JPS58139056A - ガス検出装置 - 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】 本発明はガス検出を必要とする各種機器に応用できる検
出装置に関するものヤある。

従来、ガス検知素子として各種のものが考案されており
、その中でも半導体式ガス検出素子はガス濃度を電気抵
抗の形に変換できるという特徴から各種の材料を用いた
ものが実用化されている。

半導体ガス検出素子の材料として、ＺｎＯ，５ｎ０２゜
Ｆｅ２Ｏ３，Ｉｎ２ｏ５．　ＷＯｓ等がある。

一般にｚｎｏ　、　５ｎ０２等のｎ型半導体の表面に還
元性ガス（たとえば水素、炭化水素等の電子供与性分子
）が吸着すると、ｎ型半導体中のキャリヤ密度が増加し
、電気抵抗は減少する。また、酸化性ガス（たとえば酸
素などの電子吸引性分子）が吸着するとキャリヤ密度は
減少し、電気抵抗が上昇する。以上は半導体ガス検出素
子として、ｎ型半導体を用いた場合のガス検知機構であ
る。

半導体ガス検知素子にｐ型半導体を使用した場合、還元
性ガス中では電気抵抗は増加し、酸化性ガス中では電気
抵抗は減少する。

なお、半導体ガス検出素子は高い温度下で使用される。

その理由は、低い温度下では化学吸脱着が緩慢であるだ
めである。

前述の半導体ガス検知素子の電気抵抗とガス濃度との間
にはＲ１−；Ｋｘの関係があり、αの絶対値が１よりも
小さいため、電気抵抗の対数とガス濃度の対数の場合の
み比例関係が成立する。

上記関係式において、Ｒは半導体ガス検出素子の電気抵
抗、Ｘは比例定数、Ｘはガス濃度、αは定数である。

前述の半導体ガス検知素子を用いて、ガス検出装置を構
成する場合、ガス濃度の基準値と比較し、ガス濃度の大
小のみを判断し、オン−オフ信号を出力するような機器
であれば問題ないのであるが、ガス濃度計等の計測器の
ように連続的な信号が必要な場合もある。このような機
器では、出力信号はガス濃度に比例している方が各種機
器とのインターフェースも容易であり、人間が確認９判
断を行なう場合にも便利である。

しかし前述のようにガス検知素子の電気抵抗とガス濃度
の関係は非線形であるため、単純に電気抵抗を測定する
だけではガス濃度に比例した信号を得ることはできず、
演算回路が必要となる。

演算回路として、従来からある方法には、ログアンプと
アンチログアンプを組み合せる方法と、折線近似回路を
用いる方法とがある。

前者の方法は精度の点では問題ないのであるがログアン
プ、アンチログアンプは調整箇所が多く、回路的に複雑
となり、部品点数も多いため、検出装置のコスト上昇の
原因となる。後者の方法では、精度の点に問題があり、
精度を上げようとすると、部品点数と調整箇所が増加し
、コスト上昇の原因となり、回路の互換性も低く量産性
は悪い。

本発明の目的は従来の問題点を解決できるガス検出装置
を提供することにある。

本発明は電気抵抗がガス濃度に依存する半導体ガス検知
素子と電気抵抗が光照射量に依存する光検知素子と固体
発光素子を用い、前記固体発光素子と光検出素子を光学
的に結合し、前記半導体ガス検知素子と前記光検知素子
の抵抗の比あるいは積が一定になるよう固体発光素子に
電流を通ずることで、従来の問題点を解決したものであ
る。

以下、本発明の詳細について説明する。

半導体ガス検知素子として’ｇＣｒ２０ａ−Ｔｉ０２系
セラミック感応体を用いた場合について説明する。

第１図に４００℃の高温雰囲気中における上記半導体ガ
ス検知素子の特性を示す図である。

第１図の半導体ガス検知素子の抵抗とガス濃度の関係は
次式で近似することができる。

Ｒ＝　Ｒｏ−（Ｈｚ／Ｈｏ）（Ｍ−−−（１）ただしＲ
：半導体ガス検知素子の抵抗〔Ω〕Ｒｏ：基準ガス濃度
における半導体ガス検知素子の抵抗〔Ω〕 Ｈｘ：ガス濃度（ｐｐｍ） Ｈｏ：基準°ガス濃度（ｐｐｍ） α　：定数 ここでαの値は半導体ガス検知素子とガスの種類によっ
て決まる値であり、第１図に示す半導体ガス検知素子で
はα−ｉｏ、４４である。

