
を検出できる。また常時はヒートクリーニングの頻度を
小さくするので、消費電力を小さくすると共に、ヒート
クリーニングに伴う検出のデッドタイムを少なくでき
る。

次にガスの発生時には、高温加熱の間隔を短縮して、検
出精度を向上させることで有る。

〔第２の実施例〕第３図に、２つのコンパレータ（A6），（A7）を用いた
ガス検出回路の例を示す。この実施例ではコンパレータ
（A6）により低濃度のガスをラフに検出し、フリップフ
ロップ回路（70）を介してタイマ要素（４）をリセット
するとともに、発光ダイオード（58）を点灯させる。次
に高濃度のガスをコンパレータ（A7）により検出して、
フリップフロップ回路（72）によりブザー（56）を鳴動
させる。

〔第３の実施例〕第４図は、ヒータ（116）と金属酸化物半導体（120）と
を分離したガスセンサ（114）に関する実施例で有る。
このガスセンサ（114）では、ヒータ（116）と半導体
（120）とが絶縁分離されているので、ヒータ（116）の
オン−オフは単一のスイッチングトランジスタ（Tr4）
で行うことができる。また同様に、パルス信号（Ｌ）と
サンプリング信号（Ｓ）を同期させても良いので、サン
プリング信号（Ｓ）についての制限が少なく、極端な場
合にはサンプリング信号（Ｓ）はパルス状のものでなく
ても良い。他の点では第３図の実施例と同様で有る。

〔考案の効果〕

この考案では、消費電力を節減するとともに、検出のデ
ッドタイムを短縮し、かつ検出精度の低下防止を図って
いる。またこの考案では、特定ガスの発生の可能性が高
い場合に予告警報を発生させ、再度正確な検出が行われ
ることを予告する。このための携帯用等の装置として、
多数の区間のガス濃度を巡回して検出する場合、多数の
測定点をスピーディに巡回し得るとともに、長時間電池
の交換なしで検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は実施例の電気回路のブロック図、第１図
（ｂ），（ｃ）はその要部回路図、第２図はその動作を
現す波形図、第３図は他の実施例の要部回路図で有る、
第４図はさらに他の実施例の要部回路図で有る。（２）……電池電源、（４）……タイマ要素、（12）……パルス幅変調回路、（14），（114）……ガ
スセンサ、（16），（18），（116）……ヒータ、（Tr
1），（Tr2），（Tr3），（Tr4）……トランジスタ、
（22）……誤差検出回路、（50）……シフトレジスタ、
（70），（72）……フリップフロップ回路。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】電池電源と、ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体とこの半
導体を加熱するためのヒータとを有するガスセンサと、ガスセンサのヒータへの印加電力を周期的に変化させて
ガスセンサをヒートクリーニング用の高温域と検出用の
低温域とに周期的に加熱するためのヒータ制御信号を発
し、かつガスセンサの前記低温域での加熱期間内にサン
プリング信号を発するタイマ要素と、サンプリング信号により動作して、低温域におけるガス
センサの出力から特定のガスを検出し予告警報を発する
と共に、タイマ要素をリセットしてガスセンサを前記高
温域に加熱するための高温域加熱信号をタイマ要素に入
力するための手段と、前記高温域加熱信号に基づいてガスセンサを高温域に加
熱した後に、サンプリング信号により動作して、低温域
におけるガスセンサの出力から再度特定のガスを検出し
本警報を発するための手段、とを設けた特定ガス検出装
置。