JPS62238452A - 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】 ［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、とりわけ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
。

［従来技術］ 特公昭５３−４３，３２０号は、５ｎＯｔ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
に周期的に加熱し、低温域の出力から一酸化炭素を選択
的に検出することを、開示している。

しかし実際には、８０℃程度の低温においても、ガスセ
ンサは水素やエタノール等の妨害ガスに感応する（第５
図）。そして低温域での水素やエタノールへの出力は時
間と共に徐々に減少しく第５図）、一酸化炭素への出力
は時間と共に徐々に増大する（第４図）。

ここで特徴的なことは、水素やエタノールが存在する場
合、低温域への移行直後に鋭いピークが生じる点に有る
（第５図）。このピークは水素やエタノール等の妨害ガ
スの濃度で定まり、一酸化炭素やメタン等の可燃性ガス
の影響をほとんど受けない。従ってこのピークは妨害ガ
スに固有なものであり、これを用いて一酸化炭素の検出
への妨害ガスの影響を除くことが出来る。

なおこのような技術に付いては、多数の公知文献が有る
が、例えば特公昭６０−４６，４７９号、特公昭５４−
３７６０号、特開昭５５−１３２゜９４０号、低温域へ
の移行時のピークに付いては言及されていない。

［発明の課題］ この発明は、水素やエタノール等の妨害ガスの影響を除
去し、一酸化炭素への検出精度を向上させることを課題
とする。

［発明の構成］ この発明は、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
とに周期的に変化させ、低温域でのガスセンサの出力か
ら一酸化炭素を検出するようにしたガス検出装置におい
て、 低温域への移行時に生じるガスセンサの出力のピークか
ら、妨害ガスを検出するための、妨害ガス検出手段を設
けたことを特徴とする。

ここで一旦妨害ガスが検出されたならば、これを用いて
一酸化炭素検出への影響を除くことは簡単である。例え
ば低温域での一酸化炭素と妨害ガスとの相対感度は、低
温域への保持時間と共に向上する（第４図、第５図）。

そこで低温域への保持時間を、この場合に延長ずれば、
選択的に一酸化炭素を検出できる。また妨害ガスによる
ピークと低温域での出力とには、定量的関係が有り、ピ
ークを用いて補償を行うことか出来る。

［実施例コ 以下に特定の実施例に付いて説明するが、これに限るも
のではなく、センサや装置の各部分、動作条件等に付い
て、適宜の変更が出来る。例えば、ガスセンサの加熱温
度や加熱周期は適宜に変更でき、センサの構造や材料は
公知技術等の範囲で自由に変更できる。また用いる回路
の各部分に付いては、既に多数のものが知られているし
、個別回路ではなく、マイクロコンピュータ等を用いて
実施することもできる。

第４図〜第７図に、ガスセンサの特性を示す。

このガスセンサはＳｎｏｗに少量の貴金属触媒を加えた
ものであるが、ｎ形のＺｎＯやＦｅｚＯ＋等の金属酸化
物半導体、あるいはｐ形のＮｉｐ、ＣｏＯ等でも、加熱
温度と検出周期とを選べば同様の特性が得られる。セン
サを、高温側を４００’Ｃとし６０秒間、低温側を８０
℃とし９０秒間交互に加熱する。雰囲気は２０℃で、湿
度は６５％である。

ＣＯ中では、低温域で大きな出力が得られるが、応答は
緩慢である。また高温域への移行時に鋭いピークが得ら
れる（第４図）。

水素中では、低温域への移行時、高温域への移行時の双
方でピークが生じ、低温域の出力はピークを示した後徐
々に減少する（第５図）。このピークは経時的にも安定
で再現性があり、検出信号として利用できる。水素とｃ
ｏの混合雰囲気を代表するものとして、Ｈｚｌ　ＯＯＯ
ｐｐｍとＣＯとの混合雰囲気での特性を第６図に示す。

ＣＯが存在しない場合低温域で鋭いピークが生じるが、
ＣＯ濃度を増すとＣＯへの応答と重なってピークは埋も
れてゆく。そして１１０００ｐｐのＣＯ中では、ピーク
は微かなショルダーに変化している。なお高温側への移
行時のピークは、ＣＯと水素の双方に依存し、妨害ガス
の指標とならない。

メタンやエタノールへの応答を、第７図に示す。

メタン中では、高温域では１０〜２０秒程度で程度ンに
応答し、低温域では温度変化と共に出力は激減する。エ
タノール中の特性は水素の場合と類似し、水素とエタノ
ールとは類似のガスとして扱うことが出来る。このこと
は、エタノールをメタノールやプロパツール等の他のア
ルコールに代えても成り立つ。