第１図に示す特性を有する半導体ガス検知素子を用いて
第２図に示す検出装置を構成した。

第２図は本発明による検出装置の一実施例を示すブロッ
ク図である。

第２図において、発熱体１は半導体ガス検知素子２を所
定の高温度に保つためのものであり、電源３より電力が
供給される。半導体ガス検知素子２、固定抵抗器４．固
定抵抗器６．および光検知素子６はブリッジ回路を構成
する。前述のブリッジ回路には定電圧源７より電圧が印
加される。ブリッジ回路の不平衡電圧は差動増幅器８に
より増幅される。差動増幅器８の出力端子には固定抵抗
器９と表示器１ｏが接続されており、固定抵抗器９の一
端は光検砺素子６と光学的に結合された固体発光素子１
１に接続されている。

以上のようにして、前述のブリッジ回路が平衡を保つよ
うに差動増幅器を動作させる。

半導体ガス検知素子２の抵抗をＲ１固定抵抗器４の抵抗
をＲ１，固定抵抗器６の抵抗をＲ２、光検知素子６の抵
抗をＲｐとすると、次式の関係が成立する。

ｕ、Ｒｐ＝１’ｈ・Ｒ２・・・・・・・・・・・・（２
）式（２）中のＲ，、Ｒ２は定数であり、半導体ガス検
知素子２と光検知素子６の抵抗の積Ｒ＠ＲＯは一定とな
る。

ココテ光検知素子６として、Ｃｄｓ　、　ｐｂｓ　、　
Ｃ（ｉｓｅ。

Ｐｂ８ａ　、　ＰｂＴ６　、　ＩｎＳｂ　、　ＧＩＬＡ
！！系のいずれでも使用することができるが、この実施
例ではＣｄＳ系の光検知素子を用いた。

ここで光検知素子６の抵抗Ｒｐと光の強度の関係は次式
で近似できる。

Ｒｐ　＝　Ｋ・（Ｉｘ／Ｉｏ）Ｔ−−−−−−−−−−
−−（ａ）ただしＸｘ：光束［［ｍ）　　　　′ 工ｏ：基準の光束［［ｍ：］ Ｘ　：光検知素子６によって決まる定数〔Ω〕 γ　：光検知素子６によって決まる定数式（３）におけ
るγの値は０よりも小さく、その絶対値は０．３〜１．
０の範囲内のものがあるが、ここではガス検知素子のα
の絶対値と等しいものを使用し、γ＝　−０，４４とす
る。

式（２）に式（１）、（３）を代入すると、次式が得ら
れる。

Ｒ＋　＠Ｒ２＝　Ｒｏ　＠　（ＨＸ／１０　）”＊　Ｋ
□　ｅ　（Ｉｚ／ＩＯ）　”、・・・・・（４１ここで
、ＲＯ、ＨＯ、ＫＯ、ＩＯ、Ｒ１，Ｒ２は定数であるの
で、Ｋ１＝　Ｒ１５Ｒ２，Ｋ２　＝　ＲＯ＠ＫＯ／（Ｈ
Ｏ’＠ｌ０Ｔ）とし、これらを式（４）に代入すると、
次式のようになる。

Ｋ＋　＝　Ｋ２　＊ＨｘＣＭ＊　ＩｘＴ＝−＝・−＝　
　　（５１式（６）において、αとγの絶対値は等しく
、その符号のみが異なるだけであるため、αとγの関係
は次式で表わせる。

γ＝−α　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・　（６）式（６）に式（６
）を代入すると次式が得られる。