なお高温側でＬＰＧ等のガスを検出するためには、その
温度を３５０℃程度と約５０〜１００℃下げれば、メタ
ンの場合と同様の特性が得られる。

高温側の温度を変えても、低温側への移行時の水素やエ
タノールのピークは、あまり変わらない。

また検出周期を、例えば高温側３０秒、低温側３０秒と
しても、出力の過渡的ピークや、温度変化後３０秒での
出力は、第４図〜第７図の場合と、同等である。

これらのデータは以下のことを意味する。

ｌ）検出周期を短縮するため、低温側の保持時間を３０
秒程度に短縮すると、一酸化炭素と水素等の妨害ガスと
の相対感度が低下する。

２）妨害ガスの存在は、低温側への移行時のピークから
検出できる。メタンへの出力は低温側への移行と同時に
低下し、ピークと分離している。

またピークは水素濃度と定量的な関係に有る（第５図）
、なおこのことはエタノール中 立する。さらにＣＯと水素とが共存する場合にも、ピー
クの波形は変化するが、ピークの高さは余り変わらない
（第６図）。

３）そこでピークの有無を予め確認し、ピークがない場
合には例えば３０秒後の出力からＣＯを検出し、ピーク
が存在する場合には低温側への保持時間を延長してＣＯ
を検出すれば良い。ここでＣＯへの出力は時間的に変化
するので、検出の基準電位等を時間的に変化させれば良
い。またピークは、センサ出力の絶対値、あるいはピー
ク付近での出力の激しい時間的変化等から、検出できる
。

４）　ピークは妨害ガスに固有で、これから妨害ガス濃
度を検出できる。ピークの高さ等で低温側の出力を補償
すれば、一酸化炭素を選択的に検出できる。補償は、低
温側出力とピーク高さとの差等を用いれば良い。

第１の実施例では（第１図、第２図）、メタンと一酸化
炭素とを検出ガスとし、水素とエタノールとを妨害ガス
としたものに付いて説明する。なおメタンは可燃性ガス
を代表するものであり、加熱温度を下げればそのままＬ
ＰＧ等の検出にも用いることが出来る。またこの実施例
での課題は、検出の周期を例えば６０秒以下に短縮し、
可燃性ガスの検出に付いてのガス漏れ警報機の検定規程
に合致させる点に有る。即ち、都市ガス用ガス漏れ警報
器の検定規程は、１２．５００１）ｐｍのメタンに対す
る検出時間を６０秒以内と規定している。このことは、
検出周期を６０秒以下とせねばならないことを意味する
。もち論検出対象は、一酸化炭素のみとしても良い。

実施例での各信号を表１に、部品配置を表２に示す。

表　１　（第１図での信号系） 信　　号　　　　　　　　　備　　　　　考発生時期 Ｉ］　　　　　　　センサの高温加熱 タイマスタート後３０秒間 Ｌ　　　　　　　センサの低温加熱 Ｉ４終了後９０秒間 ａ　　　　　　　メタン検出 Ｈ側終了時付近 ｂ　　　　　　　　　ｃｏ検出 り側３０秒付近 ｃ　　　　　　　　　Ｃｏ検出 り側９０秒付近 ｄ　　　　　　　妨害ガス検出 り側３〜ｌＯ秒 ｅ　　　　　　　タイマリセット Ｌ側３０秒　　　と高温域への移行 Ｆ　　　　　　　妨害ガス検出信号 Ｘ　　　　　　　ハイホールド、メタン警報Ｙ　　　　
　　　ローホールド、ＣＯ警報表　２　（第１図におけ
る部品配置） センサ（２）　　　高温側４００℃、低温側８０℃ヒー
タ（４） 半導体（６） ヒータ電源（８）　２値出力安定化電源タイマ（１０）
　　電源（８）の制御とサンプリング信号の発生 スイッチ（Ａｏ）　　タイマ（１０）のリセットスイッ
チ（Ａ５）、ハイホールド、ローホールド（Ａ、８） 電源（＋Ｖｃｃ）　　　５Ｖ 負荷抵抗（Ｒ，）　　ＩＯＫΩ スイッチ（ＡＩ）〜基準電位の変更 （Ａ４） 比較回路（１８）ガスの検出 抵抗（Ｒ６）〜（Ｒ５）基準電位の発生ＤＦＦ（３０）
　　　メタンの検出とハイホールドＲ９Ｔ−ＦＦ（３６
）　　妨害ガスの検出ＤＦＦ（３８）　　　Ｃｏの検出
とローホールド図において、（２）はガスセンサ、（４
）はそのヒータ、（６）はＳｎｏｗに少量の貴金属触媒
を添加した半導体である。ガスセンサ（２）の材料や構
造には、他にも多数のものが周知である。ただしここで
は活性炭フィルターをセンナ（２）に装着し、エタノー
ルやイソブタンの影響を除いておく。活性炭フィルター
を設けない場合、エタノール等のガスに対し、水素と同
様の出力が得られる。