Ｋ１　”拳に２ｅＨ）Ｃ’＝　　Ｉｚ’　　・・・・・
・・・・＝・　　（７１式（ηより次式の関係が成立す
る。

Ｈｘ　＝　Ｋｓ・Ｉｘ・・・・山・・・・・・・・・山
・・・・・・・・　ｔａ＋ただしに３は比例定数である
。

式（８）のＩｘは固体発光素子１１より供給される光で
あり、　１．と固体発光素子１１に流れる電流Ｉｉとの
間には次式の関係がある。

Ｉ）Ｃ＝［４・Ｉｉ　　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・　（９）ただしに４は比例定数で
あり、単位は１ｍｌムである。

式（９）のＩｉは差動増幅器８の出力より供給さ江差動
増幅器の出力電圧ｖ１とすると、ｖｌと１１の関係は次
式のようになる。

ｉｌ　＝　（Ｖ＋−ＶＦ）／Ｒ３−−−・−−Ｃ１ｏ）
ただし、Ｖｌｒは固体発光素子１１の順方向電圧降下で
あり、はぼ一定とみなせるため定数とする。

Ｒ３は固定抵抗器９の抵抗である。

式（１０）に式＋８）　Ｉ　（９）を代入するとＨｘ　
＝　Ｋ５ｅＫ４（Ｖ＋　−Ｖｙ）／Ｒｓ　　−・−−−
−−＝　（１１）となり、Ｋｓ　、　Ｋ４　、　Ｖｙ　
、　Ｒｓは定数であることから、ガス濃度Ｈｚと差動増
幅器８の出力ｖ１との間には比例関係が成立する。

上記説明では、半導体ガス検出素子としてＭｇＣｒ２０
４−ＴｉＯ２系材料を用いた場合であるが、本発明にお
いては半導体ガス検知素子の感応体材できる半導体ガス
検知素子であれば使用することができる。

以上はガス濃度増加により、電気抵抗が増加する半導体
ガス検知素子についての説明であり、逆の特性、たとえ
ば還元性ガス中におけるｎ型半導体等のようにガス濃度
増加により、電気抵抗が減少する半導体ガス検知素子の
場合には、第２図におけるブリッジ回路の接続を第３図
に示す他の実施例のように変更し、ブリッジ回路が平衡
条件下で、半導体ガス検知素子と光検知素子の抵抗の比
が一定になるようにすれば、同様の結果が得られる。

第３図において、発熱体１２は半導体ガス検知素子、１
３を加熱するのに用いる。発熱体１２には電源１４を接
続し、電源１４より発熱体１２に電力を供給する。

半導体ガス検知素子１２．光検知素子１６．固定抵抗１
６および固定抵抗器１７はブリッジ回路を構成し、ブリ
ッジ回路には定電圧源１８より電圧が印加される。ブリ
ッジ平衡条件下では半導体ガス検知素子１３と光検知素
子１６の抵抗の比は一定となる。ブリッジの不平衡電圧
は差動増幅器１９によって検出、増幅される。差動増幅
器１９の出力には固定抵抗器２ｏと表示器２１が接続さ
れる。固定抵抗器２ｏの一端は固体発光素子２２（発光
ダイオード）に接続される。固体発光素子２２は光検知
素子１６と光学的に結合されており、ブリッジ回路の平
衡が保たれるよう差動増幅器１９を動作させる。

以上の条件下では、半導体ガス検知素子１３の抵抗をＲ
９光検知素子１６の抵抗をＲｐ、固定抵抗器１６　＋　
’　７　ｔ！低抵抗それぞれＲ４、Ｒｓとすると、・次
式の関係が得られる。

１’ｌ　＠ｌ’１５　＝　Ｒｐ　ｅ　Ｒ４・・・・・・
・・・・・・・・・　（１２）ここでＲ、Ｒｐは式（２
＋　、　（３１で表わすことができ、式（１２）に式（
１１１（３）を代入すると、次式が得られる。

Ｒｏ（Ｈｘ／Ｈｏ）′ｖ−Ｒｓ　＝Ｋｏａ（Ｉｘ／Ｉｏ
）Ｔ−Ｒ４・−（１ｓ）ここでＲＯ＋ＨＯ＋　α＋　Ｒ
５ｔＫＯ＋”＋７＋”は定数であり、半導体ガス検知素
子１３の特性はガス濃度の増加にともなって抵抗値が減
少する特性を有していることから、αの値は０よりも小
さい。