（８）はヒータ電源で、その出力（１）は高低２つの値
をとり、センサ（２）を４００℃と８０℃とに加熱する
。加熱温度は、センサ（２）の特性や検出対象に応じ変
更すれば良く、低温側は室温でも良く、ＬＰＧ中のイソ
ブタン検出の場合、例えば３００〜４００℃程度とすれ
ば良い。

（１０）はタイマで、電源（８）の制御とサンプリング
信号の発生とに用いる。このタイマ（１０）は例えば１
２０秒周期で動作し、最初の３０秒間はセンサ（２）を
高温に保持するための信号（１４）と、残る９０秒間は
センサ（２）を低温に保持するためのイ四丹０．）をを
オスー々Ｉマ（１ｎ）は　傅に制定するものではないが
、高温側の終了直前にサンプリング信号（ａ）を発し、
メタンの検出を行う。また低温側移行後３〜ｌＯ秒間、
サンプリング信号（ｄ）を発し、水素のピークを検出す
る。低温側の３０秒経過直前には、サンプリング信号（
ｂ）を発し一酸化炭素を検出すると共に、その直後の信
号（ｅ）でタイマ（ｌＯ）をリセットする。またリセッ
トが行なわれない場合、センサ（２）は更に６０秒間、
なおこれらの各時間は適宜に変更できる、低温側に保た
れ、その終了直前にサンプリング信号（ｃ）を発して、
一酸化炭素の検出を行う。

（１２）は電源でその出力（＋Ｖｃｃ）を装置各部の電
源とし、（Ａ　ｏ）はタイマ（１０）のリセット用スイ
ッチ、（Ｉ４）はオア回路、（１６）はオア回路（１４
）の立ち下がりで動作する単安定マルチバイブレークで
ある。（Ａ、）、（Ａ６）は、後述のホールド時に、ヒ
ータ電源（８）の出力を固定するためのスイッチである
。

（Ｒ１）はセンサ（２）の負荷抵抗で、その印加電圧（
Ｖｒｌ）を比較回路（１８）で基準電位と比較し、検出
を行う。（Ｒ２）〜（Ｒ５）は基準電位発生用の抵抗で
、スイッチ（Ａ１）〜（Ａ４）により、切り替えて用い
る。（２０）、（２２）、（２４）はオア回路、（２６
）はフリップ・フロップ回路、（２８）はアンド回路で
ある。

（３０）はメタン検出用のＤＦＦで、オア回路（３２）
からのサンプリング信号（ａ）、またはＤＦＦ（３０）
の出力（Ｘ）をハイホールド信号としてフィードバック
したものにより動作する。（３４）はメタン報知用のＬ
ＥＤである。これらにより、可燃性ガス検出手段を構成
する。

（３６）はＲ８Ｔ−ＦＦで、信号（ｄ）の存在時のセン
サ出力から、水素のピークを検出する。ピークが存在す
る場合、妨害ガス検出信号（Ｆ）により、タイマ（１０
）のリセットを停止し、低温域への保持時間を６０秒間
延長すると共に、サンプリング信号（ｂ）を遮断する。

これらにより、妨害ガス検出手段と保持時間延長手段と
を、構成する。

（３８）はＤＦＦでその出力をローホールド信号（Ｙ）
とし、（４０）はオア回路、（４２）はアンド回路で、
一酸化炭素の検出に用いる。このＤＦＦ（３８）の動作
時点は、論理式　ｃ＋ｂ−ｎｏｔＦ　＋　Ｙである。（
４４）はＣＯ報知用のＬＥＤである。これらにより、一
酸化炭素検出手段を構成する。

ハイホールド信号（Ｘ）により、センサ（２）は高温側
に連続加熱され、メタンの連続検出が行なイつれる。ま
たローホールド信号（Ｙ）により、センサ（２）は低温
側に保持され、一酸化炭素の連続検出が行なわれる。即
ちスイッチ（Ａ、）、（八〇）により電源（８）の出力
を固定する。またスイッチ（Ａ７）でローホールド時の
メタン検出信号を除去し、スイッチ（Ａ、）でハイホー
ルド時のＣＯ検出信号を除去する。さらに信号（Ｘ）、
（Ｙ）の消滅時には、オア回路（１４）により、タイマ
（１０）をリセットする。