そして、γの値も０より小さいことから、半導体ガス検
知素子１３のαあ値と等しいγの値を有する光検知素子
１６を用い、γ＝αとすれば式θ３）は次式のようにな
る。

Ｒ５Ｈｘ’：　Ｋ６Ｘｘ’　　・・・・・・・・・・・
・・・・　（１４）ただしＫ　ｓ　＝＝　Ｒｏ　／（Ｈ
ｏ″−Ｒｓ　）Ｋｂ　＝　Ｋｏ／（Ｉｏ’＊Ｒａ） 式（１４）よりＨ，とＩｘの間には次式のように比例関
係が成立する。

Ｈ２＝に７・１．　　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・　（１６）ただしに７は比例定数である。

式（８）のＩｘは固体発光素子２２より供給される光で
あり、Ｉｘと固体発光素子２２に流れる電流±２とは比
例関係にあり、次式で表わせる。

ＩＸ　＝　ｘｓ・１２　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・　（１６）ただしＲ８は比例定数で、そ
の単位は１ｍ／ムである・ 式（１６）の１２は差動増幅器１９の出力より供給され
る。差動増幅器１９の出力をｖ２とすると、ｖ２と工ｉ
′の関係は次式のようになる。

ｉ２　：　（Ｖ２−ＶＦ）／Ｒ６・−・−−−−−−・
（１７）ただしＶｙは固体発光素子２２の順方向電圧時
　　　　（下であり、Ｒ６は固定抵抗器２ｏの抵抗であ
る。

ここでＶｙはほぼ一定とみなせるため定数とする。

式（１７）に式（１５）　ｌ　（１６）を代入するとＨ
ｘ　＝　Ｒ７＠　Ｋ２Ｓ（Ｖ２−ＶＦ）／Ｒ６−−−−
−−・−（１ｇ）となり、Ｒ７、Ｋａ　、　ＶＦ　、　
Ｒ６は定数であることから、ガス濃度Ｈｘと差動増幅器
１９の出力ｖ２との間には比例関係が成立する。

前述の差動増幅器１９の出力ｖ２を用いて、表示器２１
により表示を行なえば、ガス濃度に比例した表示を簡単
に行なうことができる。

以上実施例を用いて本発明の検出装置を説明したが、前
記実施例は検出装置の半導体ガス検知素子、光検知素子
等を限定するものではない。

本発明にかかるガス検出装置は、上述の説明から明らか
なように、電気抵抗がガス濃度に一依存する半導体ガス
検知素子と電気抵抗が光照射量に依存する光検知素子と
固体発光素子を備え、前記光検知素子と前記固体発光素
子を光学的に結合し、前記ガス検出素子と前記光検出素
子の抵抗の比あるいは積が一定になるよう前記固体発光
素子に電流を通ずることを特徴とするものである。

この装置は次のような特長を有する。

（１）半導体ガス検知素子の種類によらず、使用できる
。

（２）簡単な回路構成でガス濃度に比例した電気信号の
出力できる検出装置が得られる。

（３）高価な部品を使用せず、部品点数も少ないことか
ら量産性が高く、低コストのガス検出装置を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で用いた半導体ガス検知素子のガス特性
を示す図、第２図は本発明によるガス検出装置の一実施
例を示すブロック図、第３図は同じく他の実施例を示す
ブロック図である。 １．１２・・・・・・発熱体、２，１３・・・・・・半
導体ガス検知素子、３，１４・・・・・・電源、４，５
，９，１６゜１７．２０・・・・・・固定抵抗器、６，
１５・・・・・・光検知素子、７，１８・・・・・・定
電圧源、８，１９・・・・・・差動増幅器、１０．２１
・・・・・・表示器、１１．２２・・・・・・固体発光
素子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　電気抵抗がガス濃度に依存する半導体ガス検
   知素子と電気抵抗が光照射量に依存する光検知素子と固
   体発光素子を備え、前記光検知素子と前記固体発光素子
   を光学的に結合し、前記ガス検出素子と前記光検出素子
   の抵抗の比あるいは積が一定になるよう前記固体発光素
   子に電流を通ずることを特徴とするガス検出装置。
2. （２）　　固体発光素子が発光ダイオードであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のガス検出装置
   。