（４６）はオア回路、（４８）は警報用ブザーである。

第２図に、実施例の動作を示す。図中の各一点鎖線は、
検出レベルを示す。センサ（２）が低温域に移行すると
、信号（ｄ）と抵抗（Ｒ３）で定まる基準電位を用い妨
害ガスの検出を行なう。妨害ガスが存在する場合、その
ピークからこれを検出し、妨害ガス検出信号（Ｆ）を用
い、信号（ｂ）を遮断して誤報を防止する。またタイマ
（ｌＯ）のリセット信号（ｅ）をカットし、６０秒間低
温域への保持時間を延長する。次いで信号（ｃ）と抵抗
（Ｒ６）で定まる基準電位とを用い、一酸化炭素を検出
する。その濃度が警報濃度以下の場合、タイマ（ｌＯ）
は最初の状態に戻り、高温加熱へと移行する。

妨害ガスが存在しない場合、Ｌ側３０秒後の信号（ｂ）
と、抵抗（Ｒ４）で定まる基準電位とを用い、一酸化炭
素の検出を行う。一酸化炭素濃度が低い場合は、信号（
ｅ）でタイマ（１０）がリセットされ、高温加熱へと戻
る。警報濃度以上の一酸化炭素が存在すると、ブザー（
４８）が鳴動すると共に、ローホールド信号（Ｙ）によ
り、スイッチ（Ａ、）を動作さ仕、ヒータ電源（８）を
低温側に固定する。０ＦＦ（３８）は、ローホールド信
号（Ｙ）により、常時読み込み状態となり、一酸化炭素
濃度が低下すプ士−Ｐ、庸伏め２−棒ｔＬａｆ居二二　
−１６Ｉレト江＊ｌ亀面よ２１釦下すると、ＤＦＦ（３
８）はオフし、ブザー（４８）が停止し、また信号（Ｙ
）の立も下がりで、タイマ（１０）がリセットされ、最
初の状態に戻る。

メタンの検出は高温側の信号（ａ）で行い、検出濃度以
上のメタンが存在すると、ＤＦＦ（３０）がオンし、ハ
イホールド信号（Ｘ）を発すると共に、ブザー（４８）
が鳴動する。この信号でスイッチ（Ａ、）が動作し、セ
ンサは高温側に保持され、メタン濃度が低下するまで連
続検出が行なわれる。

メタン濃度が下がると、信号（Ｘ）が解除され、ブザー
（４８）は停止し、タイマ（１０）は最初の状態に戻る
。これらにより、ホールド手段を構成ずろ。

なおこの実施例では、メタンや一酸化炭素の警報時にセ
ンサ温度を固定したが、これはメタン等のため警報して
いる際に一酸化炭素等を検出しても余り色味がないこと
による。もちろんこのような温度のホールドは行わなく
とも良い。

第３図と第８図とに、池の実施例を示す。この実施例で
は、高温側の出力からメタン等の可燃性ガスを検出する
と共に、低温側のピークから水素等のガスを、また低温
側の出力とピークとの差からＣＯを検出する。

この実施例では、センサ（２）の動作周期は低温側９０
秒、高温側６０秒等に固定し、演算増幅器（５０）によ
り、センサの電気伝導度（σＳ）に比例した出力を取り
出す。なおこれに代え、負荷抵抗等への印加電圧を出力
としても良い。

出力を所定のタイミングでサンプリングし、検出を行う
。メタンに付いては高温側の終了前等の信号（ａ）でサ
ンプリングし、ホールド回路（５２）に出力をホールド
し、メーター（５４）等で表示する。ホールド回路（５
２）には、Ａ／Ｄ　−Ｄ／Ａコンバータ等のデジタルメ
モリーや、アナログのピークホールド回路等を用いれば
良い。

水素等の妨害ガスに付いては、低温側移行後３〜ＩＯ秒
程度で生じるピークから検出する。ピークに対応する期
間に、サンプリング信号（ｄ）を用い、センサ出力のピ
ークをピークホールド回路（５６）にホールドさせる。

これにも、Ａ／Ｄ　−Ｄ／Ａコンバータやアナログピー
クホールド等を用いることが出来る。ピークホールド（
５６）の出力をメーター（５８）で表示し、１／ｎ回路
（６０）で１／３〜１／４等にしたものを補償用出力と
して用いる。なおピークの生じる時間はほぼ一定であり
、ピークホールド（５６）を単純なホールド回路とし、
ピークに対応した時間での出力を機械的にホールドして
も良い。

一酸化炭素に付いては、低温側移行後９０秒目算のサン
プリング信号（ｃ）で検出する。即ちこの時点でのセン
サ出力をホールド回路（６２）等に読み込む。ついでピ
ークホールド（５６）の出力をｌ／ｎしたものとの差を
、差動増幅器（６４）で取り出す。この出力は一酸化炭
素に選択的で、これをメーター（６６）等に表示する。

１／ｎ回路（６０）や差動増幅器（６４）により、補償
手段を構成する。

なおセンサ出力としては、電気伝導度や負荷抵抗への印
加電圧を、例えば０．５〜１．５乗、通常は０．８〜１
．２乗程度、べき乗したものを用いても良い。必要な乗
数はセンサ（２）の特性に応じ決定すれば良く、回路的
には例えば各ホールド回路（５２）、（５６）、（６２
）の前にべき乗口路（Ｇ　８）、（７０）、（７２）を
配置すれば良い。

第８図に、水素等のピークや低温側９０秒口のセンサの
出力を示す。図から、ピーク出力を１／３〜１／４倍し
たものを低温側の出力から引くと、一酸化炭素のみに対
応した出力が得られることがわかる。即ちピークの高さ
は本質的には水素等の濃度で定まり、一酸化炭素の影響
は小さい。そして水素中での、ピークと９０秒口の出力
とはほぼ比例している。また一酸化炭素中と、一酸化炭
素と水素等の混合雰囲気中とでは、低温側の出力が異な
り、ピークによる補正を加えることにより、正確な検出
が出来る。

ここで興味有る点は、混合雰囲気への低温側での出力が
、一酸化炭素への出力と水素への出力との和より大きい
点で有る。このことは、ピークによる補償を加えた場合
、混合雰囲気中での出力が安全側、（大きめな側）、に
シフトすることを意味する。しかしこの原因は不明であ
る。

なお低温域への移行時のピークの高さと、低温域９０秒
口の出力とを、各一酸化炭素と水素等の濃度毎に、ＲＯ
Ｍ等にメモリーして検出結果と比較しても、一酸化炭素
を検出することが出来る。

しかしこれは引算による補償をＲＯＭのマツプで行うに
すぎず、引算の場合と均等である。

［発明の効果］ この発明では、水素やエタノール等の影響を除き、正確
に一酸化炭素を検出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の回路図、第２図はその動作を現す波形
図、第３図は他の実施例のブロック図、第４図〜第８図
はガスセンサの特性図である。 （２）　　ガスセンサ、　　　（８）　　ヒータ電源、
（１０）タイマ、　　　　（１８）比較回路１、、　　
（Ａｌｌ）〜（Ａ８）　　スイッチ、（３２）、（３８
）ＤＦＰ。 （３６）ＲＳＴ−ＦＦ （５２）、（６２）ホールド回路、 （５６）　ピークホールド回路 （５４）、（５８）、（６６）　メーター。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （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周
   期的に変化させ、低温域でのガスセンサの出力から一酸
   化炭素を検出するようにしたガス検出装置において、 低温域への移行時に生じるガスセンサの出力のピークか
   ら、妨害ガスを検出するための、妨害ガス検出手段を設
   けたことを特徴とする、ガス検出装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の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から可燃性ガスを検出
   するための、可燃性ガス検出手段を設けたことを特徴と
   するガス検出装置。
3. （３）特許請求の範囲第２項記載のガス検出装置におい
   て、 妨害ガス検出手段の出力により動作して、低温域への保
   持時間を延長するための、保持時間延長手段と、 延長された低温域におけるガスセンサの出力から、一酸
   化炭素を検出するための、一酸化炭素検出手段とを設け
   たことを特徴とするガス検出装置。
4. （４）特許請求の範囲第３項記載のガス検出装置におい
   て、 可燃性ガス検出手段及び一酸化炭素検出手段のいずれか
   の出力により動作して、ガスセンサの温度変化を停止す
   るための、ホールド手段を設けたことを特徴とするガス
   検出装置。
5. （５）特許請求の範囲第１項記載のガス検出装置におい
   て、 妨害ガス検出手段の出力により、低温域におけるガスセ
   ンサの出力を補償するための、補償手段を設けたことを
   特徴とするガス検出装置。
6. （６）特許請求の範囲第５項記載のガス検出装置におい
   て、 前記補償手段は、低温域におけるガスセンサの出力と妨
   害ガス検出手段の出力との差を求めるものであることを
   特徴とするガス検出装置。